电子开关元件和模块化构造的变流器的制作方法

本发明涉及一种电子开关元件，也就是涉及开关的领域，并且尤其涉及具有有源半导体开关元件的快速开关的领域。此外，本发明涉及用于变流器的功率模块、以及模块化构造的变流器。

背景技术：

用于运行混合动力车辆或电动车辆的电机的、将所提供的直流电流变换成用于运行电机的相电流的变流器是已知的。此外已知由具有至少两个半导体功率开关的功率模块构成的变流器(例如参见de10037379b4和de102007046969b3)。用于变流器的功率模块的层状结构从de102013207507b3中已知。

技术实现要素：

相对于现有技术，根据本发明提出具有权利要求1的特征的电子开关元件和具有权利要求24的特征的变流器。

本发明提供一种具有至少一个半导体开关的、构造为导体结构元件的电子开关元件，其中与至少一个半导体开关连接的导线构造为汇流条，这些汇流条基本上互相叠加地伸展。汇流条在本文中能够被理解为平整地设计的印制导线，例如厚铜带。在此，用于接触连接至少一个半导体开关的至少两个汇流条能够基本上占有导体结构元件的整个宽度或该宽度的至少大部分。

本发明可以制造具有更小的结构大小、特别是更小的结构高度的、用于电路板应用的开关。由于根据本发明的设计方案，能够以极其平整的构造方式提供具有至少一个半导体开关的开关，该开关非常良好地适合嵌入到电路板子层中。这尤其在如下应用中是有利的，其中能够将多个开关安装在小空间中，并且在可能的情况下也能设有相应附加数量的冗余开关，这例如在飞行器应用中是该情况。相对于作为单独的且要装配的器件的常规晶体管，嵌入电路板的方式减小了晶体管过载时的安全风险。

此外，本发明可以在最小化不期望的干扰电感的情况下制造快速电子开关元件。通过具有(平整的)汇流条的层结构的、根据本发明的设计方案，实现了电子开关元件的与常规布置相比低电感的设计，其中汇流条基本上互相叠加地伸展并且很大程度上互相重叠并且与布置的同样集成到层结构中的半导体开关重叠。此外，相关的节约空间的构造方式有助于将开关元件集成在电路板中，以用于形成用于电动马达的、尤其用在机动车领域中的开关变换器。通过平整的构造方式，可以以紧凑的构造方式将开关变换器电路板尽量集成到电动马达壳体中。

本发明的其他的优点和设计方案从说明书和附图中得出。

要理解的是：上面提出的和下面还要阐述的特征不仅能够以分别所说明的组合方式使用，而且也能够以其他的组合方式或单独地使用，而不脱离本发明的范围。

本发明根据附图中的实施例示意性地示出并且在下面参考附图进行详细描述。

附图说明

图1示出与电动马达连接的模块化变流器的示意性电路图。

图2示出根据本发明的电子开关元件的、高度示意性的半透平面图。

图3示出图2的电子开关元件的分解的侧视图。

图4示出图3的分解图的立体透视图。

图5示出根据本发明的电子开关的另一实施方式的示意性截面图。

图6示出图5的电子开关元件的上侧的平面图。

图7示出图5的电子开关元件的下侧的平面图。

图8示出图5的根据本发明的开关元件的可选设计方案的示意性截面图。

图9示出具有两个图8的根据本发明的电子开关元件的电路板结构。

图10示出用于具有三个根据本发明的圆环段形的电子开关元件的电动马达的马达壳体的、高度示意性的视图。

图11示出作为本发明的另一实施方式的、具有作为开关的半导体开关的电子开关元件的示意性侧视截面图。

图12示出具有冗余布置中的并联的附加半导体开关的图11的开关。

具体实施方式

图1示出根据本发明构造的且与电动马达em连接的模块化变流器10的电路图的、高度示意性的原理图。

电动马达em例如用于驱动机动车，并且变流器10用于提供用于电动马达em的相电流形式的电能，该电动马达在所示出的实施例中具有三个绕组28。电动马达em的三个绕组28分别经由相电流导线26与变流器10电连接。

模块化构造的变流器10在所示出的实施例中构造为b6桥电路，并且变流器包括三个很大程度上相同构造的、互相并联设置的半桥装置12(12.1、12.2、12.3)，这些半桥装置处在第一供电导线或汇流条20和第二供电导线或汇流条22之间。半桥装置在图1的视图中通过竖直的虚线互相分开。示出的半桥装置中的每一个是根据本发明构造的、如在下文中还详细阐述的电子开关元件。

三个半桥装置12中的每一个分别包括第一半导体开关14(在此：高侧)和第二半导体开关16(在此：低侧)，这些半导体开关在图1的原理图中作为矩形示出。每个模块12的两个半导体开关14和16与第三汇流条24互相连接，用于相电流导线26的分接头(中间端子)u、v或w分别连接在该第三汇流条上，相电流导线将相电流传输给电动马达。

在所示出的实施例中，第一半导体开关14布置在正电压侧的电流路径上，进而布置在第一(正的)汇流条20和相电流导线26中的一个之间，并且第二半导体开关16布置在负电压侧的电流路径上，进而布置在相电流导线26中的一个和第二(负的)汇流条22之间。

半导体开关14、16中的每一个具有电端子25，以施加用于半导体开关14、16的栅极端子的控制信号。

变流器10能够具有其他的电路部件，例如一个或多个中间回路电容器，中间回路电容器在图1的视图中出于更好概览的原因而未被示出。

图2示出根据本发明的开关模块或电子开关元件或桥式开关12的一个实施例的半透平面图，以便也可见层结构的下方的子层。图3示出图2的实施例的分解的侧视图，以出于更好可识别性的原因进一步互相分开紧凑并排的层并且未示出中间层(例如绝缘的中间子层)。最后，图4示出图3的分解图的立体透视图。

构造为半桥装置的电子开关元件12具有第一和第二半导体开关14、16，第一和第二半导体开关置入导体结构元件30的层序列中。在所示出的实施例中，半导体开关14、16基本上位于层结构的相同的平面或高度上。第一和第二半导体开关14、16能够如所示出的那样施加在所谓的引线框架(导线载体)34、36上。施加在引线框架上的方式用于机械固定和/或电接触连接。在所示出的实施例中，实现了与每个半导体开关的漏极端子的电接触连接。半导体开关置入到层结构中的引线框架上。该设置方式对于本领域技术人员是已知的。但是，半导体开关14、16也能够直接地置入，这在图5至图7的实施例中是这种情况。

用于将第一半导体开关14连接到直流电压上的第一汇流条20构造在导体结构元件30的下方的平面中，例如构造为厚铜带。类似地，用于将第二半导体开关16连接到直流电压上的第二汇流条22构造在导体结构元件30的上方的平面中，例如构造为厚铜带。在所示出的实施例中，下方的汇流条20表示正极连接，而上方的汇流条22表示负极连接。

用于连接第一和第二半导体开关14、16的第三汇流条24在所示出的实施例中构造在导体结构元件30的上方的平面中，第三汇流条适当地构造在与第二汇流条22相同的平面中并且同样构造为厚铜带(然而与第二汇流条22绝缘)。在第三汇流条处或上，如已经在上文参考图1描述的那样，存在端子点(中间端子)u，以用于截取用于电动马达em的相电流。

将中间回路电容器c(所谓的直流链)连接到第二汇流条22和第一汇流条20之间(在所示出的实施例中为两个中间回路电容器)。中间回路电容器例如能够为陶瓷电容器(如ccc电容器)。为了实现中间回路电容器的节约空间的布置，第一汇流条在所示出的实施方式中借助于通孔连接接到第二汇流条22的平面中，置入到为第一汇流条所设的凹部23中。因此，中间回路电容器c能够直接地设置到互相相邻的、但是电分离的汇流条20、22上。

所示出的中间回路电容器c为相对低电容的、具有小的固有电感的元件。如果也还连接高电容的电容器(例如电解电容器，未示出)，那么这能够在为了该目的所设的端子20a、22a或20b、22b处进行。这些端子20a、22a或20b、22b从第一(正极)汇流条或第二(负极)汇流条20、22经过层结构延伸至相应的另一汇流条，并且在那里为了电分离的目的分别通入相应的汇流条中的为此所设的凹部21a、21b或23a、23b中。

所示出的和所描述的端子20a、22a或20b、22b尤其用在接线的电容器构件中。可选地，也能够施加smd技术中的高电容的电容器(类似于已示出的和所描述的低电容的陶瓷电容器c)。不用于中间回路电容器端子的端子20a、22a或20b、22b能够用于接触连接正极/负极。也可行的是：将相同的端子对用于接触连接正极/负极并且用于连接中间回路电容器。

下方的汇流条20借助于多个接触件或微过孔40或42与导体结构元件30的层序列的、位于下方的汇流条上方的平面中的引线框架34电连接，或与半导体开关14电连接(漏极接触)。在引线框架34上存在另外的多个微过孔44，这些微过孔建立与第一汇流条20的位于微过孔上方的、布置在第二汇流条22的平面中的子汇流条的连接。如已经描述的那样，该子汇流条布置在第二汇流条22的凹部23中。此外，凹部23构造为使得该凹部也容纳第三汇流条24。第二汇流条22、第一汇流条20的子汇流条、和第三汇流条24尽管位于相同的平面中，然而互相电分离。

在此需要强调的是：术语“微过孔”在本申请中能够被理解为导体层结构中的任意类型的竖直接触连接件的同义词。方向表述“竖直”在此涉及垂直于层结构的纵向延伸的方向，这也从附图中可见。

类似地，第二汇流条22借助多个微过孔50与位于微过孔下方的第二半导体开关16连接(源极接触)。第二引线框架36又借助多个微过孔52与位于微过孔上方的第三汇流条电连接，由此建立用于漏极接触的连接，其中第二半导体开关16安置在第二引线框架上并与第二引线框架电连接。

在第一半导体开关14和第二半导体开关16之上，在第三汇流条24或第二汇流条22中存在用于容纳电端子25的凹部，该电端子用于施加用于两个半导体开关14、16(栅极端子)的晶体管的控制信号。

在第三汇流条24中存在用于中间端子u的端子点。因此，所示出的电子开关元件12电“布线”成，得到从第一汇流条20经由微过孔40、42到第一半导体开关14和第一引线框架34的连接。第一半导体开关14与第三汇流条24连接，经由该第三汇流条又经由中间端子u得到与(在此未示出的)电动马达em的连接。

经由控制信号端子25进行对第一半导体开关的操纵，该控制信号端子电绝缘地嵌入在第一半导体开关14上方布置的汇流条(在该情况下为第三汇流条24)中。随后，第三汇流条24的中间端子u经由微过孔52与位于该微过孔下方的第二引线框架36连接，并且与布置在第二引线框架36上的第二半导体开关16连接。第二半导体开关16又经由多个微过孔50与位于该微过孔上方的第二汇流条22连接。第二半导体开关16的控制信号端子25电绝缘地嵌入位于第二半导体开关上方的汇流条(在此：第二汇流条22)中。

如已经描述的那样，中间回路电容器在第二汇流条22的上方的平面中布置在第一汇流条20和第二汇流条22之间。为了该目的，设有经由微过孔44与第一汇流条20连接的子汇流条20c。为了连接高电容的中间回路电容器(未示出)，设有已经描述的通孔20a、20b、22a、22b。(可选地，上面已经提及的smd实施方案(smd：表面安装器件surface-mountdevice，德语：oberflaechenmontiertesbauelement)是可行的)。

图5示出具有所谓的交替布置的半导体开关114、116的、根据本发明的电子开关元件112的另一实施例。

电子开关元件112形成为导体结构元件130，该导体结构元件由层序列、即能够形成为传导层的核心层或载体层132形成，绝缘层134在两侧连接到该传导层上。在两个绝缘子层134上又设有用于构造第一汇流条120、第二汇流条122、以及第三汇流条124的印制导线。可选地，除了传导的核心层132(即例如完全由铜构成的层)之外，还可以使用铜包覆的结构化的内子层或完全非传导性的内子层。

在所描述的层结构中，将第一半导体开关114和第二半导体开关116布置在载体层132的为第一和第二半导体开关所设的凹部中。第一半导体开关114借助于微过孔160与第一汇流条120连接并且借助微过孔162与第三汇流条124连接。第二半导体开关116相应地借助微过孔164与位于该微过孔上方的第三汇流条124连接，并且第二半导体开关借助于微过孔166与在上方的平面中伸展的第二汇流条122的、位于该微过孔下方的子部段122a连接。第二汇流条122的子部段122a借助于(导电的)核心层132上的通孔(盲孔)168与原本的第二汇流条122电连接。在铜包覆的或非传导性的核心层的情况下，该孔可以为连贯的通孔168。

在第三汇流条124中设有中间端子u，该中间端子能够构造为压入接触件170，该压入接触件借助接触销172穿透式地接合导体结构元件130。为了建立在第三汇流条124和压入接触件170之间的尽可能大的接触连接面，电镀的铜覆层穿过导体结构元件130的、设置用于容纳接触销172的贯通钻孔136延伸到在图5的视图中位于下方的平面(第一汇流条120的平面)。注意：在图6的平面图的视图中，出于更好概览的原因放弃示出压入接触件170的头部。

最后，还设有用于第一和第二半导体开关元件114、116的控制信号端子125，这些端子分别是上方的平面上和下方的平面上的端子，这些端子借助于过孔161或165与两个半导体开关114、116连接。

所示出的布置为所谓的交替的布置，即两个半导体开关114、116设置为相对彼此地倾斜或枢转180°。在所示出的实施例中，这表示：第一半导体开关114借助其漏极端子d以向下指向的方式与第一汇流条120(正极)连接，而源极端子s和栅极端子g向上指向。与之相对，第二半导体开关116倾斜180°以使得其漏极端子d向上指向(并且在那里与第三汇流条124连接，该第三汇流条在第三汇流条的另一端部处与第一半导体开关114的源极端子s连接)。第二半导体开关116的源极端子s和栅极端子g相应地向下指向第一汇流条120的平面。所描述的且所示出的交替的布置实现了根据本发明的电子开关元件的尤其紧凑的构造方式。

根据本发明，第一汇流条120和第二汇流条122平行地延伸且大部分互相重叠地在电子开关元件的两个不同的平面中延伸，其中第一和第二汇流条也很大程度上与两个半导体开关重叠。

在图5至图7的实施例中，第一半导体开关114与第一汇流条120和第三汇流条124重叠，而第二半导体开关116与第三汇流条124和第二汇流条122(更确切地说，第二汇流条的在第一汇流条120的平面中的子部段122a)重叠。为了确保所描述的和所示出的布置，在第一汇流条120和第二汇流条122中设有凹部121b或123，将另外的汇流条元件电分离地装入这些凹部中，即将第二汇流条122的子部段122a装入第一汇流条120的凹部121b中，并将第三汇流条124装入第二汇流条122的凹部123中。

从图6和图7的视图中良好可见的是：第一和第二汇流条120、122在导体结构元件130的整个宽度上延伸。此外，第一和第二汇流条也在导体结构元件的整个长度上延伸。由此，并且通过经由微过孔和通孔一致地接触连接全部所使用的元件和端子的方式，将感应减小的效果最大化。

此外，第一汇流条120还具有另一凹部121a，压入接触件170的接触销172连同与第三汇流条124导电连接的铜层一起延伸到该另一凹部中。在将表面安装的接触件170a用于中间抽头u的情况下，能够弃用用于接触销172的钻孔和另外的凹部121a。这种变型方案在图8中示出。

图8示出类似于图5的、根据本发明的开关元件112a的可选设计方案，但是该开关元件具有用于中间端子u的表面安装的接触件170a。如从图8中可见，这表示：不需要穿过层结构130a的贯通钻孔，并且不需要第一(下方的)汇流条120a中的凹部121a，因为第三汇流条124a不延伸到下侧。此外，图8的设计方案对应于图5的设计方案。

其他的层能够连接到图2至图7示出的层结构上，以便例如接触连接控制端子25、125并且使电子开关元件完整。特别地，所示出的层结构同样能够集成到电路板中，这以图9中示出的实施方式的实例说明。

图9示例性地示出将两个构造为半桥装置的根据本发明的开关元件112.1和112.2嵌入电路板lp中，该电路板在其结构上基本对应于图8中示出的结构。相应的特征和元件的附图标记被提高了“100”。为了描述电子开关元件112.1、112.2本身，参考图5至图8的上面的描述。

两个构造为导体结构元件的开关元件112.1、112.2能够如所示出的那样嵌入电路板的层中或其他平面中。由预浸料和/或预浸料加上内子层材料(如fr4)构成的绝缘层或层序列210分别连接在上方和下方，由该内子层材料挤压开关元件112.1、112.2。替换预浸料的方案是，也能够使用具有充分导热性的、无玻璃纤维的介电材料。

开关元件112.1、112.2在纵向上依次稍微互相间隔开地设置。在两个开关元件112.1、112.2之间的过渡区域中，在绝缘层上形成导体部段220、222，这些导体部段借助于竖直接触件、例如微过孔分别与两个第一汇流条120.1、120.2或两个第二汇流条122.1、122.2连接，以便这样确保两个开关元件112.1、112.2之间的电连接形成两个开关元件的并联连接。

在绝缘层210的表面上还能够设有用于对逻辑电路布线或设置逻辑电路的另外的导体轨，如这示意性地用附图标记212表示的那样。

用于中间端子u和v的接触件170.1和170.2在所示出的实施例中施加到外部的绝缘层210的铜子层上，并且借助于竖直的接触连接件、例如微过孔与两个开关元件112.1、112.2的相应位于该微过孔下方的第三汇流条124.1或124.2连接。可选地，在相应的设计方案中能够使用已经存在于开关元件上的接触件(参见图5和图8)。

最后，在绝缘子层上还设有用于连接两个开关元件112.1、112.2的控制信号端子125.1、125.2的导体轨225。

在相对置的侧上(在电路板装置lp的在视图中向下指向的侧中)施加由导热材料(tim：thermalinterfacematerial热接合材料)构成的层214，该层又与一个或多个冷却体k1、k2接触。冷却体能够与在两个开关元件112.1、112.2之间的过渡连接件220的区域中的凹部一件式地形成，或者与相关联的开关元件112.1、112.2下方的部件k1、k2两件式地形成(或可能也更多件式地形成)。此外，至少一个冷却体具有用于位于下方的控制信号端子225和控制信号端子的接触连接的、未详细示出的凹部。

导热层214能够根据应用由传导性的或非传导性的材料构成；从与用作为绝缘的外子层210的材料的交互作用中，本领域技术人员选择导热层214的精确的特性。

在(未示出的)可选的实施方式中，代替仅布置冷却体在电路板lp的一侧上的方案，例如能够将冷却体交替地布置在两侧上；相应地，接触件170也或者必须交替地设置，或者必须在用于接触件170的冷却体中设置凹部。在图9的实施例中，例如能够将用附图标记k2表示的冷却体布置在第二开关元件112.2的上侧上。

在图5至图9中，出于概览的原因放弃示出中间回路电容器。

图10以马达壳体m的端侧的侧视平面图示出了电动马达em的马达壳体m的高度示意性的视图。

马达壳体m例如由金属铸件块构成，该金属铸件块具有内部面i，该内部面具有基本上圆形的内部横截面。

根据本发明，变流器10装入马达壳体m中，该变流器同样具有圆形的平面轮廓，该平面轮廓在外部尺寸上基本对应于马达壳体m的内部横截面的平面轮廓，从而可以将变流器10精确地定位在马达壳体m中。

变流器10由三个根据本发明的电子开关元件12.1、12.2、12.3形成，这些电子开关元件中的每一个具有圆环段形状(在所示出的实例中为120°的圆环段形状)，该圆环段形状实现：在互相依次布置且布线的状态下由三个开关元件形成圆环。这例如以参考图9描述的方式例如能够通过将三个开关元件12.1、12.2、12.3集成到相应的电路板中的方式进行，该电路板具有同样相应圆形的横截面。

对于本领域技术人员容易可见的是：当前尽管提及的是120°的圆环段，但是在实践中，电子开关元件实际上具有例如小于120°的角度延伸，以便实现分别以模块之间的一定间距将三个开关元件模块无问题地组合成完整的环。然后，三个(嵌入电路板中的)开关元件共同得到360°的完整的圆。在本申请的范围内涉及在其他角度表述的情况中适用的相应的内容。

在图10的高度示意性的视图中同样能够示出三个开关元件12.1、12.2、12.3中的每一个的相应的第一和第二半导体开关14、16、以及开关元件的相应的中间端子u、v、w，这些中间端子与电动马达的(未示出的)相电流导线连接。同样示出的是正极和负极、或正极端子和负极端子。

能够将至少一个(未示出的)凸出部布置在马达壳体m的内部面i上，该凸出部在尺寸上设计成，使得根据本发明的变流器(也就是电路板，在该电路板中嵌入三个开关元件)为了安置在马达壳体中而装到凸出部上，并且能够在那里固定。该凸出部在适当的尺寸设计和布置的情况下因此能够用作为用于所布置的电路板的冷却体，以导出由半导体器件和可能的汇流条产生的损失功率。该凸出部能够一件式地或多件式地(作为多个凸出部)构造。一个或多个凸出部能够与马达壳体的金属铸件体一件式地构造。以该方式，不需要单独的冷却体，并且马达壳体的本来存在的金属铸件体能够用于冷却。

可选地，所描述的凸出部为了支撑/加载和冷却变流器电路板也安置在马达壳体的盖中。此外，凸出部在另一设计方案中还能够以分布到马达壳体的内部上和马达壳体的盖上的方式设置，由此得到从电路板的两侧支撑和冷却电路板的方案，例如在上面阐述的交替的布置中那样。

图11示出作为根据本发明的另一实施例的、构造为开关ds的电子开关元件的示意性横截面图。

开关ds包括半导体开关314，该半导体开关置入到导体结构元件330中，该导体结构元件具有核心层332和连接于核心层处的(上方的和下方的)绝缘子层334。如已经在上文中阐述的那样，半导体开关314装入到核心层332中的为该半导体开关所设的凹部中并且在那里由绝缘子层334挤压。

设置作为根据本发明的开关元件312的是：经由微过孔360与半导体开关314的漏极接触件d连接的、要引导电流的汇流条320(在实施例中位于下方)、以及经由微过孔362与半导体开关314的源极接触件s连接的另一汇流条324。

在所示出的实施例中，在另一汇流条324上安置接触件370，经由该接触件能够建立与消耗器v的连接，该消耗器又能够与地、或电流源的负极连接。如在之前的描述中已经介绍的那样，用于从另一汇流条324中导出电流的接触件也能够在开关ds嵌入电路板之后才被安置。

图12示出根据本发明的开关dsr的冗余的开关布置的实例的、类似于图11的视图。相同的元件具有相同的附图标记，必要时附加附注“r”。

开关dsr的冗余的电子开关元件312r具有为了容纳另外的半导体开关316而延长的导体结构330r，该导体结构尤其包括具有用于容纳另外的半导体开关316的另外的凹部的核心层332r。

为了在要冗余使用的半导体开关314、316之间形成并联电路，两个汇流条相应地在导体结构元件330r的长度上延长。对此，两个半导体开关314、316以相同的定向布置，即两个漏极接触件d沿相同方向指向(在所示出的实施例中向下)，并且两个源极接触件s指向相同的方向。因此，引导电流的下方的汇流条320经由微过孔360、364与两个半导体开关314、316的两个漏极接触件连接，并且另外的(上方的)汇流条324经由微过孔362、366与两个源极接触件s连接。相应地，设有用于两个栅极接触件g的控制信号端子325。这些控制信号端子如上面已经参考图5至图7描述的那样布置在另一汇流条324中的、为控制信号端子所设的凹部中。

所描述的和所示出的开关元件为了说明而具有两个半导体开关。通常，冗余的电路具有三个或还更多个半导体开关。这种冗余的开关如所描述的那样能够置入电路板中。由于根据本发明的开关元件的极小的结构高度，电路板能够配设有多个这种开关。

显而易见的是，根据本发明的开关的半导体开关如其示例性地参考图11和图12所描述的那样也能够安装在引线框架上，并且该半导体开关在该引线框架上置入导体结构元件的层序列中。

在本发明的内容中，将任意类型的、具有至少一个电子开关、例如mosfet、igbt、晶闸管等的子电路装置、尤其是集成电路理解为电子开关元件。在最宽泛的意义中，电子开关元件也能够为桥式开关，该桥式开关适合构建多脉冲桥式电路。在使用igbt的情况下，需要使用所谓的续流二极管，这对于本领域技术人员可从其专业知识中容易得出。

显而易见地，对于桥式电路而言，开关元件也能够具有多于两个半导体开关，这在具有更大的电流或功率的应用中是必要的。