DE102017108383A1

DE102017108383A1 - Filter mit Leiterplatte und Stromschienen

Info

Publication number: DE102017108383A1
Application number: DE102017108383.9A
Authority: DE
Inventors: Alessandro AMADUCCI; Jean-Pierre GREBER; Michele MORRA; Marco RANIERI
Original assignee: Schaffner EMV AG
Current assignee: Schaffner EMV AG
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-02-15
Also published as: JP7089350B2; CN107742976A; CN107742976B; DE202016104468U1; US20180049314A1; US10694619B2; JP2018050034A; KR20180018437A; KR102505377B1; US20190246493A1; US10660196B2

Abstract

Filter für elektromagnetische Störungen aufweisend: eine Leiterplatte (5) mit Leiterbahnen, mit einer ersten Seite und mit einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite; eine erste Stromschiene (1), die auf der ersten Seite der Leiterplatte (5) befestigt ist und mit zumindest einer der Leiterbahnen elektrisch verbunden ist; und eine zweite Stromschiene (2), die auf der zweiten Seite der Leiterplatte (5) befestigt ist und mit zumindest einer der Leiterbahnen elektrisch verbunden ist. Die Leiterplatte (5) zwischen der ersten Stromschiene (1) und der zweiten Stromschiene (2) zu deren Isolierung angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Filter für elektromagnetische Störungen mit einer Leiterplatte und Stromschienen.
Stand der Technik
Elektronische Systeme in Fahrzeugen, z.B. in Kraftfahrzeugen, werden immer komplexer. Die elektrischen Teile werden immer empfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störungen und verursachen auch immer mehr Funkstörungen. Deshalb kommen immer häufiger Filter zur Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen, z.B. EMI oder EMV Filter, in elektrischen Systemen von Fahrzeugen zur Anwendung. Insbesondere bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist diese Problematik aufgrund der hohen Ströme und der hohen Schaltgeschwindigkeiten von Stromwandlern besonders relevant.
Diese Filter sind in der Regel aus einer Kombination aus einer oder mehreren Leiterschienen, einer oder mehrerer Induktivitäten und einem oder mehreren Kondensatoren gebildet. Dabei werden in existierenden Lösungen die Induktivitäten und Kondensatoren entweder direkt oder über Kabel mit den Leiterschienen verbunden. Um eine Isolation zwischen den elektrischen Komponenten zu erzielen, werden entweder ausreichend grosse Abstände oder Isolierungen, z.B. durch Eingiessen der elektronischen Komponenten, vorgesehen. Allerdings haben die existierenden Lösungen das Problem, dass diese die im Fahrzeugbau bestehende Kombination aus Anforderungen bezüglich Vibrationen, einfacher Herstellung in hohen Stückzahlen, hoher Herstellungsqualität, niedrigem Platzbedarf, niedrigem Gewicht und Flexibilität für verschiedene Leistungsanwendungen nicht erfüllen.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Filter zu finden, der der Kombination aus den beschriebenen Anforderungen besser gerecht wird.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Filter nach Anspruch 1 gelöst.
Die Anordnung von zwei Stromschienen (auch Sammelschiene oder Busbar genannt) auf entgegengesetzten Seiten einer Leiterplatte zur Realisierung eines Filters hat eine ganze Reihe von Vorteilen. Die Stromschienen bleiben durch die Leiterplatte voneinander isoliert und können unabhängig von der Leistung oder Strom- und/oder Spannungsstärke, für die der Filter ausgelegt ist, sehr nahe zusammen angeordnet werden. Auch zusätzliches Gewicht durch Vergussisolierungen entfällt. Zusätzlich entfällt eine aufwendige Verkabelung von elektrischen Komponenten oder deren Montage direkt auf den Stromschienen, da die elektrischen Komponenten nun einfach und maschinell automatisiert auf der Leiterplatte angeordnet werden können und über Leiterbahnen mit den Stromschienen verbunden werden können. Auch erlaubt die Montage der elektrischen Komponenten, insbesondere der Stromschienen, der Kondensatoren und der magnetischen Elemente auf Leiterbahnen eine sehr robuste Montage, die auch bei starken Vibrationen eine gute, zuverlässige und lang stabile Verbindung gewährleistet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist der Filter zumindest ein magnetisches Element und zumindest einen Kondensator auf, wobei die Stromschienen zumindest im Bereich des magnetischen Elements von der Leiterplatte getrennt sind. Dadurch können die magnetischen Elemente um die Stromschienen zur Realisierung von stromkompensierten Drosseln oder von Stromwandlern kleiner und leichter ausgebildet werden. Die Kondensatoren können als elektrische Komponenten einfach auf der Leiterplatte installiert werden.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das zumindest eine magnetische Element jeweils ringförmig, und jedes zumindest eine ringförmige magnetische Element ist mit einer Ringöffnung des magnetischen Elements auf einen Vorsprung der Leiterplatte gesteckt. Diese Art der Montage ist einfach, schnell und robust.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die Stromschienen mit Befestigungsmitteln mechanisch auf der Leiterplatte befestigt, wobei die Befestigungsmittel gleichzeitig eine elektrische Verbindung zwischen der jeweiligen Stromschiene und einer entsprechenden Leiterbahn der Leiterplatte gewährleisten. Dies hat den Vorteil, dass aufwendige und anfällige Lötverbindungen entfallen.
In einem Ausführungsbeispiel liegt die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene mit einer Kontaktfläche direkt auf der Leiterplatte auf. Dies erlaubt eine besonders robuste mechanische und elektrische Verbindung zwischen Stromschienen und der Leiterplatte.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Leiterplatte auf der ersten Seite im Bereich der Kontaktfläche mit der ersten Stromschiene eine erste Leiterbahnfläche auf, die einen elektrischen Kontakt zwischen der ersten Stromschiene und der ersten Leiterbahnfläche herstellt. Desweiteren weist die Leiterplatte auf der zweiten Seite im Bereich der Kontaktfläche mit der zweiten Stromschiene eine zweite Leiterbahnfläche auf, die einen elektrischen Kontakt zwischen der zweiten Stromschiene und der zweiten Leiterbahnfläche herstellt. Dies erlaubt eine besonders gute elektrische Verbindung zwischen den Stromschienen und der Leiterplatte. Zusätzlich verhält sich die Stromschiene auf der Leiterplatte wie eine Leiterbahn.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Filter ein metallisches Gehäuse auf, wobei das Gehäuse zumindest eine Erdpotentialfläche aufweist, wobei Leiterplatte zumindest eine Erdleiterbahnfläche aufweist, wobei jede der zumindest einen Erdpotentialfläche des Gehäuses durch Befestigungsmittel auf eine entsprechende Erdleiterbahnfläche gedrückt wird und somit eine Erdverbindung von der Leiterplatte zu dem Gehäuse geschaffen wird. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Kabel zwischen dem Filtergehäuse und der Leiterplatte notwendig sind.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, wobei zeigen
1 eine Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Filters.
2 eine dreidimensionale Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels des Filters.
3 eine Ansicht von oben auf das erste Ausführungsbeispiel des Filters.
4 eine Schnittansicht durch die Stromschienen und die Leiterplatte im Bereich eines magnetischen Elements des ersten Ausführungsbeispiels.
5 eine Ansicht einer ersten Seite einer Leiterplatte des ersten Ausführungsbeispiels eines Filters.
6 eine Ansicht einer zweiten Seite einer Leiterplatte des ersten Ausführungsbeispiels eines Filters.
7 eine erste Explosionsansicht des ersten Ausführungsbeispiels des Filters mit der Leiterplatte, den Stromschienen und den magnetischen Elementen.
8 eine erste Explosionsansicht des ersten Ausführungsbeispiels des Filters mit dem Filter und seinem Gehäuse.
9 eine Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Filters.
10 eine dreidimensionale Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels des Filters.
11 eine dreidimensionale Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels des Filters vor dem Zusammenbau von PCB, Stromschienen und magnetischem Element.
12 eine erste Seitenansicht auf das zweite Ausführungsbeispiel des Filters.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 bis 8 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Filters. Der Filter weist eine Leiterplatte 5 mit elektrischen Komponenten auf. Elektrische Komponenten des Filters weisen eine erste Stromschiene 1, eine zweite Stromschiene 2, zumindest einen Kondensator und zumindest ein magnetisches Element auf.
Die Leiterplatte 5 ist eine Platte aus einem elektrisch isolierenden Material mit Leiterbahnen zur Verbindung der elektrischen Komponenten des Filters. Die Leiterplatte 5 hat eine erste Seite und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite. Die Leiterplatte 5 weist vorzugsweise zumindest eine laterale Seite auf, die rechtwinkelig zu der Normalen der Leiterplattenebene (Ebene der ersten und zweiten Seite) angeordnet ist oder sind. Vorzugsweise weist die Leiterplatte 5 vier laterale Seiten auf. Vorzugsweise weist die Leiterplatte 5 an der zumindest einen lateralen Seite eine oder mehrere Ausnehmungen und/oder Vorsprünge 5.1 auf, um das zumindest eine magnetische Element auf die Leiterplatte 5 zu stecken und zu halten.
Das zumindest eine magnetische Element ist jeweils ringförmig um die erste und zweite Stromschiene 1 und 2 herum angeordnet und bildet in dem ersten Ausführungsbeispiel mit der ersten und zweiten Stromschiene 1, 2 eine stromkompensierte Drossel aus. Ringförmig bedeutet dabei, dass das magnetische Element eine komplette oder zumindest einen Grossteil einer geschlossenen Kurve um die erste und die zweite Stromschiene 1 und 2 herum ausbildet, so dass das magnetische Element eine stromkompensierte Drossel mit den beiden Stromschienen 1 und 2 ausbildet und die beiden Stromschienen 1 und 2 durch die von dem magnetischen Element geformte Ringöffnung geführt sind. Die geschlossene Kurve bildet vorzugsweise einen Kreis (Torus) aus, kann aber in anderen Beispielen auch rechteckig, quadratisch, n-eckig (polygonförmig) oder auf sonstige Weise geformt sein. Im Falle eines Torus (Bagelförmig) ist der Querschnitt des umlaufenden Toruswulstes vorzugsweise rechteckig. Dies erleichtert die Befestigung des ringförmigen magnetischen Elements auf einem Vorsprung 5.1 der Leiterplatte 5. Das magnetische Element bildet dabei vorzugsweise einen geschlossenen Ring aus. Allerdings kann das magnetische Element auch einen nicht geschlossenen Ring oder einen Ring aus mehreren Teilsektoren (z.B. zwei Halbtoroide) ausbilden.
In dem ersten Ausführungsbeispiel weist das zumindest eine magnetische Element zwei magnetische Elemente 4.1 und 4.2 auf. Vorzugsweise sind diese identisch ausgebildet und/oder auf identische Art auf der Leiterplatte 5 befestigt. Vorzugsweise sind diese zwei magnetischen Elemente 4.1 und 4.2 auf entgegengesetzten lateralen Seiten der Leiterplatte 5 angeordnet. Die beiden Stromschienen 1 und 2 erstrecken sich vorzugsweise grundsätzlich entlang einer Längsachse durch beide Ringöffnungen der beiden magnetischen Elemente 4.1 und 4.2.
Der zumindest eine Kondensator ist über die Leiterbahnen der Leiterplatte 5 mit der ersten und zweiten Stromschiene 1 und 2 elektrisch verbunden. Jeder des zumindest einen Kondensators ist mit einer der bekannten Befestigungsmethoden auf der Leiterplatte 5 elektrisch verbunden. Vorzugsweise wird dabei die in der Leistungselektronik übliche Durchsteckmontage (THT) verwendet, allerdings sind auch Oberflächen-basierte Montagetechniken wie SMD oder andere Montagetechniken möglich.
Der zumindest eine Kondensator weist in dem ersten Ausführungsbeispiel einen zwischen der ersten Stromschiene 1 und der zweiten Stromschiene 2 geschalteten Stromkondensator 3.1 (auch X Kondensator genannt) auf, wie er zum Beispiel in der Schaltung in 1 gezeigt ist. In dem Ausführungsbeispiel mit zwei magnetischen Elementen 4.1 und 4.2 wird der Stromkondensator 3.1 vorzugsweise zwischen den zwei magnetischen Elementen 4.1 und 4.2 mit der ersten und der zweiten Stromschiene 1 und 2 kontaktiert. Alternativ oder zusätzlich weist der zumindest eine Kondensator einen zwischen der ersten Stromschiene 1 und einer Erde 7 geschalteten ersten Erdkondensator 3.21 und/oder einen zwischen der zweiten Stromschiene 2 und der Erde 7 geschalteten zweiten Erdkondensator 3.22 auf, wie zum Beispiel in der Schaltung in 1 gezeigt. In dem Ausführungsbeispiel mit zwei magnetischen Elementen 4.1 und 4.2 werden die Erdkondensatoren 3.21 und 3.22 vorzugsweise zwischen den zwei magnetischen Elementen 4.1 und 4.2 mit der ersten und der zweiten Stromschiene 1 und 2 kontaktiert. Jeder funktionelle Kondensator, wie zum Beispiel der Stromkondensator 3.1 und die Erdkondensatoren 3.21 und 3.22, kann selbst aus mehreren verbundenen einzelnen Kondensatoreinheiten bestehen, die jeweils einzeln mit der Leiterplatte 5 verbunden sind. In der Regel werden die Kondensatoreinheiten eines funktionellen Kondensators mittels der Leiterbahnen der Leiterplatte 5 parallel miteinander verschaltet. Allerdings ist für sehr hohe Ströme auch eine serielle Verkettung der Kondensatoreinheiten denkbar. In dem Ausführungsbeispiel in 2 und 3 bestehen die Erdkondensatoren 3.21 und 3.22 und der Stromkondensator zum Beispiel jeweils aus zwei parallel verbundenen Kondensatoreinheiten.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Filters, allerdings sind viele andere Filterschaltungen aus zumindest einem Kondensator und zumindest einem magnetischen Element möglich. Vorzugsweise handelt es sich um einen passiven Filter. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Filter um einen EMI oder EMV Filter. Der Filter ist vorzugsweise für einen Leistungsbereich grösser als 500W und/oder einen Strombereich grösser als 50A ausgelegt.
Die erste Stromschiene 1 und die zweite Stromschiene 2 sind aus einem elektrisch leitenden, vorzugsweise metallischen, Material. Die Stromschienen 1 und 2 sind starr (im Gegensatz zu biegsamen Kabeln und Drähten). Die erste Stromschiene 1 ist dabei auf der ersten Seite der Leiterplatte 5 befestigt und die zweite Stromschiene 2 auf der zweiten Seite der Leiterplatte 5, so dass die erste und die zweite Stromschiene 1 und 2 durch die isolierende Leiterplatte 5 voneinander elektrisch isoliert sind und keine Gefahr eines Kurzschlusses besteht. Die Stromschienen 1 und 2 sind für die Leitung des Systemstroms ausgebildet. Vorzusgweise ist dies ein Gleichstrom. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche jedes Stromleiters 1 und 2 mindestens zehn Quadratmillimeter, vorzugsweise mindestens 20 Quadratmilimeter.
Die erste Stromschiene 1 und die zweite Stromschiene 2 haben jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei jedes Ende einen Anschlussterminal 1.1, 2.1 aufweist. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Stromschienen rechtwinkelig zu der Stromrichtung rechteckig. Dies ist eine Möglichkeit um eine flache Auflagefläche für die jeweilige Stromschiene 1 und 2 auf der flachen Leiterplatte 5 zu erreichen. Vorzugsweise stehen die Enden der Stromschienen 1 und 2 mit den Anschlussterminals 1.1 und 2.1 über die lateralen Seiten der Leiterplatte 5 hinaus, so dass der Filter einfach mit Kabeln oder Steckern oder sonstigen Anschlüssen eines elektrischen Netzes eines Fahrzeugs verbunden werden kann. Vorzugsweise weist der Filter weiterhin ein (in den Figuren nicht dargestelltes) Gehäuse auf, das (vorzugsweise alle) elektronischen Komponenten des Filters einschliesst, wobei die vier Enden der zwei Stromschienen 1 und 2 mit den vier Anschlussterminals 1.1 und 2.1 aus dem Gehäuse hervorstehen.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Stromschienen 1 und 2 jeweils mit Befestigungsmitteln 6, wie Schrauben, Gewindestiften, Klammern, Nieten Leiterplatteneinsätze (PCB inserts), Lötflächen oder anderen Befestigungsmitteln, auf der Leiterplatte 5 befestigt.
In einem Ausführungsbeispiel liegt die befestigte erste Stromschiene 1 direkt auf der ersten Seite der Leiterplatte 5 auf. Dies hat den Vorteil, dass die Leiterplatte 5 mit einer grossen Fläche auf der Leiterplatte 5 aufliegt und somit auch bei starken Vibrationen eine stabile Verbindung erlaubt. Vorzugsweise ist die erste Stromschiene 1 nicht vertieft auf der ersten Seite der Leiterplatte 5 angeordnet. Vorzugsweise ist der Querschnitt der ersten Stromschiene 1 rechtwinkelig zu der Stromflussrichtung bzw. zu der Längsachse der ersten Stromschiene 1 so, dass er eine ebene Kontaktfläche mit der ersten Seite der Leiterplatte 5 ausbildet. Vorzugsweise ist der Querschnitt der ersten Stromschiene 1 rechtwinkelig zu der Stromflussrichtung bzw. zu der Längsachse der ersten Stromschiene 1 rechtwinkelig, wobei eine der vier Seiten die Kontaktfläche ausbilden. Diese Kontaktfläche der ersten Stromschiene 1 befindet sich bei Befestigung auf der Leiterplatte 5 in physikalischen Kontakt mit der Leiterplatte 5, d.h. berührt die Leiterplatte 5. Vorzugsweise erstreckt sich diese Kontaktfläche zwischen der ersten Stromschiene 1 und der Leiterplatte 5 in Stromflussrichtung über zumindest 30%, vorzugsweise zumindest 40%, vorzugsweise zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 60%, vorzugsweise zumindest 70%, vorzugsweise zumindest 80% der Länge der Leiterplatte 5 und/oder der auf die Leiterplatte 5 projizierten Länge der ersten Stromschiene 1. Auch die befestigte zweite Stromschiene 2 liegt direkt auf der zweiten Seite der Leiterplatte 5 auf und die vorigen Beschreibungen zu der Auflage der ersten Stromschiene 1 auf der ersten Seite der Leiterplatte 5 finden ebenfalls auf die Auflage der zweiten Stromschiene 2 auf der zweiten Seite der Leiterplatte 5 Anwendung.
Vorzugsweise weist die erste Seite der Leiterplatte 5 eine erste Leiterbahnfläche 10.1 im Bereich der Kontaktfläche mit der ersten Stromschiene 1 auf. Dadurch kann ein grossflächiger elektrischer Kontakt zwischen der ersten Stromschiene 1 und der Leiterplatte 5 geschaffen werden. Vorzugsweise ist diese erste Leiterbahnfläche 10.1 parallel zu der Leiterplattenebene ausgebildet. Vorzugsweise bedeckt die erste Leiterbahnfläche 10.1 zumindest 10%, vorzugsweise zumindest 20%, zumindest 30%, vorzugsweise zumindest 40%, vorzugsweise zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 60%, vorzugsweise zumindest 70%, vorzugsweise zumindest 80%, vorzugsweise zumindest 90% der Kontaktfläche der ersten Stromschiene 1 mit der Leiterplatte 5. Dadurch verhält sich die erste Stromschiene 1 auf der Leiterplatte 5 wie eine Leiterbahn. 6 und 7 zeigen die erste Seite der Leiterplatte 5 und die Leiterbahnfläche 10.1 unter der ersten Stromschiene 1. Der elektrische Kontakt und/oder die mechanische Befestigung kann durch eine Lötverbindung geschaffen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Kontakt auch durch einen von den Befestigungsmitteln 6 verursachten Druck von der ersten Stromschiene 1 auf die erste Seite der Leiterplatte 5 hergestellt werden. Vorzugsweise sind die Befestigungsmittel 6 in der Leiterplatte 5 im Bereich der Kontaktfläche mit der ersten Stromschiene 1 bzw. im Bereich der ersten Leiterbahnfläche 10.1 angeordnet, so dass die Befestigungsmittel 6 die erste Stromschiene 1 auf die erste Leiterbahnfläche 10.1 drücken. Die erste Leiterbahnfläche 10.1 kann auch aus einer Mehrzahl von voneinander getrennten ersten Leiterbahnflächen, z.B. falls die erste Stromschiene 1 verschiedene Verbindungspunkte aufweist, z.B. vor und nach dem magnetischen Element. Aus dem gleichen Grund weist die zweite Seite der Leiterplatte 5 eine zweite Leiterbahnfläche 10.2 im Bereich der Kontaktfläche mit der zweiten Stromschiene 2 auf (siehe 5). Die zweite Leiterbahnfläche 10.2 hat in Bezug auf die zweite Stromschiene 2 und die zweite Seite der Leiterplatte 5 die entsprechenden Merkmale wie die erste Leiterbahnfläche 10.1 in Bezug auf die erste Stromschiene 1 und die erste Seite der Leiterplatte 5.
Alternativ oder zusätzlich kontaktieren die Befestigungsmittel 6 die Stromschienen 1 und 2 elektrisch mit entsprechenden Leiterbahnen der Leiterplatte 5. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Ausnehmungen oder Gewinde der Leiterplatte 5 für die Befestigungsmittel 6 mit einer elektrisch leitenden, z.B. metallischen Oberfläche, die mit der entsprechenden Leiterbahn verbunden ist, ausgeführt sind. Dadurch wird eine ausreichend grosse und stabile Kontaktfläche zwischen der Leiterbahn und der entsprechenden Stromschiene 1, 2 geschaffen. Allerdings sind auch andere Kontaktmittel, wie z.B. Kontaktflächen parallel zu der Leiterplattenebene und/oder auch Lötkontaktierungen möglich.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Stromschienen 1 und 2 jeweils gegenläufig meander-förmig ausgebildet, so dass die Stromschienen 1 und 2 in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Abstände voneinander haben. Vorzugsweise ist der Abstand der ersten Stromschiene 1 von der zweiten Stromschiene 2 im Bereich des zumindest einen magnetischen Elements kleiner als im Bereich der Befestigungsmittel 6, insbesondere wenn sich die Befestigungsmittel 6 durch die Leiterplatte 5 auf die andere Seite erstrecken und das Risiko eines Funkenschlags oder Kurzschlusses zwischen den mit der einen Stromschiene 1 oder 2 elektrisch verbundenen Befestigungsmitteln 6 und der anderen Stromschiene 2 oder 1 besteht. Vorzugsweise ist der Abstand der ersten Stromschiene 1 von der zweiten Stromschiene 2 im Bereich des zumindest einen magnetischen Elements kleiner als im Bereich der über die Leiterplatte 5 hervorstehenden Enden der Stromschienen 1 und 2. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da in diesem Bereich die Stromschienen 1 und 2 nicht mehr durch die Leiterplatte 5 voneinander isoliert sind und so ein grösserer Sicherheitsabstand erforderlich ist. Vorzugsweise sind die Stromschienen 1 und 2 identisch, falls diese gegenläufig meander-förmig sind, können diese einfach um 180° verdreht auf der Leiterplatte 5 angeordnet werden, um die Gegenläufigkeit zu erzielen.
4 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Leiterplatte 5, der ersten Stromschiene 1 und der zweiten Stromschiene 2 im Bereich des magnetischen Elements (in dessen Ringöffnung). Vorzugsweise sind die erste und zweite Stromschiene 1 und 2 so auf der Leiterplatte 5 angeordnet, dass sich die Projektionen der Stromschienen 1 und 2 auf die Leiterplatte 5 zumindest teilweise überlappen. Dadurch kann die Ringöffnung kleiner ausgebildet werden und das magnetische Element kann kleiner und somit leichter ausgebildet werden.
8 zeigt ein Gehäuse 9 des Filters. Vorzugsweise weist die Leiterplatte 5 zumindest eine Erdleiterbahnfläche 7 auf. In 8 sind vier Erdleiterbahnflächen 7 in den vier Ecken der Leiterplatte 4 angeordnet. Diese Erdleiterbahnflächen 7 können auf der ersten Seite und/oder auf der zweiten Seite der Leiterplatte 5 angeordnet werden. Die mindestens eine Erdleiterbahnfläche 7 definiert das Erdpotential des Filters auf der Leiterplatte 5. Die Erdleiterbahnfläche 7 ist mit dem metallischen Gehäuse 9 verbunden. Dies wird vorteilhafterweise über mindestens eine Erdpotentialfläche 8 in dem Gehäuse 9 erreicht, die bei zusammengebauten Gehäuse 9 gegen die zumindest eine Erdleiterbahnfläche 7 drückt und somit die Erdverbindung zu dem Gehäuse 9 schafft. Dadurch wird eine Erdverbindung zu dem Gehäuse über ein zusätzliches Kabel überflüssig. Vorzugsweise geht eine Befestigungsausnehmung durch die mindestens eine Erdleiterbahnfläche 7 und/oder die mindestens eine Erdpotentialfläche 8. Dadurch kann eine gute Erdverbindung bereits durch die Befestigung der Leiterplatte 5 an dem Gehäuse 9 erzielt werden. Vorzugsweise weist das Gehäuse 8 eine erste Schale zur Abdeckung der ersten Seite der Leiterplatte 5 und eine zweite Schale zur Abdeckung der zweiten Seite der Leiterplatte 5 auf. Die beiden Schalen weisen jeweils eine Befestigungsausnehmungen im Bereich der mindestens einen Erdleiterbahnfläche 7 und/oder der mindestens einen Erdpotentialfläche 8 auf. Dadurch kann die Leiterplatte 5 im Bereich der mindestens einen Erdleiterbahnfläche 7 zwischen der ersten Schale und der zweiten Schale mittels einer Schraubverbindung zusammengedrückt werden.
9 bis 12 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Filters. Der Filter weist eine Leiterplatte 15 mit elektrischen Komponenten auf. Elektrische Komponenten des Filters weisen eine erste Stromschiene 11, eine zweite Stromschiene 12, zumindest einen Kondensator 13 und zumindest ein magnetisches Element 14 auf. Soweit nicht explizit anders beschrieben trifft die Beschreibung der Leiterplatte 5 und der elektrischen Komponenten des ersten Ausführungsbeispiels auch auf die Leiterplatte 15 und die elektrischen Komponenten des zweiten Ausführungsbeispiels zu.
9 zeigt einen Schaltplan für das zweite Ausführungsbeispiel. Hier ist der Filter als aktiver Filter ausgeführt. Der aktive Filter weist einen Stromwandler 23, eine Verstärkungsschaltung 24 und einen Kondensator 13 auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dem aktiven Filter um einen EMI oder EMV Filter. Der Filter ist vorzugsweise für einen Leistungsbereich grösser als 500W und/oder einen nominellen Strom grösser als 50A ausgelegt.
Der Stromwandler 23 wandelt die Wechselstörströme der ersten und zweiten Stromschiene 11 und 12 in einen Messstrom in der Hilfswicklung 27 um. Dazu koppelt das magnetische Element 14 die erste und die zweite Stromschiene 11 und 12 mit der Hilfswicklung 27. Vorzugsweise ist dazu das magnetische Element wie in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ringförmig um die erste und zweite Stromschiene 1 und 2 herum angeordnet. Vorzugsweise bildet der Stromwandler 23 einen stromkompensierten Gleichtaktstromwandler aus. Die Hilfswicklung 27 kann als Leiterbahn auf der Leiterplatte 15 ausgestaltet sein. Allerdings ist es auch möglich die Hilfswicklung als Draht zu realisieren, der mit der Leiterplatte 15 oder einer der elektrischen Komponenten der Leiterplatte 15 verbunden ist.
Die Verstärkungsschaltung 24 generiert den Kompensationsstrom bzw. die Kompensationsspannung auf der Basis der in dem Stromwandler gemessenen Wechselströme.
Der Kondensator 13 ist ausgebildet, den Kompensationsstrom bzw. die Kompensationsspannung in die erste Stromschiene 11 und die zweite Stromschiene 12 einzugeben, um so die Wechselstörströme bzw. -spannungen der ersten Stromschiene 11 und der zweiten Stromschiene 12 zumindest im Bereich der Bandbreite des aktiven Filters auszulöschen. Wie auch in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind die beiden Kondensatoren 13 jeweils auf der Leiterplatte 15 montiert und mittels Leiterbahnen mit der ersten Stromschiene 11 oder der zweiten Stromschiene 12 verbunden.
Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel ist die erste Stromschiene 11 dabei auf der ersten Seite der Leiterplatte 15 befestigt und die zweite Stromschiene 12 auf der zweiten Seite der Leiterplatte 15, so dass die erste und die zweite Stromschiene 11 und 12 durch die isolierende Leiterplatte 15 voneinander elektrisch isoliert sind und keine Gefahr eines Kurzschlusses besteht.
Die erste Stromschiene 11 und die zweite Stromschiene 12 haben jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei jedes Ende einen Anschlussterminal aufweist. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Stromschienen rechtwinkelig zu der Stromrichtung rechteckig. Dies ist eine Möglichkeit um eine flache Auflagefläche für die jeweilige Stromschiene 11 und 12 auf der flachen Leiterplatte 15 zu erreichen. Vorzugsweise stehen die Enden der Stromschienen 11 und 12 mit den Anschlussterminals über die lateralen Seiten der Leiterplatte 15 hinaus, so dass der Filter einfach mit Kabeln oder Steckern oder sonstigen Anschlüssen eines elektrischen Netzes eines Fahrzeugs verbunden werden kann. Vorzugsweise weist der Filter weiterhin ein (in den Figuren nicht dargestelltes) Gehäuse auf, das (vorzugsweise alle) elektronischen Komponenten des Filters einschliesst, wobei die vier Enden der zwei Stromschienen 11 und 12 mit den vier Anschlussterminals aus dem Gehäuse hervorstehen.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Stromschienen 11 und 12 jeweils mit Befestigungsmitteln, wie Schrauben, Gewindestiften, Klammern, Nieten, Leiterplatteneinsätze, Lötverbindungen oder anderen Befestigungsmitteln, auf der Leiterplatte 15 befestigt. Die Ausführungsformen zur Befestigung und zur Kontaktierung der Stromschienen 11 und 12 mit der Leiterplatte 15 sind wie im ersten Ausführungsbeispiel.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Stromschienen 11 und 12 so ausgebildet, dass die Stromschienen 11 und 12 in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Abstände voneinander haben. Vorzugsweise ist der Abstand der ersten Stromschiene 11 von der zweiten Stromschiene 12 im Bereich des magnetischen Elements kleiner als im Bereich der über die Leiterplatte 15 hervorstehenden Enden der Stromschienen 11 und 12. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da in diesem Bereich die Stromschienen 11 und 12 nicht mehr durch die Leiterplatte 15 voneinander isoliert sind und so ein grösserer Sicherheitsabstand erforderlich ist. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den Stromschienen 11 und 12 im Bereich des magnetischen Elements, insbesondere in der Öffnung des Ringkerns 14, minimal. Vorzugsweise sind die Stromschienen 11 und 12 identisch, und können um 180° verdreht auf der Leiterplatte 15 angeordnet werden, um die unterschiedlichen Abstände zu erzielen. Der unterschiedliche Abstand ist im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel durch einen grösseren Abstand von der Leiterplattenebene der Leiterplatte 15 realisiert, während im ersten Ausführungsbeispiel der grössere Abstand durch eine seitliche Anordnung in der Leiterplattenebene erreicht wird.
Die erste Stromschiene 1 und die zweite Stromschiene 2 sind im Bereich des magnetischen Elements (in dessen Ringöffnung) vollständig überlappend, während im ersten Ausführungsbeispiel nur eine teilweise Überlappung besteht. Allerdings ist es auch möglich in dem ersten Ausführungsbeispiel eine vollständige Überlappung zu realisieren und im zweiten Ausführungsbeispiel nur eine teilweise Überlappung.
Mit dem erfindungsgemässen Filter kann ein kleiner und leichter Filter hoher Qualität erzielt werden, dessen Design und Masse für einen grossen Bereich von Spannungen, Strömen und/oder Leistungen verwendet werden kann.

Claims

Filter für elektromagnetische Störungen aufweisend: eine Leiterplatte (5, 15) mit Leiterbahnen, mit einer ersten Seite und mit einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite, eine erste Stromschiene (1, 11), die auf der ersten Seite der Leiterplatte (5, 15) befestigt ist und mit zumindest einer der Leiterbahnen elektrisch verbunden ist; eine zweite Stromschiene (2, 12), die auf der zweiten Seite der Leiterplatte (5, 15) befestigt ist und mit zumindest einer der Leiterbahnen elektrisch verbunden ist; wobei die Leiterplatte (5, 15) zwischen der ersten Stromschiene (1, 11) und der zweiten Stromschiene (2, 12) zu deren Isolierung angeordnet ist.
Filter nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Stromschiene (1, 2; 11, 12) jeweils mit durch die Leiterplatte (5, 15) führenden Befestigungsmitteln (6) mechanisch auf der Leiterplatte (5, 15) befestigt wird, wobei die Befestigungsmittel (6) eine leitende Verbindung zwischen der entsprechenden Leiterbahn der Leiterplatte (5) und der Stromschiene (1, 2) ausbilden.
Filter nach Anspruch 1 oder 2 weiter aufweisend: zumindest einen Kondensator, der oder die über die Leiterbahnen mit der ersten und/oder zweiten Stromschiene (1, 2; 11, 12) verbunden ist oder sind; zumindest ein magnetisches Element (4.1, 4.2, 14), das jeweils ringförmig um die erste und zweite Stromschiene (1, 2; 11, 12) herum angeordnet ist, wobei zumindest im Bereich des zumindest einen magnetischen Elements die Leiterplatte (5, 15) zwischen der ersten Stromschiene (1, 11) und der zweiten Stromschiene (2, 12) zu deren Isolierung angeordnet ist.
Filter nach Anspruch 2 und 3, wobei der Abstand der ersten Stromschiene (1) und der zweiten Stromschiene (2) im Bereich der Befestigungsmittel (6) grösser als im Bereich des zumindest einen magnetischen Elements ist.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der zumindest eine Kondensator einen Stromkondensator (3.1) aufweist, der zwischen der ersten und zweiten Stromschiene (1, 2) geschaltet ist.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der zumindest eine Kondensator einen ersten Erdkondensator (3.21), der zwischen der ersten Stromschiene (1) und der Erde (7) geschaltet ist, und optional einen zweiten Erdkondensator (3.22), der zwischen der zweiten Stromschiene (2) und der Erde (7) geschaltet ist, aufweist.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das zumindest eine magnetische Element (4.1, 4.2, 14) jeweils als magnetischer Ringkern ausgebildet ist, der auf einen Vorsprung (5.1) der Leiterplatte (5) gesteckt ist, wobei die erste und zweite Stromschiene (1, 2) auf den entgegengesetzten ersten und zweiten Seiten der Leiterplatte (5) durch die Ringöffnung des magnetischen Ringkerns geführt sind.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das zumindest eine magnetische Element (4.1, 4.2) mit der ersten und zweiten Stromschiene (1, 2) eine stromkompensierte Drossel ausbildet.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das zumindest eine magnetische Element zwei magnetische Elemente (4.1, 4.2) aufweist, wobei der zumindest eine Kondensator (3) zwischen den zwei magnetischen Elementen (4.1, 4.2) mit der ersten und/oder zweiten Stromschiene (1, 2) verbunden ist.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Filter ein aktiver Filter ist.
Filter nach Anspruch 10, wobei das zumindest eine magnetische Element (14) mit der ersten und zweiten Stromschiene (11, 12) einen Stromwandler ausbildet, um Störströme in der ersten und zweiten Stromschiene (11, 12) in einen Messstrom in einer Hilfswicklung (27) umzuwandeln.
Filter nach Anspruch 10 oder 11, wobei der zumindest eine Kondensator einen ersten Koppelkondensator (13) aufweist, um einen auf der Basis eines Messstrom erzeugten Kompensationsstrom in die erste Stromschiene (11) einzugeben, und einen zweiten Koppelkondensator (13) aufweist, um den Kompensationsstrom in die zweite Stromschiene (12) einzugeben.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei die erste und zweite Stromschiene (1, 2, 11, 12) jeweils ein erstes Ende mit einem ersten Anschlussterminal (1.1, 2.1) und ein zweites Ende mit einem zweiten Anschlussterminal (1.1, 2.1) aufweisen, wobei das erste Ende und das zweite Ende der ersten und zweiten Stromschiene (1, 2; 11, 12) jeweils über die Leiterplatte (5) hervorstehen.
Filter nach Anspruch 13, wobei der Abstand der ersten Stromschiene (1, 11) und der zweiten Stromschiene (2, 12) im Bereich der ersten und/oder zweiten Enden grösser als im Bereich des zumindest einen magnetischen Elements (4.1, 4.2, 14) ist.
Filter nach Anspruch 13 oder 14, wobei die erste Stromschiene (1, 11) und die zweite Stromschiene (2, 12) ausser im Bereich der hervorstehenden ersten und zweiten Enden durchgehend durch die Leiterplatte (5, 15) voneinander isoliert sind.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die erste Stromschiene (1, 11) und die zweite Stromschiene (2, 12) mit einer Kontaktfläche direkt auf der Leiterplatte (5, 15) aufliegen.
Filter nach Anspruch 16, wobei die Leiterplatte (5, 15) auf der ersten Seite im Bereich der Kontaktfläche mit der ersten Stromschiene (1, 11) eine erste Leiterbahnfläche (10.1) aufweist, die einen elektrischen Kontakt zwischen der ersten Stromschiene (1, 11) und der ersten Leiterbahnfläche (10.1) herstellt und die Leiterplatte (5, 15) auf der zweiten Seite im Bereich der Kontaktfläche mit der zweiten Stromschiene (2, 12) eine zweite Leiterbahnfläche (10.2) aufweist, die einen elektrischen Kontakt zwischen der zweiten Stromschiene (2, 12) und der zweiten Leiterbahnfläche (10.2) herstellt.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der Filter ein metallisches Gehäuse (9) aufweist, wobei das Gehäuse (9) zumindest eine Erdpotentialfläche (8) aufweist, wobei Leiterplatte (5, 15) zumindest eine Erdleiterbahnfläche (7) aufweist, wobei jede der zumindest einen Erdpotentialfläche (8) des Gehäuses (9) durch Befestigungsmittel auf eine entsprechende Erdleiterbahnfläche (7) gedrückt wird und somit eine Erdverbindung von der Leiterplatte (5) zu dem Gehäuse (8) geschaffen wird.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der Filter für einen Leistungsbereich grösser als 500 Watt und/oder für einen Strombereich grösser als 50A ausgelegt ist.
Fahrzeug mit einem elektrischen Gleichspannungsnetz und einem mit dem elektrischen Gleichspannungsnetz verbundenen Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Fahrzeug nach Anspruch 20, wobei das Fahrzeug zur Fortbewegung mit einem elektrischen Motor angetrieben wird.