DE102017127895A1 - Inverter for electric motor - Google Patents

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DE102017127895A1 DE102017127895.8A DE102017127895A DE102017127895A1 DE 102017127895 A1 DE102017127895 A1 DE 102017127895A1 DE 102017127895 A DE102017127895 A DE 102017127895A DE 102017127895 A1 DE102017127895 A1 DE 102017127895A1
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Wolfgang Streibl
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Silver Atena Electronic Systems Eng GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselrichter für einen elektrischen Antriebsstrang zur Wandlung der Gleichspannung einer Hochvoltbatterie in eine 3-Phasen-Wechselspannung, wobei der Wechselrichter umfasst:- Anschlüsse für die Gleichspannungsquelle- Phasenanschlüsse für die 3-Phasen-Wechselspannung- eine Wechselrichterschaltung umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Schaltern, vorzugsweise IGBT-Transistoren und/oder SiC-MOSFET Bauteile.- eine Ansteuereinheit- eine Antriebsregelung- drei Stromführungen - eine Zwischenkondensatoranordnung umfassend mindestens einen Kondensator dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter der Wechselrichterschaltung an einer ersten Leiterplatte angeordnet sind und die Leiterplatte durch einen Niederhalter stabilisiert istThe present invention relates to an inverter for an electric drive train for converting the DC voltage of a high-voltage battery into a 3-phase AC voltage, the inverter comprising: terminals for the DC voltage source phase terminals for the 3-phase AC voltage, an inverter circuit comprising a plurality of electrical switches, preferably IGBT transistors and / or SiC-MOSFET components.- a drive unit- a drive control- three current leads - an intermediate capacitor arrangement comprising at least one capacitor, characterized in that the switches of the inverter circuit are arranged on a first printed circuit board and the printed circuit board by a Hold-down is stabilized

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter für einen elektrischen Antriebsstrang. Dieser wandelt für den Antrieb eines Elektromotors die Gleichspannung einer Hochvoltbatterie in eine 3-Phasen Wechselspannung um.The present invention relates to an inverter for an electric drive train. This converts the DC voltage of a high-voltage battery into a 3-phase AC voltage for driving an electric motor.

Ein derartiger Wechselrichter umfasst in der Regel u.a. Anschlüsse für die Gleichspannungsquelle und den Elektromotor, Anschlüsse für Kommunikation und Sensoren, Halbleiterschaltelemente, eine Antriebsregelung und eine Ansteuereinheit. Die Halbleiterschaltelemente können als Moduleinheit mit einem oder mehreren Transistoren ausgeführt sein. Gemäss Stand der Technik umfasst diese Moduleinheit einen einzelnen Transistor oder sie ist mit beispielsweise sechs IGBT Transistoren und Freilaufdioden ausgeführt.Such an inverter usually includes u.a. Connections for the DC voltage source and the electric motor, connections for communication and sensors, semiconductor switching elements, a drive control and a drive unit. The semiconductor switching elements can be designed as a module unit with one or more transistors. According to the prior art, this module unit comprises a single transistor or is designed with, for example, six IGBT transistors and freewheeling diodes.

Die Verwendung eines IGBT-Moduls ist Standard. Unterschiedliche Hersteller bieten unterschiedliche Ausführungsformen an. Dabei werden eine Anzahl von IGBT-Transistoren, also beispielsweise 6 in eine starre Keramikumgebung verpackt, die elektrisch isolierend wirkt. Die Keramik ist auf einer metallischen Grundplatte fixiert, die Kühlung ermöglicht und mechanische Stabilität garantiert. Das entsprechende Modul umfasst eine dort bereits eingebaute Kühlvorrichtung. Zu nennen wäre als Beispiel der HybridPack™ Drive der Firma Infineon mit der Möglichkeit der direkten Flüssigkeitskühlung.The use of an IGBT module is standard. Different manufacturers offer different embodiments. In this case, a number of IGBT transistors, that is, for example, 6 packaged in a rigid ceramic environment, which acts electrically insulating. The ceramic is fixed on a metallic base plate, which allows cooling and guarantees mechanical stability. The corresponding module comprises a cooling device already installed there. One example is the HybridPack ™ Drive from Infineon with the option of direct liquid cooling.

Nachteilig ist hierbei allerdings, dass solche Moduleinheiten um ein Vielfaches teurer als die einzeln darin verbauten Transistoren sind. Nachteilig ist weiterhin die Tatsache, dass das Layout solcher Moduleinheiten durch dessen Hersteller fix vorgegeben ist. Wird Flexibilität in der räumlichen Ausgestaltung benötigt, so stösst man hier sehr schnell an die entsprechenden Grenzen. Insbesondere lässt sich der entsprechende Wechselrichter nicht für unterschiedliche Anwendungen skalieren.The disadvantage here, however, that such module units are many times more expensive than the individually built therein transistors. Another disadvantage is the fact that the layout of such module units is fixed by the manufacturer. If flexibility is needed in the spatial design, then one pushes very quickly to the appropriate limits. In particular, the corresponding inverter can not be scaled for different applications.

Es ist auch nicht ohne weiteres möglich einfach einzelne IGBT-Transistoren nebeneinander an dem Gehäuse oder in dessen Nähe zu fixieren, da diese stark auf Temperaturunterschiede und Temperaturschwankungen reagieren die durch die doch sehr hohen Stromdichten durchaus vorhanden sind. Temperaturmanagement und/oder Kühlungsmanagement sind hierbei die wesentlichen Stichworte.It is also not readily possible just to fix individual IGBT transistors side by side on the housing or in the vicinity, as they react strongly to temperature differences and temperature fluctuations which are quite present due to the very high current densities. Temperature management and / or cooling management are the key keywords here.

Dies wird vor allem dann klar, wenn man bedenkt, dass im Betrieb hohe Motorströme auftreten. Ein im Rahmen dieser Beschreibung als hoch bezeichneter Motorstrom erreicht in den Spitzen typischerweise zwischen 200 und 600 effektiven Ampere. Die entsprechenden Ströme fliessen in dafür vorgesehene Mittel zur Stromführung. Bei diesen hohen Strömen ist es insbesondere schwierig die IGBT-Transistoren auf der zulässigen Betriebstemperatur zu halten.This is especially clear when one considers that high motor currents occur during operation. A motor current referred to as high in this specification typically reaches between 200 and 600 effective amperes in the peaks. The corresponding currents flow in designated means for power management. In particular, at these high currents, it is difficult to keep the IGBT transistors at the allowable operating temperature.

Kühlungsmanagement wird geradezu essentiell, wenn man bestrebt ist, die Konzepte eines integrierten elektrischen Antriebsstrangs zu realisieren. Hierbei werden für ein Elektrofahrzeug der Motor und der Inverter in ein Gehäuse integriert. Ein auch von Siemens im Jahr 2014 vorgestellter Lösungsansatz ist dabei ein gemeinsames Kühlkonzept der beiden Komponenten, das sicherstellt, dass die Leistungselektronik des Inverters (Wechselrichters) trotz ihrer Nähe zum Elektromotor nicht zu heiss wird.Cooling management becomes essential if one strives to realize the concepts of an integrated electric powertrain. Here, the motor and the inverter are integrated into a housing for an electric vehicle. A solution presented by Siemens in 2014 is a common cooling concept of the two components, which ensures that the power electronics of the inverter (inverter) are not too hot despite their proximity to the electric motor.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen skalierbaren Wechselrichter zu finden, der auf der Basis von einzeln zu verbauenden einzelnen Transistoren derart aufgebaut ist das die durch Temperaturmanagement und Kühlungsmanagement vorgegebenen Anforderungen erfüllt werden. Skalierbarkeit bezieht sich dabei auf elektrische und/oder thermische und/oder mechansiche Aspekte. Ausserdem soll der Wechselrichter im Zusammenhang mit dem Konzept des integrierten Antriebsstrangs verwendet werden können.The present invention is therefore based on the object to find a scalable inverter, which is constructed on the basis of individually to be installed individual transistors such that the predetermined by temperature management and cooling management requirements are met. Scalability refers to electrical and / or thermal and / or mechansiche aspects. In addition, the inverter should be used in conjunction with the integrated powertrain concept.

Gekühlt werden müssen in erster Linie die Transistoren und zwar jeder Transistor in möglichst ähnlicher Weise. Verfolgt man erfindungsgemäss den Ansatz, dass die Kühlung über die Gehäusewand erfolgen sollte so wird hier, wie der Erfinder erkannte die Stabilität der relativen Position der Transistoren zueinander und zwar in allen drei Dimensionen wesentlich. Ausserdem spielt der Abstand der Transistoren zu dieser Gehäusewand eine massgebliche Rolle.Must be cooled in the first place, the transistors and indeed each transistor in a similar manner as possible. If, according to the invention, the approach is followed that the cooling should take place via the housing wall, here, as the inventor recognized, the stability of the relative position of the transistors relative to each other and in all three dimensions becomes essential. In addition, the distance between the transistors to this housing wall plays a significant role.

Bei den sogenannten Leistungsmodulen, sind diese Bedingungen automatisch erfüllt. Solche Lösungen sind aber einerseits teuer und andererseits wenig flexibel. Viel günstiger wäre es, die Transistoren auf einer Leiterplatte montieren zu können.With the so-called power modules, these conditions are fulfilled automatically. On the one hand, such solutions are expensive and on the other hand not very flexible. It would be much cheaper to be able to mount the transistors on a printed circuit board.

Wenn in dieser Beschreibung von einer Leiterplatte die Rede ist, so ist damit die klassische Leiterplatte gemeint, d.h. zum Beispiel kupferkaschierte, glasfasergetränkte Epoxydharzplatten oder Polyesterfolien, auf denen elektronische Bauteile über Leiterbahnen verbunden sind. Solche Leiterplatten zeigen wenig Stabilität gegenüber Verbiegung und scheinen für die vorliegende Problematik zunächst ungeeignet zu sein.When in this description of a circuit board is mentioned, so it is meant the classic circuit board, i. For example, copper-clad, glass-fiber impregnated epoxy resin or polyester films on which electronic components are connected via interconnects. Such printed circuit boards show little stability to bending and initially seem to be unsuitable for the present problem.

Der Erfinder hat jedoch erkannt, dass es möglich ist, die einzelnen Transistoren auf der einen Seite einer ersten Leiterplatte zu montieren, sofern bei betriebsentsprechender Temperaturentwicklung die Verbiegung dieser ersten Leiterplatte weitestgehend dadurch verhindern wird, dass erfindungsgemäss auf der anderen Seite der ersten Leiterplatte ein stabilisierender Niederhalter vorgesehen ist.The inventor has recognized, however, that it is possible to mount the individual transistors on one side of a first printed circuit board, provided that during operation-appropriate temperature development, the bending of this first printed circuit board Largely thereby prevent that according to the invention on the other side of the first circuit board, a stabilizing hold-down is provided.

Die erste Leiterplatte hat eine Länge, eine Breite und eine Dicke. Für die Zwecke dieser Beschreibung sei die Länge mit den Begriffen „links“ und „rechts“, die Breite mit den Begriffen „vorne“ und „hinten“ und die Dicke mit den Begriffen „oben“ und „unten“ verknüpft. All diese Begriffe sind relativ zueinander zu verstehen und haben nichts mit der Schwerkraft zu tun.The first circuit board has a length, a width and a thickness. For the purposes of this description, the length is associated with the terms "left" and "right", the width with the terms "front" and "back", and the thickness with the terms "up" and "down". All these terms are relative to each other and have nothing to do with gravity.

Die erste Leiterplatte lässt sich in einen vorderen Bereich VB, einen mittleren Bereich MB und einen hinteren Bereich HB einteilen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Transistoren im mittleren Bereich MB auf der unteren Seite der ersten Leiterplatte angeordnet. Der stabilisierende Niederhalter erstreckt sich bevorzugt auf der oberen Seite der ersten Leiterplatte zumindest über den mittleren Bereich MB. Besonders bevorzugt umfasst dieser Niederhalter eine Platte aus starrem Material welche über in Richtung von vorne nach hinten verlaufende Querstege von der ersten Leiterplatte beanstandet ist. Dabei können die Querstege zwar so realisiert sein, dass sie durchgehend auf der Leiterplatte aufliegen, dies ist allerdings nicht zwingen notwendig. Eine Realisation mit punkteweisem und/oder abschnittweisem Aufliegen, z.B. ähnlich wie bei Brückenpfeilern ist ebenfalls möglich. Die Längs- und/oder Querrichtung der Querstege sind jeweisl entsprechend der Anordnung der Transistoren zu wählen. Falls beispielsweise die Transistoren auf der Leiterplattenunterseite Reihen in Richtung von vorne nach hinten bilden, sind die Querstege besonders bevorzugt mittig über diesen Transistoren Reihen vorgesehen.The first circuit board can be divided into a front area VB, a middle area MB and a rear area HB. In a preferred embodiment of the present invention, the transistors in the middle region MB are arranged on the lower side of the first printed circuit board. The stabilizing hold-down preferably extends on the upper side of the first printed circuit board at least over the middle region MB. Particularly preferably, this hold-down comprises a plate made of rigid material which is attacked over in the direction from front to rear extending transverse webs of the first circuit board. The crossbars may indeed be realized so that they rest continuously on the circuit board, but this is not necessary force. A realization with point-wise and / or section-wise resting, e.g. Similar to bridge piers is also possible. The longitudinal and / or transverse direction of the transverse webs are jeweisl to choose according to the arrangement of the transistors. If, for example, the transistors on the underside of the printed circuit board form rows in the direction from the front to the rear, the transverse webs are particularly preferably provided centrally above these transistors.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist im hinteren Bereich der ersten Leiterplatte auf der oberen Seite zumindest ein, und sind besonders bevorzugt mehrere Zwischenkondensatoren angeordnet.According to a preferred embodiment, at least one is provided in the rear area of the first printed circuit board on the upper side, and more preferably a plurality of intermediate capacitors are arranged.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind im vorderen Bereich der ersten Leiterplatte Stromführungen angeordnet, besonders bevorzugt auf der oberen Seite der ersten Leiterplatte.According to a further preferred embodiment, current guides are arranged in the front region of the first printed circuit board, particularly preferably on the upper side of the first printed circuit board.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Transistoren in Bezug auf „links“ und „rechts“, d.h. in Bezug auf eine Achse, die in der Leiterplattenebene von hinten nach vorne verläuft, spiegelsymmetrisch angeordnet.According to a further preferred embodiment, the transistors are in relation to "left" and "right", i. with respect to an axis that runs in the circuit board plane from back to front, arranged mirror-symmetrically.

Die Erfindung wird nun im Detail und beispielhaft anhand der Figuren erläutert.

  • 1 zeigt schematisch einen Wechselrichter für einen Elektromotor gemäss dem Stand der Technik
  • 2 zeigt in Seitenansicht ausschnittweise einen Wechselrichter gemäss dem Stand der Technik
  • 3a zeigt einen erfindungsgemässen Wechselrichter gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit unter anderem einer ersten Leiterplatte
  • 3b zeigt die erste Leiterplatte aus 3a von oben
  • In 4 ist lediglich der mittlere Bereich der ersten Leiterplatte perspektivisch gezeigt.
  • 5 zeigt den schichtweisen Aufbau der unterschiedlichen Leiterplatten und den Niederhalter einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In 6 ist ganze erfinderische Wechselrichter gemäss einer bevorzugten Ausführungsform perspektivisch schematisch dargestellt.
The invention will now be explained in detail and by way of example with reference to the figures.
  • 1 schematically shows an inverter for an electric motor according to the prior art
  • 2 shows a partial side view of an inverter according to the prior art
  • 3a shows an inventive inverter according to a first embodiment of the present invention, including a first circuit board
  • 3b shows the first circuit board 3a from above
  • In 4 only the central area of the first circuit board is shown in perspective.
  • 5 shows the layered structure of the different circuit boards and the hold-down of an embodiment of the present invention.
  • In 6 entire inventive inverter according to a preferred embodiment is shown in perspective schematically.

1 zeigt schematisch einen Wechselrichter 2 gemäss dem Stand der Technik für einen Elektromotor 4. Der Wechselrichter umfasst ein Gehäuse 6, ein IGBT-Modul 8 als Wechselrichterschaltung, einen Zwischenkondensator 10, eine Leiterplatte 12 mit einer Ansteuereinheit 13, eine Antriebsregelung 14, sowie drei Stromschienen 16 zur signaltechnischen Kopplung an jeweils eine Anschlusslitze 18 des Elektromotors 4. 1 schematically shows an inverter 2 according to the prior art for an electric motor 4 , The inverter includes a housing 6 , an IGBT module 8th as an inverter circuit, an intermediate capacitor 10 , a circuit board 12 with a drive unit 13 , a drive control 14 , as well as three busbars 16 for signal-technical coupling to one pigtail each 18 of the electric motor 4 ,

Im Stand der Technik umfasst das IGBT-Modul 8 sechs IGBT-Transistoren mit Freilaufdioden, welche derart parallel und in Reihe verschaltet sind, dass das IGBT-Modul 8 eine Gleichspannung einer Hochvoltbatterie 20 in eine dreiphasige Wechselstromspannung zum Betrieb des Elektromotors 4 konvertiert.In the prior art, the IGBT module comprises 8th six IGBT transistors with freewheeling diodes which are connected in parallel and in series such that the IGBT module 8th a DC voltage of a high-voltage battery 20 in a three-phase AC voltage for operation of the electric motor 4 converted.

Der Zwischenkondensator 10 ist zur Vermeidung von Zwischenkreisspannungen, z.B. aufgrund parasitärer Induktivitäten elektronisch parallel zwischen die Hochvoltbatterie und dem IGBT-Modul 8 angeordnet ist. Die Wasserkühlung mit der das IGBT-Modul 8 während des Betriebs gekühlt wird ist im Stand der Technik nicht gezeigt.The intermediate capacitor 10 is to avoid DC link voltages, eg due to parasitic inductances electronically parallel between the high-voltage battery and the IGBT module 8th is arranged. The water cooling with the IGBT module 8th is cooled during operation is not shown in the prior art.

Im Betrieb wird von einer Steuerung 22 des Elektromotors ein Soll-Drehmoment-Signal M an die Antriebsregelung 14 gesendet, welche ein entsprechendes Signal an die Ansteuereinheit 13 zur Regelung der erzeugten Wechselspannung des IGBT-Moduls 8 versendet. Die Ansteuereinheit 13 erfasst den durch die Zwischenkondensator 10 fliessenden Strom IZK und die an diesem anliegende Spannung UZK . Sowie auch den durch die Stromschienen 16 fliessenden dreiphasigen Wechselstrom i durch Abgreifen einer Spannung an einem Shunt 24 der Stromschienen 16 sowie ein der Drehzahl und/oder der Position des Elektromotors 4 proportionales Motorsignal P von einem mit dem Elektromotor 4 signaltechnisch gekoppelten Encoder 26.In operation is by a controller 22 of the electric motor, a desired torque signal M to the drive control 14 which sends a corresponding signal to the drive unit 13 for controlling the generated AC voltage of the IGBT module 8th sent. The drive unit 13 captures the through the intermediate capacitor 10 flowing electricity I ZK and the voltage applied to it U ZK , As well as the by the busbars 16 flowing three-phase alternating current i by picking up a voltage at a shunt 24 the busbars 16 and one of the speed and / or the position of the electric motor 4 proportional motor signal P from one to the electric motor 4 signal-coupled encoder 26 ,

Wie 2 zeigt ist gemäss Stand der Technik die Ansteuereinheit 13 typischerweise als eine Leiterplatte 12 ausgeführt, die zweckmässigerweise direkt über dem IGBT-Modul 8 angeordnet ist, sodass die Transistoren störungsfrei durch eine entsprechende Elektronik betreibbar sind. Hierzu ist an der Moduleinheit eine Anzahl an Pins vorgesehen, die über spezielle Leiterplattenstecker 28 einen elektrischen Kontakt zur Ansteuereinheit 13 sicherstellen. Das IGBT-Modul 8 selbst ist am Gehäuse 6 angeordnet. Ebenso ist der Zwischenkondensator 10 am Gehäuse 6 angeordnet. As 2 shows according to the prior art, the drive unit 13 typically as a circuit board 12 conveniently, directly above the IGBT module 8th is arranged so that the transistors are operated trouble-free by a corresponding electronics. For this purpose, a number of pins is provided on the module unit, the special PCB connectors 28 an electrical contact to the drive unit 13 to ensure. The IGBT module 8th itself is on the case 6 arranged. Likewise, the intermediate capacitor 10 on the housing 6 arranged.

Wie ebenfalls 2 zeigt ist die Antriebsregelung 14 über der Ansteuereinheit 13 angeordnet. Die Stromschienen 16 sind an der Leiterplatte 12 angeordnet.Like also 2 shows the drive control 14 above the control unit 13 arranged. The busbars 16 are on the circuit board 12 arranged.

3a zeigt die erste Leiterplatte 301 eines erfindungsgemässen Wechselrichters von unten. Gezeigt ist der vordere Bereich B, der mittlere Bereich MB und der hintere Bereich HB. An der Leiterplatte an der oberen Seite angeordnete Elemente sind in dieser Figur gestrichelt gezeichnet und werden im Zusammenhang mit der 3b beschrieben. An der Leiterplatte an der unteren Seite angeordnete Elemente sind durchgezogen gezeichnet. Dies ist im Wesentlichen eine Matrix von Transistoren 8'XY , wobei X die Zeilen a, b, c, C, B, A und Y die Spalten 1, 2, und 3. In diesem Beispiel und bevorzugt sind die Transistoren spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Achse AA' angeordnet, d.h. Transistoren der Zeile a werden auf Transistoren der Zeile A abgebildet, Transistoren der Zeile b werden auf Transistoren der Zeile B abgebildet und Transistoren der Zeile c werden auf Transistoren der Zeile C abgebildet. Dies trifft insbesondere auch auf die Orientierung der Transistoren, d.h. insbesondere auf die Ausrichtung der Pins zu. 3a shows the first circuit board 301 an inventive inverter from below. Shown are the front area B, the middle area MB and the rear area HB. Elements arranged on the printed circuit board on the upper side are shown by dashed lines in this figure and are used in conjunction with FIG 3b described. Elements arranged on the printed circuit board on the lower side are drawn in solid lines. This is essentially a matrix of transistors 8 ' XY , in which X lines a, b, c, c, b, a and y are the columns 1 . 2 , and 3 , In this example, and preferably, the transistors are mirror-symmetric with respect to the axis AA ' arranged, ie transistors of the line a are mapped to transistors of the line A, transistors of the line b are mapped to transistors of the line B and transistors of the line c are mapped to transistors of the line C. This applies in particular to the orientation of the transistors, ie in particular to the orientation of the pins.

In 3a ebenfalls gezeigt sind im vorderen Bereich die Basis von U-Teilen 3131 , 3132 , 3133 , deren Ausläufer durch die erste Leiterplatte 301 hindurchgesteckt sind und aus der oberen Seite der Leiterplatte 301 herausragen. Deren Funktion wird im Rahmen der 3b genauer erläutert.In 3a Also shown are the base of U-parts in the front area 313 1 . 313 2 . 313 3 whose foothills pass through the first circuit board 301 are inserted through and from the upper side of the circuit board 301 protrude. Their function is under the 3b explained in more detail.

In 3a ebenfalls gezeigt sind die Löcher 3151 , 3152 , 3153 3154 , 3155 , 3156 in der ersten Leiterplatte, die zur Fixierung des stabilisierenden Niederhalters dienen.In 3a also shown are the holes 315 1 . 315 2 . 315 3 315 4 . 315 5 . 315 6 in the first circuit board, which serve to fix the stabilizing hold-down.

3b zeigt die erste Leiterplatte 301 aus 3a von oben. Gezeigt ist der vordere Bereich VB, der mittlere Bereich MB und der hintere Bereich HB. An der Leiterplatte an der unteren Seite angeordnete Elemente sind in dieser Figur gestrichelt gezeichnet und wurden im Zusammenhang mit der 3a beschrieben. An der Leiterplatte an der oberen Seite angeordnete Elemente sind durchgezogen gezeichnet. Hierzu gehören im hinteren Bereich HB der Leiterplatte die Anschlüsse 303 und 303' einer Hochvoltbatterie die Gleichspannung liefert (nicht gezeigt) und auch Zwischenkondensatoren 3051 bis 3056 . Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurden hier statt einem grossen Zwischenkondensator mehrere kleine eingesetzt. Diese sind einerseits kostengünstiger und andererseits wird hierbei die Möglichkeit der Skalierung erhalten. Dies bedeutet, es gibt die Möglichkeit 1, 2, 3 oder auch n Zwischenkondensatoren, mit n>3 zu verwenden. 3b shows the first circuit board 301 out 3a from above. Shown are the front region VB, the middle region MB and the rear region HB. Arranged on the circuit board on the lower side elements are shown in phantom in this figure and have been in connection with the 3a described. Elements arranged on the printed circuit board on the upper side are drawn in solid lines. These include the connections in the rear area HB of the printed circuit board 303 and 303 ' a high-voltage battery supplies the DC voltage (not shown) and also intermediate capacitors 305 1 to 305 6 , According to a preferred embodiment of the present invention, several small ones were used instead of a large intermediate capacitor. On the one hand, these are less expensive and on the other hand the possibility of scaling is obtained. This means there is a possibility 1 . 2 . 3 or n intermediate capacitors, with n> 3 to use.

Im vorderen Bereich VB sind Phasenanschlüsse 3071 , 3072 , 3073 an der ersten Leiterplatte 301 an der oberen Seite angeordnet, an denen die Ströme für den Elektromotor (nichtgezeigt) abgegriffen werden können. Ebenfalls im vorderen Bereich auf der Leiterplatte angeordnet sind Stromführungen 3091 , 3092 , 3093 , die die Ströme zu den Phasenanschlüssen leiten. Die aktuelle Stromstärke muss während des Betriebs des Elektromotors ständig und zuverlässig gemessen werden. Hierzu werden erfindungsgemäss Magnetorresistivsensoren und/oder Induktivsensoren und/oder Hallsensoren 3111 , 3112 , 3113 auf den Stromführungen 3091 , 3092 , 3093 angeordnet. Bei den Messungen besteht die Gefahr, dass es zu einer Wechselwirkung mit den Feldern der benachbarten Stromführung und damit zur Beeinträchtigung der Messungen kommt. Um diese Wechselwirkung auszuschalten oder zumindest stark zu reduzieren werden Abschirmungen 3131 , 3132 , 3133 , hier in Form von abschirmenden U-Teilen vorgesehen. Bei der Anwendung von Hallsensoren können die U-Teile beispielsweise aus ferromagnetischen Material gefertigt werden, um die Magnetfelder gegeneinander abzuschirmen.In the front area VB are phase connections 307 1 . 307 2 . 307 3 on the first circuit board 301 arranged on the upper side, where the currents for the electric motor (not shown) can be tapped. Also located in the front area on the circuit board are current guides 309 1 . 309 2 . 309 3 which conduct the currents to the phase terminals. The current must be constantly and reliably measured during operation of the electric motor. According to the invention, magnetoresistive sensors and / or inductive sensors and / or Hall sensors are used for this purpose 311 1 . 311 2 . 311 3 on the current guides 309 1 . 309 2 . 309 3 arranged. During the measurements, there is the danger that there will be an interaction with the fields of the neighboring current supply and thus that the measurements will be impaired. To eliminate or at least greatly reduce this interaction shielding 313 1 . 313 2 . 313 3 , here in the form of shielding U-parts provided. When using Hall sensors, the U-parts can be made of ferromagnetic material, for example, to shield the magnetic fields against each other.

Ausserdem gezeigt in 3b sind der Teil von Steckvorrichtungen welche die elektrische Kontaktierungen zu den Elementen der ersten Leiterplatte erlauben.Also shown in 3b are the part of plug-in devices which allow the electrical contacts to the elements of the first circuit board.

In 4 ist lediglich der mittlere Bereich der ersten Leiterplatte 301 perspektivisch gezeigt. An der oberen Seite der ersten Leiterplatte 301 ist ein Niederhalter 421 fixiert. Im Beispiel hier werden Schrauben 4231 , 4232 , 4233 4234 , 4235 , 4236 , die durch die Löcher 3151 , 3152 , 3153 3154 , 3155 , 3156 gesteckt sind und mit Muttern auf der unteren Seite verschraubt sind. Der Niederhalter 421 weisst an seiner zur ersten Leiterplatte hin ragenden Stege 425a , 425b , 425c , 425C , 425B , 425A auf, die so angeordnet sind, dass sie mittig über den Transistoren-Spalten a, b, c, C, B, und A angeordnet sind und über die jeweiligen Zeilen 1,2 und 3 verlaufen. Diese sind zwar vorteilhafter Weise Stege können aber als jegliche Art von Ausformungen realisiert werden, wenn damit erreicht wird dass eine Vielzahl von Druckpunkten auf die erste Leiterplatte 301 wirkt. In 4 is only the middle area of the first circuit board 301 shown in perspective. At the top of the first circuit board 301 is a hold-down 421 fixed. In the example here are screws 423 1 . 423 2 . 423 3 423 4 . 423 5 . 423 6 passing through the holes 315 1 . 315 2 . 315 3 315 4 . 315 5 . 315 6 are plugged and screwed with nuts on the bottom side. The hold down 421 knows at his for the first circuit board protruding ridges 425 a . 425 b . 425 c . 425 C . 425 B . 425 A arranged so as to be centered over the transistor columns a, b, c, c, b, and a and over the respective rows 1 . 2 and 3 run. Although these are advantageous ways webs can be realized as any kind of formations, if it is achieved that a plurality of pressure points on the first circuit board 301 acts.

Zur Montage der IGBT-Transistoren an der ersten Leiterplatte werden deren Beine gebogen und auf Länge geschnitten und diese (eventuell bei noch nicht montiertem) Niederhalter wie gewünscht von unten in die Leiterplatte gesteckt. Diese werden dann zunächst vorläufig, ebenfalls von unten mittels eines Montagerahmens gegen die Leiterplatte gedrückt. Bei der Halterung des Montagerahmens kommt vorzugsweise bereits der Niederhalter als stabilisierender Gegengegenrahmen, mit dem er verschraubt werden kann zum Einsatz. Die durch und/oder in die Leiterplatte hineinragenden Pins der Transistoren und damit die Transistoren selbst werden vorzugsweise mittels Individuallöten falls möglich aber auch durch Schwalllöten an der Leiterplatte fixiert. Aufgrund der genauen Positionsvorgabe durch den Montagerahmen sind die Transistoren innerhalb sehr enger Toleranzen in ihrer Position genau definiert. Sollte der Niederhalter bisher noch nicht an der ersten Leiterplatte angebracht sein so wird er nun dort fixiert und wirkt sich stabilisierend auf die erste Leiterplatte aus. Anschliessend wird der Montagerahmen entfernt, während der Niederhalter an der ersten Leiterplatte bleibt.To mount the IGBT transistors on the first circuit board, their legs are bent and cut to length and these (possibly not yet mounted) hold down as desired from below into the circuit board. These are then first provisionally, also pressed from below by means of a mounting frame against the circuit board. When mounting the mounting frame is preferably already the hold-down as a stabilizing counter frame, with which it can be screwed for use. The pins of the transistors protruding through and / or into the printed circuit board and thus the transistors themselves are preferably fixed to the printed circuit board by means of individual soldering, if possible, but also by wave soldering. Due to the exact position specification by the mounting frame, the transistors are precisely defined within very narrow tolerances in their position. If the hold-down is not yet attached to the first circuit board so it is now fixed there and has a stabilizing effect on the first circuit board. Subsequently, the mounting frame is removed, while the hold-down remains on the first circuit board.

Erfindungsgemäss wird bevorzugt die Ansteuereinheit auf einer zweiten Leiterplatte 531 über den Niederhalter 421 und damit beabstandet über die erste Leiterplatte 301 mit der - bevorzugt symmetrischen - Schalterbank angeordnet (siehe 5). Die Kontaktierung zur ersten Leiterplatte erfolgt bevorzugt über Board to Board Verbindungen. Damit sind Ansteuereinheit und Leistungsteil auf unterschiedlichen Ebenen und damit getrennt voneinander realisiert.According to the invention, the drive unit is preferably mounted on a second printed circuit board 531 over the hold down 421 and spaced therefrom over the first circuit board 301 arranged with the - preferably symmetrical - switch bank (see 5 ). The contacting to the first circuit board is preferably via board to board connections. This drive unit and power unit are realized on different levels and thus separated from each other.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Antriebsregelung auf einer dritten Leiterplatte 533, die ihrerseits über der zweiten Leiterplatte 531 und von dieser beabstandet angeordnet ist. Auf einer weiteren Leiterplatte 535 können weitere elektronische Komponenten wie zum Beispiel Datenverarbeitungselemente der Sensorik verbaut sein. 5 zeigt der Einfachheit halber lediglich den schichtweisen Aufbau der unterschiedlichen Leiterplatten und den Niederhalter. Auf die Darstellung der elektronischen Baugruppen wurde hier aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.According to another embodiment of the present invention, the drive control is on a third circuit board 533 , in turn, over the second circuit board 531 and spaced therefrom. On another circuit board 535 Further electronic components such as data processing elements of the sensor system can be installed. 5 shows the sake of simplicity, only the layered structure of the different circuit boards and the hold-down. On the representation of the electronic assemblies was omitted here for reasons of clarity.

In 6 ist dann nochmals der ganze erfinderische Wechselrichter gemäss einer bevorzugten Ausführungsform perspektivisch schematisch dargestellt. Wie aus der Figur ersichtlich sind sämtliche Komponenten des Leistungsteils im Wesentlichen an der ersten Leiterplatte angeordnet. Dadurch dass sich sowohl die Zwischenkondensatoren als auch die Anschlüsse sowohl für die Hochvoltbatterie als auch für den Elektromotor von der ersten Leiterplatte aus nach oben erstrecken wird unterhalb der ersten Leiterplatte lediglich wenig Platz benötigt. Dadurch ist es möglich über im Wesentlichen den ganzen Bereich der ersten Leiterplatte das Gehäuse 6 an die Unterseite der ersten Leiterplatte mit nahezu konstantem Abstand flächig heran zu bringen. Die der Unterseite der ersten Leiterplatte nahe gebrachte Gehäusewand kann somit als Teil einer Kühlvorrichtung ausgebildet sein, insbesondere Wand eines Kühlers sein, durch den Kühlflüssigkeit fliesst. Das bedeutet einerseits, dass Kühlsystem und die Elektrik und/oder Elektronik des Wechselrichters sicher und vollständig mechanisch getrennt sind und die Gefahr der durch Kühlbruch verursachten Schädigung des Wechselrichters stark reduziert ist. Andererseits kann das Kühlsystem sowohl für den Wechselrichter als auch für den Elektromotor an sich genutzt werden, womit dann die Möglichkeit für ein integriertes Antriebssystem wie in der Einleitung beschrieben gegeben ist.In 6 Then again the whole inventive inverter according to a preferred embodiment is shown in perspective schematically. As can be seen from the figure, all components of the power unit are arranged substantially on the first circuit board. Due to the fact that both the intermediate capacitors and the connections for the high-voltage battery as well as for the electric motor extend upward from the first printed circuit board, only little space is required below the first printed circuit board. This makes it possible over substantially the entire area of the first circuit board, the housing 6 to zoom in on the underside of the first circuit board with a nearly constant distance. The housing wall brought close to the underside of the first printed circuit board can thus be formed as part of a cooling device, in particular be a wall of a cooler, through which cooling liquid flows. This means, on the one hand, that the cooling system and the electrical system and / or electronics of the inverter are safely and completely mechanically separated and the risk of damage to the inverter caused by cooling fracture is greatly reduced. On the other hand, the cooling system can be used for both the inverter and for the electric motor itself, which then gives the possibility for an integrated drive system as described in the introduction.

Claims (13)

Wechselrichter für einen elektrischen Antriebsstrang zur Wandlung der Gleichspannung einer Hochvoltbatterie in eine 3-Phasen-Wechselspannung, wobei der Wechselrichter umfasst: - Anschlüsse für die Gleichspannungsquelle - Phasenanschlüsse für die 3-Phasen-Wechselspannung - eine Wechselrichterschaltung umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Schaltern, vorzugsweise IGBT-Transistoren und/oder SiC-MOSFET Bauteile. - eine Ansteuereinheit - eine Antriebsregelung - drei Stromführungen - eine Zwischenkondensatoranordnung umfassend mindestens einen Kondensator dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter der Wechselrichterschaltung an einer ersten Leiterplatte angeordnet sind und die Leiterplatte durch einen Niederhalter stabilisiert ist.An inverter for an electric drive train for converting the DC voltage of a high-voltage battery into a 3-phase AC voltage, the inverter comprising: - terminals for the DC voltage source - phase terminals for the 3-phase AC voltage - an inverter circuit comprising a plurality of electrical switches, preferably IGBT Transistors and / or SiC-MOSFET components. - A drive unit - a drive control - three current leads - an intermediate capacitor assembly comprising at least one capacitor, characterized in that the switches of the inverter circuit are arranged on a first circuit board and the circuit board is stabilized by a hold-down. Wechselrichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte in einen vorderen Bereich (VB) einen hinteren Bereich (HB) und einen mittleren Bereich (MB) unterteilbar ist, wobei der mittlere Bereich (MB) vorzugsweise zwischen vorderem Bereich (VB) und hinterem Bereich (HB) liegt und die Schalter der Wechselrichterschaltung im mittleren Bereich (MB) angeordnet sind.Inverter after Claim 1 characterized in that the first circuit board is divisible into a front area (VB), a rear area (HB) and a middle area (MB), the middle area (MB) preferably being between the front area (VB) and the rear area (HB) is located and the switches of the inverter circuit in the central region (MB) are arranged. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter im mittleren Bereich (MB) an der ersten Leiterplatte angeordnet ist.Inverter after Claim 2 , characterized in that the hold-down in the central region (MB) is arranged on the first circuit board. Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter der Wechselrichterschaltung auf einer Seite der ersten Leiterplatte angeordnet sind und der Niederhalter auf der anderen Seite der ersten Leiterplatte fixiert ist, wobei die eine Seite der Leiterplatte als untere Seite gelten soll und die andere Seite der Leiterplatte als obere Seite gelten soll. Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the switches of the inverter circuit are arranged on one side of the first circuit board and the hold-down is fixed on the other side of the first circuit board, wherein the one side of the circuit board is to be considered as the lower side and the other Side of the PCB should be considered as the upper side. Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente der Ansteuereinheit an einer zweiten Leiterplatte angeordnet sind und die zweite Leiterplatte beabstandet über der ersten Leiterplatte angeordnet ist.Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the elements of the drive unit are arranged on a second printed circuit board and the second printed circuit board is arranged spaced above the first printed circuit board. Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte angeordnet ist.Inverter after Claim 5 , characterized in that the hold-down is disposed between the first circuit board and the second circuit board. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromführungen und die Phasenanschlüsse für die 3-Phasen-Wechselspannung im vorderen Bereich (VB) der ersten Leiterplatte und vorzugsweise an deren oberen Seite angeordnet sind und die Anschlüsse für die Gleichspannungsquelle und die Zwischenkondensatoranordnung im hinteren Bereich der ersten Leiterplatte und vorzugsweise an deren oberen Seite angeordnet sind.Inverter after one of the Claims 2 to 6 , characterized in that the current guides and the phase connections for the 3-phase AC voltage in the front region (VB) of the first circuit board and preferably on the upper side are arranged and the connections for the DC voltage source and the intermediate capacitor assembly in the rear region of the first circuit board and are preferably arranged on the upper side. Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkondensatoranordnung mindestens zwei diskrete Kondensatoren umfasst.Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate capacitor arrangement comprises at least two discrete capacitors. Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Achse AA' existiert bezüglich der die Schalter der Wechselrichterschaltung spiegelsymmetrisch angeordnet sind.Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that an axis AA 'exists with respect to which the switches of the inverter circuit are arranged mirror-symmetrically. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente der Antriebsregelung an einer dritten Leiterplatte angeordnet sind und diese Leiterplatte über der ersten und der zweiten Leiterplatte angeordnet ist.Inverter after one of the Claims 5 to 9 , characterized in that the elements of the drive control are arranged on a third printed circuit board and this printed circuit board is arranged above the first and the second printed circuit board. Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stromführungen Magnetorresistivsensoren und/oder Induktivsensoren und/oder Hallsensoren vorgesehen sind und ausserdem vorzugsweise an zumindest einer Stromführung im Bereich des Sensors Mittel zur Abschirmung der Störfelder der benachbarten Stromführungen vorgesehen sind.Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that magnetoresistive sensors and / or inductive sensors and / or Hall sensors are provided on the current guides and also provided on at least one current guide in the region of the sensor means for shielding the interference fields of the adjacent current leads. Wechselrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel U-förmige Teile umfassen und bei Einsatz von Hallsensoren die U-förmigen Teile mit ferromagnetischem Material gefertigt sind.Inverter after Claim 11 , characterized in that the means comprise U-shaped parts and when using Hall sensors, the U-shaped parts are made with ferromagnetic material. Verfahren zu Herstellung eines Wechselrichters gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte umfasst sind: - Bereitstellen einer ersten Leiterplatte - Bereitstellen von IGBT-Transistoren - Schneiden der Beine der Transistoren auf Länge geschnitten, biegen der Beine und von unten einstecken in die erste Leiterplatte. - Andrücken an die erste Leiterplatte mittels eines Montagerahmens - Fixierung des Montagerahmens durch verschrauben mit dem Niederhalter als stabilisierender Gegengegenrahmen. - Fixierung der Pins der Transistoren in der ersten Leiterplatte bevorzugt durch Löten vorzugsweise durch Individuallöten und besonders bevorzugt durch Schwalllöten. - Entfernung des Montagerahmens unter Beibehaltung des Niederhalters.Method for producing an inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the following steps are included: - providing a first printed circuit board - providing IGBT transistors - cutting the legs of the transistors cut to length, bending the legs and inserting from below into the first circuit board. - Pressing against the first circuit board by means of a mounting frame - Fixation of the mounting frame by screwing with the hold-down as a stabilizing Gegengegenrahmen. - Fixing the pins of the transistors in the first circuit board preferably by soldering preferably by custom soldering and more preferably by wave soldering. - Removal of the mounting frame while maintaining the hold-down.
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