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Die Erfindung betrifft eine Hochstrom-Leistungseinheit, aufweisend Hochstrom-Anschlusselemente und Stromschienen, die durch Steckverbinder mit einem Strombolzen und einer Steckbuchse elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
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Hochstrom-Leistungseinheiten sind vormontierte Baugruppen, die zum Einbau in Leistungshalbleitermodule vorgesehen sind. Die Hochstrom-Leistungseinheiten weisen Leistungshalbleiterschaltungen auf, die beispielsweise als eine Halbbrückenschaltung ausgebildet sein können.
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Bei der Montage müssen hoch belastbare elektrische Verbindungen zwischen den Leistungshalbleiterschaltungen und Stromschienen hergestellt werden, die als starre Verbindungen ausgebildet sind und daher von außen in das Leistungshalbleitermodul eingeleitete Kräfte aufnehmen und/oder auf die Leistungshalbleiterschaltung übertragen. Die Kräfte können sowohl bei der Montage als auch im Betrieb auftreten. Im Betrieb können sich beispielsweise Vibrationen schädlich auswirken. Weitere Kräfte können als Zwangskräfte durch Toleranzen der miteinander verbundenen Bauelemente auftreten. Zur Vermeidung der Zwangskräfte müssen daher geringe Toleranzen eingehalten werden, was die Fertigung verteuert.
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Die
US 2010/0093230 A1 offenbart ein Kontaktelement in einer Steckverbindung. Das Kontaktelement umfasst einen federelastischen Trägerstreifen, welcher eine Mehrzahl von asymmetrischen Elementen trägt. Der Federstreifen ist in einer Ausführungsform in einer Nut eines Bolzens angeordnet und dieser ist in eine Steckbuchse eingeführt, wo die asymmetrischen Elemente in Anlage an die Innenwand der Steckbuchse geraten.
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Die
US 4 810 213 A offenbart eine elektrische Steckverbindung mit einem Bolzen, der in einer Ausführungsform eine ringförmige Aufnahmenut für ein Federelement trägt. Beim Einführen des Bolzens in eine Buchse kommt das Federelement in Anlage an die Innenwand der Buchse. Bei einer anderen Ausführungsform kann ein Bolzen bis zu einem Anschlag am Ende der Buchse geführt werden.
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Die
DE 691 02 395 T2 betrifft einen Verbinder für eine elektronische Steuereinheit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochstrom-Leistungseinheit anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Gegenständen der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Es wird eine Hochstrom-Leistungseinheit vorgeschlagen, aufweisend Leistungshalbleiterschaltungen mit Hochstrom-Anschlusselementen sowie Stromschienen, die durch Steckverbinder mit einem Strombolzen und einer Steckbuchse elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei der Strombolzen an dem Hochstrom-Anschlusselement und die Steckbuchse an der Stromschiene angeordnet ist oder umgekehrt, wobei vorgesehen ist, dass der Strombolzen axial verschiebbar in der Steckbuchse gelagert ist, und dass zwischen der Außenwand des Strombolzens und der Innenwand der Steckbuchse ein den Strombolzen umgreifendes Federelement angeordnet ist.
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Durch die vorgeschlagene axial verschiebbare Lagerung des Strombolzens in der Steckbuchse werden keine axialen Kräfte von den Stromschienen auf die Leistungshalbleiterschaltungen übertragen sowie die Steckverbindungen von solchen Kräften entlastet.
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Durch das zwischen der Außenwand des Strombolzens und der Innenwand der Steckbuchse angeordnete Federelement werden Querkräfte gedämpft oder in Federarbeit umgesetzt.
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Es ist zudem vorgesehen, dass die Steckbuchse eine ringförmige Kontaktausnehmung und der Strombolzen eine Kontaktrille aufweist. Die Kontaktausnehmung und/oder die Kontaktrille können einen galvanischen Überzug aufweisen, der die elektrische Leitfähigkeit verbessert bzw. den Kontaktwiderstand senkt und/oder vor Korrosion schützt.
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In einem Aspekt ist vorgesehen, dass die Breite der Kontaktausnehmung ein axiales Spiel des Federelements in der Steckbuchse zulässt, und dass die Breite der Kontaktrille eine axiale Verschiebung des Federelements auf dem Strombolzen zulässt. Das axiale Spiel ist so bemessen, dass es einerseits die elastische Verformung des Federelements nicht behindert, andererseits jedoch einen definierten und sicheren Sitz des Federelements in der Steckbuchse ermöglicht.
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In einem zweiten Aspekt ist vorgesehen, dass die Breite der Kontaktrille ein axiales Spiel des Federelements auf dem Strombolzen zulässt, und dass die Breite der Kontaktausnehmung eine axiale Verschiebung des Federelements in der Steckbuchse bis zu einer Stufe an einer Innenwand der Steckbuchse zulässt. Das axiale Spiel ist so bemessen, dass es einerseits die elastische Verformung des Federelements nicht behindert, andererseits jedoch einen definierten und sicheren Sitz des Federelements auf dem Strombolzen ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass das Federelement als eine zu einem Torus gebogene Schraubenfeder ausgebildet ist. Eine Schraubenfeder kann bei geringem Fertigungsaufwand sehr gut in ihren mechanischen Eigenschaften an den Einsatzzweck angepasst werden. Das Federelement kann einen galvanischen Überzug aufweisen, der die elektrische Leitfähigkeit verbessert bzw. den Kontaktwiderstand senkt und/oder vor Korrosion schützt. So kann das Federelement beispielsweise aus Federstahl bestehen und der galvanische Überzug aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit guter elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, Gold oder Silber.
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In einer alternativen Ausbildung kann vorgesehen sein, dass das Federelement als ein geschlitzter Ring ausgebildet ist. Das Federelement kann bezüglich des Materials und des galvanischen Überzugs wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausbildung kann vorgesehen sein, dass das Federelement als ein Sprengring ausgebildet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Hochstrom-Anschlusselement ein Dämpfungselement durchgreift, das an einer isolierenden Abdeckung der Leistungshalbleiterschaltung abgestützt ist. Durch diese zusätzliche Dämpfungsmaßnahme wird eine weiter verbesserte Schwingungsdämpfung erreicht, indem auch die infolge der notwendigen Kontaktkräfte mögliche Krafteinkopplung durch die Umwandlung in Verformungsarbeit des Dämpfungselements nochmals gedämpft wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Dämpfungselement einen quaderförmigen Grundkörper aufweist, dessen oberer Endabschnitt als eine über den Grundkörper allseits hervorspringende Deckplatte ausgebildet ist. Es ist auch möglich, eine andere geometrische Gestaltung vorzusehen, beispielsweise ein zylindrisches oder leicht kegelförmiges Dämpfungselement. Ein leicht kegelförmiges Dämpfungselement hat den Vorteil, dass einen Klemmsitz des Dämpfungselements begünstigt.
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Vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass das Dämpfungselement aus einem elektrisch isolierenden Elastomer ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Hochstrom-Leistungseinheit in perspektivischer Darstellung;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt der Hochstrom-Leistungseinheit in 1;
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3a ein erstes Ausführungsbeispiel eines Hochstrom-Anschlusselements in 1;
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3b das Hochstrom-Anschlusselement in 3a mit einem Dämpfungselement;
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4 das Dämpfungselement in 3b im Schnitt;
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Hochstrom-Anschlusselements in 1.
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1 zeigt eine Hochstrom-Leistungseinheit 1, die zum Einbau in ein flüssigkeitsgekühltes Leistungshalbleitermodul vorgesehen ist. Die Hochstrom-Leistungseinheit 1 weist eine Leistungshalbleiterschaltung 17 auf, die beispielsweise als eine Halbbrückenschaltung ausgebildet sein kann. Zwei Kühlflüssigkeitsanschlüsse 11 sind an der Unterseite der Hochstrom-Leistungseinheit 1 angeordnet, die in 1 in liegender Position dargestellt ist.
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In dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Leistungshalbleiterschaltungen 17 über Stromschienen 12 parallel zusammengeschaltet. Die Stromschienen 12 sind über Steckverbinder 13 mit Hochstrom-Anschlusselementen 14 elektrisch leitend lösbar verbunden. In 1 und 2 ist beispielhaft nur ein Steckverbinder 13 dargestellt, der wie weiter unten beschrieben, einen Strombolzen 131, eine Steckbuchse 133 und ein dazwischen angeordnetes torusförmiges Federelement 132 umfasst.
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Die 3a und 3b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel des Steckverbinders 13.
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Die Steckbuchse 133 ist topfförmig ausgebildet und durchgreift mit ihrem zurückspringenden hinteren Endabschnitt eine Anschlusslasche der Stromschiene 12. Die Steckbuchse 133 ist vorzugsweise durch Löten oder Schweißen stoffschlüssig mit der Anschlusslasche verbunden. Die Steckbuchse 133 weist eine ringförmige Kontaktausnehmung 133a für das Federelement 132 auf.
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Der Strombolzen 131 ist zylinderförmig ausgebildet und durchgreift mit seinem hinteren Endabschnitt das blattförmige Hochstrom-Anschlusselement 14, wobei ein vorspringender ringförmiger Anschlag 131a die Eintrittstiefe des Strombolzens 131 begrenzt. Der Strombolzen 131 ist vorzugsweise durch Löten oder Schweißen stoffschlüssig mit dem Hochstrom-Anschlusselement 14 verbunden. Der Strombolzen 131 weist an der buchsenseitigen Stirnfläche eine Fase auf, die das Einführen des Strombolzens 131 in den hohlzylindrischen Innenraum der Steckbuchse 133 erleichtert. Der Strombolzen 131 weist in seinem der Steckbuchse 133 zugewandten Abschnitt eine Kontaktrille 131r für das Federelement 132 auf.
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In dem in 3a und 3b dargestellten Ausführungsbeispiel ist das torusförmige Federelement 132 als eine Schraubenfeder ausgebildet, deren Längsachse kreisförmig gebogen ist. Das Material der Schraubenfeder kann beispielsweise Federstahldraht oder Federbronzedraht sein. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit kann die Schraubenfeder einen elektrisch gut leitfähigen galvanischen Überzug aufweisen, beispielsweise aus Kupfer, Silber oder Gold.
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Die Durchmesser der Kontaktausnehmung 133a der Steckbuchse 133, der kreisförmigen Querschnittsfläche des Federelements 132 und der Kontaktrille 131r des Strombolzens 131 sind so gewählt, dass die kreisförmige Querschnittsfläche des Federelements 132 beim Einstecken des Steckbolzens 131 in die Steckbuchse 133 radial elastisch verformt wird, so dass die Oberfläche des Federelements 132 unter Ausbildung einer Federkraft sowohl in der Kontaktausnehmung 133a als auch auf der Kontaktrille 131r anliegt.
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Während die Breite der Kontaktausnehmung 133a nur ein geringes axiales Spiel des Federelements 132 zulässt, lässt die Breite der Kontaktrille 131r eine deutliche axiale Verschiebung des Federelements 132 auf dem Strombolzen 131 zu. Dadurch ist ein axialer Lageausgleich zwischen der Stromschiene 12 und dem Hochstrom-Anschlusselement 14 möglich, so dass weder Fertigungstoleranzen noch thermische oder mechanische Einflüsse axiale Zwangskräfte zwischen der Stromschiene 12 und dem Hochstrom-Anschlusselement 14 hervorrufen können. Radial wirkende Zwangskräfte werden durch die Federwirkung des Federelements 132 abgefangen oder zumindest reduziert.
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Es ist auch möglich, das Federelement 132 als einen am Umfang aufgeschlitzten Ring auszubilden, wobei die Schlitzbreite durch äußere Kräfte entweder vergrößert oder verkleinert werden kann. Der Schlitz kann in Achsrichtung verlaufen, wie von Sprengringen bekannt, oder unter einem Winkel zur Achsrichtung, wie von Kolbenringen bekannt.
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Zur Schwingungsdämpfung des Hochstrom-Anschlusselements 14 ist ein elektrisch isolierendes gummielastisches Dämpfungselement 15 vorgesehen, das an einer isolierenden Abdeckung 16 der Leistungshalbleiterschaltung 17 abgestützt ist. In dem in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Dämpfungselement 15 einen quaderförmigen Grundkörper auf, der von dem Hochstrom-Anschlusselement 14 durchgriffen ist. Der obere Endabschnitt ist als eine über den Grundkörper allseits hervorspringende Deckplatte ausgebildet, die einen axialen Anschlag für das Dämpfungselement 15 bildet.
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Die 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Steckverbinders 13, das wie das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, mit dem Unterschied, dass die an dem Strombolzen 131 angeordnete Kontaktrille 131r zur Aufnahme des Federelements 132 vorgesehen ist und die in der Steckbuchse 133 angeordnete Kontaktausnehmung nun bis zur vorderen Stirnseite der Steckbuchse 133 erstreckt ist. Die vordere Stirnseite der Steckbuchse 133 ist innen mit einer Fase ausgebildet, die das Einführen des Strombolzens 131 in die Steckbuchse 133 erleichtert.
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Während die Breite der Kontaktrille 131r nur ein geringes axiales Spiel des Federelements 132 zulässt, lässt die Breite der Kontaktausnehmung 133a eine deutliche axiale Verschiebung des Federelements 132 in der Kontaktausnehmung 133a zu. Dadurch ist ein axialer Lageausgleich zwischen der Stromschiene 12 und dem Hochstrom-Anschlusselement 14 möglich, so dass weder Fertigungstoleranzen noch thermische oder mechanische Einflüsse axiale Zwangskräfte zwischen der Stromschiene 12 und dem Hochstrom-Anschlusselement 14 hervorrufen können. Radial wirkende Zwangskräfte werden durch die Federwirkung des Federelements 132 abgefangen oder zumindest reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochstrom-Leistungseinheit
- 11
- Kühlflüssigkeitsanschluss
- 12
- Stromschiene
- 13
- Steckverbinder
- 131
- Strombolzen
- 131a
- Anschlag
- 131r
- Kontaktrille
- 131k
- Kontaktabschnitt
- 132
- Federelement
- 133
- Steckbuchse
- 133a
- Kontaktausnehmung
- 14
- Hochstrom-Anschlusselement
- 15
- Dämpfungselement
- 16
- Abdeckung
- 17
- Leistungshalbleiterschaltung
