WO2023186374A1 - Leistungselektronik-system - Google Patents

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WO2023186374A1
WO2023186374A1 PCT/EP2023/052576 EP2023052576W WO2023186374A1 WO 2023186374 A1 WO2023186374 A1 WO 2023186374A1 EP 2023052576 W EP2023052576 W EP 2023052576W WO 2023186374 A1 WO2023186374 A1 WO 2023186374A1
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WO
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busbar
power module
electronics system
power
connection point
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PCT/EP2023/052576
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schnabel
Eike Janssen
Original Assignee
Magna powertrain gmbh & co kg
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Publication date
Application filed by Magna powertrain gmbh & co kg filed Critical Magna powertrain gmbh & co kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14329—Housings specially adapted for power drive units or power converters specially adapted for the configuration of power bus bars

Definitions

  • the invention relates to a power electronics system with at least one power module, which is connected to a direct current power source via an upper busbar and a lower busbar, the at least one power module having connection points for contacting the busbars, the upper busbar being on an insulating film and rests on the lower power rail.
  • Electric vehicles EV and hybrid electric vehicles (HEV) are the fastest growing and most demanding market for power electronics components. Power density, reliability and costs are the most important factors for vehicle applications.
  • SiC MOSFET inverters with intermediate circuit voltages of up to 800V are used.
  • a system with a power module which has a switching device with a substrate and conductor tracks arranged thereon.
  • the submodule has a first and a second DC conductor track and is connected to them in the correct polarity and in an electrically conductive manner a first and a second DC voltage connection element, as well as an AC voltage conductor track and an AC voltage connection element connected thereto with the correct polarity and electrically conductive.
  • the submodule also has a molded insulating body that encloses the switching device in a frame-like manner.
  • the first DC voltage connection element rests with a first contact section on a first support body of the insulating molded body
  • the AC voltage connection element rests with a second contact section on a second support body of the insulating molded body.
  • a first clamping device is designed to reach in an electrically insulated manner through a first recess of the first support body and to form an electrically conductive clamping connection between the first DC voltage connection element and an associated first DC voltage connection element, as well as between the second DC voltage connection element and an associated second DC voltage connection element
  • a second clamping device is designed for this purpose is to be passed through a second recess in the second support body in an electrically insulated manner and to form an electrically conductive clamp connection between the AC voltage connection element and an associated AC voltage connection element.
  • the first and second DC voltage connection elements form a stack with an insulation device arranged between them, at least in one section.
  • a power module is also known from the publication “SiC automotive power module with laser welded, ultra low inductive terminals and up to 900Arms phase current” CIPS 2022, ISBN 978- 3-8007-5757-2 ⁇ VDE VERLAG GMBH ⁇ Page 39ff.
  • the DC connection consists of two busbars one above the other, which are insulated by a plastic housing. The clearance and creepage distances are sufficient for a maximum DC link voltage of 1000V in accordance with automotive requirements LV123 and IEC 60664-1.
  • the lower DC negative clamp is wider than the upper DC positive clamp, allowing welding in a single assembly step. While the upper clamp has the welding zone in the middle, the lower clamp has two welding zones on the sides of the upper bus bar.
  • An arrangement of conductor tracks on an inverter is known from DE 10 2020 111 574 B3.
  • the conductor tracks extend over a base plate, with the upper conductor track having an opening in the area of the base plate.
  • the conductor tracks are welded through this opening and through a corresponding opening in the insulation film.
  • the DE 10 2020 127 036 A1 shows a connection arrangement between busbars.
  • a frame structure made of insulation material sits on the upper busbar and frames an opening in the busbar and the insulation film.
  • the connection is made via laser welding in the area of a carrier plate.
  • the task is solved with a power electronics system with at least one power module, which is connected to a direct current power source via an upper busbar and a lower busbar, the at least one power module having connection points for contacting the busbars has, wherein the upper busbar rests on an insulating film and on the lower busbar, and the upper busbar has a cutout and the insulated film has a further cutout, so that the lower busbar is accessible when viewed from above.
  • the leakage inductance can be reduced to a minimum.
  • the busbar can be connected to a lower connection point.
  • an insulating part is installed between the insulating film and the lower busbar.
  • the power module has an upper connection point on the surface of the power module, as well as a side connection point on an end face of the power module.
  • the upper busbar is materially connected to the upper connection point.
  • the insulating part has a base area with an opening whose dimension corresponds to the cutouts.
  • the opening can have any cross section, round, rectangular, etc.
  • the opening of the insulating part is surrounded by a frame that protrudes through the cutouts in the insulating film and the upper busbar.
  • the lower busbar is connected to the side connection point of the power module. Description of the characters
  • Figure 1 shows an exploded view of an embodiment
  • Figure 2 shows an assembly of the embodiment
  • Figure 3 shows a section through the embodiment.
  • the power electronics system 10 is constructed around a power module 5 and includes all application-specific components beyond the power module 5. This includes busbars as connections, the AC output connections, cooling and installation in a housing.
  • the power module 5 is specially designed in that it has an upper connection point 6 on its flat surface and a side connection point 7 on one of its end faces.
  • connection points 6, 7 serve for the material connection of the power module to an upper busbar 1 and a lower busbar 2.
  • the upper busbar 1 rests on the upper connection point 6 of the power module and is contacted via an upper connection point 8.
  • the lower busbar 4 rests on the side connection point 7 and is contacted with a lower connection point 9.
  • the two busbars 1 and 4 lie directly one above the other in the x direction, whereby they are flush with one another along their y direction, the longitudinal extent.
  • an insulating film 2 is provided between the two busbars, which extends away from the upper connection point 6.
  • the insulating film 2 has a cutout 2a, which is a cutout 1a of the upper Busbar 1 corresponds.
  • the insulating film 2 is attached so that the two cutouts 1a and 2a lie directly on top of each other.
  • An insulating part 3 is present separately in this exemplary embodiment. It has a base area 3a with an opening 3b, which is enclosed by a frame 3c.
  • the frame 3c is adapted to the cutouts 1a and 2a so that the frame 3c is inserted through the upper busbar 1 and the insulating film 2.
  • the frame 3c is chosen to be so high that it protrudes above the surface of the upper busbar 1 even after the components have been assembled. However, it can also be chosen so high that it is flush.
  • the insulating film 2 which is anyway placed between the two busbars, can be designed so that this insulating film also includes the function of the insulating part.
  • the insulating part 3 and the insulating film 2 are made in one piece.
  • the insulating part has a thickness that fills the air gap between the busbars 1, 4.
  • the stacked structure is placed on the line module.
  • the connection process takes place for both busbars from above, in the x direction, with the lower busbar 4 being connected through the opening 3a and the cutouts 1a and 2a at the lower connection point 8.
  • connection technology such as welding, soldering, press fit, screws, rivets, sintering, etc. is ensured by making the opening in the upper busbar.
  • the opening enables the production of the lower connection point 9 of the underlying busbar 4 with the power module 5 and parallel to it at the same time the production of the upper connection point 8 of the busbar 1, which is already accessible from above, with the power module 5.
  • this enables a space-saving structure of the components and offers optimization potential for the manufacturing process, since the connection process can be carried out in one clamping.
  • an insulating part By using an insulating part, the necessary air and creepage distances are maintained depending on the requirements and the size of the window and thus the leakage inductance are minimized.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Installation Of Bus-Bars (AREA)

Abstract

Leistungselektronik-System (10) mit mindestens einem Leistungsmodul (5), das über eine obere Stromschiene (1) und eine untere Stromschiene (4) mit einer Gleichstrom-Stromquelle verbunden ist, wobei das mindestens eine Leistungsmodul (5) Verbindungsstellen (6,7) zur Kontaktierung mit den Stromschienen (1, 4) aufweist, wobei die obere Stromschiene (1) auf einer Isolierfolie (2) und auf der unteren Stromschiene (4) aufliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Stromschiene (1) einen Ausschnitt (1a) und die Isolierfolie (2) einen weiteren Ausschnitt (2a) aufweist, sodass die untere Stromschiene (4) von oben gesehen zugänglich ist.

Description

Leistunqselektronik-System
Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronik-System mit mindestens einem Leistungsmodul, das über eine obere Stromschiene und eine untere Stromschiene mit einer Gleichstrom-Stromquelle verbunden ist, wobei das mindestens eine Leistungsmodul Verbindungsstellen zur Kontaktierung mit den Stromschienen aufweist, wobei die obere Stromschiene auf einer Isolierfolie und auf der unteren Stromschiene aufliegt.
Stand der Technik
Elektrofahrzeuge (EV) und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) sind der am schnellsten wachsende und anspruchsvollste Markt für Leistungselektronik-Komponenten. Leistungsdichte, Zuverlässigkeit und Kosten sind dabei die wichtigsten Faktoren für eine Fahrzeuganwendungen.
Aufgrund der hohen Batteriekosten und der Notwendigkeit, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, ist der Wirkungsgrad ein Hauptschwerpunkte neuer Entwicklungen. Für große Elektrofahrzeuge wird auf SiC-MOSFET- Wechselrichtern mit Zwischenkreisspannungen von bis zu 800V gesetzt.
Extrem hohe Spitzenströme, schnelle Schalttransienten, höchste Zuverlässigkeit und schnelle Montage, sowie geringe Anforderungen an den Bauraum, erfordern eine minimale Streuinduktivität des Leistungsmoduls und des passenden Zwischenkreiskondensators sowie Verbindungstechnologien wie Chip-Sintern wie Chip-Sintern und Laserschweißen für die Hauptstromanschlüsse bei gleichzeitigem Überlapp der Anschlüsse.
Aus der DE 10 2017 115 883 B4 ist ein System mit einem Leistungsmodul bekannt, das eine Schalteinrichtung mit einem Substrat und hierauf angeordneten Leiterbahnen aufweist. 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.
Aus der Veröffentlichung “SiC automotive power module with laser welded, ultra low inductive terminals and up to 900Arms phase current” CIPS 2022, ISBN 978- 3-8007-5757-2 © VDE VERLAG GMBH ■ Seite 39ff, ist ebenfalls ein Leistungsmodul bekannt.
Es hat keine schraubbaren Leistungsanschlüsse, sondern alle Hochleistungsanschlüsse befinden sich innerhalb des Moduls auf dem Substrat und alle Verbindungen zu den Stromschienen sind für einen Ausgangsstrom von bis zu 900A lasergeschweißt. Der DC-Anschluss besteht aus zwei übereinanderliegenden Stromschienen, die durch ein Kunststoffgehäuse isoliert sind. Die Luft- und Kriechstrecken sind gemäß den Automobilanforderungen LV123 und IEC 60664-1 ausreichend für eine maximale DC-Link Spannung von 1000V.
Die untere DC-Negativ-Klemme ist breiter als die obere DC-Positiv-Klemme, was den Schweißvorgang in einem einzigen Montageschritt ermöglicht. Während die obere Klemme die Schweißzone in der Mitte hat, hat die untere Klemme zwei Schweißzonen an den Seiten der oberen Stromschiene.
Aus der DE 10 2020 111 574 B3 ist eine Anordnung von Leitungsbahnen an einem Inverter bekannt. Die Leitungsbahnen erstrecken sich über eine Grundplatte, wobei die obere Leitungsbahn im Bereich der Grundplatte eine Öffnung aufweist. Durch diese Öffnung und durch eine entsprechende Öffnung in der Isolationsfolie werden die Leitungsbahnen verschweißt.
Die DE 10 2020 127 036 A1 zeigt eine Verbindungsanordnung zwischen Stromschienen. Eine Rahmenstruktur aus Isolationsmatenal sitzt auf der oberen Stromschiene auf und umrahmt eine Öffnung in der Stromschiene und der Isolationsfolie. Die Verbindung erfolgt über Laserschweissen im Bereich einer Trägerplatte.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Leistungselektronik-System auf engen Bauraum mit gestapelten Anschlüssen zu schaffen, das einfach für Verbindungsverfahren des Leistungsmoduls zugänglich ist.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Leistungselektronik-System mit mindestens einem Leistungsmodul, das über eine obere Stromschiene und eine untere Stromschiene mit einer Gleichstrom-Stromguelle verbunden ist, wobei das mindestens eine Leistungsmodul Verbindungsstellen zur Kontaktierung mit den Stromschienen aufweist, wobei die obere Stromschiene auf einer Isolierfolie und auf der unteren Stromschiene aufliegt, und die obere Stromschiene einen Ausschnitt und die isolierte Folie einen weiteren Ausschnitt aufweist, sodass die untere Stromschiene von oben gesehen zugänglich ist.
Durch die Anordnung der DC Anschlüsse übereinander kann die Streuinduktivität auf ein Minimum reduziert werden.
Durch das Einbringen eines Fensters, also einer Durchführung in der oberen Stromschiene kann die Verbindung der Stromschiene an eine untere Anschlussstelle durchgeführt werden.
Dazu ist zwischen Isolierfolie und der unteren Stromschiene ein Isolierteil verbaut.
Für die Montage vorteilhaft ist, dass das Leistungsmodul eine obere Anschlussstelle auf der Oberfläche des Leistungsmoduls aufweist, sowie eine seitliche Anschlussstelle an einer Stirnseite des Leistungsmoduls.
Dadurch kann die Verbindung beider Stromschienen aus derselben Richtung, von oben auf das Leistungsmodule gesehen, hergestellt werden.
Dabei ist die obere Stromschiene mit der oberen Anschlussstelle stoffschlüssig verbunden.
Das Isolierteil weist eine Grundfläche mit einer Öffnung, die den Ausschnitten in ihrer Dimension entspricht, auf.
Die Öffnung kann einen beliebigen Querschnitt, rund, rechteckig etc. aufweisen.
Die Öffnung des Isolierteils ist von einem Rahmen umgeben, der durch die Ausschnitte der Isolierfolie und der oberen Stromschiene ragt.
Die untere Stromschiene ist an der seitlichen Anschlussstelle des Leistungsmoduls angebunden. Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform, Figur 2 zeigt einen Zusammenbau des Ausführungsbeispiels, Figur 3 zeigt einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel.
Das Leistungselektronik-System 10 ist um ein Leistungsmodul 5 aufgebaut und umfasst die gesamten anwendungsspezifischen Komponenten über das Leistungsmodul 5 hinaus. Dabei sind Stromschienen als Anschlüsse, die AC-Ausgangsanschlüsse, die Kühlung und der Einbau in einem Gehäuse mitumfasst.
Das Leistungsmodul 5 ist speziell ausgebildet, indem es eine obere Anschlussstelle 6 auf seiner flächigen Oberfläche aufweist und eine seitliche Anschlussstelle 7 an einer seiner Stirnseiten.
Die beiden Anschlussstellen 6, 7 dienen zur stoffschlüssigen Verbindung des Leistungsmoduls mit einer oberen Stromschiene 1 und einer unteren Stromschiene 2. Die obere Stromschiene 1 liegt an der oberen Anschlussstelle 6 des Leistungsmoduls auf und wird über eine obere Verbindungstelle 8 kontaktiert. Die untere Stromschiene 4 liegt auf der seitlichen Anschlussstelle 7 auf und wird mit einer unteren Verbindungsstelle 9 kontaktiert.
Die beiden Stromschienen 1 und 4 liegen direkt übereinander in x-Richtung gesehen, wobei sie entlang ihrer y-Richtung, der Längserstreckung, bündig zueinander abschließen.
Im Ausführungsbeispiel ist eine Isolierfolie 2 zwischen den beiden Stromschienen vorgesehen, die sich von der oberen Anschlussstelle 6 weg erstreckt. Die Isolierfolie 2 weist einen Ausschnitt 2a auf, der einem Ausschnitt 1a der oberen Stromschiene 1 entspricht. Die Isolierfolie 2 ist so angebracht, dass die beiden Ausschnitte 1 a und 2a direkt übereinanderliegen.
Ein Isolierteil 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel getrennt vorhanden. Es weist eine Grundfläche 3a auf mit einer Öffnung 3b, die von einem Rahmen 3c umfasst ist. Der Rahmen 3c ist an die Ausschnitte 1 a und 2a so angepasst, dass der Rahmen 3c durch die obere Stromschiene 1 und die Isolierfolie 2 durchgesteckt ist. Der Rahmen 3c ist in der Ausführungsform so hoch gewählt, dass er auch nach dem Zusammenbau der Bauteile über die Oberfläche der oberen Stromschiene 1 ragt. Er kann aber auch so hoch gewählt sein, dass er bündig abschließt.
Die Isolierfolie 2, die ohnehin zwischen den beiden Stromschienen platziert ist, kann so ausgeführt werden, dass diese Isolierfolie auch die Funktion des Isolierteils umfasst.
Das Isolierteil 3 und die Isolierfolie 2 sind in einer alternativen Ausführungsform einteilig ausgeführt. Das Isolierteil weist eine Dicke auf, die den Luftspalt zwischen den Stromschienen 1 , 4 ausfüllt.
Zum Verbinden der Stromschienen 1 und 4 wird der gestapelte Aufbau am Leitungsmodul angelegt. Der Verbindungsvorgang erfolgt für beide Stromschienen von oben, in x-Richtung, wobei die untere Stromschiene 4 durch die Öffnung 3a und die Ausschnitte 1 a und 2a an der unteren Verbindungsstelle 8 verbunden wird.
Die Zugänglichkeit für die Verbindungstechnologie wie Schweissen, Löten, Pressfit, Schrauben, Nieten, Sintern, o.ä. ist durch das Einbringen der Öffnung in der oberen Stromschiene gegeben.
Die Öffnung ermöglicht die Herstellung der unteren Verbindungsstelle 9 der untenliegenden Stromschiene 4 mit dem Leistungsmodul 5 und parallel dazu zeitgleich die Herstellung der oberen Verbindungsstelle 8 der ohnehin von oben zugänglichen Stromschiene 1 mit dem Leistungsmodul 5. Das ermöglicht einerseits einen platzsparenden Aufbau der Komponenten und bietet Optimierungspotential des Herstellungsprozesses, da der Verbindungsprozess in einer Aufspannung durchgeführt werden kann. Durch Einsetzen eines Isolierteiles werden die notwendigen Luft- und Kriechstrecken je nach Anforderung eingehalten und die Größe des Fensters und somit die Streuinduktivität minimiert.
Durch ein nachträgliches Abdecken der Öffnung mit einem isolierenden Element, das nicht dargestellt ist, kann eine weitere Verbesserung der Streuinduktivität erzielt werden.
Bezugszeichen
1 obere Stromschiene
1 a Ausschnitt
2 Isolierfolie
2a Ausschnitt
3 Isolierteil
3a Grundfläche
3b Öffnung
3c Rahmen
4 untere Stromschiene
5 Leistungsmodul
6 Obere Anschlussstelle
7 seitliche Anschlussstelle
8 oberer Verbindungsstelle
9 untere Verbindungstelle
10 Leistungselektronik-System

Claims

Anspruch
1. Leistungselektronik-System (10) mit mindestens einem Leistungsmodul (5), das über eine obere Stromschiene (1 ) und eine untere Stromschiene (4) mit einer Gleichstrom-Stromquelle verbunden ist, wobei das mindestens eine Leistungsmodul (5) Verbindungsstellen (6,7) zur Kontaktierung mit den Stromschienen (1 , 4) aufweist, wobei die obere Stromschiene (1) auf einer Isolierfolie (2) und auf der unteren Stromschiene (4) aufliegt, wobei die obere Stromschiene (1 ) einen Ausschnitt (1a) und die Isolierfolie (2) einen weiteren Ausschnitt (2a) aufweist, sodass die untere Stromschiene (4) von oben gesehen zugänglich ist , wobei zwischen der Isolierfolie (2) und der unteren Stromschiene (4) ein Isolierteil (3) verbaut ist., dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolierteil (3) eine Grundfläche (3a) mit einer Öffnung (3b), die den Ausschnitten (1a und 2a) in ihrer Dimension entspricht, aufweist und die Öffnung (3b) des Isolierteils von einem
Rahmen (3c) umgeben ist, der durch die Ausschnitte (1a, 2a) der Isolierfolie und der oberen Stromschiene (1 ) ragt, wobei das Isolierteil eine Dicke aufweist, die den Luftspalt zwischen den Stromschienen (1 , 4) ausfüllt.
2. Leistungselektronik-System (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (5) eine obere Anschlussstelle (6) auf der Oberfläche des Leistungsmoduls (5) aufweist, sowie eine seitliche Anschlussstelle (7) an einer Stirnseite des Leistungsmoduls (5).
3. Leistungselektronik-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Stromschiene (1 ) mit der oberen Anschlussstelle (6) stoffschlüssig verbunden ist.
4. Leistungselektronik-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Stromschiene (4) an der seitlichen Anschlussstelle (7) des Leistungsmoduls (5) angebunden ist.
5. Leistungselektronik-System (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierfolie (2) und das Isolierteil (3) einteilig ist.
6. Leistungselektronik-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (3b) eine Abdeckung aufweist.
PCT/EP2023/052576 2022-04-01 2023-02-02 Leistungselektronik-system WO2023186374A1 (de)

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