DE10127947C1 - Schaltungsanordnung - Google Patents

Schaltungsanordnung

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DE10127947C1
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English (en)
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Christian Goebl
Werner Trusky
Juergen Steger
Peter Beckedahl
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Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Original Assignee
Semikron GmbH and Co KG
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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung (10) mit einem Grundkörper (12), mit mindestens einem Substrat (16) mit einer Zwischenkreisplatine (24), mit einer Druckeinrichtung (28) und mit einer Treiberschaltung beschrieben. Das/jedes Substrat (16) weist eine Pluspol-Leiterbahn (32), eine Minuspol-Leiterbahn (34), eine Wechselstrom-Leiterbahn (36) und Hilfsanschlüsse (38, 40) auf. Bauelemente (42), wie Leistungstransistoren sind mit den Leiterbahnen und mit den Hilfsanschlüssen kontaktiert. Die Zwischenkreisplatine (24) weist einen Pluspol-Gleichstromanschluß (46) und einen Minuspol-Gleichstromanschluß (48) und zwischen diesen eingeschaltete elektrische Kondensatoren auf. Dem/jedem Substrat (16) ist ein Wechselstromanschlußelement (20) zugeordnet. Der Pluspol-Gleichstromanschluß (46) und der Minuspol-Gleichstromanschluß (48) weisen Kontaktelemente (56 bzw. 58) zur direkten niederinduktiven Kontaktierung mit den zugehörigen Leiterbahnen (32 und 34) des mindestens einen Substrates (16) auf. Entsprechendes gilt für das mindestens eine Wechselstromanschlußelement (20). Die Druckeinrichtung (28) dient zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktelemente (56, 58) des Pluspol- und des Minuspol-Gleichstromanschlusses (46 und 48) sowie der Kontaktelemente (70) des mindestens einen Wechselstromanschlußelementes (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Grundkörper, mit mindestens einem innerhalb des Grundkörpers angeordneten Substrat, das an seiner Oberseite eine Pluspol-Leiterbahn, eine Minuspol-Leiterbahn und eine Wechselstrom-Leiterbahn sowie Hilfsanschlüsse aufweist, mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen, wie z. B. Transistoren, Thyristoren, Dioden, Widerstände, integrierte Schaltungen oder Sensoren, die zumindest teilweise mit diesen Leiterbahnen kontaktiert sind, mit einer Zwischenkreisplatine mit einem Pluspol-Gleichstromanschluß und einem Minuspol-Gleichstromanschluß und mit mindestens einem zwischen dem Pluspol- Gleichstromanschluß und dem Minuspol-Gleichstromanschluß eingeschalteten elektrischen Kondensator, und mit mindestens einem Wechselstromanschluß.
Derartige Schaltungsanordnungen werden nach dem Stand der Technik entweder mittels Leistungshalbleitermodulen, wie sie beispielhaft aus der DE 195 22 173 bekannt sind aufgebaut. Schaltungsanordnungen wie oben beschrieben finden sich beispielhaft in U. Nicolai et al., "Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule", ISBN 3-932633-24-5, Seiten 85ff. bzw. 174ff.
Eine Schaltungsanordnung mit geringen parasitären Induktivitäten mit einem elektrisch isolierenden Substrat und darauf befindlichen, gegeneinander elektrisch isolierten, metallischen Leiterbahnen und darauf angebrachten Leistungsschaltern beschreibt die ältere Patentanmeldung 100 37 533.2. Die Leistungsschalter weisen dort Leistungstransistoren auf, die vorzugsweise von MOSFETs oder von IGBTs gebildet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art mit einer geringen parasitären Induktivität zu schaffen, wobei der Herstellungs- d. h. Montageaufwand klein ist, und die eine ausgezeichnete Vibrations- und Schockfestigkeit besitzen.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zwischenkreisplatine Kontaktelemente zur direkten niederinduktiven Kontaktierung mit der Pluspol-Leiterbahn und mit der Minuspol-Leiterbahn des mindestens einen Substrates aufweist, daß der Zwischenkreisplatine und dem mindestens einen Substrat ein zugehöriges Wechselstromanschlußelement mit Kontaktelementen zur Kontaktierung der Wechselstromleiterbahn zugeordnet ist. Vorteilhafterweise ist eine Druckeinrichtung zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktelemente der Zwischenkreisplatine und des mindestens einen Wechselstromanschlußelementes mit den zugehörigen Leiterbahnen des mindestens einen Substrates vorgesehen.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind vorzugsweise drei Substrate für die drei Drehstrom-Phasen (U, V, W) vorgesehen. Eine derartige Schaltungsanordnung weist drei Wechselstromanschlüsse auf.
Nachdem es sich bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung üblicherweise um eine Schaltungsanordnung der Leistungsklasse handelt, ist es bevorzugt, wenn der Grundkörper an einem Kühlkörper angeordnet ist, und wenn das mindestens eine Substrat mit seiner Unterseite mit dem Kühlkörper thermisch leitend kontaktiert ist. Zu diesem Zwecke kann die Unterseite des mindestens einen Substrates mit einer Metallisierung bzw. mit einer Metallschicht versehen sein, mit der das Substrat großflächig auf dem Grund bzw. Kühlkörper aufliegt. Der Grundkörper ist rahmenförmig mit mindestens einem Abteil für ein zugehöriges Substrat ausgebildet.
Eine relativ einfache und mit geringen Herstellungskosten realisierbare Schaltungsanordnung ergibt sich, wenn erfindungsgemäß die Zwischenkreisplatine ein den Pluspol-Gleichstromanschluß aufweisendes erstes Metallflächenelement und ein den Minuspol-Gleichstromanschluß aufweisendes zweites Metallflächenelement aufweist, die voneinander elektrisch isoliert sind, wobei die Anschlußelemente des mindestens einen Kondensators der Zwischenkreisplatine mit dem jeweils zugehörigen Metallflächenelement kontaktiert und die Kontaktelemente der Zwischenkreisplatine mit dem jeweils zugehörigen Metallflächenelement des mindestens einen Substrates einstückig ausgebildet sind. Die Metallflächenelemente für den Pluspol- Gleichstromanschluß und für den Minuspol-Gleichstromanschluß können in vorteilhafter Weise von gestanzten und entsprechend gebogenen Blechen beispielsweise aus Kupfer gebildet sein. Auf diese Weise ergibt sich eine Schaltungsanordnung mit einer Zwischenkreisplatine, die einfach und preisgünstig realisierbar ist, wobei diese Vorteile mit einer kompakten und mechanisch robusten sowie niederinduktiven Ausbildung einhergehen. Die elektrische Isolierung des Metallflächenelementes des Pluspol- Gleichstromanschlusses und des Minuspol-Gleichstromanschlusses kann durch ein einfach gestaltetes Flächenelement aus elektrisch isolierendem Material realisiert sein.
Eine andere Möglichkeit besteht beispielsweise darin, eine Zwischenkreisplatine vorzusehen, die an ihrer einen Hauptfläche einen mit dem Pluspol-Gleichstromanschluß verbundenen Metallbelag und die an ihrer gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche einen mit dem Minuspol-Gleichstromanschluß verbundenen Metallbelag aufweist, wobei die Kontaktelemente der Zwischenkreisplatine mit Kontaktfingern ausgebildet sind, mittels welchen die Kontaktelemente mit der Zwischenkreisplatine passend kontaktiert sind. Entsprechend kann der mindestens eine Wechselstromanschluß mit Kontaktelementen versehen sein, die ebenfalls mit Kontaktfingern ausgebildet sind, um die Kontaktelemente mit dem mindestens einen Wechselstromanschlußelement zu kontaktieren. Eine solche Steckkontaktierung bedingt jedoch einen nicht zu vernachlässigenden Montageaufwand, weshalb es bevorzugt ist, die Kontaktelemente der beiden Gleichstromanschlüsse der Zwischenkreisplatine mit den entsprechenden Metallflächenelementen einstückig auszubilden und auch die Kontaktelemente des mindestens einen Wechselstromanschlußelementes mit diesem einstückig auszubilden.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die zur elektrischen Kontaktierung der Anschlußelemente der Zwischenkreisplatine und des mindestens einen Wechselstromanschlußelementes mit den zugehörigen Leiterbahnen des mindestens einen Substrates mittels einer Druckeinrichtung erfolgt, die einen formstabilen Druckkörper und ein begrenzt nachgiebiges Druckelement mit an den Druckkörper angepaßten Flächenabmessungen aufweist. Zwischen dem formstabilen Druckkörper, der vorzugsweise aus einem Metall besteht, und dem begrenzt nachgiebigen Druckelement ist zweckmäßigerweise ein Zwischenkörper aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen, der sich mit röhrchenartigen Durchgangselementen durch den formstabilen Druckkörper erstreckt. Auf der Druckeinrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann eine Treiberschaltung angeordnet sein, wobei sich durch die Druckeinrichtung Kontaktdrahtelemente hindurcherstrecken, die mit den jeweils zugehörigen Leiterbahnen und Hilfsanschlüssen des mindestens einen Substrates druckkontaktiert sind.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine räumliche Darstellung wesentlicher Teile der Schaltungsanordnung, wobei der Grundkörper drei Substrate für die drei Drehstrom-Phasen aufweist, und wobei die Zwischenkreisplatine vom mit den Substraten bestückten rahmenartigen Grundkörper beabstandet gezeichnet ist,
Fig. 2 eine räumliche Darstellung eines Substrates der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine räumliche Explosionsdarstellung der Zwischenkreisplatine der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine räumliche Darstellung eines Wechselstromanschlußelementes der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1, und
Fig. 5 eine räumliche Explosionsdarstellung der Druckeinrichtung der Schaltungsanordnung, die in Fig. I ohne die Druckeinrichtung zeichnerisch dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt wesentliche Teile einer Ausbildung der Schaltungsanordnung 10 mit einem Grundkörper 12. Der rahmenartige Grundkörper 12 ist an einem Kühlkörper angebracht, er weist drei voneinander getrennte Abteile 14 auf. Jedes Abteil 14 ist für ein Substrat 16 vorgesehen. Ein solches Substrat 16 ist in Fig. 2 dargestellt und wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
Vom Grundkörper 12 stehen Zapfen 18 nach oben, die zur exakten Positionierung eines jeweils zugehörigen Wechselstromanschlußelementes 20 vorgesehen sind. Ein solches Wechselstromanschlußelement 20 ist in Fig. 4 dargestellt und wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
Vom Grundkörper 12 stehen außerdem zwei Zapfen 22 nach oben, die zur genauen Positionierung einer Zwischenkreisplatine 24 vorgesehen sind. Eine solche Zwischenkreisplatine 24 ist in Fig. 3 perspektivisch in einer Explosionsdarstellung ohne die zugehörigen elektrischen Kondensatoren - dargestellt und wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
Vom Grundkörper 12 stehen Gewindehülsen 26 einstückig nach oben, die zur Festlegung der in Fig. 5 perspektivisch in einer Explosionsdarstellung gezeichneten Druckeinrichtung 28 am Grundkörper 12 dienen.
Das/jedes Substrat 16 weist an seiner Oberseite 30 eine Pluspol-Leiterbahn 32, eine Minuspol-Leiterbahn 34, eine zwischen diesen vorgesehene Wechselstrom-Leiterbahn 36 sowie Hilfsanschlüsse 38 und 40 auf. Bauelemente 42, wie z. B. Leistungstransistoren oder Leistungsdioden, sind mit den Leiterbahnen 32, 34, 36 und mit den Hilfsanschlüssen 38 und 40 kontaktiert. Diese Kontaktierung erfolgt beispielsweise mittels Bonddrähten 44.
Mit der Pluspol-Leiterbahn 34 des jeweiligen Substrates 16 ist ein Pluspol- Gleichstromanschluß 46 der Zwischenkreisplatine 24 kontaktiert. Mit der Minuspol- Leiterbahn 34 des jeweiligen Substrates 16 ist ein Minuspol-Gleichstromanschluß 48 der Zwischenkreisplatine 24 (sh. auch Fig. 3) kontaktiert. Zu diesem Zwecke weist die Zwischenkreisplatine 24 ein den Pluspol-Gleichstromanschluß 46 aufweisendes erstes Metallflächenelement 50 und ein den Minuspol-Gleichstromanschluß 48 aufweisendes zweites Metallflächenelement 52 auf, zwischen welchen ein flächenmäßig an die Metallflächenelemente 50 und 52 angepaßtes Isolierelement 54 vorgesehen ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist.
Bei dem Metallflächenelement 50 und bei dem Metallflächenelement 52 handelt es sich jeweils um ein Stanzblech aus elektrisch leitendem Metall wie Kupfer, wobei vom Metallflächenelement 50 für den Pluspol-Gleichstromanschluß 46 Kontaktelemente 56 einstückig wegstehen. Die Kontaktelemente 56 sind in Querrichtung des länglichen Metallflächenelementes 50 orientiert und schließen mit dem Metallflächenelement 50 einen rechten Winkel ein. Die Kontaktflächenelemente 56 werden mit Hilfe der Druckeinrichtung 28 gegen die Pluspol-Leiterbahn 32 des jeweiligen Substrates 16 gedrückt.
Vom Metallflächenelement 52 des Minuspol-Gleichstromanschlusses 48 stehen in Längsrichtung orientiert senkrecht Kontaktelemente 58 weg, die mit Hilfe der Druckeinrichtung 28 gegen die Minuspol-Leiterbahn 34 des jeweiligen Substrates 16 gedrückt werden.
Das Metallflächenelement 50 des Pluspol-Gleichstromanschlusses 46 ist mit Kontaktlöchern 60 zur elektrisch leitenden Kontaktierung der entsprechenden Anschlußelemente nicht gezeichneter Kondensatoren der Zwischenkreisplatine 24 ausgebildet. Das Metallflächenelement 52 des Minuspol-Gleichstromanschlusses 48 ist mit Kontaktlöchern 62 für die Minuspol-Anschlußelemente der nicht gezeichneten Kondensatoren der Zwischenkreisplatine 24 versehen. Das Isolierelement 54 ist mit daran angepaßten Durchgangslöchern 64 für die Anschlußelemente der Kondensatoren der Zwischenkreisplatine 24 ausgebildet.
Der Pluspol-Gleichstromanschluß 46 ist mit einem Loch 66 ausgebildet, durch das sich der eine vom Grundkörper 12 nach oben stehende Zapfen 22 erstreckt. Der Minuspol- Gleichstromanschluß 48 ist mit einem Loch 68 ausgebildet, durch den sich der andere Zapfen 22 des Grundkörpers erstreckt.
Fig. 4 verdeutlicht perspektivisch ein Wechselstromanschlußelement 20, das als Stanzblechteil mit Kontaktelementen 70 - ähnlich den Kontaktelementen 56 des Metallflächenelementes 50 - für den Pluspol-Gleichstromanschluß 46 und das mit einer Anschlußlasche 72 ausgebildet ist. Die Anschlußlasche 72 des jeweiligen Wechselstromanschlußelementes 20 ist mit einem Loch 74 ausgebildet, durch das sich der entsprechende Zapfen 18 des Grundkörpers 12 im zusammengebauten Zustand erstreckt. Die Kontaktelemente 70 des jeweiligen Wechselstromanschlußelementes 20 sind mit der Wechselstrom-Leiterbahn 36 des jeweiligen Substrates 16 kontaktiert. Die Kontaktelemente 56 und 58 der Metallflächenelemente 50 und 52 für den Pluspol- Gleichstromanschluß 46 und für den Minuspol-Gleichstromanschluß 48 der Zwischenkreisplatine 24 dienen zur direkten niederinduktiven Kontaktierung mit den zugehörigen Leiterbahnen 32 und 34 des jeweiligen Substrates 16 der Schaltungsanordnung 10.
Fig. 5 verdeutlicht in einer perspektivischen Explosionsdarstellung eine Ausbildung der Druckeinrichtung 28 der Schaltungsanordnung 10 (sh. Fig. 1). Die Druckeinrichtung 28 weist ein begrenzt nachgiebiges Druckelement 76 und einen formstabilen Druckkörper 78 auf. Zwischen dem begrenzt nachgiebigen Druckelement 76 und dem daran grundflächenmäßig angepaßten formstabilen Druckkörper 78 ist ein Zwischenkörper 80 aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen, von dem Isolierhülsen 82 wegstehen. Die Isolierhülsen 82 erstrecken sich im zusammengebauten Zustand der Druckeinrichtung 28 durch entsprechende Löcher 84 des formstabilen Druckkörpers 78 sowie in Löcher 86 und Aussparungen 88 des Druckelementes 76. Der formstabile Druckkörper 78 besteht beispielsweise aus Metall, er ist mit Senklöchern 90 beispielsweise für Senkkopfschrauben ausgebildet. Die Senklöcher 90 sind mit den vom Grundkörper 12 wegstehenden Gewindehülsen 26 deckungsgleich vorgesehen, um mit Hilfe der genannten Senkkopfschrauben die Druckeinrichtung 28 am Grundkörper 12 zu fixieren, wobei gleichzeitig mit Hilfe der Druckeinrichtung 28 die Zwischenkreisplatine 24 mit den Substraten 16 passend kontaktiert wird.
Durch die Isolierhülsen 82 des Zwischenkörpers 80 der Druckeinrichtung 28 erstrecken sich Kontaktdrahtelemente 92, die oberseitig mit einem Kontaktabschnitt 94 aus den Isolierhülsen 82 geringfügig und die mit unterseitigen stiftförmigen Endabschnitten 96 unterseitig aus den Isolierhülsen 82 vorstehen. Im zusammengebauten Zustand der Schaltungsanordnung 10 werden die oberseitigen Kontaktabschnitte 94 der Kontaktdrahtelemente 92 mit zugehörigen Kontaktstellen einer auf der Druckeinrichtung 28 positionierten (nicht dargestellten) Treiberschaltung kontaktiert. Die unterseitigen stiftförmigen Endabschnitte 96 der Kontaktdrahtelemente 92 werden dabei mit den zugehörigen Leiterbahnen und Hilfsanschlüssen des jeweiligen Substrates 16 kontaktiert.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung mit einem Grundkörper (12), mit mindestens einem innerhalb des Grundkörpers angeordneten Substrat (16), das an seiner Oberseite (30) eine Pluspol-Leiterbahn (32), eine Minuspol-Leiterbahn (34) und eine Wechselstrom- Leiterbahn (36) sowie Hilfsanschlüsse (38, 40) aufweist, mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen (42), die auf den Leiterbahnen (32, 34, 36) angeordnet sind und zumindest teilweise mit diesen und/oder mit den Hilfsanschlüssen (38, 40) kontaktiert sind, mit einer Zwischenkreisplatine (24) mit einem Pluspol- Gleichstromanschluß (46) und einem Minuspol-Gleichstromanschluß (48) und mit mindestens einem zwischen dem Pluspol-Gleichstromanschluß (46) und dem Minuspol-Gleichstromanschluß (48) eingeschalteten elektrischen Kondensator, und mit mindestens einem Wechselstromanschlußelement (20), wobei die Zwischenkreisplatine (24) Kontaktelemente (56, 58) zur direkten niederinduktiven Kontaktierung mit den zugehörigen Leiterbahnen (32, 34) aufweist, sowie der Zwischenkreisplatine (24) und dem mindestens einen Substrat (16) ein zugehöriges Wechselstromanschlußelement (20) mit Kontaktelementen (70) zur Kontaktierung der Wechselstrom-Leiterbahn (36) zugeordnet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Substrate (16) für die drei Drehstrom-Phasen (U, V, W) vorgesehen sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12) an einem Kühlkörper angebracht ist, und daß das mindestens eine Substrat (16) mit seiner Unterseite mit dem Grundkörper (12) thermisch leitend kontaktiert ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkreisplatine (24) ein den Pluspol-Gleichstromanschluß (46) aufweisendes erstes Metallflächenelement (50) und ein den Minuspol- Gleichstromanschluß (48) aufweisendes zweites Metallflächenelement (52) aufweist, die voneinander elektrisch isoliert sind, wobei die Anschlußelemente des mindestens einen Kondensators mit dem jeweils zugehörigen Metallflächenelement (50, 52) der Zwischenkreisplatine (24) kontaktiert und die Kontaktelemente (56, 58) der Zwischenkreisplatine (24) mit dem jeweils zugehörigen Metallflächenelement (50, 52) einstückig ausgebildet sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Wechselstromanschlußelement (20) mit den zugehörigen Kontaktelementen (70) einstückig ausgebildet ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente (42) Leistungsdioden, Leistungstransistoren, Leistungstransistoren, Sensoren, Widerstände und/oder integrierte Schaltungen sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckeinrichtung (28) zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktelemente (56, 58, 70) mit den Leiterbahnen (32, 34, 36) des mindestens einen Substrates (16) vorgesehen ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinrichtung (28) einen formstabilen Druckkörper (78) und ein begrenzt nachgiebiges Druckelement (76) mit an den Druckkörper (78) angepaßten Flächenabmessungen aufweist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Druckeinrichtung (28) eine Treiberschaltung angeordnet ist, wobei sich durch die Druckeinrichtung (28) Kontaktdrahtelemente (92) hindurcherstrecken, die mit der Treiberschaltung und mit den zugehörigen Leiterbahnen (32, 34, 36, 38, 40) des mindestens einen Substrates (16) druckkontaktiert sind.
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