DE102011002866A1

DE102011002866A1 - Potentialtrennende Schaltungsträgeranordnung

Info

Publication number: DE102011002866A1
Application number: DE102011002866A
Authority: DE
Inventors: Daniel Zitzmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-07-19

Abstract

Potentialtrennende Schaltungsträgeranordnung (1) für einen Stromrichter (2), insbesondere einen Stromrichter (2) mit einer Wechselrichterfunktionnalität, mit einem ersten Schaltungsträger (6) sowie einem zweiten Schaltungsträger (8), wobei der erste Schaltungsträger (6) einen ersten Resonanzkreis (9) aufweist, welcher mit einem zweiten Resonanzkreis (10) am zweiten Schaltungsträger (8) zur leitungslosen Energieübertragung und galvanischen Trennung der Potentiale am ersten (6) und zweiten (8) Schaltungsträger zusammenwirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine potentialtrennende Schaltungsträgeranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere für einen Stromrichter.
Üblicherweise werden bei Projekten im Bereich der Leistungselektronik bzw. von Stromrichtern für Kraftfahrzeuge, z. B. PKW, NKW, LKW, etc., die Elektronikkomponenten auf mindestens zwei Schaltungsträger bzw. Platinen aufgeteilt, i. e. auf ein Controllerboard, auf welchem sich die empfindlichen μController der Steuerelektronik befinden, und auf ein Treiberboard, welches die Ansteuerbauelemente für die Leistungsbauelemente, wie z. B. IGBTs oder Power-MOSFETs aufnimmt. Durch die Aufteilung kann z. B. kompakt gebaut werden.
An dem mit den Leistungsbauelementen elektrisch verbundenen Treiberboard liegt Hochspannungspotential an, so dass eine galvanische Trennung zwischen dem empfindlichen Controllerboard, i. e. dem Niederspannungsbereich, und dem Treiberboard, i. e. dem Hochspannungsbereich, zu erfolgen hat. Dies stellt sicher, dass eine Überspannung im Niederspannungsbereich, welche zu Schäden führen kann, vermieden ist, und eine Berührung des Boards im Niederspannungsbereich gefahrlos ermöglicht werden kann.
Üblicherweise erfolgt eine Potentialtrennung, i. e. eine galvanische Trennung, im Rahmen einer Energiezufuhr an z. B. das Controllerboard durch einen Transformator, für die Datenverbindung z. B. durch einen Optokoppler. Durch diese Konstruktion kann auch dann auf der Sekundärseite, z. B. am Controllerboard, keine Hochspannung anliegen, wenn durch Defekte auf der Primärseite, z. B. am Treiberboard, eine Überspannung anliegt oder ein Kurzschluss auftritt. Eine potentialtrennende Schaltung unter Verwendung von herkömmlichen Transformatoren zeigt z. B. die Druckschrift DE 44 41 492 A1 . Die Druckschrift DE 10 2009 023 745 A1 zeigt weiterhin eine Vorrichtung in Form einer Antenne, welche eine leitungslose Energieübertragung ermöglicht.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsträgeranordnung für einen Stromrichter vorzuschlagen, bei welcher die Potentiale an den Schaltungsträgern elektrisch voneinander getrennt sind, und welche günstig und robust baut.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Vorgeschlagen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine potentialtrennende Schaltungsträgeranordnung für einen Stromrichter, insbesondere einen Stromrichter mit einer Wechselrichterfunktionalität. Ein solcher Stromrichter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, z. B. um eine elektrische Maschine, z. B. eine Drehfeldmaschine zu steuern. Ein solcher Stromrichter kann neben einer Wechselrichterfunktionalität z. B. als Hochsetzsteller z. B. zum Zwecke einer Rückspeisung bzw. Rekuperation betrieben werden und z. B. auch eine DC/DC-Wandlerfunktionalität zur Einstellung einer Zwischenkreisspannung aufweisen.
Die Schaltungsträgeranordnung weist einen ersten Schaltungsträger auf, insbesondere in Form einer Platine bzw. Leiterplatte, insbesondere einer bestückten Leiterplatte. Der erste Schaltungsträger ist z. B. zur Führung von Kleinsignalen bzw. zum Betrieb bei Niederspannung vorgesehen, z. B. ausschließlich, i. e. der erste Schaltungsträger kann ein Niederspannungs-Schaltungsträger sein. Der erste Schaltungsträger ist z. B. ein Controllboard, welches eine Steuerelektronik für einen Stromrichter aufweist.
Die Schaltungsträgeranordnung weist daneben einen zweiten Schaltungsträger auf, insbesondere in Form einer Platine bzw. Leiterplatte, insbesondere einer bestückten Leiterplatte. Der zweite Schaltungsträger ist dazu vorgesehen, mit hohen Spannungen beaufschlagt zu werden, z. B. in einem Hochvoltbereich, i. e. der zweite Schaltungsträger kann ein Hochspannungs-Schaltungsträger sein. Der zweite Schaltungsträger kann eine Stromrichter-Treiberschaltung zur Ansteuerung von Leistungsbauelementen einer Stromrichter-Leistungselektronik aufweisen, i. e. insbesondere ein Treiberboard sein.
Vorgesehen ist erfindungsgemäß, dass der erste Schaltungsträger einen ersten Resonanzkreis aufweist, welcher mit einem zweiten Resonanzkreis am zweiten Schaltungsträger zur leitungslosen bzw. drahtlosen Energieübertragung und zur galvanischen Trennung der Potentiale am ersten und zweiten Schaltungsträger zusammenwirkt. Eine Energieübertragung ist hierbei insbesondere bei Resonanz des ersten und des zweiten Resonanzkreises vorgesehen, vorzugsweise bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz. Ein gespeister Resonanzkreis kann hierbei den weiteren Resonanzkreis elektromagnetisch zu einer Schwingung anregen, i. e. berührungs- und leitungslos.
Durch eine derart ausgebildete Schaltungsträgeranordnung, welche von zwei Resonanzkreisen zur Energieübertragung Gebrauch macht, können kostenintensive, aufwändig zu bestückende und insbesondere groß bauende Transformatoren zur galvanischen Trennung vorteilhaft entfallen. Erfindungsgemäß können der erste und der zweite Resonanzkreis jeweils mittels wenigstens eines induktiven und wenigstens eines kapazitiven Elements gebildet sein, z. B. als Serienresonanzkreis oder Parallelresonanzkreis. Vorgesehen ist hierbei vorzugsweise eine induktive Kopplung des ersten und zweiten Resonanzkreises zum Zwecke einer Energieübertragung, i. e. in der Art eines Resonanztransformators. Zum Zwecke einer optimierten Energieübertragung sind der erste und der zweite Resonanzkreis z. B. auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz abstimmbar und/oder abgestimmt. Die gemeinsame Resonanzfrequenz entspricht hierbei vorzugsweise der Frequenz, mit der die Energie in einen Resonanzkreis eingespeist wird.
Wenigstens ein Resonanzkreis kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung mittels einer planaren Antenne an einem Schaltungsträger gebildet sein. Eine solche planare Antenne kann z. B. ausschließlich mittels eines Strahlungselements gebildet sein, oder z. B. ein Strahlungselement aufweisen, welches mit einer leitfähigen Fläche der planaren Antenne zusammenwirkt. Die planare Antenne ist z. B. eine Patch-Antenne. Vorgesehen ist beispielsweise, an jeweils einem Schaltungsträger einen Resonanzkreis mittels einer planaren Antenne auszubilden. Das Strahlungselement einer planaren Antenne ist vorliegend z. B. rahmenförmig gebildet, insbesondere ebenfalls planar.
Eine planare Antenne kann z. B. mit Streifenleitungsstrukturen günstig hergestellt werden, z. B. gedruckt werden, und ermöglicht neben einer gerichteten Energieabstrahlung eine einfache Abstimmung zur Schwingung auf einer mit der Resonanzfrequenz des weiteren Resonanzkreises übereinstimmenden Resonanzfrequenz, welche vorzugsweise der Frequenz entspricht, mittels welcher zu übertragende Energie an einen Resonanzkreis zugeführt wird.
Im Rahmen der Erfindung ist z. B. vorgesehen, eine planare Antenne mittels einer elektrisch leitenden Fläche zu bilden, welche mit einem Strahlungselement zusammenwirkt, wobei die elektrisch leitende Fläche an dem die Antenne aufweisenden Schaltungsträger gebildet ist. Hierdurch kann eine beabsichtigte Richtwirkung der planaren Antenne erzielt werden und insofern die Effizienz einer Energieübertragung erhöht werden. Eine elektrisch leitende Fläche, z. B. eine Grundfläche, kann z. B. auch zur Vermeidung von Störeinflüssen auf die Energieübertragung, z. B. verursacht durch weitere Bauelemente an einem jeweiligen Schaltungsträger, vorteilhaft genutzt werden.
Vorgesehen ist auch, dass mittels eines Schaltungsträgers eine elektrisch isolierende Schicht, z. B. durch das Leiterplattenträgermaterial, zwischen einem Strahlungselement und der elektrisch leitenden Fläche einer Antenne gebildet ist. Auch dies trägt zur Steigerung der Effizienz der planaren Antenne bei einem leitungslosen Energieübertrag bei.
Im Rahmen der Erfindung können die Resonanzkreise die gleiche Struktur aufweisen, insbesondere hinsichtlich ihres Strahlungselements und/oder ihrer planaren Antennen. Hierdurch kann vorteilhaft gewährleistet werden, dass die Resonanzfrequenzen der jeweiligen Resonanzkreise nur noch geringer Abstimmung zum Zwecke einer gemeinsamen Resonanzfrequenz bedürfen. Vorgesehen ist hierbei gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung, dass die planaren Strukturen, insbesondere die planaren Strahlungselemente, des ersten und des zweiten Resonanzkreises einander in einer Richtung quer zu der jeweiligen Erstreckungsebene der planaren Antenne voneinander beabstandet überlappen, insbesondere deckungsgleich. Hierdurch kann vorteilhaft eine verlustarme Energieübertragung durch einen hohen Kopplungsgrad erreicht werden. Eine Energieübertragung ist insbesondere im Nahfeld vorgesehen.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsträgeranordnung weist die Schaltungsträgeranordnung wenigstens eine Abstimmvorrichtung auf, mittels derer die Resonanzfrequenz wenigstens eines Resonanzkreises einstellbar ist, z. B. auf die Frequenz, mit der die Energie eingespeist wird, insbesondere die Resonanzfrequenz des ersten und des zweiten Resonanzkreises. Dies ermöglicht ein Reagieren auf äußere Einflüsse, welche eine Verstimmung hinsichtlich der Resonanzfrequenz bewirken. Eine solche Abstimmvorrichtung weist z. B. eine Regelvorrichtung auf, welche eine kontinuierliche Abstimmung eines Resonanzkreises ermöglicht, insbesondere die kontinuierliche Abstimmung des ersten und des zweiten Resonanzkreises auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz. Mittels einer Abstimmung, insbesondere einer kontinuierlichen Abstimmung, kann jederzeit ein Abgleich der Resonanzkreise auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz stattfinden, i. e. eine bestmögliche Energieübertragung bzw. ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet werden. Zur Abstimmung wird z. B. ein Spannungsniveau entlang der Übertragungsstrecke ermittelt und in Abhängigkeit desselben ein Kapazitätswert in einem Resonanzkreis verändert.
Im Rahmen der Erfindung ist z. B. vorgesehen, dass die Abstimmvorrichtung zur Abstimmung ein kapazitives Element aufweist, z. B. ein abgleichbares kapazitives Element, insbesondere jeweils je Resonanzkreis, wobei dieses mit dem abzustimmenden Resonanzkreis wirkverbunden ist. Ein solches ist z. B. eine Kapazitätsdiode. Eine Ansteuerung des abgleichbaren kapazitiven Elements, erfolgt hierbei z. B. in Abhängigkeit eines Spannungsniveaus bei z. B. Resonanzüberhöhung eines Resonanzkreises. Vorgesehen ist z. B. auch eine Abstimmung mittels eines Kondensatorarrays, d. h. es können Kapazitäten verschiedener Größe am Resonanzkreis ab- und zugeschaltet werden. Mittels einer derart gebildeten Abstimmvorrichtung kann insbesondere ein dauerhaft hoher Wirkungsgrad bei einer Energieübertragung erzielt werden.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der erste und/oder der zweite Resonanzkreis leitungslos an eine Last oder eine Energieversorgung koppelbar bzw. gekoppelt sind, insbesondere jeweils induktiv. Hierzu kann ein Schaltungsträger, z. B. jeweils, eine Kopplungsvorrichtung aufweisen, mittels welcher Energie leitungslos in einen Resonanzkreis einkoppelbar oder daraus auskoppelbar ist, insbesondere jeweils induktiv. Eine Kopplungsvorrichtung wird z. B. durch eine Spule gebildet, welche sich an einem Schaltungsträger um das dort angeordnete Strahlungselement herum erstreckt. Hierbei kann ein Energie, z. B. ein hochfrequenter Wechselstrom, durch die Spule geleitet werden und einen magnetischen Fluss erzeugen, welcher einen Resonanzkreis erregt. Eine solche indirekte Kopplung verhindert z. B. die Einwirkung von Störeinflüssen auf die Resonanzkreise und somit eine Verstimmung hinsichtlich deren Resonanzfrequenz. Hierdurch kann eine störungsarme Energieübertragung an einen Resonanzkreis gewährleistet werden. Eine Energieentnahme aus einem Resonanzkreis kann auf gleiche Weise mittels einer Kopplungsvorrichtung in Form einer Spule erfolgen, i. e. durch induktive Kopplung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Stromrichter für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, insbesondere mit einer Wechselrichterfunktionalität, welcher eine erfindungsgemäße Schaltungsträgeranordnung aufweist. Ein solcher kann mittels der Erfindung vorteilhaft günstig und robust realisiert werden, wobei eine galvanische Trennung von Baugruppen bzw. Schaltungsträgern desselben ermöglicht ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch eine Ansicht eines Stromrichters mit einer Schaltungsträgeranordnung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
2 exemplarisch eine Leistungsbauelementanordnung zur elektrischen Ankontaktierung an dem zweiten Schaltungsträger gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
3 exemplarisch einen ersten Schaltungsträger gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
4 exemplarisch einen zweiten Schaltungsträger gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
5 exemplarisch einen zweiten Schaltungsträger von unten gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
6 exemplarisch eine Leistungsbauelementanordnung zur elektrischen Ankontaktierung an dem zweiten Schaltungsträger in einer Seitenansicht gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
7 exemplarisch eine Schaltungsträgeranordnung mit der Leistungsbauelementanordnung von 6 in einer Seitenansicht gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
8 exemplarisch eine Schaltungsanordnung zur Abstimmung der Resonanzkreise gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen, potentialtrennenden Schaltungsträgeranordnung 1 für einen Stromrichter 2, insbesondere einen Stromrichter 2 mit einer Wechselrichterfunktionalität. Der Stromrichter 2 ist zum Einsatz im Kraftfahrzeug vorgesehen, z. B. in Verbindung mit einem hybridisierten Antriebssystem, und z. B. zur Speisung eines Elektromotors und zur Rückspeisung von Energie in ein Energiespeichersystem, z. B. ein Batteriesystem, ausgebildet. Der Stromrichter 2 weist Leistungsbauelemente 3 auf, z. B. 2, welche als Halbleiterschalter z. B. in Form von IGBTs oder MOSFETs gebildet sind. Bei der in z. B. 1 und 2 gezeigten, möglichen Ausführungsform sind die Leistungsbauelemente 3 zu einer Leistungsbauelementanordnung 4 zusammengefasst, z. B. in einem Trag- und Kühlkörper 5, insbesondere als Modul.
Die Schaltungsträgeranordnung 1 für den Stromrichter 2 weist einen ersten Schaltungsträger 6 auf, vorzugsweise in Form einer z. B. bestückten Leiterplatte bzw. Platine, an welchem neben Leiterstrukturen wie Leiterbahnen, Leiterflächen etc. elektronische Bauelemente 7, z. B. eine Schaltung, aufgenommen sein können bzw. sind. Der erste Schaltungsträger 6 ist z. B. zur Verwendung bei niedrigen Spannungen vorgesehen, insbesondere ausschließlich. Bei derart niedrigen Spannungspegeln werden z. B. μController 7a oder allgemein eine elektronische Steuerschaltung des Stromrichters 2 betrieben, welche der erste Schaltungsträger 6 beispielsweise ausbildet. Der erste Schaltungsträger 6 ist insofern z. B. ein Controllboard eines Stromrichters 2.
Die Schaltungsträgeranordnung 1 für den Stromrichter 2 weist weiterhin einen zweiten Schaltungsträger 8 auf, welcher ebenfalls als z. B. bestückte Leiterplatte bzw. Platine gebildet ist. Wie an dem ersten Schaltungsträger 6 sind auch an dem zweiten Schaltungsträger 8 Leiterstrukturen gebildet und z. B. elektronische Bauelemente 7 aufgenommen, z. B. eine Schaltung. Der zweite Schaltungsträger 8 ist z. B. zum Betrieb bei einem im Vergleich zum Spannungsniveau an dem ersten Schaltungsträger 6 höheren Spannungsniveau vorgesehen, z. B. unter einem Hochvolt-Spannungsniveau. Der zweite Schaltungsträger 8 ist hierbei insbesondere ein Treiberboard eines Stromrichters 2, welches mit einem Spannungsniveau beaufschlagt ist, welches zum Betrieb der mit dem Schaltungsträger 8 zu verbindenden Leistungsschalter 3 notwendig ist. Der zweite Schaltungsträger 8 kann z. B. neben den Hochvolt-Strukturen, z. B. in dem Hochvoltbereich 8a, auch Niederspannungsstrukturen aufweisen.
Erfindungsgemäß ist eine leitungslose bzw. drahtlose Energieübertragung zwischen dem ersten 6 und dem zweiten 8 Schaltungsträger vorgesehen, sodass die elektrischen Potentiale am ersten 6 und zweiten 8 Schaltungsträger voneinander getrennt werden können bzw. sind, i. e. galvanisch. Hierzu weist der erste Schaltungsträger 6 einen ersten Resonanzkreis 9 auf, welcher mit einem zweiten Resonanzkreis 10 am zweiten Schaltungsträger 8 zur leitungslosen Energieübertragung und galvanischen Trennung der Potentiale am ersten 6 und zweiten 8 Schaltungsträger zusammenwirkt.
Zur Energieübertragung zwischen dem ersten 9 und dem zweiten 10 Resonanzkreis sind diese vorzugsweise auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz abstimmbar bzw. abgestimmt. Die gemeinsame Resonanzfrequenz entspricht hierbei insbesondere einer Frequenz der zugeführten Energie, z. B. einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms, an einen der Resonanzkreise 9, 10, welcher zur Speisung vorgesehen ist, z. B. an den Resonanzkreis 10 des zweiten Schaltungsträgers 8. Im Falle derart abgestimmter Resonanzkreise 9, 10 kann der gespeiste Resonanzkreis 9 bzw. 10 durch die z. B. hochfrequent zugeführte Energie zur Schwingung angeregt werden und wiederum den weiteren Resonanzkreis 10 bzw. 9 zur Schwingung anregen, z. B. durch ein elektromagnetisches Feld, so dass eine Energieübertragung zwischen den Resonanzkreisen 9, 10 erfolgt.
Mittels derart abgestimmter erster 9 und zweiter 10 Resonanzkreise, welche zur Energieübertragung jeweils von einer Resonanzüberhöhung Gebrauch machen, bei welcher z. B. die Spannung am Resonanzkreis einen Wert annehmen kann, welcher größer ist als der z. B. einer Erregerspannung, kann effizient Energie von dem ersten 6 an den zweiten 8 Schaltungsträger oder z. B. umgekehrt übertragen werden. Hierbei wirken der erste 9 und der zweite 10 Resonanzkreis z. B. in der Art eines Resonanztransformators zusammen, z. B. aufgrund induktiver Kopplung.
Zur Bildung je eines Resonanzkreises 9 bzw. 10, z. B. 8, wirkt z. B. je ein induktives Element L mit je einem kapazitiven Element C zusammen. Diese sind am jeweiligen Schaltungsträger 6, 8 angeordnet, i. e. insbesondere derart, dass eine Schwingung in einem vorgesehenen Frequenzbereich ermöglicht ist. Ein solches induktives Element ist z. B. eine Spule, z. B. eine planare Spule. Ein kapazitives Element ist z. B. ein Kondensator, z. B. in Form zueinander benachbarter Leiterflächen.
Gemäß den in den 3 und 4 dargestellten ersten 6 und zweiten 8 Schaltungsträgern der Schaltungsträgeranordnung 1, ist wenigstens ein Resonanzkreis 9, 10 mittels einer planaren. Antenne 11 an einem Schaltungsträger 6 bzw. 8 gebildet. Eine planare Antenne 11 ist insbesondere an jeweils einem Schaltungsträger 6, 8 gebildet, wobei eine Antenne 11 je ein Strahlungselement 11a aufweist. Das Strahlungselement 11a kann erfindungsgemäß die planare Antenne 11 ausbilden oder zur Bildung der planaren Antenne 11, z. B. in Form einer Patch-Antenne, mit einem weiteren Element der planaren Antenne 11 zusammenwirken, z. B. einer elektrisch leitfähigen Fläche 11b. Die planare Antenne 11 weist insbesondere ein Strahlungselement 11a mit einer Streifenleitungsstruktur auf. Das Strahlungselement 11a ist vorzugsweise z. B. rahmenförmig gebildet, z. B. 3 und 4, kann alternativ jedoch z. B. andere Formen und Ausgestaltungen aufweisen.
Die Antenne 11, insbesondere die Elemente 11a und/oder 11b, können günstig, z. B. durch Druckverfahren, je an der Oberfläche eines Schaltungsträgers 6, 8 gebildet werden. Hierbei ist vorgesehen, dass die Strahlungselemente 11a an je einem Schaltungsträger 6 bzw. 8 jeweils an jener Oberfläche 6a bzw. 8b des Schaltungsträgers 6 bzw. 8 gebildet sind, welche zu dem jeweils anderen Schaltungsträger 8 bzw. 6 benachbart ist bzw. diesem gegenüberliegt. Hierbei liegen sich die Strahlungselemente 11a insbesondere barrierefrei gegenüber, z. B. mit einem vorgegebenen Abstand, z. B. 7. Angemerkt sei, dass in 3 mit dem Bezugszeichen 6b die der Oberfläche 6a gegenüberliegende Schaltungsträgerseite des Schaltungsträgers 6 bezeichnet ist. Durch eine einander überlappende Anordnung, der Resonanzkreise 9, 10, insbesondere der planaren Antennen 11 kann hierbei ein guter Wirkungsgrad bei einem Energieübertrag erzielt werden.
Wie in 7 zu sehen ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Schaltungsträgeranordnung 1 derart auszubilden, dass sich der erste Schaltungsträger 6 und der zweite Schaltungsträger 8 berührungslos überlappen. Dabei erstrecken sich die Schaltungsträger 6, 8 vorzugsweise parallel zueinander, i. e. mit deren Erstreckungsebenen. Bei der gezeigten Anordnung weist der zweite Schaltungsträger 8 auf seiner Unterseite 8c z. B. Ankontaktierflächen 7b zur Verbindung mit den in der Leistungsbauelementanordnung 4 aufgenommenen Leistungsbauelementen 3 auf, z. B. mit Federstiftkontakten 3a derselben, welche zur Bildung des Stromrichters 2 z. B. unter dem zweiten Schaltungsträger 8 angeordnet werden, z. B. 5 bis 7. Durch eine derartige Schaltungsträgeranordnung 1 kann ein kompakter Stromrichter 2 erhalten werden.
Vorzugsweise weisen, wie in 3 und 4 gezeigt, die zusammenwirkenden ersten 9 und zweiten 10 Resonanzkreise eine gleiche Struktur auf, insbesondere hinsichtlich ihrer Strahlungselemente 11a bzw. ihrer planaren Antennen 11. Durch gleichartige Ausbildung der Strukturen wird eine einfache Abstimmbarkeit auf eine einheitliche Resonanzfrequenz ermöglicht, wobei weitgehend gleiche Antennencharakteristiken der planaren Antennen 11 eine Abstimmung erleichtern. Hierbei überlappen die planaren Antennen 11, insbesondere die Strahlungselemente 11a, des ersten 9 und des zweiten 10 Resonanzkreises einander in einer Richtung quer zu der jeweiligen Erstreckungsebene der planaren Antenne 11 insbesondere deckungsgleich.
Bei der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform können die Strahlungselemente 11a, jeweils mit einer elektrisch leitenden Fläche 11b zusammenwirken, wobei die elektrisch leitende Fläche 11b je an dem die Antenne 11 aufweisenden Schaltungsträger 6 bzw. 8 gebildet ist. Eine solche elektrisch leitende Fläche 11b kann die Richtwirkung günstig beeinflussen. Zwischen der elektrisch leitenden Fläche 11b und dem Strahlungselement 11a ist hierbei auf an sich bekannte Weise z. B. eine elektrisch isolierende Schicht gebildet, z. B. mittels des Leiterplattenmaterials des Schaltungsträgers 6 bzw. 8, z. B. eine FR4-Schicht.
Bei den beispielhaft dargestellten Schaltungsträgern 6, 8 ist die leitfähige Schicht 11b als z. B. Masseschicht z. B. derart ausgebildet, dass in einem mit dem Hochvoltbereich 8a korrespondierenden Bereich möglichst viel Massefläche um die Bauelemente 7 herum angebracht wird. Somit können magnetische Störeinkopplungen, die sich aus einer Ansteuerung der Gate-Kontakte der Leistungsbauelemente 3 ergeben können, möglichst gering gehalten werden. Die Leitfähigen Flächen 11b vermindern nicht nur Störfelder, sondern auch das Energiefeld, mit welchem ein als Treiberboard fungierender zweiter Schaltungsträger 8 versorgt werden kann, würde geschwächt werden, wenn das Strahlungselement 11a innerhalb des Hochvoltbereichs 8a angeordnet wird. Die Strahlungselemente 11a werden insofern vorteilhaft außerhalb des mit einer Massefläche 11b versehenen Bereichs, korrespondierend mit dem Hochvoltbereich 8a, angeordnet, z. B. um diesen herum.
Erfindungsgemäß ist zur Erregung eines Resonanzkreises 9 bzw. 10 und insofern zur Energieeinkopplung bzw. Speisung vorgesehen, einen des ersten 9 und zweiten 10 Resonanzkreises leitungslos mit Energie zu versorgen, insbesondere induktiv. Zur Einkopplung wird z. B. eine Kopplungsvorrichtung in z. B. Form einer Spule 12 verwendet, welche sich um das Strahlungselement 11a herum erstreckt, 3 und 4, und insbesondere ebenfalls planar, z. B. gedruckt, gebildet ist. Vorzugsweise wird die Energie auch leitungslos ausgekoppelt, wozu auch der weitere Resonanzkreis 10 bzw. 9 z. B. leitungslos gekoppelt ist, vorzugsweise ebenfalls induktiv. Hierzu wird z. B. eine weitere Kopplungsvorrichtung in Form z. B. einer Spule 12 verwendet, welche sich um das weitere Strahlungselement 11a herum erstreckt, und z. B. auf gleiche Weise wie vorstehend beschrieben gebildet ist. Die die Energie einkoppelnde Spule 12 wird z. B. mit einem hochfrequenten Wechselstrom gespeist, der die Energie auskoppelnden Spule 12 kann z. B. ein Gleichrichter nachgeordnet sein. Alternativ kann ein Resonanzkreis 9, 10 z. B. auch direkt, i. e. leitungsgebunden, angekoppelt sein.
Erfindungsgemäß weist die Schaltungsträgeranordnung 1 wenigstens eine Abstimmvorrichtung 13 auf, z. B. 8, mittels derer die Resonanzfrequenz wenigstens eines Resonanzkreises 9, 10 einstellbar ist, insbesondere die Resonanzfrequenz des ersten 9 und des zweiten 10 Resonanzkreises. Die Abstimmvorrichtung 13 ist z. B. zur Ermittlung eines Spannungsniveaus bei Resonanzüberhöhung ausgebildet, z. B. mittels einer Hilfsspule 14, welche in den Energieübertragungsweg zwischen den Resonanzkreisen 9, 10 eingebracht wird. Dies ermöglicht, dass die resonante Energieübertragung zwischen den Resonanzkreisen 9, 10 möglichst wenig bedämpft wird. Die Hilfsspule 14 ist z. B. mit geringem Querschnitt bzw. klein bauend gebildet.
In Abhängigkeit einer gewonnenen Information über einen Spannungspegel und somit über das Resonanzniveau steuert eine Regelvorrichtung 15 der Abstimmvorrichtung 13 ein kapazitives Element 16 zur Abstimmung jeweils der Resonanzkreise 9, 10 auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz an, z. B. jeweils eine Kapazität eines Resonanzkreises 9, 10. Ein solches kapazitives Element 16 ist z. B. eine abgleichbare Kapazität in z. B. Form einer Kapazitätsdiode, 8. Alternativ ist das kapazitive Element 16 z. B. Teil eines Kondensatorarrays, aus welchem wahlweise eine zur Abstimmung geeignete Kapazität, z. B. mittels der Regelvorrichtung 15, ausgewählt wird, i. e. aus kapazitiven Elementen unterschiedlicher Kapazität. Die zur Abstimmung vorgesehenen Kapazitäten 16 werden z. B. mit dem jeweils abzustimmenden Resonanzkreis 9, 10, z. B. mit einem Strahlungselement 11a, i. e. zur Beeinflussung der Frequenz einer Schwingung desselben, wirkverbunden.
Gemäß der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass die Abstimmvorrichtung 13 zur kontinuierlichen. Abstimmung eines Resonanzkreises 9, 10 ausgebildet ist, insbesondere ohne Nutzereingriff, und weiterhin insbesondere zur kontinuierlichen Abstimmung des ersten 9 und des zweiten 10 Resonanzkreises. Hierzu ist die Regelschaltung 15 entsprechend ausgebildet, z. B. zur kontinuierlichen Erfassung eines Spannungsniveaus, z. B. an der Messspule 14, und zur kontinuierlichen Nachführung der Resonanzkreise 9, 10 auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz mittels z. B. einer oder mehrerer kapazitiver Elemente 16.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsträgeranordnung
2: Stromrichter
3: Leistungsbauelement
3a: Kontakt
4: Leistungsbauelementanordnung
5: Trag-/Kühlkörper
6: erster Schaltungsträger
6a, b: Schaltungsträgeroberflächen
7: Bauelement
7a: μController
7b: Ankontaktierfläche
8: zweiter Schaltungsträger
8a: Hochvoltbereich
8b, c: Schaltungsträgeroberflächen
9: erster Resonanzkreis
10: zweiter Resonanzkreis
11: Antenne
11a: Strahlungselement
11b: leitfähige Fläche
12: Kopplungsvorrichtung
13: Abstimmvorrichtung
14: Messspule
15: Regelvorrichtung
16: kapazitives Element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4441492 A1 [0004]
DE 102009023745 A1 [0004]

Claims

Potentialtrennende Schaltungsträgeranordnung (1) für einen Stromrichter (2), insbesondere einen Stromrichter (2) mit einer Wechselrichterfunktionalität, mit einem ersten Schaltungsträger (6) sowie einem zweiten Schaltungsträger (8), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltungsträger (6) einen ersten Resonanzkreis (9) aufweist, welcher mit einem zweiten Resonanzkreis (10) am zweiten Schaltungsträger (8) zur leitungslosen Energieübertragung und galvanischen Trennung der Potentiale am ersten (6) und zweiten (8) Schaltungsträger zusammenwirkt.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (9) und der zweite (10) Resonanzkreis auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz abstimmbar und/oder abgestimmt sind.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (9) und der zweite (10) Resonanzkreis jeweils mittels wenigstens eines induktiven und wenigstens eines kapazitiven Elements gebildet sind.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Resonanzkreis (9, 10) mittels einer planaren Antenne (11) an einem Schaltungsträger (6, 8) gebildet ist, insbesondere an jeweils einem Schaltungsträger (6, 8).
Schaltungsträgeranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlungselement (11a) der planaren Antenne (11) rahmenförmig gebildet ist.
Schaltungsträgeranordnung (1) einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine planare Antenne (11) mittels einer elektrisch leitenden Fläche (11b) gebildet ist, welche mit einem Strahlungselement (11a) der planaren Antenne (11) zusammenwirkt, wobei die elektrisch leitende Fläche (11b) an dem das Strahlungselement (11a) aufweisenden Schaltungsträger (6, 8) gebildet ist.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Schaltungsträgers (6, 8) eine elektrisch isolierende Schicht zwischen einem Strahlungselement (11a) und der elektrisch leitenden Fläche (11b) einer planaren Antenne (11) gebildet ist.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkreise (9, 10) die gleiche Struktur aufweisen, insbesondere hinsichtlich eines Strahlungselements (11a) und/oder der planaren Antenne (11) jeweils derselben.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkreisstrukturen, insbesondere die Strahlungselemente (11a), des ersten (9) und des zweiten (10) Resonanzkreises einander in einer Richtung quer zu der jeweiligen Erstreckungsebene der planaren Antenne (11) voneinander beabstandet überlappen, insbesondere deckungsgleich.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsträgeranordnung (1) wenigstens eine Abstimmvorrichtung (13) aufweist, mittels derer die Resonanzfrequenz wenigstens eines Resonanzkreises (9, 10) einstellbar ist, insbesondere die Resonanzfrequenz des ersten (9) und des zweiten (10) Resonanzkreises.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmvorrichtung (13) eine Regelvorrichtung (15) aufweist, welche eine kontinuierliche Abstimmung eines Resonanzkreises (9, 10) ermöglicht, insbesondere die kontinuierliche Abstimmung des ersten (9) und des zweiten (10) Resonanzkreises auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmvorrichtung (13) zur Abstimmung ein kapazitives Element (16) aufweist, insbesondere eine Kapazitätsdiode oder ein Kondensatorarray.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltungsträger (6, 8) eine Kopplungsvorrichtung (12) aufweist, mittels welcher Energie leitungslos in einen Resonanzkreis (9, 10) einkoppelbar oder daraus auskoppelbar ist, insbesondere jeweils induktiv.
Stromrichter (2) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere mit einer Wechselrichterfunktionalität, gekennzeichnet, durch eine Schaltungsträgeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.