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Die Erfindung geht aus von einem Wechselrichter nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
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EP 2 099 199 B1 offenbart eine Umrichtervorrichtung, die Leistungsschalter auf einem ersten Board und Zwischenkreiskondensatoren auf einem zweiten Board aufweist.
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Der Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass nunmehr die Leistungsschaltergruppen und die Zwischenkreiskondensatoren auf einer ersten Leiterplatte angeordnet sind, sodass eine störende Induktivität zwischen den Zwischenkreiskondensatoren und den Leistungsschaltergruppen minimiert wird. Außerdem wird für die erste Leiterplatte ein Schichtsystem aus einer ersten Metallisierung zur Ausformung der Leiterbahnen, einer Isolationsschicht und einer zweiten Metallisierungsschicht zum Kurzschließen von Wirbelströmen verwendet. Durch das Minimieren dieser sogenannten Zwischenkreisinduktivität werden Spannungsüberschwinger klein gehalten. Dadurch können Halbleiter mit einer geringeren Spannungsfestigkeit, beispielsweise von 80 V, verwendet werden. Unter Halbleitern sind vorliegend die Leistungsschalter zu verstehen. Durch die geringere Zwischenkreisinduktivität kann der Schaltvorgang schneller ausgeführt werden als bei Wechselrichtern gemäß des Standes der Technik. Dadurch, dass die Ansteuerung auf einer zweiten Leiterplatte angeordnet ist, die mit der ersten Leiterplatte verbunden ist, ist es möglich, dass auch die Signalkontaktierung beispielsweise für eine Gateansteuerung bei der Verwendung von Feldeffekttransistoren als Leistungsschaltern auch hier die Induktivität minimiert werden kann. Damit ist ein schnelles Schalten dieser Leistungsschalter möglich.
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Folglich wird ein Wechselrichter vorgeschlagen, der folgende Komponenten aufweist:
- - Eine erste Leiterplatte, die drei Leistungsschaltergruppen für eine jeweilige Phase eines Wechselstroms und Zwischenkreiskondensatoren aufweist, wobei die erste Leiterplatte eine erste Metallisierungsschicht zur Ausformung von Leiterplatten, eine Isolationsschicht und eine zweite Metallisierungsschicht zum Kurzschließen von Wirbelströmen aufweist, wobei die drei Leistungsschaltergruppen und die Zwischenkreiskondensatoren mit der ersten Metallisierung stoffschlüssig verbunden sind.
- - Wenigstens eine zweite Leiterplatte, die eine Ansteuerung für die drei Leistungsschaltergruppen aufweist und daher mit der ersten Leiterplatte verbunden ist.
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Unter einem Wechselrichter ist ein sogenannter Stromrichter zu verstehen, der Gleichstrom in Wechselstrom wandelt. Der Gleichstrom wird über einen sogenannten Zwischenkreis und vorliegend die Zwischenkreiskondensatoren bereitgestellt und dann von einer Schaltung mit Leistungsschaltern in einen Wechselstrom gewandelt. Dies geschieht durch ein sogenanntes Zerhacken des Gleichstroms. Der Wechselstrom wird dann zur Ansteuerung beispielsweise von einem Elektromotor verwendet. Dieser Wechselstrom besteht aus drei Phasen und daher sind drei Leistungsschaltergruppen dafür vorgesehen.
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Unter der Leiterplatte ist ein sogenanntes Board zu verstehen, dass als oberste Schicht eine erste Metallschicht aufweist, die zur Ausformung der Leiterbahnen vorgesehen ist. Hier wird beispielsweise durch die üblichen Strukturierungsverfahren die entsprechenden Leiterbahnen bereitgestellt. Auch zusätzliche Metallisierungen sind vorliegend noch möglich, beispielsweise durch Aufdampfen oder Electroplating, um beispielsweise eine gute Wärmeverbindung zu den aufgebrachten Halbleiterkomponenten herzustellen, um deren Kühlung zu verbessern. Diese erste Metallschicht ist auf einer Isolationsschicht aufgebracht, beispielsweise einen Kunststoff. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Polymer handeln, es ist jedoch auch möglich, eine Keramik vorzusehen. Die erste Metallisierungsschicht kann auch als eine Folie aufgebracht sein. Die Isolationsschicht ist dann auf der zweiten Metallschicht aufgebracht, und zwar beispielsweise auf einem Aluminiumträger. Dieser Aluminiumträger ist dann letztlich über ein thermisches Interfacematerial (TIM) auf einem Kühler, beispielsweise einem Wasserkühler, aufgebracht.
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Vorliegend liegen drei Leistungsschaltergruppen entsprechend der drei Phasen des Wechselstroms für die Ansteuerung insbesondere eines Elektromotors vor. Eine Leistungsschaltergruppe weist parallelgeschaltet mehrere Leistungsschalter auf. Dabei werden sogenannte Highside-Leistungsschalter und Lowside-Leistungsschalter jeweils als ein Paar vorgesehen. Wie aus den abhängigen Ansprüchen hervorgeht, handelt es sich bei einem Leistungsschalter üblicherweise um einen Feldeffekttransistor, vorzugsweise einen MOSFET.
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Weiterhin ist wenigstens eine zweite Leiterplatte vorgesehen, die eine Ansteuerung für die drei Leistungsschaltergruppen aufweist und daher mit der ersten Leiterplatte verbunden ist. Bei einem Wechselrichter werden die Leistungsschalter üblicherweise mit einer Pulsweitenmodulation angesteuert. Dies erfordert beispielsweise einen Mikrocontroller, der diese Ansteuerung entsprechend vorgegebenen Regeln vornimmt. Vorliegend ist diese Ansteuerung auf einer zweiten und damit getrennten Leiterplatte vorgesehen. Üblicherweise ist diese zweite Leiterplatte dann über der ersten Leiterplatte angeordnet. Bei der zweiten Leiterplatte kann es sich auch um eine Mehrzahl von Leiterplatten handeln. Neben der mechanischen Verbindung zwischen der ersten und der wenigstens einen zweiten Leiterplatte ist entsprechend für die Ansteuerung auch eine Verbindung hinsichtlich der zu übertragenden Signale vorgesehen. Die Ansteuerung weist demnach Rechenmittel wie einen Mikrocontroller auf, aber auch Interfacebausteine, um Sensorwerte, beispielsweise von Strom und Spannung, aufnehmen zu können. Letztlich ist mit der Ansteuerung auf der zweiten Leiterplatte die gesamte Elektronik auf dieser zweiten Leiterplatte zu verstehen, die der Ansteuerung der Leistungsschaltergruppen dient.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wechselrichters sind gemäß der abhängigen Ansprüche definiert.
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Es ist vorgesehen, dass jeweilige Leistungsschalter der jeweiligen Leistungsschaltergruppe symmetrisch zueinander angeordnet sind. Dabei liegen dann beispielsweise die Leistungsschalterpaare aus Highside- und Lowside-Leistungsschaltern symmetrisch zueinander vor. Dies hat den großen Vorteil, dass die Stromverteilung möglichst symmetrisch ist. Dies reduziert die Induktivität. Damit sind dann schnellere Schaltzyklen möglich.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass vier Leistungsschalterpaare, d.h. aus Highside- und Lowside-Leistungsschaltern für die jeweilige Leistungsschaltergruppe vorgesehen sind. Das heißt, es gibt vier Leistungsschalterpaare für jede der Leistungsschaltergruppen, also vier mal drei Leistungsschalter, mithin zwölf Leistungsschalter. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass jeder Leistungsschalter als ein Feldeffekttransistor ein eigenes Gehäuse aufweist, wobei auf einer Seite eine Kontaktierung für einen Drain-Anschluss mit der Leiterplatte die ganze Seite umfasst, und auf der gegenüberliegenden Seite ein Anschluss für ein Gate und mehrere Anschlüsse für eine Source vorgesehen sind. Aufgrund der hohen Ströme, die diese Leistungsschalter schalten müssen, ist es notwendig, dass die Drain über die ganze Seite des Gehäuses dieses Leistungsschalters geht, um diese große Strommenge effizient übertragen zu können. Entsprechend wird für die Source eine Mehrzahl von Anschlüssen oder Drähten vorgesehen, um diese Strommenge in den Transistor zu geben. Für das steuernde Gate ist daher nur ein Anschluss möglich, da dabei ja nur eine geringe Strommenge erforderlich ist. Im Feldeffekttransistor wird der Strom, der von der Source zur Drain fließt, oder umgekehrt, durch das Gate gesteuert mittels eines Feldeffekts. Wie das genau funktioniert, hängt von der verwendeten Technologie für den Feldeffekttransistor ab.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass zwischen den Highside- und den Lowside-Leistungsschaltern für jede Leistungsschaltergruppe ein jeweiliger Stromschienenanschluss für die jeweilige Phase des Wechselstroms vorgesehen ist. Das heißt, die Leistungsschalter für jede Phase umgeben also diesen Anschluss für die jeweilige Phase, der ebenfalls als eine Stromschiene ausgebildet ist. Dieser Anschluss kann beispielsweise mit der Stromschiene für diesen Wechselstrom mittels Laserschwei-ßens befestigt sein. Auch diese Anordnung ist besonders effizient und weist geringe Verluste auf.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass ein Gleichstromschienenanschluss zumindest an einer Seite der ersten Leiterplatte vorgesehen ist. Um mit möglichst geringem Widerstand den Gleichstrom zu den Leistungsschaltern zu übertragen, ist dabei ein großflächiger Gleichstrom-Stromschienenanschluss vorgesehen. Dieser Gleichstrom-Stromschienenanschluss kann insbesondere an die erste Leiterplatte angelötet, angeschweißt oder in anderer Art stoffschlüssig verbunden sein und sorgt damit auch für eine Kühlung dieses Gleichstrom-Stromschienenanschlusses, indem die Wärme von diesem Anschluss zur ersten Leiterplatte abfließen kann und dabei von dem Kühler dann gekühlt wird.
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Es ist vorgesehen, dass der Gleichstromschienenanschluss zwei Teile aufweist, die voneinander isoliert sind, aber hinsichtlich ihrer jeweiligen Geometrie abgestimmt sind. Dies bedeutet, dass für den positiven Spannungsanschluss oder negativen Spannungsanschluss ein eigener Stromschienenteil vorliegt, und diese können dann derart miteinander verbunden sein und dabei natürlich elektrisch isoliert sein, dass sie Bauraum sparend eingebaut werden können. Daher ist die Geometrie so, dass mit einer Isolierung diese beiden Teile des Gleichstromschienenanschlusses zusammengesteckt, -geschoben oder -geführt werden können.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die erste Metallschicht vorwiegend aus Kupfer und die zweite Metallschicht vorwiegend aus Aluminium besteht. Das heißt, das Kupfer als auch das Aluminium können Verunreinigungen oder auch gezielte Anteile anderer Elemente aufweisen, um beispielsweise an Festigkeit oder Widerstand gegenüber Korrosion verbessert zu sein. Die erste Metallschicht kann insbesondere eine Kupferfolie sein.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die erste und die zweite Leiterplatte miteinander verschraubt sind, beispielsweise durch Abstandshalter, wobei für die jeweilige Leistungsschaltergruppe wenigstens ein, vorzugsweise zwei, Signalpinträger vorgesehen sind, die Signale von der Ansteuerung zu den Leistungsschaltern übertragen. Für die Verschraubung kann auch noch ein Zwischenstück vorgesehen sein, beispielsweise aus Kunststoff, das zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte liegt und das Gewicht bzw. den Abstand zwischen diesen beiden Leiterplatten hält. Die Signalpinträger dienen der Signalübertragung von der Ansteuerung zu den Leistungsschaltern und sind daher entsprechend ausgebildet.
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Es ist vorgesehen, dass 24 Zwischenkreiskondensatoren auf der ersten Leiterplatte vorgesehen sind. Das bedeutet, dass pro Leistungsschaltergruppe 8 Zwischenkreiskondensatoren zur Verfügung stehen. Diese Zwischenkreiskondensatoren sind vorzugsweise Elektrolytkondensatoren.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass für die jeweilige Leistungsschaltergruppe jeweils zwei Keramikkondensatoren vorgesehen sind, die symmetrisch zu einer Achse durch die Mitte der Leistungsschaltergruppe angeordnet sind. Diese Keramikkondensatoren sind insbesondere hilfreich für die vorgesehenen Schaltvorgänge der Leistungsschalter.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Ansicht der erfindungsgemäßen ersten Leiterplatte;
- 2 eine Draufsicht auf die erste erfindungsgemäße Leiterplatte; und
- 3 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße erste Leiterplatte und angeschlossene Bauelemente.
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1 zeigt die erste erfindungsgemäße Leiterplatte LP. Diese Leiterplatte weist einen Gleichstromschienenanschluss GS auf, der vorliegend L-förmig an zwei Seiten der Leiterplatte LP angeordnet ist. Dieser Stromschienenanschluss GS hat einen positiven und einen negativen Anschluss für die Leiterplatte LP. Über viele benachbarte Anschlussstücke ist der Stromschienenanschluss GS mit der Leiterplatte LP verbunden. Damit ist ein geringer elektrischer Widerstand vorgegeben, aber es kann auch Wärme von der Gleichstromschiene GS an die Leiterplatte LP wandern. Damit wird eine Entwärmung der Gleichstromschiene GS erreicht.
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Der Gleichstrom wird dann durch Zwischenkreiskondensatoren gefiltert und gepuffert. Diese Zwischenkreiskondensatoren ZK sind vorliegend mit der Zahl 24 angegeben, d.h. 8 pro Leistungsschaltergruppe. Die Leistungsschaltergruppen bestehen aus den Leistungsschaltern LS und es liegt für jede Phase PA eine solche Leistungsschaltergruppe vor. Für jede Leistungsschaltergruppe sind jeweils zwei Signalpinträger SPT vorgesehen. Dabei ist jeder Signalpinträger dann für die Highside oder die Lowside zuständig und überträgt die entsprechenden Ansteuersignale an die Leistungsschalter LS. Jeder Leistungsschalter LS weist ein eigenes Gehäuse auf. Mit TC ist beispielhaft ein Träger für das Control Board gezeichnet, also die zweite Leiterplatte, die über dieser Leiterplatte LP angeordnet wird. Diese Träger für das Control Board ermöglichen die Verschraubung.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße erste Leiterplatte LP. Gezeigt sind die Stromschienenanschlüsse PA für die drei Phasen, die Verbindung der Gateanschlüsse VG sowie die Gatewiderstände GW und die Aufteilung in die Lowside-Leistungsschalter LSL und Highside-Leistungsschalter LSH. Auch die Keramikkondensatoren KK sind vorgestellt, die für den Schaltvorgang der Leistungsschalter vorgesehen sind. Auch die Zwischenkreiskondensatoren ZK sowie der Gleichstromschienenanschluss GS sind vorliegend dargestellt. Die Stromschienen sind vertikal zu der Leiterplatte stehend angeordnet.
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Diese Anordnung ist insbesondere für 48-V-Anwendungen gedacht. Solche Anwendungen kommen bei sogenannten Mild Hybrids zum Tragen. Bei einem Mild Hybrid läuft der Verbrennungsmotor immer und der Elektromotor hat mehr oder weniger Anteil am Antrieb. Hierfür sind dann nur die 48 V notwendig und nicht die Hochvoltanwendungen, wie bei einem sogenannten Plug-in-Hybrid oder einem Elektrofahrzeug.
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3 zeigt in einem Querschnitt die erfindungsgemäße erste Leiterplatte. Ein Leistungsschalter LS ist auf der ersten Metallschicht aus Kupfer CU angeordnet. Der Leistungsschalter LS dient selbst als Wärmequelle, die durch die Kupferschicht weitergeleitet wird. Der Isolator, der unter der Kupferschicht mit dem Bezugszeichen I bezeichnet ist, besteht entweder aus einem Polymer oder einer Keramik und leitet die Wärme weiter in die Aluminiumschicht AL, die vorliegend als Aluminiumträger auch bezeichnet wird. Unter der Aluminiumschicht befindet sich das sogenannte Thermal Interface-Material, das die Verbindung zu einem Kühler KÜ herstellt. Dieses Verbindungsmaterial ist mit dem Bezugszeichen TIM bezeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- LP
- Leiterplatte
- LS
- Leistungsschalter
- ZK
- Zwischenkreiskondensatoren
- GS
- Gleichstromschienenanschluss
- PA
- Phasen
- SPT
- Signalpinträger
- TC
- Träger für Control Board
- LSL
- Leistungsschalter Lowside
- LSH
- Leistungsschalter Highside
- KK
- Keramikkondensatoren
- GW
- Gatewiderstände
- VG
- Verbindung zum Gate
- CU
- Kupferschicht
- I
- Isolationsschicht
- AL
- Aluminiumschicht
- TIM
- Thermal Interface Material
- KÜ
- Kühler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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