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Die vorliegende Erfindung betrifft eine induktive Baugruppe, mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung solch einer induktiven Baugruppe.
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Stand der Technik
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Beim Elektro- und Hybridfahrzeugen wird Energie vom Hochvoltnetz (HV) bzw. aus einer HV-Batterie in das 12V-Niedervoltnetz übertragen. Beim Bosch wird diese Aufgabe mit einem mehrphasigen phase-shifted full bridge (PSFB) DCDC-Wandler realisiert. Ein Transformator übersetzt die Primärspannung Up auf die Sekundärseite und sorgt für die notwendige galvanische Trennung zwischen HV- und LV-Bordnetz um u.a. Personenschutz zu gewährleisten. Die sekundärseitige Wechselspannung wird mittels Gleichrichterdioden bzw. eines Synchrongleichrichters gleichgerichtet.
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Der DCDC-Wandler und der Antriebswechselrichter benötigen eine interne Spannungsversorgung, die aus einer ungeregelte HV- bzw. LV-Spannung eine bzw. mehrere geregelte Ausgangsspannungen bereitstellt. Hierfür werden in der Regel Schaltnetzteile bzw. DCDC-Wandler mit niedriger Ausgangsleistung aus Gründen der Energiewandlungseffizienz eingesetzt. Diese DCDC-Wandler benötigen normalerweise induktive Bauelemente als Speichermedium bzw. für eine galvanische Trennung, wenn diese aus Sicherheitsgründen oder für die Bereitstellung mehrerer Ausgangsspannungen gefordert ist. Die induktiven Bauelemente bilden eine induktive Baugruppe und umfassen eine Spule und wenigstens einen Magnetkern.
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Diese induktiven Bauelemente werden normalerweise als THT-Bauteile (Through Hole Technology), durch Stecken bei der Fertigung an einer Leiterplatte befestigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine induktive Baugruppe vorgeschlagen. Die induktive Baugruppe umfasst eine Leiterplatte mit einer ersten Seite und einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite, wobei in der Leiterplatte wenigstens eine Leiterbahn, die eine Spule in der Leiterplatte bildet, ausgebildet ist, wobei die induktive Baugruppe weiterhin wenigstens einen ersten Magnetkern, an dem erste Befestigungselemente ausgebildet sind, und einen zweiten Magnetkern, an dem zweite Befestigungselemente ausgebildet sind, umfasst, wobei der erste Magnetkern zumindest teilweise auf der ersten Seite der Leiterplatte angeordnet ist und die ersten Befestigungselemente auf der ersten Seite der Leiterplatte befestigt sind, wobei der zweite Magnetkern auf der zweiten Seite der Leiterplatte angeordnet ist und die zweiten Befestigungselemente auf der zweiten Seite der Leiterplatte befestigt sind, wobei die aus der Leiterbahn gebildete Spule zwischen dem ersten Magnetkern und dem zweiten Magnetkern angeordnet ist.
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die induktive Baugruppe den Vorteil auf, dass die induktive Baugruppe besonders einfach und günstig gefertigt werden kann. Die induktive Baugruppe wird direkt in die Leiterplatte integriert, indem die Spule bereits als Leiterbahn in der Leiterplatte ausgebildet ist. Dann müssen nur noch der erste und der zweite Magnetkern an der Leiterplatte befestigt werden müssen um die induktive Baugruppe in der Schaltung der Leiterplatte zu realisieren. Die induktive Baugruppe aus einer Spule und einem Kern liegt somit nicht als von der Leiterplatte separates Bauteil vor, das dann als Ganzes auf der Leiterplatte montiert werden muss und elektrisch an die Leiterbahnen der Leiterplatte angebunden werden muss. Die induktive Baugruppe ergibt sich vielmehr als integrales Element der Leiterplatte, wenn die Leiterplatte mit dem ersten Magnetkern und dem zweiten Magnetkern bestückt wird. Die induktive Baugruppe kann somit vorteilhaft einfach und kostengünstig in Standardprozessen, wie beispielsweise der SMD-Bestückungstechnik, hergestellt werden. Die Spule der induktiven Baugruppe muss im Vergleich zum Stand der Technik auch nicht mit dem Rest der Schaltung elektrisch leitend verbunden werden, da die Spule bereits als Leiterbahn der Leiterplatte entsprechend an den Rest der Schaltung angebunden ist. Gleichzeitig weist die induktive Baugruppe auch einen vergleichsweise geringen Bauraumbedarf auf. Insgesamt kann die Baugruppe vorteilhaft einfach gefertigt werden und dadurch die Bauteilkosten erheblich gesenkt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die ersten Befestigungselemente und/oder die zweiten Befestigungselemente auf die Leiterplatte gelötet sind. So können die Magnetkerne besonders gut und einfach in Standard-Bestückungsverfahren, beispielsweise der SMD-Bestückungstechnik, in Standard-Bestückungslinien an der Leiterplatte befestigt werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die ersten Befestigungselemente an einem Ende in den ersten Magnetkern eingepresst sind und/oder die zweiten Befestigungselemente an einem Ende in den zweiten Magnetkern eingepresst sind. Somit können bei der Herstellung der Magnetkerne, die beispielsweise durch Pressen erfolgt, die Befestigungselemente direkt mit den Magnetkernen verbunden werden und in diese eingepresst sein. So sind die Befestigungselemente besonders gut und fest mit den Magnetkernen verbunden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die ersten Befestigungselemente und/oder die zweiten Befestigungselemente als Pins ausgebildet sind. Solche Befestigungselemente können besonders einfach an der Leiterplatte befestigt, insbesondere mit der Leiterplatte verlötet werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in der Leiterplatte wenigstens eine Aussparung ausgebildet ist, durch die der erste Magnetkern von der ersten Seite der Leiterplatte zur zweiten Seite der Leiterplatte hindurchragt. So können die Magnetkerne durch die Leiterplatte hindurch zusammengeführt und beispielsweise auch zusammengefügt werden um zusammen einen magnetisch geschlossenen Kreis zu bilden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der erste Magnetkern U-förmig ausgebildet ist, wobei die beiden Enden des ersten Magnetkerns durch zwei Aussparungen in der Leiterplatte hindurchragen. So kann der erste Magnetkern zusammen mit dem zweiten Magnetkern, der beispielsweise I-förmig ausgebildet ist, zusammengefügt werden und einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der erste Magnetkern E-förmig ausgebildet ist und die drei Enden des ersten Magnetkerns durch drei Aussparungen in der Leiterplatte durch die Leiterplatte hindurchragen. So kann der erste Magnetkern zusammen mit dem zweiten Magnetkern, der beispielsweise I-förmig ausgebildet ist, zusammengefügt werden und einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der erste Magnetkern und/oder der zweite Magnetkern von der Leiterplatte durch einen Spalt beabstandet sind. Durch den Spalt kann der nötige Abstand der Magnetkerne von an der Oberfläche der Leiterplatte verlaufenden Leiterbahnen hergestellt werden und der betreffende Magnetkern von der Leiterbahn an der Oberfläche der Leiterplatte elektrisch isoliert sein.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Leiterplatte mehrlagig ausgebildet ist und die aus der Leiterbahn gebildete Spule in mehreren Ebenen der Leiterplatte ausgebildet ist. Eine so ausgebildete Spule kann besonders kompakt mit geringem Bauraumbedarf aufgebaut werden, wodurch auch die gesamte induktive Baugruppe ebenfalls einen geringen Bauraum aufweist.
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Weiterhin erfindungsgemäß wir ein Verfahren zur Herstellung der induktive Baugruppe vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Bereitstellen einer Leiterplatte mit einer ersten Seite und einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite, wobei in der Leiterplatte wenigstens eine Leiterbahn, die eine Spule in der Leiterplatte bildet, ausgebildet ist. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Anordnen eines ersten Magnetkerns, an dem erste Befestigungselemente ausgebildet sind, auf der ersten Seite der Leiterplatte und einen Schritt zum Anordnen eines zweiten Magnetkerns, an dem zweite Befestigungselemente ausgebildet sind, auf der zweiten Seite der Leiterplatte, wobei der erste Magnetkern und der zweite Magnetkern derart angeordnet werden, dass die aus der Leiterbahn ausgebildete Spule zwischen dem ersten Magnetkern und dem zweiten Magnetkern angeordnet ist. Weiterhin umfasst das Verfahren Schritte zum Befestigen, insbesondere Anlöten, der ersten Befestigungselemente des ersten Magnetkerns auf der ersten Seite der Leiterplatte und zum Befestigen, insbesondere Anlöten, der zweiten Befestigungselemente des zweiten Magnetkerns auf der zweiten Seite der Leiterplatte. Die induktive Baugruppe kann somit vorteilhaft einfach und kostengünstig in Standardprozessen, beispielsweise durch die SMD-Bestückungstechnik, in Standard-Bestückungslinien durch Bestückung der Leiterplatte mit den Magnetkernen hergestellt werden. So kann die induktive Baugruppe vorteilhaft einfach gefertigt werden und dadurch die Bauteilkosten erheblich gesenkt werden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der induktiven Baugruppe,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der induktiven Baugruppe,
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der induktiven Baugruppe.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der induktiven Baugruppe 10. Die induktive Baugruppe 10 umfasst eine Spule 24, einen ersten Magnetkern 30 und einen zweiten Magnetkern 40. Die Spule 24 bildet zusammen mit den Magnetkernen 30,40 eine induktive Baugruppe 10.
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Die induktive Baugruppe 10 kann beispielsweise als Gleichtaktdrossel oder Gegentaktdrossel in einer Vielzahl an leistungselektronischen Komponenten, wie beispielsweise Invertern oder DC/DC-Wandlern Anwendung finden. Die induktive Baugruppe 10 kann beispielsweise in Filtern mit Gleichtaktdrosseln eingesetzt werden. Die induktive Baugruppe 10 kann beispielsweise in passiven elektrischen Filtern zur Unterdrückung unerwünschter hochfrequenter Störungen eingesetzt werden. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Verwendung als Transformator.
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Die induktive Baugruppe 10 umfasst eine Leiterplatte 20 mit einer ersten Seite 21 und einer von der ersten Seite 21 abgewandten zweiten Seite 22. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Leiterplatte 20 beispielsweise um eine Leiterplatte in FR4-Ausführung oder höherwertig, also beispielsweise um eine Leiterplatte aus glasfaserverstärktem Epoxidharz als Trägermaterial von Leiterbahnen. Die Leiterplatte 20 kann aber auch eine HDI-Leiterplatte (High Density Interconnect-Leiterplatte), eine LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) oder eine andere geeignete starre oder flexible Leiterplatte sein. Auf der Leiterplatte 20 können ein oder mehrere, miteinander durch Leiterbahnen 23 verbundene, elektrische und/oder elektronische Bauteile, wie beispielsweise Widerstände, Spulen, Kondensatoren, etc. angeordnet sein. Die Leiterbahnen 23 sind dabei beispielsweise einteilig aus elektrisch leitenden Metall - wie beispielsweise aus Kupfer - gefertigt. Die Leiterplatte 20 kann natürlich auch eine Vielzahl von Leiterbahnen 23 aufweisen und insbesondere auch als Mehrlagenleiterplatte ausgebildet sein.
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Die Spule 24 ist in der Leiterplatte 20 ausgebildet, indem eine Leiterbahn 23 der Leiterplatte 20 in Form einer Spule 24 in der Leiterplatte 20 verläuft. Die die Spule 24 bildende Leiterbahn 23 kann in einer Lage der Leiterplatte 20 verlaufen. Die Leiterbahn 23, die die Spule 24 bildet, kann aber auch, wie in den Ausführungsbeispielen in 1 bis 3 in mehreren Lagen der Leiterplatte 20 verlaufen.
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Die induktive Baugruppe 10 umfasst, wie in den Figuren dargestellt, weiterhin einen ersten Magnetkern 30 und einen zweiten Magnetkern 40. Der erste Magnetkern 30 ist auf der ersten Seite 21 der Leiterplatte 20 angeordnet. Der zweite Magnetkern 40 ist auf der zweiten Seite 22 der Leiterplatte 20 angeordnet. Die Magnetkerne 30,40 können dabei direkt an der Leiterplatte 20 anliegen oder, wie die ersten Magnetkerne 30 in den Ausführungsbeispielen, durch einen Spalt 12 von der Leiterplatte 20 beabstandet sein. Durch einen Spalt 12 kann der jeweilige Magnetkern 30,40 von an einer Oberfläche der Leiterplatte 20 freiliegenden Leiterbahn beabstandet werden.
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Die Magnetkerne 30,40 können aus einem weichmagnetischem Material ausgebildet sein. Ein weichmagnetisches Material wird durch in der Norm IEC 60404-1 klassifiziert. So können die Magnetkerne 30,40 beispielsweise ein Ferrit- oder Pulver- Magnetkerne sein oder beispielsweise auch aus kristallinen oder amorphen Metallbändern bestehen. Die Magnetkerne 30,40 können, wie im zweiten Ausführungsbeispiel der 2 oder dem dritten Ausführungsbeispiel der 3, einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden.
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Am ersten Magnetkern 30 sind erste Befestigungselemente 31 ausgebildet. Am zweiten Magnetkern 40 sind zweite Befestigungselemente 41 ausgebildet. Die Befestigungselemente 31,41 sind beispielsweise als Pins ausgebildet. Die Pins können beispielsweise abgewinkelt sein und Füße zur Befestigung, insbesondere zum Anlöten, an der Leiterplatte 20 aufweisen. Die Befestigungselemente 31,41 sind in diesen Ausführungsbeispielen aus einem lötbaren Material hergestellt. Die ersten Befestigungselemente 31 sind mit der ersten Seite 21 der Leiterplatte 20 verlötet. Die zweiten Befestigungselemente 41 sind mit der zweiten Seite 22 der Leiterplatte 20 verlötet. Dabei sind beispielsweise die abgewinkelten Füße der Befestigungselemente 31,41 an der ersten Seite 21 bzw. an der zweiten Seite 22 der Leiterplatte 20 angelötet. Die ersten Befestigungselemente 31 sind fest mit dem ersten Magnetkern 30 verbunden. So können die ersten Befestigungselemente 31 beispielsweise in den Magnetkern 30 eingepresst sein. Die zweiten Befestigungselemente 41 sind fest mit dem zweiten Magnetkern 40 verbunden. So können die zweiten Befestigungselemente 41 beispielsweise in den Magnetkern 40 eingepresst sein. Bei der Herstellung der Magnetkerne 30,40, die beispielsweise durch Pressen erfolgt, können die Befestigungselemente 31,41 direkt mit den Magnetkernen 30,40 verbunden werden. Die Enden der Befestigungselemente 31,41, die den mit den Magnetkernen 30,40 verbundenen Enden entgegengesetzt sind, bilden dann beispielsweise die Füße der Befestigungselemente 31,41 und sind mit der Leiterplatte 20 verlötet. Die Befestigungselemente 31,32 können aber auch über dem Kern als Metallbügel befestigt sein und die lötbaren Pins auf der ersten Seite 21 bzw. auf der zweiten Seite 22 bilden. Diese können dann mit der Leiterplatte 20 verlötet sein.
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Die Magnetkerne 30,40 können unterschiedliche Formen aufweisen. Die Magnetkerne 30,40 können beispielsweise, wie in dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der induktiven Baugruppe 10, beide gleichartig, hier I-förmig, d.h. quaderförmig, ausgebildet sein.
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Die Magnetkerne 30,40 können aber auch andere Formen aufweisen, wie in 2 und 3 dargestellt ist. Im zweiten Ausführungsbeispiel der 2 ist der erste Magnetkern 30 U-förmig ausgebildet. Der erste Magnetkern 30 weist dabei senkrecht zur Leiterplatte 20 einen Querschnitt in Form des Buchstabens U auf. Ein Hauptteil des ersten Magnetkerns 30 ist dabei auf der ersten Seite 21 der Leiterplatte 20 angeordnet. Die beiden Enden den U-förmigen ersten Magnetkerns 30 ragen vom Hauptteil des ersten Magnetkerns 30 ab und von der ersten Seite 21 der Leiterplatte 20 zur zweiten Seite 22 der Leiterplatte 20 durch die Leiterplatte 20 hindurch. Dazu sind in der Leiterplatte 20 zwei Aussparungen 25 ausgebildet, durch die die Enden des U-förmigen ersten Magnetkerns 30 hindurchragen. Der zweite Magnetkern 40 ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel I-förmig ausgebildet. Der zweite Magnetkern 40 ist dabei auf der zweiten Seite 22 der Leiterplatte 20 angeordnet. Der zweite Magnetkern 40 erstreckt sich im zweiten Ausführungsbeispiel länglich zwischen den beiden Enden des U-förmigen ersten Magnetkerns 30, die auf die zweite Seite 22 der Leiterplatte 20 ragen. Der erste Magnetkern 30 und der zweite Magnetkern 40 können zusammengefügt sein und zusammen einen magnetischen Kreis bilden.
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Im dritten Ausführungsbeispiel der 3 ist der erste Magnetkern 30 E-förmig ausgebildet. Der erste Magnetkern 30 weist dabei senkrecht zur Leiterplatte 20 einen Querschnitt in Form des Buchstabens E auf. Ein Hauptteil des ersten Magnetkerns 30 ist dabei auf der ersten Seite 21 der Leiterplatte 20 angeordnet. Die drei Enden des E-förmigen ersten Magnetkerns 30 ragen vom Hauptteil des ersten Magnetkerns 30 ab und von der ersten Seite 21 der Leiterplatte 20 zur zweiten Seite 22 der Leiterplatte 20 durch die Leiterplatte 20 hindurch. Dazu sind in der Leiterplatte 20 drei Aussparungen 25 ausgebildet, durch die die Enden des E-förmigen ersten Magnetkerns 30 hindurchragen. Der zweite Magnetkern 40 ist im dritten Ausführungsbeispiel I-förmig ausgebildet. Der zweite Magnetkern 40 ist dabei auf der zweiten Seite 22 der Leiterplatte 20 angeordnet. Der zweite Magnetkern 40 erstreckt sich im zweiten Ausführungsbeispiel länglich zwischen den beiden äußersten Enden des E-förmigen ersten Magnetkerns 30, die auf die zweite Seite 22 der Leiterplatte 20 ragen. Der erste Magnetkern 30 und der zweite Magnetkern 40 können zusammengefügt sein und zusammen einen magnetischen Kreis bilden.
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Selbstverständlich sind noch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
