CN109888523A - 连接机构、功率电子设备和制造功率电子设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连接机构、功率电子设备和制造功率电子设备的方法。连接机构(100)用于将半导体模块的汇流排(105)与进一步延伸的汇流排(110)连接起来。该连接机构(100)包括传感装置(115)，该传感装置具有用于上下相叠地安置汇流排(105)和进一步延伸的汇流排(110)的安置面(120)以及用于以无电势的方式测量流经汇流排(105)的电流的传感元件(130)。

Description

连接机构、功率电子设备和制造功率电子设备的方法

技术领域

本发明涉及用于将半导体模块的汇流排与进一步延伸的汇流排连接起来的连接机构、具有连接机构的功率电子设备以及用于制造功率电子设备的方法。

背景技术

在功率电子设备中存在无电势地测量电流的需求。

DE 10 2015 206 568 A1描述了一种功率电子设备，其中，通电的导体被引导穿过电路板中的留空部。

发明内容

在该背景下，本发明提供根据独立权利要求的经改善的连接机构用于使半导体模块的汇流排与进一步延伸的汇流排连接起来，还提供具有经改善的连接机构的功率电子设备以及用于制造经改善的功率电子设备的方法。有利的设计方案由从属权利要求和随后的描述中得到。

能利用所提出的方案来实现的优点在于：由于这里所提出的连接机构，电路板不必被穿透，以便可以无电势地测量功率电子设备中的电流。这里所提出的连接机构还使得功率电子设备的小的结构高度成为可能。

用于将半导体模块的汇流排与进一步延伸的汇流排连接起来的连接机构包括传感装置，该传感装置具有：用于上下相叠地安置汇流排和进一步延伸的汇流排的安置面；用于无电势地测量流经汇流排的电流的传感元件。

半导体模块可以是包括至少一个半导体构件的电路。例如，半导体模块可以是半桥电路，该半桥电路由高压侧功率开关和低压侧功率开关组成，该高压侧功率开关和该低压侧功率开关可以布置在共同的(陶瓷)基底上。半导体模块的汇流排可以是由金属构成的汇流排。进一步延伸的汇流排可以是至电机的由金属构成的汇流排。尤其是，可以涉及电机或转场式电机的相线。汇流排例如可以被理解为实心的电导体，其由导电良好的材料、诸如铜或铝组成。汇流排可以成形为冲压件。这里所提出的连接机构被构造用于将汇流排与进一步延伸的汇流排连接起来，而在这种情况下不穿透功率电子设备的部件。功率电子设备可以是逆变器或者逆变器的部分元件。

连接机构使无电势地测量引导经过汇流排的电流成为可能。在此，并非直接测量电流，而是测量通过电流所产生的磁场。为此，通电的导体可以被引导穿过使磁场集束的软磁芯。该芯可以由能磁化的材料或者铁磁材料制成。在芯的气隙中，磁场例如可以用霍尔传感器来测量并转换成电压。该电压反映出流动的电流并且例如可以用微控制器来测量。可以经由连接机构的信号导体将该电压引导到电路板上，微控制器也处在该电路板上。相对应的导体可以被理解为信号线、针脚、接触销或者联接销。有利地，电压与通电导体的电势电绝缘。

连接机构可以具有开口用以容纳将汇流排和进一步延伸的汇流排以机械方式连接起来的连接元件，其中，开口可以布置在安置面内。连接元件可以是螺丝，该螺丝可以与上下相叠地布置的汇流排和进一步延伸的汇流排的延伸长度横向地穿过上下相叠地布置的汇流排和进一步延伸的汇流排或者将上下相叠地布置的汇流排和进一步延伸的汇流排至少以机械方式连接起来。为了容纳连接元件，开口可以具有螺母。

按照有利的实施方式，连接机构也可以具有连接元件，该连接元件可以容纳在开口和/或螺母中并且可以将汇流排与平行于该汇流排地布置的进一步延伸的汇流排连接起来。这提供了在汇流排与进一步延伸的汇流排之间牢固且因此可靠的以机械和电的方式的连接。

连接机构的穿引部可以与安置面邻接，以便使得在穿引部之外汇流排与进一步延伸的汇流排的机械连接变得容易或在这样的位置使连接元件易于接触到。穿引部可以是用于使汇流排穿过传感装置或该传感装置的芯的穿引部，尤其是缝隙。

传感元件可以成形为霍尔传感器。这种霍尔传感器适合于测量磁场并将其转换成电压，以便使无电势地感测电流成为可能。

为了使磁场集束，传感装置可以具有环形地包围用于使汇流排穿过的穿引部的软磁芯，其中，该芯可以具有空隙，传感元件、例如霍尔传感器可布置在该空隙中。

为了使连接机构稳定化并且为了例如可以将该连接机构固定在半导体模块的载体(例如载体板)上，有利的是：按照有利的实施方式，连接机构具有支撑元件，传感装置固定或能固定在该支撑元件上。支撑元件可以具有支撑壁，该支撑壁在与传感装置背对的一侧上具有至少一个槽用以容纳半导体模块的至少一个信号导体。支撑壁可以在与传感装置背对的那侧上具有台阶用以支撑至少一个信号导体。例如，传感装置可以被夹入到支撑元件中或者以能夹入的方式成形到支撑元件中。在此，支撑元件可以具有至少一个固定贯穿开口用以容纳固定元件。

如果传感装置和/或支撑元件具有至少一个用于容纳固定元件的固定贯穿开口，那么能够使连接机构固定在载体上成为可能。例如，另外的螺丝可用作固定元件。

功率电子设备具有在所提出的其中一个变型方案中的连接机构和具有半导体模块的载体，其中，槽容纳至少一个信号导体并且汇流排以穿过穿引部的方式引导穿过传感装置。有利地，功率电子设备可以具有三个传感装置和三个半导体模块。在此，针对三个半导体模块中的每个半导体模块都可以恰好设置有三个传感装置中的一个传感装置。这三个半导体模块可以共同地得出一个逆变器。

功率电子设备还可以具有电路板，其中，至少一个信号导体和/或至少一个传感装置的传感装置信号导体可以与电路板连接或者可以是能与电路板连接的。电路板可以压紧或压入到功率电子设备的功率电子器件侧上。

用于制造功率电子设备的方法包括如下步骤：

提供所提出的连接机构和所提出的具有至少一个半导体模块的载体；

将至少一个信号导体布置在连接机构的支撑元件的槽中；以及

将连接元件嵌入到开口中，用以将汇流排和进一步延伸的汇流排以机械和电的方式连接起来，以便制造功率电子设备。

该方法还可以具有压入或压紧电路板的步骤。

附图说明

这里所提出的发明的实施例在附图中示出并且在随后的描述中进一步予以阐述。其中：

图1示出了按照实施例的用于使半导体模块的汇流排与进一步延伸的汇流排连接起来的连接机构的示意性横截面图；

图2示出了按照实施例的连接机构的示意性横截面图；

图3示出了按照实施例的连接机构的透视图；

图4示出了按照实施例的具有连接机构的功率电子设备的示意图；并且

图5示出了按照实施例的用于制造功率电子设备的方法。

在随后对本发明的优选的实施例的描述中，相同或者类似的附图标记被用于在不同的附图中示出的且起类似作用的元件，其中，省去了对这些元件的重复的描述。

具体实施方式

图1示出了按照实施例的用于使半导体模块的汇流排105与进一步延伸的汇流排110连接起来的连接机构100的示意性横截面图。

连接机构100包括传感装置115，该传感装置具有用于以上下相叠地布置的方式来安置汇流排105和进一步延伸的汇流排110的安置面120。此外，传感装置115可选地包括：用于使汇流排105穿引过的穿引部125；和用于无电势地测量流经汇流排105的电流的传感元件130。在所示出的布置方案中，连接机构100使半导体模块的汇流排105与进一步延伸的汇流排110连接起来。

为此，按照该实施例的连接机构100具有可选的开口135用以容纳使汇流排105和进一步延伸的汇流排110以机械和电方式连接起来的连接元件140，其中，开口135布置在安置面120内。

按照该实施例，连接机构100可选地也具有连接元件140，该连接元件容纳在开口135中并使汇流排105与平行于汇流排105地布置的进一步延伸的汇流排110连接起来。

按照该实施例，传感装置115的穿引部125与安置面120邻接。在此，安置面120是穿引部125的壁的延续部。替选地，安置面120也可以通过穿引部125的壁形成。

图2示出了按照实施例的连接机构100的示意性横截面图。在此，涉及在图1中描述的连接机构100，然而具有如下区别：汇流排没有容纳在穿引部125中并且该汇流排和进一步延伸的汇流排也没有连接起来。此外，连接机构100相对于在图1中示出的连接机构100转动了90°地示出。

按照该实施例，传感装置115的传感元件成形为霍尔传感器200。

按照该实施例，传感装置115具有环形地包围穿引部125的软磁芯205，其中，芯205具有空隙210，在该空隙中布置有传感元件，这里即霍尔传感器200。

可选地，传感装置115还具有用于容纳固定元件的至少一个固定贯穿开口215。按照该实施例，传感装置115具有这些固定贯穿开口215中的两个固定贯穿开口，所述两个固定贯穿开口穿过传感装置115的两个背对的自由端部。

图3示出了按照实施例的连接机构100的透视图。在此，可以涉及在图2中描述的连接机构100，然而具有如下区别：连接机构100包括传感装置115中的三个传感装置以及一个支撑元件300。

传感装置115中的至少一个传感装置以固定或能固定在支撑元件300上的方式成形出，其中，支撑元件300具有支撑壁305，该支撑壁在与传感装置115背对的一侧具有至少一个槽310用以容纳半导体模块的至少一个信号导体。

按照该实施例，这三个传感装置115彼此相邻地通过多个夹紧连接部以夹入到支撑元件300中的方式来布置。

支撑壁305具有多个槽310用以容纳多个半导体模块中的多个信号导体。

按照该实施例，支撑元件300还具有多个另外的固定贯穿开口315，所述多个另外的固定贯穿开口成形成用于将支撑元件300并且按照该实施例也将传感装置115通过将固定元件穿过固定贯穿开口215以及另外的固定贯穿开口315拧入来固定在载体405(例如载体板)上，其中，传感装置115布置成使得传感装置的固定贯穿开口215过渡到另外的固定贯穿开口315中。

这里所提出的连接机构100也可以被称作用于直接联接到半导体模块或多个半导体模块上的多功能电流传感器。

图4示出了按照实施例的具有连接机构100的功率电子设备400的示意图。在此，可以涉及以经转动的方式示出的在图3中描述的具有支撑元件300的连接机构100。

功率电子设备400具有连接机构100和带至少一个半导体模块410的载体405，其中，半导体模块410的至少一个信号导体415由支撑元件300的槽容纳并且汇流排105被引导穿过穿引部125。

按照该实施例，功率电子设备400具有三个半导体模块410，所述半导体模块彼此相邻地固定在载体405上。根据上述描述，三个半导体模块410中的每个半导体模块都分别与支撑元件300连接并且与三个传感装置115中的一个连接。

按照该实施例还能看出：支撑元件300的支撑壁在与传感装置115背对的那侧上具有多个并排布置的台阶420，所述台阶支撑半导体模块410的信号导体415中的至少一些信号导体。按照在图4中示出的图示，信号导体415的自由端部从绘图平面伸出。

按照替选的实施例，功率电子设备400还具有电路板423，其中，至少一个信号导体415和/或至少一个传感装置115的传感装置信号导体425与电路板423连接或者能与电路板423连接。按照替选的实施例，电路板423从功率电子设备400的功率电子器件侧安置到该功率电子设备上，例如压紧或压入到功率电子设备上，由此所有这里示出的信号导体415和传感装置信号导体425都与电路板423接触。因此，传感装置115布置在载体板405与电路板423之间。换言之，在图4中，电路板423处在传感装置115、半导体模块410和支撑元件300上方(之上)。因而，支撑元件300和传感装置115的在图3中可见且在那里向上伸出的突出部(榫头)可以嵌接到电路板423的相对应的开口中。因此，电路板423关于传感装置115占据限定的位置。这使得导体415和425与电路板423的所提及的接触变得容易。基于更好的概览，电路板423在图4中示例性地并且仅作为虚线来示出。

按照实施例，所描述的发明在逆变器中被用于使机动车的电牵引马达(电机/转场式电机)通电。其中每个传感装置都用于确定在牵引马达的单个相中的相电流。因此，牵引马达的电流调整的运行是可能的。

接下来，换一种表达方法再一次描述连接机构100和功率电子设备400的实施例：

按照该实施例，也可以称作电流传感器的传感装置115不是在之前的安装步骤中被施装到电路板423上(这例如可能会通过选择性地焊接或者通过压入来实现)，而是电路板423被放置到连接机构100上或者被放置到连接机构100中，尤其是被压入到连接机构100上或者被压入到连接机构100中。在该实施例中，传感装置115未被电路板423保持和承载，而是固定在载体405上。在放置过程(压入或焊接过程)之后，电路板423同样固定在载体405上。因此，在电路板423上的自由振荡的质量更小，由此在振动检查时的振荡幅度也更小。

因为传感装置115处在半导体模块410附近而且每个传感装置都由也测量电流的同一微控制器来操控，所以有利的是，信号导体415也被引导到电路板423上。

在当前情况下，信号导体415被实施为压接针脚并且在电路板423的压入过程中被支撑。为此，由于成形出支撑元件300的台阶420，有利地，不必设置安装工具来支撑信号导体415。

由于这里所提出的连接机构100，对于以汇流排105的形式的通电导体穿过软磁芯来说，在电路板423中不需要留空部。不需要可能的、用于使半导体模块410的汇流排105与进一步延伸的汇流排110连接并且用于使通电导体穿过软磁芯205的通电金属套筒，所述通电金属套筒是附加构件而且会提高成本和安装耗费。此外，在汇流排105与电流传感器的传感装置信号导体425之间维持足够的绝缘间距。整体上，由于这里所提出的功率电子设备400，在电路板423上仅具有很小的空间需求。在多个传感装置115的情况下，在电路板423上得到大的质量。由此，电路板423在振动时倾向于较高的振荡幅度。在此，这里所提出的功率电子设备400满足振动要求，这是因为传感装置115不是由电路板423来保持和承载，而是固定在载体405上。

对于机械支撑也可以被称作压入针脚的信号导体415来说，由于支撑元件300而不需要单独的构件。这减少了安装耗费。

简而言之，通过这里所提出的方案解决了如下问题：

在制造电路板423时，节约了可能的工艺步骤，即，对留空部的铣削。此外还减少了电路板423上的空间需求。降低了整体上的结构高度以及在电路板423上的质量。半导体模块410的信号导体415被取向并且在压入过程期间被支撑。

在这里所提出的功率电子设备400中，汇流排105和进一步延伸的汇流排110形式的通电导体不是垂直于电路板423地受引导，而是平行于电路板423地受引导。这具有如下优点：电路板423不必被留空而且因此显著地更加有利。

此外还使用预先安装的构件，该预先安装的构件由支撑元件300组成，多个传感装置115被夹入到该支撑元件中。支撑元件300如下地成形，使得半导体模块410的信号导体415沿X和Y方向取向并且沿Z方向受支撑。在此，在图4中示出的图示中，Z方向垂直于绘图平面地延伸。按照该实施例，在传感装置115的开口135中分别整合有螺母，利用所述螺母在汇流排105与进一步延伸的汇流排110之间建立螺丝连接。

半导体模块410安装在载体405上，按照该实施例，以冷水流经所述半导体模块用以冷却。冷水首先用于冷却半导体模块410。在该实施例中，可选地，可以使传感装置115冷却，因为这些传感装置如半导体模块410那样安装在同一载体405上。预先安装的支撑元件300形式的构件移动经过半导体模块410的起始汇流排、也就是经过汇流排105，利用型板来取向并且紧接着与载体405拧紧。由此，传感装置115与载体405牢固地连接并且受保护以防振动。

最后，放置、尤其是压入电路板423，并且在此建立半导体模块410的信号导体415和电流传感器的传感装置信号导体425与电路板423的连接。

跟着是一目了然地对优点的列举：

这里提出的功率电子设备400实现了结构高度的节约以及体积减少，其方式是汇流排105和进一步延伸的汇流排110平行于电路板423地受引导。此外，节约了电路板423上的面积以及节约了在制造电路板423时的工艺步骤，这是因为取消了铣削出留空部。功率电子设备400实现了很好的振动稳定性，因为传感装置115与载体405牢固地拧紧。传感装置115经由载体405借助于冷水来冷却并且由此达到更高的精确度。半导体模块410的信号导体415和电流传感器的传感装置信号导体425在压入电路板423之前被取向。最后，半导体模块410的信号导体415和电流传感器的传感装置信号导体425可以在一个工艺步骤中共同地被压入。

图5示出了按照实施例的用于制造功率电子设备的方法500。在此，可以涉及在图4中描述的功率电子设备。方法500至少包括：提供步骤505、引入步骤510和嵌入步骤515。

在提供步骤505中，提供连接机构，该连接机构具有至少一个传感装置、支撑元件和带有至少一个半导体模块的载体。可选地，汇流排被引入到连接机构的可选的穿引部中。在步骤510中，至少一个信号导体布置在槽中。在嵌入步骤515中，连接元件被嵌入到开口中用以使汇流排与进一步延伸的汇流排机械连接，以便制造功率电子设备。

按照替选的实施例，方法500具有可选的压入步骤，在该压入步骤中，电路板被压入到功率电子设备的功率电子器件侧中。

如果实施例包括在第一特征与第二特征之间的“和/或”逻辑关系，那么这能被认知为使得该实施例按照实施方式不仅具有第一特征并且具有第二特征，而按照另一实施例要么只具有第一特征要么只具有第二特征。

附图标记

100 连接机构

105 半导体模块的汇流排

110 进一步延伸的汇流排

115 传感装置

120 安置面

125 穿引部

130 传感元件

135 开口

140 连接元件

200 霍尔传感器

205 软磁芯

210 空隙

215 固定贯穿开口

300 支撑元件

305 支撑壁

310 槽

315 另外的固定贯穿开口

400 功率电子设备

405 载体、载体板

410 半导体模块

415 信号导体

420 台阶

423 电路板

425 传感装置信号导体

500 用于制造功率电子设备的方法

505 提供步骤

510 布置步骤

515 嵌入步骤

Claims (14)

1.用于将半导体模块(410)的汇流排(105)与进一步延伸的汇流排(110)连接起来的连接机构(100)，其中，所述连接机构(100)包括如下特征：

传感装置(115)，所述传感装置具有用于上下相叠地安置所述汇流排(105)和所述进一步延伸的汇流排(110)的安置面(120)以及用于以无电势的方式测量流经所述汇流排(105)的电流的传感元件(130)。

2.根据权利要求1所述的连接机构(100)，所述连接机构具有开口(135)用以容纳将所述汇流排(105)和所述进一步延伸的汇流排(110)以机械方式连接起来的连接元件(140)，其中，所述开口(135)布置在所述安置面(120)内。

3.根据权利要求2所述的连接机构(100)，所述连接机构具有所述连接元件(140)，所述连接元件容纳在所述开口(135)中并且将所述汇流排(105)与平行于所述汇流排(105)地布置的进一步延伸的汇流排(110)连接起来。

4.根据上述权利要求中任一项所述的连接机构(100)，其特征在于，穿过所述传感装置(115)的穿引部(125)与所述安置面(120)邻接。

5.根据上述权利要求中任一项所述的连接机构(100)，其特征在于，所述传感元件(130)成形为霍尔传感器(200)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的连接机构(100)，其特征在于，所述传感装置(115)具有环形地包围穿过所述传感装置(115)的穿引部(125)的软磁芯(205)，其中，所述芯(205)具有空隙(210)，在所述空隙中布置有所述传感元件(130)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的连接机构(100)，所述连接机构具有支撑元件(300)，在所述支撑元件上固定或能固定有所述传感装置(115)，其中，所述支撑元件(300)具有支撑壁(305)，所述支撑壁在与所述传感装置(115)背对的一侧上具有至少一个槽(310)用以容纳所述半导体模块(410)的至少一个信号导体(415)。

8.根据权利要求7所述的连接机构(100)，其特征在于，所述支撑元件(300)具有至少一个固定贯穿开口(315)用以容纳固定元件。

9.根据权利要求7或8所述的连接机构(100)，其特征在于，所述支撑壁(305)在与所述传感装置(115)背对的那侧上具有台阶(420)用以支撑所述至少一个信号导体(415)。

10.根据上述权利要求中任一项所述的连接机构(100)，其特征在于，所述传感装置(115)具有至少一个固定贯穿开口(215)用以容纳固定元件。

11.功率电子设备(400)，所述功率电子设备具有根据权利要求7至10中任一项所述的连接机构(100)和带有半导体模块(410)的载体(405)，其中，至少一个信号导体(415)由槽(310)容纳。

12.根据权利要求11所述的功率电子设备(400)，所述功率电子设备具有三个传感装置(115)和三个半导体模块(410)，其中，针对所述三个半导体模块(410)中的每个半导体模块恰好设置有所述三个传感装置(115)中的一个传感装置。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的功率电子设备(400)，所述功率电子设备具有电路板(423)，其中，所述至少一个信号导体(415)和/或所述传感装置(115)的传感装置信号导体(425)与所述电路板(423)连接或者能与所述电路板(423)连接。

14.用于制造功率电子设备(400)的方法(500)，其中，所述方法(500)至少包括如下步骤：

提供(505)根据权利要求7所述的连接机构(100)和带有至少一个半导体模块(410)的载体(405)；

将至少一个信号导体(415)布置(510)在槽(310)中；以及

将连接元件(140)嵌入(515)开口(135)中用以将汇流排(105)与进一步延伸的汇流排(110)以机械方式连接起来，以便制造所述功率电子设备(400)。