DE102019213857A1 - Converter for a vehicle that is at least partially electrically powered - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Stromrichter für ein Fahrzeug, das wenigstens teilweise elektrisch angetrieben ist, vorgeschlagen. Dabei weist der Stromrichter eine erste Leiterplatte auf, die Leistungsschalter, Zwischenkreiskondensatoren, Anschlüsse für Wechselstromschienen und für Gleichstromschienen und mehrere Signalpinträger aufweist. Weiterhin ist eine zweite Leiterplatte vorgesehen, die mit der ersten Leiterplatte für eine Signalübertragung mit den Signalpinträgern zur Ansteuerung der Leistungsschalter verbunden ist. Auch eine Kühleinrichtung ist vorgesehen, die unter der ersten Leiterplatte zumindest teilweise angeordnet ist und die ein Fluid zum Wärmeabtransport von der ersten Leiterplatte bewegt.A power converter for a vehicle that is at least partially electrically driven is proposed. The converter has a first printed circuit board which has power switches, intermediate circuit capacitors, connections for AC busbars and for DC busbars and several signal pin carriers. Furthermore, a second printed circuit board is provided which is connected to the first printed circuit board for signal transmission with the signal pin carriers for controlling the circuit breakers. A cooling device is also provided which is at least partially arranged under the first printed circuit board and which moves a fluid to remove heat from the first printed circuit board.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Stromrichter für ein Fahrzeug, das zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist, nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.The invention is based on a converter for a vehicle, which is at least partially electrically driven, according to the preamble of the independent claim.

EP 2 099 199 B1 offenbart eine Umrichtervorrichtung, die Leistungsschalter auf einem ersten Board und Zwischenkreiskondensatoren auf einem zweiten Board aufweist. EP 2 099 199 B1 discloses an inverter device having power switches on a first board and intermediate circuit capacitors on a second board.

Der Stromrichter für ein Fahrzeug, das zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist, mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Trennung von Signal- und Leistungselektronik durchgeführt wird. Damit ist es möglich, dass die Leistungselektronik auf der ersten Leiterplatte individuell getestet werden kann.The converter for a vehicle that is at least partially electrically driven, with the features of the independent claim, has the advantage that signal and power electronics are separated. This makes it possible for the power electronics on the first circuit board to be tested individually.

Für andere Anwendungen bzw. Bauräume müssen lediglich die Gleichstrom- und Wechselstromanschlüsse angepasst werden. Dadurch können auch Test und Zusammenbau Weise kombiniert werden. Der vorliegende Stromrichter ist dabei insbesondere für 48 V-Anwendungen bei sogenannten Mild-Hybriden besonders vorteilhaft. Ein Mild-Hybrid-System ist eine Antriebskonfiguration, bei der der Verbrennungsmotor laufend läuft, auch wenn der oder die Elektromotoren zugeschaltet werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stromrichters ist, dass die wärmeerzeugenden Bauteile, wie die Leistungsschalter, die Stromschienen, d.h. die Anschlüsse für Wechselstromschienen und Gleichstromschienen und auch die Zwischenkreiskondensatoren auf einer Leiterplatte angeordnet sind und damit gemeinsam gekühlt werden können. Dies ermöglicht eine effizientere und einfachere Kühlung. Außerdem sind die Fertigungstoleranzen nicht im thermisch-kritischen Pfad, da zuvor die Wärme über die erste Leiterplatte gespreizt wurde.For other applications or installation spaces, only the DC and AC connections have to be adapted. This means that testing and assembly can also be combined. The present converter is particularly advantageous for 48 V applications in so-called mild hybrids. A mild hybrid system is a drive configuration in which the combustion engine runs continuously, even when the electric motor or motors are switched on. Another advantage of the converter according to the invention is that the heat-generating components, such as the circuit breakers, the busbars, i.e. the connections for AC busbars and DC busbars and also the intermediate circuit capacitors are arranged on a circuit board and can thus be cooled together. This enables more efficient and easier cooling. In addition, the manufacturing tolerances are not in the thermally critical path, since the heat was previously spread over the first printed circuit board.

Folglich wird ein Stromrichter für ein Fahrzeug, das zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist, vorgeschlagen, der Folgendes aufweist:

  • - eine erste Leiterplatte, die Leistungsschalter, Zwischenkreiskondensatoren, Anschlüsse für Wechselstrom und Gleichstromschienen und mehrere Signalpinträger aufweist
  • - eine zweite Leiterplatte, die mit der ersten Leiterplatte für eine Signalübertragung mit den Signalpinträgern zur Ansteuerung der Leistungsschalter verbunden ist
  • - eine Kühleinrichtung, die unter der ersten Leiterplatte zumindest teilweise angeordnet ist, und die ein Fluid zum Wärmeabtransport von der ersten Leiterplatte bewegt.
Consequently, a power converter for a vehicle that is at least partially electrically driven is proposed, which has the following:
  • - A first printed circuit board, which has power switches, intermediate circuit capacitors, connections for alternating current and direct current rails and several signal pin carriers
  • - A second printed circuit board, which is connected to the first printed circuit board for signal transmission with the signal pin carriers for controlling the circuit breakers
  • - A cooling device which is at least partially arranged under the first circuit board and which moves a fluid to remove heat from the first circuit board.

Unter einem Stromrichter ist vorliegend ein Inverter bzw. Wechselrichter zu verstehen, also eine Schaltung, die Gleichstrom in Wechselstrom wandelt.In the present case, a power converter is to be understood as an inverter or inverter, that is to say a circuit that converts direct current into alternating current.

Die erste Leiterplatte, die gemäß der abhängigen Ansprüche noch näher definiert wird, ist einstückig und nimmt die wärmeerzeugenden Komponenten des Stromrichters auf. Bei den Leistungsschaltern handelt es sich üblicherweise um Halbleiterleistungsschalter wie MOSFETs, es sind jedoch auch andere Leistungsschalter, die in der Lage sind, hohe Ströme und hohe Spannungen zu schalten, möglich. Bei den Zwischenkreiskondensatoren handelt es sich um Kondensatoren, die den Gleichstrom für die Schaltung mit Leistungsschaltern bereitstellen. Die Leistungsschalter wandeln den Gleichstrom in einen Wechselstrom. 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.The first printed circuit board, which is defined in more detail according to the dependent claims, is in one piece and receives the heat-generating components of the converter. The power switches are usually semiconductor power switches such as MOSFETs, but other power switches that are able to switch high currents and high voltages are also possible. The intermediate circuit capacitors are capacitors that provide the direct current for switching with power switches. The circuit breakers convert the direct current into an alternating current. This is done by so-called chopping of the direct current. The alternating current is then used to control an electric motor, for example. This alternating current consists of three phases and therefore three groups of breakers are provided for it.

Wie oben dargestellt, handelt es sich bei der ersten Leiterplatte um ein sogenanntes Board, das als oberste Schicht eine erste Metallschicht beispielsweise aufweist, die zur Ausformung der Leiterbahnen vorgesehen ist. Auch eine Wärmeankopplung kann durch diese erste Metallschicht definiert werden. Vorliegend werden 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 aus einem Kunststoff oder einer Keramik. Bei dem Kunststoff kann es sich beispielsweise um ein Polymer mit Keramikpartikeln handeln. Die erste Metallschicht kann auch als eine Folie aufgebracht sein. Die Isolationsschicht ist dann auf einer 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 oder Luftkühler, aufgebracht.As shown above, the first printed circuit board is what is known as a board, which has a first metal layer as the top layer, for example, which is provided for forming the conductor tracks. A thermal coupling can also be defined by this first metal layer. In the present case, for example, the corresponding conductor tracks are provided by the usual structuring methods. Additional metallizations are also possible in the present case, for example by vapor deposition or electroplating, for example in order to produce a good thermal connection to the applied semiconductor components in order to improve their cooling. This first metal layer is applied to an insulation layer, for example made of a plastic or a ceramic. The plastic can be, for example, a polymer with ceramic particles. The first metal layer can also be applied as a film. The insulation layer is then applied to a second metal layer, for example on an aluminum carrier. This aluminum carrier is then ultimately via a thermal interface material ( TIM ) applied to a cooler, for example a water cooler or air cooler.

Über die Anschlüsse für die Wechselstromschienen wird der Wechselstrom an den Elektromotor ausgegeben. Die Anschlüsse für die Gleichstromschienen dienen zur Zufuhr des Gleichstroms für die Erzeugung des Wechselstroms. Die Signalpinträger sind beispielsweise mit den Gates der Leistungsschalter verbunden, um diese entsprechend anzusteuern. Signalpinträger verbinden signaltechnisch die erste Leiterplatte mit der zweiten Leiterplatte. Dies kann durch eine Einpressung oder Verlötung geschehen. Auf der zweiten Leiterplatte sind daher entsprechende Ansteuermittel vorgesehen, die über die Signalpinträger die Leistungsschalter ansteuern. Weiterhin ist unter der ersten Leiterplatte eine Kühleinrichtung vorgesehen, mit der ein Fluid zum Wärmeabtransport von der ersten Leiterplatte bewegt wird. Dieses Fluid kann beispielsweise Wasser oder Luft sein. Aber auch andere Gase oder Flüssigkeiten sind vorliegend möglich. Diese Kühleinrichtung weist einen entsprechenden Kühlkörper dann unter der ersten Leiterplatte auf. Der thermische Pfad geht dann von den Leistungsschaltern über die Verlötung auf der ersten Leiterplatte durch die erste Leiterplatte und beispielsweise auch dann durch ein thermisches Interfacematerial zu dem Kühlkörper.The alternating current is output to the electric motor via the connections for the alternating current rails. The connections for the direct current rails are used to supply the direct current for generating the alternating current. The signal pin carriers are, for example, connected to the gates of the circuit breakers in order to control them accordingly. Signal pin carriers connect the first circuit board with the second circuit board for signaling purposes. This can be done by pressing in or soldering happen. Corresponding control means are therefore provided on the second printed circuit board, which control the circuit breakers via the signal pin carriers. Furthermore, a cooling device is provided under the first printed circuit board, with which a fluid is moved to remove heat from the first printed circuit board. This fluid can be, for example, water or air. However, other gases or liquids are also possible in the present case. This cooling device then has a corresponding heat sink under the first printed circuit board. The thermal path then goes from the circuit breakers via the soldering on the first circuit board through the first circuit board and, for example, then also through a thermal interface material to the heat sink.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Stromrichters möglich.The measures and developments listed in the dependent claims make advantageous improvements to the converter specified in the independent claim possible.

Es ist vorgesehen, dass die erste Leiterplatte eine erste Metallschicht zur Ausformung von Leiterbahnen aufweist, mit denen die Leistungsschalter, die Zwischenkreiskondensatoren und die Anschlüsse verbunden sind. Weiterhin ist vorgesehen, dass unter der ersten Metallschicht eine Isolationsschicht vorgesehen ist, und dass unter der Isolationsschicht eine zweite Metallschicht vorgesehen ist, wobei die zweite Metallschicht mit der Kühleinrichtung verbunden ist. Diese Verbindung kann beispielsweise durch das thermische Interfacematerial realisiert sein.It is provided that the first printed circuit board has a first metal layer for forming conductor tracks with which the circuit breakers, the intermediate circuit capacitors and the connections are connected. It is further provided that an insulation layer is provided under the first metal layer, and that a second metal layer is provided under the insulation layer, the second metal layer being connected to the cooling device. This connection can be implemented, for example, by the thermal interface material.

Dabei ist vorgesehen, dass die erste Metallschicht im Wesentlichen aus Kupfer und die zweite Metallschicht im Wesentlichen aus Aluminium besteht. Insbesondere können für die erste Metallschicht eine Kupferfolie und für die zweite Metallschicht eine Aluminiumschicht vorgesehen sein.It is provided that the first metal layer consists essentially of copper and the second metal layer essentially consists of aluminum. In particular, a copper foil can be provided for the first metal layer and an aluminum layer for the second metal layer.

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Wechselstromschienen und die Gleichstromschienen mit ihren jeweiligen Anschlüssen auf der ersten Leiterplatte verschweißt oder verlötet sind. Dabei kann beispielsweise Laserschweißen oder Ultraschallschweißen eingesetzt werden. Der Schweißprozess ist im Allgemeinen stabiler als der Lötprozess und führt zu Verbindungen, die einer höheren mechanischen Belastung aussetzbar sind.In addition, it is provided that the alternating current rails and the direct current rails are welded or soldered to their respective connections on the first printed circuit board. For example, laser welding or ultrasonic welding can be used here. The welding process is generally more stable than the soldering process and leads to connections that can be exposed to higher mechanical loads.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Signalpinträger in die erste Leiterplatte eingepresst oder mit der ersten Leiterplatte verlötet sind.It is also provided that the signal pin carriers are pressed into the first printed circuit board or soldered to the first printed circuit board.

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung einen Kühlkanal aufweist, der mit einem Aluminiumdruckgussverfahren hergestellt ist, und dass der Kühlkanal einen Deckel aufweist, der mit einem Rührreibverfahren mit dem Kühlkanal verbunden ist. Dabei ist eine Pinfin-Struktur unterhalb der ersten Leiterplatte vorgesehen. Das Kühlfluid wird von unten über den Deckel mit zwei Kühlfluidanschlüssen zu- und abgeführt.In addition, it is provided that the cooling device has a cooling channel that is produced using an aluminum die-casting process, and that the cooling channel has a cover that is connected to the cooling channel using a friction stir process. A pin-fin structure is provided below the first circuit board. The cooling fluid is supplied and discharged from below via the cover with two cooling fluid connections.

Weiterhin ist vorgesehen, dass zwischen der zweiten Metallschicht und dem Kühlkörper eine Wärmeleitpaste, mithin das thermische Interfacematerial, vorgesehen ist.Furthermore, it is provided that a heat-conducting paste, hence the thermal interface material, is provided between the second metal layer and the heat sink.

In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Wärmeleitpaste mit einem Gapfiller mit Glaskugeln kombiniert ist. Dabei kann es sich um keramikgefüllte Gapfiller auf Silikon- oder Epoxyd-Polymer-Basis handeln. Die Glaskugeln haben bspw. einen Durchmesser von 180µm. Die Wärmeleitfähigkeit kann zwischen 1,5 und 8 W/m*K betragen.In a further development it can be provided that the thermal paste is combined with a gap filler with glass balls. These can be ceramic-filled gap fillers based on silicone or epoxy-polymer. The glass spheres have a diameter of 180 μm, for example. The thermal conductivity can be between 1.5 and 8 W / m * K.

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass auf der ersten Leiterplatte wenigstens zwei Kerne für jeweilige Stromsensoren vorgesehen sind. Bei einem Stromsensor handelt es sich um ein elektrisches Bauelement, mit dem die Stromstärke in den Stromschienen anhand der durch elektrische Ströme ausgelösten magnetischen Flussdichte gemessen werden kann. Mit den Kernen wird die magnetische Flussdichte auf die Stromsensoren fokussiert. Diese Kerne können jeweils als ein Blechpaket zur Bündelung des magnetischen Feldes ausgebildet sein.In addition, it is provided that at least two cores for respective current sensors are provided on the first printed circuit board. A current sensor is an electrical component with which the strength of the current in the busbars can be measured on the basis of the magnetic flux density triggered by electrical currents. With the cores, the magnetic flux density is focused on the current sensors. These cores can each be designed as a laminated core for bundling the magnetic field.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die zweite Leiterplatte eine Schnittstelle zu einem Fahrzeugkommunikationssystem aufweist. Solch eine Schnittstelle kann beispielsweise eine CAN-Bus-Schnittstelle sein.It is also provided that the second printed circuit board has an interface to a vehicle communication system. Such an interface can be a CAN bus interface, for example.

Es kann auch vorgesehen sein, dass auf der ersten Leiterplatte unterschiedliche Lote mit jeweils unterschiedlichen Schmelzpunkten verwendet sind.It can also be provided that different solders, each with different melting points, are used on the first printed circuit board.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description.

Es zeigen:

  • 1 eine erste Ansicht der ersten Leiterplatte;
  • 2 eine zweite Ansicht der ersten Leiterplatte;
  • 3 eine Seitenansicht des Wechselrichters;
  • 4 eine dritte Ansicht der ersten Leiterplatte;
  • 5 eine vierte Ansicht der ersten Leiterplatte;
  • 6 einen thermischen Pfad und
  • 7 einen Querschnitt durch den Stromrichter.
Show it:
  • 1 a first view of the first circuit board;
  • 2 a second view of the first circuit board;
  • 3 a side view of the inverter;
  • 4th a third view of the first circuit board;
  • 5 a fourth view of the first circuit board;
  • 6th a thermal path and
  • 7th a cross section through the converter.

1 zeigt eine erste Ansicht der ersten Leiterplatte LP1. Auf der Leiterplatte LP1, die als IMS-Leiterplatte ausgebildet sein kann, sind die Zwischenkreiskondensatoren ZK angeordnet, die über die Gleichstromschienen DC-A den Gleichstrom erhalten. Vorzugsweise liegt die Gleichspannung bei 48 V, wie es für sogenannte Mild Hybrid-Anwendungen notwendig ist. Angeschlossen an die Zwischenkreiskondensatoren ZK sind die Leistungsschalter LS, die symmetrisch aufgebaut sind und in Highside- und Lowside-Schalter aufgeteilt werden können. Die Highside-Schalter sind an der positiven Spannung angeordnet und die Lowside-Schalter an dem niedrigeren Spannungspotenzial. Die Leistungsschalter LS werden über ihre Gates, wenn es sich um Feldeffekttransistoren handelt, über die Signalpinträger SPT gesteuert. Die Signalpinträger SPT sind signaltechnisch mit der zweiten Leiterplatte verbunden, auf der sich die Ansteuerung für die Leistungsschalter LS befindet. 1 shows a first view of the first printed circuit board LP1 . On the circuit board LP1 , which can be designed as an IMS circuit board, are the intermediate circuit capacitors ZK arranged that over the DC busbars DC-A get the direct current. The DC voltage is preferably 48 V, as is necessary for so-called mild hybrid applications. Connected to the intermediate circuit capacitors ZK are the circuit breakers LS which are symmetrical and can be divided into high-side and low-side switches. The high-side switches are arranged at the positive voltage and the low-side switches at the lower voltage potential. The circuit breakers LS are via their gates, in the case of field effect transistors, via the signal pin carriers SPT controlled. The signal pin carriers SPT are signal-connected to the second printed circuit board on which the control for the circuit breakers is located LS is located.

Vorliegend sind drei Leistungsschaltergruppen für jede der drei Phasen des Wechselstroms vorgesehen. Die Wechselstromschienen sind vorliegend angeschweißt, wie beispielsweise es die Schweißverbindung SV-AC-B zeigt. Auch die Wechselstromschienen-Phasenanschlüsse AC-PA sind vorliegend dargestellt. Weiterhin sind auch die Träger für die zweite Leiterplatte SV vorgesehen. Hier ist eine Schraubverbindung beispielhaft dargestellt. Weiterhin sind die Kunststoffträger KT für die Wechselstromschienen und die Kerne für die Stromsensoren K dargestellt. Auch die Kerne für die Stromsensoren K sind vorliegend als Blechpakete dargestellt.In the present case, three groups of circuit breakers are provided for each of the three phases of the alternating current. In the present case, the AC busbars are welded on, as is the welded connection, for example SV-AC-B shows. The AC-PA AC busbar phase connections are also shown here. Furthermore, there are also the carriers for the second printed circuit board SV intended. A screw connection is shown here as an example. Furthermore, the plastic supports KT for the AC busbars and the cores for the current sensors K shown. Also the cores for the current sensors K are shown here as laminated stacks.

Der Gleichstrom wird über die Gleichstromschienen DC-A zu den Zwischenkreiskondensatoren ZK geführt. Dort wird dieser Gleichstrom an die Leistungsschalter LS übergeben, die in Abhängigkeit von der Ansteuerung über die Signalpinträger angesteuert werden und aus dem Gleichstrom durch ein sogenanntes Zerhacken den Wechselstrom erzeugen. Vorliegend sind 8 MOSFETS, also jeweils 4 für die Highside und 4 für die Lowside pro Leistungsschaltergruppe, vorgesehen. Damit wird ein topologischer High-Side-Schalter durch die 4 parallel geschalteten MOSFETs realisiert und entsprechend für den Low-Side-Schalter. Die topologischen High- und Low-Side-Schalter sind als Halbbrücke pro Phase verschaltet. Dies führt zu einer hohen Qualität des auszugebenden Wechselstroms. Über die Stromsensoren kann die Stromstärke des Wechselstroms überwacht werden. Der Wechselstrom wird dann über die Wechselstromschiene AC-PA an den Elektromotor ausgegeben.The direct current is supplied via the direct current rails DC-A to the intermediate circuit capacitors ZK guided. There this direct current is sent to the circuit breaker LS which are controlled depending on the control via the signal pin carrier and generate the alternating current from the direct current by so-called chopping. In the present case, 8 MOSFETS are provided, i.e. 4 each for the high side and 4 for the low side per circuit breaker group. A topological high-side switch is thus implemented by the 4 parallel-connected MOSFETs and accordingly for the low-side switch. The topological high and low side switches are connected as a half bridge per phase. This leads to a high quality of the alternating current to be output. The amperage of the alternating current can be monitored via the current sensors. The alternating current is then output to the electric motor via the AC-PA busbar.

Die Signalpinträger SPT sind in einer Art Klammer und vorliegend wird für jede Leistungsschaltergruppe ein Paar von Signalpinträgern oder ein einziger Signalpinträgern mit den entsprechenden Anschlüssen SPT vorgesehen. Das heißt, der oder die Signalpinträger SPT steuert dann die Gates der MOSFETs an.The signal pin carriers SPT are in a kind of brackets and in the present case a pair of signal pin carriers or a single signal pin carrier with the corresponding connections is used for each circuit breaker group SPT intended. That is, the signal pin carrier or carriers SPT then controls the gates of the MOSFETs.

2 zeigt die erste Leiterplatte in einer Draufsicht. Die Phasenanschlüsse PA der einzelnen Leistungsschaltergruppen sind dargestellt und wie sie zu dem Ausgang der Wechselstromschiene geführt werden. Vorliegend ist deutlich, dass dies in die vertikale Richtung, also in die Bildebene hinein auf unterschiedlichen Ebenen erfolgt. Das heißt, die einzelnen Stromschienen für den Wechselstrom werden auf unterschiedlichen Höhen geführt, d.h. in vertikal unterschiedlichen Höhen. Die Träger für das Kontrollboard SV sowie die Leistungsschalter LS und die Zwischenkreiskondensatoren ZK sind vorliegend ebenfalls dargestellt, wie auch die Signalpinträger SPT. Deutlich ist die symmetrische Anordnung der Leistungsschalter LS, und dass pro Leistungsschaltergruppe acht Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen sind, d.h. insgesamt 24. 2 shows the first circuit board in a plan view. The phase connections PA the individual breaker groups are shown and how they are routed to the output of the AC busbar. It is clear in the present case that this takes place in the vertical direction, that is to say into the image plane on different planes. This means that the individual busbars for the alternating current are guided at different heights, ie at different heights vertically. The carrier for the control board SV as well as the circuit breakers LS and the intermediate circuit capacitors ZK are also shown here, as well as the signal pin carriers SPT . The symmetrical arrangement of the circuit breakers is clear LS , and that eight intermediate circuit capacitors are provided per circuit breaker group, ie a total of 24.

3 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Stromrichters. Die erste Leiterplatte LP1 bildet die Unterseite, an die die umspritzten Wechselstromanschlüsse KÜ angeschlossen sind. Die Signalpinträgereinpresspins SPT-EPD sowie die Signalträgerführungen SPT-F sind ebenfalls dargestellt und zeigen, wie die Verbindung zwischen den beiden Leiterplatten LP1 und LP2 vorgenommen wird. 3 shows a side view of the converter according to the invention. The first circuit board LP1 forms the underside to which the molded AC connections KÜ are connected. The signal pin carrier press-in pins SPT-EPD and the signal carrier guides SPT-F are also shown and show how the connection between the two circuit boards LP1 and LP2 is made.

4 zeigt eine weitere Ansicht der ersten Leiterplatte. Die drei Phasen PA werden aus der Mitte der Leistungsschaltergruppen herausgeführt, indem die Stromschiene an einen Anschluss in der Mitte der Leistungsschaltergruppen jeweils angeschweißt ist. Die Leistungsschalter sind darum symmetrisch angeordnet. Ebenso die Zwischenkreiskondensatoren ZK sind in Achtergruppen den jeweiligen Leistungsschaltergruppen zugeordnet. Die Signalpinträger SPT sind mit ihren Anschlüssen ebenfalls dargestellt, wie auch der Gleichstromschienenanschluss DC-A. 4th shows another view of the first printed circuit board. The three phases PA are brought out from the middle of the circuit breaker groups by welding the busbar to a connection in the middle of the circuit breaker groups. The circuit breakers are therefore arranged symmetrically. Likewise the intermediate circuit capacitors ZK are assigned to the respective circuit breaker groups in groups of eight. The signal pin carriers SPT are also shown with their connections, as is the DC rail connection DC-A .

5 zeigt eine weitere Draufsicht auf die erste Leiterplatte. Die Stromschienenanschlüsse sind an der Seite angeführt und man sieht die Anschlüsse für die einzelnen Zündkreiskondensatoren an die Gleichstrom-Stromschiene DC-A. Bei den Zwischenkreiskondensatoren ZK handelt es sich um Elektrolytkondensatoren. Weiterhin sind zwischen den Leistungsschaltergruppen und den Zwischenkreiskondensatoren ZK Keramikkondensatoren KRK für die Beeinflussung des zeitlichen Verhaltens vorgesehen. Gezeigt sind hier die Gateanschlüsse GA von den Signalpinträgern an die einzelnen Gates der Leistungsschalter MOSFET Lowside ML und MOSFET Highside MH. Auch Gatewiderstände GW sind vorliegend eingezeichnet, ebenso die Phasenanschlüsse PA. 5 shows a further plan view of the first printed circuit board. The busbar connections are listed on the side and you can see the connections for the individual ignition circuit capacitors to the DC busbar DC-A . With the intermediate circuit capacitors ZK are electrolytic capacitors. Furthermore, there are between the circuit breaker groups and the intermediate circuit capacitors ZK Ceramic capacitors CRC intended for influencing the behavior over time. The gate connections are shown here GA from the signal pin carriers to the individual gates of the power switch MOSFET Lowside ML and MOSFET Highside MH . Gate resistors too GW are shown here, as are the phase connections PA .

6 zeigt den thermischen Pfad vom Leistungsschalter LS zum Kühlkanal KK. Der Leistungsschalter LS ist über eine Lötverbindung LO mit der Kupferschicht auf der ersten Leiterplatte LP1 angeschlossen. Diese Kupferschicht befindet sich auf einer Isolationsschicht, die vorliegend von einem Polymer PO gebildet wird. Statt eines Polymers kann auch eine Keramik verwendet werden. Unterhalb des Polymers PO befindet sich eine Aluminiumschicht AL. Diese Aluminiumschicht AL hat die Aufgabe, Wirbelströme, die von den elektromagnetischen Feldern an den Leistungsschaltern ausgehen, kurzzuschließen. Anstatt Aluminium kann auch Kupfer hier verwendet werden. Die Aluminiumschicht AL ist über eine thermische Interfaceschicht TIM mit dem Kühlkanal KK verbunden. Dabei kann die thermische Interfaceschicht TIM mit einem Gapfiller mit Glaskugeln verbunden sein, um den Abstand gleichmäßig und mit sehr geringen Toleranzen einzustellen. 6th shows the thermal path from the circuit breaker LS to the cooling duct KK . The circuit breaker LS is via a solder joint LO with the copper layer on the first circuit board LP1 connected. This copper layer is located on an insulation layer, which in the present case is made of a polymer PO is formed. Instead of a polymer, a ceramic can also be used. Below the polymer PO there is an aluminum layer AL . This aluminum layer AL has the task of short-circuiting eddy currents emanating from the electromagnetic fields at the circuit breakers. Instead of aluminum, copper can also be used here. The aluminum layer AL is via a thermal interface layer TIM with the cooling duct KK connected. The thermal interface layer TIM be connected to a gap filler with glass balls in order to adjust the distance evenly and with very small tolerances.

7 zeigt einen Querschnitt durch den Stromrichter. Mit Bezugszeichen sind nur die für das Verständnis dieser Figur wichtigsten Elemente versehen. Gezeigt ist die oben beschriebene Struktur aus den Leiterplatten LP1 und LP2 sowie den Phasenanschlüssen PA. Unter der ersten Leiterplatte LP1 ist das Gapfillermaterial TIM vorgesehen. Darunter folgt dann die Kühleinrichtung C mit einer Pinfinstruktur, die vom Kühlfluid umströmt wird sowie der mit Reibrührschweißen befestigte Deckel D. 7th shows a cross section through the converter. Only the elements that are most important for understanding this figure are provided with reference symbols. The above-described structure from the circuit boards is shown LP1 and LP2 as well as the phase connections PA . Under the first circuit board LP1 is the gap filler material TIM intended. The cooling device then follows below C. with a pin-fin structure around which the cooling fluid flows and the lid fastened with friction stir welding D. .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

LP1, 2LP1, 2
LeiterplatteCircuit board
LSLS
LeistungsschalterCircuit breaker
ZKZK
ZwischenkreiskondensatorenDC link capacitors
KK
Kerne für StromsensorenCores for current sensors
SV-AC-BSV-AC-B
Schweißverbindung für WechselstromschieneWelded connection for AC busbar
KTKT
Kunststoffträger für Wechselstromschiene und StrommesskernePlastic carrier for AC busbar and current measuring cores
SVSV
Träger für die zweite LeiterplatteCarrier for the second printed circuit board
SPTSPT
SignalpinträgerSignal pin carrier
PAPA
WechselstromschienenanschlüsseAC busbar connections
DC-ADC-A
GleichstromschienenanschlüsseDC busbar connections
SP-FSP-F
SignalpinträgerführungenSignal pin carrier guides
SP-EPDSP-EPD
SignalpinträgereinpresspinsSignal pin carrier press-fit pins
KÜKÜ
umspritzte Wechselstromanschlüssemolded AC connections
GWGW
GatewiderständeGate resistors
GAGA
Verbindung GateanschlüsseConnection gate connections
MLML
MOSFET LowsideMOSFET lowside
MHMH
MOSFET HighsideMOSFET highside
KRKCRC
KeramikkondensatorenCeramic capacitors
LOLO
LötverbindungenSoldered connections
CUCU
Kupfercopper
POPO
Polymerpolymer
ALAL
Aluminiumaluminum
TIMTIM
thermische Interfaceschichtthermal interface layer
KKKK
KühlkörperHeat sink
CC.
KühleinrichtungCooling device
DD.
Deckelcover
PFPF
PinfinstrukturPinfin structure

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 2099199 B1 [0002]EP 2099199 B1 [0002]

Claims (13)

Stromrichter für ein Fahrzeug, das zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist, mit - einer ersten Leiterplatte (LP1), die Leistungsschalter (LS), Zwischenkreiskondensatoren (ZK), Anschlüsse für Wechselstromschienen (PA) und für Gleichstromschienen (DC-A) und mehrere Signalpinträger (SPT) aufweist, - einer zweiten Leiterplatte (LP2), die mit der ersten Leiterplatte (LP1) für eine Signalübertragung mit den Signalpinträgern (SPT) zur Ansteuerung der Leistungsschalter (LS) verbunden ist, - einer Kühleinrichtung (C), die unter der ersten Leiterplatte (LP1) zumindest teilweise angeordnet ist und die ein Fluid zum Wärmeabtransport von der ersten Leiterplatte (LP1) bewegt.Converter for a vehicle that is at least partially electrically driven with - A first printed circuit board (LP1), which has circuit breakers (LS), intermediate circuit capacitors (ZK), connections for AC busbars (PA) and for DC busbars (DC-A) and several signal pin carriers (SPT), - A second printed circuit board (LP2), which is connected to the first printed circuit board (LP1) for signal transmission with the signal pin carriers (SPT) for controlling the circuit breakers (LS), - A cooling device (C) which is at least partially arranged under the first printed circuit board (LP1) and which moves a fluid for removing heat from the first printed circuit board (LP1). Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (LP1) eine erste Metallschicht (CU) zur Ausformung von Leiterbahnen aufweist, mit denen die Leistungsschalter (LS) die Zwischenkreiskondensatoren (ZK) und die Anschlüsse (PA, DC-A) verbunden sind, dass unter der ersten Metallschicht (CU) eine Isolationsschicht (PO) vorgesehen ist, dass unter der Isolationsschicht (PO) eine zweite Metallschicht (AL) vorgesehen ist, wobei die zweite Metallschicht (AL) mit der Kühleinrichtung (C) verbunden ist.Converter according to Claim 1 , characterized in that the first printed circuit board (LP1) has a first metal layer (CU) for forming conductor tracks with which the circuit breakers (LS), the intermediate circuit capacitors (ZK) and the connections (PA, DC-A) are connected that under the first metal layer (CU) an insulation layer (PO) is provided that a second metal layer (AL) is provided under the insulation layer (PO), the second metal layer (AL) being connected to the cooling device (C). Stromrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (CU) im Wesentlichen Kupfer und die zweite Metallschicht im Wesentlichen Aluminium aufweist.Converter according to Claim 2 , characterized in that the first metal layer (CU) essentially comprises copper and the second metal layer essentially comprises aluminum. Stromrichter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselstromschienen (PA) und die Gleichstromschienen (DC-A) mit ihren jeweiligen Anschlüssen auf der ersten Leiterplatte (LP1) verschweißt oder verlötet sind.Converter according to Claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the alternating current rails (PA) and the direct current rails (DC-A) are welded or soldered to their respective connections on the first printed circuit board (LP1). Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalpinträger (SPT) in die erste Leiterplatte eingepresst oder mit der ersten Leiterplatte verlötet sind.Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that the signal pin carriers (SPT) are pressed into the first printed circuit board or are soldered to the first printed circuit board. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (C) einen Kühlkanal (KK) aufweist, der mit einem Aluminiumdruckgussverfahren hergestellt ist, und dass der Kühlkanal einen Deckel aufweist, der mit einem Rührreibverfahren mit dem Kühlkanal verbunden ist.Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling device (C) has a cooling duct (KK) which is produced using an aluminum die-casting process, and that the cooling duct has a cover which is connected to the cooling duct using a friction stir process. Stromrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Metallschicht (AL) und dem Kühlkanal (KK) eine Wärmeleitpaste (TIM) vorgesehen ist.Power converter according to one of the Claims 2 to 6th , characterized in that a thermal paste (TIM) is provided between the second metal layer (AL) and the cooling channel (KK). Stromrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitpaste (TIM) mit einem Gapfiller mit Glaskugeln kombiniert ist.Converter according to Claim 7 , characterized in that the thermal paste (TIM) is combined with a gap filler with glass balls. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Leiterplatte (LP1) wenigstens zwei Kerne für jeweilige Stromsensoren vorgesehen sind.Converter according to Claim 1 , characterized in that at least two cores for respective current sensors are provided on the first printed circuit board (LP1). Stromrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Kerne (K) jeweils ein Blechpaket zur Bündelung eines magnetischen Feldes aufweisen.Converter according to Claim 9 , characterized in that the at least two cores (K) each have a laminated core for bundling a magnetic field. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leiterplatte (LP2) eine Schnittstelle zu einem Fahrzeugkommunikationssystem aufweist.Converter according to Claim 1 , characterized in that the second printed circuit board (LP2) has an interface to a vehicle communication system. Stromrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle eine CAN-Bus-Schnittstelle ist.Converter according to Claim 11 , characterized in that the interface is a CAN bus interface. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Leiterplatte (LP1) unterschiedliche Lote mit jeweils unterschiedlichen Schmelzpunkten verwendet sind.Converter according to Claim 1 , characterized in that different solders with different melting points are used on the first printed circuit board (LP1).
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