专利名称：具有第一和第二子系统的功率电子系统的制作方法
技术领域：
本发明描述一种集成功率电子系统，优选用于构造由此实现的、变流器(例如三相逆变器)形式的电路装置。这种系统优选应用在不同类型的车辆(特别是也在商用车辆)的电驱动装置中。
背景技术：
基本上公知，这种功率电子系统由各个功率半导体模块例如根据DE102009037257A1以外部布线即以功率半导体模块的外部联接元件彼此间的连接构建。这种系统具有如下优点，即，可以通过缩放而任意地与所需的功率匹配。然而由此随之也出现如下缺点该系统由多个单个组件组成，并且因此不能构造紧凑的单元。同样公知，这种功率电子系统例如根据DE 10127947A1设计为集成的系统。在这 种构建为三相逆变器的系统中，三个相分别配属有自己的开关设备，所述开关设备与共同的内部直流电压连接彼此连接，并且与外部直流电压负载联接元件连接。公知，将该直流电压连接直接与用于所有开关设备的共同电容器设备连接。这种系统具有如下优点，即，在具有优越的电学特性的同时具有紧凑的设计。然而其含有如下缺点由于其集成许多组件而不能简单地进行缩放并且由此不能简单地进行与不同功率的匹配。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种功率电子系统，该功率电子系统形成紧凑的单元，并且同时能够进行简单缩放，即能够进行与不同的功率的匹配并且也能够进行不同的电路装置的构造。该目的根据本发明通过具有权利要求I的特征的功率电子系统来解决。优选的实施形式在各自的从属权利要求中描述。所提出的功率电子系统具有冷却设备；至少一个第一子系统和至少一个第二子系统，所述至少一个第一子系统和所述至少一个第二子系统借助至少一个内部连接设备彼此符合电路要求地连接；以及朝向冷却设备地覆盖子系统的壳体。优选，所有子系统在行列中并排地布置。所述至少一个第一子系统具有开关设备，该开关设备具有冷却构件，绝缘材料体和外部交流电压负载联接元件。开关设备优选由电绝缘的衬底形成，该衬底具有布置在其第一主面上的并且符合电路要求地连接的功率半导体器件，所述功率半导体器件构造功率电子电路。此外，开关设备具有不同极性的内部负载联接元件，所述内部负载联接元件中的至少一个与外部交流电压负载联接元件整体地或分体地连接。冷却构件在此情况下与衬底的第二主面连接并且在其上与用于导出在那里所出现的废热的功率半导体器件热接触。冷却构件本身与冷却设备导热地连接。此外，绝缘材料体包围所配属的开关设备(该开关设备可以构造为半桥电路)，并且将整个子系统借助紧固件固定到冷却设备上。
所述至少一个第二子系统原则上类似于第一子系统地构建，但额外地具有至少一个外部直流电压负载联接元件，但是优选具有两个外部直流电压负载联接元件，所述外部直流电压负载联接元件分别适于与相同极性的内部负载联接元件连接。此外，可能有利的是，每个第一子系统和第二子系统具有自己的电容器设备，该电容器设备为其固定而与各自的绝缘材料体连接。于是在此情况下，电容器设备的接触设备与开关设备的内部负载联接元件极性正确地导电连接。同样优选的是，所述至少一个第一子系统和所述至少一个第二子系统具有带有自己的从属的开关电路板的自己的控制电路。该开关电路板为其固定而可以与各自的绝缘材料体机械连接。同样，该开关电路板可以与开关设备的辅助联接元件导电地连接。备选地，对于多个子系统而言可能优选的是，不依赖于是否涉及第一子系统或第二子系统地设置有带有所属的开关电路板的共同的控制电路。该电路板于是为其固定也可以与子系统的各自的绝缘体机械连接。同样，开关电路板可以与所配属的电路设备的辅助联接元件导电连接。 为了实现紧凑的设计，任何开关电路板与所配属的单个开关设备或与所有并排布置的子系统的所配属的单独开关设备或与并排布置的子系统的所有开关设备成60°到90°之间的角度。此外可能有利的是，开关电路板直接临近在所配属的子系统的外部交流电压负载联接元件地布置，或者间接临近所配属的子系统的外部交流电压负载联接元件地布置。特别是当开关电路板与至少一个设置在外部交流电压负载联接元件上的电流传感器连接时，这是有利的。所述至少一个连接设备极性正确地且导电地将所述至少一个第一子系统的并且优选还有所述至少一个第二子系统的内部负载联接元件与外部直流电压负载联接元件(设置为至少一个第二子系统的部分)连接。
创造性的解决方案借助根据图I至5的实施例进一步予以阐述。图I以三维示图示出根据本发明的带有其壳体的第一功率电子系统。图2和3以三维不图和部分以分解不图不出不带壳体的第一功率电子系统。图4不出不带壳体的第一功率电子系统的俯视图。图5以三维示图示出不带壳体的根据本发明的第二功率电子系统。
具体实施例方式图I以三维示图示出在三相逆变器的设计中根据本发明的第一功率电子系统I。示意性地示出例如构造为水冷却设备的冷却设备10。该系统的内部组件由壳体20朝向该冷却设备10地覆盖。壳体10本身在相应的凹缺部220、240、260处由外部联接元件22、24、26穿透。在壳体10的第一端侧上布置有两个外部的构造为螺栓连接的直流电压负载联接元件24、26。在壳体10的对置的第二端侧上，以基本相同的技术模式示出外部交流电压负载联接元件22。
在上端侧处在两组中设置有外部辅助联接元件28，所述外部辅助联接元件特别是用于联接控制信号和传感器信号。图2和3在三维示图中并且部分地在分解示图中示出不带有所配属的壳体的、具有各个细节的部分不同地设计的第一功率电子系统I。又不出冷却设备10,在此该冷却设备具有多个凹缺部160，分别用于布置各所属子系统30、31的各个冷却构件60。分别设置有两个第一子系统30和一个第二子系统31，其中所述子系统30、31中的每个都包含半桥拓扑结构的功率电子电路50，由此，功率电子系统I构造三相桥式电路。所述两个第一子系统30分别具有一个冷却构件60，该冷却构件具有其上材料锁合(stoffschlilssig)地并且导热连接的衬底510。在衬底510的与冷却构件60对置的端侧上设置有功率电子电路512，该功率电子电路与衬底510和与冷却构件60 —起形成子系统30的开关设备50。内部联接元件52、54、56、58从功率电子电路512出发。在此示出各两个直流电压负载联接元件54、56、交流电压负载联接元件52和多个控制联接元件58。所 述控制联接元件58在此构造为联接接片，其中作为对此的备选，例如弹簧接触元件或接触针同样是合适的。内部负载联接元件52、54、56分别构造为面式接片。内部交流电压负载联接元件52具有布置在其上的电绝缘的电流传感器520。在内部交流电压负载联接元件的分布中，该内部交流电压负载联接元件52与外部交流电压负载联接元件22力锁合(kraftschlussig)地或优选(例如借助焊接连接构造地)材料锁合地连接。外部交流电压负载联接元件22如图I中所示穿过在此未示出的壳体。在同样为第一子系统30的部分的绝缘材料体32上布置有外部交流电压负载联接元件22。此外，该绝缘材料体32以框架形式包围开关设备50，并且具有紧固设备300，以便将子系统30并且由此也将开关设备50固定到冷却设备10上。在所示设计中，冷却设备10分别具有凹陷形式的凹缺部160，开关设备50的所配属的冷却构件60完全处于该凹缺部中。因此，绝缘材料体32平整地安放在冷却构件10上，并且因此开关设备50牢固地固定到冷却设备10机械上。因此，整个开关设备50在此情况下仅部分地被绝缘体在由冷却设备10中伸出的上部区域中包围。此外，在根据图2的设计中，每个绝缘材料体32具有用于固定所配属的未示出的开关电路板的保持设备328，该开关电路板包含用于子系统50的控制电路。该开关电路板在此直接临近内部交流电压负载联接元件52地设置，以便一方面允许与开关设备50的内部辅助联接元件58的短连接路径，又允许与布置在内部交流电压负载联接元件52上的电流传感器520的短连接路径。为了整个功率电子系统I的紧凑的设计，开关电路板38在此竖立地布置，即以与开关设备50成60°到90°之间的角度地设置。根据图3的设计示出开关电路板38的基本相同的布置，然而在此针对所有三个相设置有一个共同的开关电路板38，由此可以简化地设计控制电路，这是因为一些电子组件只须设置一次。同样在图3中示出(但在图2中未示出)每个子系统30、31的电容器设备80，该电容器设备为了其固定(即其机械紧固)而与绝缘材料体32、33连接，并且在此甚至部分由该绝缘材料体包围或围绕。电容器80的联接元件极性正确地与所配属的开关设备50的内部直流电压负载联接元件54、56连接。
为了直流供电，功率电子系统I具有两个外部直流电压负载联接元件24、26，一个具有正极性而一个具有负极性，所述两个直流电压负载联接元件是第二子系统31的部分，该第二子系统在两个第一子系统30之间布置在或布置到冷却设备10上。第二子系统31的外部直流电压负载联接元件24、26与两个连接设备74、76导电连接。所述连接设备74、76在此构造为面式金属成型体，所述面式金属成型体分别具有用于与外部直流电压负载联接元件连接的第一接触区段，和用于与第一子系统30的和第二子系统31的内部直流电压负载联接元件54、56导电连接的第二面式区段。绝缘材料体32、33中的每个在此情况下具有矩形的基本形状，其也形成每个子系统30、31的基本形状。内部负载联接元件52、54、56和外部负载联接元件22、24、26在此情况下以如下方式地配属于该基本形状的窄边，即，使得绝缘材料体32、33并且由此还有子系统30、31经由其纵向端侧可排列在彼此旁边，以便特别紧凑地设计功率电子系统I。图4示出类似于依据图3的功率电子系统的、同样不带有壳体的第一功率电子系统I的俯视图。在此可以特别清楚地看到第一子系统30与第二子系统31的基本的类似性，所述第一子系统30与第二子系统31仅通过外部直流电压负载联接元件24、26的存在性和 所属的在绝缘材料体33上的紧固的存在性来区分。同样可看到用于将子系统30、31固定到冷却设备10上的紧固设备300。同样，模块化的结构变得特别明显，该模块化的结构基本上使得第一子系统30和第二子系统31的任意的在彼此旁边的排列成为可能。图5在三维示图中示出根据本发明的又不带壳体的第二功率电子系统I。该功率电子系统I具有两个三相逆变器，所述两个三相逆变器具有借助所配属的外部直流电压负载联接元件24、26进行的共同的直流供电。这种功率电子系统I示例性地在电驱动的地面运输工具中使用，其中为行驶功能设置有逆变器，并且为负载的升降功能设置有第二逆变器。功率电子系统I在此情况下由五个第一子系统30和由一个第二子系统31组成,其中三个第一子系统30构造两个逆变器之一，并且两个第一子系统30和一个第二子系统31构造另外的逆变器。第一子系统31又具有开关设备50,该开关设备与冷却设备10导热地连接。此外，该开关设备具有内部直流电压负载联接元件和交流电压负载联接元件，所述两者布置在开关设备50的窄边上。各自的内部交流电压负载联接元件与所配属的外部交流电压负载联接元件22连接，所述外部交流电压负载联接元件的螺栓联接部穿透未示出的壳体地构造。此外在此每个外部交流电压负载联接元件22配属有电流传感器520。唯一的第二子系统31额外地与外部交流电压负载联接元件22正交布置地具有两个外部直流电压负载联接元件24、26，所述两个外部直流电压负载联接元件用于整个功率电子系统的供电。为此，所述外部直流电压负载联接元件24、26借助两个连接设备74、76与第一子系统30的和第二子系统31的所有开关设备的所有内部直流电压负载联接元件连接。所述两个逆变器中的每个都(配属于该逆变器的、形成该逆变器的子系统30、31地)具有控制电路。所述控制电路具有各一个开关电路板38，该开关电路板布置在子系统30、31的第二窄边上，并且该开关电路板与子系统30、31的、开关电路板38的位置成约90度的角度设置。因为在开关设备50的、背离冷却设备的端侧之上可以设置至少一个所配属的电容器设备，所以开关电路板38的所述布置可以形成整个功率电子系统I的特别紧凑的构型。
权利要求
1.功率电子系统(1)，所述功率电子系统具有冷却设备(10)，至少一个第一子系统(30)和至少一个第二子系统(31)，至少一个连接设备(74，76)和壳体(20)，其中， 所述至少一个第一子系统(30)具有开关设备(50)，所述开关设备具有与所述冷却设备(10)导热连接的冷却构件(40)和布置在此上的功率电子电路(60)，所述功率电子电路具有不同极性的第一内部负载联接元件(52，54，56);绝缘材料体(32)和外部交流电压负载联接元件(22)， 所述至少一个第二子系统(31)类似于所述第一子系统(30)地构建并且额外地具有至少一个外部直流电压负载联接元件(24，26)， 至少一个连接设备(74，76)将第一子系统(30)的和第二子系统(31)的内部直流电压负载联接元件(54，56 )与至少一个第二子系统(31)的外部直流电压负载联接元件(24，26 )极性正确地导电连接，并且其中， 所述壳体(20)朝向所述冷却设备(10)地覆盖所有子系统(30，31)。
2.根据权利要求I所述的功率电子系统，其中，所述绝缘材料体(32，33)至少部分地包围所配属的开关设备(50)，并且各自的第一子系统(30)或第二子系统(31)借助紧固件(300)固定到所述冷却设备(10)上。
3.根据权利要求I所述的功率电子系统，其中，每个第一子系统(30)和第二子系统(31)具有电容器设备(80)，所述电容器设备为其固定而与各自的绝缘材料体(32，33)连接，并且所述电容器设备与所述开关设备(50 )的第一内部直流电压负载联接元件(54，56 )极性正确地导电连接。
4.根据权利要求I所述的功率电子系统，其中，每个第一子系统(30)和第二子系统(31)具有带所属的开关电路板(38)的控制电路，所述开关电路板为其固定而与各自的绝缘材料体(32，33 )连接，并且所述开关电路板与所述开关设备(50 )的辅助联接元件(58 )导电连接。
5.根据权利要求I所述的功率电子系统，其中，针对多个子系统(30，31)设置有带有所属的开关电路板(38)的共同的控制电路，所述开关电路板为其固定而与所述子系统(30，31)的各自的绝缘材料体(32，33)连接，并且所述开关电路板与所述配属的开关设备(50)的辅助联接元件(58)导电连接。
6.根据权利要求5或6所述的功率电子系统，其中，所述开关电路板(38)与所述开关设备(50)成60°到90。之间的角度。
7.根据权利要求5或6所述的功率电子系统，其中，所述开关电路板(38)直接临近至少一个外部交流电压负载联接元件(22)地布置，并且与至少一个设置在该外部交流电压负载联接元件(22 )上的或设置在所配属的内部交流电压负载联接元件(52 )上的电流传感器(520)连接。
8.根据权利要求I所述的功率电子系统，其中，各自的功率电子电路(40)构造为半桥电路。
全文摘要
本发明涉及一种具有第一和第二子系统的功率电子系统，该功率电子系统具有冷却设备，至少一个第一子系统和至少一个第二子系统，至少一个连接设备和壳体。第一子系统具有开关设备，其具有与冷却设备导热连接的冷却构件和布置在此上的具有不同极性的第一内部负载联接元件的功率电子电路；绝缘材料体和外部交流电压负载联接元件。第二子系统类似于第一子系统地构建，并且额外地具有至少一个外部直流电压负载联接元件。连接设备连接第一子系统的和第二子系统的内部直流电压负载联接元件与第二子系统的外部直流电压负载联接元件。
文档编号H01L25/07GK102800638SQ20121016509
公开日2012年11月28日 申请日期2012年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者托马斯·弗兰克, 赖纳·波普, 斯特凡·魏斯 申请人:赛米控电子股份有限公司