DE10101777A1 - Einzelmodulsystem für elektrisches/elektronisches Gerät - Google Patents

Einzelmodulsystem für elektrisches/elektronisches Gerät

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DE10101777A1 DE2001101777 DE10101777A DE10101777A1 DE 10101777 A1 DE10101777 A1 DE 10101777A1 DE 2001101777 DE2001101777 DE 2001101777 DE 10101777 A DE10101777 A DE 10101777A DE 10101777 A1 DE10101777 A1 DE 10101777A1
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Abstract

Es wird ein Einzelmodulsystem für ein elektrisches/elektronisches Gerät offenbart. Das Einzelmodulsystem umfaßt ein erstes Modulteil mit einer ersten PCB, die aus einem keramischen oder auf Metall basierenden Material gebildet ist, und exothermen Vorrichtungen, die sich auf der ersten PCB befinden; und ein zweites Modulteil mit einer zweiten PCB, die aus einem Epoxid- oder auf Phenol basierenden Material besteht, und nicht exothermen Vorrichtungen, die sich auf der zweiten PCB befinden.

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einzelmodulsystem für ein elektrisches/elektronisches Gerät, und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Einzelmodulsystem für ein elektrisches/elektronisches Gerät, das alle Vorrichtungen mit Ausnahme einer elektrischen Fassung, die einen großen Raum in dem elektrischen/elektronischen Gerät einnehmen, in dem ein Inverter verwendet wird, modularisiert, wodurch die Größe des elektrischen/elektronischen Geräts verringert wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Teileanordnung eines Inverters für das herkömmliche elektrische/elektronische Gerät schematisch zeigt.
Mit Bezugnahme auf Fig. 1 sind in dem herkömmlichen Inverter alle Schaltungsteile auf einer gedruckten Leiterplatte ("printed circuit board" - PCB) 10 montiert. Die entsprechenden Schaltungsteile weisen die Bauform eines Dual-in-line-Gehäuses ("dual in-line package" - DIP) auf.
Von den Schaltungsteilen ist an exothermen Vorrichtungen, wie einer Brückendiode (BD) 2, einer Schaltstromversorgung ("switching mode power supply" - SMPS) 5, einem Triac 4, einem intelligenten Strommodul ("intelligent power module" - IPM) 6 und so weiter, eine Wärmesenke befestigt.
Das IPM 6, das einen wichtigen Teil des Inverters darstellt, ist ein Modul, in dem sechs bipolare Isolierschicht-Transistoren ("insulated gate bipolar transistor" - IGBT), Freilaufdioden ("free-wheeling diodes" - FWD), eine IGBT-Steuerschaltung und eine IGBT- Schutzschaltung, welche die IGBTs vor einem Überstrom schützt, usw., eingebettet sind. Das Bezugszeichen 7 in der Zeichnung stellt einen Micom zur Steuerung der gesamten Inverterschaltung dar.
Der herkömmliche Inverter, der wie oben konstruiert ist, empfängt Wechselstrom. Wechselstrom fließt durch Filter 1 und wird danach durch die BD 2 und Glättungskondensatoren ("capacitors" - Caps) 3 in Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichstrom wird durch die SMPS 5 auf eine gewünschte Spannung reguliert, wie zum Beispiel 5 V, 14 V oder dergleichen. Der Triac 4 wird zum Antreiben einer externen Last verwendet.
Der herkömmliche Inverter weist jedoch dahingehend Mängel auf, daß das Volumen der PCB 10 erhöht ist, da alle Teile auf der PCB 10 montiert sind, und somit auch das elektrische/elektronische Geräts größer ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher wurde die vorliegende Erfindung in dem Bemühen gemacht, die Probleme, die nach dem Stand der Technik auftreten, zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Einzelmodulsystems für ein elektrisches/elektronisches Gerät, in dem alle Vorrichtungen mit Ausnahme einer elektrischen Fassung, die einen großen Raum in dem elektrischen/elektronischen Gerät einnehmen, in dem ein Inverter verwendet wird, modularisiert, wodurch die Größe des elektrischen/elektronischen Geräts verringert wird.
Zur Lösung der obengenannten Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Einzelmodulsystem für ein elektrisches/elektronisches Gerät bereitgestellt, umfassend: ein erstes Modulteil mit einer ersten PCB, die aus Keramik oder einem auf Metall basierenden Material besteht, und exothermen Vorrichtungen, die auf der ersten PCB angeordnet sind; und ein zweites Modulteil mit einer zweiten PCB, die aus einem Epoxid- oder auf Phenol basierenden Material besteht, und nicht-exothermen Vorrichtungen, die auf der zweiten PCB angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind das erste Modulteil und das zweite Modulteil derart konstruiert, daß die erste und zweite PCB durch tragende Stützstäbe miteinander verbunden sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen die Vorrichtungen für das Einzelmodulsystem blanke Teile.
Durch die Merkmale der vorliegenden Erfindung können alle Schaltungsteile, die auf einer PCB des herkömmlichen Inverters montiert sind, derart modularisiert werden, daß exotherme Vorrichtungen und nicht-exotherme Vorrichtungen getrennt auf einer ersten bzw. zweiten Schicht angeordnet sind. In der vorliegenden Erfindung ist die erste Schicht aus einem Material mit ausgezeichneten Wärmeübertragungseigenschaften gebildet, wie aus einer keramischen oder auf Metall basierenden PCB, so daß die Verteilung von Wärme, die durch die exothermen Vorrichtungen erzeugt wird, erleichtert wird, und die zweite Schicht besteht aus einer Epoxid- oder auf Phenol basierenden PCB. Zur weiteren Verringerung einer Modulgröße umfassen die exothermen und nicht-exothermen Vorrichtungen blanke Teile. Infolgedessen werden durch die vorliegende Erfindung Vorteile erzielt, da es möglich ist, ein einziges modularisiertes Segment für eine Schaltung eines elektrischen Haushaltsgeräts, in dem ein Inverter verwendet wird, zu bilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obengenannten Aufgaben und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offensichtlicher, von welchen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, welches eine Teileanordnung eines Inverters für das herkömmliche elektrische/elektronische Gerät schematisch zeigt;
Fig. 2 und 3 Blockdiagramme sind, die eine Kraftstromschalttafel bzw. eine Steuertafel eines Einzelmodulsystems für ein elektrisches/elektronisches Gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht ist, die eine doppellagige Anordnung der Kraftstromschalttafel und der Steuertafel des Einzelmodulsystems für ein elektrisches/elektronisches Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5a bis 5c Querschnittsansichten sind, die eine Vielzahl von Verbindungsmustern zwischen der Kraftstromschalttafel und der Steuertafel in dem Einzelmodulsystem für ein elektrisches/elektronisches Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen; und
Fig. 6a bis 6c perspektivische Ansichten sind, die unterschiedliche Konfigurationen von Außenverbindungsstiften zeigen, die an einer Außenfläche des Einzelmodulsystems für ein elektrisches/elektronisches Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Es wird nun ausführlicher auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen, von welcher ein Beispiel in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist. Wenn möglich, werden dieselben Bezugszeichen in allen Zeichnungen und der Beschreibung zur Bezeichnung derselben oder ähnlicher Teile verwendet.
Mit Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 ist ein Einzelmodulsystem für ein elektrisches/elektronisches Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, daß es eine doppellagige Konstruktion aufweist, wodurch eine Vielzahl von Teilen modularisiert werden kann.
In der doppellagigen Konstruktion des Einzelmodulsystems gemäß der vorliegenden Erfindung sind exotherme Vorrichtungen auf einer ersten Schicht angeordnet, und nicht-exotherme Vorrichtungen, welche die mit der Steuerung zusammenhängenden Teile sind, befinden sich auf einer zweiten Schicht. Als erste PCB 111, welche die erste Schicht bildet, wird eine keramische PCB, eine metallische PCB oder dergleichen mit ausgezeichneten Wärmeübertragungseigenschaften verwendet.
Mit anderen Worten, wie in Fig. 2 dargestellt, enthält ein erstes Modulteil 110, das die erste Schicht definiert, eine IGBT/FWD 112, die einen Inverterschaltungsabschnitt bildet, eine IGBT- Gatesteuerung 113, eine IGBT-Schutzschaltung 114 mit einem Überstrom-("overcurrent" - OC)Abschnitt und einem Übertemperatur-("over-temperature" - OT)Abschnitt zum Schutz der IGBT, die für eine Musterverdrahtung geeignet ist, einen SMPS-Schalttransistor 115, und eine Brückendiode 116, die als Gleichrichter dient. Wie zuvor beschrieben, sind die IGBT/FWD 112, die IGBT- Gatesteuerung 113, die IGBT-Schutzschaltung 114, der SMPS-Schalttransistor 115 und die Brückendiode 116, die exotherme Vorrichtung sind, auf der ersten PCB 111 angeordnet.
Des weiteren, wie in Fig. 3 dargestellt, enthält ein zweites Modulteil 120, das die zweite Schicht definiert, einen Micom 122, einen Lastantriebsabschnitt 123, eine Bootstrap-Schaltung 124 zur Leitung einer Vorrichtungssteuerleistung zu einer Inverterschaltung, die auf einer zweiten PCB 121 angeordnet sind. Da die zweite Schicht, anders als die erste Schicht, keine exotherme Vorrichtung enthält, ist hier die zweite Schicht durch die zweite PCB gebildet, die aus einem Epoxid- oder auf Phenol basierendem Material besteht, und nicht aus einem keramischen oder auf Metall basierenden Material, das zur Bildung der ersten Schicht verwendet wird.
Von den Vorrichtungen, die in der ersten und zweiten Schicht verwendet werden, bestehen passive Vorrichtungen, wie ein Widerstand und ein Kondensator, aus Teilen vom Oberflächenmontagetyp. Und der IGBT, die Diode, der Transistor, Micom und dergleichen bestehen aus blanken Teilen und sind mit ihren entsprechenden PCBs durch Drahtbondung verbunden.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die eine doppellagige Anordnung einer Kraftstromschalttafel und einer Steuertafel des Einzelmodulsystems für ein elektrisches/elektronisches Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Mit Bezugnahme auf Fig. 4 befinden sich die entsprechenden exothermen Vorrichtungen die aus den blanken Teilen bestehen, auf der ersten PCB 111, die aus dem keramischen oder auf Metall basierenden Material besteht, und sind mit einem Leitungsmuster durch Drahtbondung verbunden. Zu diesem Zeitpunkt sind die IBGT/FWD 112, die Brückendiode 116 und der SMPS- Schalttransistor 115, durch welche ein Großteil von Strom fließt, mit dem Leitungsmuster durch Drahtbondung unter Verwendung von Aluminium (A1) verbunden, und eine HVIC 113 zum Ansteuern des IGBT ist mit dem Leitungsmuster durch Drahtbondung unter Verwendung von Gold (Au) verbunden.
Ebenso befindet sich der Micom 122 auf der zweiten PCB 121, die aus dem Epoxid- oder auf Phenol basierenden Material besteht, und ist mit einem Leitungsmuster durch Drahtbondung unter Verwendung von Aluminium (Al) verbunden. Aufgrund der Gegenwart der blanken Teile auf der ersten und zweiten Schicht wird zu diesem Zeitpunkt Silikongel zum Einkapseln der blanken Teile verwendet, um ein Oxidieren der blanken Teile in der Luft zu verhindern. Das Bezugszeichen 117 in den Zeichnungen stellt Wärmeverteiler dar, die eine Wärmeabgabe fördern sollen.
Andererseits sind Fig. 5a bis 5c Querschnittsansichten, die eine Vielzahl von Verbindungsmustern zwischen der Kraftstromschalttafel und der Steuertafel in dem Einzelmodulsystem für ein elektrisches/elektronisches Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
Fig. 5a zeigt eine Konstruktion, in welcher die erste und zweite Schicht durch Stützstangen 130 verbunden sind. Durch diese Konstruktion ist es möglich, gleichzeitig die Verbindung der ersten und zweiten Schicht herzustellen und die zweite Schicht zu stützen, ohne separate Elemente zum Stützen der zweiten Schicht zu verwenden.
Fig. 5b zeigt eine weitere Konstruktion, in welcher die erste und zweite Schicht durch Buchsen 140 miteinander verbunden sind.
Fig. 5c zeigt eine weitere Konstruktion, in welcher die erste und zweite Schicht durch Buchsen 140 und Schaltdrahtverbindungen 150 miteinander verbunden sind, so daß der Verbindungsvorgang von Fig. 5b leichter ausgeführt werden kann.
Das Einzelmodulsystem 100, das die Verbindungskonstruktionen zwischen der ersten und zweiten Schicht, wie in den Fig. 5a bis 5c dargestellt, verwendet, muß über Stifte für den Anschluß des Inverters an äußere Schaltungen oder äußere Lasten, unter Berücksichtigung eines Außenmotors, einer Schnittstelle zwischen einem Benutzer und dem elektrischen/elektronischen Gerät, und so weiter, verfügen.
Fig. 6a bis 6c sind perspektivische Ansichten, die eine Reihe von Konfigurationen von Außenverbindungsstiften zeigen, die an einer Außenfläche des Einzelmodulsystems für ein elektrisches/elektronisches Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.
Fig. 6a zeigt eine Konstruktion, in welcher eine Außenfläche des Einzelmodulsystems 100 mit Anschlußstiften 161 versehen ist, die mit der ersten Schicht verbunden sind, sowie mit Verbindungsstiften vom Typ einer integrierten Schaltkreisbuchse 162, die mit der zweiten Schicht verbunden sind. Die Leitungsstifte 161 und die Verbindungsstifte vom Typ einer integrierten Schaltkreisbuchse 162 sind mit den äußeren Schaltungen oder äußeren Lasten verbunden.
Fig. 6b zeigt eine weitere Konstruktion, in welcher die Außenfläche des Einzelmodulsystems 100 mit ersten Stiften 170 versehen ist, die mit der ersten Schicht verbunden sind, sowie mit zweiten Stiften 170, die mit der zweiten Schicht verbunden sind. Die ersten und zweiten Stifte 170 sind miteinander jeweils in einer Linie derart ausgerichtet, daß sie an die äußeren Schaltungen oder äußeren Lasten angeschlossen sind.
Fig. 6c zeigt eine weitere Konstruktion, in welcher die Außenfläche des Einzelmodulsystems 100 mit ersten Stiften 182 versehen ist, die mit dem ersten Modulteil 110 verbunden sind, sowie mit zweiten Stiften 181, die mit dem zweiten Modulteil 120 verbunden sind. Da die ersten Stifte 182 mit der Stromversorgung in Zusammenhang stehen, sind die ersten Stifte 182 weiter innen angeordnet als die zweiten Stifte 181. Die ersten Stifte 182 und die zweiten Stifte 181 sind an die äußeren Schaltungen oder äußeren Lasten angeschlossen.
Wie zuvor beschrieben, können durch das Einzelmodulsystem für ein elektrisches/elektronisches Gerät alle Schaltungsteile, die auf einer PCB des herkömmlichen Inverters montiert sind, derart modularisiert werden, daß exotherme Vorrichtungen und nicht-exotherme Vorrichtungen getrennt auf einer ersten bzw. zweiten Schicht angeordnet sind. In der vorliegenden Erfindung ist die erste Schicht aus einem Material mit ausgezeichneten Wärmeübertragungseigenschaften gebildet, wie einer keramischen oder auf Metall basierenden PCB, so daß die Verteilung von Wärme, die durch die exothermen Vorrichtungen erzeugt wird, erleichtert wird, und die zweite Schicht besteht aus einer Epoxid- oder auf Phenol basierenden PCB. Zur weiteren Verringerung einer Größe eines Moduls umfassen die exothermen und nicht-exothermen Vorrichtungen blanke Teile. Infolgedessen werden durch die vorliegende Erfindung Vorteile erreicht, da es möglich ist, ein einziges modularisiertes Teil für eine Schaltung eines elektrischen Haushaltsgeräts, das einen Inverter verwendet, zu bilden. Des weiteren ist es möglich, ein Gerät zu entwickeln, das hinsichtlich der Schaltungsgröße, betrieblichen Zuverlässigkeit und Herstellungskosten Vorteile aufweist.
In den Zeichnungen und der Beschreibung wurden typische bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart, und obwohl spezifische Begriffe verwendet werden, sind diese nur im generischen und beschreibenden Sinne und nicht als Einschränkung zu verstehen, wobei der Umfang der Erfindung in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims (8)

1. Einzelmodulsystem für ein elektrisches/elektronisches Gerät, umfassend
ein erstes Modulteil mit einer ersten PCB, die aus einem keramischen oder auf Metall basierenden Material besteht, und exothermen Vorrichtungen, die sich auf der ersten PCB befinden; und
ein zweites Modulteil mit einer zweiten PCB, die aus einem Epoxid- oder auf Phenol basierenden Material besteht, und nicht-exothermen Vorrichtungen, die sich auf der zweiten PCB befinden.
2. Einzelmodulsystem nach Anspruch 1, wobei das erste Modulteil und das zweite Modulteil derart konstruiert sind, daß die erste und zweite PCB durch tragende Stützstangen miteinander verbunden sind.
3. Einzelmodulsystem nach Anspruch 1, wobei das erste Modulteil und das zweite Modulteil derart konstruiert sind, daß die erste und zweite PCB durch Buchsen miteinander verbunden sind.
4. Einzelmodulsystem nach Anspruch 3, wobei das erste Modulteil und das zweite Modulteil derart konstruiert sind, daß sie durch Schaltdrahtverbindungen miteinander verbunden sind, von welchen jede eine Buchse des ersten Modulteils mit einer Buchse des zweiten Modulteils koppelt.
5. Einzelmodulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Außenfläche des Einzelmodulsystems mit Anschlußstiften für das erste Modulteil und Verbindungsstiften vom Typ einer integrierten Schaltkreisbuchse für das zweite Modulteil derart versehen ist, daß diese mit äußeren Schaltungen oder äußeren Lasten verbunden sind.
6. Einzelmodulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Außenfläche des Einzelmodulsystems mit ersten Stiften versehen ist, die mit dem ersten Modulteil verbunden sind, sowie mit zweiten Stiften, die mit dem zweiten Modulteil verbunden sind, wobei die ersten Stifte und zweiten Stifte jeweils miteinander in einer Reihe derart ausgerichtet sind, daß sie mit äußeren Schaltungen oder äußeren Lasten verbunden sind.
7. Einzelmodulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Außenfläche des Einzelmodulsystems mit ersten Stiften versehen ist, die mit dem ersten Modulteil verbunden sind, sowie mit zweiten Stiften, die mit dem zweiten Modulteil verbunden sind, wobei die ersten Stifte weiter innen als die zweiten Stifte angeordnet sind, wobei die ersten Stifte und die zweiten Stifte mit äußeren Schaltungen oder äußeren Lasten verbunden sind.
8. Einzelmodulsystem nach Anspruch 1, wobei die exothermen Vorrichtungen und die nicht-exothermen Vorrichtungen blanke Teile umfassen.
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