DE102022204275A1

DE102022204275A1 - Stromtragende Leistungselektronikanbindungsvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer derartigen Leistungselektronikanbindungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102022204275A1
Application number: DE102022204275.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Uecker; Christopher Schöpp
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2022-05-02
Filing date: 2022-05-02
Publication date: 2023-06-07

Abstract

Es ist eine stromtragende Leistungselektronikanbindungsvorrichtung (10) offenbart, aufweisend: eine Leistungselektronikkomponente (14), und eine Stromschiene (12) mit einer Unterseite (18) und einer der Unterseite (18) gegenüberliegenden Oberseite (16), wobei die Unterseite (18) in Kontakt mit einer Anbindungsfläche (20) der Leistungselektronikkomponente (14) ist, die Oberseite (16) eine Vertiefung (22) aufweist, die Stromschiene (12) im Bereich der Vertiefung (22) mit der Leistungselektronikkomponente (14) verschweißt ist, und die Vertiefung (22) derart ausgebildet ist, dass eine sich in der Vertiefung (22) befindliche Schweißnaht (24) nicht über die Oberseite (16) der Stromschiene (12) hinausragt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanbindungsvorrichtung, insbesondere eine stromtragende Leistungselektronikanbindungsvorrichtung, wie sie häufig im Automobilbereich notwendig ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Leistungselektronikanbindungsvorrichtung
Stromtragende Verbindungen zu Leistungselektronikkomponenten wie beispielsweise Relais, Pyrofuses und dergleichen werden üblicherweise über sogenannte Stromschienen hergestellt. Üblicherweise wird die Stromschiene über eine Schraubverbindung mit der Leistungselektronikkomponenten verbunden. Nachteilig daran ist, dass eine unterschiedliche Materialpaarung von Stromschiene einerseits und Schraube andererseits zu einer nicht optimalen Wärmeleitung an bspw. einen Kühlkörper führt. Weiter nachteilig ist, dass eine weitreichend flächige Anbindung zwischen der Stromschiene und der Leistungselektronikkomponente mittels der Schraubverbindung nicht in jedem Fall gewährleistet werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine stromtragende Leistungselektronikanbindungsvorrichtung zu schaffen, die sich durch einen verbesserten Kontakt zwischen der Stromschiene und der Leistungselektronikkomponente und durch eine optimierte Wärmeabfuhr auszeichnet. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen stromtragenden Leistungselektronikanbindungsvorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgaben wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine stromtragende Leistungselektronikanbindungsvorrichtung bereitgestellt, die aufweist: eine Leistungselektronikkomponente, wie beispielsweise ein Relais oder ein Pyrofuse, und eine Stromschiene mit einer Unterseite und einer der Unterseite gegenüberliegenden Oberseite. In der erfindungsgemäßen Leistungselektronikanbindungsvorrichtung ist die Unterseite in Kontakt mit einer Anbindungsfläche der Leistungselektronikkomponente, weist die Oberseite der Stromschiene eine Vertiefung auf, ist die Stromschiene im Bereich der Vertiefung mit der Leistungselektronikkomponente verschweißt, und ist die Vertiefung derart ausgebildet, dass eine sich in Vertiefung befindliche Schweißnaht nicht über die Oberseite der Stromschiene hinausragt bzw. hervorragt bzw. vorspringt.
Die erfindungsgemäße Leistungselektronikanbindungsvorrichtung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass anstelle einer Schraubverbindung eine Schweißverbindung zwischen der Stromschiene und der Leistungselektronikkomponente vorteilhaft ist, da beim Verschweißen eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Stromschiene und der Leistungselektronikkomponente, insbesondere deren Anbindungsfläche erreicht werden kann. Dadurch wird eine weitestgehend vollflächige und stoffschlüssige Verbindung bereitgestellt, die auch Vorteile bei der Wärmeübertragung bzw. -abfuhr aufweist. Insbesondere beruht die erfindungsgemäße Leistungselektronikanbindungsvorrichtung auf der Erkenntnis, dass eine zum Schweißen notwendige Schweißnaht nicht über die Oberseite der Stromschiene hinausragen soll, um eine auf der Oberseite möglichst planare bzw. flächige Oberseite zu erreichen, durch die eine flächige Anbindung eines Kühlkörpers mit z.B. Wärmeleitpaste möglich ist. In der erfindungsgemäße Leistungselektronikanbindungsvorrichtung ist daher die Vertiefung derart ausgebildet, dass die für die Schweißverbindung notwendige Schweißnaht ausreichend Platz in der Vertiefung hat und nicht über die Oberseite der Stromschiene hinausragt. Dadurch wird nicht nur eine Leistungselektronikanbindungsvorrichtung geschaffen, die sich durch eine verbesserte mechanische Verbindung zwischen Stromschiene und Leistungselektronikkomponente auszeichnet, sondern darüber hinaus auch noch eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Vertiefung derart bemessen, dass eine von einer Bodenfläche der Vertiefung zur Unterseite gemessene Materialdicke der Stromschiene im Bereich der Vertiefung einen Wert von ca. 2 mm nicht überschreitet. Mit dieser bevorzugten Ausgestaltung ist es möglich, beispielsweise ein Laserschweißverfahren, insbesondere mit einem Laser mit einer Leistung von ca. maximal 6 kW, zu verwenden, was fertigungstechnisch vorteilhaft ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Vertiefung kreisrund ist. Alternativ kann die Vertiefung selbstverständlich andere, auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasste, Formen aufweisen.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Vertiefung mittels Verprägung oder Fräsen gebildet ist. Verprägen bezeichnet dabei das Eindrücken einer Vertiefung in die Stromschiene mit einer definierten Form mittels Stempel. Es hat sich gezeigt, dass das Herstellen der Vertiefung mittels Verprägung insbesondere bis zu einer Tiefe der Vertiefung von circa 1 mm bis 1,5 mm Vorteile hat. Bei größeren Tiefen für die Vertiefung von beispielsweise mehr als 1,5 mm hat sich das Fräsen als vorteilhafte Fertigungstechnik herausgestellt.
Schließlich wird gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer stromtragenden Leistungselektronikanbindungsvorrichtung bereitgestellt, wobei die Leistungselektronikanbindungsvorrichtung eine Leistungselektronikkomponente und eine Stromschiene mit einer Unterseite und einer der Unterseite gegenüberliegenden Oberseite mit einer Vertiefung aufweist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Anordnung der Stromschiene derart, dass die Unterseite der Stromschiene in Kontakt mit einer Anbindungsfläche der Leistungselektronikkomponente ist, und Verschweißen der Stromschiene im Bereich der Vertiefung mit der Leistungselektronikkomponente derart, dass im Bereich der Vertiefung eine stoffschlüssige und stromtragende Verbindung zwischen der Stromschiene und Leistungselektronikkomponente gebildet wird bzw. entsteht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Verschweißen der Stromschiene derart, dass eine während dem Schweiß in der Vertiefung gebildete Schweißnaht nicht über die Oberseite der Stromschiene hinausragt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist im Bereich der Vertiefung eine von einer Bodenfläche der Vertiefung zur Unterseite gemessene Materialdicke der Stromschiene derart gewählt, dass das Verschweißen der Stromschiene mit einem Laserschweißverfahren durchführbar ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Materialdicke derart gewählt ist, dass das Laserschweißverfahren mit einem Laser mit einer Leistung von ca. maximal 6 kW durchführbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Leistungselektronikanbindungsvorrichtung dar, und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikanbindungsvorrichtung,
2 eine schematische Detailansicht der erfindungsgemäßen Leistungselektronikanbindungsvorrichtung und
3 eine schematische Ansicht eines Ablaufdiagramms zum Durchführen eines Verfahrens zum Herstellen einer derartigen Leistungselektronikanbindungsvorrichtung.

Elemente gleiche Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es sei zunächst auf 1 verwiesen, die eine schematische Ansicht einer Leistungselektronikanbindungsvorrichtung 10 zeigt, wie sie beispielsweise im Automobilbereich einsetzbar ist. Die Leistungselektronikanbindungsvorrichtung 10 umfasst eine Stromschiene 12 und eine Leistungselektronikkomponente 14, die beispielsweise ein Relais, ein Pyrofuse oder eine andere Leistungselektronikkomponente sein kann. Die Stromschiene weist eine Oberseite 16 und eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite 18 auf. Die Unterseite 18 ist in Kontakt mit einer Anbindungsfläche 20 der Leistungselektronikkomponente 14 und liegt auf der Anwendungsfläche 20 im Wesentlichen flächig auf.
Die erfindungsgemäße Leistungselektronikanbindungsvorrichtung 10 zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromschiene 12 mit der Leistungselektronikkomponente 14 derart verschweißt ist, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Stromschiene 12 und der Leistungselektronikkomponente 14, insbesondere deren Anbindungsfläche 20, erzeugt wird. Die in 1 dargestellten gestrichelten Pfeile sollen schematisch kenntlich machen, dass durch einen Energieeintrag beispielsweise mittels eines Laserschweißverfahren die Stromschiene 12 mit der Leistungselektronikkomponente 14 verschweißt ist.
In 2 ist eine schematische Detailansicht des in 1 gekennzeichneten Details B dargestellt.
Wie zu erkennen ist, weist die Stromschiene 12 auf ihrer Oberseite 16 eine Vertiefung 22 auf, die sich von der Oberseite 16 in Richtung zur Unterseite 18 erstreckt. Die Unterseite 18 ist dabei in Kontakt mit der bereits erwähnten Anbindungsfläche 20. Die Vertiefung 22 ist insbesondere derart bemessen, dass eine sich in der Vertiefung 22 befindliche Schweißnaht 24, die während des Schweißvorgangs entsteht, nicht über die Oberseite 16 der Stromschiene 12 hinausragt. Dadurch kann bspw. mittels einer Ausgleichsmasse wie Wärmeleitpaste eine planare/flächige Oberseite 16 geschaffen werden, an die bspw. ein Kühlkörper anbindbar ist. Wie erwähnt, kann die Vertiefung 22 mittels Verprägung oder Fräsen hergestellt werden, je nach Tiefe 26 der Vertiefung 22. Es hat sich gezeigt, dass bis zu einer Tiefe 26 von 1 mm bis 1 5 mm die Verprägung und ab einer Tiefe 26 von ca. 1,5 mm das Fräsen geeignete Verfahren darstellen.
Wichtig ist zudem, dass eine von einer Bodenfläche 28 zur Unterseite 18 gemessene Materialdicke 30 der Stromschiene 12 im Wesentlichen einen Wert von ca. 2 mm nicht überschreitet. Denn bis zu einer Materialdicke 30 von ca. 2 mm kann die Stromschiene 12 mit der Leistungselektronikkomponente 14 mit einem Laser mit einer maximalen Leistung von 6 kW verschweißt werden. Laserschweißgeräte mit einer Leistung von mehr als 6 kW haben fertigungstechnische Nachteile insbesondere aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts und ihrem beschränkten in einer Fertigungsstraße. Bei einer typischen Dicke 32 der Stromschiene 12 von beispielsweise 2,5 mm ergäbe sich also eine Tiefe 26 der Vertiefung 22 von beispielsweise 0,5 mm.
Selbstverständlich sind die Maße 26, 30 und 32 auf den jeweiligen Anwendungsfall in Abhängigkeit von der letztlich verwendeten Stromschiene 12 anpassbar.
Es sei nun auf 3 verwiesen, die ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Leistungselektronikanbindungsvorrichtung 10, wie sie beispielsweise in 1 und 2 gezeigt ist, zeigt.
Das Verfahren startet mit dem Schritt 300.
In einem darauffolgenden Schritt 302 wird die Stromschiene 12 auf der Anbindungsfläche 20 der Leistungselektronikkomponente 14 derart angeordnet, dass die Unterseite 18 der Stromschiene 12 in einem flächigen Kontakt mit der Anbindungsfläche 20 ist.
In einem darauffolgenden Schritt 304 wird die Stromschiene 12 mit der Leistungselektronikkomponente 14, insbesondere deren Anbindungsfläche 20, verschweißt. Das Verschweißen von Stromschiene 12 mit Leistungselektronikkomponente 14 erfolgt vorzugsweise mittels eines Laserschweißverfahrens mit einem Laser mit einer maximalen Leistung von 6 kW. Die Stromschiene 12 wird mit der Leistungselektronikkomponente 14 derart verschweißt, dass die sich in der Vertiefung 22 bildende Schweißnaht 24 nicht über die Oberseite 16 der Stromschiene 12 hinausragt.
Das Verfahren endet schließlich mit dem Schritt 306.

Claims

Stromtragende Leistungselektronikanbindungsvorrichtung (10), aufweisend: - eine Leistungselektronikkomponente (14), und - eine Stromschiene (12) mit einer Unterseite (18) und einer der Unterseite (18) gegenüberliegenden Oberseite (16), wobei - die Unterseite (18) in Kontakt mit einer Anbindungsfläche (20) der Leistungselektronikkomponente (14) ist, - die Oberseite (16) eine Vertiefung (22) aufweist, - die Stromschiene (12) im Bereich der Vertiefung (22) mit der Leistungselektronikkomponente (14) verschweißt ist, und - die Vertiefung (22) derart ausgebildet ist, dass eine sich in der Vertiefung (22) befindliche Schweißnaht (24) nicht über die Oberseite (16) der Stromschiene (12) hinausragt.
Leistungselektronikanbindungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Vertiefung (22) derart bemessen ist, dass eine von einer Bodenfläche (28) der Vertiefung (22) zur Unterseite (18) gemessene Materialdicke (30) der Stromschiene (12) im Bereich der Vertiefung (22) einen Wert von circa 2 mm nicht überschreitet.
Leistungselektronikanbindungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vertiefung kreisrund ist.
Leistungselektronikanbindungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vertiefung (22) mittels Verprägung oder Fräsen gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer stromtragenden Leistungselektronikanbindungsvorrichtung (10), die eine Leistungselektronikkomponente (14) und eine Stromschiene (12) mit einer Unterseite (18) und einer der Unterseite (18) gegenüberliegende Oberseite (16) mit einer Vertiefung (22) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Anordnen der Stromschiene (12) derart, dass die Unterseite (18) der Stromschiene (12) in Kontakt mit einer Anbindungsfläche (20) der Leistungselektronikkomponente (14) ist, und - Verschweißen der Stromschiene (12) im Bereich der Vertiefung (22) mit der Leistungselektronikkomponente (14), derart, dass im Bereich der Vertiefung (22) eine stoffschlüssige und stromtragende Verbindung zwischen der Stromschiene (12) und der Leistungselektronikkomponente (14) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verschweißen der Stromschiene (12) derart erfolgt, dass eine während des Schweißvorgangs in der Vertiefung gebildete Schweißnaht (24) nicht über die Oberseite (16) der Stromschiene (12) hinausragt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei im Bereich der Vertiefung (22) eine von einer Bodenfläche (28) der Vertiefung (22) zur Unterseite (18) gemessene Materialdicke (30) der Stromschiene (12) derart gewählt ist, dass das Verschweißen der Stromschiene (12) mit einem Laserschweißverfahren durchführbar ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Materialdicke (30) derart gewählt ist, dass das Laserschweißverfahren mit einem Laser mit einer Leistung von circa maximal 6 kW durchführbar ist.