DE102022200622A1

DE102022200622A1 - Leistungselektronik

Info

Publication number: DE102022200622A1
Application number: DE102022200622.4A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Pessl; Josef Schadauer; Pramod Kumar-Prasobhu
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2042-01-21
Also published as: DE102022200622B4; WO2023138989A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik (1) mit einer Elektrokomponente (2), von der mindestens ein Stromschienenpaar (5) ausgeht, das eine erste Stromschiene (6) und eine zweite Stromschiene (7) umfasst, wobei die Stromschienen (6,7) jeweils einen aus der Elektrokomponente (2) herausragenden flächigen Endabschnitt (11,12) aufweisen.
Um die Leistungselektronik (1) funktionell zu verbessern, weisen die flächigen Endabschnitte (11,12) der Stromschienen (6,7) einander zugewandte Flächen (15,16) auf, die parallel zueinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik mit einer Elektrokomponente, von der mindestens ein Stromschienenpaar ausgeht, das eine erste Stromschiene und eine zweite Stromschiene umfasst, wobei die Stromschienen jeweils einen aus der Elektrokomponente herausragenden flächigen Endabschnitt aufweisen.
Aus der deutschen Patentschrift DE 10 2009 028 907 B4 ist eine Sammelschienenanordnung zur Verwendung eines Leistungsmoduls mit einem Kondensatormodul bekannt, wobei eine Sammelschiene Paare von Laschen beinhaltet, wobei ein Laschenpaar eine positive und eine negative Lasche umfasst, wobei die Laschenpaare entlang gegenüberliegender Seiten einer weiteren Sammelschiene symmetrisch angeordnet sind. Aus der deutschen Patentschrift DE 10 2009 046 914 B4 ist eine Verbindungsanordnung zur elektrischen Kopplung eines ersten Ausgangsanschlusses einer ersten Sammelschiene und eines zweiten Ausgangsanschlusses einer zweiten Sammelschiene mit einem ersten und einem zweiten, an einem Leistungsmodul vorgesehenen Kontakt bekannt, wobei eine Brückenelektrode drei Laschen aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leistungselektronik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe ist durch eine Leistungselektronik mit einer Elektrokomponente gelöst, von der mindestens ein Stromschienenpaar ausgeht, das eine erste Stromschiene und eine zweite Stromschiene umfasst, wobei die Stromschienen jeweils einen aus der Elektrokomponente herausragenden flächigen Endabschnitt aufweisen, wobei die flächigen Endabschnitte der Stromschienen einander zugewandte Flächen aufweisen, die parallel zueinander angeordnet sind. Die erste Stromschiene ist zum Beispiel elektrisch positiv, während die zweite Stromschiene elektrisch negativ ist. Die Stromschienen mit den flächigen Endabschnitten sind zum Beispiel aus einem Kupferblech gebildet. Die flächigen Endabschnitte haben zum Beispiel die Gestalt von Rechtecken. Dabei haben die flächigen Endabschnitte vorteilhaft im Wesentlichen die gleiche Gestalt. Durch die parallele Anordnung der einander zugewandten flächigen Endabschnitte kann auf einfache Art und Weise ein niederinduktiver Übergang von der Elektrokomponente über die Stromschienen zu einer weiteren Komponente der Leistungselektronik, zum Beispiel einem Powermodul, realisiert werden.
Die flächigen Endabschnitte der Stromschienen sind vorteilhaft senkrecht zu einer Begrenzungsfläche der Elektrokomponente angeordnet. Die Stromschienen sind mit ihren flächigen Endabschnitten vorteilhaft parallel zueinander in einem geringen Abstand aus der Begrenzungsfläche der Elektrokomponente herausgeführt. Dadurch können unerwünschte Verluste im Betrieb der Leistungselektronik reduziert werden.
Die flächigen Endabschnitte der Stromschienen sind vorteilhaft in einem Abstand voneinander angeordnet, der kleiner als Abmessungen der flächigen Endabschnitte der Stromschienen senkrecht zu der Begrenzungsfläche der Elektrokomponente ist. Durch den geringen Abstand zwischen den flächigen Endabschnitten der Stromschienen können die Verluste im Betrieb der Leistungselektronik weiter reduziert werden.
Zwischen den flächigen Endabschnitten der Stromschienen ist vorteilhaft ein Isolierkörper angeordnet. Der Isolierkörper hat zum Beispiel die Gestalt einer rechteckigen Isolierplatte und ist vorzugsweise mittig zwischen den flächigen Endabschnitten der Stromschienen angeordnet. Durch den Isolierkörper können zwischen den flächigen Endabschnitten erforderliche Luft- und/oder Kriechstrecken sichergestellt werden.
Die Elektrokomponente umfasst vorteilhaft mindestens einen Zwischenkreiskondensator. Durch die beschriebene Anordnung und Gestaltung der flächigen Endabschnitte der Stromschienen können Leistungshalbleitermodule höchst effektiv an den Zwischenkreiskondensator angebunden werden.
Die flächigen Endabschnitte sind vorteilhaft elektrisch leitend mit flächigen Kontaktabschnitten eines Leistungsmoduls verbunden. Durch die beanspruchte Anordnung und Gestalt der flächigen Endabschnitte in Kombination mit den flächigen Kontaktabschnitten des Leistungsmoduls können kurze und effiziente Strompfade realisiert werden.
Die flächigen Kontaktabschnitte des Leistungsmoduls sind vorteilhaft senkrecht zu den flächigen Endabschnitten der Elektrokomponente angeordnet. Die flächigen Kontaktabschnitte sind besonders vorteilhaft in einer Ebene angeordnet. Dadurch wird die Anbindung des Leistungsmoduls an den Zwischenkreiskondensator vereinfacht. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die flächigen Kontaktabschnitte parallel zu den flächigen Endabschnitten angeordnet.
Die flächigen Endabschnitte der Elektrokomponente weisen gemäß einer weiteren Ausführungsform Randbereiche auf, die an den flächigen Kontaktabschnitten des Leistungsmoduls anliegen und die stoffschlüssig mit den flächigen Kontaktabschnitten des Leistungsmoduls verbunden sind. So werden vorteilhaft Linienkontakte zwischen den flächigen Endabschnitten der Elektrokomponente und den flächigen Kontaktabschnitten des Leistungsmoduls geschaffen. Entlang der Linienkontakte sind die flächigen Endabschnitte der Elektrokomponente vorteilhaft mit den flächigen Kontaktabschnitten des Leistungsmoduls verschweißt. Zum Verschweißen werden vorteilhaft Laser verwendet.
Die flächigen Endabschnitte der Elektrokomponente weisen vorteilhaft abgewinkelte Randbereiche auf, die an den flächigen Kontaktabschnitten des Leistungsmoduls anliegen und die stoffschlüssig mit den flächigen Kontaktabschnitten des Leistungsmoduls verbunden sind. So können die Kontaktflächen effektiv vergrößert werden.
Die Stromschienen weisen vorteilhaft jeweils einen zusätzlichen aus der Elektrokomponente herausragenden flächigen Zusatzabschnitt auf, der parallel zu dem flächigen Endabschnitt der jeweiligen Stromschiene angeordnet ist. Dabei sind die flächigen Endabschnitte der Stromschienen vorteilhaft in einem geringeren Abstand zueinander angeordnet als die flächigen Zusatzabschnitte zu den flächigen Endabschnitten der jeweiligen Stromschiene. Die flächigen Zusatzabschnitte haben vorteilhaft im Wesentlichen die gleiche Gestalt wie die flächigen Endabschnitte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die flächigen Zusatzabschnitte durch einen Verbindungsabschnitt mit dem flächigen Endabschnitt der jeweiligen Stromschiene verbunden. Die Verbindung kann einstückig ausgeführt sein.
Die beanspruchte Leistungselektronik wird im Folgenden mit Bezug auf sechs Figuren ausführlich beschrieben. Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung einer Leistungselektronik mit einer Elektrokomponente, die über ein Stromschienenpaar an ein Leistungsmodul elektrisch angebunden ist, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 in einer Vorderansicht des Stromschienenpaars;
3 eine ähnliche Darstellung wie in 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
4 einen vergrößerten Ausschnitt aus 3 in einer Vorderansicht des Stromschienenpaars; und die
5 und 6 ähnliche Darstellungen wie in den 1 und 3 gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.

In den 1 bis 6 ist eine Leistungselektronik 1 in verschiedenen Ansichten und insgesamt vier Ausführungsbeispielen dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den 1 bis 6 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der Ausführungsbeispiele beschrieben. Danach wird auf deren Unterschiede eingegangen.
Die Leistungselektronik 1 umfasst eine Elektrokomponente 2. Bei der Elektrokomponente 2 handelt es sich zum Beispiel um einen Zwischenkreiskondensator.
Die Leistungselektronik 1 umfasst des Weiteren ein Leistungsmodul 10. Das Leistungsmodul 10 ist über ein Stromschienenpaar 5 elektrisch mit der Elektrokomponente 2 verbunden.
Die Elektrokomponente 2 umfasst eine ebene Begrenzungsfläche 4. Das Stromschienenpaar 5 umfasst zwei Stromschienen 6, 7. Flächige Endabschnitte 11, 12 der Stromschienen 6, 7 sind senkrecht zu der Begrenzungsfläche 4 aus der Elektrokomponente 2 herausgeführt.
Die flächigen Endabschnitte 11, 12 der Stromschienen 6, 7 haben die Gestalt von Rechtecken und sind zum Beispiel aus einem Kupferblechmaterial gebildet.
Die flächigen Endabschnitte 11, 12 der Stromschienen 6, 7 sind an ihren Endbereichen mit flächigen Kontaktabschnitten 8, 9 des Leistungsmoduls 10 verbunden. Die flächigen Kontaktabschnitte 8, 9 sind aus dem Leistungsmodul 10 herausgeführt und erstrecken sich parallel zu der Begrenzungsfläche 4 der Elektrokomponente 2 und somit senkrecht zu den flächigen Endabschnitten 11, 12.
Ein Isolierkörper 13 ist zwischen den flächigen Endabschnitten 11, 12 der Stromschienen 6, 7 angeordnet. Der Isolierkörper 13 hat zum Beispiel die Gestalt einer Isolierplatte oder Isoliertafel, deren Größe von einem Abstand zwischen den flächigen Endabschnitten 11, 12 der Stromschienen 6, 7 abhängt. Je kleiner der Abstand zwischen den Endabschnitten 11, 12 der Stromschienen 6, 7 ist, desto größer ist der Isolierkörper 13.
In den 1 und 2 nimmt der Isolierkörper 13 einen Raum oder Abstand zwischen den flächigen Endabschnitten 11, 12 der Stromschienen 6, 7 vollständig ein. Eine Abmessung des Isolierkörpers 13 senkrecht zu und ausgehend von der Begrenzungsfläche 4 ist größer als die entsprechenden Abmessungen der flächigen Endabschnitte 11, 12 der Stromschienen 6, 7.
In den 3 bis 6 sind die flächigen Endabschnitte 11, 12 der Stromschienen 6, 7 weiter voneinander beabstandet als in 1. Der Isolierkörper 13 ist entsprechend kleiner ausgeführt.
In den 1, 2; 3, 4; 5 und 6 sind vier Ausführungsbeispiele der Leistungselektronik 1 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die aus der Begrenzungsfläche 4 herausragenden Endabschnitte 11, 12 der Stromschienen 6, 7, die auch als Leiter bezeichnet werden können, sind bewusst so angeordnet, dass Flächen 15, 16 der Endabschnitte 11, 12 einander zugewandt sind.
Durch diese Anordnung kann der Abstand zwischen den Leitern beziehungsweise Stromschienen 6, 7 im Bereich der Endabschnitte 11, 12 und somit ein Induktivitätswert im Betrieb der Leistungselektronik 1 effektiv reduziert werden. So kann die Anbindung des Leistungsmoduls 10, das auch als Leistungshalbleitermodul bezeichnet werden kann, an die vorzugsweise als Zwischenkreiskondensator 3 ausgeführte Elektrokomponente 2 im Hinblick auf eine niederinduktive Anbindung wirksam optimiert werden.
Die Strompfade zwischen der Elektrokomponente 2 und dem Leistungsmodul 10 können in der gezeigten Leistungselektronik 1 niederinduktiver gestaltet werden als im Stand der Technik.
Durch die flächige Parallelführung der Leiter 6, 7 in dem Zwischenkreiskondensator 3 bis unmittelbar zur Anbindungsstelle zum Leistungsmodul 10 kann die Induktivität im Betrieb der Leistungselektronik 1 wirksam verringert werden. Durch die damit verbundenen geringeren Verluste wird eine höhere Ausnutzung des Leistungsmoduls 10 ermöglicht. Dadurch wiederum werden schnellere Schaltvorgänge mit der Leistungselektronik 1 ermöglicht.
Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Leistungselektronik 1 sind die Endabschnitte 11, 12 der Stromschienen 6, 7 praktisch nur durch den dazwischen angeordneten Isolierkörper 13 voneinander beabstandet. Dabei nimmt der Isolierkörper 13 mehr als den kompletten Zwischenraum zwischen den Endabschnitten 11, 12 ein.
In 2 sieht man, dass sich der Isolierkörper 13 nach oben über die Endabschnitte 11, 12 der Stromschienen 6, 7 hinaus erstreckt. An ihren oberen Enden weisen die Endabschnitte 11, 12 abgewinkelte Randbereiche 21, 22 auf, die eine flächige Kontaktierung mit den Kontaktabschnitten 8, 9 des Leistungsmoduls 10 ermöglichen. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den abgewinkelten Randbereichen 21, 22 und den Kontaktabschnitten 8, 9 erfolgt vorzugsweise durch Laserschweißen.
Bei dem in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die flächigen Endabschnitte 11, 12 der Stromschienen 6, 7 etwas weiter voneinander beabstandet als bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Deshalb kann der Isolierkörper 13 deutlich kleiner ausgeführt werden.
Die Kontaktierung zwischen den Endabschnitten 11, 12 und den Kontaktabschnitten 8, 9 sieht ebenfalls anders aus als bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel. In 4 sieht man, dass nach oben gerichtete freie Endbereiche der Endabschnitte 11, 12 unten an den einander zugewandten Enden der Kontaktabschnitte 8, 9 anliegen. An den sich daraus ergebenden Linienkontakten sind die Endabschnitte 11, 12 vorzugsweise stoffschlüssig, zum Beispiel durch Laserschweißen, elektrisch leitend mit den Kontaktabschnitten 8, 9 verbunden.
Bei den in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Leiter oder Stromschienen 6, 7 nicht nur mit jeweils einem Endabschnitt 11, 12 sondern zusätzlich mit einem Zusatzabschnitt 31, 32 aus der Begrenzungsfläche 4 der Elektrokomponente 2 herausgeführt. Die Zusatzabschnitte 31, 32 sind parallel zu den Endabschnitten 11, 12 und parallel zueinander angeordnet. Durch die Zusatzabschnitte 31, 32 wird die elektrische Kontaktierung zwischen den Stromschienen 6, 7 und den Kontaktabschnitten 8, 9 vereinfacht.
Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zusatzabschnitte 31, 32 zusätzlich durch jeweils einen Verbindungsabschnitt 41, 42 mit dem Endabschnitt 11, 12 der jeweiligen Stromschiene 6, 7 verbunden. Dadurch wird die Herstellung eines stabilen flächigen Kontakts zwischen den Stromschienen 6, 7 und den Kontaktabschnitten 8, 9 des Leistungsmoduls 10 vereinfacht.
Bezugszeichenliste

1: Leistungselektronik
2: Elektrokomponente
3: Zwischenkreiskondensator
4: Begrenzungsfläche
5: Stromschienenpaar
6: Stromschiene
7: Stromschiene
8: Kontaktabschnitt
9: Kontaktabschnitt
10: Leistungsmodul
11: Endabschnitt
12: Endabschnitt
13: Isolierkörper
15: Fläche
16: Fläche
21: abgewinkelter Randbereich
22: abgewinkelter Randbereich
31: Zusatzabschnitt
32: Zusatzabschnitt
41: Verbindungsabschnitt
42: Verbindungsabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009028907 B4 [0002]
DE 102009046914 B4 [0002]

Claims

Leistungselektronik (1) mit einer Elektrokomponente (2), von der mindestens ein Stromschienenpaar (5) ausgeht, das eine erste Stromschiene (6) und eine zweite Stromschiene (7) umfasst, wobei die Stromschienen (6,7) jeweils einen aus der Elektrokomponente (2) herausragenden flächigen Endabschnitt (11,12) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Endabschnitte (11,12) der Stromschienen (6,7) einander zugewandte Flächen (15,16) aufweisen, die parallel zueinander angeordnet sind.
Leistungselektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Endabschnitte (11,12) der Stromschienen (6,7) senkrecht zu einer Begrenzungsfläche (4) der Elektrokomponente (2) angeordnet sind.
Leistungselektronik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Endabschnitte (11,12) der Stromschienen (6,7) in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der kleiner als Abmessungen der flächigen Endabschnitte (11,12) der Stromschienen (6,7) senkrecht zu der Begrenzungsfläche (4) der Elektrokomponente (2) ist.
Leistungselektronik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den flächigen Endabschnitten (11,12) der Stromschienen (6,7) ein Isolierkörper (13) angeordnet ist.
Leistungselektronik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrokomponente (2) mindestens einen Zwischenkreiskondensator (3) umfasst.
Leistungselektronik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Endabschnitte (11,12) elektrisch leitend mit flächigen Kontaktabschnitten (8,9) eines Leistungsmoduls (10) verbunden sind.
Leistungselektronik nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Kontaktabschnitte (8,9) des Leistungsmoduls (10) senkrecht zu den flächigen Endabschnitten (11,12) der Elektrokomponente (2) angeordnet sind.
Leistungselektronik nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Endabschnitte (11,12) der Elektrokomponente (2) Randbereiche aufweisen, die an den flächigen Kontaktabschnitten (8,9) des Leistungsmoduls (10) anliegen und die stoffschlüssig mit den flächigen Kontaktabschnitten (8,9) des Leistungsmoduls (10) verbunden sind.
Leistungselektronik nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Endabschnitte (11,12) der Elektrokomponente (2) abgewinkelte Randbereiche (21,22) aufweisen, die an den flächigen Kontaktabschnitten (8,9) des Leistungsmoduls (10) anliegen und die stoffschlüssig mit den flächigen Kontaktabschnitten (8,9) des Leistungsmoduls (10) verbunden sind.
Leistungselektronik nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienen (6,7) einen zusätzlichen aus der Elektrokomponente (2) herausragenden flächigen Zusatzabschnitt (31,32) aufweisen, der parallel zu dem flächigen Endabschnitt (11,12) der jeweiligen Stromschiene (6,7) angeordnet ist.