用於電機的功率模塊的製作方法

2023-10-04 19:37:49 5

用於電機的功率模塊的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於電機、特別是電動車輛電機的功率模塊。所述功率模塊具有功率輸出級，其中，所述功率輸出級包括至少一個半導體開關。根據本發明，所述功率模塊包括電的能量儲存器。所述功率輸出級的輸入端與所述電的能量儲存器連接。所述能量儲存器具有正連接端子和負連接端子，其中，所述能量儲存器通過所述正連接端子與正接觸軌連接並且通過所述負連接端子與負接觸軌連接，其中，所述接觸軌的至少一個表面區段分別與所述至少一個半導體開關的連接端子、特別是連接面電連接。
【專利說明】用於電機的功率模塊
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於電機、特別是電動車輛電機的功率模塊。該功率模塊具有功率輸出級，其中，該功率輸出級包括至少一個、優選至少兩個或者僅兩個半導體開關。

【發明內容】

[0002]根據本發明，開頭所述類型的功率模塊包括電的能量儲存器。功率輸出級的輸入端與電的能量儲存器連接。能量儲存器具有正連接端子和負連接端子，其中，能量儲存器通過正連接端子與正接觸軌連接以及通過負連接端子與負接觸軌連接，其中，這些接觸軌的至少一個表面區段分別與所述至少一個半導體開關的、優選是所述兩個半導體開關之一的連接端子、特別是連接面電連接。優選，所述表面區段與半導體開關的連接面藉助於釺焊電連接。
[0003]通過如此形成的裝置，功率輸出級可以與能量儲存器(例如為電容器，特別是中間電路電容器，或者為至少一個蓄電池)一起形成一個緊湊的結構單元。因此，更有利地，能量儲存器與功率輸出級之間的電連接路線可以被實施為短的，因而可以具有低電阻並且也具有低電感。
[0004]在一種優選實施方式中，正接觸軌和負接觸軌圍成一個空腔，能量儲存器至少部分地或者全部地容納在該空腔中。
[0005]優選地，藉助於接觸軌形成凹槽，其中，能量儲存器至少部分地或者全部地容納在該凹槽中。通過如此形成的裝置，能量儲存器可以有利地藉助於接觸軌不僅被機械固定而且被電接觸。為此，能量儲存器的正連接端子和負連接端子優選分別被設計成導電層，特別是金屬噴鍍層。接觸軌分別優選地在多個接觸位置上與導電層連接。接觸軌優選被設計成導電板，特別銅板。接觸軌例如藉助於熔焊或者釺焊在接觸位置上與導電層連接。
[0006]在功率模塊的一種優選實施方式中，接觸軌的所述表面區段由接觸軌的沿著接觸軌的縱向延伸方向折彎的區段形成。因此，可以有利地藉助於正接觸軌和負接觸軌形成前面所述的凹槽。
[0007]在功率模塊的一種優選實施方式中，接觸軌分別以所述表面區段相互隔開地重疊並且彼此圍成一個間隙。優選地，所述至少一個半導體開關被包圍在該間隙中，其中，半導體開關的至少一個連接端子與至少一個匯流排導電連接。因此，可以有利地形成通過接觸軌的折彎的表面區段到半導體開關的低電阻連接。有利地，折彎的表面區段因此形成前面提到的凹槽(能量儲存器容納在該凹槽中)的槽底，而且也形成連到半導體開關的電連接導線。
[0008]在一種優選實施方式中，功率輸出級具有兩個半導體開關，這兩個半導體開關共同形成一個半橋，其中，半橋的高側半導體開關通過連接端子與正接觸軌的表面區段連接以及半橋的低側半導體開關與負接觸軌的表面區段連接。因此，半橋與中間電路電容器一起集成在功率模塊中。有利地，所述功率模塊可以與分別具有一個能量儲存器和一個半橋的其他功率模塊一起形成一個功率單元。[0009]功率單元優選與電機的定子連接，其中，電機的定子例如具有三個定子線圈。優選地，功率單元對於定子的每個定子線圈具有一個功率模塊，其中，該功率模塊的輸出端與定子線圈連接。
[0010]在一種優選實施方式中，功率模塊具有輸出連接端子，該輸出連接端子與半橋的輸出端連接，其中，輸出連接端子通過一個表面區段與高側半導體開關連接並且通過同一個或者另一個表面區段與低側半導體開關連接。高側半導體開關設置在輸出連接端子的所述一個表面區段與正接觸軌的表面區段之間，其中，低側半導體開關設置在輸出連接端子的所述另一個表面區段與負接觸軌的表面區段之間。因此，半導體開關可以有利地設置在同一平面中，從而功率輸出級與能量儲存器一起形成緊湊的、特別是高效利用結構空間地構造而成的單元。
[0011]在一種優選實施方式中，半導體開關的連接端子，特別是半導體開關的開關路徑的連接端子分別由半導體開關的彼此對置的、優選相互平行的表面區域形成。優選地，半導體開關是場效應電晶體，特別是Mis-FET電晶體(MIS-FET =金屬絕緣半導體場效應電晶體)，MOS-FET電晶體(M0S =金屬氧化物半導體)或者IGBT(IGBT =絕緣柵雙極型電晶體)。半導體開關優選由無殼體的半導體開關(也稱作裸露晶片)形成。優選地，無殼體的半導體開關具有分別由半導體開關的一個金屬化表面區域形成的電連接端子。
[0012]在一種優選實施方式中，無殼體的半導體開關呈長方體形狀。因此，半導體開關可以有利地被包圍在包括已經提到的接觸軌的所述表面區域的夾層複合結構中。
[0013]在一種優選實施方式中，功率模塊與冷卻元件導熱連接。優選地，一個接觸軌的至少一個表面區段或者此外還有輸出連接端子的一個表面區段與冷卻元件導熱連接。因此，有利地不僅可以從中間儲存器經由導電接觸軌將熱量導出到冷卻元件中，而且熱量可以從功率輸出級經由接觸軌的表面區段流到冷卻元件中。
[0014]在一種優選實施方式中，功率模塊包括至少一個二極體，該二極體與半導體開關的開關路徑並聯。該二極體優選是整流二極體。因此，對於電動驅動裝置，可以在再生工作模式中將電能回饋到能量儲存器中。
[0015]本發明還涉及一種電動驅動裝置，該電動驅動裝置包括電動機和至少一個前面所述類型的功率模塊，其中，功率模塊的輸出端與電動機的至少一個定子線圈連接。
[0016]該電動驅動裝置優選是電動車輛的組成部分。功率模塊的其它有利應用是光伏系統，該光伏系統包括至少一個帶有逆變器的光伏模塊，該逆變器具有至少一個前面所述類型的功率模塊。
[0017]有利地，在前面描述的裝置中，功率單元模塊化地通過至少一個或者多個功率模塊提供。這些功率模塊可以例如分別被設計成以可分開或者不可分開的方式相互連接成功率單元。為此，功率模塊例如可以具有連到匯流排的插接連接裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]現在，在下面藉助於附圖和其它實施例對本發明進行描述。其它有利的實施變型由從屬權利要求的特徵以及附圖的特徵得出。
[0019]圖1示意地示出具有兩個能量儲存器的功率模塊的一種實施例，這兩個能量儲存器分別與包括兩個半導體開關的半橋連接成一個功率組件；[0020]圖2以剖視圖示出一種變型的在圖1中所示的功率模塊；
[0021]圖3以剖視圖示出功率模塊的一種變型，其中，半橋的半導體開關被多個接觸軌區段包圍。
【具體實施方式】
[0022]圖1不出了功率|旲塊I的一種實施例。功率|旲塊I具有兩個半導體開關3和4。功率模塊I還具有負接觸軌6和正接觸軌7。接觸軌6和7分別由板材形成。負接觸軌6具有沿著功率模塊I的縱向延伸方向折彎的表面區段11。表面區段11與半導體開關4、特別是半導體開關4的源極連接端子處於電作用連接，該源極連接端子由半導體開關4的一個表面區域形成。表面區段11在該實施例中藉助於釺焊與半導體開關4的源極連接端子連接。
[0023]正接觸軌7具有沿著縱向延伸方向40折彎的表面區域10。表面區段10特別是藉助於釺焊與半導體開關3的漏極連接端子連接。半導體開關3的漏極連接端子由半導體開關3的一個表面區域形成。
[0024]功率模塊I還具有藉助於半導體開關3和4形成的半橋，特別是電晶體半橋的輸出連接端子13。輸出連接端子13由板材形成，該板材在該實施例中被折彎成階梯狀。輸出連接端子13的一個這樣形成的梯級與表面區段10平行地對置並且與表面區段10 —起將半導體開關3包圍在一個間隙中。輸出連接端子13特別是藉助於釺焊與半導體開關3的源極連接端子連接。
[0025]通過將輸出連接端子13折彎形成的另一個梯級與表面區段11對置，其中，半導體開關4設置在位於表面區段11與前面所述的輸出連接端子13的階梯區段之間的間隙中。輸出連接端子13特別是藉助於釺焊與半導體開關4的漏極連接端子連接。半導體開關3和4的源極和漏極連接端子分別由半導體開關的彼此對置且朝向相反的表面形成。半導體開關3和4在該實施例中設置在同一平面內。以這種方式，功率模塊I可以被設計成緊湊的。輸出連接端子13的一個末端部分從功率模塊I中伸出。
[0026]半導體開關3和4的控制連接端子，特別是柵極連接端子可以伸進位於所述表面區段與輸出連接端子之間的間隙中。半導體開關的控制連接端子在圖1中未示出。
[0027]輸出連接端子13可以通過所述末端部分與電機、例如電動車輛的電動機的定子連接。
[0028]負接觸軌6也具有沿著縱向延伸方向40折彎的縱向區段12，該縱向區段在該實施例中位於輸出連接端子13的形成一個梯級的表面區段的平面內，該表面區段與半導體開關4連接。接觸軌6和7通過折彎的表面區段10和12與冷卻元件18導熱且電絕緣地連接。為此，在冷卻元件18與表面區段10和12之間形成電絕緣層16。絕緣層16例如可以由聚醯亞胺薄膜或者聚醯胺薄膜形成。前面所述的輸出連接端子13的與半導體開關4連接的表面區段，如同表面區段12，通過絕緣層16與冷卻元件18連接。冷卻元件18在該實施例中被設計成長方體形的塊體，特別是鋁塊。冷卻元件18在該實施例中具有三個被設計成管狀的空腔20、21和22，這些空腔分別被設計成用於引導流體，特別是冷卻水。因此，在功率模塊I中產生的損耗熱，特別是半導體開關3和4的損耗熱，還有在能量儲存器8，特別是它的卷繞式電容器中產生的損耗熱可以由冷卻元件18吸收並導出。[0029]功率模塊I還具有能量儲存器8，該能量儲存器在該實施例中被設計成卷繞式電容器。能量儲存器8的端側在該實施例中被設計成電連接端子。能量儲存器8的電連接端子在該實施例中被設計成導電層，特別是金屬噴鍍層。所示為能量儲存器8的負連接端子的導電層26以及能量儲存器8的正連接端子的導電層25。導電層26在該實施例中示例性地藉助於在接觸軌6中藉助於衝壓產生的L形接觸舌片藉助於熔焊進行連接。示例性地標出了 L形接觸舌片50。L形接觸舌片50使得在接觸軌6與導電層26之間的電連接部，特別是熔焊連接部在能量儲存器8發生熱膨脹時不會斷裂，因為特別是在L形的末端區域中與導電層26連接的接觸舌片在能量儲存器8發生熱膨脹時可以相對於接觸軌6在多個彼此不同的自由度上運動。
[0030]能量儲存器8例如被設計成卷繞式電容器。功率模塊I在該實施例中還具有另一個能量儲存器9，該能量儲存器如同能量儲存器8與相應形成的接觸軌電接觸。接觸軌6和7通過折彎的表面區段10以及表面區段11形成凹槽，能量儲存器8容納在該凹槽中。能量儲存器9通過它的接觸軌沿著縱向延伸方向40與能量儲存器8相鄰設置。以這種方式，功率模塊I有利地可以由多個子模塊形成，其中，每個子模塊具有一個能量儲存器和與該能量儲存器連接的半導體開關半橋。
[0031]包括能量儲存器9的子模塊具有功率輸出級，該功率輸出級的輸出連接端子14被示出。具有能量儲存器9的子模塊的功率輸出級具有兩個半導體開關，這兩個半導體開關如同半導體開關3和4與能量儲存器9的輸出連接端子14和接觸軌連接。
[0032]接觸軌6在該實施例中具有指向橫向於縱向延伸方向40的方向的凸起區域46和48，這兩個凸起區域被設計成用於與具有相應切口的匯流排導電地且形狀配合連接地接觸。凸起區域46和凸起區域48在該實施例中被設計成矩形的，特別是被衝壓的舌片，這些舌片分別被設計成接合到匯流排的相應的、例如縫隙形的切口中。凸起區域46和48在另一種改進方案中可以被設計成切割夾緊接觸件。這些凸起於是如圖1所示具有U形切口，該U形切口被設計成用於容納前面提到的匯流排的導線或者凸起區域。
[0033]接觸軌7具有兩個凸起區域42和44，這兩個凸起區域如同凸起區域46和48進行設計並且形成在接觸軌7上。藉助於接觸軌的凸起區域(這些凸起區域在本實施例中形成中間電路電容器8的連接端子)，中間電路電容器8可以與中間電路，例如電動車輛的高壓網電連接。前面提到的匯流排為此可以將能量儲存器8和9的接觸軌，例如也將功率模塊的其它能量儲存器的接觸軌相互電連接。
[0034]圖2示出了在圖1中已示出的功率模塊的接觸軌6和7，以及它們的製造方法。半導體開關3和4例如在第一步驟中藉助於釺焊與接觸軌6和7的所述表面區段連接。半導體開關3和4也分別為了產生半橋而藉助於釺焊與在圖1中已示出的輸出連接端子13連接。半導體開關3和4與表面區段10和11 一起在該實施例中在另一個步驟中被埋置在塑料體5中。
[0035]包括半導體開關3和4的半橋因此在該實施例中形成模製模塊。接觸軌6和7直到例如與所述表面區段10和11 一起埋置在塑料體中為止分別被設計成扁平延伸的衝壓板材。接觸軌6和7分別從模製模塊、特別是塑料體5中伸出。然後接觸軌6可以在另一個步驟中被折彎，特別是沿著在圖1中所示的功率模塊I的縱向延伸方向40。接觸軌6的折彎位置6』用虛線表示。接觸軌7如同接觸軌6被折彎並且在折彎位置7』中被示出。然後在另一個步驟中，在圖1中所示的能量儲存器可以嵌入藉助於接觸軌形成的凹槽中，並且在另一個步驟中與接觸軌電連接。
[0036]圖3示出了功率模塊2的一種實施例。功率模塊2包括兩個接觸軌，即負接觸軌30和正接觸軌32。功率模塊2也具有能量儲存器8，該能量儲存器8具有能量儲存器8的負連接端子的導電層26和能量儲存器8的正連接端子的導電層25。正接觸軌32與導電層25連接。負接觸軌30與導電層26連接。正接觸軌32被折彎並且通過折彎的表面區段形成一個連接端子，該連接端子例如藉助於釺焊與半導體開關3並且在那裡與半導體開關3的連接面63、特別是漏極連接端子電連接。
[0037]接觸軌30具有折彎的表面區段34，該表面區段與平行於接觸軌36延伸的接觸軌32的折彎的表面區段36對置。負接觸軌30通過折彎的表面區段34形成一個連接端子，該連接端子例如藉助於釺焊與半導體開關4並且在那裡與半導體開關4的連接面60、特別是源極連接端子電連接。
[0038]表面區段34和36共同圍成一個空腔，半導體開關3和4設置在該空腔中。在半導體3和4之間設有輸出連接端子35，其中，半導體開關4通過連接面61、特別是漏極連接端子與輸出連接端子35連接，以及半導體開關3通過連接面62、特別是源極連接端子與輸出連接端子35連接。輸出連接端子35在該實施例中被形成為扁平延伸的板材。
[0039]在形成於表面區段34與輸出連接端子35之間的空腔中，除了半導體開關4之外還設有整流二極體70，該整流二極體與半導體開關4的開關路徑並聯。在形成於表面區段36與輸出連接端子35之間的空腔中，除了半導體開關3之外還設有整流二極體72，該整流二極體與半導體開關3的開關路徑並聯。能量儲存器8可以藉助於整流二極體70和72 (例如在再生工作模式中)進行充電。整流二極體70和72的連接端子分別由整流二極體70和72的相互平行的表面區域形成。
[0040]例如被設計成MOS-FET電晶體的半導體開關3和4在該實施例中與表面區段34和36 —起，此外還與輸出連接端子35的一部分一起被塑料物質38包圍並且與塑料物質38一起形成功率輸出級的半橋。塑料物質38例如由熱固性塑料、特別是聚醯胺或者酚醛塑料形成。以這種方式形成模製模塊的功率輸出級(例如用於給電機的定子線圈供電)例如是藉助於注塑製造的。
【權利要求】
1.用於電機的功率模塊(1、2)，所述功率模塊具有功率輸出級(5)，所述功率輸出級包括至少一個半導體開關(3、4)， 其特徵在於，所述功率模塊(1、2)包括能量儲存器(8、9)，其中，所述功率輸出級(5)的輸入端與電的能量儲存器(8、9)連接，以及所述能量儲存器(8、9)具有與正接觸軌(7)連接的正連接端子(25)和與負接觸軌(6)連接的負連接端子(26)，其中，所述接觸軌(6、7)的至少一個表面區段(10、11)分別與所述半導體開關(3、4)中的至少一個的連接面電連接。
2.如權利要求1所述的功率模塊(1、2)， 其特徵在於，所述正接觸軌(7)和所述負接觸軌(6)圍成一個空腔，所述能量儲存器(8,9)至少部分地或者全部地容納在所述空腔中。
3.如權利要求1或2所述的功率模塊(1、2)， 其特徵在於，藉助於所述接觸軌(6、7)形成凹槽，其中，所述能量儲存器(8、9)至少部分地或者全部地容納在所述凹槽中。
4.如前述權利要求中任一項所述的功率模塊(1、2)， 其特徵在於，所述接觸軌出、7)的所述表面區段(10、11)通過所述接觸軌出、7)的沿著所述接觸軌(6、7)的縱向延伸方向(40)折彎的區段形成。
5.如前述權利要求中任一項所述的功率模塊(1、2)， 其特徵在於，所述接觸軌(30、32)分別以所述表面區段(34、36)相互隔開地重疊並且彼此圍成一個間隙，其中，所述至少一個半導體開關(3、4)被包圍在所述間隙中以及所述半導體開關(3、4)的至少一個連接端子(60、63)與至少一個接觸軌(30、32)導電連接。
6.如前述權利要求1至4中任一項所述的功率模塊(1、2)， 其特徵在於，所述功率輸出級具有兩個半導體開關(3、4)，這兩個半導體開關共同形成一個半橋以及所述半橋的高側半導體開關(3)通過連接端子(63)與所述正接觸軌(7、32)的所述表面區段(36、10)連接以及所述半橋的低側半導體開關⑷與所述負接觸軌(6、30)的所述表面區段(11、34)連接。
7.如權利要求6所述的功率模塊(1、2)， 其特徵在於，所述功率模塊(1、2)具有輸出連接端子(13、14、35)，所述輸出連接端子與所述半橋(3、4)的輸出端(61、62)連接，其中，所述輸出連接端子(13、14、35)通過一個表面區段與所述高側半導體開關(3)連接以及通過同一個或者另一個表面區段與所述低側半導體開關(4)連接，其中，所述高側半導體開關(3)設置在所述輸出連接端子(13、14、35)的所述一個表面區段與所述正接觸軌(7)的表面區段(10)之間，其中，所述低側半導體開關(4)設置在所述輸出連接端子(13、14、35)的所述同一個或者另一個表面區段與所述負接觸軌(6)的表面區段(11)之間。
8.如前述權利要求中任一項所述的功率模塊(1、2)， 其特徵在於，所述半導體開關(3、4)的所述連接端子(60、61、62、63)分別由所述半導體開關(3、4)的彼此對置的表面區域形成。
9.如前述權利要求中任一項所述的功率模塊(1、2)， 其特徵在於，所述半導體開關(3、4)是場效應電晶體。
10.如前述權利要求中任一項所述的功率模塊(1、2)，其特徵在於，所述功率模塊(1、2)與冷卻元件(18)導熱連接，其中，一個接觸軌(6、7)的至少一個表面區段(10、12)或者此外還有所述輸出連接端子(13、14)的一個表面區段與所述冷卻元件(18)導熱連接。
11.如前述權利要求中任一項所述的功率模塊(1、2)， 其特徵在於，所述功率模塊(1、2)包括至少一個二極體(70、72)，所述二極體與所述半導體開關(3、4)的開關路徑並聯。
【文檔編號】H01L25/16GK103988303SQ201280060858
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年11月21日 優先權日:2011年12月12日
【發明者】N·施奈德, A·舍恩克內希特, B·亞當, C·克盧特 申請人:羅伯特·博世有限公司