DE102017115883B4 - Leistungselektronisches Submodul mit Gleich- und Wechselspannungsanschlusselementen und Anordnung hiermit - Google Patents

Leistungselektronisches Submodul mit Gleich- und Wechselspannungsanschlusselementen und Anordnung hiermit Download PDF

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Peter Beckedahl
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    • H05K2201/10409—Screws

Abstract

Leistungselektronisches Submodul (2) mit einer Schalteinrichtung (4) mit einem Substrat, das eine erste und eine zweite Gleichspannungsleiterbahn (42) und hiermit polaritätsrichtig und elektrisch leitend verbunden ein erstes und ein zweites Gleichspannungsanschlusselement (50, 52) sowie eine Wechselspannungsleiterbahn (46) und hiermit polaritätsrichtig und elektrisch leitend verbunden ein Wechselspannungsanschlusselement (56) aufweist, und mit einem Isolierstoffformkörper (20), der die Schalteinrichtung rahmenartig umschließt,wobei das erste Gleichspannungsanschlusselemente (50) mit einem ersten Kontaktabschnitt auf einem ersten Auflagekörper (24) des Isolierstoffformkörpers (20) aufliegt,wobei das Wechselspannungsanschlusselement (56) mit einem zweiten Kontaktabschnitt auf einem zweiten Auflagekörper (26) des Isolierstoffformkörpers (20) aufliegt,wobei eine erste Klemmeinrichtung (7) dazu ausgebildet ist elektrisch isoliert durch eine erste Ausnehmung (204) des ersten Auflagekörpers (24) hindurchzureichen und eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschlusselement (50) und einem zugeordneten ersten Gleichspannungsverbindungselement (60), wie auch zwischen dem zweiten Gleichspannungsanschlusselement (52) und einem zugeordneten zweiten Gleichspannungsverbindungselement (62) auszubilden undwobei eine zweite Klemmeinrichtung (8) dazu ausgebildet ist elektrisch isoliert durch eine zweite Ausnehmung (206) des zweiten Auflagekörpers (26) hindurchzureichen und eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem Wechselspannungsanschlusselement (56) und einem zugeordneten Wechselspannungsverbindungselement (66) auszubilden, wobei das erste und das zweite Gleichspannungsanschlusselement (50, 52) mit einer dazwischen angeordneten Isolationseinrichtung (54) einen Stapel ausbilden und , wobeidie erste Ausnehmung (204) des ersten Auflagekörpers (24), der geometrische Mittelpunkt (400) der Schalteinrichtung (4) und die zweite Ausnehmung (206) des zweiten Auflagekörpers (26) auf einer Linie angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein leistungselektronisches Submodul mit einer Schalteinrichtung. Ein Substrat der Schalteinrichtung weist eine erste und eine zweite Gleichspannungsleiterbahn auf mit denen polaritätsrichtig ein erstes und ein zweites Gleichspannungsanschlusselement elektrisch leitend verbunden sind. Das Substrat weist weiterhin eine Wechselspannungsleiterbahn, mit der polaritätsrichtig ein Wechselspannungsanschlusselement elektrisch leitend verbunden ist. Die Schalteinrichtung weist weiterhin ein Gehäuse, das auch als ein Teilgehäuse ausgebildet sein kann, auf. Die Gleichspannungsanschlusselemente dienen vorzugsweise die Verbindung zu einer Kondensatoreinrichtung, die als Zwischenkreiskondensatoren für das Stromrichtermodul ausgebildet sind. Das Wechselspannungsanschlusselement dient vorzugsweise der Verbindung zu einer einem Motor, allgemeiner zu einer elektrischen Maschine. Die Erfindung beschreibt weiterhin eine Anordnung mit einem derartigen Submodul oder einer Mehrzahl hiervon und mit einer Auflageeinrichtung hierfür, die insbesondere als eine Kühleinrichtung ausgebildet sein kann.
  • Die DE 10 2015 114 188 A1 offenbart als Stand der Technik ein Submodul, das ausgebildet ist mit einem Substrat, mit einem Leistungshalbleiterbauelement, mit einer Verbindungseinrichtung, mit einer Anschlusseinrichtung und mit einem Isolierstoffkörper. Hierbei weist das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen auf, wobei auf einer Leiterbahn das Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und damit elektrisch leitend verbunden ist. Die Verbindungseinrichtung ist als Folienverbund ausgebildet und bildet somit eine erste dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Substrat zugewandten Hauptfläche und eine der ersten gegenüberliegende zweite Hauptfläche aus, wobei das Submodul mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist. Der Isolierstoffkörper weist einen ersten Teilkörper auf, der mit einem Rand des Substrats verbunden ist und weist weiterhin eine erste Ausnehmung für das Anschlusselement auf. Der Isolierstoffkörper weist ebenfalls einen zweiten Teilkörper auf, der als ein Druckkörper ausgebildet ist und eine zweite Ausnehmung aufweist aus der ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist. Der erste Teilkörper ist mit dem zweiten Teilkörper derart verbunden, dass dieser zweite Teilkörper gegenüber dem ersten Teilkörper in Richtung zum Substrat beweglich angeordnet ist um mit dem Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche des Folienverbunds zu drücken, wobei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Leistungshalbleiterbauelements innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist.
  • Die US 5 471 089 A offenbart ein Halbleiterleistungsmodul mit: (a) einem Halbleiterelement für eine elektrische Leistungssteuerung; und (b) einem Leistungsquellenanschluss zum Übertragen eines ersten und eines zweiten Leistungsquellenpotentiales zu dem Halbleiterelement für die elektrische Leistungssteuerung, wobei der Leistungsquellenanschluss aufweist: (b-1) eine erste isolierende Platte mit einem Isolator; und (b-2) einem ersten und einem zweiten Leiter jeweils zum Übertragen des ersten bzw. des zweiten Leistungsquellenpotentiales, wobei der erste und der zweite Leiter entsprechend entlang einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche der ersten isolierenden Platte angebracht sind, der erste und der zweite Leiter Leistungsquellenströme in im wesentlichen antiparallelen Richtungen ragen; gekennzeichnet durch (c) einen externen Leistungsquellenanschluss, der mit dem Leistungsquellenanschluss durch ein elektrisch leitendes Verbindungsteil verbunden ist, wobei der externe Leistungsquellenanschluss aufweist: (c-1) eine zweite isolierende Platte mit einem Isolator; und (c-2) einen dritten und einen vierten Leiter zum Übertragen des ersten bzw. des zweiten Leistungsquellenpotentiales, wobei der dritte und der vierte Leiter entlang einer dritten und einer vierten Hauptoberfläche der zweiten isolierenden Platte angebracht sind, der dritte und der vierte Leiter Leistungsquellenströme in im wesentlichen antiparallelen Richtungen tragen, wobei der Leistungsquellenanschluss und der externe Leistungsquellenanschluss durch das Verbindungsteil auf solche Weise verbunden sind, dass der erste und der dritte Leiter in Druckkontakt und somit in elektrischem Kontakt miteinander stehen, und der zweite und der vierte Leiter, die jeweils in Druckkontakt mit dem Verbindungsteil stehen, elektrisch miteinander durch das Verbindungsteil gekoppelt sind.
  • Die US 2003/0151128 A1 offenbart eine kompaktere Halbleitervorrichtung, die mit verringerter Anzahl an Teilen und mit geringerem Aufwand montiert werden kann. Die Halbleitervorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einer oberen und einer unteren Oberfläche. In dem Gehäuse ist ein isolierendes Substrat mit auf beiden Seiten angeordneten Metallschichten angeordnet. Auf einer der Metallschichten des isolierenden Substrats ist ein Halbleiterchip angebracht. Ein Anschlussverbinder zum Anschluss des Halbleiterchips erstreckt sich entlang der oberen Oberfläche des Gehäuses und ist zu seiner unteren Oberfläche hin gebogen. Das Gehäuse hat ein Gehäusedurchgangsloch, das sich von der oberen Oberfläche zu der unteren Oberfläche durch das Gehäuse hindurch erstreckt. Der Anschlussverbinder weist ein Anschlussdurchgangsloch auf, das zu dem Gehäusedurchgangsloch ausgerichtet und koaxial dazu angeordnet ist.
  • Die DE 10 2006 006 422 A1 beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen, einem Gehäuse und nach außen führenden Lastanschlusselementen. Die Lastanschlusselemente jeweils als Metallformkörper mit mindestens einer Kontakteinrichtung mit Kontaktfläche zur externen elektrischen Verbindung mit einer Anschlusseinrichtung einer Stromzuführung ausgebildet sind, und wobei zwischen der Anschlusseinrichtung des externen Leiters und der Kontakteinrichtungen des Lastanschlusselements ein Metallformkörper angeordnet ist und wobei eine Verdrehung des Metallformkörpers um seine Hochachse nicht oder nur um wenige, maximal 10, Grad möglich ist.
  • In Kenntnis des genannten Standes der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine leistungselektronisches Submodul mit einem Stromrichtermodul vorzustellen, wobei die Gleichspannungsanschlusselemente und das Wechselspannungsanschlusselement besonders vorteilhaft angeordnet und ausgebildet sind. Insbesondere weist diese Ausgestaltung den Vorteil auf, eine Zugentlastung für die Anschlusselemente auszubilden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein leistungselektronisches Submodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Anordnung gemäß Anspruch 7. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße leistungselektronisches Submodul weist eine Schalteinrichtung mit einem Substrat und hierauf angeordneten Leiterbahnen auf. Das Submodul weist eine erste und eine zweite Gleichspannungsleiterbahn und hiermit polaritätsrichtig und elektrisch leitend verbunden ein erstes und ein zweites Gleichspannungsanschlusselement, sowie eine Wechselspannungsleiterbahn und hiermit polaritätsrichtig und elektrisch leitend verbunden ein Wechselspannungsanschlusselement auf. Das Submodul weist weiterhin einem Isolierstoffformkörper auf, der die Schalteinrichtung rahmenartig umschließ. Hierbei liegt das erste Gleichspannungsanschlusselemente mit einem ersten Kontaktabschnitt auf einem ersten Auflagekörper des Isolierstoffformkörpers auf, das Wechselspannungsanschlusselement liegt mit einem zweiten Kontaktabschnitt auf einem zweiten Auflagekörper des Isolierstoffformkörpers auf. Eine erste Klemmeinrichtung ist dazu ausgebildet elektrisch isoliert durch eine erste Ausnehmung des erste Auflagekörpers hindurchzureichen und eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschlusselement und einem zugeordneten ersten Gleichspannungsverbindungselement, wie auch zwischen dem zweiten Gleichspannungsanschlusselement und einem zugeordneten zweiten Gleichspannungsverbindungselement auszubilden und eine zweite Klemmeinrichtung ist dazu ausgebildet ist elektrisch isoliert durch eine zweite Ausnehmung des zweiten Auflagekörpers hindurchzureichen und eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem Wechselspannungsanschlusselement und einem zugeordneten Wechselspannungsverbindungselement auszubilden.
  • Weiterhin bilden das erste und das zweite Gleichspannungsanschlusselement mit einer dazwischen angeordneten Isolationseinrichtung zumindest in einem Abschnitt einen Stapel aus.
  • Die jeweilige Klemmeinrichtung kann mit einem Klemmelement, vorzugsweise ausgebildet als durchgehende Schraube, und vorzugsweise mit einer Federeinrichtung ausgebildet sein. Auch kann die jeweilige Klemmeinrichtung eine Isolierstoffhülse aufweisen, durch die das zugeordnete Klemmelement hindurch verläuft.
  • Vorzugsweise ist das Gehäuse aus einem Material der Materialgruppe der hochtemperaturbeständigen Kunststoff, insbesondere Polyphenylensulfid oder Polybutylenterephthalat, ausgebildet.
  • Es ist bevorzugt, wenn die Gleichspannungsanschlusselemente wie auch das Wechselspannungsanschlusselement als Metallfolie oder Metallblech, mit einer Dicke von bevorzugt 300µm bis 2040µm, insbesondere bevorzugt von 500µm bis 1500µm, ausgebildet sind.
  • Erfindungsgemäß sind die erste Ausnehmung des ersten Auflagekörpers, der geometrische Mittelpunkt der Schalteinrichtung und die zweite Ausnehmung des zweiten Auflagekörpers auf einer Linie angeordnet.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung weist ein oben beschriebenes leistungselektronisches Submodul und eine Auflageeinrichtung, die insbesondere als Kühleinrichtung ausgebildet ist, auf. Hierbei ist die jeweilige Klemmeinrichtung, insbesondere die jeweilige Schraube, in der Auflageeinrichtung verankert, insbesondere verschraubt, und gleichzeitig wird mittels der ersten Klemmeinrichtung eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschlusselement und einem zugeordneten ersten Gleichspannungsverbindungselement ausgebildet, ebenso wird mittels der zweiten Klemmeinrichtung eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem Wechselspannungsanschlusselement und einem zugeordneten Wechselspannungsverbindungselement ausgebildet. Hierbei wirkt die jeweilige Klemmeinrichtung gleichzeitig als Zugentlastung für die jeweiligen Verbindungen.
  • Es ist besonders bevorzugt, wenn gleichzeitig mittels der ersten Klemmeinrichtung eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem zweiten Gleichspannungsanschlusselement und einem zugeordneten zweiten Gleichspannungsverbindungselement ausgebildet wird.
  • Bevorzugt ist es weiterhin, wenn eine Druckeinrichtung oberhalb der Schalteinrichtung angeordnet ist, die diese auf die Auflageeinrichtung drückt und wobei eine Druckeinleiteinrichtung oberhalb der Druckeinrichtung angeordnet ist, die mittels der Klemmeinrichtungen fixiert wird und hierdurch Druck auf die Druckeinrichtung einleitet.
  • Auch kann es vorteilhaft sein, wenn eine Mehrzahl von Submodulen mit einem gemeinsamen Gesamtgehäuse ein Leistungsmodul ausbilden.
  • Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se oder explizit ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere die Schalteinrichtung oder im Rahmen der Anordnung das Submodul, auch mehrfach in dem erfindungsgemäßen Submodul oder der Anordnung hiermit vorhanden sein.
  • Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale, gleichgültig ob sie im Rahmen des Submoduls oder der Anordnung hiermit beschrieben sind, nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
    • 1 bis 4 zeigen verschiedene Teile einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen leistungselektronischen Submoduls in seitlicher Schnittansicht.
    • 5 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen leistungselektronischen Submoduls in seitlicher Schnittansicht.
    • 6 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines leistungselektronischen Submoduls.
    • 7 zeigt eine Draufsicht auf ein leistungselektronisches Submodul.
  • 1 bis 4 zeigen verschiedene Teile einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 mit einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen leistungselektronischen Submoduls 2 in seitlicher Schnittansicht. 1 und 2, wie auch 3 und 4 zeigen jeweils gleiche Teil in teilweiser Explosionsdarstellung, bzw. im montierten Zustand. Dargestellt ist jeweils das leistungselektronische Submodul 2 mit einer Schalteinrichtung 4 angeordnet auf einer Auflageeinrichtung 3, die hier als Kühleinrichtung, genauer und ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Flüssigkeitskühleinrichtung, ausgebildet ist.
  • Die Schalteinrichtung 4 weist zur elektrischen Isolation gegenüber der Flüssigkeitskühleinrichtung 3 und thermischen Ankopplung an die Flüssigkeitskühleinrichtung 3 einen Isolierstoffkörper 40, ausgebildet als Keramikkörper 40, auf. Dieser Keramikkörper 40 weist auf seiner der Flüssigkeitskühleinrichtung 3 abgewandten Seite eine Mehrzahl von Leiterbahnen 42 auf, die im Betrieb der Schalteinrichtung unterschiedliche Potentiale aufweisen. Eine dieser Leiterbahnen 42, eine von mehreren Gleichspannungsleiterbahn, weist ein Gleichspannungspotential auf. Beispielhaft bildet das Submodul 2 samt Schalteinrichtung 4 eine Stromrichterschaltung aus.
  • Auf mindestens einer dieser Leiterbahnen 42, die gemeinsam mit dem Isolierstoffkörper 40 das Substrat der Schalteinrichtung 4 ausbilden sind fachüblich Leistungshalbleiterbauelemente 44 angeordnete und schaltungsgerecht verbunden. Die Verbindung ist in dieser Ausführung als fachüblicher Folienverbund 48 aus alternierend gestapelten elektrisch leitenden und elektrisch isolierenden Folien ausgebildet.
  • Zur externen Verbindung weist dieses Stromrichtermodul 2, dargestellt in den 1 und 2 zwei Gleichspannungsanschlusselemente 50, 52 auf, die jeweils mit einer der Gleichspannungspotential führenden Gleichspannungsleiterbahnen 42 elektrisch leitend verbunden sind. Diese Verbindung ist fachüblich, hier, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, als Schweißverbindung, ausgebildet.
  • Diese Gleichspannungsanschlusselemente 50, 52 dienen der Verbindung zu zugeordneten Gleichspannungsverbindungselementen 60, 62, die bevorzugt mit einer Kondensatoreinrichtung verbunden sind.
  • Im Bereich der Verbindung, ausgebildet mittels einer ersten Klemmeinrichtung 7, zwischen Gleichspannungsanschlusselementen 50, 52 und Gleichspannungsverbindungselementen 60, 62 bilden das erst Gleichspannungsanschlusselement 50 und das zweite Gleichspannungsanschlusselement 52 einen Stapel aus, wobei zwischen den beiden Gleichspannungsanschlusselementen 50, 52, und nur in 6 dargestellt, eine Isolationseinrichtung 54 angeordnet ist. Hierbei liegt das erste Gleichspannungsanschlusselement 50 auf einer Auflagefläche 240 eines nur teilweise dargestellten Gehäuses 20 des Stromrichtermoduls 2 auf. Dieses Gehäuse 20 ist in dieser Ausgestaltung nur als Teilgehäuse ausgebildet, umschließt also die Schalteinrichtung 4 nicht vollständig, wie dies möglich und auch fachüblich wäre.
  • Das Gehäuse 20 des Stromrichtermoduls 2 ist hier ausgebildet aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff, hier einem Polyphenylensulfid der zusätzlich eine hohe Biegesteifigkeit aufweist. Die Gleichspannungsanschlusselemente 50, 52 sind als dünne Metallbleche, hier genauer Kupferbleche oder oberflächenbeschichtete Kupferbleche, mit einer Dicke von 700µm ausgebildet. Die Isolationseinrichtung 54 zwischen den Gleichspannungsanschlusselementen 50, 52 ist aus einem Kunststoffe mit hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit hier aus Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer oder aus Flüssigkristallpolymer mit einer Dicke von 100µm ausgebildet.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt der ersten leistungselektronischen Anordnung 1 in Schnittansicht, wobei der Schnitt in einer Ebene verläuft in der auch die erste Klemmeinrichtung 7 liegt. Zusätzlich zu den oben genannten Merkmalen sind hier die erste Klemmeinrichtung 7 und die Gleichspannungsverbindungselemente 60, 62 in Explosionsdarstellung gezeigt, während 2 die erste leistungselektronische Anordnung 1 in montiertem Zustand zeigt.
  • Im Bereich der Verbindung zwischen den Gleichspannungsanschlusselementen 50, 52 und Gleichspannungsverbindungselementen 60, 62 liegt, wie beschrieben, das erste Gleichspannungsanschlusselement 50 auf einer Auflagefläche 240 des Gehäuses 20 auf und weist eine Ausnehmung 500 auf.
  • Das zweite Gleichspannungsanschlusselement 52 ist gegenüber dem ersten zurückversetzt, wodurch dessen Kontaktbereich zum zweiten Gleichspannungsverbindungselement 62 in lateraler Sicht ausgehend vom Substrat diesseits der Ausnehmung 500 liegt.
  • Die jeweiligen Kontaktbereiche der Gleichspannungsanschlusselemente 50, 52 liegen auf den jeweils von der Kühleinrichtung 3 abgewandten Seiten, während die jeweiligen Kontaktbereiche der Gleichspannungsverbindungselement 60, 62 jeweils auf den jeweils der Kühleinrichtung 3 zugewandten Seiten liegen. Selbstverständlich kann im Rahmen einer alternativen Ausgestaltung diese gesamte Konfiguration auch spiegelbildlich ausgebildet sein.
  • Das Gehäuse 20 weist im Bereich seiner ersten Auflagefläche 240 eine erste in z-Richtung mit der Ausnehmung 500 des ersten Gleichspannungsanschlusselements 50, fluchtende erste Ausnehmung 204 auf. In diesen und den weiteren hiermit fluchtenden Ausnehmungen 500, 620 auch derjenigen eines Wechselspannungsverbindungselements 62, ist eine Isolierstoffhülse 74 angeordnet, die der elektrischen Isolation, einschließlich ggf. notwendiger Luft- und Kriechstrecken, der jeweiligen Potentiale dient. In dieser Hülse 74 ist eine Schraube 70 angeordnet, die gemeinsam mit einer Federeinrichtung 72, die hier als Tellerfeder ausgebildet ist, die elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschlusselement 50 und dem ersten Gleichspannungsverbindungselement 60 sowie gleichzeitig zwischen dem zweiten Gleichspannungsanschlusselement 52 und dem zweiten Gleichspannungsverbindungselement 62 ausbildet. Hierzu wird die Schraube 70 in ein mit einem Innengewinde versehenen Sackloch 32 der Kühleinrichtung 3 verschraubt, wodurch die erste Klemmeinrichtung 7 in der Kühleinrichtung verankert ist.
  • Die genannten Komponenten bilden hier die erste Klemmeinrichtung 7 der Anordnung aus. Dies Ausgestaltung ist vielfältig vorteilhaft. Einerseits ist die Anordnung der Gleichspannungsverbindungselemente 60, 62 zu den Gleichspannungsanschlusselementen 50, 52 aus herstellungstechnischer Sicht besonders einfach, weil die gestapelten Gleichspannungsverbindungselemente 60, 62 quasi einfach nur auf die ebenfalls gestapelten Gleichspannungsanschlusselemente 50, 52 gelegt werden und mit einer einzigen Schraubverbindung die polaritätsrichtigen elektrischen Verbindungen ausgebildet werden. Ein zweiter wesentlicher Vorteil ist hier die Fixierung an der Kühleinrichtung 3, die eine hervorragende Zugentlastung für die Gleichspannungsverbindungselemente 60, 62 ausbildet. Mit anderen Worten, wird durch diese Ausgestaltung eine mögliche Krafteinwirkung auf das Substrat 40, 42 vermieden. Zudem ist die ausgebildete elektrisch leitende Verbindung besonders niederinduktiv ausgebildet.
  • Zur weiteren externen Verbindung weist das hier dargestellte Stromrichtermodul 2, dargestellt in den 3 und 4 ein Wechselspannungsanschlusselement 56 auf, das mit einer Wechselspannungspotential führenden Wechselspannungsleiterbahn 46 elektrisch leitend verbunden sind. Diese Verbindung ist fachüblich, hier, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, als Schweißverbindung, ausgebildet.
  • Dieses Wechselspannungsanschlusselement 56 dient der Verbindung zu einem zugeordneten Wechselspannungsverbindungselement 66, das bevorzugt mit einer elektrischen Maschine verbunden ist. Das Wechselspannungsanschlusselement 56 ist als dünnes Metallblech, hier genauer Kupferblech oder oberflächenbeschichtetes Kupferblech, mit einer Dicke von 700µm ausgebildet.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt der ersten leistungselektronischen Anordnung 1 in Schnittansicht, wobei der Schnitt in einer Ebene verläuft in der auch die zweite Klemmeinrichtung 8 liegt. Zusätzlich zu den oben genannten Merkmalen sind hier die zweite Klemmeinrichtung 8 und das Wechselspannungsverbindungselement 66 in Explosionsdarstellung gezeigt, während 4 die erste leistungselektronische Anordnung 1 in montiertem Zustand zeigt.
  • Im Bereich der Verbindung zwischen dem Wechselspannungsanschlusselementen 56 und dem Wechselspannungsverbindungselement 66 liegt das Wechselspannungsanschlusselement 56 auf einer Auflagefläche 260 des Gehäuses 20 auf und weist eine Ausnehmung 560 auf.
  • Der Kontaktbereich des Wechselspannungsanschlusselements 56 liegt hier auf der der Kühleinrichtung 3 abgewandten Seiten (vgl. 6), während der Kontaktbereiche des Wechselspannungsverbindungselements 66 auf der der Kühleinrichtung 3 zugewandten Seiten liegt. Selbstverständlich kann im Rahmen einer alternativen Ausgestaltung diese gesamte Konfiguration auch spiegelbildlich ausgebildet sein.
  • Das Gehäuse 20 weist im Bereich seiner zweiten Auflagefläche 260 ein mit der in z-Richtung, fluchtende Ausnehmung 560 des Wechselspannungsanschlusselements fluchtende zweite Ausnehmung 206 auf. In allen hiermit fluchtenden Ausnehmungen 206, 560, 660, auch derjenigen des Wechselspannungsverbindungselements 66, ist eine Isolierstoffhülse 84 angeordnet. In dieser Hülse 84 ist eine Schraube 80 angeordnet, die gemeinsam mit einer Federeinrichtung 82, die hier als Tellerfeder ausgebildet ist, die elektrisch leitende zweite Klemmverbindung zwischen dem Wechselspannungsanschlusselement 56 und dem Wechselspannungsverbindungselement 66 ausbildet. Hierzu wird die Schraube 80 einfach in ein mit einem Innengewinde versehenen Sackloch 34 der Kühleinrichtung 3 verschraubt, wodurch die zweite Klemmeinrichtung 8 in der Kühleinrichtung verankert ist.
  • Die genannten Komponenten bilden hier die zweite Klemmeinrichtung 8 der Anordnung aus. Dies Ausgestaltung weist grundsätzlich die bereits oben genannten Vorteile auf.
  • 5 eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 mit einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen leistungselektronischen Submoduls 2 in seitlicher Schnittansicht. Diese ist im Wesentlichen identisch derjenigen zu den 1 bis 4 beschriebenen, weist aber zusätzliche eine im Grunde fachübliche Druckeinrichtung 28, bestehend aus einem starren Druckkörper 280 und elastischen Druckelementen 280, die in Richtung auf die Schalteinrichtung 4 hervorstehen, auf. Die Druckelemente 282 drücken mittelbar über die Verbindungseinrichtung 48 auf die Leistungshalbleiterbauelemente 44. Diese Druckeinrichtung 28 dient hauptsächlich der thermischen Anbindung der Schalteinrichtung 4 an die Kühleinrichtung 3.
  • Zur Einleitung der hierfür notwendigen Kraft ist eine Druckeinleiteinrichtung 90 angeordnet, die dazu ausgebildet ist auf die der Schalteinrichtung 4 abgewandten Seite der Druckeinrichtung 28, vorzugsweise zentral auf diese Druckeinrichtung 28, zu drücken. Hierzu wird die Druckeinleiteinrichtung 90 mit den beiden Klemmeinrichtungen 7, 8 und der Kühleinrichtung 3 als Widerlager fixiert bzw. verankert. Die Klemmeinrichtung ist hier zusätzlich dazu ausgebildet die Federwirkung der Tellerfedern 72, 82, vgl. 1 bis 4 zu auszuüben.
  • Die erste und zweite Klemmeinrichtung 7, 8 bewirken also nicht nur die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Anschluss- 50, 52, 54 und Verbindungselementen 60, 62, 64, sondern dienen gleichzeitig der thermisch hervorragend leitenden Anbindung des Submoduls 2 an die Kühleinrichtung 3.
  • 6 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines leistungselektronischen Submoduls 2. Diese Ausgestaltung des Submoduls 2 ist grundsätzlich ähnlich derjenigen gemäß der 5, allerdings konstruktionsnäher dargestellt, verglichen mit 5, die den Aufbau stärker abstrahiert skizziert. Dargestellt ist ein Gehäuse 20 des Stromrichtermoduls 2, das die Schalteinrichtung 4 umschließt, allerdings nicht überdeckt. Die Schalteinrichtung 4 wird im Wesentlichen von einer Druckeinrichtung 28 überdeckt, die das Substrat 40, 42 auf eine nicht dargestellte Kühleinrichtung 3 drückt um eine thermisch leitende Verbindung hiermit auszubilden. Zur Druckeinleitung ist hier eine alternative Druckeinleiteinrichtung 92 vorgesehen. Diese weist eine fachübliche zentrale Schraube auf, die mit der Kühleinrichtung verschraubt ist und über eine Tellerfeder auf die Druckeinrichtung drückt.
  • Das Gehäuse 20 weist eine erste Koppeleinrichtung 24 auf, die eine erste Auflagefläche 240 aufweist auf der das erste Gleichspannungsanschlusselement 50 in einem Endabschnitt aufliegt. Schraffiert dargestellt ist hier die Kontaktfläche dieses ersten Gleichspannungsanschlusselements 50 zu einem ersten Gleichspannungsverbindungselement, dargestellt in 5. Das erste Gleichspannungsanschlusselement 50 weist weiterhin eine Ausnehmung 500 auf. Zu dieser Ausnehmung 500 weist das Gehäuse 20 eine hiermit fluchtende erste Ausnehmung 204 auf. Beide Ausnehmungen sind dazu ausgebildet eine erste Klemmeinrichtung in Form einer Isolierstoffhülse mit durch diese hindurchreichender Schraube aufzunehmen.
  • Unmittelbar auf der ersten Gleichspannungsanschlusselement 50 und mit dieser oberhalb der ersten Auflagefläche 240 einen Stapel bildend ist eine Isolationseinrichtung 54 und ein zweites Gleichspannungsanschlusselement 52 angeordnet. Dieses zweite Gleichspannungsanschlusselement 52 weist seinerseits eine schraffiert dargestellte Kontaktfläche zu einem zweiten Gleichspannungsverbindungselement auf. Der Endabschnitt der Isolationseinrichtung 54 ist gegenüber dem Endabschnitt des ersten Gleichspannungsanschlusselements 50 in Richtung auf das Substrat zurückversetzt. Weiterhin ist der Endabschnitt des zweiten Gleichspannungsanschlusselement 52 in die gleiche Richtung gegenüber demjenigen der Isolationseinrichtung 54 zurückversetzt.
  • Das Gehäuse 20 weist eine zweite Koppeleinrichtung 26 auf, die eine zweite Auflagefläche 260 aufweist auf der das Wechselspannungsanschlusselement 56 in einem Endabschnitt aufliegt. Schraffiert dargestellt ist hier die Kontaktfläche dieses Wechselspannungsanschlusselements 56 zu einem ersten Wechselspannungsverbindungselement dargestellt in 5. Das Wechselspannungsanschlusselement 56 weist weiterhin eine Ausnehmung 560 auf.
  • Zu dieser Ausnehmung 560 weist das Gehäuse 20 eine hiermit fluchtende Ausnehmung 206, vgl. 5, auf. Beide Ausnehmungen sind dazu ausgebildet eine zweite Klemmeinrichtung in Form einer Isolierstoffhülse mit durch diese hindurchreichender Schraube aufzunehmen.
  • 7 zeigt eine Draufsicht auf ein leistungselektronisches Submodul 2, dargestellt ohne Gehäuse, mit im Grunde gleichen Komponenten wie unter 6 beschrieben. Explizit dargestellt ist hier, dass die erste Ausnehmung 204 des ersten Auflagekörpers 24 und die dazu fluchtende Ausnehmung 500 der ersten Gleichspannungsanschlusselements 50, hier weiterhin auch diejenige Ausnehmung 520 des zweite Gleichspannungsanschlusselements 52, der geometrische Mittelpunkt 400 der Schalteinrichtung 4 und die zweite Ausnehmung 206 des zweiten Auflagekörpers 26 und die dazu fluchtende Ausnehmung 560 des Wechselspannungsanschlusselements 56 auf einer strich-punktierten Linie angeordnet sind. Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Druckeinleiteinrichtung 90, gemäß 5, in Normalenrichtung also senkrecht zum Substrat 40, 42 und somit fluchtend zum geometrischen Mittelpunkt 400 auf die Druckeinrichtung Druck ausübt.

Claims (11)

  1. Leistungselektronisches Submodul (2) mit einer Schalteinrichtung (4) mit einem Substrat, das eine erste und eine zweite Gleichspannungsleiterbahn (42) und hiermit polaritätsrichtig und elektrisch leitend verbunden ein erstes und ein zweites Gleichspannungsanschlusselement (50, 52) sowie eine Wechselspannungsleiterbahn (46) und hiermit polaritätsrichtig und elektrisch leitend verbunden ein Wechselspannungsanschlusselement (56) aufweist, und mit einem Isolierstoffformkörper (20), der die Schalteinrichtung rahmenartig umschließt, wobei das erste Gleichspannungsanschlusselemente (50) mit einem ersten Kontaktabschnitt auf einem ersten Auflagekörper (24) des Isolierstoffformkörpers (20) aufliegt, wobei das Wechselspannungsanschlusselement (56) mit einem zweiten Kontaktabschnitt auf einem zweiten Auflagekörper (26) des Isolierstoffformkörpers (20) aufliegt, wobei eine erste Klemmeinrichtung (7) dazu ausgebildet ist elektrisch isoliert durch eine erste Ausnehmung (204) des ersten Auflagekörpers (24) hindurchzureichen und eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschlusselement (50) und einem zugeordneten ersten Gleichspannungsverbindungselement (60), wie auch zwischen dem zweiten Gleichspannungsanschlusselement (52) und einem zugeordneten zweiten Gleichspannungsverbindungselement (62) auszubilden und wobei eine zweite Klemmeinrichtung (8) dazu ausgebildet ist elektrisch isoliert durch eine zweite Ausnehmung (206) des zweiten Auflagekörpers (26) hindurchzureichen und eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem Wechselspannungsanschlusselement (56) und einem zugeordneten Wechselspannungsverbindungselement (66) auszubilden, wobei das erste und das zweite Gleichspannungsanschlusselement (50, 52) mit einer dazwischen angeordneten Isolationseinrichtung (54) einen Stapel ausbilden und , wobei die erste Ausnehmung (204) des ersten Auflagekörpers (24), der geometrische Mittelpunkt (400) der Schalteinrichtung (4) und die zweite Ausnehmung (206) des zweiten Auflagekörpers (26) auf einer Linie angeordnet sind.
  2. Submodul nach Anspruch 1, wobei die Isolationseinrichtung (54) aus einem Material der Materialgruppe der Kunststoffe mit hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit insbesondere aus Polyimid, Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer oder Flüssigkristallpolymer mit einer Dicke von bevorzugt 50µm bis 500µm, insbesondere bevorzugt von 75µm bis 150µm, ausgebildet ist.
  3. Submodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Klemmeinrichtung (7, 8) mit einem Klemmelement, vorzugsweise ausgebildet als durchgehende Schraube (70, 80), und vorzugsweise mit einer Federeinrichtung (72, 82) ausgebildet ist.
  4. Submodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Klemmeinrichtung (7, 8) eine Isolierstoffhülse (74, 84) aufweist durch die das Klemmelement (70, 80) hindurch verläuft.
  5. Submodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (20) aus einem Material der Materialgruppe der hochtemperaturbeständigen Kunststoff, insbesondere Polyphenylensulfid oder Polybutylenterephthalat, ausgebildet ist.
  6. Submodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungsanschlusselemente (50, 52) wie auch das Wechselspannungsanschlusselement (56) als Metallfolie oder Metallblech, mit einer Dicke von bevorzugt 300µm bis 2040µm, insbesondere bevorzugt von 500µm bis 1500µm, ausgebildet sind.
  7. Anordnung (1) mit einem leistungselektronisches Submodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer Auflageeinrichtung (3), wobei die jeweilige Klemmeinrichtung (7, 8), insbesondere die jeweilige Schraube (70, 80), in der Auflageeinrichtung (3) verankert, insbesondere verschraubt, ist und wobei gleichzeitig mittels der ersten Klemmeinrichtung (7) eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschlusselement (50) und einem zugeordneten ersten Gleichspannungsverbindungselement (60) ausgebildet wird und wobei mittels der zweiten Klemmeinrichtung (8) eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem Wechselspannungsanschlusselement (56) und einem zugeordneten Wechselspannungsverbindungselement (66) ausgebildet wird.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei gleichzeitig mittels der ersten Klemmeinrichtung (7) eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem zweiten Gleichspannungsanschlusselement (52) und einem zugeordneten zweiten Gleichspannungsverbindungselement (62) ausgebildet wird.
  9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Auflageeinrichtung (3) als Kühleinrichtung ausgebildet ist.
  10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei eine Druckeinrichtung (28) oberhalb der Schalteinrichtung (4) angeordnet ist, die diese auf die Auflageeinrichtung (3) drückt und wobei eine Druckeinleiteinrichtung (90) oberhalb der Druckeinrichtung (28) angeordnet ist, die mittels der ersten und zweiten Klemmeinrichtung (7, 8) fixiert wird und hierdurch Druck auf die Druckeinrichtung (28) einleitet.
  11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei wobei eine Mehrzahl von Submodulen (2) mit einem gemeinsamen Gesamtgehäuse ein Leistungsmodul ausbilden.
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