DE102022120170A1

DE102022120170A1 - Stromschienen umfassende leistungselektronische Vorrichtungen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102022120170A1
Application number: DE102022120170.8A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Söhnle
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2024-02-15
Also published as: CN117595607A; US20240055781A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Stromschienen umfassende leistungselektronische Vorrichtungen und Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verbindung von Halbleiter-Leistungsmodulen und Zwischenkreiskondensatoren in einer Kommutierungszelle eines Inverters eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Stromschienen umfassende leistungselektronische Vorrichtungen und Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verbindung von Halbleiter-Leistungsmodulen und Zwischenkreiskondensatoren in einer Kommutierungszelle eines Inverters eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.
Ein Inverter versorgt die E-Maschine in einem Hybrid- und Elektrofahrzeug mit Leistung. Nach aktuellem Stand der Technik werden in sogenannten hart schaltenden Invertern Halbbrücken-Module oder dreiphasige Module eingesetzt. Diese werden in der Regel über Stromschienen direkt mit einem Zwischenkreiskondensator verbunden. Hierbei ist eine Verbindung mittels Laserstrahlschweißen attraktiv, da die eingebrachte Energiemenge überschaubar ist und der notwendige Platzbedarf gering ist.
Es besteht allerdings die Herausforderung, dass beim Laserschweißen eine spaltfreie Kontaktstelle über alle Toleranzlagen hergestellt werden muss. Hierzu werden in der Regel die Stromschienen verbogen, was Risiken mit sich bringt. Beispielsweise können durch das unkontrollierte Biegen der Stromschienen während des Fügevorgangs Spannungen im Verguss des Kondensators und an der Eingussmasse (Moldmasse) des Powermoduls auftreten. Diese Spannungen im Material können zu Rissbildungen führen, was zu einem Abplatzen von Material und zum Ausfall der Komponenten führen kann. Ebenso ist durch die Rissbildung ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Powermodul möglich, was mit der Zeit ebenso zu einer Schädigung und einem Ausfall führen kann. Zudem ist ein aufwändiges Werkzeug für den Fügeprozess notwendig, und die Prozessfähigkeit über hohe Stückzahlen ist nicht sichergestellt.
Die DE 10 2020 109 500 A1 betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei elektronischen Bauteilen, die jeweils einen Bauteilkörper und wenigstens eine von dem Bauteilkörper abstehende Kontaktlasche aufweisen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen der wenigstens zwei elektronischen Bauteile, Anordnen der Bauteile, so dass zumindest eine erste Kontaktlasche eines ersten der Bauteile an einer zweiten Kontaktlasche eines zweiten der Bauteile überlappend anliegt, wobei die zweite Kontaktlasche zumindest mit einem Kontaktlaschenabschnitt unter einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90° zu der ersten Kontaktlasche steht, Aufbringen einer ersten Kraft auf das erste Bauteil, so dass eine Kontaktfläche zwischen der ersten Kontaktlasche und dem Kontaktlaschenabschnitt durch eine Verformung der zweiten Kontaktlasche vergrößert wird, Aufbringen einer zweiten Kraft zumindest auf einen Abschnitt der ersten Kontaktlasche, so dass die Kontaktfläche zwischen der ersten Kontaktlasche und der zweiten Kontaktlasche durch eine Verformung der ersten Kontaktlasche vergrößert wird, und Befestigen der Kontaktlaschen aneinander.
Die JP 2012 010 426 A beschreibt eine Leistungsumwandlungsvorrichtung. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung wird von einer Stromquelle mit Strom versorgt und umfasst ein Kondensatormodul mit mindestens einem Kondensatorelement; ein Halbleitermodul mit mindestens zwei Schaltelementen, die im oberen Teil und im unteren Teil in Reihe geschaltet sind und von der Stromquelle zugeführten Strom umwandeln; und einen Kühler, der das Halbleitermodul kühlt. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung umfasst ferner Stromschienen, die erste leitfähige Platten, die mit einem Anschluss des Kondensatorelements verbunden sind, und zweite leitfähige Platten, die mit Anschlüssen einer Vielzahl von Halbleitermodulen verbunden sind, integral verbinden.
Die WO 2020 / 126 316 A1 offenbart eine niederinduktive Verbindungsvorrichtung zum Verbinden eines Halbleitermoduls mit einem Zwischenkreiskondensator, umfassend mindestens einen ersten Kontaktbereich und einen dem ersten Kontaktbereich gegenpoligen zweiten Kontaktbereich, die eingerichtet sind, das Halbleitermodul zu kontaktieren, mindestens einen dem ersten Kontaktbereich gleichpoligen dritten Kontaktbereich und einen dem dritten Kontaktbereich gegenpoligen vierten Kontaktbereich, die eingerichtet sind, den Zwischenkreiskondensator zu kontaktieren, mindestens einen ersten Verbindungsbereich, der eingerichtet ist, den ersten Kontaktbereich und den dritten Kontaktbereich miteinander zu verbinden, mindestens einen zweiten Verbindungsbereich, der eingerichtet ist, den zweiten Kontaktbereich und den vierten Kontaktbereich miteinander zu verbinden, wobei der erste Verbindungsbereich und der zweite Verbindungsbereich jeweils als getrennte planare Busbar ausgebildet ist.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, Stromschienen umfassende leistungselektronische Vorrichtungen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen, die während des Zusammenbaus der Vorrichtung auftretende mechanische Spannungen und daraus resultierende Rissbildungen in den Komponenten der Vorrichtung vermeiden und kein spezielles Werkzeug für den Fügeprozess der Komponenten erfordern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Gegenstand der Erfindung ist eine leistungselektronische Vorrichtung, welche ein erstes leistungselektronisches Bauteil und ein zweites leistungselektronisches Bauteil umfasst, die über mindestens eine Stromschiene miteinander verbunden sind, die aus einer an dem ersten leistungselektronischen Bauteil angeordneten ersten Kontaktlasche und einer an dem zweiten leistungselektronischen Bauteil angeordneten zweiten Kontaktlasche gebildet ist. Erfindungsgemäß ist mindestens eine der beiden Kontaktlaschen, die erste und/oder die zweite Kontaktlasche als Federkontakt ausgebildet ist und ein Endbereich des Federkontakts drückt bei der Bildung der mindestens einen Stromschiene gegen die jeweils andere Kontaktlasche und bildet einen Linienkontakt zwischen der ersten Kontaktlasche und der entsprechenden zweiten Kontaktlasche aus. Der Endbereich des Federkontakts ist gegenüber der jeweils anderen Kontaktlasche konvex gekrümmt.
Erfindungsgemäß wird zur elektrischen Verbindung zweier leistungselektronischer Bauteile, die jeweils mindestens eine Kontaktlasche aufweisen, bei der Bildung einer Stromschiene aus zwei einander zugeordneten Kontaktlaschen der beiden Bauteile mindestens eine der beteiligten Kontaktlaschen als Federkontakt ausgeführt, der einen gegenüber der anderen Kontaktlasche konvex gekrümmten Endbereich aufweist. Der Federkontakt erlaubt eine Belastungsminimierung für die Stromschienengeometrie und einen optimierten Fügevorgang der Stromschienen. Der Federkontakt kann die Toleranzen der Bauteilabmessungen ohne zusätzliches Werkzeug durch eine Überdeckung während der Bauteilfixierung automatisch ausgleichen. Durch den konvex gekrümmten Endbereich des Federkontakts wird über alle Toleranzlagen zuverlässig ein Linienkontakt zwischen den beiden Fügepartnern ausgebildet.
Der Endbereich des Federkontakts weist eine gegenüber der anderen bei der Bildung der Stromschiene beteiligten Kontaktlasche konvexe Krümmung auf. In einer Ausführungsform weist der Endbereich des Federkontakts die Form einer Kreislinie auf. In einer anderen Ausführungsform weist der Endbereich des Federkontakts eine elliptische Krümmung auf. In wieder einer anderen Ausführungsform weist der Endbereich des Federkontakts eine sinusförmige Krümmung auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kontaktfeder auf der Innenseite der konvexen Krümmung des Endbereichs in dem Bereich des Linienkontakts eine Markierung auf. In einer speziellen Ausführungsform ist die Markierung eine Kerbe. Die Kerbe kann beispielsweise im Stanzprozess der Kontaktfeder eingebracht werden. Durch die Markierung kann der Bereich, an dem die beiden Kontaktlaschen verbunden werden sollen, besser kenntlich gemacht werden, z. B. für eine Bilderkennung in einem Laserschweißprozess zur Verbindung der Kontaktlaschen.
In einer Ausführungsform der leistungselektronischen Vorrichtung sind die erste Kontaktlasche und die zweite Kontaktlasche entlang des Linienkontakts dauerhaft miteinander verbunden. In einer weiteren Ausführungsform weisen die erste Kontaktlasche und die zweite Kontaktlasche entlang des Linienkontakts eine Schweißverbindung auf. In einer anderen Ausführungsform weisen die erste Kontaktlasche und die zweite Kontaktlasche entlang des Linienkontakts eine Lötverbindung auf. In wieder einer anderen Ausführungsform weisen die erste Kontaktlasche und die zweite Kontaktlasche entlang des Linienkontakts eine elektrisch leitende Klebeverbindung auf.
In einer Ausführungsform umfasst die leistungselektronische Vorrichtung eine Kommutierungszelle eines Inverters. In einer Ausführungsform umfasst das erste leistungselektronische Bauteil eine Leistungsbox mit drei Halbbrücken und das zweite leistungselektronische Bauteil umfasst mindestens einen Zwischenkreiskondensator. Prinzipiell kann die leistungselektronische Vorrichtung jedoch beliebige leistungselektronische Schaltungen und Bauteile umfassen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Verbinden eines ersten elektronischen Bauteils und eines zweiten elektronischen Bauteils über mindestens eine Stromschiene. Das erste elektronische Bauteil und das zweite elektronische Bauteil weisen jeweils einen Bauteilkörper und wenigstens eine von dem Bauteilkörper abstehende Kontaktlasche auf, die dafür eingerichtet sind, einander zu kontaktieren, wenn das erste elektronische Bauteil und das zweite elektronische Bauteil miteinander verbunden werden. Mindestens eine der beiden Kontaktlaschen, die erste Kontaktlasche und/oder die zweite Kontaktlasche, ist als Federkontakt ausgebildet und ein Endbereich des Federkontakts ist gegenüber der jeweils anderen Kontaktlasche konvex gekrümmt. In einer Ausführungsform weist der Endbereich des Federkontakts die Form einer Kreislinie auf.
Bei dem Verfahren zum Verbinden eines ersten elektronischen Bauteils und eines zweiten elektronischen Bauteils über mindestens eine Stromschiene wird aus den Kontaktlaschen der beiden Bauteile mindestens eine Stromschiene gebildet. Hierfür werden das erste elektronische Bauteil und das zweite elektronische Bauteil in eine Endposition gebracht, in der sich eine Kontaktlasche des ersten elektronischen Bauteils und eine Kontaktlasche des zweiten elektronischen Bauteils berühren und einen Linienkontakt zwischen den Kontaktlaschen ausbilden. Anschließend werden die Kontaktlasche des ersten elektronischen Bauteils und die Kontaktlasche des zweiten elektronischen Bauteils entlang des Linienkontakts dauerhaft miteinander verbunden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Kontaktlasche des ersten elektronischen Bauteils und die Kontaktlasche des zweiten elektronischen Bauteils entlang des Linienkontakts miteinander verschweißt. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Kontaktlaschen mittels eines Laserstrahls miteinander verschweißt. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens werden die Kontaktlasche des ersten elektronischen Bauteils und die Kontaktlasche des zweiten elektronischen Bauteils entlang des Linienkontakts miteinander verlötet. In wieder einer anderen Ausführungsform des Verfahrens werden die Kontaktlasche des ersten elektronischen Bauteils und die Kontaktlasche des zweiten elektronischen Bauteils mittels eines leitfähigen Klebers entlang des Linienkontakts miteinander verklebt.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, über alle Toleranzlagen der elektrisch zu verbindenden Module zuverlässig einen Linienkontakt zwischen den beiden Fügepartnern herzustellen, ohne dass ein spezielles Werkzeug für den Füge- und Schweißprozess benötigt wird. Toleranzen in den Abmessungen der Module werden bei der Bauteilfixierung automatisch ausgeglichen. Die Position des Linienkontakts kann zuverlässig erkannt und geschweißt werden. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Seitenansicht der in 1 dargestellten Vorrichtung.

1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Bei der abgebildeten Vorrichtung 100 handelt es sich um die Kommutierungszelle eines Inverters. Gezeigt ist ein Ausschnitt der Vorrichtung 100 mit einer Leistungsbox 10 und einem Zwischenkreiskondensator 20. Zur Herstellung elektrischer Verbindungen weist die Leistungsbox 10 Kontaktfedern 11, 12, 13 auf, am Zwischenkreiskondensator 20 sind entsprechende Kontaktlaschen 21, 22, 23 vorgesehen, die an elektrische Leitungen 25, 26 angeschlossen sind, die ins Innere des Zwischenkreiskondensators 20 führen. Über die Kontaktfedern 11, 12, 13 und die entsprechenden Kontaktlaschen 21, 22, 23 werden elektrisch leitende Verbindungen 31, 32, 33 zwischen der Leistungsbox 10 und dem Zwischenkreiskondensator 20 hergestellt. 2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100.
Die Kontaktfedern 11, 12, 13 sind auf der einen Seite mit den Halbbrücken der Leistungsbox 10 verbunden (z. B. mittels Laserschweißen). In den Zeichnungen ist die Verbindungsstelle 15 der Kontaktfeder 11 abgebildet, die Verbindungsstellen der Kontaktfeder 12 und 13 sind in der Zeichnung nicht sichtbar. Die Verbindungsstelle 15 kann sich auf der Oberfläche des leistungselektronischen Bauteils 10 befinden oder im Inneren des Bauteils 10 angeordnet und beispielsweise von einer Eingussmasse umhüllt sein.
Die Kontaktfedern 11, 12, 13 sind so ausgelegt, dass sie über alle Toleranzlagen zuverlässig einen Linienkontakt 30 zwischen den beiden Fügepartnern (Kontaktfeder 11 und Kontaktlasche 21, Kontaktfeder 12 und Kontaktlasche 22, sowie Kontaktfeder 13 und Kontaktlasche 23) herstellen. Hierzu wird kein zusätzliches Fügewerkzeug benötigt. Wie in 2 am Beispiel der Kontaktfeder 11 illustriert, verformt sich die Kontaktfeder 11 aus ihrer Konstruktionslage 11a in eine Endlage 11b, um Bauteiltoleranzen auszugleichen und einen Linienkontakt 30 zwischen Kontaktfeder 11 und Kontaktlasche 21 herzustellen.
Wie in 2 angedeutet, kann durch einen von einem Laser 42 erzeugten Laserstrahl 41 eine dauerhafte Verbindung zwischen Kontaktfeder 11 und Kontaktlasche 21 entlang des Linienkontakts 30 erzeugt werden, so dass eine Stromschiene 31 gebildet wird. Durch die Ausführung des beim Schweißen oben liegenden Endbereichs 16 der Kontaktfeder 11 als Kreisbogen kann die Position des Linienkontakts 30 immer erkannt und zuverlässig verschweißt werden. Der zu schweißende Bereich kann zusätzlich z. B. mittels einer Kerbe (nicht dargestellt), welche im Stanzprozess der Kontaktfeder 11, 12, 13 eingebracht wird, besser kenntlich gemacht werden, z. B. für eine Bilderkennung in einem Laserschweißprozess.
Bezugszeichenliste

10: Leistungsbox
11: Kontaktfeder
11 a: Kontaktfeder in Konstruktionslage
11b: Kontaktfeder in Endlage
12: Kontaktfeder
13: Kontaktfeder
15: Verbindungsstelle
16: Endbereich
20: Zwischenkreiskondensator
21: Kontaktlasche
22: Kontaktlasche
23: Kontaktlasche
25: elektrische Leitung
26: elektrische Leitung
30: Kontaktlinie
31: Stromschiene
32: Stromschiene
33: Stromschiene
41: Laserstrahl
42: Laser
100: Kommutierungszelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020109500 A1 [0004]
JP 2012010426 A [0005]

Claims

Leistungselektronische Vorrichtung (100), welche ein erstes leistungselektronisches Bauteil (10) und ein zweites leistungselektronisches Bauteil (20) umfasst, die über mindestens eine Stromschiene (31, 32, 33) miteinander verbunden sind, die aus einer an dem ersten leistungselektronischen Bauteil (10) angeordneten ersten Kontaktlasche (11, 12, 13) und einer an dem zweiten leistungselektronischen Bauteil (20) angeordneten zweiten Kontaktlasche (21, 22, 23) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktlasche (11, 12, 13) und/oder die zweite Kontaktlasche (21, 22, 23) als Federkontakt ausgebildet ist und bei der Bildung der mindestens einen Stromschiene (31, 32, 33) ein Endbereich (16) des Federkontakts gegen die jeweils andere Kontaktlasche (11, 12, 13, 21, 22, 23) drückt und einen Linienkontakt (30) zwischen der ersten Kontaktlasche (11, 12, 13) und der entsprechenden zweiten Kontaktlasche (21, 22, 23) ausbildet, wobei der Endbereich (16) gegenüber der jeweils anderen Kontaktlasche (11, 12, 13, 21, 22, 23) konvex gekrümmt ist.
Leistungselektronische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, worin der Endbereich (16) des Federkontakts die Form einer Kreislinie aufweist.
Leistungselektronische Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, worin die erste Kontaktlasche (11, 12, 13) und die zweite Kontaktlasche (21, 22, 23) entlang des Linienkontakts (30) dauerhaft miteinander verbunden sind.
Leistungselektronische Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, worin die erste Kontaktlasche (11, 12, 13) und die zweite Kontaktlasche (21, 22, 23) entlang des Linienkontakts (30) eine Schweißverbindung aufweisen.
Leistungselektronische Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, worin die erste Kontaktlasche (11, 12, 13) und die zweite Kontaktlasche (21, 22, 23) entlang des Linienkontakts (30) eine Lötverbindung aufweisen.
Leistungselektronische Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, worin die erste Kontaktlasche (11, 12, 13) und die zweite Kontaktlasche (21, 22, 23) entlang des Linienkontakts (30) eine elektrisch leitende Klebeverbindung aufweisen.
Leistungselektronische Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche eine Kommutierungszelle eines Inverters umfasst.
Leistungselektronische Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, worin das erste leistungselektronische Bauteil (10) eine Leistungsbox mit drei Halbbrücken und das zweite leistungselektronische Bauteil (20) mindestens einen Zwischenkreiskondensator umfasst.
Verfahren zum Verbinden eines ersten elektronischen Bauteils (10) und eines zweiten elektronischen Bauteils (20) über mindestens eine Stromschiene (31, 32, 33), wobei das erste elektronische Bauteil (10) und das zweite elektronische Bauteil (20) jeweils einen Bauteilkörper und wenigstens eine von dem Bauteilkörper abstehende Kontaktlasche (11, 12, 13, 21, 22, 23) aufweisen, und wobei die wenigstens eine von dem Bauteilkörper des ersten elektronischen Bauteils (10) abstehende Kontaktlasche (11, 12, 13) und die wenigstens eine von dem Bauteilkörper des zweiten elektronischen Bauteils (20) abstehende Kontaktlasche (21, 22, 23) dafür eingerichtet sind, einander zu kontaktieren, wenn das erste elektronische Bauteil (10) und das zweite elektronische Bauteil (20) verbunden werden, und wobei die Kontaktlasche (11, 12, 13) des ersten elektronischen Bauteils (10) und/oder die Kontaktlasche (21, 22, 23) des zweiten elektronischen Bauteils (20) als Federkontakt ausgebildet ist und ein Endbereich (16) des Federkontakts gegenüber der jeweils anderen Kontaktlasche (11, 12, 13, 21, 22, 23) konvex gekrümmt ist, bei welchem Verfahren das erste elektronische Bauteil (10) und das zweite elektronische Bauteil (20) in eine Endposition gebracht werden, in der sich die Kontaktlasche (11, 12, 13) des ersten elektronischen Bauteils (10) und die Kontaktlasche (21, 22, 23) des zweiten elektronischen Bauteils (20) berühren und ein Linienkontakt (30) zwischen der Kontaktlasche (11, 12, 13) des ersten elektronischen Bauteils (10) und der Kontaktlasche (21, 22, 23) des zweiten elektronischen Bauteils (20) gebildet wird, und anschließend die Kontaktlasche (11, 12, 13) des ersten elektronischen Bauteils (10) und die Kontaktlasche (21, 22, 23) des zweiten elektronischen Bauteils (20) entlang des Linienkontakts (30) dauerhaft miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Kontaktlasche (11, 12, 13) des ersten elektronischen Bauteils (10) und die Kontaktlasche (21, 22, 23) des zweiten elektronischen Bauteils (20) entlang des Linienkontakts (30) durch einen Laserstrahl (41) miteinander verschweißt werden.