功率电子装置及其制造方法与流程

1.本发明描述一种功率电子装置及其制造方法，功率电子装置具有功率转换器模块，该功率转换器模块具有开关装置和第一直流(dc)电压端子元件和第二直流电压端子元件，开关装置具有基板，基板具有第一直流电压导体轨道和第二直流电压导体轨道，第一直流电压端子元件和第二直流电压端子元件以正确的极性以导电方式连接到所述导体轨道，并且功率电子装置具有第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件，其中第一直流电压端子元件以正确的极性以导电方式连接到相关联的直流电压连接元件，以及其中第二直流电压端子元件以正确的极性以导电方式连接到第二直流电压连接元件。


背景技术：

2.de 10 2009 043 181 a1公开了一种功率转换器装置，功率转换器装置具有多个功率转换器组件，功率转换器组件具有冷却装置、具有功率半导体模块以及每个功率转换器组件具有一个电容器装置。在这种情况下，功率半导体模块相邻于电容器装置布置。功率半导体模块的直流负载端子元件通过平面母线连接到电容器装置，其中该平面母线由具有绝缘中间层的第一和第二金属成形体形成，并且该平面母线在至少一个取向上覆盖电容器装置。通过第一金属成形体以及通过第二金属成形体，两个相邻的功率转换器组件的母线可以低电感方式连接到彼此，第一金属成形体使用第一连接体和第一连接装置连接，第二金属成形体使用第二连接体和第二连接装置连接。第一连接体另外被第二连接体覆盖。
3.de 10 2017 109 706 b3公开了一种功率电子装置，功率电子装置设计成具有功率转换器模块，功率转换器模块具有第一和第二直流电压端子元件以及第一和第二直流电压连接元件，第一和第二直流电压端子元件以及第一和第二直流电压连接元件分别以正确的极性以导电方式连接到所述导体轨道，其中第一和第二直流电压端子元件以及第一和第二直流电压连接元件始终形成一个堆叠，其中在每种情况下在它们之间布置有绝缘装置，第一直流电压端子元件在第一主平面中具有由此封闭的第一开口，第二直流电压连接元件在第三主平面中具有由此封闭并且与第一开口对准的第二开口，第二直流电压端子元件和第一直流电压连接元件布置在第二主平面中，并且在开口区域中与彼此横向地间隔开，第二主平面布置于第一主平面和第三主平面之间。在该装置中，夹紧装置以电绝缘的方式延伸通过第一开口和第二开口，从而在第一直流电压端子元件与第一直流电压连接元件之间以及在第二直流电压端子元件与第二直流电压连接元件之间形成导电的夹紧连接。


技术实现要素：

4.考虑到所提及的现有技术，本发明的目的是提出一种具有功率转换器模块的功率电子装置及其制造方法，其中用于功率转换器模块的外部连接的功率转换器模块的直流电压端子元件到直流电压连接元件的连接以低电感的方式并且以材料结合的方式实施。
5.根据本发明，该目的通过功率电子装置来实现，功率电子装置具有功率转换器模块，功率转换器模块包括开关装置、第一直流电压端子元件和第二直流电压端子元件，开关
装置具有基板，基板具有第一直流电压导体轨道和第二直流电压导体轨道，第一直流电压端子元件和第二直流电压端子元件以正确的极性以导电方式连接到第一直流电压导体轨道和第二直流电压导体轨道，并且功率电子装置具有第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件，其中第一直流电压端子元件通过材料结合的第一连接部以正确的极性以导电方式连接到第一直流电压连接元件，其中第二直流电压端子元件通过材料结合的第二连接部以正确的极性以导电方式连接到第二直流电压连接元件，其中在直流电压端子元件和相关联的直流电压连接元件之间的每个连接区域中，沿法线方向观察，第一直流电压端子元件和第二直流电压端子元件以及第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件分别形成堆叠，其中在它们之间布置有绝缘装置。
6.在此，法线方向理解为是指在材料结合连接部的区域中相应的端子元件或连接元件的主表面的法线方向。这些端子元件和连接元件在那具有相应的表面连接部段，这些表面连接部段也沿该法线方向对准。在此，术语“沿法线方向”应理解为是指正的法线方向和负的法线方向。
7.优选地，相应的材料结合连接部实施为焊接接头，特别是实施为激光焊接接头。
8.可能优选的是，第一连接部与第二连接部垂直于法线方向即横向地间隔开，并且连接彼此间不具有重叠的区域。
9.也可能有利的是，第一直流电压端子元件或第一直流电压连接元件搁置在支撑装置上，该支撑装置至少在连接的一个的区域中优选地设计为开关装置的壳体的一部分或设计为冷却装置的一部分。在这种情况下，第一直流电压端子元件或第一直流电压连接元件能够通过夹紧装置在第一连接部的区域中、优选地紧邻于第一连接部布置在支撑装置上。在这种情况下，夹紧装置可以设计成螺钉连接，并且具有至少部分地包围螺钉连接的绝缘套筒，并且因此能够以电绝缘的方式穿过第一直流电压端子元件中的开口，并且优选地还穿过在第二直流电压连接元件中的第二开口。
10.特别地，有利的是，第一直流电压端子元件布置在第一主平面中，第二直流电压端子和第一直流电压连接元件布置在第二主平面中，以及第二直流电压连接元件布置在第三主平面中，或者其中第一直流电压连接元件布置在第一主平面中，第二直流电压连接元件和第一直流电压端子元件布置在第二主平面中，以及第二直流电压端子元件布置在第三主平面中，并且主平面在法线方向上堆叠。
11.原则上，也可能有利的是，两个堆叠的绝缘装置在第一连接部和第二连接部之间的区域中彼此重叠。
12.每个相应的直流电压端子元件有利地设计为金属箔或金属片，其厚度优选为300μm至2000μm，特别优选为500μm至1500μm。还有利的是，相应的绝缘装置由具有高电介质强度的塑料材料形成，特别是由聚酰亚胺、乙烯四氟乙烯共聚物或液晶聚合物形成，其厚度优选地为50μm至500μm，特别优选为75μm至150μm。
13.原则上，直流电压连接元件能够形成功率转换器模块的直流电压源并且优选地设计为电容器装置的一部分。
14.该目的另外通过一种用于制造上述装置的方法来实现，其具有以下步骤：
15.a.相对于具有第一直流电压连接元件和第二直流电压连接元件的电容器装置，将具有第一直流电压端子元件和第二直流电压端子元件的功率转换器模块以这种方式布置，
使得第一直流电压连接元件的表面连接部段由此搁置在相关联的第一直流电压端子元件的表面连接部段上，以及使得第一直流电压端子元件或第一直流电压连接元件的表面连接部段对于焊接装置是能够接近的，表面连接部段与相关联的表面焊接部段相对地定位；
16.b.通过将第一直流电压连接元件焊接到第一直流电压端子元件来形成第一连接部；
17.c.将第二直流电压连接元件的表面连接部段布置在相关联的第二直流电压端子元件的表面连接部段上；
18.d.在第二表面焊接部段上通过将第二直流电压连接元件焊接(特别是使用激光焊接过程)到第二直流电压端子元件来形成第二连接部。
19.这样做，可能优选的是，在两个激光焊接过程中的激光束从相同的法线方向、优选地为负的法线方向作用在相应的表面焊接部段上。
20.在这种情况下，有利的是，在步骤a)期间，直流电压端子元件或直流电压连接元件在它们相应的表面连接部段的区域中间隔开并且优选地相对于彼此成角度。在这种情况下，有利的是，在步骤c)中，第二直流电压端子元件(52)或第二直流电压连接元件(62)在弯曲区域中弯曲。
21.表面连接部段确定了端子元件和连接元件的在其中形成材料结合连接部(即，优选的激光焊接接头)的那些部分。相应的表面焊接部段确定了端子元件和连接元件的激光作用于其上以形成连接的那些部分。
22.当然，只要不固有地或不明确地排除这种情况，在根据本发明的装置中，以单数形式提及的特征，特别是功率转换器模块，也可以存在多个。
23.不言而喻，本发明的各个实施例可以单独地或以任何组合的方式实施，以实现改进。特别地，在没有背离本发明的范围的情况下并且不管是否在装置或方法的上下文中公开它们，上文以及下文中提及和解释的特征不仅可以示出的组合使用，而且还可以其他组合或单独地使用。
附图说明
24.从在图1至图11中示意性示出的本发明的示例性实施例的以下描述或从其相应的部分，本发明的进一步解释、有利的细节和特征是显而易见的。
25.图1以剖视图示意性地示出方法步骤b)期间的功率电子装置的第一设计的细节。
26.图2示出方法步骤d)期间的该功率电子装置。
27.图3示出根据本发明的功率电子装置的功率转换器模块的三维局部视图。
28.图4以剖视图示意性地示出功率电子装置的第二配置的细节。
29.图5示出根据本发明的功率电子装置的功率转换器模块的三维局部视图。
30.图6示出用于连接到该功率转换器模块的电容器装置。
31.图7以剖视图示意性地示出方法步骤b)期间的功率电子装置的第三设计的细节。
32.图8示出根据本发明的方法的基本步骤。
33.图9示出根据本发明的功率电子装置的三维视图。
34.图10和图11以不同的三维视图示出方法步骤b)期间的该功率电子装置。
具体实施方式
35.图1以剖视图示意性地示出在方法步骤b)期间的功率电子装置1的第一设计的细节，而图2示出在方法步骤d)期间的该功率电子装置1。两幅附图示出功率转换器模块2，功率转换器模块2具有开关装置4，该开关装置4布置在金属底板3上，金属底板3在此被设计为液体冷却装置。为了提供从液体冷却装置3的电绝缘以及到液体冷却装置3的热耦合，该开关装置4具有绝缘材料体40，绝缘材料体40实施为陶瓷体。在背离液体冷却装置3的一侧上，该陶瓷体40具有多个导体轨道42，这些导体轨道42在开关装置4的操作中具有不同的电势。这些导体轨道42之一，即第一直流电压导体，具有第一直流电压电势，而另外的第二直流电压导体轨道，具有第二直流电压电势。作为示例，开关装置4形成功率转换器电路。
36.在这些导体轨道42中的至少一个上，以标准方式布置的多个功率半导体装置44连接以形成电路，该导体轨道42与绝缘材料体40一起形成开关装置4的基板。在该实施例中的连接实施为标准膜复合物46，其由交替堆叠的导电膜和电绝缘膜制成。
37.为了外部连接，功率转换器模块2具有两个直流电压端子元件50、52，该直流电压端子元件50、52分别以导电的方式连接到承载直流电压电势的直流电压导体轨道42中的一个。该连接以标准方式实施，在这种不受一般性限制的情况下，实施为压力烧结连接。这些直流电压端子元件50、52用于到相关联的直流电压连接元件60、62的连接，该直流电压连接元件60、62优选地连接至电容器装置(参见图6)。在方法步骤b)之前以及在方法步骤b)期间，直流电压连接元件60、62在它们各自的表面连接部段600、620的区域中与彼此间隔开，即，待连接到分配的直流电压端子元件50、52的表面连接部段500、520并且相对于彼此成一定角度的那些部段，在此纯粹作为示例，相对于彼此成直角。通过在弯曲区域624处使第二直流电压连接元件62弯曲来形成该角度。
38.在方法步骤b)期间，第一直流电压连接元件50已经搁置在壳体20的支撑表面240上。第二直流电压端子元件52相对于第一直流电压连接元件50凹进地终止，结果是其表面连接部段500可从上方(即在负的法线方向上，即也就是在负的z方向上)接近。在方法步骤a)中，第一直流电压连接元件60的表面连接部段600布置在表面连接部段500上。在表面连接部段600的相对表面上是其表面焊接部段602。通过焊接激光器的第一激光束700在该表面焊接部段602上的作用来形成第一焊接接头70，参见图2。
39.在随后的方法步骤c)中，第二直流电压连接元件62的表面连接部段620布置在相关联的第二直流电压端子元件52的表面连接部段520上。为此目的，在第二直流电压连接元件62的弯曲区域624中，成角度的部段以由虚线弯曲的箭头表示的方式弯曲，使得两个直流电压连接元件60、62再次在示出的整个长度上彼此平行地延伸。
40.如图2中所示，焊接激光器的第二激光束720在第二直流电压连接元件62的表面焊接部段622上的作用现在形成了第二连接部72，参见图4，因此在此形成了第二焊接接头，该第二连接部72在第二直流电压端子元件52和第二直流电压连接元件62之间。
41.在直流电压端子元件50、52与直流电压连接元件60、62之间的连接的区域中，第一直流电压端子元件50和第二直流电压端子元件52形成堆叠，其中在两个直流电压端子元件50、52之间布置有绝缘装置54，并且在图4中以示例性形式示出。第一直流电压端子元件50搁置在功率转换器模块2的壳体20(仅部分地示出)的支撑表面240上。在该设计中，该壳体20仅实施为部分壳体22，并且因此没有如将是可能那样地完全封闭开关装置4。
42.在第一直流电压端子元件50的表面连接部段500的区域中，其路线由第一主平面he1限定。第二直流电压端子元件52的表面连接部段520的区域和第一直流电压连接元件60的表面连接部段600的区域限定了第二主平面he2，第二主平面he2在法线方向n(在这种情况下，为正z方向)上紧随第一主平面。第二直流电压连接元件62的表面连接部段620的区域限定了第三主平面he3，其在远离冷却装置的方向上因此在法线方向n上紧随第二主平面。
43.功率转换器模块2的壳体20本身由耐高温的塑料形成，在此是聚苯硫醚，该耐高温的塑料也具有高的抗弯强度。直流电压端子元件50、52以及直流电压连接元件60、62实施为厚度为700μm的薄金属片，在此更精确地是铜片。在直流电压端子元件50、52之间以及在直流电压连接元件60、62之间的绝缘装置54、64均由厚度为100μm的具有高电介质强度的塑料制成，在此由乙烯四氟乙烯共聚物或液晶聚合物制成。
44.图3示出根据本发明的功率电子装置的功率转换器模块的三维局部视图，如图1和图2中描述的。在此还示出壳体20的盖元件26。
45.图4以剖视图示意性地示出功率电子装置1的第二设计的细节。这与第一设计的不同之处在于，在此还存在一个夹紧装置74，该夹紧装置实施为螺钉连接740。图5示出根据本发明的该功率电子装置的功率转换器模块2的三维局部视图。图6示出具有电容器元件80的电容器装置8和用于连接至功率转换器模块的直流电压连接元件60、62。
46.在此，第一直流电压端子元件50具有第一开口500，以及第二直流电压端子元件52相对于该第一开口510凹进并且具有横向缩回部。类似地，第二直流电压连接元件62具有第二开口610，第一直流电压连接元件52相对于该第一开口510终止在凹进的位置中并且具有横向缩回部。此外，壳体20还具有与第一开口510对准的第三开口210。所有开口210、510、650与彼此对准地布置，其中螺钉连接740的螺钉穿过所有开口210、510、650，并且端子元件和连接元件固定在壳体20上。替代地，但未示出，螺钉连接的螺钉也可以接合在装配有内螺纹的冷却装置3的另一开口中，并且从而将功率转换器模块附加地固定在其上。
47.图7以剖视图示意性地示出在方法步骤b)期间的功率电子装置1的第三设计的细节。与根据图1至图3的第一设计相比，第一直流电压连接元件60以电绝缘的方式实际上直接地并且因此以优异的热导率搁置在冷却装置3上。为此目的并且纯粹作为示例，冷却装置具有隆起部30，隆起部30具有支撑表面340。
48.第一直流电压端子元件50以其表面连接部段500搁置在第一直流电压连接元件60的表面连接部段600上。焊接激光器的第一激光束700在表面焊接部段602上的作用用于形成第一焊接接头，表面焊接部段与第一直流电压连接元件60的表面连接部段600相对。
49.紧接其后，在方法步骤c)中，将第二直流电压端子元件52的表面连接部段520布置在第二直流电压连接元件62的表面连接部段620上。为此目的，第二直流电压端子元件52在弯曲区域524中成角度。同时，第一绝缘装置54也成角度，然后搁置在第一直流电压端子元件50上，并且与第一直流电压端子元件50重叠，使得第一绝缘装置54也与第二绝缘装置64部分地重叠。
50.在方法步骤d)中，焊接激光器的第二激光束720在表面焊接部段622上的作用则在第二直流电压端子元件52和第二直流电压连接元件62之间形成第二焊接接头，表面焊接部段与第二直流电压连接元件62的表面连接部段620相对。
51.图8以平面图示出从法线方向n，即从z方向到端子元件和连接元件上的根据本发
明的方法的基本步骤。
52.该图的顶部部分示出具有其表面连接部段500的第一直流电压端子元件50和具有其表面连接部段520的第二直流电压端子元件52。
53.在中央，附加地示出第一直流电压连接元件60，该第一直流电压连接元件60以其表面连接部段搁置在第一直流电压端子元件50的表面连接部段500上。还示出每个第一直流电压连接元件60的与表面连接部段600相对的表面焊接部段602。还示出激光轨道704，该激光轨道704是在通过激光焊接来在该表面焊接部段602上形成第一连接部时产生的。
54.在此，在一些部段中，第二直流电压连接元件60沿法线方向n从绘图平面突出，并且为此目的在其弯曲区域624中成角度。
55.图的下部部分示出在其弯曲区域624处弯曲之后的第二直流电压连接元件62，使得其表面连接部段620现在搁置在第二直流电压端子元件52的表面连接部段520上。在这些表面连接部段之间的该连接是通过激光焊接进行的。还示出激光轨道724，该激光轨道724是在第二直流电压连接元件62的表面焊接部段622上形成第二连接部时产生的。
56.图9示出根据本发明的功率电子装置的三维视图。图10和图11以不同的三维视图示出在方法步骤b)期间的该功率电子装置。上文已经描述了示出的所有基本元件。