他励同步电机的功率电子装置、机动车和功率电子装置的制造方法与流程

本发明涉及一种用于他励同步电机的功率电子装置，功率电子装置具有冷却体、至少一个用于提供转换器的转换器功率模块和至少一个具有励磁电路的励磁功率模块，其中，所有转换器功率模块以预定义的转换器相对位置和转换器定向材料锁合地被紧固在冷却体上。此外，本发明涉及一种机动车以及一种用于制造这种功率电子装置的方法。

背景技术：

1、对于他励同步电机来说，越来越多地拓展了新的应用领域。一个示例是作为在电动的机动车中的驱动电机(动力设备)的应用。与转子的磁场通常通过永磁体提供的永磁激励同步电机不同地，他励同步电机(fsm)在转子中具有励磁绕组，该励磁绕组通过励磁电路供给，例如，该励磁电路可以在励磁功率模块中提供。此外，他励同步电机也还配设有转换器，转换器进行在例如机动车的高压电网的直流电压和定子绕组的通常三相的交流电压之间的转换。为了实现转换器，通常可以在为他励同步电机配设的功率电子装置中为每个相提供一个转换器功率模块。在最常见的情况中，在此使用三相的他励同步电机。因此，可以为他励同步电机规定，配设的功率电子装置包括三个分别用于三个相的转换器功率模块以及一个用于提供励磁电路的励磁功率模块。

2、在此所述的功率模块，即，转换器功率模块和励磁功率模块，包括功率半导体部件，例如半导体开关和/或二极管，并且由于功率半导体部件产生的热而需要冷却。在此，在现有技术中已经提出，为功率电子模块设置公共的冷却体。为了主动冷却，冷却体例如可以具有内部空腔，冷却介质流过该内部空腔。例如，de 10 2019 128 721 a1公开了一种用于他励同步电机的功率电子设备，在其中，实现成单个结构单元的转换器模块和实现成结构单元的励磁模块热连接到公共冷却装置处。

3、在很多情况中，基于功率和成本方面，转换器的功率模块与具有励磁电路的功率模块的结构和连接技术不同。在此，励磁功率模块例如实现成包括凝胶封装体的框架模块，其中，以硅技术提供功率半导体。与此相反地，通常三个转换器功率模块例如实施成模制的半桥模块，从而由于成形的、硬化的模制-封装材料，不需要凝胶封装体。对于转换器功率模块来说，常常以硅碳技术实施功率半导体部件。就此而言，转换器功率模块常常材料锁合地被紧固、例如焊接或烧结在冷却体上，而励磁功率模块例如通过作为紧固件的螺纹连接件力锁合地被紧固。在此，在励磁功率模块和冷却体之间也常常使用热连接材料。

4、如果将在此描述的不同的功率模块技术用在公共冷却体上，在其安装时可能出现精度上的差异。例如，如果不仅转换器功率模块而且励磁功率模块具有用于与电路板(印刷电路板)相连接的接触针脚(例如，电路板可以载有功率电子装置的控制装置)，在现有技术中已知的是，分别设置用于与励磁功率模块和转换器功率模块相连接的不同的电路板。例如，这种类型的接触针脚可以在背离冷却体、即紧固侧的一侧上从功率模块中突伸出。

5、另一方面，力求“单电路板设计”，这是因为这样的话可以在公共电路板上实施控制装置的部件，仅仅需要安装一个电路板，并且还存在其它优点。然而，由于功率模块技术不同，对接触针脚的公差提出高的要求。因此，在现有技术中，至今为止使用两个独立的电路板，这带来用于两个独立的电路板和在电路板之间的插接连接件的更高的材料成本、用于电路板的更高的制造成本和研发成本、在制造中更多的耗费、并且降低了鲁棒性/带来更高的易故障性。尤其是，具有两个电路板的设计方案不太适合用于高度自动化的大批量制造，因为仅仅能实现利用一个电路板的压入过程。

6、de 10 2020 211 423 a1涉及一种用于制造转换器的方法、一种定位辅助件以及一种转换器。在此提出，使至少一个半桥模块在冷却体上定位和取向，其中，使用定位辅助件。定位辅助件构造成框架式的，并且如此包围至少一个半桥模块，使得迫使至少一个半桥模块进入通过定位辅助件预设的位置和取向中。定位辅助件自身在预设的位置和取向中与冷却体相连接。即，尤其是规定，形状锁合地包围半桥模块。

技术实现思路

1、本发明的目的是，给出一种在“单电路板设计”方面改进的、用于他励同步电机的功率电子装置的设计方案，在该设计方案中，功率模块以不同的紧固技术安装在冷却体上。

2、为了实现该目的，在开头所述类型的功率电子装置中，根据本发明规定，冷却体和励磁功率模块具有接合到彼此中/彼此接合的定位件，使得通过接合建立励磁功率模块相对于转换器功率模块的预期的相对位置和取向。

3、因此，根据本发明，从这样的结构出发，即，在其中，多个功率模块、尤其是励磁功率模块和至少一个转换器功率模块被紧固在一个冷却体上并且热连接到冷却体处。例如可以由铝制成的冷却体为了主动冷却可以包括可被冷却介质、例如冷却水穿流的空腔。优选地，由转换器为每个相规定一个功率模块。因此，在优选的三相设计方案中，设置三个转换器功率模块，这些转换器功率模块例如可以构造成模制的半桥模块。例如，多个转换器功率模块在纵向上居中地依次且直接彼此相邻地被紧固在长形的冷却体上，并且与冷却体热连接。紧接着，可以在纵向上紧固并热连接励磁功率模块。

4、在制造过程中，首先将三个转换器功率模块与冷却体材料锁合地相连接，其中，例如可以通过焊接/钎焊和/或烧结进行紧固。在这种紧固过程和热连接过程中，可以足够精确地使转换器功率模块相对彼此布置并且布置在冷却体上，从而在预定义的转换器相对位置和定向方面仅仅产生极小的公差。但随后，励磁功率模块通常力锁合地被紧固在冷却体上并且热连接在冷却体处，为此例如首先可以将热连接材料、例如导热膏施加到冷却体上，并且随后可以通过紧固件力锁合地紧固励磁功率模块。为了力锁合的连接，尤其是可以规定，功率电子装置具有用于安装励磁功率模块的螺纹连接件。这意味着，励磁功率模块通过螺纹连接安装。与力锁合的安装方式无关，在励磁功率模块与冷却体之间使用热连接材料时，产生由热连接材料形成的层，该层显著改善在励磁功率模块与冷却体之间的导热。

5、然而，在力锁合地装配励磁功率模块时，例如在建立螺纹连接时，出现显著更大的公差。例如，尤其是在使用中心螺纹件时和/或当通过拧紧过程才在冷却体中设置用于螺纹件的螺纹孔时，可能出现以稍微扭转的方式紧固励磁模块。以这种方式，基本上不再满足接触针脚联接到公共电路板处所允许的公差。

6、为了能够实现功率电子装置的“单电路板设计”，于是其中，电路板在所有功率模块上延伸，必须如此精确地定位作为最后一个被紧固的励磁功率模块，使得该励磁功率模块适应所有功率模块的接触针脚的公差。为了这个目的，在本发明中规定，在冷却体处和励磁功率模块处设置定位件，该定位件共同作用，尤其是通过接合以使得正确地、精确地、以遵守允许的公差的方式将励磁功率模块定位在预期的励磁功率模块相对位置和定向中。例如，定位件可以设计成对中辅助件。通过使用定位件，在装配过程中，励磁功率模块可以自己到达励磁功率模块相对于转换器功率模块(和冷却体)的预期的相对位置和定向中。随后，力锁合地，尤其是以螺纹连接的方式，在已找到的励磁功率模块位置和定向中旋紧励磁功率模块。由此保证，励磁功率模块以及至少一个转换器功率模块的接触针脚处于允许的公差之内，以便紧接着将唯一的电路板联接到所有功率电子模块的接触针脚处。

7、因此，通过定位件实现了，尽管功率模块的结构和连接技术不同，即，尤其是尽管励磁功率模块通过拧紧被紧固并且转换器功率模块通过焊接和/或烧结被紧固，仍然实现“单电路板设计”。这能够在生产中以及在制造成本中实现显著的优点。尤其是，能够实现高度自动化的实施方案。

8、因此，特别有利地可以规定，励磁功率模块和至少一个转换器功率模块具有在一方向上、尤其是背离冷却体的方向上伸入公共接触平面中的接触针脚，接触针脚接触公共电路板。在此，电路板(印刷电路板)可以载有功率电子装置的控制装置的至少一部分，于是优选地，控制装置不仅用于驱动转换器而且用于驱动励磁电路。因此，接触针脚是控制联接部，而功率模块当然也具有其它联接触点，例如用于电的功率连接的联接接片。例如，这种类型的联接触点可以关于与接触针脚相对置的冷却体设置在侧向，尤其是在长形的冷却体的情况中，相对于冷却体的纵向方向设置在侧向。在励磁功率模块中也可设想的设计方案是，在其中，用于励磁功率的联接触点构造在与接触针脚相同的一侧上。

9、特别有利地，接触针脚可以通过压入技术与电路板相连接。不进行焊接的连接技术被称为压入技术(press-fit-technologie、压配合技术)，在其中，将接触针脚(接触销)按压到电路板(印刷电路板)的金属的直通接触部(durchkontaktierung)中。于是，在制造功率电子装置时因此可以规定，压紧电路板，其中，通过压入技术建立接触针脚与电路板的连接。

10、因此，总地来说提出这样的设计方案，即，在其中，不仅使功率模块的相对定位而且使接触针脚的高度彼此匹配，使得唯一的电路板可以在接触针脚伸入其中的接触平面中延伸。这带来大量优点。即，通过使用唯一的电路板可以降低材料成本，这是因为省去了在电路板之间的插接连接件。也可以降低制造成本，因为仅仅还需要制造、装备和检测一个电路板。还在制造中显著减少了耗费，因为仅仅还需要安装一个电路板。研发成本也降低，因为仅仅需要研发一个电路板。最终，还提高了功率电子装置的鲁棒性，因为可以避免在多个电路板之间的附加的插接连接件和缆线。

11、此时，在功率电子装置的制造中也得到特别的优点。即，定位件导致，励磁功率模块最终“自动地”正确地定位和定向，从而可以避免手动地插入和拧紧励磁功率模块，这有利于自动化。尤其是与使用压入技术用于与电路连接板相关地，这能够实现高度自动化的批量制造。于是，在功率电子装置的装配中，对于电路板来说，仅仅需要唯一的压紧过程用于将电路板与所有功率模块的接触针脚连接并且紧固在一起。

12、如已经说明的那样，适宜地，转换器功率模块的接触针脚可以提供控制联接部。例如，必须处理高的可变功率量的转换器功率模块可以附加地具有例如侧向悬出的或侧向设置的、用于转换器功率的另外的联接触点，例如联接接片。但在励磁功率模块方面也可设想，励磁功率模块的接触针脚不仅包括控制联接部而且包括励磁功率联接部。与励磁功率模块的接触针脚仅仅提供控制联接部还是同时也提供励磁功率联接部无关地，可以整体来讲的是，公共电路板是用于功率模块的控制电路板。例如，通过控制联接部可以控制作为功率模块的功率半导体部件的半导体开关的打开和闭合过程。

13、如已经说明的那样，可以规定，功率模块的紧固侧被紧固在冷却体上，并且接触针脚从与紧固侧相对置的一侧中伸出。于是得到一种夹心式的设计方案，在其中，功率模块布置在公共电路板和公共冷却体之间，其中，由于所产生的热，电路板通常布置成与功率模块的上侧稍微间隔开。

14、相应于功率电子装置的实施方案，根据本发明的用于制造用于他励同步电机的功率电子装置的方法规定以下步骤：

15、-准备冷却体，

16、-将至少一个提供转换器的转换器功率模块以预定义的转换器相对位置和定向材料锁合地紧固在冷却体上，

17、-在使用接合到彼此中的冷却体和励磁功率模块的定位件的情况下，借助于紧固件将包括励磁电路的励磁功率模块紧固在冷却体上，其中，通过定位件的接合建立励磁功率模块相对于转换器功率模块的预期的相对位置和定向。

18、当然，功率电子装置的实施方案可相似地转用到用于制造功率电子装置的方法上。

19、因此规定，在第一步骤中，尤其是材料锁合地紧固转换器功率模块，这意味着，可以规定，材料锁合地通过焊接和/或烧结紧固至少一个转换器功率模块。在此，通过已知的做法，可以出色地遵守与转换器在冷却体上的预定义的相对位置和定向相关的许可公差。随后，在第二步骤中，尤其是力锁合地将转换器功率模块紧固在冷却体处并且热连接在冷却体处。因为通过力锁合的紧固，例如，如所描述的通过螺纹连接紧固可能产生较大的不安全性，所以使用定位件，该定位件通过接合以如下方式在许可公差之内建立励磁功率模块相对于转换器功率模块的预期的相对位置和定向，即，使励磁功率模块自动地定位和定向。

20、励磁功率模块和至少一个转换器功率模块可以具有在尤其是背离冷却体的方向上伸入公共接触平面中的接触针脚，从而在紧固励磁功率模块之后，所有接触针脚可以与公共电路板相连接。如所描述的那样，优选地可以压紧电路板，其中，通过压入技术建立接触针脚与电路板的连接。

21、为了具体地设计定位件，不仅对于功率电子装置而且对于该方法来说，可以规定，定位件具有突出部和凹部的至少一对、尤其是至少三对，突出部精确配合地接合到凹部中。在此，也可设想这样的实施例，即，在其中，例如当突出部和凹部的配对具有彼此协调的造型，而该造型仅仅允许在与预期的励磁功率模块定向对应的清晰定义的定向中接合，突出部和凹部的一个配对就足够了。但优选地，使用设计更简单并且进而也可更简单地制造的定位件，从而使用突出部和凹部的例如至少三对、优选四对，突出部精确配合地接合到凹部中。

22、特别适宜的是，突出部和凹部分别具有锥形或金字塔形地收拢的引导面，该引导面构造成在定位过程中彼此贴靠。因此，突出部尤其是可以具有锥形的区段和/或金字塔形的区段。例如，作为突出部，可以使用至少基本上的平截锥体。于是，突出部可以被称为“定位锥”。此时，也可以在多对中进行混合，即，突出部原则上不仅设置在冷却体处而且设置在励磁功率模块处。优选地可以规定，尤其是构造成平截锥体的突出部设置在励磁功率模块的紧固侧处，在该紧固侧处，突出部可以例如通过注塑轻易地制造，使得在相应模型中设置对应的凹部。于是，在冷却体中设置所述配对的相应配合件，即，凹部。沿着在紧固时彼此接触的引导面，励磁功率模块自动地并且以简单的方式被带入其预期的励磁功率模块位置和定向中。

23、本发明还涉及一种机动车，该机动车具有构造成动力电机的、他励同步电机和为同步电机配设的根据本发明的功率电子装置。与根据本发明的功率电子装置以及根据本发明的方法相关的所有优点和特征可相似地转用到根据本发明的机动车上，因此，通过根据本发明的机动车同样可以获得已经说明的优点。