用于电机的功率模块的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于电机、特别是电动车辆电机的功率模块。所述功率模块具有功率输出级，其中，所述功率输出级包括至少一个半导体开关。根据本发明，所述功率模块包括电的能量储存器。所述功率输出级的输入端与所述电的能量储存器连接。所述能量储存器具有正连接端子和负连接端子，其中，所述能量储存器通过所述正连接端子与正接触轨连接并且通过所述负连接端子与负接触轨连接，其中，所述接触轨的至少一个表面区段分别与所述至少一个半导体开关的连接端子、特别是连接面电连接。
【专利说明】用于电机的功率模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于电机、特别是电动车辆电机的功率模块。该功率模块具有功率输出级，其中，该功率输出级包括至少一个、优选至少两个或者仅两个半导体开关。
【发明内容】
[0002]根据本发明，开头所述类型的功率模块包括电的能量储存器。功率输出级的输入端与电的能量储存器连接。能量储存器具有正连接端子和负连接端子，其中，能量储存器通过正连接端子与正接触轨连接以及通过负连接端子与负接触轨连接，其中，这些接触轨的至少一个表面区段分别与所述至少一个半导体开关的、优选是所述两个半导体开关之一的连接端子、特别是连接面电连接。优选，所述表面区段与半导体开关的连接面借助于钎焊电连接。
[0003]通过如此形成的装置，功率输出级可以与能量储存器(例如为电容器，特别是中间电路电容器，或者为至少一个蓄电池)一起形成一个紧凑的结构单元。因此，更有利地，能量储存器与功率输出级之间的电连接路线可以被实施为短的，因而可以具有低电阻并且也具有低电感。
[0004]在一种优选实施方式中，正接触轨和负接触轨围成一个空腔，能量储存器至少部分地或者全部地容纳在该空腔中。
[0005]优选地，借助于接触轨形成凹槽，其中，能量储存器至少部分地或者全部地容纳在该凹槽中。通过如此形成的装置，能量储存器可以有利地借助于接触轨不仅被机械固定而且被电接触。为此，能量储存器的正连接端子和负连接端子优选分别被设计成导电层，特别是金属喷镀层。接触轨分别优选地在多个接触位置上与导电层连接。接触轨优选被设计成导电板，特别铜板。接触轨例如借助于熔焊或者钎焊在接触位置上与导电层连接。
[0006]在功率模块的一种优选实施方式中，接触轨的所述表面区段由接触轨的沿着接触轨的纵向延伸方向折弯的区段形成。因此，可以有利地借助于正接触轨和负接触轨形成前面所述的凹槽。
[0007]在功率模块的一种优选实施方式中，接触轨分别以所述表面区段相互隔开地重叠并且彼此围成一个间隙。优选地，所述至少一个半导体开关被包围在该间隙中，其中，半导体开关的至少一个连接端子与至少一个汇流排导电连接。因此，可以有利地形成通过接触轨的折弯的表面区段到半导体开关的低电阻连接。有利地，折弯的表面区段因此形成前面提到的凹槽(能量储存器容纳在该凹槽中)的槽底，而且也形成连到半导体开关的电连接导线。
[0008]在一种优选实施方式中，功率输出级具有两个半导体开关，这两个半导体开关共同形成一个半桥，其中，半桥的高侧半导体开关通过连接端子与正接触轨的表面区段连接以及半桥的低侧半导体开关与负接触轨的表面区段连接。因此，半桥与中间电路电容器一起集成在功率模块中。有利地，所述功率模块可以与分别具有一个能量储存器和一个半桥的其他功率模块一起形成一个功率单元。[0009]功率单元优选与电机的定子连接，其中，电机的定子例如具有三个定子线圈。优选地，功率单元对于定子的每个定子线圈具有一个功率模块，其中，该功率模块的输出端与定子线圈连接。
[0010]在一种优选实施方式中，功率模块具有输出连接端子，该输出连接端子与半桥的输出端连接，其中，输出连接端子通过一个表面区段与高侧半导体开关连接并且通过同一个或者另一个表面区段与低侧半导体开关连接。高侧半导体开关设置在输出连接端子的所述一个表面区段与正接触轨的表面区段之间，其中，低侧半导体开关设置在输出连接端子的所述另一个表面区段与负接触轨的表面区段之间。因此，半导体开关可以有利地设置在同一平面中，从而功率输出级与能量储存器一起形成紧凑的、特别是高效利用结构空间地构造而成的单元。
[0011]在一种优选实施方式中，半导体开关的连接端子，特别是半导体开关的开关路径的连接端子分别由半导体开关的彼此对置的、优选相互平行的表面区域形成。优选地，半导体开关是场效应晶体管，特别是Mis-FET晶体管(MIS-FET =金属绝缘半导体场效应晶体管)，MOS-FET晶体管(M0S =金属氧化物半导体)或者IGBT(IGBT =绝缘栅双极型晶体管)。半导体开关优选由无壳体的半导体开关(也称作裸露芯片)形成。优选地，无壳体的半导体开关具有分别由半导体开关的一个金属化表面区域形成的电连接端子。
[0012]在一种优选实施方式中，无壳体的半导体开关呈长方体形状。因此，半导体开关可以有利地被包围在包括已经提到的接触轨的所述表面区域的夹层复合结构中。
[0013]在一种优选实施方式中，功率模块与冷却元件导热连接。优选地，一个接触轨的至少一个表面区段或者此外还有输出连接端子的一个表面区段与冷却元件导热连接。因此，有利地不仅可以从中间储存器经由导电接触轨将热量导出到冷却元件中，而且热量可以从功率输出级经由接触轨的表面区段流到冷却元件中。
[0014]在一种优选实施方式中，功率模块包括至少一个二极管，该二极管与半导体开关的开关路径并联。该二极管优选是整流二极管。因此，对于电动驱动装置，可以在再生工作模式中将电能回馈到能量储存器中。
[0015]本发明还涉及一种电动驱动装置，该电动驱动装置包括电动机和至少一个前面所述类型的功率模块，其中，功率模块的输出端与电动机的至少一个定子线圈连接。
[0016]该电动驱动装置优选是电动车辆的组成部分。功率模块的其它有利应用是光伏系统，该光伏系统包括至少一个带有逆变器的光伏模块，该逆变器具有至少一个前面所述类型的功率模块。
[0017]有利地，在前面描述的装置中，功率单元模块化地通过至少一个或者多个功率模块提供。这些功率模块可以例如分别被设计成以可分开或者不可分开的方式相互连接成功率单元。为此，功率模块例如可以具有连到汇流排的插接连接装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]现在，在下面借助于附图和其它实施例对本发明进行描述。其它有利的实施变型由从属权利要求的特征以及附图的特征得出。
[0019]图1示意地示出具有两个能量储存器的功率模块的一种实施例，这两个能量储存器分别与包括两个半导体开关的半桥连接成一个功率组件；[0020]图2以剖视图示出一种变型的在图1中所示的功率模块；
[0021]图3以剖视图示出功率模块的一种变型，其中，半桥的半导体开关被多个接触轨区段包围。
【具体实施方式】
[0022]图1不出了功率|旲块I的一种实施例。功率|旲块I具有两个半导体开关3和4。功率模块I还具有负接触轨6和正接触轨7。接触轨6和7分别由板材形成。负接触轨6具有沿着功率模块I的纵向延伸方向折弯的表面区段11。表面区段11与半导体开关4、特别是半导体开关4的源极连接端子处于电作用连接，该源极连接端子由半导体开关4的一个表面区域形成。表面区段11在该实施例中借助于钎焊与半导体开关4的源极连接端子连接。
[0023]正接触轨7具有沿着纵向延伸方向40折弯的表面区域10。表面区段10特别是借助于钎焊与半导体开关3的漏极连接端子连接。半导体开关3的漏极连接端子由半导体开关3的一个表面区域形成。
[0024]功率模块I还具有借助于半导体开关3和4形成的半桥，特别是晶体管半桥的输出连接端子13。输出连接端子13由板材形成，该板材在该实施例中被折弯成阶梯状。输出连接端子13的一个这样形成的梯级与表面区段10平行地对置并且与表面区段10 —起将半导体开关3包围在一个间隙中。输出连接端子13特别是借助于钎焊与半导体开关3的源极连接端子连接。
[0025]通过将输出连接端子13折弯形成的另一个梯级与表面区段11对置，其中，半导体开关4设置在位于表面区段11与前面所述的输出连接端子13的阶梯区段之间的间隙中。输出连接端子13特别是借助于钎焊与半导体开关4的漏极连接端子连接。半导体开关3和4的源极和漏极连接端子分别由半导体开关的彼此对置且朝向相反的表面形成。半导体开关3和4在该实施例中设置在同一平面内。以这种方式，功率模块I可以被设计成紧凑的。输出连接端子13的一个末端部分从功率模块I中伸出。
[0026]半导体开关3和4的控制连接端子，特别是栅极连接端子可以伸进位于所述表面区段与输出连接端子之间的间隙中。半导体开关的控制连接端子在图1中未示出。
[0027]输出连接端子13可以通过所述末端部分与电机、例如电动车辆的电动机的定子连接。
[0028]负接触轨6也具有沿着纵向延伸方向40折弯的纵向区段12，该纵向区段在该实施例中位于输出连接端子13的形成一个梯级的表面区段的平面内，该表面区段与半导体开关4连接。接触轨6和7通过折弯的表面区段10和12与冷却元件18导热且电绝缘地连接。为此，在冷却元件18与表面区段10和12之间形成电绝缘层16。绝缘层16例如可以由聚酰亚胺薄膜或者聚酰胺薄膜形成。前面所述的输出连接端子13的与半导体开关4连接的表面区段，如同表面区段12，通过绝缘层16与冷却元件18连接。冷却元件18在该实施例中被设计成长方体形的块体，特别是铝块。冷却元件18在该实施例中具有三个被设计成管状的空腔20、21和22，这些空腔分别被设计成用于引导流体，特别是冷却水。因此，在功率模块I中产生的损耗热，特别是半导体开关3和4的损耗热，还有在能量储存器8，特别是它的卷绕式电容器中产生的损耗热可以由冷却元件18吸收并导出。[0029]功率模块I还具有能量储存器8，该能量储存器在该实施例中被设计成卷绕式电容器。能量储存器8的端侧在该实施例中被设计成电连接端子。能量储存器8的电连接端子在该实施例中被设计成导电层，特别是金属喷镀层。所示为能量储存器8的负连接端子的导电层26以及能量储存器8的正连接端子的导电层25。导电层26在该实施例中示例性地借助于在接触轨6中借助于冲压产生的L形接触舌片借助于熔焊进行连接。示例性地标出了 L形接触舌片50。L形接触舌片50使得在接触轨6与导电层26之间的电连接部，特别是熔焊连接部在能量储存器8发生热膨胀时不会断裂，因为特别是在L形的末端区域中与导电层26连接的接触舌片在能量储存器8发生热膨胀时可以相对于接触轨6在多个彼此不同的自由度上运动。
[0030]能量储存器8例如被设计成卷绕式电容器。功率模块I在该实施例中还具有另一个能量储存器9，该能量储存器如同能量储存器8与相应形成的接触轨电接触。接触轨6和7通过折弯的表面区段10以及表面区段11形成凹槽，能量储存器8容纳在该凹槽中。能量储存器9通过它的接触轨沿着纵向延伸方向40与能量储存器8相邻设置。以这种方式，功率模块I有利地可以由多个子模块形成，其中，每个子模块具有一个能量储存器和与该能量储存器连接的半导体开关半桥。
[0031]包括能量储存器9的子模块具有功率输出级，该功率输出级的输出连接端子14被示出。具有能量储存器9的子模块的功率输出级具有两个半导体开关，这两个半导体开关如同半导体开关3和4与能量储存器9的输出连接端子14和接触轨连接。
[0032]接触轨6在该实施例中具有指向横向于纵向延伸方向40的方向的凸起区域46和48，这两个凸起区域被设计成用于与具有相应切口的汇流排导电地且形状配合连接地接触。凸起区域46和凸起区域48在该实施例中被设计成矩形的，特别是被冲压的舌片，这些舌片分别被设计成接合到汇流排的相应的、例如缝隙形的切口中。凸起区域46和48在另一种改进方案中可以被设计成切割夹紧接触件。这些凸起于是如图1所示具有U形切口，该U形切口被设计成用于容纳前面提到的汇流排的导线或者凸起区域。
[0033]接触轨7具有两个凸起区域42和44，这两个凸起区域如同凸起区域46和48进行设计并且形成在接触轨7上。借助于接触轨的凸起区域(这些凸起区域在本实施例中形成中间电路电容器8的连接端子)，中间电路电容器8可以与中间电路，例如电动车辆的高压网电连接。前面提到的汇流排为此可以将能量储存器8和9的接触轨，例如也将功率模块的其它能量储存器的接触轨相互电连接。
[0034]图2示出了在图1中已示出的功率模块的接触轨6和7，以及它们的制造方法。半导体开关3和4例如在第一步骤中借助于钎焊与接触轨6和7的所述表面区段连接。半导体开关3和4也分别为了产生半桥而借助于钎焊与在图1中已示出的输出连接端子13连接。半导体开关3和4与表面区段10和11 一起在该实施例中在另一个步骤中被埋置在塑料体5中。
[0035]包括半导体开关3和4的半桥因此在该实施例中形成模制模块。接触轨6和7直到例如与所述表面区段10和11 一起埋置在塑料体中为止分别被设计成扁平延伸的冲压板材。接触轨6和7分别从模制模块、特别是塑料体5中伸出。然后接触轨6可以在另一个步骤中被折弯，特别是沿着在图1中所示的功率模块I的纵向延伸方向40。接触轨6的折弯位置6’用虚线表示。接触轨7如同接触轨6被折弯并且在折弯位置7’中被示出。然后在另一个步骤中，在图1中所示的能量储存器可以嵌入借助于接触轨形成的凹槽中，并且在另一个步骤中与接触轨电连接。
[0036]图3示出了功率模块2的一种实施例。功率模块2包括两个接触轨，即负接触轨30和正接触轨32。功率模块2也具有能量储存器8，该能量储存器8具有能量储存器8的负连接端子的导电层26和能量储存器8的正连接端子的导电层25。正接触轨32与导电层25连接。负接触轨30与导电层26连接。正接触轨32被折弯并且通过折弯的表面区段形成一个连接端子，该连接端子例如借助于钎焊与半导体开关3并且在那里与半导体开关3的连接面63、特别是漏极连接端子电连接。
[0037]接触轨30具有折弯的表面区段34，该表面区段与平行于接触轨36延伸的接触轨32的折弯的表面区段36对置。负接触轨30通过折弯的表面区段34形成一个连接端子，该连接端子例如借助于钎焊与半导体开关4并且在那里与半导体开关4的连接面60、特别是源极连接端子电连接。
[0038]表面区段34和36共同围成一个空腔，半导体开关3和4设置在该空腔中。在半导体3和4之间设有输出连接端子35，其中，半导体开关4通过连接面61、特别是漏极连接端子与输出连接端子35连接，以及半导体开关3通过连接面62、特别是源极连接端子与输出连接端子35连接。输出连接端子35在该实施例中被形成为扁平延伸的板材。
[0039]在形成于表面区段34与输出连接端子35之间的空腔中，除了半导体开关4之外还设有整流二极管70，该整流二极管与半导体开关4的开关路径并联。在形成于表面区段36与输出连接端子35之间的空腔中，除了半导体开关3之外还设有整流二极管72，该整流二极管与半导体开关3的开关路径并联。能量储存器8可以借助于整流二极管70和72 (例如在再生工作模式中)进行充电。整流二极管70和72的连接端子分别由整流二极管70和72的相互平行的表面区域形成。
[0040]例如被设计成MOS-FET晶体管的半导体开关3和4在该实施例中与表面区段34和36 —起，此外还与输出连接端子35的一部分一起被塑料物质38包围并且与塑料物质38一起形成功率输出级的半桥。塑料物质38例如由热固性塑料、特别是聚酰胺或者酚醛塑料形成。以这种方式形成模制模块的功率输出级(例如用于给电机的定子线圈供电)例如是借助于注塑制造的。
【权利要求】
1.用于电机的功率模块(1、2)，所述功率模块具有功率输出级(5)，所述功率输出级包括至少一个半导体开关(3、4)， 其特征在于，所述功率模块(1、2)包括能量储存器(8、9)，其中，所述功率输出级(5)的输入端与电的能量储存器(8、9)连接，以及所述能量储存器(8、9)具有与正接触轨(7)连接的正连接端子(25)和与负接触轨(6)连接的负连接端子(26)，其中，所述接触轨(6、7)的至少一个表面区段(10、11)分别与所述半导体开关(3、4)中的至少一个的连接面电连接。
2.如权利要求1所述的功率模块(1、2)， 其特征在于，所述正接触轨(7)和所述负接触轨(6)围成一个空腔，所述能量储存器(8,9)至少部分地或者全部地容纳在所述空腔中。
3.如权利要求1或2所述的功率模块(1、2)， 其特征在于，借助于所述接触轨(6、7)形成凹槽，其中，所述能量储存器(8、9)至少部分地或者全部地容纳在所述凹槽中。
4.如前述权利要求中任一项所述的功率模块(1、2)， 其特征在于，所述接触轨出、7)的所述表面区段(10、11)通过所述接触轨出、7)的沿着所述接触轨(6、7)的纵向延伸方向(40)折弯的区段形成。
5.如前述权利要求中任一项所述的功率模块(1、2)， 其特征在于，所述接触轨(30、32)分别以所述表面区段(34、36)相互隔开地重叠并且彼此围成一个间隙，其中，所述至少一个半导体开关(3、4)被包围在所述间隙中以及所述半导体开关(3、4)的至少一个连接端子(60、63)与至少一个接触轨(30、32)导电连接。
6.如前述权利要求1至4中任一项所述的功率模块(1、2)， 其特征在于，所述功率输出级具有两个半导体开关(3、4)，这两个半导体开关共同形成一个半桥以及所述半桥的高侧半导体开关(3)通过连接端子(63)与所述正接触轨(7、32)的所述表面区段(36、10)连接以及所述半桥的低侧半导体开关⑷与所述负接触轨(6、30)的所述表面区段(11、34)连接。
7.如权利要求6所述的功率模块(1、2)， 其特征在于，所述功率模块(1、2)具有输出连接端子(13、14、35)，所述输出连接端子与所述半桥(3、4)的输出端(61、62)连接，其中，所述输出连接端子(13、14、35)通过一个表面区段与所述高侧半导体开关(3)连接以及通过同一个或者另一个表面区段与所述低侧半导体开关(4)连接，其中，所述高侧半导体开关(3)设置在所述输出连接端子(13、14、35)的所述一个表面区段与所述正接触轨(7)的表面区段(10)之间，其中，所述低侧半导体开关(4)设置在所述输出连接端子(13、14、35)的所述同一个或者另一个表面区段与所述负接触轨(6)的表面区段(11)之间。
8.如前述权利要求中任一项所述的功率模块(1、2)， 其特征在于，所述半导体开关(3、4)的所述连接端子(60、61、62、63)分别由所述半导体开关(3、4)的彼此对置的表面区域形成。
9.如前述权利要求中任一项所述的功率模块(1、2)， 其特征在于，所述半导体开关(3、4)是场效应晶体管。
10.如前述权利要求中任一项所述的功率模块(1、2)，其特征在于，所述功率模块(1、2)与冷却元件(18)导热连接，其中，一个接触轨(6、7)的至少一个表面区段(10、12)或者此外还有所述输出连接端子(13、14)的一个表面区段与所述冷却元件(18)导热连接。
11.如前述权利要求中任一项所述的功率模块(1、2)， 其特征在于，所述功率模块(1、2)包括至少一个二极管(70、72)，所述二极管与所述半导体开关(3、4)的开关路径并联。
【文档编号】H01L25/16GK103988303SQ201280060858
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年11月21日 优先权日:2011年12月12日
【发明者】N·施奈德, A·舍恩克内希特, B·亚当, C·克卢特 申请人:罗伯特·博世有限公司