CN105746001A - 多功能的强电流电路板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多功能的强电流电路板(4)，其包括具有多个厚子层(13、14、15、16)的用于传导电流的电流传导层(12)、具有用于开关消耗器(1)的至少一个功率开关(3)的开关层(18)、具有至少一个驱控元件(7)的用于驱控至少一个功率开关(7)的驱控层(8)、用于将电流传导层(12)相对驱控层(8)以及相对开关层(18)屏蔽的至少一个屏蔽元件(13、16)。

Description

多功能的强电流电路板
技术领域
本发明涉及一种多功能的强电流电路板。
背景技术
由现有技术公知了强电流电路板。在强电流电路板中可以通过电流传导层将强电流传导给功率开关。穿流强电流电路板的强电流引起了分别从引导电流的层发出的电磁场和/或热场。这些场妨碍了强电流电路板的例如设置用于实现开关信号或用于电流分配的相邻的层。无法实现或仅可以受限地实现至少部分地屏蔽产生的场。出于这个原因，将传导强电流的功能与驱控用于功率半导体的电路的功能尤其在精密导体技术的领域内统一起来的强电流电路板不是公知的。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是，提供一种多功能的强电流电路板，其将传导强电流的功能以及驱控用于功率半导体的电路的功能统一起来。
为了解决这个技术问题，给出了一种相应于权利要求1的特征的多功能的强电流电路板。强电流电路板包括具有多个厚子层的电流传导层，该电流传导层用于传导电流，尤其是强电流，即，特别是至少数百A，尤其是至少500A以及尤其至少1000A的强电流。此外，强电流电路板还包括具有用于对能与强电流电路板连接的消耗器进行开关的至少一个功率开关的开关层以及具有至少一个驱控元件的用于驱控至少一个功率开关的驱控层。开关层、电流传导层和驱控层尤其叠置地布置，其中，电流传导层布置在开关层与驱控层之间。此外，强电流电路板还包括用于相对开关层以及相对驱控层屏蔽电流传导层的至少一个屏蔽元件。由此确保的是，强电流可以通过具有多个厚子层的电流传导层来传导，其中，由电流流动引起的电场、磁场和/或热场被至少一个屏蔽元件可靠地屏蔽。开关层的功能(也就是对消耗器进行开关)以及驱控层的功能(也就是驱控至少一个功率开关)不会受到在电流传导层中的电流的损害。当前的电路板实现了对能分隔开的单个功能，亦即强电流引导、驱控、电流分配和开关进行有针对性的屏蔽和分离(Entkopplung)。
强电流电路板的有利的设计方案由从属于权利要求1的权利要求的特征得出。
如下设计方案是有利的，在该设计方案中，电流传导层具有至少四个厚子层，其中，设置有至少一个电流馈送厚子层，其用于从能与强电流电路板连接的电压源，特别是电池经由强电流电路板到能与强电流电路板连接的消耗器，特别是电动马达的电流馈送，以及设置有至少一个电流回送厚子层，其用于从消耗器经由强电流电路板到电压源的电流回送。也可行的是，设置大于四个的厚子层。厚子层的数量尤其为m+n+2，其中，n是电流馈送子层的数量，m是电流回送子层的数量。2个外置的厚子层附加地履行屏蔽功能。m尤其可以不等于n。厚子层实现了在电流传导层内的面积份额的增大。由于所谓的趋肤效应造成的可能的电损耗和/或热损耗被减小，根据这种趋肤效应，电流被挤到导体表面上并且因此使承载电流的有效横截面变小。即使在至少一个功率开关内的边沿陡峭且高频的开关过程都不会导致线路电阻提高。线路电阻未提高。
如下设计方案是特别有利的，在该设计方案中，至少四个厚子层对称地布置，从而使得由厚子层引起的电磁场彼此相反地定向。尤其抵消由厚子层引起的电磁场。尤其完全地抵消电磁场。
特别有利的是以如下方式布置四个厚子层，即，使得它们关于强电流电路板的虚拟的中间子层镜像对称地布置。例如与虚拟的中间子层相邻地分别设置有电流回送厚子层和通过电流回送厚子层与虚拟的中间子层分隔开的电流传导厚子层。基于对称的电流传导，即使是强电流也可以高效地在厚子层中引导。例如能实现高效地消除由于电流强度依赖于时间的变化而在时间上快速变化的磁场。
如下设计方案是有利的，在该设计方案中，至少四个厚子层分别由铜构成且分别具有约105μm至最大400μm，特别是105μm、210μm或400μm的特别是恒定的层厚。通过这样实施的厚子层可以充分引导电流。
如下设计方案是有利的，其中，至少两个电流馈送厚子层分别沿着电路板内部的电流传导方向具有变化的厚子层横截面积。电路板内部的电流馈送方向尤其从至少一个驱控元件指向至少一个功率开关。电路板内部的电流回送方向尤其从至少一个功率开关指向至少一个驱控元件。厚子层横截面积沿着电路板内部的电流馈送方向至少以区段方式减小地实施。变化的厚子层横截面积沿着电路板内部的电流回送方向增大地实施。电路板内部的电流回送方向尤其从至少一个功率开关通向至少一个驱控元件。由此确保了几何上的电流分配。这意味着，实现了到各功率开关的按功率要求的和/或功率所需的电流馈送以及从各功率开关的电流回送。各厚子层横截面积与所需的有待引导通过厚子层的电流相匹配。这意味着，在厚子层中有待引导的电流越强，厚子层横截面积就越大。电流馈送厚子层与分别与之连接的功率开关相应地匹配。也就是说，厚子层横截面积可以在不出现强电流的地方有针对性地减小。由此，可以避免过大规格地确定的厚子层横截面积。过大规格地确定的厚子层横截面积需要更高的空间需求。根据本发明的强电流电路板可以小型、紧凑地实施。同样避免了厚子层横截面积过小。电流传导所需的厚子层横截面积得以确保。由此，可以避免损耗功率以及因此产生的发热。根据本发明也认识到，沿着电路板内部的电流馈送方向和/或电路板内部的电流回送方向恒定的厚子层横截面积在物理上是多余的且不合实际的。厚子层横截面积沿着电路板内部的电流馈送方向和/或电路板内部的电流回送方向按照有利方式与电流传导的各个要求相匹配。根据本发明的强电流电路板可以节能地运行。
如下设计方案是有利的，其带有用于将电流传导层相对开关层屏蔽的第一屏蔽元件和用于将电流传导层相对驱控层屏蔽的第二屏蔽元件。由此，实现了电流传导层在开关层与驱控层之间的居中的布置。这种强电流电路板稳固地实施。
如下设计方案是特别有利的，在该设计方案中，第一屏蔽元件是电流传导层的与开关层相邻的厚子层和/或第二屏蔽元件是电流传导层的与驱控层相邻的厚子层。第一屏蔽元件和第二屏蔽元件尤其分别实施为电流回送厚子层。两个在电流传导层中外置的厚子层用于屏蔽。这些厚子层实现了功能整合。尤其无需将单独的屏蔽元件整合到强电流电路板中。
如下设计方案是有利的，在该设计方案中，开关层具有至少两个开关层薄子层，其中，在尤其是外置的，也就是说布置在强电流电路板的外侧上的第一开关层薄子层上安装有至少一个功率开关。第一开关层薄子层与尤其是内置的第二开关层薄子层传导地连接。第一开关层薄子层和第二开关层薄子层尤其导电和/或导热地相互连接。
如下设计方案是特别有利的，即，至少两个开关层薄子层通过至少一个穿通接触部相互连接。这种穿通接触部也被称为过孔(VerticalInterconnectAccess，VIA)。至少一个穿通接触部可以尤其通过激光钻孔制造成微型VIA。至少一个穿通接触部尤其用铜来填充。这种穿通接触部也被称为微型VIA填充部(Mikro-VIA-Fill)。通过铜填充提高了外置的开关层薄子层的铜份额。在两个开关层薄子层之间的电连接和热连接由此得到改善。在功率开关中产生的热量可以被低阻抗地引导通过两个开关层薄子层。产生的热量可以因此分配给两个开关层薄子层。这种分配也被称为热扩散原理。由此，能够取消传统的热穿通接触部或至少减少热穿通接触部的数量。用铜填充的穿通接触部增大了连接面，强电流电路板可以经由该连接面借助热导介质连接到散热体上。由此能有效地使强电流电路板，特别是功率开关散热。
如下设计方案是有利的，在该设计方案中，开关层薄子层分别由铜构成且分别具有约12μm至最大70μm，特别是12μm、18μm、35μm或70μm的恒定的层厚。薄子层可以不复杂且成本低廉地制造。薄子层与在电流传导方面的预期的要求相匹配。
如下设计方案是有利的，在该设计方案中，驱控层具有至少两个驱控层薄子层，其中，在特别是外置的，也就是说布置在强电流电路板的外侧上的第一驱控层薄子层上安装有至少一个驱控元件。第一驱控层薄子层与特别是内置的第二驱控层薄子层传导地连接。驱控层薄子层尤其导电和/或导热地相互连接。
如下设计方案是特别有利的，在该设计方案中，至少两个驱控层薄子层通过特别是形式为经激光钻孔的微型VIA的至少一个穿通接触部相互连接。至少一个穿通接触部尤其实施为空心的。
不仅是在权利要求中说明的特征还有在接下来对根据本发明的强电流电路板的实施例中说明的特征单独地或相互组合地适用于对根据本发明的主题进行的扩展设计。各特征组合不会在本发明主题的扩展方面起任何限制，而是基本上仅具有示例性的特性。
附图说明
本发明的其他特征、优势和细节结合附图由以下对实施例的说明得出。其中：
图1示出带有根据本发明的强电流电路板的电路的示意图；
图2示出根据图1的强电流电路板的示意性侧视图；
图3示出相应于图2的强电流电路板的纵剖面；以及
图4示出根据本发明的多功能的强电流电路板的功能层的功能上的示意图。
在图1至图4中彼此对应的部件用相同的附图标记标注。以下详细阐释的实施例的细节也可以单独表示本发明或是本发明主题的一部分。
具体实施方式
图1a和图1b示出了电路的示意性的布置，其中，消耗器1，特别是电动马达1由电压源2，特别是电池供以电压。从电压源2到消耗器1的电流输送通过借助强电流电路板4的至少一个功率开关3的开关过程实现。电流馈送线路5将电压源2与强电流电路板4连接。电流回送部6经由强电流电路板4将消耗器1与电压源2连接。通过闭合至少一个功率开关3实现了从电压源2经由功率开关3到消耗器1以及又返回的电流流动。在强电流电路板3上提供了直至系统边界，例如(未示出的)触头或插头的电流馈送线路和电流回送部。
图1a示出一条电流馈送线路5将强电流电路板4与消耗器1连接。图1b示出三条电流馈送线路5将强电流电路板4与消耗器，尤其是与三相消耗器连接。
图2示出强电流电路板4的多子层的结构。按照图2中的示意性的示例，在强电流电路板4上设置三个功率开关3。功率开关3实施为功率半导体。功率开关3尤其实施为金属氧化物半导体场效应晶体管的特殊化的类型，其也作为功率金属氧化物半导体场效应晶体管而公知。功率开关3按照图2所示布置在强电流电路板4的底侧上。
强电流电路板4具有多个层，这些层分别履行不同的功能。在图4中上部示出的驱控层8包括两个驱控层薄子层9、10。在强电流电路板4的与底侧相对置的上侧上设置有三个驱控元件7。布置在强电流电路板4的外侧上的第一驱控层薄子层9承载驱控元件7。在第一驱控层薄子层9与第二驱控层薄子层10之间设置有绝缘的塑料子层11。塑料子层11用于使导电的子层9、10绝缘。塑料子层11例如是塑料树脂，特别是环氧树脂。驱控层薄子层9、10例如由铜构成且具有约12μm、18μm、35μm或70μm的层厚。在第二驱控层薄子层10的背离第一驱控层薄子层9的底侧上设置有驱控层8的另一塑料子层11。
在驱控层8的与强电流电路板4的外侧相对置的侧上设置有电流传导层12。电流传导层12包括四个厚子层13、14、15和16，其中，各两个相邻的厚子层13和14、14和15、15和16以及16和17通过塑料子层11分隔开。
厚子层13至16分别实施为铜子层且具有约105μm、210μm或最大400μm的层厚。两个内置的厚子层14、15实施为电流馈送厚子层。电流馈送厚子层14、15与电流馈送线路5连接。相应地两个外置的厚子层13、16实施为电流回送厚子层。电流回送厚子层13、16与电流回送部6连接。电流馈送厚子层14、15用于电路板内部的从驱控元件7到功率开关3以及从功率开关3到驱控元件7的电流馈送。电流馈送厚子层14、15用于将电压源2与消耗器1连接。电流回送厚子层13、16用于从消耗器1通过强电流电路板4到电压源2的电流回送。电流传导层12与虚拟的中间子层17轴对称地布置。虚拟的中间子层17在图2中用虚线示出。虚拟的中间子层17居中地布置在处于两个电流馈电厚子层14、15之间的塑料子层11中。
开关层18联接至电流传导层12上。开关层18包括两个塑料子层11和两个开关层薄子层19、20，其中，在靠外布置的第一开关层薄子层20上布置有功率开关3。开关层薄子层由铜构成且具有约35μm的层厚。在两个开关层薄子层19、20之间设置有塑料子层11。
接下来借助图3详细阐释子层9、10、13至16、19和20的连接。图3示出了在图6中靠左示出的功率开关3的区域中的强电流电路板4的竖直剖面的放大的截段。由图3可知，驱控层8的各驱控层薄子层9、10和开关层18的各开关层薄子层19、20分别通过非贯通的穿通接触部28或30相互连接。穿通接触部，也被称为VIA，尤其是微型VIA，且尤其通过激光钻孔来制造。连接驱控层薄子层9、10的微型VIA28实施为空心的。此外设置有贯通的穿通接触部29，其贯穿强电流电路板4所有的子层。开关层薄子层19、20通过微型VIA33相互连接。微型VIA30基本上与微型VIA28类似地实施，其中，微型VIA30用铜来填充。穿通接触部30也被称为微型VIA填充。内置的电流馈送厚子层14、15用于到安装在外部的消耗器1的电流馈送。电流馈送厚子层14、15充当用于在强电流电路板4内供电的正接的电势面。电流回送厚子层13、16用于电流回送。电流回送厚子层13、16同时贯通地实施且是用于相对驱控层8以及相对开关层18屏蔽电流传导层12的第一和第二屏蔽元件。也就是说，屏蔽元件13、16整合地实施在电流传导层12中。
功率开关3实现了经由导热膏或导热板与散热器，例如散热体的连接。功率开关3的特征尤其在于每单位时间的大的电流变化率。由于电流传导层12的屏蔽，这种电流变换是不成问题的。尤其由于提高的厚子层横截面积而排除了趋肤效应。
接下来借助图4详细阐释在强电流电路板4中的电流引导。强电流电路板4的重要的结构相应于之前的、尤其在图2和图3中示出的附图。在强电流电路板4的上侧上示例性地设置有驱控元件7。也可以在第一驱控层薄子层9上设置另外的驱控元件7。
在强电流电路板4的底侧上，功率开关3安装在第一开关层薄子层20上。从驱控元件7到功率开关3的电流馈送线路经由在图4中靠左布置在第一驱控层薄子层9上的电流馈送线路31实现。电流馈送线路31通过带驱控层薄子层9、10的驱控层8和形式为电流回送厚子层13的第一屏蔽元件通往电流馈送厚子层15。电流馈送厚子层15预定了在电路板内部的电流馈送方向32。电流馈送厚子层15在靠左示出的端部上具有最大的厚子层横截面积。在这个区域中，电流馈送厚子层15适用于传导最大的电流。用于开关图4中靠左示出的功率开关3所需的电流分量经由电流馈送线路穿过电流回送厚子层16通往功率开关3。这种经分叉的电流份额在沿着电流馈送方向32的进一步的走向中不必通过电流馈送厚子层15传导。相应地，电流馈送厚子层15在电流馈送线路31分叉成第一功率开关3之后具有减小的厚子层横截面积。尤其是，电流馈送厚子层15的厚子层横截面积在电流馈送线路31分叉之后减小了如下横截面积份额，该横截面积份额为了对供应第一功率开关3所需的电流份额进行传导是必需的。电流馈送厚子层15的厚子层横截面积沿着电流馈送方向32逐步减小。如图4所示那样，电流馈送厚子层具有沿着电流馈送方向32的阶梯状的结构。也可能的是，厚子层横截面积沿着电流馈送厚子层15连续减小，也就是斜坡状地实施。
相应地，厚子层横截面积沿着电流馈送厚子层14的电路板内部的电流回送方向34增大。电流馈送厚子层14经由电流回送部33与驱控层8的驱控层薄子层9、10连接。
根据图4，不仅电流馈送厚子层15沿着电路板内部的电流馈送方向34而且电流馈送厚子层15沿着电路板内部的电流回送方向34都分别阶梯状地实施，也就是关于厚子层横截面积逐级变化地实施。电流馈送厚子层14、15尤其以如下方式实施且布置在强电流电路板4，特别是电流传导层12中，使得相应于对应电流馈送厚子层14、15的厚子层横截面积的和的总的厚子层横截面积，沿着电流传导方向32、34基本上是恒定的。这尤其通过如下方式实现，即，电流馈送厚子层14的厚子层横截面积以电流馈送厚子层15的厚子层横截面积逐步减小的量逐步增大。由此能将两个电流馈送厚子层14、15特别节省空间且紧凑地布置在强电流电路板4中。
在针对单个功率开关3的电流需求分别一致的前提下，最大厚子层横截面积是各个用于传导单电流所需的横截面积的和。
附图标记列表
1消耗器
2电压源
3功率开关
4强电流电路板
5电流馈送线路
6电流回送部
7驱控元件
8驱控层
9第一驱控层薄子层
10第二驱控层薄子层
11塑料子层
12电流传导层
13电流回送厚子层
14电流馈送厚子层
15电流馈送厚子层
16电流回送厚子层
17虚拟的中间子层
18开关层
19第二开关层薄子层
20第一开关层薄子层
21铜下子层
22第一穿通接触部
23第二穿通接触部
24中间回路电容器
25流入元件
26流出元件
27控制电极
28在驱控层薄子层9、10之间的微型VIA
29穿通接触部
30在开关层薄子层20、19之间的微型VIA填充部
31电流馈送线路
32电路板内部的电流馈送方向
33电流回送部
34电路板内部的电流回送方向

Claims (14)

1.一种多功能的强电流电路板(4)，所述强电流电路板包括：
a.具有多个厚子层(13、14、15、16)的用于传导电流的电流传导层(12)，
b.具有用于开关消耗器(1)的至少一个功率开关(3)的开关层(18)，
c.具有至少一个驱控元件(7)的用于驱控所述至少一个功率开关(7)的驱控层(8)，
d.用于将所述电流传导层(12)相对所述驱控层(8)以及相对所述开关层(18)屏蔽的至少一个屏蔽元件(13、16)。
2.根据权利要求1所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述电流传导层(12)具有至少四个厚子层(13、14、15、16)，其中，设置有至少一个电流馈送厚子层(14、15)，所述至少一个电流馈送厚子层用于从能与所述强电流电路板(4)连接的电压源(2)经由所述强电流电路板(4)到能与所述强电流电路板(4)连接的消耗器(1)的电流馈送，以及设置有至少一个电流回送厚子层(13、16)，所述至少一个电流回送厚子层用于从所述消耗器(1)经由所述强电流电路板(4)到所述电压源(2)的电流回送。
3.根据权利要求2所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述至少四个厚子层(13、14、15、16)对称地布置，从而使得由厚子层(13、14、15、16)引起的电磁场彼此相反地定向并且尤其是抵消。
4.根据权利要求2或3所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述电流传导层(12)交替地由电流馈送厚子层(14、15)和电流回送厚子层(13、16)来构建。
5.根据前述权利要求中任一项所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述至少四个厚子层(13、14、15、16)分别由铜构成，并且分别具有约105μm至最大400μm，特别是105μm、210μm或400μm的特别是恒定的层厚。
6.根据前述权利要求中任一项所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述至少一个电流馈送厚子层(14、15)和电流回送厚子层(13、16)分别沿着电路板内部的电流传导方向(32、34)具有至少以区段方式变化的厚子层横截面积。
7.根据前述权利要求中任一项所述的强电流电路板(4)，其特征在于具有用于将所述电流传导层(12)相对所述开关层(18)屏蔽的第一屏蔽元件(16)以及用于将所述电流传导层(12)相对所述驱控层(8)屏蔽的第二屏蔽元件(13)。
8.根据权利要求7所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述第一屏蔽元件是所述电流传导层(12)的与所述开关层(18)相邻的厚子层(16)，并且所述第二屏蔽元件是所述电流传导层(12)的与所述驱控层(8)相邻的厚子层(13)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述开关层(18)具有至少两个开关层薄子层(19、20)，其中，在第一开关层薄子层(20)上安装有所述至少一个功率开关(3)，并且其中，所述第一开关层薄子层(20)与第二开关层薄子层(19)传导连接。
10.根据权利要求9所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述至少两个开关层薄子层(19、20)通过至少一个穿通接触部(23、29、30)连接，其中，所述至少一个穿通接触部(30)尤其用铜来填充。
11.根据权利要求9或10所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述开关层薄子层(19、20)分别由铜构成，并且分别具有约12μm至最大70μm，特别是12μm、18μm、35μm或70μm的特别是恒定的层厚。
12.根据前述权利要求中任一项所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述驱控层(8)具有至少两个驱控层薄子层(9、10)，其中，在第一驱控层薄子层(9)上安装有所述至少一个驱控元件(7)，并且其中，所述第一驱控层薄子层(9)与第二驱控层薄子层(10)传导连接。
13.根据权利要求12所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述至少两个驱控层薄子层(9、10)通过至少一个穿通接触部(22、28、29)连接，其中，所述至少一个穿通接触部(28)特别是实施为空心的。
14.根据权利要求12或13所述的强电流电路板(4)，其特征在于，所述驱控层薄子层(9、10)分别由铜构成，并且分别具有约12μm至最大70μm，特别是12μm、18μm、35μm或70μm的恒定的层厚。
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