DE102022123895A1

DE102022123895A1 - Verfahren zum Fügen einer Modulbank und Treiberplatine

Info

Publication number: DE102022123895A1
Application number: DE102022123895.4A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt Erfinder
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2024-03-21

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Fügen einer Modulbank (14) und einer Treiberplatine (15) zu einer Leistungszelle (10) mit den folgenden Merkmalen bereit: In die Modulbank (14) werden Verbindungselemente (21) eingebracht; eine Kraft wird dergestalt auf die Treiberplatine (15) ausgeübt, dass diese auf die Modulbank (14) aufgepresst wird; die Verbindungselemente (21) werden mit einer Quertraverse (20) verbunden; und das Ausüben der Kraft erfolgt mittels der Quertraverse (20), während die Verbindungselemente (21) als Führung dienen.Die Erfindung stellt ferner eine entsprechende Leistungszelle, einen Pulswechselrichter mit einer solchen Zelle sowie dessen Verwendung bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Modulbank und einer Treiberplatine zu einer Leistungszelle. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Leistungszelle, einen Pulswechselrichter mit einer solchen Zelle sowie dessen Verwendung.
Als Gate-, je nach Anwendung auch MOSFET-, IGBT- oder Halbbrücken-Treiber (gate driver) wird auf dem Gebiet der Halbleitertechnik jedwede diskrete oder integrierte elektronische Schaltung bezeichnet, welche Leistungstransistoren mit isolierter Gate-Elektrode ansteuert. Anwendungen finden derlei Treiberschaltungen in Stromrichtern und anderen Leistungsmodulen (power modules) nach dem Stand der Technik.
US2007278669A1 offenbart und beansprucht eine Halbleiterschaltungsanordnung, wobei ein Halbleitermodul mittels zumindest einer Schraube und einer Abdeckung an einer Leiterplatine befestigt wird und durch die Befestigung mit der Schraube gleichzeitig ein mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen Modulkontakten auf dem Halbleitermodul und zugehörigen Kontakten auf der Leiterplatine hergestellt wird. Die Schraubenlöcher verlaufen dabei mittig innerhalb des Halbleitermoduls, sodass die anliegende Schraubenkraft auf das Halbleitermodul einwirkt.
DE102006052620A1 offenbart und beansprucht ein Leistungsmodul und eine Leiterplatine, welche zwischen einem Kühlkörper und einer Presseinrichtung eingezwängt und miteinander mittels Druckkontaktelementen druckkontaktiert werden. Um eine optimale Abdichtung der Schaltungsanordnung zu gewährleisten, ist zwischen der Leiterplatine und der Grundfläche des Leistungsmoduls ein Abdichtflächenelement vorgesehen, das mit Ausnehmungen für die Druckkontaktelemente und Schrauben ausgebildet ist.
US2010091461A1 offenbart eine Montagestruktur für ein Leistungsmodul und einen Kühlkörper, wobei im Kühlkörper Schraubenlöcher angeordnet sind und somit das Leistungsmodul an den Kühlkörper geschraubt werden kann. Zudem umfasst der Kühlkörper Auswölbungen zur Aufnahme weiterer Schrauben zum Befestigen einer Leiterplatine oberhalb des Leistungsmoduls, welche dann mit dem Leistungsmodul kontaktiert wird.
US2022130740A1 offenbart und beansprucht ein Leistungsmodul, welches thermisch angepasste Stifte und Stützpfeiler aufweist, sodass das System aus Leistungsmodul und Leiterplatine über einen Temperaturbereich hinweg thermisch bewegt wird, die Verbindungspunkte nicht durch Kräfte beschädigt werden, die durch thermische Ausdehnung entstehen.
Die Erfindung stellt ein alternatives Verfahren zum Fügen einer Modulbank und einer Treiberplatine zu einer Leistungszelle, eine entsprechende Leistungszelle, einen Pulswechselrichter mit einer solchen Zelle sowie ein Verfahren zu dessen Verwendung gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Der erfindungsgemäße Ansatz fußt hierbei auf dem Grundgedanken, ein Verfahren zum Befestigen einer Leiterplatine (printed circuit board, PCB) auf einem Leistungshalbleitermodul zu schaffen, wobei an einem Kühlkörper des Leistungshalbleitermoduls Schrauben befestigt werden, an denen eine Quertraverse angebracht ist, und zwischen den Schrauben, der Quertraverse und dem Kühlkörper ein Kraftschluss hergestellt wird, über den die Leiterplatine auf Kontakte des Leistungshalbleitermoduls aufgepresst wird, ohne elektronische Bauteile oder den Kühlkörper des Leistungshalbleitermoduls mit einer Presskraft zu belasten. Ein Vorzug dieser Lösung liegt darin, dass die Schrauben während der Montage als Führung dienen und somit eine zielgerichtete Kraftaufbringung darstellbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann vorgesehen sein, nach dem Befestigen die Schrauben und Quertraverse zu entfernen und die Leiterplatine mittels weiterer Schrauben mit dem Leistungshalbleitermodul zu verbinden. Somit wird für die Montagevorrichtung kein zusätzlicher Bauraum oder Gewinde benötigt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt die perspektivische Ansicht eines Leistungsmodules.
2 zeigt die perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers.
3 zeigt die perspektivische Ansicht einer Modulbank.
4 zeigt die perspektivische Ansicht einer Leistungszelle in teiltransparenter Darstellung.
5 zeigt eine teilweise Seitenansicht der Leistungszelle gemäß 4.
6 zeigt eine 5 entsprechende Ansicht der Zelle vor der Montage einer Treiberplatine.
7 zeigt einen Schnitt der Treiberplatine vor dem Aufpressen auf die Modulbank.
8 zeigt einen 7 entsprechenden Schnitt der Platine nach dem Aufpressen.
9 zeigt eine 4 entsprechende Ansicht der Zelle vor der Montage der Treiberplatine.
10 zeigt eine 6 entsprechende Ansicht einer erfindungsgemäßen Leistungszelle vor der Montage einer Treiberplatine.
11 zeigt eine 10 entsprechende Ansicht der Zelle während der Montage der Treiberplatine.
12 zeigt eine 11 entsprechende Ansicht der Zelle nach der Montage.

Innerhalb der Leistungszelle eines beispielhaften Pulswechselrichters für batterieelektrische Fahrzeuge wandeln Leistungsmodule (11 - 1) den Gleichstrom der Traktionsbatterie in Wechselstrom für eine elektrische Maschine um. Ein Kühlkörper (12 - 2) aus Kupfer- und Aluminiumlegierungen mit Stiftrippen (pin fins) bildet gemäß dem Aufbau der 3 gemeinsam mit seiner Unterschale (13) den Modulkühler (12, 13) einer Modulbank (14).
Die Ansteuerung jedes Leistungsmodules (11) der in 4 in ihrer Gesamtheit dargestellten Leistungszelle (10) wird von einer Gate-Treiberplatine (15), ihre Kühlung indes vom den Modulkühler (12, 13 - 3) durchziehenden Kühlkanal (16) übernommen. Ein Kondensator (17) reduziert die Spannungsschwankungen innerhalb des Fahrzeug-Hochvoltnetzes und ist - in 5 deutlicher erkennbar - durch die aus Kunststoff gefertigte Unterschale (13) thermisch vom Kühlkörper (12) isoliert.
6 veranschaulicht ein beim Fügen der Modulbank (14) und Treiberplatine (15) auftretendes Problem. Letztere ist im Zuge ihrer Montage von oben mit den Leistungsmodulen (11) zu verbinden. Die Montagekraft wird dabei jedoch auf den Kühlkanal (16) und den Kondensator (17) übertragen. Deshalb müssen diese Bauteile (16, 17) nur für den Montageprozess sehr steif und stabil ausgeführt werden. Diese zusätzliche Steifigkeit erhöht die Komplexität und das Gewicht des Kondensators (17) und des Kühlkanals (16) enorm. Da die Unterschale (13) des Kühlkörpers aufgrund der thermischen Isolation zum Kondensator (17) hin aus Kunststoff besteht, ist diese besonders massiv ausgeführt, um ihr die besagte Steifigkeit zu verleihen.
Das anhand der 6 umrissene Problem wird dadurch verschärft, dass die Treiberplatine (15) in diesem Schritt über Presskontakte (18) mit den Leistungsmodulen (11) verbunden wird. Eine Zusammenschau der 7 und 8 lässt erahnen, dass die zur plastischen Verformung dieser Presskontakte (18) auf die Treiberplatine (15) aufzubringenden Montagekräfte sehr hoch sind.
Da bereits in vorausgehenden Schritten des Fügeverfahrens die Leistungsmodule (11) mit dem Kühlkanal (16 - 6) verbunden und anschließend die DC-Kontakte mit dem Kondensator (17) verschweißt werden, kann erst im letzten Arbeitsgang gemäß 9 die Treiberplatine (15) mit der Modulbank (14) verbunden werden. Somit muss die gesamte Montagekraft der Presskontakte (18) über den Kühlkanal (16) und den Kondensator (17) abgestützt werden.
Im Rahmen des in den 10 und 11 illustrierten Montagekonzeptes hingegen werden die Montagekräfte der Presskontakte (18) nicht auf die darunter liegenden Bauteile (13, 16, 17) übertragen. Insbesondere Kondensator (17) und Unterschale (13) des Modulkühlers (12, 13) können somit konstruktiv vereinfacht, ihr Gewicht und ihre Herstellungskosten gesenkt werden.
In den Kühlkörper (12) werden hierzu gemäß 10 mit einer Quertraverse (20) verbundene Verbindungsbolzen (21) eingebracht. Beim Aufpressen der Treiberplatine (15) gemäß 11 wird nun die Montagekraft an der Quertraverse (20) abgestützt. Somit ergibt sich ein geschlossener Kraftschluss zwischen Leistungsmodulen (11), Kühlkörper (12), Quertraverse (20) und Verbindungsbolzen (21), welcher die Bauteile (13, 16, 17) gleichermaßen entlastet.
Nach dem Aufpressen der Treiberplatine (15) wird die Montagevorrichtung (20, 21) wieder demontiert. Etwaige im Kühlkörper (12) zum Einschrauben der Verbindungsbolzen (21) vorgesehene Gewinde können im Rahmen der Endmontage der in 12 abgebildeten Leistungszelle (10) zur Verschraubung (19) der Treiberplatine (15) verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2007278669 A1 [0003]
DE 102006052620 A1 [0004]
US 2010091461 A1 [0005]
US 2022130740 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Fügen einer Modulbank (14) und einer Treiberplatine (15) zu einer Leistungszelle (10), mit folgenden Merkmalen: - in die Modulbank (14) werden Verbindungselemente (21) eingebracht und - eine Kraft wird dergestalt auf die Treiberplatine (15) ausgeübt, dass diese auf die Modulbank (14) aufgepresst wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Verbindungselemente (21) werden mit einer Quertraverse (20) verbunden und - das Ausüben der Kraft erfolgt mittels der Quertraverse (20), während die Verbindungselemente (21) als Führung dienen.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Modulbank (14) wird aus Leistungsmodulen (11) und einem Modulkühler (12, 13) aufgebaut und - die Verbindungselemente (21) werden in den Modulkühler (12, 13) eingebracht.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Modulkühler (12, 13) wird hergestellt, indem ein Kühlkörper (12) mit einer Unterschale (13) versehen wird und - die Verbindungselemente (21) werden in den Kühlkörper (12) eingebracht.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - beim Aufbauen der Modulbank (14) werden die Leistungsmodule (11) mit einem Kühlkanal (16) verbunden, - nach dem Verbinden wird die Modulbank (14) mit einem Kondensator (17) verschweißt und - das Aufpressen der Treiberplatine (15) erfolgt nach dem Verschweißen der Modulbank (14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - beim Aufpressen wird die Treiberplatine (15) über Presskontakte (18) mit den Leistungsmodulen (11) verbunden und - beim Verbinden der Treiberplatine (15) werden die Presskontakte (18) durch die ausgeübte Kraft plastisch verformt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Einbringen der Verbindungselemente (21) erfolgt mittels Gewinden im Kühlkörper (12), - nach dem Aufpressen der Treiberplatine (15) wird die Quertraverse (20) demontiert, indem die Verbindungselemente (21) gelöst werden, und - nach dem Demontieren der Quertraverse (20) werden die Gewinde für eine Verschraubung (19) zwischen dem Kühlkörper (12) und der Treiberplatine (15) verwendet.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Verbindungselemente (21) sind in den Kühlkörper (12) eingeschraubte Gewindestangen oder Bolzen (21).
Leistungszelle (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - eine aus Leistungsmodulen (11) und einem Modulkühler (12, 13) mit einem Kühlkörper (12) bestehende Modulbank (14), - eine auf die Modulbank (14) aufgepresste Treiberplatine (15), - einen den Modulkühler (12, 13) durchziehenden Kühlkanal (16), - einen mit der Modulbank (14) verschweißten Kondensator (17), - die Treiberplatine (15) mit den Leistungsmodulen (11) verbindende Presskontakte (18) und - eine abseits der Presskontakte (18) hergestellte Verschraubung (19) des Kühlkörpers (12) mit der Treiberplatine (15).
Pulswechselrichter mit einer Leistungszelle (10) nach Anspruch 8.
Verwendung eines Pulswechselrichters nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Leistungsmodule (11) erzeugen eine Wechselspannung, - die Treiberplatine (15) steuert die Leistungsmodule (11) an, - der Kühlkanal (16) kühlt die Leistungsmodule (11) und - der Kondensator (17) glättet die Wechselspannung.