一种具有铝排弹性焊针焊接结构的直流滤波电容器的制作方法

本发明涉及电容器制造，具体而言，涉及一种具有铝排弹性焊针焊接结构的直流滤波电容器。

背景技术：

1、直流支撑滤波电容器作为新能源汽车控制器、风电逆变系统以及大容量储能设备中的核心关键元器件，主要应用于母排电容的直流支撑滤波场合。在这些应用领域中，尤其是车载控制器等大规模量产领域，不仅对电容器的电气与机械性能有着极高的可靠性要求，而且对其制造成本控制的要求也极为严苛。

2、在传统的直流支撑薄膜电容器制造工艺中，其内部导电网络与外部输出引出端普遍整体采用纯铜母排设计。为将内部多个电容芯子的两端金属喷金面进行电连接，行业内通常采用传统的锡焊工艺来实现铜排与喷金面的机械与电气物理连接。然而，随着全球金属原材料价格的持续高企以及产业降本压力的日益增大，这种传统方案暴露出以下显著的技术痛点：

3、第一，制造成本高昂。传统的纯铜母排材料价格昂贵，且锡焊工艺需要消耗大量的焊锡丝，这两项材料成本在电容器整体造价中占有极高的比重，使得电容器在面临激烈市场竞争时，其降本空间严重受限。

4、第二，铝导电排替代面临工艺与质量瓶颈。虽然铝排的价格远低于铜排，是极佳的低成本替代材料，但由于铝排表面不沾锡，导致传统的锡焊焊接效果较差，甚至根本无法实施。为解决铝排与芯子喷金面的连接问题，部分厂家拟采用激光焊接工艺，然而激光焊接对电容芯子端面喷金层的粗糙度要求极高，通常需要增加二次机械打磨工序。为了解决铝排沾锡问题，有通过采用铝排镀镍方式来解决，但这种方式虽然解决了锡焊问题，但镀镍成本不容忽略。此外，激光焊对铝排与喷金面之间的贴合度要求极为苛刻，在三维装配空间内极易因为微小间隙导致虚焊或过烧，且其焊接效果无法可视化，整体焊接不良的质量风险相对较高。更为严重的是，激光焊接产生的瞬间高热极易烫伤电容芯子端部的薄膜介质，损害电容器的使用寿命。

5、第三，外部铜铝异质过渡接触的环境失效风险。为降低成本，若将整个内部导电网络和外部引出端全部替换为铝排，则在外部连接端（如电容器与外部igbt模块等功率器件的结合处）会引入严重的工程缺陷。由于外部接口长期暴露在空气中，在没有环氧树脂等固化密封保护的情况下，铜（外部器件接口）与铝（电容器引出端）直接接触。由于铝与铜的线性膨胀系数差异显著，在受热胀冷缩、交变温度载荷影响下，长期运行会在螺栓压接处产生蠕变，导致接触松动、接触电阻增大并严重发热，无法保证外部连接的可靠性。因此，在电容与外部功率器件的结合处必须保留铜排连接，以保证外部连接的可靠性。然而，如何将内部的铝排与外部的铜排在结构中进行高效、可靠且长效防腐的过渡连接，在行业内仍缺乏行之有效的手段。

6、第四，高频大电流环境下的等效串联电感（esl）与安全挑战。在高频开关（如逆变器igbt高频切换）的工作环境下，电流的高速切换会对电容器的回路电感提出极高要求。如果正极导电通路和负极导电通路的空间排布不够紧密、环路面积过大，或者在铜铝过渡连接时绕过低感叠层母排区域，将会产生极大的等效串联电感。高电感在高频开关切换时会感应出巨大的瞬态电压尖峰，不仅容易击穿电容器内部的薄膜介质，还可能直接损毁外部昂贵的功率半导体器件。

7、因此，传统的直流支撑电容器面临着材料成本高、低成本铝排难以实施高质量焊接、异质铜铝外部连接易发生蠕变发热，以及高频电感难以控制等多重技术制约。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是如何在大幅降低直流支撑滤波电容器材料与焊接工艺成本的同时，确保电极焊点及铜铝异质过渡连接的高可靠性，并有效降低其等效回路电感，为克服以上现有技术的缺陷，本发明提供一种具有铝排弹性焊针焊接结构的直流滤波电容器。

2、本发明提供一种具有铝排弹性焊针焊接结构的直流滤波电容器，包括绝缘外壳以及容置于绝缘外壳内的至少一个电容芯子，所述电容芯子具有喷金面；还包括：

3、铜导电排，其具有延伸至所述绝缘外壳外部的铜排引出端子、以及位于所述绝缘外壳内部的铜排连接端子；

4、铝导电排，其位于所述绝缘外壳内部并与喷金面电连接；所述铝导电排上对应喷金面的区域设有弹性焊接单元，所述弹性焊接单元包括开设于铝导电排上的镂空槽、悬空设置于镂空槽内部的弹性焊针，所述弹性焊针的侧部形成有横向宽度缩窄的细轴，所述弹性焊针与铝导电排相连并悬设于镂空槽内，所述弹性焊针上设有多个焊点，并通过多个焊点压合焊接于喷金面上；

5、其中，所述铝导电排延伸有铝排连接端，所述铝排连接端与铜导电排相互贴合且焊接固定，两者的焊接结合部位于所述绝缘外壳内部，并由填充于所述绝缘外壳内的环氧树脂固合体整体包埋并密封。

6、本技术一种具有铝排弹性焊针焊接结构的直流滤波电容器与现有技术相比，具有以下优点：通过将外部连接端设为铜导电排、内部设为铝导电排，在保证与外部igbt模块高可靠电连接的同时，大幅降低有色金属材料成本；将铜铝焊接结合部置于绝缘外壳内部并利用环氧树脂固合体整体包埋密封，避免铜铝由于线性膨胀系数不同在外界热循环下产生的蠕变、发热及氧化水汽侵蚀隐患；同时，在铝导电排上集成的弹性焊接单元，利用镂空槽、悬设的弹性焊针及中部细轴，为压合电阻焊提供机械变形裕量与贴合度，增加自动化焊接压合点，保证焊接可靠性，省去昂贵的焊锡丝成本以及喷金面打磨成本，且电阻焊接能量小、无喷金面烫伤风险，实现高可靠性与严苛降本的深度融合。

7、在一种可能的实施方式中，所述弹性焊针包括弹性框状外廓，所述弹性框状外廓由共面设置的左纵向段和右纵向段，以及分别横向连接所述左纵向段和右纵向段上端的上横向拱部、以及连接所述左纵向段和右纵向段下端的下横向拱部共同围设而成；其中，所述上横向拱部的上端与铝导电排连接，所述下横向拱部的下端与铝导电排连接，以使所述左纵向段和右纵向段悬设于镂空槽内并与铝导电排形成侧向变形间隙。

8、与现有技术相比，通过共面平行设置的左纵向段、右纵向段与横向拱部围设成框状外廓，配合侧向变形间隙，能够灵活吸收和释放电阻焊接瞬间及运行过程中的热膨胀与机械应力，有效避免应力集中损伤电容芯子。

9、在一种可能的实施方式中，所述细轴为两根且分别一体形成于左纵向段的中部和右纵向段的中部；其中，设于左纵向段中部的细轴的横向宽度窄于左纵向段的上半段与下半段，用以使所述左纵向段形成可弹性形变的柔性结构；设于右纵向段中部的细轴的横向宽度窄于右纵向段的上半段与下半段，用以使所述右纵向段形成可弹性形变的柔性结构；两根所述细轴的横向外侧均通过镂空槽与铝导电排形成侧向变形间隙。

10、与现有技术相比，采用横向宽度缩窄的对称细轴连接，为自动化电阻焊的下压电极提供弹性下摆贴合位移，进一步提升多点电阻焊接时的接触面均匀度与可靠性。

11、在一种可能的实施方式中，所述弹性框状外廓在对应每一根细轴的上方和下方对称分布有两个焊点；其中，所述左纵向段在相连的细轴上方和下方各设有一个焊点，所述右纵向段在相连的细轴上方和下方各设有一个焊点，使四个所述焊点在喷金面上形成二维矩阵分布的压合焊接结构。

12、与现有技术相比，四个焊点在细轴上下方呈二维矩阵交错分布，保证每个电容芯子在喷金面上均具有多点发散式的电流通路，实现电流载流量的均匀分配与均压贴合。

13、在一种可能的实施方式中，所述铜导电排包括呈层叠布置的正极铜排和负极铜排，所述正极铜排和负极铜排分别由一整块铜质板材冲压折弯一体成型；所述正极铜排具有延伸至绝缘外壳外部的正极铜排引出端子、以及位于所述绝缘外壳内部且沿横向间隔排布的多个正极铜排连接端子；所述负极铜排具有延伸至绝缘外壳外部的负极铜排引出端子、以及位于所述绝缘外壳内部且沿横向间隔排布的多个负极铜排连接端子，其中，多个所述正极铜排连接端子与多个负极铜排连接端子一一对应交错并排布置；

14、所述铝导电排包括与电容芯子一侧喷金面电连接的正极铝排，以及与电容芯子另一侧喷金面电连接的负极铝排；所述正极铝排延伸有正极铝排连接端，所述负极铝排延伸有负极铝排连接端；所述正极铝排连接端与正极铜排贴合且焊接固定，所述负极铝排连接端与负极铜排贴合且焊接固定。

15、与现有技术相比，将正负极铜铝排沿横向一一对应交错并排布置，实现弹性焊接单元在双极对称结构中的模块化应用，极大地简化多芯子大容量滤波电容器的内部装配与焊接工艺。

16、在一种可能的实施方式中，还包括用于实现两极电位隔离的绝缘隔离组件，所述绝缘隔离组件包括夹设在正极铜排和负极铜排之间的第二绝缘板，以及包覆于正极铜排外侧的第一绝缘板，用以将所述正极铜排和负极铜排层叠固定为叠层母排结构。

17、与现有技术相比，第一绝缘板、第二绝缘板对正极铜排和负极铜排进行紧凑的层叠约束固定，在实现极间高可靠电位隔离的同时，大幅缩减正负极板间距，降低母排回路的寄生电感。

18、在一种可能的实施方式中，所述第一绝缘板和第二绝缘板均呈一体成型的立体多向折弯板结构，以分别与所述正极铜排和负极铜排的折弯表面相贴合。

19、与现有技术相比，绝缘板采用一体成型的立体多向折弯结构，能够贴合母排的复杂弯折表面，在优化空间结构紧凑度的同时极大提升极间爬电距离。

20、在一种可能的实施方式中，还包括设置于所述绝缘外壳侧向且与绝缘外壳固定连接的固定板，所述固定板朝向负极铜排的一侧设有卡扣，所述负极铜排的一侧端部通过卡扣扣合限位于固定板上。

21、与现有技术相比，通过在固定板一侧设置卡扣直接扣合锁紧负极铜排，实现整体叠层母排组件的免螺栓紧固，在精简机械结构的同时消除金属紧固螺栓引起的局部高压放电击穿隐患，并大幅提升整机的抗振抗冲击性能。

22、在一种可能的实施方式中，所述绝缘外壳的上边缘装配有端子定位座，所述端子定位座上方一体化向上延伸设有多个隔离挡板，每一所述隔离挡板均对应插设于相邻的正极铜排连接端子和负极铜排连接端子之间，以实现爬电隔离。

23、与现有技术相比，端子定位座上方的多个隔离挡板对相邻交错的正极铜排连接端子和负极铜排连接端子实施物理刚性阻隔，显著提高电容器顶部的空间电气间隙与抗飞弧短路能力。

24、在一种可能的实施方式中，所述电容芯子的喷金面为无焊锡介质的锌锡铜合金喷金层，多个所述焊点压合焊接在锌锡铜合金喷金层上。

25、与现有技术相比，采用无焊锡介质的锌锡铜合金喷金层配合焊针直接电阻焊接，在免除焊锡成本的同时，由于电阻焊热能量低而降低烫伤风险，从而允许减薄喷金层厚度，进一步降低材料成本。