DE102012222432A1 - Substrate i.e. printed circuit board, for supporting switching circuit, has carrier layer arranged for supporting switching circuit main portion, and first capacitor plate that is formed on opposite side of dielectric - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Substrat zum Tragen eines Schaltkreises, eine elektrische Schaltung mit dem Substrat und eine Elektromotormotoranordnung mit einem auf dem Substrat getragenen Stromrichter.The invention relates to a substrate for supporting a circuit, an electrical circuit with the substrate and an electric motor motor assembly with a converter carried on the substrate.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Aus der
In der
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß ist ein Substrat zum Tragen eines Schaltkreises gemäß Anspruch 1 sowie eine elektrische Schaltung und ein Elektromotor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen angegeben.According to the invention a substrate for supporting a circuit according to claim 1 and an electrical circuit and an electric motor according to the independent claims.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Substrat zum Tragen eines Schaltkreises, eine erste Kondensatorplatte und eine zweite Kondensatorplatte, die durch ein Dielektrikum voneinander getrennt sind, sowie eine Trägerschicht zum Tragen des Schaltkreises, die auf der ersten Kondensatorplatte auf einer dem Dielektrikum gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist.According to an aspect of the invention, a substrate for supporting a circuit comprises a first capacitor plate and a second capacitor plate separated by a dielectric and a support layer for supporting the circuit formed on the first capacitor plate on a side opposite to the dielectric ,
Dem angegebenen Substrat liegt die Überlegung zugrunde, dass auf diesem eine Leistungsendstufe der eingangs genannten Art getragen werden könnte. Diese umfasst neben mehreren Schaltern zur Ausbildung einer an sich bekannten Brückenschaltung einen Zwischenkreiskondensator, der beispielsweise in einem Fahrzeug mit einem Elektromotor zur Entlastung des Bordnetzes und zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Elektromotors in der Leistungsendstufe verschaltet ist. Weitere Anwendungsbeispiele sind auch DC-DC-Wandler Schaltkreise, wie z.B. Buck- oder Boost-Converter.The specified substrate is based on the consideration that a power output stage of the type mentioned could be carried on this. This includes, in addition to several switches for forming a bridge circuit known per se, an intermediate circuit capacitor, which is connected, for example, in a vehicle with an electric motor to relieve the on-board network and to increase the efficiency of the electric motor in the power output stage. Further application examples are also DC-DC converter circuits, such as e.g. Buck or boost converter.
Basierend auf dieser Überlegung liegt dem angegebenen Substrat jedoch die Erkenntnis zugrunde, dass die Zwischenkreiskapazität gerade in der obigen Leistungsendstufe teils hohen Blindleistungen ausgesetzt sein könnte. Die Zwischenkreiskapazität muss in diesem Fall nicht nur eine große Menge an Blindenergie aufnehmen und zwischenspeichern, ein die Zwischenkreiskapazität ausbildender Zwischenkreiskondensator wird auf diese Weise auch deutlich aufgewärmt. Aus diesem Grund muss die Zwischenkreiskapazität nicht nur einen ausreichend hohen Kapazitätswert besitzen, der entsprechende Zwischenkreiskondensator wird auch geometrisch entsprechend groß ausfallen. Mit der Aufwärmung des Zwischenkreiskondensators einhergehende Kühlungsanforderungen verschlimmern die Problematik weiter.Based on this consideration, however, the stated substrate is based on the finding that the DC link capacitance could be exposed to high reactive powers, in particular in the above power output stage. In this case, the DC link capacitance does not only have to absorb a large amount of reactive energy and buffer it, a DC link capacitor forming the DC link capacitance is also considerably warmed up in this way. For this reason, the DC link capacitance must not only have a sufficiently high capacitance value, the corresponding DC link capacitor will also be geometrically correspondingly large. With the warming up of the DC link capacitor associated cooling requirements further aggravate the problem.
Demgegenüber liegt dem angegebenen Substrat die Idee zugrunde, einen Kondensator, der beispielsweise die zuvor genannte Zwischenkreiskapazität realisieren könnte, zumindest teilweise im Substrat aufzunehmen. Der so geschaffene Kondensator kann sehr ausgedehnt ausgebildet werden, wodurch eine große Kühlfläche zur optimalen Wärmeabfuhr vom Kondensator gewährleistet ist. Die wirksame Kondensatorfläche ist auch ausreichend hoch, um die oben genannte Blindleistung aufzunehmen.In contrast, the stated substrate is based on the idea of at least partially accommodating a capacitor which could realize, for example, the aforementioned DC link capacitance in the substrate. The capacitor thus created can be made very extensive, whereby a large cooling surface is guaranteed for optimal heat dissipation from the capacitor. The effective capacitor area is also sufficiently high to accommodate the above reactive power.
In einer Ausführungsform des obigen Substrats sind die Trägerschicht und das Dielektrikum aus einem gleichen Material ausgebildet, in das die Kondensatorplatten eingebettet sind. Dieser Ausführungsform liegt die Überlegung zugrunde, dass das Dielektrikum als auch die Trägerschicht letztendlich die gleiche elektrische Aufgabe erfüllen, das heißt Schaltungselemente, wie elektrische Leiterbahnen und die Kondensatorplatten elektrisch voneinander zu trennen. Daher sollten beide eine möglichst hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen. Im Rahmen dieser Ausführungsform wird diese Erkenntnis genutzt, und die Kondensatorplatten in ein und dasselbe Material eingebettet, was den Herstellungsaufwand des obigen Substrats deutlich senkt.In one embodiment of the above substrate, the carrier layer and the dielectric are formed of a same material in which the capacitor plates are embedded. This embodiment is based on the consideration that the dielectric as well as the carrier layer ultimately fulfill the same electrical task, that is to say to electrically separate circuit elements such as electrical conductor tracks and the capacitor plates. Therefore, both should have the highest possible dielectric constant. In the context of this embodiment, this knowledge is used, and the capacitor plates embedded in one and the same material, which significantly reduces the production cost of the above substrate.
Das Substrat kann auf beliebige, dem Fachmann bekannte Leiterplatten, wie beispielsweise FRx-Leiterplatten, gefüllte Leiterplatten oder Multilayer-Hybride (Al2O3) oder auf DBC verwandten Substraten aufbauenThe substrate may be built on any circuit boards known to those skilled in the art, such as FRx printed circuit boards, printed circuit boards or multilayer hybrids (Al2O3) or DBC-related substrates
In einer zusätzlichen Ausführungsform des obigen Substrats umfasst das obige Substrat einen ersten und zweiten elektrischen Anschluss auf der Trägerschicht, die entsprechend mit der ersten und zweiten Kondensatorplatte elektrisch verbunden sind. Somit kann der so geschaffene Kondensator auch parasitäre Effekte wie unerwünschte Induktivitäten verringern, da die elektrischen Anschlüsse zum Kondensators praktisch überall auf der Trägerschicht angeordnet und so extrem kurz ausgebildet werden können. Das verringert die Fläche des sogenannten Kommutierungskreises bestehend aus Zwischenkreiskondensator und Leistungsendstufe, was wiederum eine Reduzierung der Verluste in der Leistungsendstufe zur Folge hat.In an additional embodiment of the above substrate, the above substrate comprises first and second electrical connections on the carrier layer corresponding to the first and second capacitor plate are electrically connected. Thus, the capacitor thus created can also reduce parasitic effects such as unwanted inductances, since the electrical connections to the capacitor can be arranged virtually everywhere on the carrier layer and thus formed extremely short. This reduces the area of the so-called Kommutierungskreises consisting of DC link capacitor and power output stage, which in turn has a reduction in losses in the power output stage result.
In einer besonderen Ausführungsform des obigen Substrats sind die Kondensatorplatten Teil eines mehrlagigen Kondensators. Auf diese Weise kann der Kapazitätswert des Kondensators weiter gesteigert werden, was insbesondere bei einer Verwendung des Kondensators als oben genannte Zwischenkreiskapazität vorteilhaft ist, die zur Aufnahme von Blindleistungen einen sehr hohen Kapazitätswert benötigt.In a particular embodiment of the above substrate, the capacitor plates are part of a multilayer capacitor. In this way, the capacitance value of the capacitor can be further increased, which is advantageous in particular when using the capacitor as the above-mentioned DC link capacity, which requires a very high capacitance value for receiving reactive power.
In einer anderen Ausführungsform des obigen Substrats ist ein Kühlelement auf einer der Trägerschicht gegenüberliegenden Seite angeordnet. Dieses Kühlelement kann aufgrund der großen geometrischen Ausdehnung des Kondensators breitflächig angreifen und so eine besonders gute Kühlleistung bei der Kühlung des Kondensators erzielen.In another embodiment of the above substrate, a cooling element is disposed on an opposite side of the support layer. This cooling element can attack over a wide area due to the large geometric extent of the capacitor and thus achieve a particularly good cooling performance in the cooling of the capacitor.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine elektrische Schaltung ein obiges Substrat und einen Schaltkreis, der auf der Trägerschicht getragen ist.According to another aspect of the invention, an electrical circuit comprises an above substrate and a circuit carried on the carrier layer.
Der obigen elektrischen Schaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass der Kondensator quasi im Substrat versteckt ist und so auf der Substratoberfläche, also auf der Trägerschicht, keinen Platz mehr für andere Komponenten der elektrischen Schaltung wegnimmt. Auf diese Weise kann die elektrische Schaltung mit einer verbesserten Packungsdichte aufgebaut werden. Überraschender Weise erhöht der im Substrat aufgenommene Kondensator auch die elektromagnetische Verträglichkeit der obigen elektrischen Schaltung, weil diese durch den direkt kurz angebundenen Kondensator mögliche parasitäre Induktivitäten minimiert.The above electrical circuit is based on the consideration that the capacitor is quasi hidden in the substrate and so on the substrate surface, so on the carrier layer, no longer takes away space for other components of the electrical circuit. In this way, the electrical circuit can be constructed with an improved packing density. Surprisingly, the capacitor accommodated in the substrate also increases the electromagnetic compatibility of the above electrical circuit because it minimizes possible parasitic inductances due to the directly short-circuited capacitor.
In einer Ausführungsform der obigen elektrischen Schaltung umfasst der Schaltkreis einen Stromrichter. Der Stromrichter kann dabei beliebig ausgeführt sein. So kommen als Stromrichter dem Fachmann an sich bekannte B6-Vollbrücken, H-Brücken oder Halbbrücken-Module in Betracht. Die obige elektrische Schaltung kann dabei in Automotive Elektronik Steuergeräten in Bereichen von einigen 100W bis hin zu Bereichen mit einigen kW verwendet werden, wie sie in Leistungsmodulen für Light E-Mobility, Hybridfahrzeugen und Solarumrichtern zum Einsatz kommen.In one embodiment of the above electrical circuit, the circuit comprises a power converter. The power converter can be designed arbitrarily. For example, B6 full bridges, H-bridges or half-bridge modules which are known per se to the person skilled in the art are suitable as power converters. The above electrical circuit can be used in automotive electronics control units in the range of a few 100W up to areas with a few kW, as used in power modules for Light E-Mobility, hybrid vehicles and solar inverters.
In einer besonderen Ausführungsform der obigen elektrischen Schaltung kann der Stromrichter eine Zwischenkreiskapazität aufweisen, die einen Kondensator umfasst, der die Kondensatorplatten umfasst. Wie bereits erwähnt kann diese Zwischenkreiskapazität mit einem besonders hohen Kapazitätswert realisiert werden, wobei von den Kondensatorplatten selbst Wärme effektiv abgeführt werden kann.In a particular embodiment of the above electrical circuit, the power converter may have a DC link capacitance comprising a capacitor comprising the capacitor plates. As already mentioned, this DC link capacitance can be realized with a particularly high capacitance value, wherein heat can be effectively dissipated from the capacitor plates themselves.
Sollte der Kapazitätswert des im Substrat aufgenommenen Kondensators dennoch nicht ausreichen, kann die Zwischenkreiskapazität einen weiteren Kondensator umfassen, der auf der Trägerschicht getragen ist. Selbst in diesem Fall ist eine Reduktion der oben erwähnten parasitären Effekte durch den im Substrat aufgenommenen Kondensator erkennbar.If the capacitance value of the capacitor accommodated in the substrate is nevertheless insufficient, the DC link capacitance may comprise a further capacitor which is carried on the carrier layer. Even in this case, a reduction of the above-mentioned parasitic effects by the capacitor accommodated in the substrate can be seen.
In einer besonderen Ausführungsform umfasst die obige elektrische Schaltung ein Gehäuse, wobei das Substrat Teil des Gehäuses ist.In a particular embodiment, the above electrical circuit comprises a housing, wherein the substrate is part of the housing.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Elektromotoranordnung einen Elektromotor und einen obigen Stromrichter zur elektrischen Energieversorgung für den Elektromotor. Der Stromrichter kann dabei dem Elektromotor als eine Leistungsendstufe dienen, die die gleiche Funktion erfüllt, wie die eingangs genannte Leistungsendstufe.According to a further aspect of the invention, an electric motor arrangement comprises an electric motor and an above power converter for the electrical power supply for the electric motor. The power converter can serve the electric motor as a power amplifier, which performs the same function as the aforementioned power output stage.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
In den Figuren werden Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.In the figures, elements of identical or comparable function are provided with the same reference numerals and described only once.
Es wird auf
Der Stromrichter
Die Zwischenkreiskapazität
Nachstehend wird auf
Das Substrat
In einer Blickrichtung
In der Blickrichtung
Das Dielektrikum
Der Kondensator
Sind ein oder mehrere weiteren Kondensatoren zusätzlich zu dem oben beschriebenen Kondensator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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