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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit einem Gehäuse und darin angeordneten Leistungsmodulbausteinen.
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Maßnahmen zur Optimierung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) setzen sich üblicher Weise als Ziel, dass sich technische Geräte einander nicht wechselseitig mittels ungewollter elektrischer oder elektromagnetischer Effekte störend beeinflussen. Gerade bei gattungsgemäßen Leistungsmodulen führen auftretende Spannungsspitzen, die insbesondere an Leistungsschaltern von Wechselrichtern innerhalb der Leistungsmodule entstehen, zu Störungen anderer Schaltungsteile durch die erzeugten elektromagnetischen Felder, welche über das Leitungsnetzwerk abgestrahlt werden. Zur Reduzierung der wechselseitigen Beeinflussung werden EMV-Filterbausteine, insbesondere EMV-Filterkondensatoren, mit dem Leistungsmodul verdrahtet, um die auftretenden Spannungsspitzen weitestgehend herauszufiltern und dadurch die elektromagnetischen Felder auf erträgliche Werte zu reduzieren.
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Diese Filterkondensatoren werden in der Regel über Stromschienen und Zuleitungen an den Kontakten der Leistungsmodule festgeschraubt. Durch die Bauform der Leistungsmodule ist eine kurze und damit niederinduktive Anbindung der Filterkondensatoren nur sehr eingeschränkt möglich und zu dem stark geräte- bzw. applikationsabhängig. Die kapazitive Filterwirkung der verwendeten Filterkondensatoren wird durch die Induktivität der Zuleitungen und der Stromschienen erheblich geschwächt. Folglich sind regelmäßig größere Kapazitätswerte und damit Bauteile mit größerem Volumen, größerem Gewicht und höheren Kosten erforderlich, um die nötige Filterwirkung zu erzielen.
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Ziel der Erfindung ist es, eine platz-, gewichts- und kosteneinsparende EMV-Filterkonstruktion aufzuzeigen, die einen kompakten Aufbau einer leistungselektronischen Baugruppe ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Leistungsmodul gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
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Demnach wird ein Leistungsmodul mit einem Gehäuse und darin angeordneten Leistungsmodulbausteinen aufgezeigt, wobei wenigstens ein EMV-Filter bzw. eine EMV-Filterbank in das Gehäuse des Leistungsmoduls integriert ist. Die Filterbausteine müssen demnach nicht mehr über Stromschienen oder Zuleitungen mit den Kontakten des Leistungsmoduls in Verbindung stehen, sondern sind bereits platzsparend in das Gehäuse des Leistungsmoduls integriert. Hierdurch werden kurze Verbindungsstellen zwischen den Bauteilen des Leistungsmoduls sowie dem Filterbauteil ermöglicht und folglich eine niederinduktive Anbindung des Filters sichergestellt. Die Leitungsinduktivität kann hierdurch auf tolerierbare Werte beschränkt werden, wodurch die Auslegung der Filterbausteine, insbesondere bezüglich der Kapazität, auf ein Minimum reduzierbar ist. Dies bewirkt ein erhebliches Platz- und Kosteneinsparungspotential.
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Der Gegenstand der Erfindung beinhaltet selbstverständlich auch die Integration wenigstens einer EMV-Filterbank in das Leistungsmodulgehäuse. Die Filterbank charakterisiert eine Anordnung von einer Vielzahl von entsprechenden, miteinander in Verbindung stehenden EMV-Filterkondensatoren und weiteren erforderlichen Filterbausteinen.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass wenigstens ein EMV-Filter bzw. wenigstens eine EMV-Filterbank auf wenigstens einer Leiterplatte angeordnet ist. Alle notwendigen Bauteile zur Realisierung des Filters bzw. der Filterbank sind kompakt auf der Leiterplatte befestigt und entsprechend miteinander verdrahtet bzw. verbunden. Die Leiterplatte wird vorteilhafterweise in das Gehäuse des Leistungsmoduls eingesteckt.
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Vorteilhafterweise ersetzt die in das Leistungsmodulgehäuse integrierte Leiterplatte wenigstens einen Teil des Leistungsmodulgehäuses. Beispielsweise lässt sich wenigstens eine Seitenwandung des Modulgehäuses bzw. der Abdeckung des Modulgehäuses durch die Integration der Leiterplatte ersetzen. Damit wird der freiwerdende Platz einer demontierten Seitenwandung bzw. der Gehäuseabdeckung optimal durch wenigstens eine Leiterplatte ausgenutzt.
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Um die durch den Stromfluß durch die Leiterbahnen erzeugte Eigenerwärmung der Leiterplatte bzw. die durch die Verlustwärme der bestückten Bauteile erzeugte Erwärmung besser ableiten zu können, ist die Leiterplatte bevorzugt als Heatsink-Leiterplatte ausgeführt. Derartige Leiterplatten sehen geeignete Mittel vor, um die Erwärmung abzuführen, wodurch die Langlebigkeit der bestückten Komponenten bzw. der Leiterplatte erhöht wird. Insbesondere kann die verwendete Leiterplatte einen Metallkern aufweisen, der die laterale Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte erhöht.
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Als Kondensatoren werden in EMV-Filtern bzw. in EMV-Filterbänken spezielle Sicherheitsentstörkondensatoren eingesetzt. In bevorzugter Weise umfasst wenigstens ein EMV-Filter bzw. eine EMV-Filterbank wenigstens einen x-Kondensator.
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Die verwendeten x-Kondensatoren dienen speziell zur Dämpfung von Gegentaktstörspannungen. Ferner umfasst wenigstens ein EMV-Filter bzw. wenigstens eine EMV-Filterbank wenigstens einen y-Kondensator, der zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen vorgesehen ist.
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Ein möglicher Aufbau des EMV-Filters bzw. der EMV-Filterbank basiert zweckmäßig auf Grundlage von SMT-Bausteinen. Die Verwendung von SMT-Kondensatoren gewährleistet eine besonders platzsparende Anordnung der Filterbausteine auf der Leiterplatine.
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Alternativ dazu kann wenigstens ein EMV-Filter bzw. die EMV-Filterbank mittels Durchsteckmontage gefertigt sein. Die einzelnen Filterbauteile weisen Drahtanschlüsse auf, die durch entsprechende Kontaktlöcher auf der Leiterplatine gesteckt werden und mittels Lötverfahren verbunden werden.
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Die Masseanbindung des EMV-Filters bzw. der EMV-Filterbank an das Leistungsmodul erfolgt vorzugsweise über ein Montagelement des Modulgehäuses. Insbesondere wird über das Montageelement eine Verbindung zwischen EMV-Filter und der Grundplatte des Leistungsmoduls erzeugt und der Masseanschluß der Grundplatte genutzt. Gleichzeitig oder alternativ erfolgt ebenso die mechanische Fixierung des EMV-Filters bzw. der EMV-Filterbank über ein geeignetes Montageelement des Modulgehäuses. Sind die Filterbauteile auf einer Leiterplatte angeordnet, so lässt sich diese über entsprechende Montageelemente am Leistungsmodulgehäuse fixieren.
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Möglich ist auch eine thermische Anbindung des EMV-Filters bzw. der EMV-Filterbank an das Leistungsmodul. Dafür können ebenfalls geeignete Montagemittel vorgesehen sein, wodurch die Wärmeerzeugung in Richtung der Grundplatte des Leistungsmoduls abgeleitet werden kann.
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Besonders bevorzugt erfolgt die Masseanbindung als auch die mechanische und die thermische Anbindung der Filterbank- bzw. des EMV-Filters über Montageelemente des Modulgehäuses direkt an die Grundplatte des Leistungsmoduls.
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Zweckmäßig ist wenigstens eine Zuleitung vom Leistungsmodul zum EMV-Filter bzw. zur EMV-Filterbank in das Leistungsmodulgehäuse integriert. Die Verbindung erfolgt bevorzugt als Löt- und/oder Schraub- und/oder Einpressverbindung.
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Vorteilhafterweise sind die Zuleitungen vom Leistungsmodul zum EMV-Filter bzw. zur EMV-Filterbank im Modulgehäuse integriert. Ferner können diese Zuleitungen aus kurzen Kontaktelementen bestehen. Alternativ erfolgt der Anschluß des EMV-Filters bzw. der EMV-Filterbank direkt an die Bondpads des Modulgehäuses und/oder an die Bondpads der Leistungschips innerhalb des Leistungsmoduls. Die Gestaltung der Anschlüsse ist dabei variabel und hängt von der Gestaltung des Leistungsmodulgehäuses bzw. vom Aufbau des Leistungsmoduls ab.
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Der Gegenstand der Erfindung betrifft des weiteren eine Leiterplatine gemäß einer der voranstehenden Ausführungsformen, die insbesondere als Leistungsmodulabdeckung bzw. als Seitenwandung an einem bekannten Leistungsmodul befestigbar ist. Damit können bekannte Leistungsmodule besonders einfach nachgerüstet werden. Die Leiterplatte weist bevorzugt elektrische und/oder mechanische und/oder thermische Kontaktflächen zum Anschließen der Leiterplatine bzw. des EMV-Filterss/EMV-Filterbank an das Leistungsmodul auf.
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Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf die Montage eines Leistungsmoduls gemäß einem der vorhergehenden Merkmale gerichtet. Insbesondere dient das erfindungsgemäße Leistungsmodul zum Aufbau der Leistungselektronik einer Baumaschine, eines Hubgerätes, eines Kraft- oder Nutzfahrzeuges oder eines Luftfahrzeuges und wird daher an entsprechender geeigneter Montagestelle der Maschine oder des Fahrzeuges montiert. Generell ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls innerhalb beliebiger Industriezweige denkbar, die den Einsatz von Leistungsmodulen erforderlich machen.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Montage des Leistungsmoduls derart, so dass die durch den EMV-Filter bzw. die EMV-Filterbank bzw. durch die Leiterplatine gebildete Gehäusewandung des Leistungsmoduls an der Montagestelle angrenzt. Wie bereits im voranstehenden Teil ausführlich erläutert, ersetzt wenigstens eine integrierte Leiterplatte bzw. wenigstens ein integriertes Filter oder eine Filterbank die Modulabdeckung bzw. wenigstens eine Seitenwandung des Leistungsmoduls.
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Das Leistungsmodul wird platinen- bzw. filterseitig an die entsprechende Montagestelle montiert, wodurch eine ausreichende mechanische Schutzwirkung für die auf der Leiterplatte angeordneten Filterbauteile geboten wird.
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Weiterhin ist die vorliegende Erfindung auf eine Baumaschine, ein Kraft- oder Nutzfahrzeug, ein Hubgerät oder ein Luftfahrzeug mit einem Leistungsmodul nach einem der voranstehenden Merkmale gerichtet. Die einzelnen Ausführungsmöglichkeiten des Leistungsmoduls entsprechen im wesentlichen den voranstehenden Merkmalen, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholte Erläuterung verzichtet werden soll.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden Teil anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1: ein Leistungsmodul mit herkömmlicher Leistungsmodulabdeckung,
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2: das Leistungsmodul mit erfindungsgemäß integrierter Leiterplatte,
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3: Schaltungsskizze einer beispielhaften EMV-Filteranordnung,
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4: Schnitt-Darstellung der elektrischen und mechanischen Anbindung des EMV-Filters,
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5: eine Ausführung mit modulinterner Anbindung des EMV-Filters an den Zwischenkreis, und
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6: eine Ausführung mit Anbindung des EMV-Filters über ein externes Anbindungselement an den Zwischenkreis.
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Die 1 und 2 zeigen ein Leistungsmodul, das eine beliebige Anzahl an Leistungsbauteilen in seinem Gehäuse 10 beinhaltet. Das Gehäuse 10 weist eine im wesentlichen quaderförmige Körperform auf, wobei im innen liegenden Hohlraum die Leistungselektronik angeordnet ist. Eine Seitenfläche des Gehäuses 10 ist als lösbare Abdeckung 20 ausgeführt, der über eine entsprechende Schraubverbindung 70 mit dem Gehäuse 10 lösbar verbindbar ist.
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Das Leistungsmodul wird abdeckungsseitig mit Hilfe der Verbindungsstellen 40 an einer entsprechenden Montagestelle montiert. Die mechanische Schutzfunktion der Modulabdeckung 20 wird in der Regel nach der Montage des Leistungsmoduls überflüssig, so dass dieser ausgespart und erfindungsgemäß mit einer Leiterplatine 30 ersetzbar ist, wodurch sich das erfindungsgemäße Leistungsmodul ergibt.
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Die in 2 dargstellte erfindungsgemäße Leiterplatine 30 weist eine im wesentlichen deckungsgleiche Form zur Modulabdeckung 20 der 1 auf. Auf der Oberfläche der Leiterplatine 30 ist eine Vielzahl von Filterkondensatoren 50 angeordnet, die mittels bekannter Durchsteckmontage (THT-Technologie) oder auch SMT-Bauweise auf der Leiterplatte 30 montiert und miteinander verbunden werden. Die Anzahl der verwendeten Kondensatoren 50 ist je nach Einsatzzweck des Leistungsmoduls variabel zu wählen. Die Filterfunktionalität des EMV-Filters auf der Leiterplatine 30 wird in der Regel durch die eingesetzten x- und y-Kondensatoren 50 bestimmt.
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Die Leiterplatine 30 ersetzt nicht nur die Abdeckung 20 des Leistungsmoduls sondern übernimmt auch dessen mechanische Schutzfunktion für die darunter angeordnete Leistungshalbleiter bzw. Modulkomponenten des Leistungsmoduls. Durch die flache Anordnung der Kondensatoren 50 auf der Leiterplatine 30 kann das Leistungsmodul in herkömmlicher Weise platinenseitig über die Montagemittel 40 an der entsprechenden Montagestelle montiert werden.
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Die Steuer- und Überwachungsanschlüsse 60 der Leistungshalbleiter bzw. Modulkomponenten ragen aus dem Modulgehäuse heraus und dienen zum elektrischen Anschluß des Leistungsmoduls an der Montagestelle.
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Sowohl die Masseanbindung als auch die mechanische und die thermische Anbindung der Leiterplatine 30 bzw. der Filterbank erfolgt über Montageelemente des Gehäuses 10 direkt an der Grundplatte des Leistungsmoduls. Die Zuleitungen zur Filterbank bzw. zur Leiterplatine 30 sind kurz und in das Gehäuse 10 integriert, wobei die Zuleitungen als Löt-, Schraub- oder Einpressverbindung ausgeführt sind.
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Um eine effektive Entwärmung der Leiterplatte 30 und gleichzeitig eine thermische Anbindung an die Grundplatte des Leistungsmoduls zu gewährleisten, kann die Leiterplatte 30 als Heatsink-Leiterplatte ausgeführt werden. Zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte 30 kann diese im Inneren einen Metallkern aufweisen. Die metallische Wärmesenke kann dabei auch die Funktion eines EMV-Schirms erfüllen. Der gesamte Filteraufbau besitzt zudem eine besonders hohe Vibrationsfestigkeit.
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Die elektrischen Zuleitungen vom Leistungsmodul zum EMV-Filter bzw. zur EMV-Filterbank können im Leistungsmodulgehäuse 10 integriert sein oder aus kurzen Kontaktelementen bestehen. Alternativ ist das EMV-Filters bzw. die EMV-Filterbank direkt an die Bondpads des Gehäuses 10 oder an die Bondpads der Leistungschips innerhalb des Moduls angebunden sein. Die Gestaltung der Anschlüsse ist variabel und hängt von der Gestaltung des Gehäuses 10 bzw. vom Aufbau der Leistungselektronik ab.
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3 zeigt den Kern 110 eines Wechselrichters, zum Beispiel in Form einer B6-Brücke. Die EMV-Filterkondensatoren Cx und Cy sind in dieser Ausführung direkt an die Zwischenkreisanschlüsse 110 bzw. an die Gleichspannungsanschlüsse des Leistungsmoduls angebunden. Aus dem Leistungsmodul sind auch 3 Phasenanschlüsse bzw. Wechselstromanschlüsse U, V und W herausgeführt.
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4 zeigt eine Querschnittsdarstellung entlang des in 2 eingezeichneten Schnittverlaufs A-A durch das Leistungsmodul. In der linken Hälfte ist der Zwischenkreisanschluß aufgeführt, dessen modulinterne Verschienung 130 mit Bonddrähten 150 an die Leistungsmodulkomponente 140 angeschlossen ist. In dieser Ausführung verzweigt die modulinterne Verschienung 130 zur Anschluß-Stelle 180 der EMV-Filterbank. Deine Detailaufnahme dieser Ausführung ist der 5 zu entnehmen.
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In der linken Hälfte der Schnittdarstellung ist eine Ausführung der Masse-Anbindung bzw. der Anbindung an die Grundplatte 160 gezeigt. Die Montageelemente Hülse 170, Schraube und Spannring 180 stellen einen elektrischen und thermischen Kontakt zur Grundplatte 160 her und klemmen das Modulgehäuse 10 an die Grundplatte 160. Die Oberfläche der Hülse 170 ist nach der Montage elektrisch mit der entsprechenden Anschluß-Stelle der EMV-Filterbank verbunden.
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6 zeigt eine mögliche alternative Ausführung der Anbindung der EMV-Filterbank an die Zwischenkreisanschlüsse 120 mittels Verwendung von kurzen externen Verbindungselementen 200.
