DE102021214754A1 - Inverter module with flat spring for fastening power semiconductor modules - Google Patents

Inverter module with flat spring for fastening power semiconductor modules Download PDF

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Abstract

Inverter-Modul (1) mit einer Grundplatte (2), auf der drei Leistungsmodule (3) aufliegen, wobei auf den Leistungsmodulen (3) eine Flachfeder (4) aufliegt, die über Verbindungsmitteln mit der Grundplatte (2) verbunden ist, wobei sich die Flachfeder (4) durchgängig über alle Leitungsmodule (3) erstreckt und eine Vorspannung auf alle Leistungsmodule (3) ausübt.Inverter module (1) with a base plate (2) on which three power modules (3) rest, with a flat spring (4) resting on the power modules (3) which is connected to the base plate (2) via connecting means, wherein the flat spring (4) extends continuously over all line modules (3) and exerts a pretension on all power modules (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Inverter-Modul mit einer Grundplatte, auf der drei Leistungsmodule aufliegen, wobei auf den Leistungsmodulen eine Flachfeder aufliegt, die über Verbindungsmitteln mit der Grundplatte verbunden ist.The invention relates to an inverter module with a base plate on which three power modules rest, with a flat spring resting on the power modules, which is connected to the base plate via connecting means.

Stand der TechnikState of the art

Leistungshalbleitermodule weisen zu ihrer externen elektrischen Kontaktierung üblicherweise Lastanschlüsse auf, über die hohe Lastströme von beispielsweise mehr als 200 A fließen können. Zum schnellen Schalten dieser Lastströme weist das Leistungshalbleitermodul einen oder mehrere steuerbare Leistungshalbleiterschalter auf, mit denen mindestens ein solcher Lastanschluss elektrisch verbunden ist. Aufgrund unvermeidlicher Streuinduktivitäten, die durch die elektrische Verbindung zwischen den betreffenden Leistungshalbleiterschaltern und den Anschlusskontakten verursacht werden, treten insbesondere beim Abschalten der Leistungshalbleiterschalter hohe Spannungsspitzen auf, durch die die Leistungshalbleiterschalter zerstört werden können. Deshalb wird generell versucht, sowohl interne Verbindungsleitungen zwischen den betreffenden Leistungshalbleiterchips und dem Anschlusskontakt als auch mit dem Anschlusskontakt verbundene, modulexterne Anschlussleiter möglichst niederinduktiv auszuführen. Allerdings besitzt der Verbindungsbereich, an dem ein modulexterner Anschlussleiter mit dem Leistungshalbleitermodul verschraubt ist, einen signifikanten Anteil der Gesamtinduktivität.For their external electrical contacting, power semiconductor modules usually have load terminals through which high load currents of more than 200 A, for example, can flow. For rapid switching of these load currents, the power semiconductor module has one or more controllable power semiconductor switches, to which at least one such load connection is electrically connected. Due to unavoidable stray inductances caused by the electrical connection between the relevant power semiconductor switches and the connection contacts, high voltage peaks occur, in particular when the power semiconductor switches are switched off, which can destroy the power semiconductor switches. For this reason, attempts are generally made to design both internal connecting lines between the relevant power semiconductor chips and the connection contact and also module-external connection conductors connected to the connection contact to be as low-inductive as possible. However, the connection area at which a module-external connection conductor is screwed to the power semiconductor module has a significant proportion of the total inductance.

DE 10 2010 000 908 A1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse, sowie in diesem Gehäuse angeordneten Leistungshalbleiterchips. Außerdem ist mindestens eine Anschlusslasche zur externen elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls vorgesehen, die im Inneren des Gehäuses elektrisch leitend an dem Leistungshalbleiterchip angeschlossen ist, und die sich bis zur Außenseite des Gehäuses erstreckt und dort mit einem Verbindungsanschluss zum Herstellen einer externen elektrischen Verbindung des Leistungshalbleitermoduls versehen ist. Das Leistungshalbleitermodul weist außerdem ein Federelement auf, das zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses angeordnet und in einem zwischen dem Leistungshalbleiterchip und dem Verbindungsanschluss befindlichen Abschnitt der Anschlusslasche elektrisch leitend mit der Anschlusslasche verbunden ist. Das Federelement ist so ausgebildet, dass es nach einem Verschrauben eines vom Leistungshalbleitermodul unabhängigen, modulexternen Anschlussleiters mit dem Verbindungsanschluss einen elektrisch leitenden Druckkontakt mit dem Anschlussleiter ausbildet. DE 10 2010 000 908 A1 shows a power semiconductor module with a housing and power semiconductor chips arranged in this housing. In addition, at least one connection lug is provided for external electrical contacting of the power semiconductor module, which is electrically conductively connected to the power semiconductor chip inside the housing, and which extends to the outside of the housing and is provided there with a connection terminal for establishing an external electrical connection of the power semiconductor module . The power semiconductor module also has a spring element which is at least partially arranged outside of the housing and is electrically conductively connected to the connecting lug in a section of the connecting lug located between the power semiconductor chip and the connection terminal. The spring element is designed in such a way that it forms an electrically conductive pressure contact with the connection conductor after a module-external connection conductor that is independent of the power semiconductor module has been screwed to the connection connection.

Insbesondere bei Halbbrücken-Modulen bestehen überdies erhöhte Anforderungen an die Vorspannkraft der Verschraubungen, welche mit bestehenden Lösungen nur schwierig kostengünstig umgesetzt werden können. Die inhärenten Bauteiltoleranzen erfordern einen Ausgleich, um eine definierte Vorspannkraft aufzubringen und das Leistungsmodul gleichmäßig zu verspannen.
Nachteilig an der herkömmlichen Lösung ist, dass eine hohe Anzahl an Bauteilen verwendet und bei der Herstellung assembliert werden muss.
Das Anziehmoment der Schrauben muss sehr genau bestimmt sein, um eine definierte Vorspannkraft zu erreichen. Unter Verwendung von Spannplatten wird die Bauhöhe erhöht.In the case of half-bridge modules in particular, there are also increased requirements for the preload force of the screw connections, which are difficult to implement cost-effectively with existing solutions. The inherent component tolerances require compensation in order to apply a defined preload force and to load the power module evenly.
The disadvantage of the conventional solution is that a large number of components are used and have to be assembled during manufacture.
The tightening torque of the screws must be determined very precisely in order to achieve a defined preload force. The overall height is increased using clamping plates.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das mit einem externen Anschlussleiter verschraubbar ist, so dass die Gesamtanordnung nach dem Verschrauben gleichmäßig verspannt ist.The object of the present invention is to provide a power semiconductor module that can be screwed to an external connection conductor, so that the entire arrangement is evenly braced after screwing.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Inverter-Modul mit einer Grundplatte, auf der drei Leistungsmodule aufliegen, wobei auf den Leistungsmodulen eine Flachfeder aufliegt, die über Verbindungsmitteln mit der Grundplatte verbunden ist, wobei sich die Flachfeder durchgängig und einteilig über alle Leitungsmodule erstreckt und eine Vorspannung auf die einzelnen Leistungsmodule ausübt.The object is achieved with an inverter module with a base plate on which three power modules rest, with a flat spring resting on the power modules, which is connected to the base plate via connecting means, the flat spring extending continuously and in one piece over all line modules and a pretension exerts on the individual power modules.

Die Anordnung hat den Vorteil, eine geringere Bauteileanzahl zu verwenden und so einen geringeren Assemblierungsaufwand zu erzeugen. Die einteilig ausgeführte Flachfeder gleicht Fertigungstoleranzen einfach aus.The arrangement has the advantage of using a smaller number of components and thus producing a lower assembly effort. The one-piece flat spring easily compensates for manufacturing tolerances.

Die Flachfeder ist mit Schrauben oder über Verstemmen, Nieten, Clinchen mit der Grundplatte kraftschlüssig verbunden. Bei der Schraublösung ist die Eliminierung der Sensibilität gegenüber dem Anzugsmoment der Schrauben groß.The flat spring is non-positively connected to the base plate with screws or caulking, riveting, clinching. In the screw solution, the elimination of sensitivity to screw tightening torque is great.

Die Verbindungsmittel endständig zu den Leitungsmodulen angebracht sind. Das bedeutet, dass die Verbindung an den beiden Endflächen der Flachfeder außerhalb, benachbart zu den beiden äußeren Leistungsmodulen stattfindet.The connecting means are attached at the ends of the line modules. This means that the connection at the two end faces of the flat spring takes place outside, adjacent to the two outer power modules.

Die Verbindungsmittel sind zwischen den Leistungsmodulen angebracht. Dadurch wird die Verbindung beidseitig der Leistungsmodule ermöglicht und die aufzubringende Federkraft optimiert.The connecting means are attached between the power modules. This enables the connection on both sides of the power modules and optimizes the spring force to be applied.

Es ist von Vorteil, dass die Flachfeder Druckelemente aufweist, die durch die Verbindung der Flachfeder mit der Grundplatte die Vorspannung auf den Leistungsmodulen erzeugen. Die Skalierbarkeit der Anpresskraft ist dabei über Materialstärke und Design der Flachfeder darstellbar.It is advantageous that the flat spring has pressure elements that generate the preload on the power modules by connecting the flat spring to the base plate. The scalability the contact pressure can be represented by the material thickness and design of the flat spring.

Das Druckelement ist eine aus den Ebenen der Flachfeder herauskragende Struktur, wie eine ringförmige Erhebung oder eine Zunge. Dabei wird eine bewusste Nutzung teilweiser plastischer Umformung der Flachfeder zur Verbesserung der Federeigenschaften im Verbau angestrebt.The compression element is a structure protruding from the planes of the leaf spring, such as an annular ridge or tongue. A conscious use of partial plastic deformation of the flat spring is aimed at to improve the spring properties in the installation.

Es ist von Vorteil, wenn mehrere Druckelemente jeweils einem Leistungsmodul zugeordnet sind. Das kann wie im Ausführungsbeispiel eine Anordnung von vier Druckelementen auf ein Leistungsmodule sein, oder auch zwei oder vier Zungen rechts und links des Leistungsmoduls.It is advantageous if several printing elements are each assigned to one power module. As in the exemplary embodiment, this can be an arrangement of four pressure elements on a power module, or else two or four tongues to the right and left of the power module.

Die Flachfeder weisen Schlitze und/oder zu den Schraublöchern zusätzliche Öffnungen auf, die zwischen den Druckelementen angeordnet sind.The flat springs have slots and/or openings in addition to the screw holes, which are arranged between the pressure elements.

Dadurch kann man die Flachfeder unsensibel gegenüber Wirbelstromverlusten ausgestalten.As a result, the flat spring can be designed to be insensitive to eddy current losses.

Figurenlistecharacter list

  • 1 bis 8 zeigen ein Inverter-Modul bzw. eine Feder in unterschiedlichen Ansichten. 1 until 8th show an inverter module and a spring in different views.

In 1 ist das Inverter-Modul in einer Explosionsansicht dargestellt. Das Inverter-Modul 1 weist eine Grundplatte 2 auf, die zur Aufnahme der drei Leistungsmodule 3 dient.In 1 the inverter module is shown in an exploded view. The inverter module 1 has a base plate 2 which is used to hold the three power modules 3 .

Auch eine Kühlung der Leistungsmodule 3 über die Grundplatte ist vorgesehen. Die Grundplatte 3 ist plan oder weist eine Struktur auf, in die die Leitungsmodule 3 eingelegt werden können. Zudem sind auf der Grundplatte 2 Schraubdome 2a vorgesehen, die endseitig jeweils mittig und ansonsten zwischen dem mittleren Leistungsmodul 3 und den jeweiligen äußeren Leistungsmodulen 3 angeordnet sind.Cooling of the power modules 3 via the base plate is also provided. The base plate 3 is flat or has a structure into which the line modules 3 can be inserted. In addition, screw bosses 2a are provided on the base plate 2, which are arranged in the middle at the ends and otherwise between the middle power module 3 and the respective outer power modules 3.

Es handelt sich bei den Leitungsmodulen 3 um MOSFET Bausteinen oder IGBTs, wie sie zu Ansteuerung elektrischer Maschinen verwendet werden.The line modules 3 are MOSFET components or IGBTs, such as are used to control electrical machines.

Die Leistungsmodule 3 weisen jeweils zwei DC-Eingänge 3a auf und einen AC Ausgang 3c zur elektrischen Maschine. Die Ansteuerung erfolgt über die Pins 3b. The power modules 3 each have two DC inputs 3a and an AC output 3c to the electrical machine. It is controlled via pins 3b.

Anstatt mehrerer Spannplatten und einer hohen Anzahl an Schrauben kommt eine große Flachfeder 4 zum Einsatz, die mittels nur weniger Schrauben 5 befestigt wird. Die Flachfeder 4 erstreckt sich über alle drei Leistungsmodule 3 und drückt jeweils an definierten Punkten auf ebendiese. Die Flachfeder 4 weist einen Rand 4a auf, der sich jeweils entlang des Inverter-Moduls 1 erstreckt und sich aus der Ebene der Flachfeder 4 nach oben wölbt. Die Flachfeder 4 weist Ausnehmungen 4c in Form von Schlitzen und Öffnungen auf. Durch die Schraublöcher 4d wird die Flachfeder 4 an den Schraubdomen 2a der Grundplatte 2 verschraubt.Instead of several clamping plates and a large number of screws, a large flat spring 4 is used, which is fastened with just a few screws 5. The flat spring 4 extends over all three power modules 3 and presses on them at defined points. The flat spring 4 has an edge 4a which extends along the inverter module 1 and curves upward out of the plane of the flat spring 4 . The flat spring 4 has recesses 4c in the form of slots and openings. The flat spring 4 is screwed to the screw bosses 2a of the base plate 2 through the screw holes 4d.

Die Flachfeder 4 ist derart ausgelegt, dass sie an mehreren Stellen über Schraubdome 2a an dem Grundelement 2 befestigt wird. Über den Leistungsmodulen 3 weist die Flachfeder 4 Druckelemente 4b auf, welche im nicht montierten Zustand einen geometrischen Überstand T aufweisen. Durch Montage der Flachfeder 4 wird dieser Überstand wenigstens teilweise eliminiert, da im Bereich der Druckelemente elastische und teilweise plastische Verformungen auftreten. Ebendiese Verformungen sorgen dafür, dass sich eine Vorspannkraft auf das darunter befindliche Leistungsmodule 3 einstellt.
Die Druckelemente 4b sind im Ausführungsbeispiel jeweils in einer Vierergruppe angeordnet und bestehen aus Kreisringen, die sich mit ihrem Überstand T aus der Ebene E der Flachfeder 4 herauswölben.The flat spring 4 is designed in such a way that it is fastened to the base element 2 at a number of points via screw bosses 2a. Above the power modules 3, the flat spring 4 has pressure elements 4b, which have a geometric overhang T in the non-assembled state. This overhang is at least partially eliminated by mounting the flat spring 4, since elastic and partially plastic deformations occur in the area of the pressure elements. It is precisely these deformations that ensure that a prestressing force is applied to the power module 3 located underneath.
In the exemplary embodiment, the pressure elements 4b are each arranged in a group of four and consist of circular rings, which bulge out of the plane E of the flat spring 4 with their projection T.

Die Auslegung der Flachfeder 4 erfolgt derart, dass sich die Vorspannkraft unter Berücksichtigung der fertigungsbedingten Toleranzkette innerhalb des erforderlichen und zulässigen Bereiches des Leistungsmoduls ergibt. Die Positionierung der elektronischen Elemente erfolgt über Positionierungshilfen, eventuell unter Verwendung der Schraubdome 2a.The design of the flat spring 4 takes place in such a way that the prestressing force results, taking into account the production-related tolerance chain, within the required and permissible range of the power module. The electronic elements are positioned using positioning aids, possibly using the screw bosses 2a.

Die Flachfeder 4 sorgt lediglich für die erforderliche Anpresskraft senkrecht zu den Leistungsmodulen 3.The flat spring 4 only provides the required contact pressure perpendicular to the power modules 3.

Die Vorspannkraft ist ein Produkt aus Materialwahl, geometrischer Gestalt der Feder, sowie der Toleranzsituation im Einbau. Die beteiligten Faktoren sind alle wohlbekannt, sodass eine zielgerichtete, robuste Auslegung der Vorspannkräfte auf die Anforderungen erfolgen kann.The preload force is a product of the choice of material, the geometric shape of the spring and the tolerance situation during installation. The factors involved are all well known, so that the preload forces can be designed in a targeted, robust manner to meet the requirements.

Vorteilhaft ist auch, dass das Anzugsmoment der Schrauben weniger präzise vonstattengehen muss, da auf Block verschraubt wird.It is also advantageous that the tightening torque of the screws does not have to be as precise as the screws are screwed on a block.

Die Anzahl der Verbindungspunkte zwischen Flachfeder 4 und Grundelement 2, die Anzahl, Gestalt und Positionen der Druckelemente 4b, die Blechstärke und das Material der Flachfeder 4 können applikationsspezifisch ausgelegt werden.The number of connection points between the flat spring 4 and the base element 2, the number, shape and positions of the pressure elements 4b, the sheet metal thickness and the material of the flat spring 4 can be designed specifically for the application.

Alternativ kann ein abweichendes Befestigungsverfahren zum Einsatz kommen. Statt der Verschraubung wird die Verbindung der Flachfeder 4 mit der Grundplatte 2 über Verstemmen, Nieten, Clinchen kraftschlüssig hergestellt.Alternatively, a different fastening method can be used. Instead of screwing, the connection of the flat spring 4 to the base plate 2 is made by caulking, riveting, clinching in a non-positive manner.

Die Vorspannkraft der Flachfeder ergibt sich durch den geometrischen Überstand der Druckelemente zum Leitungsmodul 3.The pretensioning force of the flat spring results from the geometric projection of the pressure elements to the line module 3.

Durch die Schlitze 4c und Öffnungen der Flachfeder 4 wird das Ausmaß an Wirbelströme in der Flachfeder limitiert.The extent of eddy currents in the flat spring is limited by the slots 4c and openings of the flat spring 4 .

Das Inverter-Modul 1 wird mit Gehäusebauteilen geschlossen, die nicht weiter dargestellt sind, auch die Anbindung an ein Kühlsystem ist vorgesehen, was ebenfalls in der Anmeldung nicht weiter ausgeführt wird.The inverter module 1 is closed with housing components that are not shown in detail, and the connection to a cooling system is also provided, which is also not explained further in the application.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102010000908 A1 [0003]DE 102010000908 A1 [0003]

Claims (8)

Inverter-Modul (1) mit einer Grundplatte (2), auf der drei Leistungsmodule (3) aufliegen, wobei auf den Leistungsmodulen (3) eine Flachfeder (4) aufliegt, die über Verbindungsmitteln mit der Grundplatte (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flachfeder (4) durchgängig und einteilig über alle Leitungsmodule (3) erstreckt und eine Vorspannung auf die einzelnen Leistungsmodule (3) ausübt.Inverter module (1) with a base plate (2) on which three power modules (3) rest, with a flat spring (4) resting on the power modules (3) which is connected to the base plate (2) via connecting means, characterized that the flat spring (4) extends continuously and in one piece over all line modules (3) and exerts a bias on the individual power modules (3). Inverter-Modul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachfeder (4) mit Schrauben oder über Verstemmen, Nieten, Clinchen mit der Grundplatte (2) kraftschlüssig verbunden ist.Inverter module (1) after claim 1 , characterized in that the flat spring (4) is non-positively connected to the base plate (2) with screws or by caulking, riveting, clinching. Inverter-Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel endständig zu den Leitungsmodulen angebracht sind.Inverter module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting means are fitted at the ends of the line modules. Inverter-Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel zwischen den Leistungsmodulen (3) angebracht sind.Inverter module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting means are fitted between the power modules (3). Inverter-Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachfeder (4) Druckelemente (4b) aufweist, die durch die Verbindung der Flachfeder (4) mit der Grundplatte (2) die Vorspannung auf den Leistungsmodulen (3) erzeugen.Inverter module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the flat spring (4) has pressure elements (4b) which, by connecting the flat spring (4) to the base plate (2), prestress the power modules (3). generate. Inverter-Modul (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement eine aus der Ebenen der Flachfeder herauskragende Struktur, wie eine ringförmige Erhebung oder eine Zunge, ist.Inverter module (1) after claim 5 , characterized in that the pressure element is a structure protruding from the plane of the flat spring, such as an annular elevation or a tongue. Inverter-Modul (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Druckelemente (4b) jeweils einem Leistungsmodul zugeordnet sind.Inverter module (1) after claim 5 or 6 , characterized in that several pressure elements (4b) are each associated with a power module. Inverter-Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachfeder Schlitze (4c) und/oder zu den Schraublöchern zusätzliche Öffnungen aufweist, die zwischen den Druckelementen (4b) angeordnet sind.Inverter module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the flat spring has slots (4c) and/or openings in addition to the screw holes, which are arranged between the pressure elements (4b).
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