CN110622357A - 连接组件、功率模块和板形电功率连接器 - Google Patents

Abstract

一种用于将功率半导体模块和功率部件电连接的连接组件(1)，所述连接组件包括：包括通孔(21)的板形阴连接器(20)；包括销(31)的板形阳连接器(30)，所述连接器由导电材料形成，其中，所述销的横截面沿主方向(d)延伸，并且所述通孔成形为接纳所述销，从而在所述销的沿所述主方向延伸的至少一个壁(32)与所述板形阴连接器的一个壁之间建立电接触，并且其中，所述板形阴连接器和所述板形阳连接器中的至少一者包括压力部件(40)，当所述销被接纳在所述通孔中时，所述压力部件被设置为对着所述板形阴连接器(20)在所述销上施加压力。

Description

连接组件、功率模块和板形电功率连接器

技术领域

本发明涉及用于连接功率半导体模块和功率部件的连接组件以及具有被设置为所述连接组件的一部分的连接器的功率半导体模块。

背景技术

混合动力车辆或插电式电动车辆在其功率传动系中包括大量的功率部件，以确保至少在车辆的电池与电动发动机之间的电流转换。

功率部件的典型应用包括功率控制单元，该功率控制单元驱动三相电动发动机并由高压电池供给电流。功率控制单元通常可以包括与三相逆变器和诸如电容器和电感器之类的能量存储部件组合的双向转换器。

功率控制单元的三相逆变器可以由功率半导体模块(例如半桥功率模块的传输模塑功率模块(TPM))制成，并集成了可由绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)制成的半导体开关，以在有限的体积内维持高功率范围(从几十千瓦到几百千瓦不等)。

在上面讨论的应用中，功率半导体模块连接到诸如电容器和电感器之类的许多功率部件。

需要仔细设计混合动力车辆或电动车辆中的功率部件之间的连接，以承受严苛的汽车环境所带来的诸多限制。

首先，部件之间的连接需要以小体积承受高电流和高电压，以避免使用螺钉和垫圈。鉴于汽车市场竞争激烈，部件的连接器必须轻巧且便宜。

此外，功率部件之间的连接必须承受振动和热方面的严格限制。特别是，即使被连接的零件发生振动或热膨胀，也必须维持连接。最后，在上述高功率范围内操作意味着部件彼此直接连接，以减小作为杂散电感和焦耳效应损耗的源头的连接长度。

众所周知，通过焊接将包括半导体部件的功率模块连接到诸如电容器或电感器之类的功率元件，但是，这种连接会因焊料疲劳而恶化。

从文献US 2012/0164865已知另一种连接组件，其公开了压配合连接组件，该组件包括：第一连接器，其包括分叉的末端；第二连接器，其包括方形通孔，第一连接器可以插入方形通孔中；以及锥形夹子元件，其可以插入第一连接器中或第一和第二连接器之间，以便将第一和第二连接器相互压靠。

该连接组件可以在振动的情况下在维持电接触方面提供良好的结果。但是，每个连接器均显示出较低的接触表面，因此不足以传输高电流。换句话说，连接组件显示出由ρL/S定义的高电阻，其中S是接触表面，L是长度，ρ是连接组件的材料的电阻率。因此，连接组件需要大量的连接器以将功率模块与功率部件连接，并且所产生的功率模块可能很昂贵，除了连接器之外，还需要夹子元件。

本领域技术人员可以想到图1中示意性表示的一种更简单的连接组件。该连接组件1包括：板形阳连接器，其包括两个方形截面的销3；板形阴连接器，其包括两个方形截面的通孔2，每个通孔均适合接纳销。

此外，该连接组件包括一个金属夹子4，该金属夹子4被设置为通过摩擦而使销保留在阴连接器的通孔中，从而维持销与阴连接器之间的接触。一旦组装起来，另外的部件5就将连接器和夹子接纳并保持在一起。

由于金属夹子代替了锥形夹子元件，因此尽管机械振动，该连接组件仍会提供一种在维持电接触方面实现良好的性能的更简单方式。

然而，该连接组件包括大量的部件，从而增加了其制造所必需的步骤数量，并因此增加了其制造成本。此外，连接器之间的电接触表面保持很小，因此焦耳效应引起的损耗很重要。

发明内容

鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种不具有现有技术的不便的用于功率模块和功率部件的连接组件。

特别地，本发明的一个目的是提供一种连接组件，其显示出更大的连接器电接触，并确保即使在振动或热导致连接器热变形的情况下也能维持这种接触。

本发明的另一个目的是提供一种更便宜的连接组件。

本发明的另一个目的是提供一种连接组件，该连接组件比现有技术的连接组件更容易。

因此，公开了一种用于将功率半导体模块和功率部件电连接的连接组件，所述连接组件包括：

包括通孔的板形阴连接器；

包括销的板形阳连接器，

所述连接器由导电材料形成，

其中，所述销的横截面沿主方向延伸，并且所述通孔成形为接纳所述销，从而在所述销的沿所述主方向延伸的至少一个壁与所述板形阴连接器的一个壁之间建立电接触，并且

其中，所述板形阴连接器和所述板形阳连接器中的至少一者包括压力部件，所述压力部件被设置为在所述销被接纳在所述通孔中时对着所述板形阴连接器在所述销上施加压力。

在一些实施方式中，根据本发明的所述连接组件还可以包括下面特征中的至少一者：

所述压力部件可以包括柔性突片，所述柔性突片与所述板形阴连接器成一体并且被设置为在所述销被接纳在所述通孔中时抵靠所述销；

所述板形阳连接器可以包括槽，所述槽被设置为在所述销插入所述通孔中时接纳所述柔性突片；

所述柔性突片可以沿着所述板形阴连接器的平面延伸，并且被包含在所述板形阴连接器的厚度中；

所述压力部件可以包括与所述板形阴连接器成一体的至少两个突片，所述至少两个突片从所述通孔的相对两侧延伸并且朝向彼此取向，所述突片成形为当所述销被接纳在所述通孔中时抵靠所述销的两个相对的壁。

在一些实施方式中，所述连接组件还包括所述销的相对于所述通孔的止挡元件；

在一些实施方式中，所述连接组件还包括形成所述止挡元件的电绝缘材料片。所述电绝缘材料片可以包括被设置为接纳所述板形阴连接器的端部的第一腔以及被设置为接纳所述板形阳连接器的所述销的第二腔，这两个腔彼此连通以允许当所述板形阴连接器插入所述第一腔中时，所述销穿过所述第二腔插入所述板形阴连接器的所述通孔中；

所述止挡元件可以包括与所述板形阴连接器成一体并且在所述通孔上方以一定距离延伸的至少一个指状件；

在一些实施方式中，每个指状件位于所述通孔的同一侧，并且所述连接组件还包括从所述通孔的相对侧延伸的至少一个引导突片；

所述止挡元件可以包括与所述销一体的突出部，所述突出部与所述销的待插入所述通孔中的末端相距一定距离；

当所述销插入所述通孔中时，所述销可以垂直于所述板形阴连接器的所述方向延伸，并且所述板形阴连接器和所述板形阳连接器中的一者成直角以允许所述连接器之间成直排的连接。

根据本发明，还公开了一种功率模块，其包括至少一个半导体开关和至少一个电连接到所述开关的连接器，其特征在于，所述连接器是被设置为根据以上描述的连接组件的所述阳连接器或所述阴连接器的板形连接器。

还公开了一种板形电功率连接器，其特征在于，该板形电功率连接器被设置为根据以上描述的连接组件的阴连接器或阳连接器。

根据本发明的连接组件提供了结合有压力部件的连接器，该压力部件允许连接器彼此施加压力，以便即使在振动和/或热膨胀的情况下也维持连接器之间的电接触。

因为压力部件是连接器的一部分，所以不需要额外的零件，因此连接组件更便宜。

因为连接器是板形的，并且沿着销的主壁建立了连接器之间的电接触，所以相对于现有技术也增加了表面接触。由于这种几何形状，表面接触可以增加到两倍或三倍，因此可以减少连接器的数量或增加电流强度。

建议的连接组件不需要任何螺钉或垫圈。这最小化了连接组件的体积，并限制焦耳效应的损耗以及连接组件的杂散电感。它还消除了操作者为了遵守特定的紧固扭矩而进行精确操纵的需要。

此外，根据本发明的一个实施方式，连接组件可以仅由相同金属(例如，铜)的两个连接器组成。由于连接器具有相同的热膨胀系数，因此产生的连接组件可防止连接器之间的接触损耗。连接器的组装过程也大大被简化，因为它可以减少到仅一个步骤。

连接器还可以包括止挡元件，在实施方式中，该止挡元件也与一个连接器一体形成，从而维持少量的部件和低成本的连接组件。

止挡元件和/或压力部件的形状可以设计成优化连接器之间的机械和电接触。

参考附图，根据以非限制性实施例的方式给出的以下详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

已经描述的图1示意性地示出了根据现有技术的一种连接组件。

图2示意性地示出了应用于功率半导体模块与功率部件的连接的连接组件的实施例。

图3示出了根据本发明的一个实施方式的连接组件的实施例。

图4A示意性地示出了在将阳连接器插入阴连接器中之前根据本发明的另一实施方式的连接组件的实施例。

图4B示意性地示出了在将阳连接器插入阴连接器中之后根据本发明的另一实施方式的连接组件的实施例。

图4C示意性地示出了图4A和4B中表示的连接组件的阴连接器。

图5示意性地示出了本发明的示例性实施方式的细节。

具体实施方式

现在将公开被设置为将功率半导体模块连接至功率部件的连接组件1。

参考图2，功率半导体模块2可以包括布置在壳体内部的至少一个功率半导体部件，功率半导体部件通常是开关，例如诸如MOSFET、IGBT或J-FET(结型场效应晶体管)、二极管之类的晶体管，该半导体部件电连接到连接组件1的连接器20部分。

功率部件3优选是能量存储部件(例如电容器或电感器)，其电连接到连接组件1的连接器30部分。

连接组件1的一种优选应用是将实现为传递模塑功率模块2的三相逆变器与至少一个电容器3连接。电容器包括两个端子，每个端子均经由一个连接组件1连接到功率半导体模块。

连接器的总体说明

现在转向图3以及图4A至图4C，将对连接组件的实施方式进行详细描述。

该连接组件包括一个阳连接器和一个阴连接器。为了清楚和简洁起见，在本发明的示例性应用中，将考虑阴连接器20是功率半导体模块的连接器，并且阳连接器30是诸如电容器之类的功率部件的连接器。然而，本发明的范围不限于该实施例，而是还覆盖相反的情况，在该相反的情况中，功率部件包括阳连接器并且功率半导体模块包括阴连接器。

两个连接器都由导电材料制成，优选由铜制成。

而且，两个连接器20、30通常都为板形，也就是说，每个连接器均具有相较其宽度和长度较小的厚度，并且明显地是平面的。而且，每个连接器均具有主方向，该主方向是其长度方向，而不是其宽度方向。

阳连接器30在其末端处包括销31，该销31也具有板的形状。特别地，销31的横截面沿图4A所示的一个主方向d延伸。根据优选实施方式，该主方向对应于阳连接器的宽度方向。

有利地，销在阳连接器的宽度的至少50％上延伸，在连接器的基部处测量所述宽度。

在优选实施方式中，销31的横截面可以是矩形的，但是如图3的示例性实施方式中所示也可以是具有圆形端部的椭圆形。

阴连接器20包括延伸穿过连接器20的厚度的孔21。通孔21被设置为接纳阳连接器30的销31。特别地，该通孔沿着图3上所示的主方向D延伸，主方向优选对应于阴连接器的宽度方向。

因此可以理解，当将阳连接器30的销31插入阴连接器20的孔21中时，阳连接器和阴连接器彼此垂直地延伸。但是，在功率半导体模块2与功率部件3之间需要直排连接的情况下，阳连接器和阴连接器之一可以成直角(如图2中所示)。

通孔21可以具有大致矩形的形状，但是矩形的角也可以被稍微斜切以允许将销定位并锁定在孔内。

有利地，通孔21在阴连接器的宽度的至少50％上延伸。

阳连接器和阴连接器的形状允许增加连接器之间的电接触表面。实际上，一旦销31插入通孔中，就在销的沿其主方向并沿方向d延伸的至少一个壁32与阴连接器的至少一个对应的壁之间建立电接触。在实施方式中，阴连接器的与销的壁32接触的壁可以是图3中所示的壁22，该壁界定孔21。因此，接触表面可以包括阴连接器的沿其主方向界定孔的壁22的表面。

可选地，如图5的示例性实施方式所表示的，销31销31的侧面可以在其末端处被斜切，以使其更容易插入通孔21内。

阴连接器20和阳连接器30中的至少一者进一步包括压力部件40，该压力部件40被设置为在销31插入孔21中时将阳连接器和阴连接器彼此压靠，以即使在振动的情况下也维持电接触，并且确保电接触表面最大化。而且，如下面将更详细描述的，连接组件1优选包括销31的相对于孔的至少一个止挡元件11。

压力部件

参考图3以及图4A至图4C详细描述压力部件40的实施方式。

优选地，压力部件包括至少一个柔性突片40，该柔性突片40与阴连接器20一体形成，并被设置为抵靠销，以便当销被插入孔中时抵靠阴连接器在销31上施加压力。

参考图3，根据一个示例性实施方式，压力部件40包括包含在阴连接器20的厚度中的至少一个突片。每个突片均平行于阴连接器的主方向从与界定孔21并接触销的壁22相对的壁23朝向孔21延伸。

可以理解，由于突片40与阴连接器一体形成，因此突片和销之间的接触表面也增加了阳连接器和阴连接器之间的电接触。如图3所示，压力部件40可以包括不止一个突片，例如两个突片。

可以调整突片的数量和大小，以获得压力部件的期望特性，例如，较窄的突片可以增加其柔性；然而更大或更多个突片可以增加连接器20与销31的电接触。

此外，每个突片优选地均具有正方形的端部，以最大化与销的电接触，然而，圆形的端部也是可行的实施方式。

优选地，阳连接器的销31包括槽33，该槽33被设置为在销插入孔中时接纳突片的端部。因此，槽沿着销的横截面的主方向(即沿着连接器的宽度)延伸，与销的末端相距一定距离。槽33锁定所实现的突片40和销31之间的接触。

参考图4A至图4C，根据另选实施方式，压力部件的每个突片均不包含在阴连接器的厚度内，而是从连接器突出。

同样地，在该实施方式中，销还可以包括至少一个槽33，该槽33被设置为接纳突片40a、40b之一。

突片40a，40b优选地成形为当销的两个相对的壁插入壁中时抵靠该销的两个相对的壁，使得每个突片均可以在销的相应侧上施加压力。换句话说，突片40a，40b朝相反的方向突出，使得每个突片均指向彼此。

在销的两侧上施加压力避免了销相对于阴连接器倾斜，这将稍微降低连接器之间的表面接触。

优选地，如图4C所示，两个突片40a、40b在阴连接器20的同一侧上布置在相对于孔21对称的位置，以便在销的两侧施加压力。

然而，两个突片40a、40b可以具有不同的形状和大小，并且在销31的不同高度处抵靠销31。在图4A至图4C所示的实施方式中，第一突片40a是柔性的，当被槽33接纳时，第一突片40a对销31施加压力，并且第二突片40b在销31上施加相反压力。

在图4A至图4C中所示的实施例中，突片40a、40b在阴连接器下方从孔21的每一侧的中间突出。

该实施方式的每个突片也均略有柔性以适应连接组件的振动和/或热膨胀。突片的柔性自然是由于它们由诸如铜之类的金属的薄层形成的结果。

优选地，在阴连接器20内切割或机加工压力部件的每个突片40。在切割之后折叠从连接器突出的突片。

应当理解，与销31接触的每个突片40均增加了阴连接器和阳连接器之间的一部分电接触表面，从而增加了可以在连接器之间流动的电流密度。

因此，当销插入孔中时，与销31电接触的板形阴连接器的壁包括压力部件的与销31接触的各个突片40的壁。

止挡元件

参考图3至图5，现在将描述销31的相对于连接组件的孔21的止挡元件11。

根据图3中公开的一个实施方式，止挡元件11可以是与阳连接器和阴连接器不同的部分，并且成形为在销被接纳在孔中的位置中接纳阴连接器20的端部和阳连接器的销31两者。优选地，止挡元件是一块能够承受高压的绝缘材料。该材料例如可以是以Kapton的名称销售的聚酰亚胺材料。

为此目的，如图3中所示，止挡元件包括：第一腔12，其被设置为接纳阴连接器的端部；以及第二腔13，其垂直于第一腔延伸，第二腔13被设置为接纳阳连接器30的销31。

腔相对于彼此的尺寸和位置设计成使得当阴连接器20插入第一腔12中并抵靠腔的底部时，连接器的孔21与第二腔13对准。因此，销31可以穿过阴连接器的孔21插入第二腔13中，直到抵靠腔的底部，所述底部将销31阻塞在腔中。

止挡元件11的该实施方式还确保了两个连接器彼此垂直，因此接触表面在界定孔21的整个壁22上延伸。

如从图3可见，止挡元件11的该实施方式可以与压力部件40的实施方式组合，根据压力部件40的该实施方式，每个突片均在阴连接器20的厚度内延伸。

根据图4A至图4C所表示的另一实施方式，止挡元件11可以包括至少一个与阴连接器20成一体并且在孔21上方以一定距离延伸的指状件。在图的示例性实施方式中，示出了两个指状件，它们从孔的同一侧延伸，以允许阳连接器30从孔的相对侧插入。

指状件的数量和宽度是设计的一种选择。

但是，如果有至少一个指状件在孔21的一侧上作为止挡元件11延伸，则阴连接器优选地包括从孔21的另一侧延伸并成形为当销31插入孔中时，接触在销31的相对侧上的另一止挡元件11或引导突片50。这确保朝着止挡元件11引导销31。在图4A至图4C所示的实施方式中，阴连接器20包括两个引导突片50，这两个引导突片50在连接器的与止挡元件11的指状件相同的一侧延伸，引导突片50和指状件11从孔21的两个相对侧延伸。所述侧是沿孔的主方向D的侧。

根据该实施方式，当插销插入孔中时板形阴连接器的与销31电接触的壁还包括与销接触的止挡元件(11)以及引导突片的指状件的壁。

最后，根据图5表示的另一实施方式，止挡件11可以包括在阳连接器上与销31一体形成的突出部，该突出部与销的末端相距一定距离。因此，当销31插入阴连接器的孔21中时，突出部11抵靠阴连接器并防止销进一步插入。

应当理解，当止挡元件11由阴连接器上的指状件或由阳连接器上的突出部11形成时，其与另一个连接器的接触增加了阴连接器与阳连接器之间的电接触表面，从而增加了能够在连接器之间流动的电流密度。

上面已经详细描述了止挡元件11和压力部件40的各种实施例。一方面在图3上并且另一方面在图4A至4C上示出的优选实施方式中，进行了特定的组合。

在图3的实施方式中，压力部件40由在阴连接器20的平面内延伸的两个突片形成，并且止挡元件11由接纳阴连接器20和阳连接器30的附加电绝缘材料片形成。销31与突片40之间以及销与阴连接器的界定孔21的壁22之间的接触表面上形成电接触。

在图4A至图4C的实施方式中，压力部件40由从通孔21的相对侧在阴连接器20下方突出的两个突片40a、40b形成。突片从通孔21的各相对侧的中间突出。止挡元件11由相对于阴连接器的平面在阴连接器的另一侧在孔上方突出的两个指状件形成。指状件从孔的与突片40a相同的一侧延伸，突片40a位于指状件之间。两个另外的引导突片50面向指状件，以用作销31的引导装置。引导突片50从与突片40b相同的一侧突出，并且位于突片40b的每一侧。

在销31与突片40a、40b的相应接触表面、引导突片50和止挡元件11的指状件之间形成电接触。当销31插入孔中时板形阴连接器的与销31电接触的壁包括突片40a、40b的、引导突片50的以及指状件的与销31接触的壁。

可以构想另一实施方式，其中压力部件40和止挡元件11的位置将被倒换；因此，一个指状件将位于压力部件的两个突片之间。引导突片可以定位成与指状件相对。其他突片可以定位成与压力部件的第一突片相对，以在销上施加相反压力。

可以容易地理解，根据要求保护的发明的连接组件1的组装过程非常容易。

实际上，在一些实施方式中，连接组件1仅包括两个元件，即，阳连接器30和阴连接器，并且组装这两者包括将阳连接器30插入阴连接器20中。

例如在图4A上，在插入之前，阳连接器30被示出为与阴连接器20相距一定距离。在图4B上，阳连接器30插入阴连接器20中，直到止挡元件11阻止阳连接器30进一步插入。

在连接组件还包括单独的材料作为止挡元件11的其他实施方式中，组装零件的过程包括将阴连接器插入止挡元件11中，然后将阳连接器插入止挡元件11中。这样，阳连接器同时插入阴连接器中。

因此，组装连接组件的零件最多需要两个步骤。

此外，因为可以通过机加工或切割并折叠来获得每个连接器，所以阳连接器和阴连接器的制造也是容易的。

Claims (14)

1.一种用于将功率半导体模块和功率部件电连接的连接组件，所述连接组件包括：

包括通孔的板形阴连接器；

包括销的板形阳连接器，

所述连接器由导电材料形成，

其中，所述销的横截面沿主方向延伸，并且所述通孔成形为接纳所述销，从而在所述销的沿所述主方向延伸的至少一个壁与所述板形阴连接器的一个壁之间建立电接触，并且

其中，所述板形阴连接器和所述板形阳连接器中的至少一者包括压力部件，所述压力部件被设置为在所述销被接纳在所述通孔中时对着所述板形阴连接器在所述销上施加压力。

2.根据权利要求1所述的连接组件，其中，所述压力部件包括柔性突片，所述柔性突片与所述板形阴连接器成一体并且被设置为在所述销被接纳在所述通孔中时抵靠所述销。

3.根据权利要求2所述的连接组件，其中，所述板形阳连接器包括槽，所述槽被设置为在所述销插入所述通孔中时接纳所述柔性突片。

4.根据权利要求2或3所述的连接组件，其中，所述柔性突片沿着所述板形阴连接器的平面延伸，并且被包含在所述板形阴连接器的厚度中。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的连接组件，其中，所述压力部件包括与所述板形阴连接器成一体的至少两个突片，所述至少两个突片从所述通孔的相对两侧延伸并且朝向彼此取向，所述突片成形为当所述销被接纳在所述通孔中时抵靠所述销的两个相对的壁。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的连接组件，该连接组件还包括所述销的相对于所述通孔的止挡元件。

7.根据权利要求6所述的连接组件，该连接组件还包括形成所述止挡元件的电绝缘材料片。

8.根据权利要求7所述的连接组件，其中，所述电绝缘材料片包括被设置为接纳所述板形阴连接器的端部的第一腔以及被设置为接纳所述板形阳连接器的所述销的第二腔，这两个腔彼此连通以允许在所述板形阴连接器插入所述第一腔中时所述销穿过所述第二腔插入所述板形阴连接器的所述通孔中。

9.根据权利要求6所述的连接组件，其中，所述止挡元件包括与所述板形阴连接器成一体并且在所述通孔上方以一定距离延伸的至少一个指状件。

10.根据权利要求9所述的连接组件，其中，每个指状件位于所述通孔的同一侧，并且所述连接组件还包括从所述通孔的相对侧延伸的至少一个引导突片。

11.根据权利要求6所述的连接组件，其中，所述止挡元件包括与所述销一体的突出部，所述突出部与所述销的待插入所述通孔中的末端相距一定距离。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的连接组件，其中，当所述销插入所述通孔中时，所述销垂直于所述板形阴连接器的所述主方向延伸，并且所述板形阴连接器和所述板形阳连接器中的一者成直角以允许所述连接器之间成直排的连接。

13.一种功率模块，该功率模块包括至少一个半导体开关和电连接到所述开关的至少一个连接器，其特征在于，所述连接器是被设置为根据权利要求1至12中的任一项所述的连接组件的所述阳连接器或所述阴连接器的板形连接器。

14.一种板形电功率连接器，其特征在于，该板形电功率连接器被设置为根据权利要求1至12中的任一项所述的连接组件的阴连接器或阳连接器。