DE102018007042A1 - Power electronics - Google Patents

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Abstract

Eine Leistungselektronik umfassend zumindest einen ersten elektrischen Schaltungsträger, auf dem eine leistungselektronische Schaltungsbrücke, eine Treiberschaltung und ein Kondensator angeordnet sind, sowie eine eine elektrische Wicklung und einen magnetischen Kern aufweisende Induktivität, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter elektrischer Schaltungsträger parallel zu dem ersten elektrischen Schaltungsträger angeordnet ist, und dass die elektrische Wicklung der Induktivität zumindest teilweise durch Leiterbahnen jeweils auf dem ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger gebildet ist.

Figure DE102018007042A1_0000
Power electronics comprising at least a first electrical circuit carrier, on which a power electronic circuit bridge, a driver circuit and a capacitor are arranged, and an inductor having an electrical winding and a magnetic core, is characterized in accordance with the invention in that a second electrical circuit carrier is parallel to the first electrical Circuit carrier is arranged, and that the electrical winding of the inductance is at least partially formed by conductor tracks on the first and second electrical circuit carriers.
Figure DE102018007042A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik umfassend zumindest einen elektrischen Schaltungsträger, auf dem eine leistungselektronische Schaltungsbrücke, eine Treiberschaltung und ein Kondensator angeordnet sind, sowie eine eine elektrische Wicklung und einen magnetischen Kern aufweisende Induktivität.The invention relates to power electronics comprising at least one electrical circuit carrier on which a power electronic circuit bridge, a driver circuit and a capacitor are arranged, and an inductor having an electrical winding and a magnetic core.

Solche Leistungselektroniken finden beispielsweise als wesentlicher Bestandteil von Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen oder von Umrichtern in Antriebreglern oder Netzteilen Anwendung. Ein regelmäßig auftretendes Problem bei solchen Leistungselektroniken besteht darin, dass diese insbesondere aufgrund der verwendeten Betriebsfrequenzen und der Größe der verwendeten elektronischen Bauteile signifikante elektromagnetische Störausstrahlungen verursachen. So werden derzeit besonders groß bauende Induktivitäten und Kapazitäten benötigt, die viel Raum einnehmen und zu ihrer elektrischen Anbindung lange Leitungswege erfordern, die wiederum erheblich zu der erwähnten EMV-Abstrahlung beitragen.Such power electronics are used, for example, as an essential component of inverters for photovoltaic systems or of inverters in drive controllers or power supplies. A regularly occurring problem with such power electronics is that they cause significant electromagnetic interference emissions, in particular due to the operating frequencies used and the size of the electronic components used. Particularly large inductors and capacities are currently required that take up a lot of space and require long cable paths for their electrical connection, which in turn contribute significantly to the EMC radiation mentioned.

Durch die zweidimensionale Anordnung dieser großen Bauteile auf der Ebene eines Schaltungsträgers ergeben sich selbst unter günstigen Bedingungen noch EMV-Abstrahlungen in einem so großen Umfang, dass diese zwingend an anderer Stelle mit großem Aufwand in Form von Entstör- und Abschirmmaßnahmen bekämpft werden müssen.The two-dimensional arrangement of these large components on the level of a circuit carrier results in EMC emissions to such an extent, even under favorable conditions, that they have to be fought elsewhere with great effort in the form of interference suppression and shielding measures.

Mit der derzeit verwendeten Aufbau- und Verbindungstechnik ist auch eine unvorteilhafte Verteilung der insbesondere durch die leistungselektronischen Bauteile verursachten Verlustleistung sowie der dadurch hervorgerufenen Wärmeentwicklung verbunden.The construction and connection technology currently used is also associated with an unfavorable distribution of the power loss, in particular caused by the power electronics components, and the heat development caused thereby.

Die Leistungselektronik gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, durch seinen kompakten Aufbau wesentliche Verbesserungen bei der Reduzierung der EMV-Abstrahlung und bei der Wärmeableitung zu ermöglichen.The power electronics according to the present invention has the advantage over the known prior art that its compact design enables major improvements in reducing the EMC radiation and in heat dissipation.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein zweiter elektrischer Schaltungsträger parallel zu dem ersten elektrischen Schaltungsträger angeordnet ist, und dass die elektrische Wicklung der Induktivität zumindest teilweise durch Leiterbahnen jeweils auf dem ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger gebildet ist.This is achieved according to the invention in that a second electrical circuit carrier is arranged parallel to the first electrical circuit carrier, and in that the electrical winding of the inductance is at least partially formed by conductor tracks on the first and second electrical circuit carriers.

Ein besonders kompakter und kostengünstiger Aufbau ist dadurch ermöglicht, dass Teile der elektrischen Wicklung der Induktivität durch elektrische leitende Elemente gebildet sind, die Leiterbahnen der jeweils ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger miteinander verbinden. Insbesondere kann dadurch die durch den magnetischen Kern in Kooperation mit der diesen umlaufenden elektrischen Wicklung gebildete Induktivität direkt um die elektronischen Bauelemente der leistungselektronischen Schaltungsbrücke und der zugehörigen Treiberschaltung herum angeordnet werden.A particularly compact and inexpensive construction is made possible by the fact that parts of the electrical winding of the inductor are formed by electrically conductive elements which connect conductor tracks of the respective first and second electrical circuit carriers to one another. In particular, the inductance formed by the magnetic core in cooperation with the electrical winding rotating around it can be arranged directly around the electronic components of the power electronic circuit bridge and the associated driver circuit.

Eine sehr effektive Ableitung der insbesondere durch die Verlustleistung der leistungselektronischen Bauteile hervorgerufenen Wärme ist dadurch ermöglicht, dass die leistungselektronische Schaltungsbrücke und ihre Peripherie direkt auf einer Entwärmungsschnittstelle etwa in Form eines ausgedehnten Kühlkörpers aus einem gut wärmeleitfähigen Material platziert sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leistungselektronik ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden anhand der Zeichnung erläutert.A very effective dissipation of the heat caused in particular by the power loss of the power electronic components is made possible by the fact that the power electronic circuit bridge and its peripherals are placed directly on a cooling interface, for example in the form of an extended heat sink made of a highly thermally conductive material.
Further advantageous refinements and developments of the power electronics according to the invention result from the subclaims and are explained on the basis of the drawing.

Es zeigen:

  • 1 Eine erfindungsgemäße Leistungselektronik im Längsschnitt
  • 2 Die Leistungselektronik aus 1 in einer 3D-Ansicht
Show it:
  • 1 A power electronics according to the invention in longitudinal section
  • 2nd The power electronics 1 in a 3D view

Bei der in der Zeichnung dargestellten, erfindungsgemäßen Leistungselektronik sind auf einem ersten Schaltungsträger 1 die elektronischen Bauelemente 4 einer leistungselektronischen Schaltungsbrücke und einer Treiberschaltung angeordnet. Weiterhin befinden sich auf dem ersten Schaltungsträger 1 Kondensatoren 5 sowie ein ringförmiger magnetischer Kern 6. Zur Bildung der Induktivität des Wechselrichters sind entsprechend ausgebildete Leiterbahnen 1', 2' auf dem ersten Schaltungsträger 1 sowie auf einem zweiten Schaltungsträger 2, der parallel zu dem ersten elektrischen Schaltungsträger 1 angeordnet ist, jeweils durch elektrische leitende Elemente 3 so miteinander verbunden, dass diese gemeinsam eine den magnetischen Kern 6 umlaufende elektrische Wicklung bilden.In the power electronics according to the invention shown in the drawing are on a first circuit carrier 1 the electronic components 4th a power electronic circuit bridge and a driver circuit arranged. Furthermore, are located on the first circuit carrier 1 Capacitors 5 as well as an annular magnetic core 6 . Correspondingly designed conductor tracks are used to form the inductance of the inverter 1' , 2 ' on the first circuit carrier 1 as well as on a second circuit carrier 2nd that is parallel to the first electrical circuit carrier 1 is arranged, each by electrically conductive elements 3rd connected together so that they together form the magnetic core 6 form electrical winding.

In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist also die durch den ringförmigen magnetischen Kern 6 in Kooperation mit der diesen umlaufenden elektrischen Wicklung gebildete Induktivität direkt um die elektronischen Bauelemente 4 der leistungselektronischen Schaltungsbrücke und der zugehörigen Treiberschaltung herum gebaut, wobei auch die als Stützkapazität dienenden Kondensatoren 5 in direkter Nachbarschaft dazu platziert sind. Es sind jedoch auch andere Anordnungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, wobei insbesondere auch der Platz auf dem zweiten Schaltungsträger 2 mitgenutzt werden kann. Wichtig ist hierbei im Auge zu behalten, dass die erforderlichen Leitungslängen zwischen den verschiedenen Komponenten möglichst kurz gehalten werden.In the exemplary embodiment shown here, this is due to the annular magnetic core 6 in cooperation with the inductance formed around this rotating electrical winding directly around the electronic components 4th built around the power electronic circuit bridge and the associated driver circuit, including the capacitors serving as support capacitance 5 are placed in the immediate vicinity. However, other arrangements are also possible within the scope of the present invention, in particular the space on the second circuit carrier 2nd can be shared. It is important to keep in mind that the required cable lengths between the various components are kept as short as possible.

Durch die so verringerten Abstände der Komponenten zueinander und die damit verbundene Verkürzung strahlender Leiterschleifen wird eine EMV-Störaussendung stark reduziert.Due to the reduced spacing of the components from one another and the associated shortening of radiating conductor loops, an EMC interference emission is greatly reduced.

Derzeit gebräuchliche Leistungselektroniken werden mit vergleichsweise niedrigen Taktfrequenzen betrieben. Im Falle von Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen liegen diese etwa im Bereich von ca. 9 kHz bis 32 kHz. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, die Taktfrequenz über diesen Rahmen hinaus weiter anzuheben. Bei den angesprochenen Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen beispielweise erscheinen Taktfrequenzen im Bereich um 100 kHz durchaus erreichbar, was dazu führt, dass auch kleinere Induktivitäten und kleinere Stützkapazitäten verwendet werden können.Power electronics currently in use are operated at comparatively low clock frequencies. In the case of inverters for photovoltaic systems, these are approximately in the range from approximately 9 kHz to 32 kHz. Within the scope of the present invention, the aim is to further increase the clock frequency beyond this frame. With the inverters addressed for photovoltaic systems, for example, clock frequencies in the range around 100 kHz appear quite achievable, which means that smaller inductances and smaller supporting capacities can also be used.

Somit besteht bei dieser Art des Aufbaus dann auch die Möglichkeit den Wechselrichter ausschließlich mit SMD Komponenten aufzubauen, wodurch es möglich ist, ganze Fertigungsschritte, wie beispielsweise manuelles Anschließen von Leitungssätzen zwischen Inverter und Induktivität, Einpressen von Powermodulen, Wellenlöten bedrahteter Komponenten und so weiter einzusparen und so den Einsatz manueller Fertigungsschritte in Summe zu minimieren.Thus, with this type of construction, there is also the possibility to build the inverter exclusively with SMD components, which makes it possible to save entire manufacturing steps, such as manually connecting cable sets between the inverter and inductor, pressing in power modules, soldering wired components and so on thus minimizing the total use of manual manufacturing steps.

Die leistungselektronische Schaltungsbrücke und ihre Peripherie werden direkt auf einer Entwärmungsschnittstelle platziert. Als solche dient im hier gezeigten Beispiel ein ausgedehnter Kühlkörper 7 aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie etwa Aluminium oder Kupfer. Zusätzlich kann ein solcher Kühlkörper 7 auch noch mit hier nicht dargestellten Kanälen zur Durchströmung mit einem Kühlfluid versehen sein. Auch Teile der Schaltungsträger 1, 2 können zur Wärmeabfuhr von den leistungselektronischen Bauelementen 4 genutzt werden, indem z.B. sogenannte IMS-Leiterplatten eingesetzt werden.The power electronic circuit bridge and its peripherals are placed directly on a cooling interface. An extended heat sink serves as such in the example shown here 7 made of a highly thermally conductive material such as aluminum or copper. In addition, such a heat sink 7 also be provided with channels, not shown here, for the throughflow with a cooling fluid. Also parts of the circuit board 1 , 2nd can be used to dissipate heat from the power electronic components 4th can be used, for example, by using so-called IMS circuit boards.

Zur zusätzlichen Entwärmung durch Konvektion, bei der ein Teil der Verlustwärme über die Luft an das Gehäuse des Gerätes und schließlich an die Umgebung abgegeben wird, kann beispielsweise auch der Einsatz eines Ventilators 8 vorgesehen werden. Ein solcher ist im dargestellten Fall auf dem zweiten Schaltungsträger 2 direkt oberhalb der auf dem ersten Schaltungsträger 1 vorhandenen elektronischen Bauelemente 4 der leistungselektronischen Schaltungsbrücke angeordnet. Der zweite Schaltungsträger 2 wird dazu mit einem entsprechend großen, einen hohen Luftstrom ermöglichenden Durchbruch 2* versehen.For additional heat dissipation by convection, in which part of the heat loss is released via the air to the housing of the device and finally to the environment, a fan can also be used 8th be provided. Such is in the case shown on the second circuit carrier 2nd directly above that on the first circuit carrier 1 existing electronic components 4th the power electronic circuit bridge arranged. The second circuit carrier 2nd is provided with a correspondingly large breakthrough 2 * that enables a high air flow.

Claims (8)

Leistungselektronik umfassend zumindest einen ersten elektrischen Schaltungsträger (1), auf dem eine leistungselektronische Schaltungsbrücke, eine Treiberschaltung und ein Kondensator (5) angeordnet sind, sowie eine eine elektrische Wicklung und einen magnetischen Kern (6) aufweisende Induktivität, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter elektrischer Schaltungsträger (2) parallel zu dem ersten elektrischen Schaltungsträger (1) angeordnet ist, und dass die elektrische Wicklung der Induktivität zumindest teilweise durch Leiterbahnen (1', 2') jeweils auf dem ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger (1, 2) gebildet ist.Power electronics comprising at least a first electrical circuit carrier (1), on which a power electronic circuit bridge, a driver circuit and a capacitor (5) are arranged, and an inductor having an electrical winding and a magnetic core (6), characterized in that a second electrical Circuit carrier (2) is arranged parallel to the first electrical circuit carrier (1), and that the electrical winding of the inductance is at least partially formed by conductor tracks (1 ', 2') on the first and second electrical circuit carriers (1, 2). Leistungselektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der elektrischen Wicklung der Induktivität durch elektrische leitende Elemente (3) gebildet sind, die Leiterbahnen (1', 2') der jeweils ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger (1, 2) miteinander verbinden.Power electronics after Claim 1 , characterized in that parts of the electrical winding of the inductor are formed by electrically conductive elements (3) which connect conductor tracks (1 ', 2') of the respective first and second electrical circuit carriers (1, 2) to one another. Leistungselektronik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den magnetischen Kern (6) in Kooperation mit der diesen umlaufenden elektrischen Wicklung gebildete Induktivität direkt um die elektronischen Bauelemente (4) der leistungselektronischen Schaltungsbrücke und der zugehörigen Treiberschaltung herum gebaut ist, und dass auch die als Stützkapazität dienenden Kondensatoren (5) in direkter Nachbarschaft dazu platziert sind.Power electronics after Claim 2 , characterized in that the inductance formed by the magnetic core (6) in cooperation with the electrical winding revolving around it is built directly around the electronic components (4) of the power electronic circuit bridge and the associated driver circuit, and also that the capacitors serving as support capacitance (5) are placed in the immediate vicinity. Leistungselektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem zweiten elektrischen Schaltungsträger (2) ebenfalls elektronische Bauelemente (4) platziert sind.Power electronics according to one of Claims 1 to 3, characterized in that electronic components (4) are also placed on the second electrical circuit carrier (2). Leistungselektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Schaltungsbrücke und ihre Peripherie direkt auf einer Entwärmungsschnittstelle platziert sind.Power electronics according to one of claims 1 to 4, characterized in that the power electronic circuit bridge and its peripherals are placed directly on a cooling interface. Leistungselektronik nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwärmungsschnittstelle durch einen Kühlkörper (7) aus einem gut wärmeleitfähigen Material gebildet ist.Power electronics after Claim 5 , characterized in that the cooling interface is formed by a heat sink (7) made of a highly thermally conductive material. Leistungselektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entwärmung durch Konvektion ein Ventilator (8) auf dem zweiten Schaltungsträger (2) direkt oberhalb der auf dem ersten Schaltungsträger (1) vorhandenen elektronischen Bauelemente (4) angeordnet ist, und dass der zweite Schaltungsträger (2) mit einem entsprechend großen, einen hohem Luftstrom ermöglichenden Durchbruch (2*) versehen ist.Power electronics according to one of Claims 1 to 6, characterized in that for cooling by convection, a fan (8) is arranged on the second circuit carrier (2) directly above the electronic components (4) present on the first circuit carrier (1), and in that the second circuit carrier (2) is provided with a correspondingly large opening (2 *) which enables a high air flow. Verwendung einer Leistungselektronik nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Bestandteil eines Wechselrichters für Photovoltaikanlagen oder eines Umrichters für Antriebregler oder Netzteile. Use of a power electronics according to one of the preceding claims as part of an inverter for photovoltaic systems or a converter for drive controllers or power supplies.
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