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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Leistungsmodul
zur Montage auf einer Leiterplatte, umfassend einen Schaltungsträger und
ein Gehäuse
zur Montage eines externen Elements, wobei der Schaltungsträger in der
montierten Position im Wesentlichen senkrecht zur Leiterplatte angeordnet
ist, und mindestens einen Pin, der das Leistungsmodul mit der Leiterplatte
elektrisch verbindet, wobei eine Längsachse des mindestens einen Pins
im Wesentlichen parallel zur Ebene des Schaltungsträgers angeordnet
ist.
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In
vielen Anwendungen ist der bisherige Aufbau von elektrischen Leistungsmodulen
bei der weiteren Verarbeitung der Leistungsmodule und beim Aufbau
einer elektrischen Leistungsvorrichtung, wie z.B. eines Frequenzumrichters,
problematisch. Dies wird anhand der 1 bis 8 erläutert.
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Wie
aus der 1 ersichtlich,
weist eine elektrische Leistungsvorrichtung üblicherweise eine Leiterplatte 26,
auf der ein elektrisches Leistungsmodul 22 und elektronische
Bauelemente, wie z.B. Kondensatoren 23 und Drosseln 24,
montiert sind, auf. Darüber
hinaus ist die elektrische Leistungsvorrichtung mit einem Kühlkörper 25 versehen,
der dazu dient, die in dem elektrischen Leistungsmodul 22 erzeugte
Wärme abzuführen.
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Bei
bekannten Leistungsmodulen sind die Pins 27 des elektrischen
Leistungsmoduls 22 meist gegenüber der Montagefläche 28 zur
Montage des Kühlkörpers 25 herausgeführt. Wenn
das Leistungsmodul 22, der Kondensator 23 und
die Drossel 24 auf einer Seite der Leiterplatte 26 bestückt werden,
können
alle bedrahteten Bauteile mit einer Lötwelle gelötet werden. Da der Kondensator 23 und
die Drossel 24 aber höher
sind als das Leistungsmodul 22, überdeckt der Kühlkörper 25 nur
teilweise die Leiterplatte 26 oder muss an manchen Stellen 29,
wo sich die höheren
Bauteile befinden, ausgefräst
oder aufwendig ausgespart werden. Dies führt zu einer deutlich schlechteren
Wärmeabfuhr,
einen erhöhten
Aufwand und höheren
Herstellungskosten der elektrischen Leistungsvorrichtung.
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Wenn
man aber, wie in der 2 gezeigt, das
elektrische Leistungsmodul 32 und die höheren Bauteile 33, 34 auf
der Leiterplatte 36 auf gegenüberliegenden Seiten bestückt, ist
kein besonderes Herstellungsverfahren des Kühlkörpers 35 mehr nötig. Jedoch
können
nicht mehr alle bedrahteten Bauteile mit einer Lötwelle gelötet werden. Es können entweder
nur das Leistungsmodul 32 oder die anderen bedrahteten
Bauteile 33, 34 mittels einer Lötwelle gelötet werden.
Die übrigen
Bauteile auf der anderen Seite der Platine 36 müssen daher
immer per Hand oder mit einem Roboter gelötet werden, was einen erheblichen
Mehraufwand und Mehrkosten bedeutet. Darüber hinaus wird die gesamte
Höhe des
Aufbaus größer, wodurch
der Frequenzumrichter nicht mehr so schmal wie gewünscht gebaut
werden kann.
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Wie
aus der 3 ersichtlich,
wird aus Kostengründen
und damit eine bessere Entwärmung
der elektrischen Leistungsvorrichtung erreicht werden kann, gegenwärtig ein
Aufbau bevorzugt, bei welchem sich der Kühlkörper 45 auf der Rückseite
der elektrischen Leistungsvorrichtung befindet und die Leiterplatte 46 parallel
zu einer Seitenwand 48 der elektrischen Leistungsvorrichtung
verläuft.
Bei bisherigen Leistungsmodulen 42 musste immer eine zusätzliche
Leiterplatte 49 für
die Aufnahme des Leistungsmoduls 42 eingesetzt werden.
Diese Hilfsleiterplatte 49 sollte über zusätzliche Verbindungsteile 47 zur
Hauptleiterplatte 46 montiert werden, was zu erhöhten Materialkosten
und einem großen
Montageaufwand geführt
hat.
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Bei
der in der 3 gezeigten
elektrischen Leistungsvorrichtung kann der gesamte Aufbau vereinfacht
werden, indem die Anschlusspins 43 des elektrischen Leistungsmoduls 42 nicht
mehr senkrecht zu der Montagefläche
des Kühlkörpers 45,
sondern seitlich herausgeführt
werden. Dadurch entfällt die
Verwendung einer Hilfsleiterplatte 49 und zusätzlicher
Verbindungsteile 47.
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4 zeigt ein bisher bekanntes
Leistungsmodul 42, bei dem die Pins 51 senkrecht
zur Montagefläche 53 des
Kühlkörpers stehen.
Im Gegensatz dazu, wie in den 5 und 6 gezeigt, sind die Pins 61 eines
elektrischen Leistungsmoduls 62 mit seitlicher Pinausführung im
Wesentlichen parallel zu einer Ebene der Montagefläche eines
Kühlkörpers angeordnet.
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Elektrische
Leistungsmodule 62 mit seitlicher Pinausführung weisen
jedoch aufgrund ihrer Bauform und Bauart noch große Nachteile
in der Verarbeitbarkeit, der Montage, Le bensdauer und Sicherheit
auf. Diese Mängel
werden anhand der 7 und 8 erläutert.
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Ein
elektrisches Leistungsmodul mit seitlicher Pinausführung weist
eine Montagefläche,
an der ein wärmeabführendes
Element, wie z.B. ein Kühlkörper, anbringbar
ist, auf. Üblicherweise
wird das Leistungsmodul zunächst
auf eine Platine gelötet, bevor
der Kühlkörper an
die Montagefläche
des Leistungsmoduls angebracht wird. Wenn das Leistungsmodul aber
nicht so auf der Leiterplatte platziert wird, dass exakt ein rechter
Winkel zur Leiterplatte eingehalten wird, führt das Applizieren des Kühlkörpers an die
Montagefläche
des Leistungsmoduls zu einem möglichen
Verbiegen der gelöteten
Anschlusspins oder zumindest zu unzulässig hohen Zugkräften in den
Anschlusspins. Wenn die Leistungsmodule während des Lötvorgangs nicht fixiert werden,
besteht die Gefahr, dass die Anschlüsse nach dem Anbringen des
Kühlkörpers gebogen
oder verspannt sind. Dies kann die Lötstellen der Anschlüsse schädigen und
zu Frühausfällen führen. Deshalb
werden während
des Lötvorgangs
Fixierhilfen verwendet, um einen rechten Winkel zwischen einer Längsachse
der Anschlusspins des Leistungsmoduls und der Leiterplatte zu gewährleisten.
Diese Fixierhilfen sind aber aufwendig und mit Zusatzkosten verbunden.
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Leistungsmodule
für stehenden
Aufbau gemäß dem Stand
der Technik weisen, wie aus der 7 ersichtlich, üblicherweise
einen Schaltungsträger,
der als eine Überlagerung
von einer Aluminiumschicht 91, Epoxidschicht 92 und
Kupferschicht 93 ausgebildet ist. Der thermische Längenausdehnungskoeffizient
eines solchen Schaltungsträgers
ist üblicherweise
an die Siliziumchips 94 und Bonddrähte 95 nicht angepasst.
Darüber
hinaus wird der mit den Chips versehene Schaltungsträger von
einer Vergussmasse auf Kunststoffbasis umhüllt. Eine solche Transfermoldmasse
oder Vergussmasse hat üblicherweise
einen größeren thermischen
Längenausdehnungskoeffizienten
als die Siliziumchips oder der Schaltungsträger. Deshalb verursacht die
Verwendung einer harten Vergussmasse ab einer gewissen Modulgröße hohe
Scherkräfte
an den Drahtbondstellen und den umhüllten Bauteilen. Infolgedessen
führt der
Einsatz einer harten Vergussmasse und eines mit Aluminium-Epoxid-Kupfer
beschichteten Schaltungsträgers
zu einer starken Minderung der Lebensdauer eines elektrischen Leistungsmoduls.
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Darüber hinaus
ist ein Schaltungsträger
gemäß dem Stand
der Technik nicht sicher im Falle einer Zerstörung der montierten Leistungshalbleiter. Wenn
Leistungshalbleiter zer stört
werden, tritt meistens eine Erhitzung auf, bei welcher die nur wenige Mikrometer
dicke Epoxidisolierung 92 verbrennt. Infolgedessen wird
der Gehäuseboden
direkt mit der Netzspannung verbunden, da die Pins des Leistungsmoduls
im Einsatz Netzspannung führen.
Aufgrund der kleinen Gehäusehöhe sind
die benötigten Luft-
und Kriechstrecken zwischen den Pins und dem Kühlkörper und zwischen den Anschlusspins
nicht eingehalten.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Leistungsmodul
und eine das elektrische Leistungsmodul aufnehmende elektrische
Leistungsvorrichtung dahingehend zu verbessern, dass das elektrische
Leistungsmodul eine vereinfachte Montage in die elektrische Leistungsvorrichtung,
eine erhöhte
Lebensdauer und eine verbesserte Sicherheit aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe durch ein elektrisches Leistungsmodul mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine elektrische Leistungsvorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Dadurch,
dass das elektrische Leistungsmodul mindestens eine mechanische
Fixiereinrichtung zum Fixieren auf der Leiterplatte aufweist, kann
das Leistungsmodul auf der Leiterplatte genau platziert und der
rechte Winkel zwischen der Längsachse
des mindestens einen Pins und der Ebene der Leiterplatte sehr genau
eingehalten werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Anschlusspins
des Leistungsmoduls während
eines Lötvorgangs
in einem rechten Winkel zur Leiterplatte fixiert sind, sodass keine
zusätzlichen Fixierhilfen
mehr nötig
sind. Da das Leistungsmodul in einem rechten Winkel auf der Leiterplatine
verankert ist, kann anschließend
eine einwandfreie Montage des externen Elements zum Schaltungsträger des elektrischen
Leistungsmoduls gewährleistet
werden.
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Die
rechtwinklige Befestigung des elektrischen Leistungsmoduls auf der
Leiterplatte durch die mindestens eine mechanische Fixiereinrichtung
ermöglicht
es, bei der Montage des externen Elements auf der Montagefläche des
Leistungsmoduls Druckkräfte
oder gar ein Verbiegen der Anschlusspins zu verhindern. Dadurch
werden die Lötstellen
der Anschlusspins auf der Leiterplatte nicht unzulässig mechanisch
belastet, insbesondere werden bei der Montage des externen Elements
die Anschlusspins nicht gebogen oder verspannt. Somit können Frühausfälle der
Lötstellen
vermieden werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform des
elektrischen Leistungsmoduls ist der Schaltungsträger als
eine planare wärmeleitfähige Trägerplatte ausgebildet.
So kann eine einwandfreie Montage des externen Elements zum Schaltungsträger garantiert und,
wenn das externe Element auch wärmeleitfähig ist,
z.B. als ein Kühlkörper ausgebildet
ist, eine optimale Wärmeübertragung
zwischen dem Schaltungsträger
des Leistungsmoduls und dem externen Element gewährleistet werden.
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Wenn
der Schaltungsträger
des Leistungsmoduls auf einer Seite mit mindestens einem elektronischen
Bauelement versehen und auf der gegenüberliegenden Seite das externe
Element anbringbar ist, kann die durch das mindestens eine elektronische Bauelement
erzeugte Wärme
durch den wärmeleitfähigen Schaltungsträger übertragen
und von dem wärmeleitfähigen Element
abgeführt
werden. Eine solche Ausgestaltung des elektrischen Leistungsmoduls
ist besonders vorteilhaft, wenn das Leistungsmodul in einer elektrischen
Leistungsvorrichtung eingesetzt wird, wenn eine hohe Wärmemenge
abgeführt
werden soll.
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Sieht
man die mindestens eine mechanische Fixiereinrichtung in Form einer
Schnappvorrichtung vor, die in einer Öffnung der Leiterplatte einrastbar ist,
kann auf einfache Weise eine mechanische Fixiereinrichtung realisiert
werden, die einen rechten Winkel von dem Leistungsmodul zur Leiterplatte
garantiert.
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Alternativ
kann die mindestens eine mechanische Fixiereinrichtung in Form eines
Teils einer Schraubverbindung vorgesehen werden. Beispielsweise
kann das Leistungsmodul mit Bohrungen versehen, auf die Leiterplatte
montiert und mit entsprechenden Schrauben auf derselben mechanisch
befestigt sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der mindestens einen mechanischen Fixiereinrichtung zum Fixieren
auf der Leiterplatte weist das elektrische Leistungsmodul einen
Haltefuß zum
Abstützen des
Leistungsmoduls auf der Leiterplatte auf. Ein solcher Haltefuß garantiert
einen sicheren Stand des elektrischen Leistungsmoduls auf der Leiterplatte und
eine rechtwinklige Montage des Leistungsmoduls auf dieser.
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Dadurch,
dass das elektrische Leistungsmodul weiterhin mindestens ein Isolationselement
zur elektrischen Isolation des externen Elements von der Leiterplatte
aufweist, können
die benötigten
Luft- und Kriechstrecken gemäß den einschlägigen EN-,
IEC- und UL-Normen eingehalten werden. Da die Anschlusspins des
Leistungsmoduls im Einsatz Netzspannung führen, müssen diese durch ausreichende Luft-
und Kriechstrecken vom meist berührbaren Kühlkörper isoliert
werden. Hierzu wird ein ausreichend großer Abstand zwischen den Anschlusspins des
Leistungsmoduls und dem externen Element durch das Isolationselement
erreicht. Das Isolationselement wird beispielsweise in der Form
eines Isolationsstegs ausgebildet, der Teil des Gehäuses oder des
Schaltungsträgers
ist und zwischen den Anschlusspins und dem Kühlkörper vorgesehen wird.
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Darüber hinaus
kann ein Isolationssteg zur elektrischen Isolation von zwei nebeneinander
angeordneten Pins vorgesehen werden. Ein solcher Isolationssteg
kann durch die Leiterplatte ragen, sodass die Luft- und Kriechstrecken
auf der Leiterplatte wenn nötig
verringert werden können.
Da die Isolationselemente des elektrischen Leistungsmoduls für die nötigen Luft-
und Kriechstrecken gemäß EN-, IEC-
und UL-Normen sorgen, ist die Sicherheit des elektrischen Leistungsmoduls
wesentlich verbessert.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls verbindet der mindestens eine Pin das mindestens eine
elektronische Bauelement mit der Leiterplatte elektrisch und weist
einen abgewinkelten Bereich mit etwa rechtem Winkel auf, wobei ein
Ende des mindestens einen Pins mit dem mindestens einen elektronischen
Bauelement verbunden ist. Durch diese besondere mechanische Ausgestaltung
des mindestens einen Pins kann gewährleistet werden, dass die Längsachse
des Pins im Wesentlichen parallel zur Ebene der Montagefläche bzw.
zum Schaltungsträger
angeordnet ist. Wenn der mindestens eine Pin zusätzlich durch eine Öffnung des
Leistungsmoduls aus dem Leistungsmodul herausragt, die den mindestens
einen Pin eng umschließt,
wird der mindestens eine Pin an dieser Öffnung befestigt und eine Übertragung
von Zug- und Druckbelastung auf die Lötstellen des mindestens einen
elektronischen Bauelements des Schaltungsträgers vermieden.
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Sieht
man den Schaltungsträger
als eine Trägerplatte
aus Keramik, vorzugsweise Dickschichtkeramik, Hybridkeramik oder
DCB-Keramik vor ("Direct
Copper Bonding"),
wird der mit einem elektronischen Bauelement versehene Schaltungsträger aus einem
thermisch nicht zerstörbaren
Isolationsmaterial realisiert, was bei einem an der Netzspan nung
betriebenen elektrischen Leistungsmodul besonders wichtig ist. Darüber hinaus
besteht der Schaltungsträger
vorzugsweise aus einem Material wie Hybridkeramik oder DCB-Keramik,
welches bei der Verwendung von einem elektronischen Bauelement,
dessen Kantenlänge
größer als
zwei Millimeter ist, durch einen an das elektronische Bauelement
angepassten thermischen Längenausdehnungskoeffizienten
eine spannungsarme Lötverbindung
erlaubt. So kann eine verbesserte Lebensdauer des elektrischen Leistungsmoduls
erreicht werden.
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Darüber hinaus
kann die Sicherheit eines elektrischen Leistungsmoduls verbessert
werden, indem der Schaltungsträger
aus Keramik besteht. Im Gegensatz zu einem Schaltungsträger aus
Aluminium-Epoxid-Kupfer, bei dem im Falle der Zerstörung eines
Leistungshalbleiters die dünne
Epoxidisolierung verbrannt und der Schaltungsträger direkt mit der Netzspannung
verbunden werden kann, wird der aus einem thermisch nicht zerstörbaren Isolationsmaterial,
wie z.B. Keramik, bestehende Schaltungsträger bei der Zerstörung eines
Leistungshalbleiters nicht direkt mit der Netzspannung verbunden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls weist das Leistungsmodul ein Kunststoffgehäuse, das
mit einer weichen elastischen Vergussmasse ausgegossen ist und den
Schaltungsträger
zumindest teilweise umschließt,
auf. Eine solche Vergussmasse dient dazu, das mindestens eine elektronische
Bauelement auf dem Schaltungsträger
und den Schaltungsträger
selbst vor Feuchtigkeit und Verschmutzung zu schützen. Da die Vergussmasse weich
und elastisch ist, treten keine Verspannungen oder Scherkräfte zwischen
dem Schaltungsträger, dem
mindestens einen elektronischen Bauelement und den Bonddrähten, die
das elektronische Bauelement auf dem Schaltungsträger befestigen,
auf. Dadurch wird die Lebensdauer des erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls erhöht.
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Wenn
das elektrische Leistungsmodul weiterhin mindestens eine Hilfsleiterplatte
umfasst, die mit mindestens einem elektronischen Bauelement versehen
und mit dem Schaltungsträger
elektrisch verbunden ist, können
in dem Leistungsmodul Ansteuer- und
Auswerteschaltungen aufgenommen werden. Dies vereinfacht für den Anwender
die Handhabung des Leistungsmoduls und bringt eine deutliche Platzersparnis
auf der Hauptleiterplatte des Anwendergerätes. Darüber hinaus können durch
den Einsatz einer separaten Hilfsleiterplatte Änderungen einer Steuerschaltung
leichter durchgeführt
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls ist die mindestens eine Hilfsleiterplatte nach außen geführt und
verbindet das Leistungsmodul mit der Leiterplatte elektrisch, wobei
eine Längsachse der
mindestens einen Hilfsleiterplatte im Wesentlichen parallel zur
Ebene des Schaltungsträgers
verläuft.
Somit stellt die Hilfsleiterplatte selbst die elektrische Verbindung
zwischen der Hauptleiterplatte und des Schaltungsträgers des
Leistungsmoduls her. Da die Längsachse
der Hilfsleiterplatte im Wesentlichen parallel zur Ebene des Schaltungsträgers verläuft, kann
das Leistungsmodul senkrecht auf die Leiterplatte gelötet werden.
Die mindestens eine Hilfsleiterplatte stellt in diesem Fall eine
elektrische Verbindung mit der Hauptleiterplatte nach dem sogenannten "Board-to-Board"-Prinzip her.
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Wenn
das Gehäuse
angepasst ist, um mit mindestens einer Befestigungsvorrichtung zur
Befestigung des externen Elements zusammen zu wirken, kann das externe
Element leichter zum Leistungsmodul befestigt werden. Besonders
vorteilhaft ist es, das Gehäuse
zur Versteifung und Druckübertragung
mit mindestens einer Rippe vorzusehen, welche eine Befestigung mit
einem federnden Clip zur Klemmung des externen Elements erlaubt.
Ein solcher federnder Clip drückt
das elektrische Leistungsmodul gegen eine planare Fläche des
externen Elements, um eine optimale Kontaktfläche zwischen dem Schaltungsträger des
Leistungsmoduls und dem externen Element zu gewährleisten. Somit wird eine
optimale Wärmeübertragung
zwischen dem wärmeleitfähigen Schaltungsträger und
einem wärmeleitfähigen externen Element
garantiert.
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Wenn
das erfindungsgemäße elektrische Leistungsmodul
in eine elektrische Leistungsvorrichtung eingebaut wird, welche
eine Leiterplatte und ein externes Element mit einer planaren Fläche aufweist, wobei
das externe Element am Schaltungsträger des elektrischen Leistungsmoduls
angebracht ist, kann eine besonders kompakte elektrische Leistungsvorrichtung
realisiert werden. Darüber
hinaus ist das Herstellungsverfahren einer solchen elektrischen Leistungsvorrichtung
durch den Einbau des erfindungsgemäßen elektrischen Leistungsmoduls
vereinfacht, indem das Leistungsmodul zusammen mit allen anderen
bedrahteten Bauteilen in einem einzigen Lötvorgang auf die Leiterplatte
gelötet
werden kann, ohne jegliche Nachteile beim Kühlkörperdesign zu verursachen.
Darüber
hinaus entfällt
bei der Herstellung einer solchen elektrischen Leistungsvorrichtung
die Verwendung jeglicher Positionierhilfe beim Einbau des erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls auf die Leiterplatte.
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Anhand
der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen
wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende
Einzelheiten des erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen
versehen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer elektrischen Leistungsvorrichtung
gemäß dem Stand der
Technik;
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2 eine
weitere schematische Darstellung einer elektrischen Leistungsvorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik;
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3 eine
weitere schematische Darstellung einer elektrischen Leistungsvorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik;
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4 eine
Seitenansicht eines bekannten elektrischen Leistungsmoduls;
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5 eine
Seitenansicht eines bekannten elektrischen Leistungsmoduls mit seitlicher
Pinausführung;
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6 eine
Vorderansicht des in der 5 gezeigten bekannten elektrischen
Leistungsmoduls mit seitlicher Pinausführung;
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7 eine
Draufsicht eines bekannten elektrischen Leistungsmoduls, gemäß 5 und 6;
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8 eine
schematische Darstellung der Montage eines Kühlkörpers an einer elektrischen Leistungsvorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik, mit nicht rechtwinklig positioniertem Leistungsmodul;
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9 einen
Querschnitt durch ein elektrisches Leistungsmodul gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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10 einen
Querschnitt durch ein elektrisches Leistungsmodul gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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11 eine
Vorderansicht eines elektrischen Leistungsmoduls gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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12 eine
Vorderansicht eines elektrischen Leistungsmoduls gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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13 eine
schematische Darstellung einer elektrischen Leistungsvorrichtung
mit einem erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmodul;
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14 einen
Querschnitt durch ein elektrisches Leistungsmodul;
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15 einen
weiteren Querschnitt durch ein weiteres elektrisches Leistungsmodul;
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16 einen
weiteren Querschnitt durch ein weiteres elektrisches Leistungsmodul;
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17 einen
Querschnitt durch ein elektrisches Leistungsmodul gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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18 einen
Querschnitt durch ein elektrisches Leistungsmodul gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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19 eine
perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Leistungsmoduls.
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Das
erfindungsgemäße elektrische
Leistungsmodul weist, wie aus der 9 ersichtlich,
einen Schaltungsträger 112,
der von einem ersten Gehäuseteil 114 teilweise
umschlossen ist, auf. Das erste Gehäuseteil 114 besteht
vorzugsweise aus Kunststoff und weist einen planaren Boden auf,
der im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene der des Schaltungsträgers 112 angeordnet
ist. Das erste Gehäuseteil 114 ist
mit einem zweiten Gehäuseteil 115 verbunden,
sodass das zweite Gehäuseteil 115 das
erste Gehäuseteil 114 verschließt.
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Das
in der 9 gezeigte elektrische Leistungsmodul weist darüber hinaus
zwei Anschlusspins 111 auf, die einen abgewinkelten Bereich 113 mit einem
rechten Winkel aufweisen. Die zwei Pins 111 dringen je
durch eine jeweilige Öffnung
des zweiten Gehäuseteils 115 durch
und ragen aus dem Leistungsmodul heraus. Die Längsachse des aus dem Leistungsmodul
herausragenden Teils der Pins 111 verläuft parallel zu einer Ebene
Schaltungsträgers 112.
Das rechtwinklig gebogene Teil der Pins 111 ist senkrecht
mit dem Schaltungsträger 112 verbunden. Eine
in dem ersten Gehäuseteil 114 angeordnete Rippe 116 dient
als Biegehilfe für
die Pins 111.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls sind die Pins 111 auf der 10 durch
einen Bonddraht 122 mit dem Schaltungsträger 112 verbunden.
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Obwohl
die Pins 111 in den 9 und 10 als
zweireihig aus dem Leistungsmodul herausgeführt dargestellt sind, ist die
vorliegende Erfindung nicht nur auf eine zweireihige Pinausführung begrenzt,
sondern kann für
jede beliebige Art von Pinausführung
verwendet werden.
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Der
Schaltungsträger 112 ist
vorzugsweise in Form einer planaren wärmeleitfähigen Trägerplatte ausgebildet, die
aus einem thermisch nicht zerstörbaren
Isolationsmaterial mit ausreichender Dicke besteht. Vorzugsweise
wird der Schaltungsträger 112 in Keramik,
Dickschichtkeramik oder DCB-Keramik realisiert. Auf der einen Seite
dieser aus Keramik bestehenden Trägerplatte sind elektronische
Bauelemente angeordnet, die mit den Pins 111 elektrisch
verbunden sind. Die andere Seite der Trägerplatte ist in einer montierten
Position in direktem Kontakt mit einem externen Element 45 angeordnet.
Dieses externe Element 45 ist beispielsweise ein Kühlkörper, kann aber
auch das Gehäuse
eines anzusteuernden Gerätes,
beispielsweise eines Elektromotors, sein.
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In 11 ist
eine mechanische Fixiereinrichtung zum Fixieren des elektrischen
Leistungsmoduls an einem externen Element 45 in der Form
von zwei nebeneinander angeordneten federnden Clips 135 dargestellt.
In der 9 ist eine Rippe 117 auf der inneren
Seite des zweiten Gehäuseteils 115 vorgesehen.
Diese auf dem zweiten Gehäuseteil 115 abgestützte Rippe 117 und
die Rippe oder mehrere Rippen 116 des unteren Gehäuseteiles
dienen dazu, das Gehäuse
zu versteifen, um dem Anpressdruck des federnden Clips 135 standzuhalten
und den Anpressdruck des federnden Clips 135 für eine gute
thermische Ankontaktierung des Schaltungsträgers 112 auf den Selben
gleichmäßig verteilt
zu übertragen.
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Durch
diesen federnden Clip 135 kann das erfindungsgemäße elektrische
Leistungsmodul an einem externen Element 45, wie z.B. einem
Kühlkörper, fixiert
werden. Der Schaltungsträger 112 des elektrischen
Leistungsmoduls ist durch Übertragung des
Anpressdrucks der federnden Clips 135 gegen eine planare
Fläche
des externen Elements 45 gedrückt.
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Wie
aus der 11 ersichtlich, können auch Löcher 134 in
dem Leistungsmodul vorgesehen werden, vorzugsweise an seinen beiden
Enden, um eine Schraubmontage des Leistungsmoduls zum externen Element 45 zu
ermöglichen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
mechanischen Fixiereinrichtung zum Fixieren des elektrischen Leistungsmoduls
auf der Leiterplatte 46 einer elektrischen Leistungsvorrichtung
weist der Gehäuseboden
des in der 11 gezeigten Leistungsmoduls
eine Schnappvorrichtung 131 auf. Die Schnappvorrichtung 131 kann
beispielsweise in der Form von zwei auf beiden Seiten des Gehäusebodens
rechtwinklig angeordneten Rasthaken ausgeführt werden, die angepasst sind,
durch zwei entsprechende Öffnungen
der Leiterplatte 46 im Wesentlichen senkrecht durchzudringen.
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Alternativ
kann auch die mechanische Fixiereinrichtung zum Fixieren des elektrischen
Leistungsmoduls auf einer Leiterplatte 46 in der Form von
einem Teil einer Schraubverbindung 141 vorgesehen werden,
wie aus der 12 ersichtlich. Das Leistungsmodul
weist zwei Schraublöcher,
die an beiden Enden des elektrischen Leistungsmoduls angeordnet sind,
auf. Vorzugsweise sind die Längsachsen
der Schraublöcher
parallel zueinander und senkrecht zum Gehäuseboden angeordnet und die
Schraublöcher
angepasst, zwei entsprechende Schrauben 141 aufzunehmen.
Während
des Montagevorgangs des elektrischen Leistungsmoduls auf eine Leiterplatte 46 wird
das Leistungsmodul mittels dieser Schraubverbindung 141 auf
die Leiterplatte 46 fixiert.
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Das
erfindungsgemäße elektrische
Leistungsmodul kann auch einen oder mehrere Standhilfen 153 aufweisen,
die an dem Gehäuseboden
des Leistungsmoduls angeordnet sind. Eine derartige Standhilfe 153 kann
in Form von einem länglichen aus
dem Gehäuseboden
herausragenden Vorsprung vorgesehen werden, der sich im Wesentlichen über die
ganze Breite des Gehäuses
des Leistungsmoduls erstreckt. Eine solche Standhilfe 153 ist
mit einem rechten Winkel zum Gehäuseboden
des Leistungsmoduls angeordnet, sodass eine rechtwinklige Montage
des elektrischen Leistungsmoduls auf die Leiterplatte 46 garantiert
ist, wie aus der 13 ersichtlich. Alternativ können auch
mehrere Standhilfen 153 auf dem Gehäuseboden des Leistungsmoduls
rechtwinklig angeordnet werden.
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In
den 11 und 12 ist
ein Isolationssteg 132 dargestellt, der auf dem Gehäuseboden
des Leistungsmoduls vorgesehen ist. Ein solcher Isolationssteg 132 ist
mit einem rechten Winkel zum Gehäuseboden
angeordnet, d.h. im Wesentlichen parallel zur Ebene des Schaltungsträgers des
Leistungsmoduls verläuft.
Der Isolationssteg 132 ist vorzugsweise ein Teil des ersten
Gehäuseteils 114,
wie aus der 9 ersichtlich, und seine Längsachse
ist in der Ebene des Schaltungsträgers 112 angeordnet,
sodass sowohl der Schaltungsträger 112 als
auch der Isolationssteg 132 an dem externen Element 45,
z.B. einem Kühlkörper, angebracht
werden kann.
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Darüber hinaus
weist das in der 11 gezeigte elektrische Leistungsmodul
einen Isolationssteg 133 auf, der zwischen zwei nebeneinander
angeordneten Pins 111 vorgese hen ist. Der Isolationssteg 133 weist
vorzugsweise eine Länge
auf, die größer als
die Länge
des aus dem Gehäuse
herausragenden Bereichs eines Pins 111 ist. Daher kann
ein derartiger Isolationssteg 133 durch eine Leiterplatte 46 ragen.
Der zwischen den Pins 111 und dem externen Element 45 angeordnete
Isolationssteg 132 und der zwischen den Pins 111 angeordnete
Isolationssteg 133 sorgen dafür, dass die benötigten Luft-
und Kriechstrecken zur elektrischen Isolation gemäß den einschlägigen EN-,
IEC- und UL-Normen
eingehalten werden. Da der Isolationssteg 133 zwischen
den Pins 111 durch die Leiterplatte 46 ragen kann,
können
die Luft- und Krechstrecken auf der Leiterplatte 46 wenn nötig verringert
werden.
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Obwohl
die mechanische Fixiereinrichtung zum Fixieren des Leistungsmoduls
auf der Leiterplatte 46 in Form einer Standhilfe 153,
einer Schnappvorrichtung 131 oder eines Teils einer Schraubverbindung 141 beschrieben
wurde, kann selbstverständlich
eine Kombination der oben genannten Fixiereinrichtungen vorgesehen
werden oder es können
mechanische Fixiereinrichtungen anderer Art implementiert werden,
solange diese mechanischen Fixiereinrichtungen eine rechtwinklige
Montage des erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls auf einer Leiterplatte 46 ermöglichen.
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Selbstverständlich können auch
in einem elektrischen Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung
ein zwischen den Pins 111 und einem zu montierenden externen
Element 45 angeordneter Isolationssteg 132 und
ein zwischen den Pins 111 angeordneter Isolationssteg 133 kombiniert
werden, um die Luft- und Kriechstrecken gemäß den Normen einzuhalten.
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13 zeigt
das erfindungsgemäße elektrische
Leistungsmodul, nachdem es auf die Leiterplatte 46 einer
elektrischen Leistungsvorrichtung montiert wurde. Das elektrische
Leistungsmodul ist mittels einer Schnappvorrichtung 131 auf
der Leiterplatte 46 rechtwinklig fixiert. Die zweireihig
angeordneten Pins 111 sind ebenfalls rechtwinklig auf der
Leiterplatte 46 gelötet.
Das auf der Leiterplatte 46 montierte Leistungsmodul ist
an der planaren Fläche
eines Kühlkörpers 45 angebracht
und mittels eines federnden Befestigungsclips 135 an dem
Kühlkörper 45 befestigt.
Darüber
hinaus ist der Isolationssteg 132 an der planaren Fläche des
Kühlkörpers 45 angebracht.
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Wie
aus der 14 ersichtlich, weist das erste
Gehäuseteil 114 des
elektrischen Leistungsmoduls zwei Löcher 161, 162 auf,
deren Längsachsen parallel
zueinander verlau fen. Das zweite Gehäuseteil 115 des elektrischen
Leistungsmoduls weist zwei Löcher 163, 164 auf,
deren Längsachsen
parallel zueinander und senkrecht zu den Längsachsen der Löcher 161, 162 des
ersten Gehäuseteils 114 angeordnet
sind. Die Löcher 163, 164 des
zweiten Gehäuseteils 115 sind
angepasst, die Pins 111 eng zu umschließen und parallel zueinander
zu befestigen. Wenn die Pins 111 mit einem rechten Winkel
vorgesehen sind, wird das jeweilige Teil der Pins 111,
das an einem Ende mit dem Schaltungsträger 112 verbunden
und an dem anderen Ende rechtwinklig gebogen ist, vom jeweiligen
Loch 161, 162 des ersten Gehäuseteils 114 eng umschlossen.
Durch die besondere Ausgestaltung der Löcher 161, 162, 163, 164 der
ersten und zweiten Gehäuseteile 114, 115 des
elektrischen Leistungsmoduls werden die Pins befestigt, sodass eine Übertragung
von Zug- oder Druckbelastung auf die Lötstellen auf den Schaltungsträger 112 verhindert
werden kann.
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Wie
aus der 15 ersichtlich, sind das erste 114 und
zweite Gehäuseteil 115 miteinander
durch eine Verrastung 175 verbunden. Ein Pin 171 ist
in dem ersten Gehäuseteil 114 so
angeordnet, dass der Pin 171 den Schaltungsträger 112 konvex
vorbiegt, um eine gute Wärmeübertragung
vom Schaltungsträger 112 zum
Kühlkörper 45 zu
gewährleisten.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls wird das erste Gehäuseteil 114 mit einer
Vergussmasse 182 ausgegossen, die dazu dient, die auf dem
Schaltungsträger 112 montierten
Halbleiterelemente 181 vor Feuchtigkeit und Verschmutzung
zu schützen.
Diese Vergussmasse 182 wird in der Form einer weichen elastischen
Vergussmasse vorgesehen. Durch den weichen Verguss treten keine
Verspannungen oder Scherkräfte
zwischen dem Schaltungsträger 112,
den auf dem Schaltungsträger 112 montierten
Halbleiterelementen 181 und den Bonddrähten 183 auf.
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Wie
aus der 17 ersichtlich, kann eine Hilfsleiterplatte 195,
die mit elektronischen Bauelementen versehen ist, in dem Gehäuse des
erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls aufgenommen werden. Diese Hilfsleiterplatte 195 ist
mit dem Schaltungsträger 112 durch
einen Pin 194 elektrisch verbunden. Eine andere elektronische
Verbindungsart ist aber auch möglich,
wie z.B. über
eine Feder oder einen Bonddraht.
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Die
Hilfsleiterplatte 195 kann entweder, wie aus der 17 ersichtlich,
nach außen
geführt
oder in dem Gehäuse
des Leistungsmoduls eingeschlossen und mit einem Pin 196 verbunden
werden, der aus dem Gehäuse
herausgeführt
wird, wie in der 10 gezeigt. Wenn die Hilfsleiterplatte 195 nach außen geführt wird,
wird sie so aus dem Gehäuse
herausgeführt,
dass eine Ebene der Hilfsleiterplatte 195 senkrecht zu
dem Gehäuseboden,
d.h. parallel zur Ebene des Schaltungsträgers 112, angeordnet
ist. Somit verbindet die Hilfsleiterplatte 195, über die
Pins 194 den Schaltungsträger 112 elektrisch
mit der Leiterplatte 46 und garantiert, dass das elektrische
Leistungsmodul senkrecht auf die Leiterplatte 46 montiert werden
kann.
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19 zeigt
eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls.