CN113812218A - 具有借助于塑料保持器附接的至少一个半导体模块的功率电子单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆驱动装置的电动马达的功率电子单元(1)，该功率电子单元具有板状冷却元件(2)、至少一个半导体模块(3a、3b、3c)以及模块保持器(4)，该模块保持器由塑料构成并且将至少一个半导体模块(3a、3b、3c)相对于冷却元件(2)固定，其中，模块保持器(4)经由互锁的卡扣连接件(5)固定至冷却元件(2)。

Description

具有借助于塑料保持器附接的至少一个半导体模块的功率电 子单元

技术领域

本发明涉及用于机动车辆驱动装置的电动马达、即优选地设置在机动车辆动力传动系中的电动马达的功率电子单元。

背景技术

在电动汽车领域中，功率半导体通常是直接液冷的，由此除了通过冷却介质的最理想的可能流动之外，还应当保证功率半导体模块的不可渗透性。一方面，半导体通常连接至两个直流DC接触件，并且另一方面，半导体通常连接至电动马达的交流AC输出。功率半导体经由所谓的辅助接触件连接至驱动器板(栅极驱动器板)，该驱动器板(栅极驱动器板)根据机动车辆的扭矩和速度规格来控制半导体。同时，必须确保电气部件的抗振性。相应地，必须考虑足够的刚性和目标阻尼频率、比如在汽车领域中通过来自混合动力车中的内燃发动机和道路上的激励发生的那些频率的可能性。如果使用非形状配合紧固元件将功率半导体固定至冷却元件，则静态密封件受到相对较高的轴向压缩。作为对此的替代方案，原则上可以使用端子块，其中没有用于在功率半导体上旋拧的孔并且功率半导体通过端子块压靠冷却板。于是，端子块进而被直接拧紧。

仍然要求实现与功率电子器件的现有体积/安装空间相关的高的特定性能。功率电子器件应当尽可能紧凑地建造。同时，必须遵守某些绝缘规范比如气隙和爬电距离。另一要求是在高压HV和低压LV区域中容易地组装电接触件并使连接件易于构建。同时，必须保证功率电子器件的抗振性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种紧凑且牢固安装的功率电子单元，该功率电子单元配备有至少一个半导体模块并且能够实现更简单的组装。

根据本发明，该目的通过权利要求1的目的来实现。因此，用于机动车辆驱动装置的电动马达的功率电子单元配备有板状冷却元件、至少一个半导体模块以及模块保持器，该模块保持器由塑料构成并且将至少一个半导体模块相对于冷却元件固定，其中，模块保持器经由互锁的卡扣连接件固定至冷却元件。

模块保持器与冷却元件之间的这种互锁的卡扣连接件允许在组装期间容易地安装半导体模块。至少避免了先前使用的螺钉的相对复杂的操作。还可以——在将模块保持器附接至冷却元件之前——将卡扣连接件的各个元件插入模块保持器中并且在一个步骤中将各个元件和模块保持器一起紧固至冷却元件。因此，组装工作显著减少，其中，确保了足够的紧固力并且保证了抗振性。

进一步的有利实施方式由从属权利要求要求保护并且在下面更详细地说明。

因此，还有利的是，卡扣连接件通过与模块保持器一体地形成从而形成卡扣钩状件轮廓的(第一)互锁元件并且/或者通过与模块保持器分开形成的(第二)互锁元件来实现。

在这种情况下，有用的是，卡扣连接件的与模块保持器一体地成型的第一互锁元件通过冷却元件中的接纳孔闩锁/卡扣就位。一体式结构进一步减少了组装工作。

有利的是，卡扣连接件的与模块保持器分开形成的第二互锁元件以互锁的方式被接纳在模块保持器和冷却元件上。优选的套筒形的闩锁元件相应地通过模块保持器和冷却元件中的接纳孔闩锁。这导致可以特别成本有效地制造卡扣连接件。

另外，有利的是，至少一个互锁元件、优选地第二互锁元件通过固定元件固定成防止卡扣连接件的松动。因此，实现了功率电子单元的最稳健的可能设计。

如果电路板直接附接至模块保持器，则结果是电路板相对于半导体模块尽可能直接的分配。电路板与半导体模块之间的相对运动很大程度上减少。

在这种情况下，还有利的是，电路板通过与模块保持器和电路板分开形成的紧固元件、优选地通过自攻螺钉附接至模块保持器，并且/或者通过与模块保持器一体地形成的紧固元件附接至模块保持器。一体式紧固元件优选地实现为塑料突出部，所述塑料突出部穿过电路板中的通孔并且具有朝向自由端部的材料变形(在铆接的意义上)。以此方式，进一步简化了制造工作。

如果电路板附接至板状模块保持器的背离至少一个半导体模块的一侧，则实现了功率电子单元的更紧凑的设计。

此外，有利的是，在模块保持器形成有加强肋的情况下，增大了模块保持器的刚性。

在这种情况下，有利的是，模块保持器由纤维增强塑料、例如玻璃纤维增强塑料形成。这使得可以在抗振性方面以限定的方式使模块保持器适应刚度规格。

换句话说，多个半导体模块的连接件根据本发明借助于塑料保持器(模块保持器)来实现。功率半导体(半导体模块)使用由塑料材料制成的保持器(模块保持器)借助于卡扣连接件附接至散热器(冷却元件)。卡扣连接件可以由单独的元件形成或与保持器一体地形成。优选地避免通过紧固元件(锁定销/固定销)无意地松开卡扣连接件。

附图说明

现在将参照附图更详细地对本发明进行说明，在附图中，还示出了相关的各种示例性实施方式。

在附图中：

图1示出了根据第一示例性实施方式设计的根据本发明的功率电子单元的立体图；

图2示出了根据图1的功率电子单元的立体分解图，其中，可以清楚地看到经由模块保持器附接至冷却元件的多个半导体模块；

图3示出了功率电子器件的另一立体图，其中，透明地示出了固定在模块保持器上的电路板；

图4示出了从面向电路板的侧部观察的图1至图3中使用的插入式模块保持器的单独立体图；

图5示出了根据图4的模块保持器的侧视图；

图6示出了从根据图4和图5的模块保持器的下侧观察的视图；

图7示出了根据图6的下侧的立体图；

图8示出了根据图4至图7的模块保持器的立体细节图，其中互锁元件要附接在模块保持器的接纳孔中，其中，互锁元件在与冷却元件的卡扣连接件再次被释放之前通过固定元件固定在完全组装位置中；

图9示出了根据本发明的第二示例性实施方式设计的模块保持器的立体图，该模块保持器在多个互锁元件的设计方面不同于第一示例性实施方式；并且

图10示出了根据图9的模块保持器的下侧的示意图。

这些附图本质上仅是示意性的并且仅用于理解本发明。相同的元件具有有相同的附图标记。

具体实施方式

结合第一示例性实施方式的图1至图3，能够容易识别的根据本发明的功率电子单元1被设计为用于在电驱动马达中/上使用、即在用于驱动机动车辆的电动马达中使用。在转换器单元的区域中示出了功率电子单元1。功率电子单元1因此具有多个半导体模块3a、3b、3c，所述多个半导体模块将由车辆电气系统提供的电压转换为对电动马达的驱动、或将由电动马达本身产生的电压转换为车辆电气系统的电压。

功率电子单元1具有板状冷却元件2，这可以在图2中清楚地看到。在操作期间，冷却元件2通常连接至冷却装置以形成冷却元件并且冷却介质流过冷却元件。多个接纳区域15a至15c设置在冷却元件2上、朝向冷却元件2的一侧以容纳多个半导体模块3a至3c。冷却元件2具有用于第一半导体模块3a的第一接纳区域15a。该第一接纳区域15a基本上形成为冷却元件2中的槽，第一半导体模块3a插入到该槽中。两个另外的接纳区域15b和15c沿着矩形的冷却元件2与第一接纳区域15a一起成排地布置。两个另外的接纳区域15b和15c基本上根据第一接纳区域15a成形。第二半导体模块3b插入第二接纳区域15b中，并且第三半导体模块3c插入第三接纳区域15c中。

为了将半导体模块3a、3b、3c最终定位准确地固定在冷却元件2上，使用了指定为模块保持器4的保持器。模块保持器4由塑料、即纤维增强塑料制成。如结合图4至图7单独示出的该模块保持器4是大致板状的。根据本发明，模块保持器4在最终组装状态下通过互锁卡扣连接件5固定在冷却元件2的一部分上，其中，各个半导体模块3a、3b、3c固定在冷却元件2上(图1和图3)。从图3还可以看到，在功率电子单元1的完全组装位置中，各个半导体模块3a、3b、3c被保持在模块保持器4的板区域16与冷却元件2之间。通过被容纳在接纳区域15a、15b内，半导体模块3a、3b、3c同时被固定成防止滑出模块保持器4的侧部。

在该实施方式中，模块保持器4具有多个第一互锁元件7和多个第二互锁元件8两者以实现卡扣连接件5。第一互锁元件7——如结合图4至图7可以看到的第一互锁元件——与模块保持器4一体地形成为一个件。因此，第一互锁元件7也由模块保持器4的塑料形成。第一互锁元件7实现为卡扣钩状件。两个第一互锁元件7在模块保持器4上设置成用于第一轴向端部区域17a；两个另外的第一互锁元件7设置成用于与第一轴向端部区域17a相反的第二轴向端部区域17b。第一互锁元件7闩锁在冷却元件2的第一接纳孔9a的后面——所述第一接纳孔9a以长形孔的形式实现——从而形成卡扣连接件5。

另外，设置了若干第二互锁元件8。如可以在图8中详细看到的，这些第二互锁元件8设计成与模块保持器4分开并且基本上以套筒的形式实现。每个第二互锁元件8具有朝向第一端部的套环18以及朝向第二端部的多个卡入式凸耳19。在卡入式凸耳19进而形成卡扣钩状件轮廓6并且在完全组装位置中随着卡扣连接件5的形成锁定在冷却元件2的(第三)接纳孔9c后面时，套环18平坦地搁置在模块保持器4上。模块保持器4设置有多个第二接纳孔9b以用于接纳第二互锁元件8。每个第二互锁元件8通过固定元件10固定在第二互锁元件的锁定位置中，这形成固定销。为此，固定元件10被推入第二互锁元件8中的中央孔中，并且防止卡入式凸耳19再次弹回，并且因此防止卡扣连接件5松开。

总体而言，对于模块保持器4的每个纵向侧部20a、20b设置了四个第二互锁元件8，一个纵向侧部20a、20b的互锁元件8彼此相邻地成排布置。特别地，在每个纵向侧部20a、20b上，第二互锁元件8朝向第一端部区域17a布置，另一第二互锁元件8朝向第二端部区域17b布置，并且两个另外的第二互锁元件8布置在第一半导体模块3a与第二半导体模块3b之间或者布置在第二半导体模块3b与第三半导体模块3c之间。在半导体模块3a、3b、3c之间的区域中，在模块保持器4上还设置有支承腹板21，所述支承腹板平坦地搁置在冷却元件2上、位于半导体模块3a、3b、3c之间的区域中。

结合图6和图7，可以清楚地看到的是，多个加强肋13通常设置在模块保持器4的面向冷却元件2的一侧上。这些加强肋13基本上沿模块保持器4的纵向方向延伸并且彼此平行。

此外，电路板11经由多个紧固元件12直接固定至模块保持器4。实现为栅极电路板的电路板11布置在模块保持器4的背离冷却元件2的一侧上。紧固元件12实现为自攻螺钉。每个紧固元件12穿过电路板11中的通孔14并且被旋拧至模块保持器4的一体地形成的基部22。为此，基部22优选地已经具有比紧固元件12的直径(螺纹直径)小的孔23。

在这种情况下，原则上应当指出的是，紧固元件12还可以以其他方式实现。根据另一优选实施方式——为了清楚起见在此未示出该另一优选实施方式——基部22本身直接实现为紧固元件。根据该另一实施方式，制造在电路板11中的每个通孔14被选择成大于相应的基部22并且被推动到该基部22上，使得基部22穿过电路板11。基部22的突出穿过电路板11并形成自由端部的区域随后被重新成形(优选地热成形)，使得该自由端部形成接合在电路板11后面的形状、例如蘑菇形状，并且电路板11因此相对于模块导体4被保持。

结合图9和图10，参照替代性的第二示例性实施方式。在该第二示例性实施方式中，功率电子器件1的结构的其余部分根据第一示例性实施方式设计，这就是为什么下面将仅讨论模块保持器4的形状方面的差异。结合图9和图10，现在省略了第二互锁元件8。模块保持器4先前在第一示例性实施方式中具有第二接纳孔9b的区域被实现为卡扣钩状件的第一互锁元件7代替。因此，若干、即四个第一互锁元件7还设置在模块保持器4的两个纵向侧部20a和20b上，每个第一互锁元件通过第三接纳孔9c闩锁到冷却元件2上，为了清楚起见在此未示出第三接纳孔。

换句话说，根据本发明，功率半导体(半导体模块3a、3b、3c)在连接至冷却元件2的卡扣钩状件6、7的帮助下设置有由塑料制成的保持器4。另外，卡扣钩状件6、7通过固定元件10固定成防止无意打开。该结构使得转换器1能够被尽可能紧凑地构造。通过将模块保持器4和栅极驱动器板11结合在一起，可以节省部件。由于栅极驱动器11和功率模块(半导体模块3a、3b、3c)两者都安装有功率模块保持器4，因此可以减少辅助接触件处的相对运动、比如振动。这些相对运动对于电接触件的使用寿命至关重要。卡扣钩状件6、7能够实现简单且廉价的组装。先前需要监测扭矩和螺钉的操作的旋拧过程不再是必要的。在冷却元件2由塑料制成的情况下，因此在功率模块3a、3b、3c可以被拧上之前，需要引入螺纹插入件。这些对冷却元件材料的要求不适用于卡扣钩状件6、7。由于模块保持器4的塑料结构，肋13的设计以及填充物比如玻璃纤维所使用的塑料的弹性模量的设定实现了用以加强和抑制特定的频率范围内的振动激励的有效措施。栅极驱动器板11可以用自攻螺钉12紧固至模块保持器4。板11上的力非常小以至于不需要螺纹插入件。由于塑料模块承载件4，热嵌缝也可以用作栅极驱动器板11的紧固方法。为此，代替螺钉12的孔23，销(基部22)被注射成型到模块保持器4上。板11在紧固孔14处被螺纹连接到模块保持器上，并且突出的销22通过热冲压(类似于铆接连接)而形成为蘑菇形状。

附图标记列表

1功率电子单元2冷却元件3a第一半导体模块3b第二半导体模块3c第三半导体模块4模块保持器5卡扣连接件6卡扣钩状件轮廓7第一互锁元件8第二互锁元件9a第一接纳孔9b第二接纳孔9c第三接纳孔10固定元件11电路板12紧固元件13加强肋14通孔15a第一接纳区域15b第二接纳区域15c第三接纳区域16板区域17a第一端部区域17b第二端部区域18套环19卡入式凸耳20a第一纵向侧部20b第二纵向侧部21支承腹板22基部

Claims (10)

1.一种用于机动车辆驱动装置的电动马达的功率电子单元(1)，所述功率电子单元具有板状冷却元件(2)、至少一个半导体模块(3a、3b、3c)以及模块保持器(4)，所述模块保持器由塑料构成并且将所述至少一个半导体模块(3a、3b、3c)相对于所述冷却元件(2)固定，其中，所述模块保持器(4)经由互锁的卡扣连接件(5)固定至所述冷却元件(2)。

2.根据权利要求1所述的功率电子单元(1)，其特征在于，所述卡扣连接件(5)通过与所述模块保持器(4)一体地形成并形成卡扣钩状件轮廓的互锁元件(7)并且/或者通过与所述模块保持器(4)分开形成的互锁元件(8)来实现。

3.根据权利要求1或2所述的功率电子单元(1)，其特征在于，所述卡扣连接件(5)的与所述模块保持器(4)一体地成型的第一互锁元件(7)通过所述冷却元件(2)中的接纳孔(9a；9c)锁定。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率电子单元(1)，其特征在于，所述卡扣连接件(5)的与所述模块保持器(4)分开形成的第二互锁元件(8)互锁至所述模块保持器(4)和所述冷却元件(2)。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的功率电子单元(1)，其特征在于，至少一个所述互锁元件(7、8)通过固定元件(10)固定成防止所述卡扣连接件(5)的松动。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的功率电子单元(1)，其特征在于，电路板(11)直接附接至所述模块保持器(4)。

7.根据权利要求6所述的功率电子单元(1)，其特征在于，所述电路板(11)通过与所述模块保持器(4)和所述电路板(11)分开形成的紧固元件(12)并且/或者通过与所述模块保持器(4)一体地形成的紧固元件附接至所述模块保持器(4)。

8.根据权利要求6或7所述的功率电子单元(1)，其特征在于，所述电路板(11)附接至板状的所述模块保持器(4)的背离所述至少一个半导体模块(3a、3b、3c)的一侧。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的功率电子单元(1)，其特征在于，所述模块保持器(4)由多个加强肋(13)形成。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的功率电子单元(1)，其特征在于，所述模块保持器(4)由纤维增强塑料形成。

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