DE102020208215A1 - Circuit board, inverter and electric motor assembly - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte (4), insbesondere Hochstromleiterplatte, für einen Inverter (3) mit mehreren Stromleitungsschichtlagen (L1, L2, L3, L4, L(n-1), L(n)), wobei die Stromleitungsschichtlagen (L1, L2, L3, L4, L(n-1), L(n)) in Abschnitte (30, 32, 34, 36, 38) unterteilt sind, wobei die Abschnitte (30, 32, 34, 36, 38) einen Anschluss an eine Batterie oder einen Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor (6) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich Abschnitte (30, 38) mit einem Anschluss an die Batterie oder Abschnitte (32, 34, 36) mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit dem Elektromotor übereinander angeordnet sind.
Daneben betrifft die Erfindung einen Inverter.
Daneben betrifft die Erfindung eine Elektromotoranordnung.
The invention relates to a circuit board (4), in particular a high-current circuit board, for an inverter (3) with a plurality of current conduction layer layers (L1, L2, L3, L4, L (n-1), L (n)), the current conduction layer layers (L1, L2 , L3, L4, L (n-1), L (n)) are divided into sections (30, 32, 34, 36, 38), the sections (30, 32, 34, 36, 38) being connected to have a battery or a connection for power exchange with an electric motor (6), characterized in that only sections (30, 38) with a connection to the battery or sections (32, 34, 36) with a connection for power exchange with the electric motor one above the other are arranged.
The invention also relates to an inverter.
The invention also relates to an electric motor arrangement.
Description
Die Erfindung betrifft eine Hochstromleiterplatte für einen Inverter mit mehreren Stromleitungsschichtlagen, wobei die Stromleitungsschichtlagen in Abschnitte unterteilt sind, wobei die Abschnitte einen Anschluss an eine Batterie oder einen Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor aufweisen.The invention relates to a high-current circuit board for an inverter with a plurality of current-conducting layer layers, the current-conducting layer layers being divided into sections, the sections having a connection to a battery or a connection for exchanging power with an electric motor.
Leiterplatten dienen der Aufnahme und elektrischen Verbindung von Bauteilen. Eine Leiterplatte weist elektrisch leitende Elemente und elektrisch isolierende Elemente auf. Als elektrisch leitende Elemente werden insbesondere Lagen aus Kupfer verwendet. Auch ist es bekannt, in einer Leiterplatte mehrere Lagen Kupfer übereinander zu stapeln, wobei die Kupferlagen durch elektrisch isolierende Schichtlagen voneinander getrennt sind.Circuit boards are used to accommodate and electrically connect components. A printed circuit board has electrically conductive elements and electrically insulating elements. In particular, layers made of copper are used as electrically conductive elements. It is also known to stack several layers of copper on top of one another in a printed circuit board, the copper layers being separated from one another by electrically insulating layers.
Die Bauteile können auf der Leiterplatte mittels Through Hole Technology (THT) oder Surface Mount Technology (SMT) befestigt werden. Sie werden dann auch als Through Hole Device THD oder Surface Mount Device SMD bezeichnet.The components can be attached to the circuit board using Through Hole Technology (THT) or Surface Mount Technology (SMT). They are then also referred to as Through Hole Device THD or Surface Mount Device SMD.
Inverter, auch Wechselrichter genannt, dienen der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung. Dabei existieren mit dem Plus- und Minuspol einer Batterie verbundenen Bereiche und Ausgänge zur Ausgabe einer oder mehrerer Phasen mit Wechselspannung. Zum Wechseln werden Leistungsschalter verwendet.Inverters, also known as inverters, are used to convert direct voltage into alternating voltage. There are areas and outputs connected to the plus and minus pole of a battery for outputting one or more phases with alternating voltage. Circuit breakers are used for changing.
Die verwendeten Spannungen wie auch die benutzten Ströme steigen dabei zur Verringerung von Leistungsverlusten an. Insbesondere werden auch Hochstromleiterplatten verwendet, die Ströme von mehr als 100A aushalten.The voltages used and the currents used increase in order to reduce power losses. In particular, high-current circuit boards are used that can withstand currents of more than 100A.
Aus der
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leiterplatte, einen Inverter und ein Kraftfahrzeug anzugeben, die weniger elektrische Verluste erzeugt.Based on this, it is the object of the present invention to specify a printed circuit board, an inverter and a motor vehicle that generate fewer electrical losses.
Zur Lösung dieses Problems wird eine Leiterplatte der eingangsgenannten Art vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass die übereinanderliegenden Abschnitte ausschließlich einen Anschluss an die Batterie oder ausschließlich einen Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor aufweisen.To solve this problem, a circuit board of the type mentioned is proposed, which is characterized in that the sections lying one above the other have exclusively a connection to the battery or exclusively a connection for exchanging power with an electric motor.
Als Kern der Erfindung ist anzusehen, dass der Aufbau der Leiterplatte so gewählt wird, dass unerwünschte hochfrequente Verschiebeströme minimiert werden.The essence of the invention is to be seen in the fact that the structure of the circuit board is selected in such a way that undesired high-frequency displacement currents are minimized.
Als Stromleitungsschichtlage wird dabei eine elektrisch leitende Lage bezeichnet. Diese sind bevorzugt aus Kupfer. Stromleitungsschichtlagen sind flächig ausgestaltet und bilden flächige Strukturen aus. Die Lagen sind mehr oder weniger parallel zueinander angeordnet, wodurch sich eine Schichtstruktur ergibt. Zwischen den elektrisch leitenden Lagen sind elektrisch isolierende Lagen angeordnet. Man kann auch so sagen, dass die Stromleitungsschichtlagen sich in axialer Richtung der Leiterplatte erstrecken und in Dickenrichtung der Leiterplatte aufeinanderfolgend angeordnet sind.An electrically conductive layer is referred to as a current conduction layer layer. These are preferably made of copper. Current conduction layers are designed to be flat and form flat structures. The layers are arranged more or less parallel to one another, which results in a layer structure. Electrically insulating layers are arranged between the electrically conductive layers. One can also say that the current conduction layer layers extend in the axial direction of the printed circuit board and are arranged one after the other in the thickness direction of the printed circuit board.
In jeder Stromleitungsschichtlage befinden sich mehrere unabhängige Abschnitte. Unabhängig bedeutet dabei, dass die Abschnitte keine dauerhafte elektrische Verbindung zueinander aufweisen. Eine derartige Leiterplatte weist also Reihen und Spalten bzw. Lagen mit Abschnitten als Stromleitungsabschnitten auf. Mehrere Stromleitungsabschnitte sind in axialer Richtung als Stromleitungsschichtlage und in Dickenrichtung als Spalte, auch Reihe genannt, angeordnet. In den Spalten sind die Abschnitte übereinanderliegend angeordnet. Dabei ist eine perfekte Übereinstimmung der Längen nicht notwendig.There are several independent sections in each layer of electrical wiring. Independent means that the sections do not have a permanent electrical connection to one another. Such a circuit board thus has rows and columns or layers with sections as power line sections. Several power line sections are arranged in the axial direction as a power line layer layer and in the thickness direction as a column, also called a row. In the columns, the sections are arranged one above the other. A perfect match of the lengths is not necessary.
Jeder der Abschnitte weist als Ausgang entweder einen Anschluss an die Batterie oder einen Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor für einen Elektromotor auf. Der Eingang ist mit dem Pluspol und mit dem Minuspol einer Batterie verbunden bzw. verbindbar. Der Eingang eines Abschnittes mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor kann insbesondere über einen Abschnitt mit Anschluss an die Batterie mit einem Batteriepol verbunden werden. Zwischen einem Abschnitt mit Anschluss an die Batterie und einem Abschnitt mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor kann ein Leistungsschalter angeordnet sein, über den die Verbindung realisiert wird. Dabei können für die Abschnitte mit Anschluss an die Batterie mit dem Minuspol der Batterie sogenannte Lowside-Schalter und für die Abschnitte mit Anschluss an die Batterie mit dem Pluspol der Batterie sogenannte Highside-Schalter verwendet werden.Each of the sections has as an output either a connection to the battery or a connection for exchanging power with an electric motor for an electric motor. The input is connected or can be connected to the positive pole and the negative pole of a battery. The input of a section with a connection for exchanging power with an electric motor can in particular be connected to a battery pole via a section with a connection to the battery. A circuit breaker, via which the connection is implemented, can be arranged between a section with a connection to the battery and a section with a connection for exchanging power with an electric motor. So-called low-side switches can be used for the sections connected to the battery with the negative pole of the battery, and so-called high-side switches can be used for the sections connected to the battery with the positive pole of the battery.
Eine Vermeidung unerwünschter hochfrequenter Verschiebeströme wird dadurch erreicht, dass die übereinanderliegenden Abschnitte ausschließlich einen Anschluss an die Batterie oder ausschließlich einen Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor aufweisen. Die Abschnitte werden also getrennt nach ihrer Verbindung bzw. ihren Anschlüssen räumlich positioniert. Die Anordnung gleichartiger Anschlüsse findet dabei in Spalten bzw. Reihen statt.An avoidance of undesired high-frequency displacement currents is achieved in that the sections lying one above the other have exclusively a connection to the battery or exclusively a connection for exchanging power with an electric motor. The sections are thus spatially positioned separately according to their connection or their connections. Similar connections are arranged in columns or rows.
Bevorzugt können die Abschnitte in axialer Richtung der Leiterplatte die gleiche Länge beaufschlagen. D.h. dass sie gleich lang sind.Preferably, the sections can act on the same length in the axial direction of the circuit board. That means that they are of the same length.
Bevorzugt weisen übereinanderliegende Abschnitte die gleiche Dicke auf. Weiterhin können alle Abschnitte eines Bereichs oder alle Abschnitte der Leiterplatte die gleiche Dicke aufweisen. Dann besitzen sie die gleiche Stromtragfähigkeit.Sections lying one above the other preferably have the same thickness. Furthermore, all sections of an area or all sections of the circuit board can have the same thickness. Then they have the same ampacity.
Bevorzugt können sich in einer Reihe übereinanderliegender Abschnitte mit Anschluss an die Batterie Abschnitte mit einem Anschluss an einen Minuspol einer Batterie und Abschnitte mit einem Anschluss an einen Pluspol einer Batterie befinden. In einer Reihe oder Spalte können sich demnach Anschlüsse für beide Pole der Batterie befinden, eine weitere Aufteilung in dieser Richtung ist nicht bevorzugt. Dies hängt mit einer bevorzugten Verteilung der Anschlüsse zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor zusammen, die weiter unten beschrieben ist.Preferably, in a row of superposed sections with a connection to the battery, there can be sections with a connection to a negative pole of a battery and sections with a connection to a positive pole of a battery. In a row or column there can therefore be connections for both poles of the battery; a further division in this direction is not preferred. This is related to a preferred distribution of the connections for exchanging power with an electric motor, which is described below.
Vorzugsweise können Abschnitte mit einem Anschluss an den Pluspol und Abschnitte mit einem Anschluss an den Minuspol zumindest teilweise abwechseln. Die Abfolge einer Reihe ist in Dickenrichtung. Diese haben jeweils einen Anschluss an die Batterie. Es müssen also nicht die Abschnitte mit einem Anschluss an den Pluspol alle direkt aufeinanderfolgen und dann kommen alle Abschnitte mit einem Anschluss an den Minuspol. Auch an dieser Stelle ist eine „Reinheit“ der Sortierung nicht gewünscht. Im Gegenteil wird die teilweise wechselseitige Stapelung von Abschnitten mit einem Anschluss an den Minuspol und Abschnitten mit einem Anschluss an den Pluspol bevorzugt zur Reduktion der Streuimpedanzen in diesem Bereich.Sections with a connection to the positive pole and sections with a connection to the negative pole can preferably alternate at least partially. The sequence of a row is in the direction of the thickness. These each have a connection to the battery. So the sections with a connection to the positive pole do not all have to follow one another directly and then all sections come with a connection to the negative pole. At this point, too, “purity” of the sorting is not desired. On the contrary, the partially reciprocal stacking of sections with a connection to the negative pole and sections with a connection to the positive pole is preferred to reduce the stray impedances in this area.
Vorteilhafterweise können in einer Reihe übereinanderliegender Abschnitte die Anzahl der Abschnitte mit einem Anschluss an den Pluspol der Anzahl der Abschnitte mit einem Anschluss an den Minuspol entsprechen. Mit anderen Worten weist die Reihe eine gerade Anzahl an Abschnitten auf. Die Hälfte davon ist an den Pluspol und die andere Hälfte an den Minuspol der Batterie angeschlossen. Dies betrifft die Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie.Advantageously, in a row of superposed sections, the number of sections with a connection to the positive pole can correspond to the number of sections with a connection to the negative pole. In other words, the row has an even number of sections. Half of it is connected to the positive pole and the other half to the negative pole of the battery. This affects the sections with a connection to the battery.
Vorzugsweise können sich in einer Reihe übereinanderliegender Abschnitte mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor ausschließlich Abschnitte einer einzigen Phase befinden. Bei den Abschnitten mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor ist also eine weitere Strukturierung bevorzugt, nämlich dass in einer Reihe bzw. Spalte ausschließlich Abschnitte derselben Phase aufzufinden sind. Auch hierdurch können unerwünschte hochfrequente Verschiebeströme verringert werden.Preferably, only sections of a single phase can be located in a series of superposed sections with a connection for exchanging power with an electric motor. In the case of the sections with a connection for exchanging power with an electric motor, a further structuring is therefore preferred, namely that only sections of the same phase can be found in a row or column. This can also reduce undesirable high-frequency displacement currents.
Die Abschnitte mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor auf der Eingangsseite sind bevorzugt jeweils mit einem Abschnitt mit Anschluss an die Batterie verbunden.The sections with a connection for exchanging power with an electric motor on the input side are preferably each connected to a section with a connection to the battery.
Bevorzugt kann die Hochstromleiterplatte Durchkontaktierungen aufweisen, die mehrere Stromleitungsschichtlagen als Stromführungsstruktur zur elektrischen Verbindung der Phasenpotentiale, insbesondere der nicht versorgungsbezogenen Potentiale der Leistungsschalter, miteinander verbinden. Eine Durchkontaktierung erstreckt sich also in Dickenrichtung der Leiterplatte und verbindet also Abschnitte mehrerer Reihen miteinander.The high-current circuit board can preferably have plated-through holes which connect a plurality of current-conducting layer layers as a current-carrying structure for the electrical connection of the phase potentials, in particular the non-supply-related potentials of the circuit breakers. A plated-through hole thus extends in the thickness direction of the printed circuit board and thus connects sections of several rows with one another.
Vorzugsweise kann die Leiterplatte zumindest eine Ansteuerschicht und eine Leistungsschicht aufweisen, wobei ein Teil der Stromleitungsschichtlagen der Ansteuerschicht und ein Teil der Stromleitungsschichtlagen der Leistungsschicht zugeordnet ist.The printed circuit board can preferably have at least one control layer and one power layer, part of the current conduction layer layers being assigned to the control layer and part of the current conduction layer layers being assigned to the power layer.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Leiterplatte, bei der die Leitungsschicht mehrere Stromleitungsschichtlagen aufweist. Die Stromleitungsschichtlagen sind insbesondere Kupferlagen und insbesondere Dickkupferlagen. Die Stromleitungsschicht wird auch als Dickkupferschicht bezeichnet. Die Anzahl der Stromleitungsschichtlagen beträgt vorzugsweise zwei oder vier, insbesondere einen geradzahligen Wert mit n>=2. Die Anzahl der Stromleitungsschichtlagen ist insbesondere abhängig von der Anzahl der Phasen und Pole sowie dem pro Phase und Pol zuführenden Stromwert.An embodiment of the printed circuit board is advantageous in which the conduction layer has a plurality of current conduction layer layers. The current conduction layer layers are in particular copper layers and in particular thick copper layers. The conductive layer is also referred to as the thick copper layer. The number of electrical conduction layer layers is preferably two or four, in particular an even value with n> = 2. The number of electrical conduction layer layers is particularly dependent on the number of phases and poles as well as the current value supplied per phase and pole.
Bevorzugt können in der Ansteuerschicht diejenigen Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie ausschließlich an einen Minuspol einer Batterie verbunden sein. Die Ansteuerschicht unterscheidet sich in dieser Hinsicht von der Leistungsschicht, in der sowohl Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie an den Minuspol der Batterie als auch Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie an einen Pluspol der Batterie befinden können.In the control layer, those sections with a connection to the battery can preferably be connected exclusively to a negative pole of a battery. The control layer differs in this respect from the power layer, in which both sections with a connection to the battery to the negative pole of the battery and sections with a connection to the battery to a positive pole of the battery can be located.
Vorzugsweise können sich in einer Stromleitungsschichtlage sechs Abschnitte befinden. Insbesondere können sich in einer Stromleitungsschichtlage drei Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie und drei Abschnitte mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor befinden. Dabei wird von einem dreiphasigen Ausgang des Inverters ausgegangen. Weiterhin können in einer Stromleitungsschichtlage so viele Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie und genauso viele Abschnitte mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor befinden wie der Inverter bzw. die Leitungsplatte Phasen am Ausgang hat. Es gibt bspw. auch sechsphasige Inverter. Diese weisen dann zwölf Abschnitte in jeder Stromleitungsschichtlage auf.Preferably, there can be six sections in a current conduction layer layer. In particular, three sections with a connection to the battery and three sections with a connection for exchanging power with an electric motor can be located in a current conduction layer layer. A three-phase output of the inverter is assumed. Furthermore, there can be as many sections in a current conduction layer layer with a connection to the battery and as many sections with a connection for power exchange with an electric motor as the inverter or the line plate has phases at the output. There are also six-phase inverters, for example. These then have twelve sections in each current conduction layer layer.
Vorzugsweise können sich die Abschnitte mit einem einen Anschluss an die Batterie und die Abschnitte mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor abwechseln. Diese Anordnung ermöglicht einen vereinfachten Aufbau der Leiterplatte. Bevorzugt kann jeweils eine Reihe von übereinanderliegenden Abschnitten mit einem Anschluss an die Batterie und eine Reihe von übereinanderliegenden Abschnitten mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor über eine Brücke mit zwei Leistungsschaltern verbunden sein. Insbesondere kann jeweils der Ausgang eines Abschnitts mit einem Anschluss an die Batterie mit dem Eingang eines Abschnitts mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor verbunden sein.Preferably, the sections with a connection to the battery and the sections with a connection for exchanging power with an electric motor can alternate. This arrangement enables a simplified structure of the circuit board. Preferably, a row of sections lying one above the other can be connected to a connection to the battery and a row of sections lying one above the other can be connected to a connection for exchanging power with an electric motor via a bridge with two circuit breakers. In particular, the output of a section with a connection to the battery can be connected to the input of a section with a connection for exchanging power with an electric motor.
Daneben betrifft die Erfindung einen Inverter mit einem Zwischenkreiskondensator und einer Leiterplatte. Der Inverter zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplatte wie beschrieben ausgebildet ist.The invention also relates to an inverter with an intermediate circuit capacitor and a printed circuit board. The inverter is characterized by the fact that the circuit board is designed as described.
Daneben betrifft die Erfindung eine Elektromotoranordnung mit einer Batterie, einem Inverter und einem Elektromotor, wobei der Elektromotor über den Inverter mit der Batterie verbinden ist. Die Elektromotoranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der Inverter wie beschrieben ausgebildet ist.In addition, the invention relates to an electric motor arrangement with a battery, an inverter and an electric motor, the electric motor being connected to the battery via the inverter. The electric motor arrangement is characterized in that the inverter is designed as described.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Leistungselektronik aufweisend eine Leiterplatte. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplatte wie beschrieben ausgebildet ist. Das Kraftfahrzeug kann auch einen Inverter und/oder eine Elektromotoranordnung wie beschrieben aufweisen.In addition, the invention relates to a motor vehicle with power electronics having a printed circuit board. The motor vehicle is characterized in that the circuit board is designed as described. The motor vehicle can also have an inverter and / or an electric motor arrangement as described.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:
-
1 ein Kraftfahrzeug, -
2 einen Inverter, -
3 eine Leiterplatte in Dickenrichtung, und -
4 eine Leiterplatte in der Draufsicht.
-
1 a motor vehicle, -
2 an inverter, -
3 a printed circuit board in the thickness direction, and -
4th a circuit board in plan view.
Das Kraftfahrzeug 1 kann insbesondere eine elektrische Achse 5 aufweisen. Das Kraftfahrzeug 1 kann grundsätzlich als rein verbrennungsmotorisches Kraftfahrzeug, als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Mit dem Kraftfahrzeug 1 nach
Der Zwischenkreiskondensator 8 ist über eine Leitung 12 mit dem Minuspol und über eine Leitung 14 mit dem Pluspol der Batterie 6 verbunden. Jeder der Teilkondensatoren 16 ist dann wieder entsprechend mit zwei Leitungen 18 und 20 mit einer Halbbrücke 22 verbunden, die jeweils zwei Leistungsschalter 10 umfasst. Dabei ist zur Wahrung der Übersichtlichkeit nur ein Teil der Leitungen, Teilkreiskondensatoren und Halbbrücken mit Bezugszeichen versehen.The
Aus der B6-Brücke 9 führen drei oder auch sechs Leitungen 24, die jeweils einer Phase zugeordnet sind.From the
Der Aufbau der Leiterplatte ist in den
Auch die Abschnitte 38 haben einen Anschluss an die Batterie.The
Die durch die Abschnitte 30, 32, 34, 36 und 38 gebildeten Reihen 40, 42, 44, 46, 48 und 50 sind in axialer Richtung nebeneinander angeordnet. Die Reihen 40, 44 und 48 weisen ausschließlich Abschnitte 30 und 38 mit Anschluss an die Batterie auf. Die Abschnitte 30 sind mit dem Minuspol der Batterie 6 verbunden oder zu verbinden, damit ist der Ausgang ebenfalls mit dem Minuspol der Batterie 6 verbunden. Die Abschnitte 38 sind mit dem Pluspol der Batterie 6 verbunden oder zu verbinden, damit ist der Ausgang ebenfalls mit dem Pluspol der Batterie 6 verbunden.The
Die Abschnitte 32 sind ausschließlich einer ersten Phase, die Abschnitte 34 ausschließlich einer zweiten Phase und die Abschnitte 36 ausschließlich einer dritten Phase zugeordnet. Damit weisen die Reihen 42, 46 und 50 jeweils ausschließlich Abschnitte einer einzelnen Phase auf. Dies ist auch graphisch durch die Musterung verdeutlicht.The
Jeder der Reihen 40, 44 und 48 ist jeweils ein Teilkreiskondensator 16-1, 16-2 bzw. 16-3 des Zwischenkreiskondensators 16 zugeordnet. Diese sind jeweils über eine Durchkontaktierung 52 verbunden.A partial circuit capacitor 16-1, 16-2 and 16-3 of the
Die Abschnitte 30, 32, 34, 36 und 38 beaufschlagen in axialer Richtung der Hochstromleiterplatte 4 die gleiche Länge. Sie sind bezogen auf die Darstellung in
In jeder der Reihen 40, 44 und 48, in denen Abschnitte 30 und 38 mit Anschluss an die Batterie übereinanderliegen, befinden sich Abschnitte 30 mit einem Anschluss an den Minuspol der Batterie 6 und Abschnitte 38 mit einem Anschluss an den Pluspol der Batterie 6. Dabei wechseln sich die Abschnitte 38 mit einem Anschluss an den Pluspol und die Abschnitte 30 mit einem Anschluss an den Minuspol zumindest teilweise ab. Die in einer der Reihen 40, 44 oder 48, die Reihen übereinanderliegender Abschnitte 30 und 38 sind, befindliche Anzahl der Abschnitte 38 mit einem Anschluss an den Pluspol der Anzahl der Abschnitte 30 mit einem Anschluss an den Minuspol entspricht sich. Im Beispiel nach
Durch die Sortierung der Abschnitte 30 bis 38 in Abschnitte 30 und 38 mit Anschluss an die Batterie und Abschnitte 32, 34 und 36 mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor werden DC-Bereiche 41, 45 und 49 sowie AC-Bereiche 43, 47 und 51 gebildet. Diese korrespondieren zu den entsprechenden Reihen, die Reihe 40 bzw. deren Abschnitte 30 und 38 bilden also den DC-Bereich 41, usw.By sorting the
Die Hochstromleiterplatte weist Lagenverbinder auf, die mehrere Stromleitungsschichtlagen L1 bis L(n) als Stromführungsstruktur zur elektrischen Verbindung der Phasenpotentiale, insbesondere der nicht versorgungsbezogenen Potentiale der Leistungsschalter LS1 und HS1, LS2 und HS2 oder LS3 und HS3, miteinander verbindet. Das „L“ steht dabei für „low“ und das „H“ für „high“.The high-current circuit board has layer connectors that connect several layers of power lines L1 to L (n) as a current-carrying structure for the electrical connection of the phase potentials, in particular the non-supply-related potentials of the power switches LS1 and HS1, LS2 and HS2 or LS3 and HS3. The "L" stands for "low" and the "H" for "high".
Die Reihen 40 und 42 sind also über die Leistungsschalter LS1 und HS1 verbunden, die Reihen 44 und 46 über die Leistungsschalter LS2 und HS2 und die Reihen 48 und 50 über die Leistungsschalter LS3 und HS3.The
Jeder Reihe 40 bis 50 weist auch einen Treiber TL1, TH1, TL2, TH2, TL3 oder TH3 auf. Auch hier steht das „L“ für „low“ und das „H“ für „high“.Each
In
- • Horizontale Segmentierung der gesamten Hochstromleiterplatte 4 in mindestens drei AC-
43, 47Bereiche und 51 und mindestens drei DC- 41, 45Bereiche und 49 zur Vermeidung der Überlappung von DC- und AC-Bereichen:- o AC-Potentiale werden über alle Lagen L1 bis L(n) in
43, 47segmentierten Bereichen und 51der Hochstromleiterplatte 4 geführt - o DC-Potentiale (DC-Minus in
Abschnitten 30, DC-Plus in Abschnitten 38) werden über alle Lagen L1 bis L(n) in 41, 45segmentierten Bereichen und 49der Leiterplatte 4 geführt.
- o AC-Potentiale werden über alle Lagen L1 bis L(n) in
- • AC-
43, 47Bereiche und 51 sind wie folgt angeordnet:- o Für jede Phase wird ein Teilsegment bereitgestellt, in der nur Potentiale geführt sind, die der jeweiligen Phase zugeordnet sind. Somit existiert für jede Phase ein eigenes Teilsemgent,
43, 47 oder 51 genannt.Bereich - o Es werden Funktionalitäten der Treiberansteuerung für den TH1, TH2 und
TH3 im Ansteuerbereich 54 platziert und geroutet, wobei sich der Ansteuerbereich 54 auf den Lagen L1 und L2 innerhalb des Teilsegments der jeweiligen Phase erstreckt. - o Es
wird ein Leistungsbereich 56 auf den restlichen Lagen L3...L(n) innerhalb des Teilsegments der jeweiligen Phase realisiert. o Der Leistungsbereich 56 erstreckt sich übermindestens 4 Kupferlagen L3...L(n).- o Es wird
im Leistungsbereich 56 ausschließlich das AC-Potential der jeweiligen Phase geführt.
- o Für jede Phase wird ein Teilsegment bereitgestellt, in der nur Potentiale geführt sind, die der jeweiligen Phase zugeordnet sind. Somit existiert für jede Phase ein eigenes Teilsemgent,
- • Die DC-
41, 45Bereiche und 49 sind wie folgt angeordnet:- o Für jede Phase wird ein Teilsegment, DC-
41, 45 oder 49 genannt, bereitgestellt, in der nur DC-Potentiale geführt sind.Bereich - o Es werden Funktionalitäten der Treiberansteuerung für TL1, TL2 und
TL3 im Ansteuerbereich 54 platziert und geroutet, wobei sich der Ansteuerbereich 54 auf den Lagen L1 und L2 innerhalb des Teilsegments der jeweiligen Phase erstreckt.Im Ansteuerbereich 54 führen die Teilsegmente DC-Minus-Potential. - o Es
wird ein Leistungsbereich 56 auf den restlichen Lagen L3...L(n) innerhalb des Teilsegments der jeweiligen Phase realisiert. o Der Leistungsbereich 56 erstreckt sich übermindestens 4 Kupferlagen L3...L(n).- o Es werden
im Leistungsbereich 56 alternierend DC-Plus- und DC-Minus-Potentiale geführt, wobei mindestens einmal Wechsel von einen DC-Plus- und ein DC-Minus-Potential erfolgt und diese übereinander geführt werden.
- o Für jede Phase wird ein Teilsegment, DC-
- •
Die Leiterplatte 4 stellt eine Schnittstelle zu einem funktionalen Zwischenkreiskondensator 16 bereit. Der Zwischenkreis ist im Grundaufbau derart angeordnet, dass...- o ...dieser in THT-Technologie ausgeführt wird. Dies bringt den Vorteil, dass über den Verbindungsprozess eine metallisch gefüllte Verbindung
mit der Leiterplatte 4 bereitgestellt werden kann, die sonst über viele nicht metallisch gefüllte Durchkontaktierungen 52 aufwändig hergestellt werden müsste. - o ...dieser verteilt aufgebaut ist, d.h. aus mehreren diskreten Kondensatoren 16-1, 16-2 und 16-3 gebildet wird, wobei Teilkapazitäten innerhalb eines DC-Segments einer Phase liegen. Insbesondere können auch die Teilkapazitäten aus mehreren Einzelkondensatoren bestehen. Dies bringt den Vorteil einer weiteren Reduktion der Anschlussinduktivität der einzelnen Kommutierungszellen (bestehend aus Zwischenkreiskondensator 16 und Leistungsschaltern LS1, HS1, LS2, HS2, LS3, HS3) und dient einer feineren Skalierbarkeit.
- o ...dieser in THT-Technologie ausgeführt wird. Dies bringt den Vorteil, dass über den Verbindungsprozess eine metallisch gefüllte Verbindung
- •
Die Leiterplatte 4 stellt eine Schnittstelle zumindestens 2 topologischen Leistungsschaltern (LS1-HS1, LS2-HS2, LS3-HS3) pro AC- 43, 47Bereich und 51 und DC- 41, 45Bereich und 49 bereit. Diese beiden topologischen Leistungsschalter können eine Halbbrückenstruktur bilden. Diese können so ausgeführt sein, dass die Halbbrücken...- o ...in einem Package realisiert sind, was Verarbeitung und Verbindungstechnik vereinfacht
- o ... in mehreren Packages pro topologischem Schalter realisiert sind, was maximale Skalierbarkeit ermöglicht
- o ... in einem Package pro toplogischem Schalter realisiert sind, was einen Kompromiss aus den beiden vorigen Ausführungen darstellt.
- • ...diese in THT-Technologie ausgeführt sind. Dies bringt den Vorteil, dass über den Verbindungsprozess eine metallisch gefüllte Verbindung
mit der Leiterplatte 4 bereitgestellt werden kann, die sonst über viele nicht metallisch gefüllte Durchkontaktierungen aufwändig hergestellt werden müsste. - • Der LS zwischen dem DC-Minus-Potential und dem AC-Potential schalten kann
- • Der HS zwischen dem DC-Plus-Potential und dem AC-Potential schalten kann.
- • ...diese in THT-Technologie ausgeführt sind. Dies bringt den Vorteil, dass über den Verbindungsprozess eine metallisch gefüllte Verbindung
- • Horizontal segmentation of the entire high-
current circuit board 4 into at least three 43, 47 and 51 and at least threeAC areas 41, 45 and 49 to avoid the overlap of DC and AC areas:DC areas - o AC potentials are routed across all layers L1 to L (n) in
43, 47 and 51 of the high-segmented areas current circuit board 4 - o DC potentials (DC minus in
sections 30, DC plus in sections 38) are routed over all layers L1 to L (n) in 41, 45 and 49 of thesegmented areas circuit board 4.
- o AC potentials are routed across all layers L1 to L (n) in
- •
43, 47 and 51 are arranged as follows:AC areas - o For each phase, a sub-segment is provided in which only potentials are listed that are assigned to the respective phase. Thus, there is a separate subset, called
43, 47 or 51, for each phase.area - Functionalities of the driver control for the TH1, TH2 and TH3 are placed and routed in the
control area 54, thecontrol area 54 extending on the layers L1 and L2 within the sub-segment of the respective phase. - o A
power range 56 is realized on the remaining layers L3 ... L (n) within the sub-segment of the respective phase. - o The
power range 56 extends over at least 4 copper layers L3 ... L (n). - o Only the AC potential of the respective phase is carried in
power range 56.
- o For each phase, a sub-segment is provided in which only potentials are listed that are assigned to the respective phase. Thus, there is a separate subset, called
- • The
41, 45 and 49 are arranged as follows:DC areas - A subsegment, called
41, 45 or 49, is provided for each phase, in which only DC potentials are carried.DC area - Functionalities of the driver control for TL1, TL2 and TL3 are placed and routed in the
control area 54, thecontrol area 54 being on the layers L1 and L2 within the sub-segment of the respective Phase extends. In thecontrol area 54, the subsegments carry DC minus potential. - o A
power range 56 is realized on the remaining layers L3 ... L (n) within the sub-segment of the respective phase. - o The
power range 56 extends over at least 4 copper layers L3 ... L (n). - o In the
power range 56, DC plus and DC minus potentials are alternately routed, with a DC plus and DC minus potential changing at least once and these being routed one above the other.
- A subsegment, called
- The
circuit board 4 provides an interface to a functionalintermediate circuit capacitor 16. The basic structure of the intermediate circuit is arranged in such a way that ...- o ... this is implemented in THT technology. This has the advantage that a metallically filled connection to the printed
circuit board 4 can be provided via the connection process, which connection would otherwise have to be produced in a complex manner via many non-metallically filledvias 52. - o ... this is structured in a distributed manner, ie is formed from several discrete capacitors 16-1, 16-2 and 16-3, with partial capacitances lying within a DC segment of a phase. In particular, the partial capacitances can also consist of several individual capacitors. This has the advantage of a further reduction in the connection inductance of the individual commutation cells (consisting of
intermediate circuit capacitor 16 and power switches LS1, HS1, LS2, HS2, LS3, HS3) and is used for finer scalability.
- o ... this is implemented in THT technology. This has the advantage that a metallically filled connection to the printed
- • The
circuit board 4 provides an interface to at least 2 topological circuit breakers (LS1-HS1, LS2-HS2, LS3-HS3) per 43, 47 and 51 andAC area 41, 45 and 49. These two topological circuit breakers can form a half-bridge structure. These can be designed so that the half bridges ...DC area - o ... are implemented in one package, which simplifies processing and connection technology
- o ... are implemented in several packages per topological switch, which enables maximum scalability
- o ... are implemented in one package per top-logic switch, which is a compromise between the two previous statements.
- • ... these are implemented in THT technology. This has the advantage that a metallically filled connection to the printed
circuit board 4 can be provided via the connection process, which would otherwise have to be produced in a complex manner via many non-metallically filled vias. - • The LS can switch between the DC minus potential and the AC potential
- • The HS can switch between the DC plus potential and the AC potential.
- • ... these are implemented in THT technology. This has the advantage that a metallically filled connection to the printed
Etwas verschoben zur besseren Erkennbarkeit sind Abschnitte 38, 32, 34 und 36 einer unteren Stromleitungsschichtlage, bspw. der Stromleitungsschichtlage L3 dargestellt.
Bezogen auf
Die Teilkreiskondensatoren 16-1, 16-2 und 16-3 sind lediglich gestrichelt angedeutet, da sie sich auf der Unterseite der Leitungsplatte 4 befinden. Ebenso sind die Leistungsschalter LS1, HS1, LS2, HS2, LS3 und HS3 an der Unterseite und daher nur strichliert.The partial circuit capacitors 16-1, 16-2 and 16-3 are only indicated by dashed lines, since they are located on the underside of the
Auf der Oberseite befinden sich ebenfalls drei AC-Schnittstellen 62, 64 und 66 sowie zwei DC-Schnittstellen 68 und 70.There are also three
In
- • Mindestens ein DC-
41, 45Stromverteilungsbereich und 49 mit folgenden Merkmalen oder Funktionen:- o vertikale Lagenanordnung identisch zum DC-
41, 45Bereich und 49 - o
Bereitstellung vom mindestens 2 DC-Schnittstellen 68und 70, wovon mindestens eine für die positive Spannungsversorgung desInverters 3zur Batterie 6 und mindestens eine für die negative Spannungsversorgung der Batterie 6 verwendet wird.- ▪ Hierbei ist die DC-
Schnittstelle 68 und/oder 70 in THT-Technologie ausgeführt. Dies bringt den Vorteil, dass über den Verbindungsprozess eine metallisch gefüllte Verbindungmit der Leiterplatte 4 bereitgestellt werden kann, die sonst über viele nicht metallisch gefüllte Durchkontaktierungen aufwändig hergestellt werden müsste.
- ▪ Hierbei ist die DC-
- o Verteilung des Batteriestroms an
die mindestens 3 DC- 41, 45Bereiche und 49
- o vertikale Lagenanordnung identisch zum DC-
- • Jeder AC-
43, 47Bereich und 51 hat zusätzlich zu den bereits beschriebenen Merkmalen mindestens eine AC- 62, 64Schnittstelle oder 66, dieden Inverter 3 mit der elektrischen Maschine 7 verbindet und den Strom für dieMaschine 7aus dem Inverter 3 auskoppelt.- o Hierbei sind die AC-
62, 64 oder 66 THT-Technologie ausgeführt. Dies bringt den Vorteil, dass über den Verbindungsprozess eine metallisch gefüllte Verbindung mit der Leiterplatte bereitgestellt werden kann, die sonst über viele nicht metallisch gefüllte Durchkontaktierungen aufwändig hergestellt werden müsste.Schnittstellen - o Mindestens ein Niedervolt-
Bereich 59 mit folgenden Merkmalen:
- o Hierbei sind die AC-
- • Es wird ein Teilsegment bereitgestellt, in der nur Potentiale geführt sind, die dem Niedervolt-Bereich zugeordnet sind. Somit werden überlappende Flächen zu allen AC-
43, 47Bereichen und 51 und DC- 41, 45Bereichen und 49 vermieden. - • Es wird eine Schnittstelle 60 zu einem Controlboard bereitgestellt.
- • Mindestens eine Treiberansteuerung für jeden topologischen Schalter mit einer galvanischen Trennung zwischen Niedervolt- und DC- bzw. AC-Bereich.
- • At least one DC
41, 45 and 49 with the following features or functions:power distribution area - o Vertical layer arrangement identical to
41, 45 and 49DC area - o Provision of at least two
68 and 70, of which at least one is used for the positive voltage supply of theDC interfaces inverter 3 to thebattery 6 and at least one for the negative voltage supply of thebattery 6.- ▪ The
DC interface 68 and / or 70 is implemented in THT technology. This has the advantage that a metallically filled connection to thecircuit board 4 can be provided via the connection process, which would otherwise would have to be produced in a complex manner using many non-metallic vias.
- ▪ The
- o Distribution of the battery power to the at least 3
41, 45 and 49DC areas
- o Vertical layer arrangement identical to
- In addition to the features already described, each
43, 47 and 51 has at least oneAC area 62, 64 or 66, which connects theAC interface inverter 3 to theelectrical machine 7 and decouples the current for themachine 7 from theinverter 3 .- o The AC interfaces 62, 64 or 66 are designed using THT technology. This has the advantage that a metallically filled connection to the printed circuit board can be provided via the connection process, which otherwise would have to be produced in a complex manner using many non-metallically filled vias.
- o At least one low-
voltage area 59 with the following features:
- • A sub-segment is provided in which only potentials that are assigned to the low-voltage range are carried. Overlapping areas to all
43, 47 and 51 andAC areas 41, 45 and 49 are thus avoided.DC areas - • An
interface 60 to a control board is provided. - • At least one driver control for each topological switch with galvanic isolation between the low-voltage and DC or AC areas.
Es existieren auch folgende Alternativen zur beschriebenen Ausführungsform:
- • Alternativ zur Schnittstelle eines verteilten Zentralkreiskondensators 16 kann eine Schnittstelle zu einem zentraler Zentralkreiskondensator bereitgestellt werden. Diese Schnittstelle würde dann in der DC-Stromverteilungsschicht angeordnet werden.
- • Alternativ zu THT-Bauteilen können die Leistungsschalter, die Teilkreiskondensatoren 16-1, 16-2 und 16-3 sowie die DC-
Schnittstellen 68 und 70 und die AC- 62, 64Schnittstellen und 66 auch in SMD-Bauformen verwendet werden. Dies kann zusätzliche Lötprozesse in derMontage der Leiterplatte 4 einsparen. - •
Der Leistungsbereich 56 kann sich aufmehr als 4 Lagen erstrecken, falls die Anforderungen an den DC- und AC-Strom dies erfordern.
- • As an alternative to the interface of a distributed
central circuit capacitor 16, an interface to a central central circuit capacitor can be provided. This interface would then be placed in the DC power distribution layer. - • As an alternative to THT components, the circuit breakers, the partial circuit capacitors 16-1, 16-2 and 16-3 as well as the DC interfaces 68 and 70 and the AC interfaces 62, 64 and 66 can also be used in SMD designs. This can save additional soldering processes in the assembly of the
circuit board 4. - • The
power range 56 can extend to more than 4 layers, if the requirements for the DC and AC current so require.
Die Leiterplatte 4 kann einen symmetrischen Aufbau aufweisen. Das heißt, dass der Aufbau von einer gedachten Mittellinie in Dickenrichtung in beiden Richtungen identisch aufgebaut ist. Somit weist z.B. Lage L1 dieselbe Dicke auf wie Lage L(n). Dies ermöglicht standardisierte Leiterplatten-Produktions- und Verarbeitungs-Prozesse.The
Die Leiterplatte 4 kann aber auch einen asymmetrischen Aufbau aufweisen. Dann sind alle Lagen des Leistungsbereiches 56 gleich dick. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Stromverteilung im Leistungsbereich und spart Lagen ein, die nötig wären für einen symmetrischen Aufbau.The
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- 22
- LeistungselektronikPower electronics
- 33
- InverterInverter
- 44th
- LeiterplatteCircuit board
- 55
- elektrische Achseelectric axis
- 66th
- Batteriebattery
- 77th
- ElektromotorElectric motor
- 88th
- ZwischenkreiskondensatorDC link capacitor
- 99
- B6-BrückeB6 bridge
- 1010
- LeistungsschalterCircuit breaker
- 1212th
- Leitungmanagement
- 1414th
- Leitungmanagement
- 1616
- ZwischenkreiskondensatorDC link capacitor
- 16-116-1
- TeilkreiskondensatorPartial circuit capacitor
- 16-216-2
- TeilkreiskondensatorPartial circuit capacitor
- 16-316-3
- TeilkreiskondensatorPartial circuit capacitor
- 1818th
- Leitungmanagement
- 2020th
- Leitungmanagement
- 2222nd
- HalbbrückeHalf bridge
- 2424
- Leitungmanagement
- 2626th
- DickenrichtungThickness direction
- 2828
- AxialrichtungAxial direction
- 3030th
- Abschnittsection
- 3232
- Abschnittsection
- 3434
- Abschnittsection
- 3636
- Abschnittsection
- 3838
- Abschnittsection
- 4040
- Abschnittsection
- 4242
- Reiherow
- 4444
- Reiherow
- 4646
- Reiherow
- 4848
- Reiherow
- 5050
- Reiherow
- 5252
- DurchkontaktierungVia
- 5454
- AnsteuerbereichControl area
- 5656
- LeistungsbereichPerformance range
- 5858
- LeitungsabschnittLine section
- 6060
- Controlboard-SchnittstelleControl board interface
- 6262
- AC-SchnittstelleAC interface
- 6464
- AC-SchnittstelleAC interface
- 6666
- AC-SchnittstelleAC interface
- 6868
- DC-SchnittstelleDC interface
- 7070
- DC-Schnittstelle DC interface
- LS1LS1
- LeistungsschalterCircuit breaker
- LS2LS2
- LeistungsschalterCircuit breaker
- LS3LS3
- LeistungsschalterCircuit breaker
- HS1HS1
- LeistungsschalterCircuit breaker
- HS2HS2
- LeistungsschalterCircuit breaker
- HS3HS3
- LeistungsschalterCircuit breaker
- TL1TL1
- Treiberdriver
- TH1TH1
- Treiberdriver
- TL2TL2
- Treiberdriver
- TH2TH2
- Treiberdriver
- TL3TL3
- Treiberdriver
- TH3TH3
- Treiberdriver
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102015209059 A1 [0006]DE 102015209059 A1 [0006]
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020208215.4A DE102020208215A1 (en) | 2020-07-01 | 2020-07-01 | Circuit board, inverter and electric motor assembly |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020208215.4A DE102020208215A1 (en) | 2020-07-01 | 2020-07-01 | Circuit board, inverter and electric motor assembly |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020208215A1 true DE102020208215A1 (en) | 2022-01-05 |
Family
ID=79019767
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020208215.4A Pending DE102020208215A1 (en) | 2020-07-01 | 2020-07-01 | Circuit board, inverter and electric motor assembly |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020208215A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102022103218A1 (en) | 2022-02-11 | 2023-08-17 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Inverter device with a laminated bus bar or a high-current circuit board |
DE102022207268A1 (en) | 2022-07-18 | 2024-01-18 | Zf Friedrichshafen Ag | Inverter arrangement |
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-
2020
- 2020-07-01 DE DE102020208215.4A patent/DE102020208215A1/en active Pending
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