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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktierungsanordnung,
ein Leistungsmodul darauf und ein Verfahren zum Herstellen eines
solchen Leistungsmoduls.
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Die
EP 1 632 117 B1 befasst
sich mit einer elektronischen Baugruppe zum Schalten elektrischer Leistung.
Die Baugruppe weist zwei voneinander beabstandete Leistungsversorgungsschienen
und eine Kondensatoranordnung auf, die die zwei Leistungsversorgungsschienen überbrückt.
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Bei
den bekannten Ansätzen
werden sogenannte Modulkondensatoren auf einer eigenen Platine aufgebaut
und mittels entsprechend langer Verbindungsanschlüsse mit
Leistungsmodulen verbunden. Neben dem zusätzlichen Platz für die Platine
ist auch ein weiteres Platinenlayout erforderlich. Zusätzlich ist
eine schlechte Platzausnutzung gegeben. Auch ist die Platine mit
zusätzlichem
Gewicht verbunden. Die langen Verbindungsanschlüsse haben eine höhere Induktivität zur Folge,
die eine Limitierung der Schaltfrequenzen der Leistungsmodule zur
Folge hat.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Kontaktierungsanordnung,
ein verbessertes Leistungsmodul und ein verbessertes Verfahren zum
Herstellen eines Leistungsmodul zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kondensatoranordnung gemäß Anspruch 1, durch ein Leistungsmodul
nach Anspruch 8 oder durch ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich
ein Kondensator durch den Einsatz speziell geformter Kondensatoranschlussbleche
ohne Lebensdauerverluste auf ein Substrat eines Leistungsmoduls
(Power Modul) aufbringen lässt.
Erfindungsgemäß kann eine
Beschädigung des
Kondensators infolge hoher Temperaturbeanspruchung durch den Lötprozess
verhindert werden. Dadurch kann die Kondensatorzuverlässigkeit
nach dem Fertigungsprozess sichergestellt werden.
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Ferner
wird durch die speziellen Kondensatoranschlussbleche ein kompaktes,
bauraumoptimiertes Design des Leistungsmoduls ermöglicht.
Dadurch können
Bauraum- und gewichtsoptimierte Kontaktierungen und insbesondere
auch eine niederinduktive Kontaktierung des Modulkondensators auf dem
Leistungsmodul oder Leistungselektronikmodul durchgeführt werden.
Dies führt
zu einer geringen parasitären
Induktivität
zwischen Leistungselementen und Kondensator. Auch ist eine bessere
thermische Anbindung des Kondensators an einen Modulkühler möglich.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Kontatkierungsanordnung für einen
elektrischen Kondensator in einem Leistungsmodul, mit:
einem
Kondensator mit einer ersten und einer zweiten Kontaktfläche, die
einander gegenüberliegend angeordnet
sind; und
einer ersten und einer zweiten Leitungsschiene, die jeweils
einen abgewickelten Bereich mit Ausnehmungen aufweisen;
einem
ersten Anschlussblech, das mit der ersten Kontaktfläche elektrisch
leitend verbunden ist, wobei das erste Anschlussblech an einem Ende
Fortsätze aufweist,
die in die Ausnehmungen in dem ersten abgewinkelten Bereich einer
ersten Leistungsschiene eingreifen und mit dieser elektrisch leitend
verbunden sind; und
einem zweiten Anschlussblech, das mit der
zweiten Kontaktfläche
elektrisch leitend verbunden ist, wobei das zweite Anschlussblech
an einem Ende Fortsätze aufweist,
die in die Ausnehmungen in dem ersten abgewinkelten Bereich einer
zweiten Leistungsschiene eingreifen und mit dieser elektrisch leitend
verbunden sind.
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Der
Kondensator kann zum Einsatz in einem Leistungsmodul geeignet sein.
Demnach können
die Leistungsschienen ausgebildet sein, um eine elektrische Verbindung
zwischen dem Kondensator und einem Substrat des Leistungsmoduls
bereitstellen. Insbesondere kann es sich bei den Leistungsschienen um
so genannte Powerbus Bar-Anschlüsse
handeln. Die Ausnehmungen der Leistungsschienen können als
Nuten oder Durchgangslöcher
realisiert sein. Vorteilhafterweise ist eine direkte Anbindung des
Modulkondensators, der aus dem Kondensator und den Anschlussblechen
bestehen kann, in das Leistungsmodul möglich. Dadurch kann eine geringe
Induktivität
und ein kompaktes Design erzielt werden. Dies ist durch die erfindungsgemäßen, speziellen
Anschlussgeometrien für
den Modulkondensator und die Leistungsschienen möglich. Insbesondere kann durch die
speziellen An schlussbleche und Leistungsschienen eine direkte Anbindung
des Modulkondensators in das Leistungselektronikmodul erfolgen.
Somit kann der Kondensator möglichst
nah am Leistungselektronikmodul angeordnet werden.
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Die
Kontaktflächen
und die Anschlussbleche können
parallel zueinander ausgerichtet sein. Auf diese Weise können die
Kontaktflächen
vollflächig mit
den Anschlussblechen verbunden werden. Der Kondensator kann platzsparend,
parallel über
dem Substrat angeordnet werden. Dabei ermöglichen die, in Bezug auf eine
Kondensatorausrichtung senkrecht angeordneten Anschlussbleche eine
kürzeste
Verbindung des Kondensators mit dem Substrat.
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Die
Kontaktierungsanordnung kann die erste und die zweite Leistungsschiene
aufweisen, wobei die Leistungsschienen parallel zu den Anschlussblechen
ausgerichtet sein. Somit kann die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung bekannte
Modulkondensatoren ersetzen, ohne dass Anpassungen am Substrat,
beispielsweise des Leistungsmoduls erforderlich sind.
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Die
Kontaktierungsanordnung kann Lötverbindungen
und/oder Schweißverbindungen
aufweisen, die ausgebildet sind, um zumindest einige der Fortsätze des
ersten Anschlussblechs mit der ersten Leistungsschiene und zumindest
einige der Fortsätze
des zweiten Anschlussblechs mit der zweiten Leistungsschiene zu
verbinden. Somit ist eine Lötung der
genuteten Kondensatoranschlussbleche mit den Leistungsschienen-Anschlüssen möglich.
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Vorteilhafterweise
können
die Lötverbindungen
jeweils auf einer dem Kondensator gegenüberliegenden Seite der Leistungsschienen
angeordnet sein. Somit können
die Lötverbindungen
auf einfache von außen
zugängliche
Art und Weise erstellt werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung können
die Anschlussbleche jeweils einen abgewinkelten Bereich aufweisen,
der jeweils geeignet ist, um formschlüssig an einen zweiten abgewinkelten
Bereich der Leistungsschienen anzugrenzen. Die abgewinkelten Bereiche
können
den Aufbau der Kondensatoranordnung stabilisieren und einen weiteren
elektrischen Kontakt darstellen.
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Ferner
kann die Kontaktierungsanordnung Schraubverbindungen aufweisen,
die ausgebildet sind, um die abgewinkelten Bereiche der Anschlussbleche
jeweils mit den zweiten abgewinkelten Bereichen der Leistungsschienen
zu verbinden. Somit kann eine zweifache Anbindung des Modulkondensators
an die Leistungsschienen geschaffen werden. Dabei können die
abgewinkelten Bereiche des Modulkondensators mit einem Zwischenkreisanschluss verschraubt
werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Leistungsmodul mit einer
erfindungsgemäßen Kontaktierungsanordnung
für einen
Kondensator.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen
eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls,
wobei die Leistungsschienen mit einem Substrat des Leistungsmoduls
verbunden sind, bevor die Anschlussbleche mit den Leistungsschienen
elektrisch leitend verbunden werden. Dadurch kann eine starke Temperatureinwirkung
auf den Kondensator vermieden werden, wenn die Leistungsschienen
mit dem Substrat verlötet
werden. Bei dem Substrat kann es sich um das Substrat des Leistungsmoduls
handeln. Das Substrat kann als Leiterplatte ausgeführt sein.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Kondensatoranordnung;
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2 eine
Darstellung der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung
während
der Herstellung;
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3 eine
weitere Ansicht der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung;
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4 eine
Ansicht von Kontaktstellen der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung;
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5 eine
Darstellung eines Leistungselektronikmoduls mit der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung;
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6 eine
Kondensatoranordnung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine
Darstellung einer Leistungsschiene und eines Anschlussblechs gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In
der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen
Zeichnungen dargestellten und ähnlich
wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser
Elemente weggelassen wird.
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1 zeigt
eine Kondensatoranordnung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Insbesondere ist eine finale Moduldarstellung
ohne Gehäuse
gezeigt. Die Kondensatoranordnung weist einen Kondensator 100,
ein erstes Anschlussblech 102 und ein zweites Anschlussblech 103 auf.
Die Anschlussbleche 102, 103 sind jeweils mit
Kontaktflächen
des Kondensators 100 verbunden. Die Kondensatoranordnung
kann ferner eine erste Leistungsschiene 105 und eine zweite
Leistungsschiene 106 aufweisen. Die Leistungsschienen 105, 106 können auf
einem Substrat 108, zum Beispiel dem Substrat eines Leistungsmoduls
angeordnet sein und mit den Anschlussblechen 102, 103 verbunden
sein. Somit kann der Kondensator 100 zwischen den Anschlussblechen 102, 103 und
die Anschlussbleche wiederum zwischen den Leistungsschienen 105, 106 angeordnet
sein. Gemäß der Darstellung
in 1 ist der Kondensator 100 parallel und oberhalb
zu einer Oberfläche
des Substrats 108 ausgerichtet.
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Die
Kontaktflächen
des Kondensators 100 können
gegenüberliegend
und parallel zueinander ausgerichtet sein. Die erste Kontaktfläche ist
mit dem ersten Anschlussblech 102 und die zweite Kontaktfläche mit
dem zweiten Anschlussblech 103 verbunden. Somit können die
Anschlussbleche 102, 103 parallel zu den Kontaktflächen ausgerichtet
sein. Die Anschlussbleche 102, 103 können aus
Metall sein. Die Anschlussbleche 102, 103 und
die Kontaktflächen
können
verlötet
sein, um eine elektrische und mechanische Verbindung zu schaffen.
Zum Erstellen der Lötverbindungen
können
bekannte Lötverfahren eingesetzt
werden.
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Zum
Verbinden der Anschlussbleche 102, 103 mit den
Leistungsschienen 105, 106 weisen die Anschlussbleche 102, 103 an
dem, dem Substrat 108 zugewandten Ende jeweils Fortsätze 110 auf.
Die Fortsätze 110 können durch
rechtwinklige Ausnehmungen in den Anschlussbleche 102, 103 ausgebildet
sein. Die Fortsätze 110 können über die
gesamte Länge
des Endes der Anschlussbleche 102, 103 oder nur
in Teilbereichen der Anschlussbleche 102, 103 ausgebildet
sein.
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Die
Leistungsschienen 105, 106 können aus Metall sein und in
ihrer Größe und Form
an die Anschlussbleche 102, 103 angepasst sein.
Somit können
die Anschlussbleche 102, 103 direkt an den Leistungsschienen 105, 106 anliegen.
Die Leistungsschienen 105, 106 können an
dem, dem Substrat 108 zugewandten Ende eine Biegung aufweisen.
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
sind die Leistungsschienen 105, 106 rechtwinklig,
jeweils in Richtung der angrenzenden Anschlussbleche 102, 103 gebogen.
Im Bereich der Biegung weisen die Leistungsschienen 105, 106 Ausnehmungen
auf. In die Ausnehmungen können
die Fortsätze 110 der
Anschlussbleche 102, 103 eingreifen. Eine Größe und Form
der Ausnehmungen kann daher an die Fortsätze 110 angepasst sein.
Auf diese Weise können
die Anschlussbleche von oben, entlang der Leistungsschienen 105, 106, mit
den Fortsätzen 110 in
die Ausnehmungen eingeführt
werden und dann auf dem abgewinkelten Bereich der Leistungsschienen 105, 106 aufliegen.
In dem abgewinkelten Bereich können
die Leistungsschienen 105, 106 Anschlusskontakte 112 aufweisen. Über die
Anschlusskontakte 112 können
die Leistungsschienen 105, 106 mittels bekannten
Verfahren, beispielsweise Lötverfahren,
elektrisch und mechanisch mit dem Substrat 108 verbunden
werden.
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Auf
dem, dem Substrat 108 gegenüberliegendem Ende können die
Anschlussbleche 102, 103 und die Leistungsschienen 105, 106 jeweils
einen abgewinkelten Bereich 114 aufweisen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel
sind die abgewinkelten Bereiche 114 durch Fortsätze der
Anschlussbleche 102, 103 und der Leistungsschienen 105, 106 geformt. Die
Fortsätze
sind dabei rechtwinklig, auf die dem Kondensator 100 jeweils
abgewandte Seite gebogen, um die abgewinkelten Bereiche 114 zu
schaffen. Die oben abgewinkelten Bereiche 114 der Anschlussbleche 102, 103 und
der Leistungsschienen 105, 106 können sich
jeweils überlappen
und somit Blechpakete ausformen. Die Blechpakte können ein Loch
zum Aufnehmen einer Schraube aufweisen.
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2 zeigt
die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung
während
der Herstellung, bei der der Modulkondensator, der aus dem Kondensator 100 und
den an den Kondensator 100 angelöteten Anschlussblechen 102, 103 besteht,
nachträglich
zwischen die Leistungsschienen 105, 106 geschoben wird.
Nachträglich
bedeutet hierbei, dass die Leistungsschienen 105, 106 zuvor
mit dem Substrat 108 verbunden wurden. Neben den bereits
an Hand von 1 beschriebenen Merkmalen sind
in 2 die Ausnehmungen 211 der Leistungsschienen 105, 106 gezeigt.
Die Ausnehmungen 211 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel
rechteckige Löcher,
die im Bereich der rechtwinkligen Biegungen der Leistungsschienen 105, 106 angeordnet
sind und sich beidseitig der Biegung erstrecken.
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Um
die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung
herzustellen, können
zunächst
der Kondensator 100, die Leistungsschienen 105, 106 und
die Anschlussblech 102, 103 bereitgestellt werden.
In einem Verfahrensschritt erfolgt ein Verbinden der Anschlussbleche 102, 103 mit
den Kontaktflächen
des Kondensators 100. Dabei kann ein Lötprozess eingesetzt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Verbinden der Anschlussbleche 102, 103 mit den
Leistungsschienen 105, 106. Das Verbinden kann
durch eine Steckverbindung mittels der Fortsätze 110 und den Ausnehmungen 211,
eine Lötverbindung
und zusätzlich
durch eine Schraubverbindung der abgewinkelten Bereiche 114 realisiert
werden. Die abgewinkelten Bereiche 114 können vor
oder nach dem Zusammenfügen
des Kondensatormoduls 100, 102, 103 mit
den Leistungsschienen 105, 106 ausgebildet werden.
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Somit
können,
um den Kondensator 100 ”in” das Leistungsmodul zu integrieren,
die folgenden Schritte in sinnvoller jedoch frei wählbarer
Reihenfolge durchgeführt
werden. In einem Verfahrensschritt können die Anschlussbleche 102, 103 für den Kondensator 100 entsprechend
eines bekannten Prozesses auf den Kondensator 100 aufgebracht
werden. Dazu kann der Kondensator 100 mit speziell geformten
(genuteten) Anschlussblechen 102, 103 bestückt werden.
Ferner können
die Leistungsschienen 105, 106 mit einem bekannten
Prozess auf das Substrat 108 aufgebracht werden. Dies kann
das Aufbringen der ”metallischen” Leistungsschienen 105, 106 unter hoher
Temperatur auf Kupferbahnen des Trägersubstrates 108 umfassen.
Dabei kann für
das Einhalten der späteren
Abstände
bereits ein Dummy-Kondensator inklusiv Anschlüssen positioniert sein oder
es kann mittels einer entsprechenden Lötvorrichtung die richtige Positionierung
der Leistungsschienen-Anschlüsse gewährleistet
sein. Nach Abkühlung
der Verbindungen der Leistungsschienen kann der eigentliche Kondensator 100 mit
den Anschlussblechen 102, 103 in die Leistungsschienen-Nuten 211 eingeführt werden
und mit Hilfe eines bekannten Lötprozesses
oder Schweißprozesses
mit den Leistungsschienen 105, 106 verbunden werden.
Abschließend
können
die einzelnen Blechpakete oben entsprechend in Form gebracht werden
und mit dem Zwischenkreisanschluss verschraubt werden. Dabei können die
oberen Kondensatoranschlüsse 114 mit den
oberen Leistungsschienen-Anschlüssen
um 90° abgewinkelt
und anschießend
mit den Zwischenkreisanschlüssen
verschraubt werden. Somit kann eine Anbindung des Modulkondensators
mittels Anlöten
des Kondensators 100, bzw. seiner Anschlüsse 102, 103 auf
die Leistungsschienen-Anschlüsse
erfolgen, ohne dass die Kondensatorfolie einer zu hohen Temperatur
ausgesetzt wird.
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3 zeigt
eine Darstellung der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung von
unten. Insbesondere sind Kontaktstellen des Modulkondensators mit
der Leistungsschiene 106 in einer Ansicht von außen gezeigt.
Die Kontaktstellen bestehen in den Bereichen, in denen die Fortsätze 110 des
Anschlussblechs in die Ausnehmungen der Leistungsschiene 106 eingreifen.
Zum Verbinden des Anschlussblechs mit der Leistungsschiene 106 können die
Fortsätze 110 von
außen
mit der Leistungsschiene 106 verlötet werden.
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4 zeigt
eine Darstellung eines Teilbereichs der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung.
Insbesondere sind weitere Kontaktstellen zwischen dem Modulkondensator
und der Leistungsschiene 105 in einer Ansicht von innen
gezeigt. Die Kontaktstellen sind mittels der Anschlusskontakte 112 realisiert.
Die Anschlusskontakte 112 sind als abgewinkelte Fortsätze der
Leistungsschiene 105 realisiert. Die Anschlusskontakte 112 können plan
auf einer Leiterbahn des Substrats 108 aufliegen und mit der
Leiterbahn verlötet
sein. Die Anschlusskontakte 112 können mehrfach, z. B. rechtwinklig
gebogen sein, um thermische und mechanische Spannungen auszugleichen.
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5 zeigt
eine Darstellung der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung als
Teil eines Leistungselektronikmoduls. Insbesondere ist ein Prinzipbild
des Leistungselektronikmoduls gezeigt, das die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung
aufweist. Das Leistungselektronikmodul weist ein Gehäuse 520 auf.
Das Gehäuse 520 umschließt den Kondensator
der Kondensatoranordnung zumindest teilweise. Ferner ist eine Anschlussleitung
gezeigt, die mittels einer Schraubverbindung mit der Kondensatoranordnung
verbunden ist.
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6 zeigt
eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Kondensatoranordnung unterscheidet sich
von den vorangegangenen Ausführungsbeispielen
insbesondere in der Ausgestaltung der Leistungsschienen. Gezeigt
sind unter anderem ein Anschlussblech 603 und eine Leistungsschiene 606 der Kondensatoranordnung.
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7 zeigt
eine Darstellung des Anschlussblechs 603 und der Leistungsschiene 606 der
in 6 gezeigten Kondensatoranordnung. Die Leistungsschiene 606 weist
Ausnehmungen auf, in die die Fortsätze 110 des Anschlussblechs 603 eingeschoben
werden können.
Um die Ausnehmungen auszubilden, kann die Leistungsschiene 606 mehrfach
3-seitig gestanzt sein. Die ausgestanzten Bereiche bilden Fortsätze 730,
die parallel zu den Fortsätzen 110 des
Anschlussblechs 603 ausgerichtet sein können. Die Fortsätze 110 des
Anschlussblechs 603 können
dabei sowohl seitlich als auch längs über die Fortsätze 730 der
Leistungsschiene 606 überstehen. Die
nicht-ausgestanzten Bereiche der Leistungsschiene 606 sind
umgebogen und können
an den Enden die Anschlusskontakte 112 ausbilden. Alternativ zum
Stanzen, können
die Fortsätze 730 durch Schneiden,
Lasern oder auf andere Weise freigestellt sein.