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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 Kühlelements, wobei
der Schaltungsträger
in einer montierten Position des elektrischen Leistungsmoduls auf
der Leiterplatte im Wesentlichen senkrecht zur Leiterplatte 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 10 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
kön nen
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, Lebensdauer 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 zerstört
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 Netzspan nung 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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Die
deutsche Patentanmeldung DE
10 2005 026 233.3 offenbart ein Leistungsmodul, dessen
Aufbau in der perspektivischen Darstellung in
9 gezeigt
ist.
10 zeigt das bekannte Leistungsmodul in einer
montierten Position auf der Leiterplatte. Das in der oben genannten
Anmeldung beschriebene Leistungsmodul weist eine mechanische Fixiereinrichtung,
wie beispielsweise eine Schnappvorrichtung
131, zum Fixieren
auf der Leiterplatte, auf. Andere vorgesehene mechanische Fixiereinrichtungen umfassen
eine Schraubverbindung oder einen Haltefuß
153 zum Abstützen des
Leistungsmoduls auf der Leiterplatte. Diese mechanischen Fixiereinrichtungen
ermöglichen
eine rechtwinklige Montage des Leistungsmoduls auf die Leiterplatte,
so dass bei der Montage des Kühlelements
45 auf
die Montagefläche des
Leistungsmoduls Druckkräfte
oder gar ein Verbiegen der Anschlusspins verhindert werden. Dadurch
werden die Lötstellen
der Anschlusspins auf der Leiterplatte nicht unzulässig mechanisch
belastet.
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Das
beschriebene senkrecht stehende Leistungsmodul ist für das Einlöten auf
die Leiterplatte ausgelegt. Anschlusspins 111 sind aus
dem Leistungsmodul herausgeführt,
die in entsprechende Bohrungen der Leiterplatte eingeführt und
dann gelötet
werden. Da das Leistungsmodul gelötet werden muss, ist das Leistungsmodul
starr mit der Leiterplatte verbunden. Das auf die Leiterplatte gelötete Leistungsmodul
kann nur schwer ausgetauscht werden, zum Beispiel nach einem Ausfall,
so dass eine Reparatur einer das Leistungsmodul aufnehmenden elektrischen
Leistungsvorrichtung erschwert wird. Somit wäre eine lötfreie Montage zur Vereinfachung
des Aufbaus der elektrischen Leistungsvorrichtung gewünscht.
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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
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 16 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Dadurch,
dass das elektrische Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung
mindestens eine Steckvorrichtung zum Aufstecken des Leistungsmoduls
auf die Leiterplatte umfasst, kann das Leistungsmodul auf einfache
Weise auf die Leiterplatte aufgesteckt werden, so dass eine lötfreie Montage
des elektrischen Leistungsmoduls auf die Leiterplatte möglich ist.
Bei einer solchen lötfreien
Montage des elektrischen Leistungsmoduls können Toleranzen, welche bei
einer herkömmlichen
gelöteten
Verbindung zu Verspannungen führen,
ausgeglichen werden.
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Darüber hinaus
vereinfacht das erfindungsgemäße elektrische
Leistungsmodul den Aufbau einer das erfindungsgemäße Leistungsmodul
aufnehmenden elektrischen Leistungsvorrichtung, da das elektrische
Leistungsmodul im Reparaturfall durch die lötfreie Verbindung mit der Leiterplatte
der elektrischen Leistungsvorrichtung einfach ausgetauscht werden
kann.
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Ferner
kann der rechte Winkel zwischen der Montagefläche des Kühlelements und der Ebene der Leiterplatte
eingehalten werden, ohne dass es zu einer starren Verbindung wie
bei dem in der
DE 10 2005
026 233.3 offenbarten elektrischen Leistungsmodul kommt.
Das erfindungsgemäße elektrische Leistungsmodul
ermöglicht
es nämlich,
dass ein an der Montagefläche
des Schaltungsträgers
angebrachtes Kühlelement
mit einem rechten Winkel zur Leiterplatte montiert werden kann,
ohne dass die Anschlusspins des elektrischen Leistungsmoduls auf die
Leiterplatte durch eine starre Lötverbindung
fixiert werden.
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Wenn
die mindestens eine Steckvorrichtung mindestens einen Federkontakt
aufweist, der das Leistungsmodul mit der Leiterplatte elektrisch
verbindet, wird eine lötfreie
elektrische Verbindung des elektrischen Leistungsmoduls mit der
Leiterplatte erreicht. Somit wird vermieden, dass ein an den Schaltungsträger des
elektrischen Leistungsmoduls angebrachte Kühlelement die elektrischen
Kontaktstellen zwischen dem Leistungsmodul und der Leiterplatte unzulässig mechanisch
belastet, wie es bei den herkömmlichen
Leistungsmodulen der Fall war. Somit können Frühausfälle der elektrischen Verbindung des
elektrischen Leistungsmoduls mit der Leiterplatte vermieden werden.
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Darüber hinaus
kann je nach Federkraft des Federkontakts entweder eine reine Steckverbindung des
Federkontakts mit der Leiterplatte oder eine Verbindung mit Kaltverschweißungseigenschaften, ähnlich zu
einem Einpresskontakt, geschaffen werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist die mindestens eine Steckvorrichtung ein erstes
Teil und ein zweites Teil auf, die so angepasst sind, dass die Leiterplatte
zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil in das Leistungsmodul einführbar ist.
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Wenn
ein erster Federkontakt an dem ersten Teil der Steckvorrichtung,
und ein zweiter Federkontakt an dem zweiten Teil der Steckvorrichtung
so angebracht sind, dass der erste Federkontakt und der zweite Federkontakt
das Leistungsmodul mit der eingeführten Leiterplatte elektrisch
verbinden, erfolgt die elektrische Verbindung auf zwei Seiten der
Leiterplatte.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls sind eine Vielzahl von ersten Kontaktfedern an dem
ersten Teil der Steckvorrichtung in Reihe angebracht. Somit wird
eine einreihige elektrische Verbindung des elektrischen Leistungsmoduls
mit der Leiterplatte durch eine Reihe von ersten Kontaktfedern auf
einer Seite der Leiterplatte hergestellt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls sind eine Vielzahl von zweiten Kontaktfedern an
dem zweiten Teil der Steckvorrichtung in Reihe angebracht. Somit
wird eine zweireihige elektrische Verbindung des elektrischen Leistungsmoduls
mit der Leiterplatte, auf zwei Seiten der Leiterplatte, hergestellt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst der mindestens eine Federkontakt mindestens
eine Verriegelung zur mechanischen Zugentlastung. Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Gehäuse mindestens eine Clipverbindung
zur mechanischen Zugentlastung. Somit kann eine in das Leistungsmodul
eingeführte
Leiterplatte fixiert und die elektrische Verbindung zwischen dem
Leistungsmodul und der Leiterplatte selbst unter mechanischem Druck
oder Zug 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 Kühlelement
anbringbar ist, kann die durch das mindestens eine elektronische Bauelement
erzeugte Wärme
durch den wärmeleitfähigen Schaltungsträger übertragen
und von dem wärmeleitfähigen Kühlelement
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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Dadurch,
dass das zweite Teil der Steckvorrichtung zur elektrischen Isolation
des Kühlelements von
der Leiterplatte und dem mindestens einen Federkontakt dient, können die
benötigten
Luft- und Kriechstrecken gemäß den einschlägigen EN-,
IEC- und UL-Normen
eingehalten werden. Da die Anschlusspins des Leistungsmoduls, d.
h. die Federkontakte, 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 Kühlelement
durch das zweite Teil der Steckvorrichtung erreicht. Das zweite
Teil der Steckvorrichtung wird vorzugsweise als Teil des Gehäuses, das zwischen
den Anschlusspins und dem Kühlelement angeordnet
ist, vorgesehen.
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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 Kühlelements zum Schaltungsträger garantiert
und, wenn das Kühlelement
beispielsweise als ein Kühlkörper ausgebildet
ist, kann eine optimale Wärmeübertragung
zwischen dem Schaltungsträger
des Leistungsmoduls und dem Kühlelement
gewährleistet
werden.
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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 Netzspannung
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 erfindungsgemäße elektrische Leistungsmodul
in eine elektrische Leistungsvorrichtung eingebaut wird, welche
eine Leiterplatte und ein Kühlelement
mit einer planaren Fläche
aufweist, wobei das Kühlelement
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 durch die mindestens eine
Steckvorrichtung auf die Leiterplatte aufgesteckt werden kann. Ferner
ist die Reparatur einer solchen elektrischen Leistungsvorrichtung
erheblich vereinfacht, da das elektrische Leistungsmodul durch die lötfreie Verbindung
mit der Leiterplatte einfach ausgetauscht werden kann.
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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 eine
perspektivische Darstellung eines herkömmlichen elektrischen Leistungsmoduls;
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10 eine
schematische Darstellung einer elektrischen Leistungsvorrichtung,
die das in 9 gezeigte herkömmliche
elektrische Leistungsmodul aufnimmt;
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11 einen
Querschnitt durch ein elektrisches Leistungsmodul gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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12 eine
Vorderansicht eines elektrischen Leistungsmoduls gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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13 einen
Querschnitt durch ein elektrisches Leistungsmodul gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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14 einen
Querschnitt durch eine Steckvorrichtung eines elektrischen Leistungsmoduls
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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15 einen
Querschnitt durch eine Steckvorrichtung eines elektrischen Leistungsmoduls
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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16a eine Vorderansicht eines elektrischen Leistungsmoduls
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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16b einen Querschnitt durch das in 16a gezeigte elektrische Leistungsmodul;
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17a eine Vorderansicht eines elektrischen Leistungsmoduls
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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17b einen Querschnitt durch das in 17a gezeigte elektrische Leistungsmodul.
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Das
erfindungsgemäße elektrische
Leistungsmodul weist, wie aus der 11 ersichtlich,
einen Schaltungsträger 212,
der von einem Gehäuse 214 teilweise
umschlossen ist, auf. Das Gehäuse 214 besteht
vorzugsweise aus Kunststoff. Das Gehäuse 214 weist eine
Steckvorrichtung 220 auf, das an einem Ende des Gehäuses 214 angeordnet
ist. Die Steckvorrichtung 220 umfasst ein erstes Teil 221 und ein
zweites Teil 222, die aus dem Hauptkörper des Gehäuses 214 herausragen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung sind ein erster Federkontakt 231 an dem ersten Teil 221 der
Steckvorrichtung 220 und ein zweiter Federkontakt 232 an
dem zweiten Teil 222 der Steckvorrichtung 220 angeordnet,
so dass eine zweireihige elektrische Verbindung des Leistungsmoduls
mit einer eingeführten
Leiterplatte möglich
ist. Auf 11 sind der erste Federkontakt 231 und
der zweite Federkontakt 232 jeweils durch einen entsprechenden
ersten Bonddraht 235 und zweiten Bonddraht 236 mit
dem Schaltungsträger 212 verbunden.
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Das
erste Teil 221 und das zweite Teil 222 der Steckvorrichtung 220 sind
so angeordnet, insbesondere der Abstand zwischen ihren jeweiligen
freien Enden ist so ausgewählt,
dass eine Leiterplatte (auf der 11 nicht
gezeigt) in das Leistungsmodul einführbar ist. Eine jeweilige Längsachse
des ersten Teils 221 und des zweiten Teils 222 der
Steckvorrichtung 220 des in 11 gezeigten
elektrischen Leistungsmoduls verläuft im Wesentlichen senkrecht
zur Ebene des Schaltungsträgers 212.
Eine in das elektrische Leistungsmodul eingeführte Leiterplatte (nicht gezeigt)
wird somit im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Schaltungsträgers 212 festgehalten.
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Der
erste Federkontakt 231 und der zweite Federkontakt 232 sind
jeweils auf der jeweiligen Innenfläche des ersten Teils 221 und
zweiten Teils 22 innerhalb des Gehäuses 214 angebracht.
Die jeweilige Längsachse
des ersten Federkontakts 231 und zweiten Federkontakts 232 verläuft im Wesentlichen parallel
zur Längsachse
des ersten und zweiten Teils 221, 222 der Steckvorrichtung 220.
Der erste und zweite Federkontakt 231, 232 weisen
jeweils einen rechtwinklig gebogenen Teil 231a, 232a auf,
der im Wesentlichen parallel zur Ebene des Schaltungsträgers 212 verläuft. Jeder
rechtwinklig gebogene Teil 231a, 232a ist jeweils
durch einen Bonddraht 235, 236 mit dem Schaltungsträger 212 verbunden.
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Der
erste Federkontakt 231 und der zweite Federkontakt 232 dienen
dazu, die elektrische Verbindung zur eingeführten Leiterplatte herzustellen. Ein
elektrisches Leistungsmodul gemäß der vorliegenden
Erfindung kann somit auf einfache Weise auf eine Leiterplatte aufgesteckt
werden, was eine lötfreie
Verbindung des elektrischen Leistungsmoduls mit der Leiterplatte
ermöglicht.
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12 zeigt
eine Vorderansicht des in 11 gezeigten
Leistungsmoduls. Die Steckvorrichtung 220 zum Aufstecken
des Leistungsmoduls auf eine Leiterplatte besteht aus dem in 11 gezeigten
ersten Teil 221 und zweiten Teil 222, an deren jeweiligen
Innenflächen
eine Vielzahl von entsprechenden ersten Kontaktfedern 231 und
zweiten Kontaktfedern 232 in Reihe angebracht sind.
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Wie
aus der 12 ersichtlich, können auch Löcher 241, 242 in
dem Leistungsmodul vorgesehen werden, vorzugsweise an seinen beiden
Enden, um eine Schraubmontage des Leistungsmoduls zum Kühlelement
zu ermöglichen.
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Das
zwischen den ersten und zweiten Federkontakten 231, 232 und
dem Kühlelement
angeordnete zweite Teil 222 der Steckvorrichtung 220 sorgt dafür, dass
die benötigten
Luft- und Kriechstrecken zur elektrischen Isolation gemäß den einschlägigen EN-,
IEC- und UL-Normen
eingehalten werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen elektrischen
Leistungsmoduls wird das in 11 gezeigte
Gehäuse 214 mit
einer Vergussmasse ausgegossen, die dazu dient, die auf dem Schaltungsträger 212 montierten
Halbleiterelemente vor Feuchtigkeit und Verschmutzung zu schützen. Diese
Vergussmasse wird in der Form einer weichen elastischen Vergussmasse
vorgesehen. Durch den weichen Verguss treten keine Verspannungen
oder Scherkräfte
zwischen dem Schaltungsträger 212,
den auf dem Schaltungsträger 212 montierten
Halbleiterelementen und den Bonddrähten 235 auf.
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Obwohl
die ersten und zweiten Kontaktfedern 231, 232 in
den 11 und 12 als
zweireihig in der Steckvorrichtung 220 angeordnet sind,
ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf eine zweireihige Pinausführung begrenzt,
sondern kann auch für eine
einreihige Pinausführung,
oder für
jede beliebige Art von Pinausführung
verwendet werden.
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Der
Schaltungsträger 212 ist
vorzugsweise in Form einer planaren wärmeleitfähigen Trägerplatte ausgebildet, die
aus einem thermisch nicht zerstörbaren
Isolationsmaterial mit ausreichender Dicke besteht. Vorzugsweise
wird der Schaltungsträger 212 in Keramik,
Dickschichtkeramik oder DCB-Keramik realisiert. Auf der sich innerhalb
des Gehäuses 214 befindenden
Seite dieser aus Keramik bestehenden Trägerplatte sind elektronische
Bauelemente angeordnet, die mit den ersten und zweiten Kontaktfedern 231, 232 elektrisch
verbunden sind. Die andere Seite der Trägerplatte ist in einer montierten
Position in direktem Kontakt mit einem Kühlelement angeordnet. Dieses
Kühlelement
ist beispielsweise ein Kühlkörper, kann
aber auch das Gehäuse
eines anzusteuernden Gerätes,
beispielsweise eines Elektromotors, sein.
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13 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
elektrischen Leistungsmoduls gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die 13 zeigt, wie das elektrische
Leistungsmodul auf der Leiterplatte 46 aufgesteckt ist.
Dabei sind der erste Federkontakt 231 und der zweite Federkontakt 232 mit
entsprechenden auf der Leiterplatte 46 vorgesehenen elektrischen
Kontakten elektrisch verbunden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weisen der erste Federkontakt 231 und der
zweite Federkontakt 232 jeweils einen zweimal rechtwinklig
abgebogenen Teil 231'a, 232'a, deren freien
Enden direkt auf dem Schaltungsträger 212 gelötet sind.
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Obwohl
die Federkontakte in den in 11 und 13 gezeigten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung auf dem Schaltungsträger 212 gebondet (11)
oder gelötet
(13) sind, können andere
elektrische Verbindungen selbstverständlich angewandt werden, wie
beispielsweise das Schweißen,
Kleben, Anpressen, oder Stecken der Federkontakte auf den Schaltungsträger 212.
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Die 14 zeigt
eine vergrößerte Ansicht der
Steckvorrichtung 220 des elektrischen Leistungsmoduls gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Eine erste Verriegelung 251 und
eine zweite Verriegelung 252 sind jeweils in den ersten Federkontakt 231 und
zweiten Federkontakt 232 eingearbeitet. Die jeweilige Verriegelung 251, 252 ist zwischen
dem ersten bzw. zweiten Federkontakt 231, 232 und
dem jeweiligen rechtwinklig abgebogenen Teil 231a, 232a in
den Federkontakt eingearbeitet. Die erste und zweite Verriegelung 251, 252 dienen
zur Fixierung der eingeführten
Leiterplatte, um eine mechanische Zugentlastung des ersten und zweiten
Federkontakts 231, 232 zu ermöglichen. Dabei können die
erste und zweite Verriegelung 251, 252 beispielsweise
so angepasst werden, dass sie in entsprechende Bohrungen der Leiterplatte
verrastet werden. Andere Fixierungen sind aber möglich.
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Die 15 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Steckvorrichtung 220, wobei eine Verriegelung 253 in
den ersten Federkontakt 231 eingearbeitet ist. Die Verriegelung 253 dient
zur Fixierung der eingeführten
Leiterplatte, um eine Zugentlastung des ersten Federkontakts 231 zu
ermöglichen.
Dabei kann die Verriegelung 253 in eine entsprechende Bohrung
der Leiterplatte verrastet werden.
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16a zeigt eine Vorderansicht eines Leistungsmoduls
gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Das Gehäuse 214 umfasst
ein erstes Clipelement 261 an einem Ende der Steckvorrichtung 220 und
ein zweites Clipelement 262 an dem anderen Ende der Steckvorrichtung 220. Das
erste und zweite Clipelement 261, 262 dienen zur
Fixierung der eingeführten
Leiterplatte, so dass eine mechanische Zugentlastung der Steckvorrichtung 220 ermöglicht wird.
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16b zeigt eine Seitenansicht des elektrischen
Leistungsmoduls, wobei das an dem Gehäuse 214 angebrachte
erste Clipelement 261 zu sehen ist.
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17a zeigt eine Vorderansicht des elektrischen
Leistungsmoduls gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Steckvorrichtung 220 nicht
am unteren Ende des Gehäuses 214 angeordnet
ist, sondern an einer beliebigen Höhe des Gehäuses 214.
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17b zeigt einen Querschnitt des in 17a gezeigten elektrischen Leistungsmoduls. Die
Steckvorrichtung 220 ist an einer Höhe des Gehäuses 214 so angeordnet,
dass ein im Wesentlichen geradliniger erster Federkontakt 231 und
zweiter Federkontakt 232 die elektrische Verbindung zum Schaltungsträger 212 herstellen.
Durch diese vorteilhafte Anordnung der Steckvorrichtung 220 am
Gehäuse 214 kann
der Aufbau des ersten und zweiten Federkontakts 231, 232 vereinfacht
werden, da die in 11 und 13 gezeigten
jeweiligen rechtwinklig gebogenen Teile nicht notwendig sind.
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Das
elektrische Leistungsmodul gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst mindestens eine Steckvorrichtung zum Aufstecken
des Leistungsmoduls auf eine Leiterplatte. Somit wird eine Montage des
elektrischen Leistungsmoduls auf die Leiterplatte einer elektrischen
Leistungsvorrichtung vereinfacht, da eine lötfreie Verbindung möglich ist.
Darüber
hinaus können
bei einer solchen lötfreien
Montage des elektrischen Leistungsmoduls Toleranzen, welche bei
einer herkömmlichen
gelöteten
Verbindung zu Verspannungen führen,
ausgeglichen werden.