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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leistungsschaltvorrichtungen
und insbesondere Leistungsschaltvorrichtungen, die Steuerungsschaltungen
und Leistungsschalter-Schaltungen integrieren.
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Ein
Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrum ist typischerweise eine Hauptleistungs-Schalt-
und Schutzvorrichtung, die zwischen einer Hauptenergie- bzw. Leistungsquelle,
wie beispielsweise dem positiven (B+)-Anschluss der Fahrzeugbatterie
und verschiedenen elektrischen Fahrzeugvorrichtungen vorgesehen
ist, wie Fenster- und Türmotoren,
Licht- und HVAC-Ventilatoren. Diese sind typischerweise mit dem
Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrum über einen Draht-Kabelbaum verbunden.
Momentan können
Fahrzeug-Leistungssteuerungszentren
herkömmliche
Komponenten verwenden, wie beispielsweise Relais, Blinklichtgeber
oder Sicherungen, oder eine Kombination herkömmlicher Komponenten und Festkörper-Vorrichtungen zur
Leistungsschaltung und -verwaltung. Allgemein gesprochen neigen
Festkörper-Vorrichtungen
dazu, eine größere Langzeitzuverlässigkeit
im Vergleich zu herkömmlichen
Komponenten zu besitzen, wie beispielsweise Relais, da sie keine
bewegten Teile besitzen. Ferner sind Festkörper-Vorrichtungen im Allgemeinen
kleiner. Folglich ist es wünschenswert,
dass Fahrzeug-Leistungssteuerungszentren Festkörper-Vorrichtungen aufweisen.
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Festkörper-Vorrichtungen
werden jedoch üblicherweise
in Schaltungen mit relativ niederem Strom verwendet (d.h. Schaltungen,
bei denen typischerweise ein Strom von weniger als 0,5 Ampere verwendet
wird). Da moderne Fahrzeuge sowohl Schaltungen mit hohem als auch
mit niederem Strom verwenden, werden herkömmliche Komponenten, wie Relais,
weiterhin in großem
Umfang in Fahrzeug-Leistungssteuerungszentren eingesetzt. In der Praxis
wird eine Niederstromschaltung, die üblicherweise auf einer Leiterplatte
montiert ist, eingesetzt, um die Relais zu steuern, die die Leistung
mit hohem Strom von einer Sammelschiene zu einer anderen Sammelschiene
oder einem Kabelbaum verteilen.
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Der
Aufbau eines solchen Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrums hat jedoch
verschiedene Nachteile.
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Beispielsweise
macht es die Umsetzung von Verbindungen für Schaltungen mit niederem
und mit hohem Strom zu Relais notwendig, mehrere Ebenen von Sammelschienen
zu verwenden. Dieser Lösungsweg
führt jedoch
zu erhöhten
Kosten und zu einem erhöhten
Gewicht des Leistungszentrums sowie zu einer damit einhergehenden
Zunahme der Komplexität
und der Kosten der Werkzeuge, die für die Produktion erforderlich
sind. Es wäre
deshalb vorteilhaft, Festkörper-Vorrichtungen
einzusetzen, um das Schalten von Leistung auszuführen.
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Der
Einsatz von Leiterplatten montierten Festkörper-Vorrichtungen für das Schalten
hoher Leistung führt
im aktuellen Stand der Technik jedoch zu einigen anderen Problemen.
So erzeugen beispielsweise die verschiedenen Festkörper-Komponenten
häufig
eine signifikante Menge an Wärme,
so dass relativ große
Wärmesenken
erforderlich sind, um die Wärme
an einen Ort außerhalb
des Leistungszentrums zu führen.
Zusätzlich
führt die
Notwendigkeit einer Verbindung der Festkörper-Vorrichtung mit der Hauptenergiequelle
für den
Eingang und mit einem Kabelbaum für den Ausgang typischerweise
dazu, dass breite und dicke Kupferleiterbahnen auf der Leiterplatte
verwendet werden müssen.
Der Einsatz von schweren Kupfer-Leiterplatten führt zu einer Erhöhung der
Leiterplattengröße sowie
der Leiterplatten-Komplexität.
Folglich sind die mit einer solchen Leiterplatte einhergehenden
Kosten relativ hoch.
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Angesichts
dieser Nachteile bleibt ein Bedürfnis
nach einem verbesserten Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrum bestehen,
das Festkörper-Vorrichtungen
zur Steuerung und zum Schalten aller Typen von Strom-Lasten verwendet.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrum
bereit, das ein Gehäuse,
einen ersten Leiter, der mit dem Gehäuse verbunden ist, einen zweiten
Leiter, eine Steuerungsschaltung, die mit dem Gehäuse verbunden
ist, und einen Halbleiter aufweist. Der zweite Leiter ist mit dem
Gehäuse
verbunden und gegenüber
dem ersten Leiter isoliert. Die Festkörper-Vorrichtung weist einen ersten
Anschluss auf, der elektrisch mit dem ersten Leiter verbunden ist,
einen zweiten Anschluss, der elektrisch mit dem zweiten Leiter verbunden
ist, und einen dritten Anschluss, der elektrisch mit der Steuerungsschaltung
verbunden ist. Die Festkörper-Vorrichtung
ist aufgebaut, um selektiv die Stromübertragung zwischen dem ersten
und dem zweiten Anschluss abhängig
von einem Signal zu steuern, das von der Steuerungsschaltung über den
dritten Anschluss übertragen
wird. Bei einigen Ausführungsformen
kann die Festkörper-Vorrichtung lösbar mit
dem Gehäuse
verbunden sein. Bei anderen Ausführungsformen
kann die Festkörper-Vorrichtung
fest mit verschiedenen Leitern und Anschlüssen gekoppelt sein.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
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Es
versteht sich, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen
Beispiele nur zu Erläuterungszwecken
angegeben sind und es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf
die beschriebenen Ausführungsformen
zu beschränken.
Der Umfang der Erfindung wird alleine durch die angehängten Ansprüche definiert.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrum,
das entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist;
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2 ist
eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung
eines Bereichs des Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrums von 1;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Bereichs des Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrums
der 1, die einen Festkörper-Vorrichtungstyp in größerem Detail
darstellt;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines Systemträger-Fortschritts, die ein Verfahren zur
Herstellung einer Festkörper-Vorrichtung
darstellt, die entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist;
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5 ist
eine Schnittansicht, die längs
der Linie V-V von 3 genommen ist;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung eines Bereichs
eines Fahrzeugs mit einem zweiten Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrum,
das entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist; und
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7 ist
eine perspektivische Ansicht eines Bereichs des Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrums
von 6, das einen anderen Festkörper-Vorrichtungstyp in größerem Detail
zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 der
Zeichnungen ist ein Fahrzeug 10 dargestellt, das ein Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrum 12 aufweist,
welches entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist. Das Fahrzeug 10 ist schematisch dargestellt und umfasst
ebenfalls eine Batterie B, einen ersten Draht-Kabelbaum 14,
einen zweiten Draht-Kabelbaum 16 und eine Vielzahl von
Lastvorrichtungen 18a, 18b und 18c. Der
erste Draht-Kabelbaum 14 kann den B+-Anschluss der Batterie
B mit dem Leistungssteuerungszentrum 12 verbinden, während der zweite
Draht-Kabelbaum 16 das Leistungssteuerungszentrum 12 mit
den mehreren Last-Vorrichtungen 18a, 18b und 18c und
dem B–-Anschluss
der Batterie B verbinden kann. Aus Darstellungsgründen wird
der zweite Draht-Kabelbaum 16 so dargestellt, dass er direkt
an den B–-Anschluss
der Batterie B angeschlossen ist. Der Fachmann weiß jedoch,
dass der zweite Draht-Kabelbaum 16 nicht direkt mit dem B–-Anschluss
verbunden sein muss, sondern dass vielmehr ein dritter Leiter eingesetzt
werden kann, wie beispielsweise der Fahrzeugrahmen bzw. Fahrzeugkarosserie
(nicht gezeigt) auf eine Art und Weise, die im Stand der Technik
bekannt ist. Die Last-Vorrichtungen 18a, 18b und 18c können jegliche
Art von elektrisch betriebener Vorrichtung sein und können allgemeine
Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Motoren, Solenoide, Gebläse, Klimaanlagenkompressoren,
umfassen, die selektiv von einem Fahrzeuginsassen über Mittel,
wie Schalter 20a, 20b bzw. 20c, ausgewählt werden
können.
Obgleich das vorliegende Beispiel mit einer Vielzahl von Schaltern
zum selektiven Steuern des Betriebs einer oder mehrerer Last-Vorrichtung
dargestellt und beschrieben wird, versteht sich, dass der Betrieb
der Last-Vorrichtungen
auch in Abhängigkeit
von der Erzeugung eines beliebigen Signals gesteuert werden kann,
wobei das Signal entweder manuell oder automatisch erzeugt wird.
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In 2 kann
das Leistungssteuerungszentrum 12 ein Gehäuse 30,
einen ersten Leiter 32, einen zweiten Leiter 34,
eine Steuerungsschaltung 36 und eine Festkörper-Vorrichtung 38 aufweisen.
Das Gehäuse 30 kann
ein oder mehrere Gehäuseelemente (beispielsweise 30a, 30b)
umfassen und kann aufgebaut sein, um den ersten Leiter 32,
den zweiten Leiter 34 und/oder die Steuerungsschaltung 36 aufzunehmen.
In dem bestimmten vorgestellten Beispiel ist der erste Leiter 32 eine
Sammelschiene 32a, die mit dem B+-Anschluss (1)
der Batterie B (1) verbunden ist und vollständig im
Gehäuse 30 untergebracht ist,
während
der zweite Leiter 34 von dem ersten Leiter 32 elektrisch
isoliert ist und eine zweite Sammelschiene oder ein Draht-Kabelbaumanschluss
sein kann. Ein oberes Gehäuse 33b kann
ein Verbindungssatz bzw. -gruppe 40 definieren, in das
die Festkörper-Vorrichtung 38 aufgenommen
ist. Insbesondere kann der Verbin dungssatz 40 eine erste Beinöffnung 42,
eine zweite Beinöffnung 44,
eine dritte Beinöffnung 46 und
optional ein oder mehrere Hilfs- bzw. Zusatzbeinöffnungen 48 aufweisen.
Während
jede der Beinöffnungen 42, 44, 46 und 48 als
individuell ausgebildet dargestellt sind, versteht sich, dass bei
einigen Situationen eine oder mehrere der Beinöffnungen verbunden sein können.
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Die
Steuerungsschaltung 36 kann mit dem Gehäuse 30 verbunden sein
und ist aufgebaut, um Signale mit relativ geringem Strom von verschiedenen
Komponenten innerhalb des Fahrzeugs 10 (1)
zu empfangen, wie beispielsweise den Schaltern 20a, 20b und 20c (1).
In dem vorgestellten Beispiel umfasst die Steuerungsschaltung 36 eine
gedruckte Leiterplatte 36a. Es versteht sich jedoch, dass
andere Typen von Steuerungsschaltungen zusätzlich oder alternativ verwendet
werden können.
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Bezug
nehmend auf die 3 kann die Festkörper-Vorrichtung 38 einen
Systemträger 50,
auch lead frame genannt, einen Halbleiter 52 und einen Isolator 54 aufweisen.
Der Systemträger 50 bildet
ein erstes Bein 62, ein zweites Bein 64, ein drittes
Bein 66 und optional ein oder mehrere Hilf s- bzw. Zusatzbeine.
In dem vorgestellten Beispiel bildet der Systemträger 50 ein
Zusatzbein 68. In dem vorgestellten Beispiel sind das erste,
das zweite, das dritte und das Zusatzbein 62, 64, 66 und 68 jeweils
als männlicher Flachstecker
dargestellt, die im Allgemeinen parallel zueinander sind. Es versteht
sich jedoch, dass andere Beinkonfigurationen und/oder -konstruktionen
alternativ eingesetzt werden können.
Mit Bezug auf die 4 und 5 weist
der Halbleiter 52, der mit einem einzelnen Halbleiterchip 52a dargestellt
ist, aber eine Vielzahl von Halbleiterchips umfassen könnte, einen
Eingangsanschluss 72, einen Aus gangsanschluss 74 und
einen Steuerungsanschluss 76 auf, die elektrisch mit dem
ersten Bein 62, dem zweiten Bein 64 bzw. dem dritten
Bein 66 über
passende Mittel wie beispielsweise Drahtbonding oder direktes Bonding
verbunden sind. Der Halbleiter 52 kann auch einen oder
mehrere Zusatzanschlüsse 78 aufweisen, von
denen jeder mit einem zugehörigen
Zusatzbein 68 verbunden ist.
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Der
Isolator 54 deckt zumindest teilweise den Halbleiter 52 ab
und kann den Halbleiter 52 und/oder Teile des ersten Beins 62,
des zweiten Beins 64, des dritten Beins 66 und/oder
des Zusatzbeins bzw. der Zusatzbeine 68 einkapseln. In
dem vorgestellten Beispiel umfasst der Isolator einen ersten Abschnitt 80,
der teilweise das erste, das zweite, das dritte und das Zusatzbein 62, 64, 66 und 68 und einen
zweiten Abschnitt 82 einkapselt, der auf dem ersten Abschnitt 80 und
dem Halbleiter 52 aufgegossen ist.
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Es
wird nun erneut auf 2 Bezug genommen. Die Festkörper-Vorrichtung 38 ist
lösbar
mit dem Gehäuse 30 verbunden,
so dass sich das erste Bein 62 durch die erste Beinöffnung 42 erstreckt
und elektrisch mit dem ersten Leiter 32 verbunden ist, sich
das zweite Bein 64 durch die zweite Beinöffnung 44 erstreckt
und elektrisch mit dem zweiten Leiter 34 verbunden ist,
sich das dritte Bein 66 durch die dritte Beinöffnung 46 erstreckt
und elektrisch mit der Steuerungsschaltung 36 verbunden
ist, und sich jedes Zusatzbein 68 durch eine zugehörige Zusatzbeinöffnung 48 erstreckt
und elektrisch mit der Steuerungsschaltung 36 verbunden
ist. In dem vorgestellten Beispiel umfassen der erste Leiter 32 und
der zweite Leiter 34 Anschlüsse 92 bzw. 94,
die direkt mit dem ersten und dem zweiten Bein 62 und 64 zusammenwirken,
wenn die Festkörper-Vorrichtung 38 in
den Verbindungs satz 40 des Gehäuses 30 eingeführt wird. Die
Steuerungsschaltung 36 umfasst Anschlüsse 96 bzw. 98,
die direkt mit dem dritten bzw. den Zusatzbeinen 66 und 68 zusammenwirken,
wenn die Festkörper-Vorrichtung 38 in
den Verbindungssatz 40 des Gehäuses 30 eingeführt wird.
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Der
Halbleiter 52 steuert selektiv die Übertragung der elektrischen
Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Bein 62 und 64 zumindest
teilweise in Antwort auf ein Signal, das von der Steuerungsschaltung 36 über das
dritte Bein 66 bereitgestellt wird. Das von der Steuerungsschaltung 36 gelieferte Signal
kann in Form eines diskreten Signals einer vorbestimmten Spannung
vorliegen oder kann eine elektronische Nachricht (beispielsweise
eine seriell übertragene
Nachricht) sein. Um die lösbare
Verbindung der Festkörper-Vorrichtung 38 zu
erleichtern, kann das distale Ende des ersten und des zweiten Beins 62 und 64,
die gegenüber
dem Isolator 54 angeordnet sind, in einer gemeinsamen Ebene
enden, die im Allgemeinen quer zu einer Einführachse 100 ist, entlang
derer die Festkörper-Vorrichtung 38 in das
Verbindungsnest 40 eingeführt wird.
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Jedes
optionale Zusatzbein 68 kann elektrisch mit der Steuerungsschaltung 36 verbunden sein
und kann ein zugehöriges
Zusatzsignal zulassen, das zwischen dem Halbleiter 52 und
der Steuerungsschaltung 36 übertragen werden soll. In dem vorgestellten
Beispiel umfasst der Halbleiter 52 einen inneren Temperatursensor 104 und
der Halbleiter 52 überträgt ein Signal
an die Steuerungsschaltung 36 über das Zusatzbein 68 abhängig davon,
dass festgestellt wird, dass eine Temperatur des Halbleiters 52 eine
vorbestimmte Temperatur übersteigt.
Es versteht sich, dass andere Sensortypen zusätzlich oder alternativ in dem Halbleiter 52 eingesetzt
werden können
und/oder dass ein oder mehrere der Zusatzbeine 68 eingesetzt
werden können,
um ein Signal von der Steuerungsschaltung 36 zu dem Halbleiter 52 zu übertragen.
Es versteht sich ebenfalls, dass das erste, das zweite, das dritte
und das Zusatzbein 62, 64, 66 und 68 mit
jeder gewünschten
Länge ausgebildet
werden können.
Beispielsweise können
relativ kurze Beine verwendet werden, um direkt mit zusammenwirkenden
Anschlüssen
in der Steuerungsschaltung 36 oder der Sammelschiene zusammenwirken
zu können,
während
relativ lange Anschlüsse verwendet
werden können,
um sie direkt mit den Draht-Kabelbaumanschlüssen zu verbinden oder direkt
mit einem Stecker eines Draht-Kabelbaums (d.h., dass dadurch die
Notwendigkeit für
eine Zwischen-Sammelschienenverbindung mit dem Draht-Kabelbaum entfällt). Darüber hinaus
versteht sich, dass das erste, das zweite, das dritte und das Zusatzbein 62, 64, 66 und 68 in
jeder gewünschten Weise
ausgerichtet und/oder dimensioniert sein können. Beispielsweise können, falls
Steckverbindungsbeine verwendet werden, diese eine Größe von 1,5 mm,
2,8 mm und/oder 6,3 mm aufweisen, wie gewünscht, um die Leistung handzuhaben,
die durch diese übertragen
werden soll.
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Das
Leistungs-Steuerungszentrum 12 besitzt signifikante Vorteile
gegenüber
bekannten Leistungssteuerungszentren, einschließlich der Verbindung des Halbleiters 52 mit
einer Sammelschiene oder einem anderen relativ großen Leiter,
der im Allgemeinen höhere Übertragungsstrommöglichkeiten zulässt und
damit eine bessere Wärmeabführung besitzt,
im Vergleich zu den Leiterbahnen auf einer gedruckten Leiterplatte,
und einen relativ hohen Grad an Modularität besitzt, so dass innerhalb
eines breiten Rahmens eine Anpassung an Fahrzeuge und Fahrzeugmodelle
möglich
wird.
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Während das
Fahrzeug-Leistungssteuerungszentrum 12 gezeigt und beschrieben
wurde als Vorrichtung, die Festkörper-Vorrichtungen 38 einsetzt,
die entfernbar (beispielsweise wartbar) sind, versteht sich, dass
die Erfindung in ihrem breitesten Umfang etwas unterschiedlich aufgebaut
sein kann. Beispielsweise könnten
ein oder mehrere der Beine ständig
mit einem zugehörigen
Leiter oder Anschluss verbunden sein, wie in 6 und 7 dargestellt. Bei
diesem Beispiel ist das erste Bein 62' der Festkörper-Vorrichtung 38' fest mit einem ersten Leiter 32' verbunden,
der elektrisch mit dem B+-Anschluss der Fahrzeugbatterie verbunden
ist, während
das dritte Bein 66' mit
einem Anschluss auf der Steuerungsschaltung 36' verbunden ist,
die auf einer gedruckten Leiterplatte 36a' aufgenommen ist. Das erste Bein 62' kann eine Öffnung 120 umfassen,
in der der erste Leiter 32' aufgenommen
ist. Das erste Bein 62' und/oder
der erste Leiter 32' können umgebildet (beispielsweise
verdreht) sein, um die beiden mechanisch fest zu verbinden. Alternativ
oder zusätzlich können das
erste Bein 62' und
der erste Leiter 32' über ein
anderes Mittel miteinander verbunden werden, wie beispielsweise
durch Schweißen,
Löten oder
ein elektrisch leitfähiges
Klebemittel. Das dritte Bein 66' kann mechanisch mit einem weiblichen
Anschluss zusammenwirken oder kann an der Oberfläche eines Anschlusses 122 in
der gezeigten Steuerungsschaltung 36' montiert sein. Das zweite Bein 64' kann sich im
Allgemeinen quer zu dem ersten Hein 62' erstrecken und kann sich von dem
Leistungssteuerungszentrum 12' in einer Weise erstrecken, die
direkt mit einem Anschluss 130 eines Steckers bzw. Verbinders 132 eines
Draht-Kabelbaums 134 zusammenwirken.
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Vor
diesem Hintergrund wird der Fachmann erkennen, dass ein Schlüsselmerkmal
einer Festkörper-Vorrichtung,
die entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist (beispielsweise die Festkörper-Vorrichtungen 38 und 38') darin besteht, dass
der Halbleiter mit einem oder mehreren Anschlüssen verbunden werden kann,
die direkt mit einer Sammelschiene, einem Draht-Kabelbaumanschluss
oder einem anderen Typ von schwerem Leiter verbunden ist, um damit
das Bedürfnis
nach mehreren Lagen bzw. Ebenen von Sammelschienen und/oder von
breiten und dicken Kupfer-Leiterbahnen zu beseitigen, die auf einer
gedruckten Leiterplatte vorgesehen sind.
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Während die
Erfindung in der Beschreibung und den gezeigten Zeichnungen mit
Bezug auf verschiedene Ausführungsformen
beschrieben wurde, erkennt der Fachmann, dass unterschiedliche Veränderungen
möglich
sind und dass Äquivalente
für bestimmte
Elemente eingesetzt werden können,
ohne den Rahmen der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert
ist, zu verlassen. Das Vermischen und Anpassen von Merkmalen, Elementen
und/oder Funktionen zwischen unterschiedlichen Ausführungsformen
ist ausdrücklich
denkbar, so dass ein Fachmann aus dieser Offenbarung erkennen wird, dass
Merkmale, Elemente und/oder Funktionen eine Ausführungsform in einer anderen
Ausführungsform eingesetzt
werden können,
solange dies nicht gegenteilig beschrieben ist.