CN114467365A

CN114467365A - 用于电压转换器的电子板

Info

Publication number: CN114467365A
Application number: CN202080066475.4A
Authority: CN
Inventors: N.阿拉利; E.塔伦
Original assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Current assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-05-10
Also published as: FR3100668B1; FR3100668A1; EP4026408A1; JP2022546779A; JP7379670B2; WO2021044062A1; US11950388B2; US20220322559A1

Abstract

本发明涉及一种电路板(1)，其限定并联连接的多个开关臂(6)，以便将第一电压转换成第二电压，这些电压中的至少一个是DC电压，该电路板包括：‑多个可控电子开关(10)，其成对串联安装在中点的任一侧，以产生并联连接的开关臂，‑多个去耦电容器(11、12)，这些电容器(11)彼此并联且与DC电压并联连接，以及‑两个导电层(16、17、18)，特别是彼此平行布置，这些导电层中的一个(16)在电学上处于DC电压的最高电势，这些导电层中的另一个(18)处于DC电压的最低电势，每个去耦电容器(11、12)具有连接到这些导电层中的一个(16)的一个端子和连接到这些导电层中的另一个(18)的其另一个端子，电子开关(10)布置在电路板上，使得连接开关臂(6)的所有中点的图案限定第一多边形(P1),该第一多边形具有大于或等于3的边数，并且两个导电层(16、17、18)中的每个至少在叠置在第一多边形(P1)上的面上延伸。

Description

用于电压转换器的电子板

技术领域

本发明涉及一种限定多个开关臂的电路板，特别是为了制造电压转换器。电压转换器例如是DC/DC电压转换器，或者是逆变器/整流器。

背景技术

这种开关臂通常采用晶体管。基于氮化镓(GaN)或基于碳化硅(SiC)的新晶体管技术在开关速度方面比以前技术实现了更高的性能，这使得可以在更高的斩波频率下工作。

开关臂布置成将DC电压转换成另一电压，该另一电压可以是也可以不是DC电压。去耦电容器与该DC电压并联连接，由于上述斩波频率，会产生高频谐波。由于这些谐波，去耦电容器之间的连接中寄生电感的存在可能产生电流谐振，这可能损坏电路板的部件。

需要一种克服上述缺点的电路板。

发明内容

本发明的目的是满足这一需求，并且根据其一个方面，它通过使用一种电路板来实现，该电路板限定并联连接的多个开关臂，以便将第一电压转换成第二电压，这些电压中的至少一个是DC电压，该电路板包括：

-多个可控电子开关，其成对串联安装在中点的任一侧，以产生并联连接的开关臂，

-多个去耦电容器，这些电容器彼此并联且与DC电压并联连接，以及

-两个导电层，这些导电层中的一个在电学上处于DC电压的最高电势，这些导电层中的另一个处于DC电压的最低电势，每个去耦电容器具有连接到这些导电层中的一个的一个端子和连接到这些导电层中的另一个的其另一个端子，

电子开关布置在电路板上，使得连接开关臂的所有中点的图案限定第一多边形,该第一多边形具有大于或等于3的边数，并且两个导电层中的每个至少在叠置在第一多边形上的面上延伸。

根据本发明的电路板一方面具有去耦电容器之间的连接，该连接通过叠加的导电层而不是有线导体或印刷电路板电阻迹线来实现，另一方面具有以非对齐方式布置的开关臂。以这种方式，去耦电容器之间的连接的寄生电感以及前述的电流谐振被显著降低。此外，将电子开关定位在电路板上，使得连接开关臂的所有中点的图案限定第一多边形，这可以减少开关臂和去耦电容器之间的实际距离的不平衡。

在下文中，除非另有明确说明，否则：

-术语“连接”是指电连接，而术语“布置”是指空间布置，以及

-当两个多边形的边数相同时，它们属于同一类型。

根据本发明，所有开关臂布置成在空间上彼此相对，也就是说，没有开关臂在空间上介于电路板的两个其他开关臂之间。

导电层可以彼此平行布置。

每个导电层可以是板的形式，该板在彼此平行的两个面之间延伸。

电路板例如是印刷电路板。每个去耦电容器和电子开关例如安装在该印刷电路板的同一端面上。

第一和/或第二导电层可以布置在印刷电路板内部。例如，导电层之一是限定印刷电路板的外表面的层，例如上表面或下表面，而另一个导电层是布置在该印刷电路板内部的层。

作为变型，每个导电层布置在印刷电路板内部。

作为另一变型，每个导电层是限定印刷电路板外表面的层，这些层之一是该印刷电路板的上表面，这些层中的另一个是该印刷电路板的下表面。

仍在印刷电路板部分的情况下，并且当第一和第二导电层都布置在印刷电路板部分内部时，这两个导电层可以在它们之间限定高频电容器，特别是具有小于1nH的比电感，如申请人于2019年4月1日在法国提交的号为1903457的申请中所公开。

第一导电层可以包括并联连接的多个子层。第一导电层的仅一些子层或者所有这些子层可以布置在印刷电路板内部。第二导电层可以包括并联连接的多个子层。第二导电层的仅一些子层或者所有这些子层可以布置在印刷电路板内部。

在适当的情况下，电路板可以包括与第二导电层的子层交替的第一导电层的子层，然后堆叠这些子层。

贯穿前文，特别是当至少一个导电层布置在印刷电路板内部时，可以形成一个或多个通孔，从而使得可以将电容器的端子电连接到相应的导电层。每个通孔例如由金属化孔或激光通孔形成。

开关臂的每个可控电子开关可以占据相对于所述臂的中点远离第一多边形的中心的位置或相对于所述中点靠近第一多边形的中心的位置。

贯穿前文，去耦电容器可以布置在电路板上，使得连接所有这些电容器的图案限定第二多边形。该第二多边形的边数可以大于或等于三。

去耦电容器的数量可以等于开关臂的数量，在这种情况下，第一多边形和第二多边形是相同类型的。

第二多边形可以包含在第一多边形内或至少主要包含在第一多边形内，或者第一多边形可以包含在第二多边形内或至少主要包含在第二多边形内。第二多边形全部或部分位于第一多边形内部的事实使得可以减小与定义该第二多边形的图案相关的去耦电容器之间的实际距离。此外，这个位置可以成对地增加这些去耦电容器之间的互感值。

根据本发明的特定示例性实施方式，第一电压和第二电压都可以是DC电压。第一DC电压可以大于第二DC电压。例如，开关臂然后：

-将48V的第一电压转换成12V的第二电压，反之亦然，

或者，

-将值大于300V的第一电压转换成12V的第二电压，反之亦然。

当开关臂执行DC/DC转换时，存在多个去耦电容器，并且这些电容器彼此并联且与第一DC电压并联连接，存在多个去耦电容器，并且这些电容器彼此并联且与第二DC电压并联连接，多个电容器中的一个布置在电路板上，使得连接所有这些电容器的图案限定第二多边形，多个电容器中的另一个布置在电路板上，使得连接所有这些电容器的图案限定第三多边形。第二和第三多边形都可以具有从第二到第三多边形的相等或不相等的边数，其大于或等于三。

每个多个电容器可以包括数量等于开关臂数量的电容器，在这种情况下，第三多边形、第二多边形和第一多边形是相同类型的。

仍当开关臂执行DC/DC转换时，第三多边形可以包含在第一多边形内或至少主要包含在第一多边形内，或者第一多边形可以包含在第三多边形内或至少主要包含在第三多边形内。第三多边形全部或部分位于第一多边形内的事实使得可以减小与限定第三多边形的图案相关的去耦电容器之间的实际距离。

当上述多边形中的每个布置在这些多边形中的另一个内部时，将参考去耦电容器相对于可控电子开关的嵌套配置。

仍当开关臂执行DC/DC转换时，第二多边形可以包含在第一多边形内或至少主要包含在第一多边形内，并且第一多边形可以包含在第三多边形内或至少主要包含在第三多边形内。对于非常高的斩波频率，例如大于1MHz，第一、第二和第三多边形的这种相对位置可能特别有利。

贯穿前文，电路板可以包括多个电感器，每个电感器与开关臂相关并且电连接到所述臂的中点。电感器可以或可以不布置在电路板上，使得连接所有这些电感器的图案限定第四多边形。作为变型，连接所有这些电感器的图案限定一条线。

电感器的数量可以等于开关臂的数量，在这种情况下，第四多边形与第一多边形是相同类型的。例如，这些电感器与去耦电容器和电子开关由电路板的同一面承载。

第四多边形可以包含在第一多边形内或至少主要包含在第一多边形内，或者第一多边形可以包含在第四多边形内或至少主要包含在第四多边形内。

仍在开关臂执行DC/DC转换的情况下，第一DC电压可被限定在第一正电势和地之间，第二DC电压可被限定在第二正电势和地之间，并且电路板则包括：

-处于第一电势的第一导电层，

-处于第二电势的第二导电层,以及

-接地的第三导电层,

至少两个导电层即第一和第二导电层且特别是所有导电层至少在叠置在第一多边形上的面上延伸，或者

至少两个所述导电层特别是第一和第二导电层至少在叠置在第一、第二和第三多边形上的面上延伸。

当有三个导电层时，上面所述的关于印刷电路板内部的第一和第二导电层的布置或者以多个子层的形式仍适用。

DC电压可以具有绝缘接地，在这种情况下，提供彼此绝缘的两个第三导电层，一个形成第一DC电压的接地，另一个形成第二DC电压的接地。在这种情况下，电路板可以包括第一区域，其中形成第一DC电压的地的第一导电层和第三导电层叠置，以及电路板的不同于第一区域的第二区域，其中形成第二DC电压的地的第二导电层和第三导电层叠置。

在提供三个导电层的情况下，第一、第二、第三和第四多边形中的一个可以包含所有其他多边形，并且至少两个导电层特别是第一和第二导电层且特别是所有导电层可以至少在叠置在该多边形上的面上延伸，所有其他多边形布置在该多边形内。

无论提供多少导电层，一个多边形可以包含该组开关臂的所有电容器、电感器和可控电子开关，并且至少两个导电层特别是第一和第二导电层且特别是所有导电层可以至少在叠置在该多边形上的面上延伸。在提供三个导电层的情况下，限定第二多边形的多个电容器中的每个电容器可以具有电连接到第一导电层的一个端子和电连接到第三导电层的其另一个端子，并且限定第三多边形的多个电容器中的每个电容器可以具有电连接到第二导电层的一个端子和电连接到第三导电层的其另一个端子。

在适当的情况下，与相同DC电压并联布置的两个电容器可以使它们相应的端子以相反的方式电连接，也就是说，这两个电容器之一的其第一端子电连接到第一导电层且其第二端子电连接到第三导电层，而这两个电容器中的另一个的其第一端子电连接到第三导电层且其第二端子电连接到第一导电层的，根据本申请人于2019年4月1日在法国提交的号为1908805的申请的教导，其内容通过引用结合到本申请中。

贯穿前文，每个导电层可以由铜制成，例如铜板。

贯穿前文，各种导电层可以在空间上彼此平行地布置。

贯穿前文，每个可控开关可以是使用氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)或硅的晶体管。

贯穿前文，可以有任意数量的开关臂，只要它大于或等于3，例如在3和6之间。

根据本发明的另一方面，其另一主题是电压转换器，特别是DC/DC电压转换器，特别是12V/48V或12V/大于300V电压的DC电压转换器，包括如上定义的电路板。

作为变型，电压转换器是逆变器/整流器，在这种情况下，DC电压具有例如12V或48V的值或者大于300V的值。

电压转换器可以使得可以从AC电压网络对DC电压源充电。

附图说明

通过阅读以下对本发明的非限制性示例性实施方式的描述以及检查附图，可以更好地理解本发明，其中：

-图1示出了根据本发明一示例性实施方式的由电路板形成的电路的电路图，

-图2示出了根据图1的示例的电路板的俯视图，

-图3是沿着图2的电路板的III-III的局部截面图，

-图4是沿着图2的电路板的IV-IV的局部截面图，以及

-类似于图2，图5和图6示出了根据本发明的其他示例性实施方式的电路板。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一示例性实施方式的电路板1所承载的电路。该电路板1在这种情况下形成电压转换器的一部分，在所考虑的示例中，该电压转换器是DC/DC电压转换器。例如，它是12V/48V电压转换器，但本发明不限于这样的示例。在这种情况下，电路板1是印刷电路板。

以已知的方式，在这种情况下，电压转换器包括第一DC电压输入端4、第二DC电压输入端5和多个开关臂6，使得可以将第一DC电压输入端4处的电压值转换成第二DC电压输入端5处可用的另一电压值，反之亦然。开关臂6的数量大于或等于三，在这种情况下正好等于三。

在所考虑的示例中，每个开关臂6包括两个可控电子开关10，它们串联连接并且限定它们之间连接到第二电压输入端5的中点。

每个可控开关10在这种情况下是使用例如氮化镓、碳化硅或硅的MOSFET。

电子部件1还包括：

-第一多个去耦电容器11，这些电容器11都并联且与开关臂6并联连接，以及

-第二多个去耦电容器12，这些电容器都并联且与第二DC电压输入端5并联连接。

电容器11和电容器12例如是相同类型的，即特别是化学电容器或陶瓷电容器。

在图1中还可以观察到，电路还包括多个电感器13，每个电感器与开关臂6相关，并且电连接在与其相关的臂6的中点和第二DC电压的最高电势之间。

在所考虑的示例中，电容器11的数量与电容器12的数量一样多，电感器13的数量也一样多，该共同值等于开关臂6的数量。然而，本发明不限于上述部件的这种共同值。

如图2所示，在所考虑的示例中，电容器11、电容器12、电感器13和可控电子开关10安装在电路板1的外表面15上。

在图2的示例中，电路板1接收三个导电层，分别是：

-处于第一DC电压的最高电势的第一导电层16，也称为“第一正电势”，在这种情况下为48V，

-处于第二DC电压的最高电势的第二导电层17，也称为“第二正电势”，在这种情况下为12V，以及

-接地的第三导电层18，该接地在这种情况下对于第一DC电压和第二DC电压是公共的。

在未描述的变型中，第一DC电压和第二DC电压具有绝缘接地，在这种情况下，提供彼此不连接的两个第三导电层18，这些第三导电层中的一个形成第一DC电压的接地，并且这些第三导电层中的另一个形成第二DC电压的接地。

在所考虑的示例中，每个电容器11具有电连接到第一导电层16的一个端子和电连接到第三导电层18的一个端子，如图3所示，其中为了附图的清晰起见，省略了第二导电层17。

在所考虑的示例中，每个电容器12具有电连接到第二导电层17的一个端子和电连接到第三导电层18的一个端子，如图4所示，其中为了附图的清晰起见，省略了第一导电层16。

可以观察到，在所考虑的示例中，第一导电层16在平行于第二导电层17延伸的平面并且也平行于第三导电层18延伸的平面的平面中延伸。在这种情况下，这些层16、17和18中的每一层都由铜板形成。这些层16、17和18中的每一层也布置在电路板1的内部，并且在这种情况下，电容器端子通过通孔19连接到相应的导电层，通孔19是金属化孔。

在现在将要描述的示例中，开关臂6以及因此它们的电子开关10布置在电路板1上，使得连接开关臂6的所有中点的图案限定第一多边形P1，其具有大于或等于3的边数，并且每个导电层16、17和18至少在叠置在第一多边形上的面上延伸。

在图2的示例中，该第一多边形是三角形，而在图5和6的示例中它是四边形。

在图2中可以观察到，对于给定的开关臂6，可控电子开关10中的一个布置在第一多边形P1的外部，而另一个可控电子开关10布置在该第一多边形P1的内部。

还可以观察到，与第一DC电压输入4相关的电容器11布置在电路板1上，使得连接所有这些电容器11的图案限定第二多边形P2，该第二多边形P2在这种情况下是三角形。

在图2中可以观察到，该第二多边形P2布置在第一多边形P1的内部。

仍在图2的示例中，与第二DC电压输入端5相关的电容器12布置在电路板1上，使得连接所有这些电容器12的图案限定第三多边形P3，该第三多边形P3在这种情况下也是三角形。在图2中可以观察到，第三多边形P3在第一多边形P1内部的某些部分中延伸并在第一多边形P1外部的其他部分中延伸。在图2的示例中，第三多边形P3主要在第一多边形P1内部延伸。

此外，在图2的示例中，电感器13布置在电路板1上，使得连接所有这些电感器13的图案限定第四多边形P4，第四多边形在这种情况下也是三角形。可以观察到，该第四多边形在第一多边形P1内部的某些部分中延伸并在该多边形P1外部的某些部分中延伸。

在所描述的示例中，每个导电层16、17和18都在叠置多边形P5上的面上延伸，在多边形P5中布置有电路板的部件10、11、12和13，所有多边形P1到P4都布置在该多边形P5内。

在图5和6的示例中，存在四个开关臂6，四个电容器11与第一DC电压输入端4相关，四个电容器12和四个电感器13与第二DC电压输入端5相关。

在这里还可以观察到存在第一多边形P1、第二多边形P2、第三多边形P3和第四多边形P4，在这种情况下它们是四边形。

在图5的示例中，涉及与第一DC电压输入端4相关的电容器11的第二多边形P2布置在第一多边形P1内，该第一多边形P1本身布置在涉及电感器13的第四多边形P4内，并且该第四多边形P4布置在涉及与第二DC电压输入端5相关的电容器12的第三多边形P3内。将电容器11尽可能多地定位在内部使得可以成对地增加这些电容器11之间的互感值。

图6描绘了另一示例性电路板1，其中多边形P1到P3也是四边形。与前面的示例相反，电感器13不是通过限定多边形的图案连接，而是通过线连接。此外，可以观察到，多边形P1、P2和P3都不包含在另一多边形内，多边形P1与多边形P2重叠，多边形P3与多边形P1和多边形P2都重叠。在图6中还可以观察到，安全晶体管20由电路板1承载。

本发明不限于刚刚描述的示例。

Claims

1.一种电路板(1)，限定并联连接的多个开关臂(6)，以便将第一电压转换成第二电压，这些电压中的至少一个是DC电压，该电路板包括：

-多个可控电子开关(10)，其成对串联安装在中点的任一侧，以产生并联连接的开关臂，

-多个去耦电容器(11、12)，这些电容器(11)彼此并联且与DC电压并联连接，以及

-两个导电层(16、17、18)，特别是彼此平行布置，这些导电层中的一个(16)在电学上处于DC电压的最高电势，这些导电层中的另一个(18)处于DC电压的最低电势，每个去耦电容器(11、12)具有连接到这些导电层中的一个(16)的一个端子和连接到这些导电层中的另一个(18)的其另一个端子，

电子开关(10)布置在电路板上，使得连接开关臂(6)的所有中点的图案限定第一多边形(P1),该第一多边形具有大于或等于3的边数，并且两个导电层(16、17、18)中的每个至少在叠置在第一多边形(P1)上的面上延伸。

2.如权利要求1所述的电路板，开关臂的每个可控电子开关(10)占据相对于所述臂的中点远离第一多边形(P1)的中心的位置或相对于所述中点靠近第一多边形(P1)的中心的位置。

3.如权利要求1或2所述的电路板，去耦电容器(11)布置在电路板上，使得连接所有这些电容器的图案定义第二多边形(P2)，该第二多边形特别是与第一多边形(P1)相同的类型。

4.如权利要求3所述的电路板，所述第二多边形(P2)包含在所述第一多边形(P1)内或至少主要包含在第一多边形(P1)内，或者第一多边形(P1)包含在第二多边形(P2)内或至少主要包含在第二多边形(P2)内。

5.如前述权利要求中任一项所述的电路板，第一电压和第二电压都是DC电压，第一DC电压特别大于第二DC电压。

6.如权利要求5所述的电路板，包括彼此并联且与第一DC电压并联连接的多个去耦电容器(11)，以及彼此并联且与第二DC电压并联连接的多个去耦电容器(12)，多个电容器中的一个(11)布置在电路板上，使得连接所有这些电容器的图案限定第二多边形(P2)，并且多个电容器中的另一个(12)布置在电路板上，使得连接所有这些电容器的图案限定第三多边形(P3)，该第三多边形特别是与第一和第二多边形相同的类型。

7.如权利要求6所述的电路板，所述第三多边形(P3)包含在所述第一多边形(P1)内或至少主要包含在第一多边形(P1)内，或者第一多边形(P1)包含在第三多边形(P3)内或至少主要包含在第三多边形(P3)内。

8.如权利要求6所述的电路板，所述第二多边形(P2)包含在所述第一多边形(P1)内或至少主要包含在第一多边形(P1)内，并且第一多边形(P1)包含在第三多边形(P3)内或至少主要包含在第三多边形(P3)内。

9.如权利要求6至8中任一项所述的电路板，包括多个电感器(13)，每个电感器(13)与开关臂(6)相关，并且电连接到所述臂的中点，电感器(13)布置在电路板上，使得连接所有这些电感器的图案限定第四多边形(P4)，第四多边形特别是与第一多边形相同的类型。

10.如权利要求6至9中任一项所述的电路板，所述第一DC电压限定在第一正电势和地之间，并且所述第二DC电压限定在第二正电势和地之间，所述电路板(1)包括：

-处于第一电势的第一导电层(16)，

-处于第二电势的第二导电层(17),以及

-接地的第三导电层(18),

至少两个导电层(16、17、18)特别是所有导电层至少在叠置在第一多边形(P1)上的面上延伸。

11.如权利要求9和10所述的电路板，第一、第二、第三和第四多边形中的一个包含所有其他多边形，并且至少两个导电层特别是所有导电层至少在叠置在该多边形上的面上延伸，所有其他多边形布置在该多边形内。

12.如权利要求10或11所述的电路板，限定第二多边形(P2)的多个电容器(11)中的每个电容器具有电连接到第一导电层(16)的一个端子和电连接到第三导电层(18)的其另一个端子，并且限定第三多边形(P3)的多个电容器中的每个电容器(12)具有电连接到第二导电层(17)的一个端子和电连接到第三导电层(18)的其另一个端子。

13.一种电压转换器，特别是DC/DC电压转换器，特别是12V/48V DC电压转换器，包括如前述权利要求中任一项所述的电路板。