DE102020214311A1

DE102020214311A1 - Leiterplattenanordnung, Inverter sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020214311A1
Application number: DE102020214311.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Maier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2022-05-19
Also published as: CN114501773A; US20220159841A1; US11924971B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung (4) mit einer Leiterplatte (6) mit wenigstens zwei Stromleitungsschichtlagen (10), wobei die Stromleitungsschichtlagen (10) sich in axialer Richtung der Leiterplatte (6) erstrecken und in Dickenrichtung der Leiterplatte (6) aufeinanderfolgend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenanordnung(4) eine Busbar (7) aufweist, die auf einer der Seitenflächen (9) der Leiterplatte (6) angeordnet und mit wenigstens einem Teil der, insbesondere allen, Stromleitungsschichtlagen (10) der Leiterplatte (6) kontaktiert ist.Daneben betrifft die Erfindung einen Inverter.Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betriff eine Leiterplattenanordnung mit einer Leiterplatte mit wenigstens zwei Stromleitungsschichtlagen, wobei die Stromleitungsschichtlagen sich in axialer Richtung der Leiterplatte erstrecken und in Dickenrichtung der Leiterplatte aufeinanderfolgend angeordnet sind.
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 aus Kupfer übereinander zu stapeln, wobei die Kupferlagen durch elektrisch isolierende Schichtlagen voneinander getrennt sind.
Derartige Leiterplatten können beispielsweise in Invertern verwendet werden, um den aus einer Batterie stammenden Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Um den an dem Wechselstrom hängenden Verbraucher, beispielsweise ein Elektromotor, exakt mit Strom versorgen zu können muss dieser gemessen werden. Dabei ist es bekannt, die Stromleitungsschichtlagen, also die elektrisch leitenden Elemente, an einer Stelle zu verjüngen und dadurch die Strommessung mittels eines Stromsensors zu ermöglichen. Durch die Verjüngung der Stromleitungsschichtlagen wird das sich um diese elektrischen Leiter ergebende magnetische Feld verstärkt und dadurch messbar.
Dabei besteht allerdings das Problem, dass die Stromtragfähigkeit der Leiterplatte an der verjüngten Stelle herabgesetzt ist. Dem kann dadurch begegnet werden, dass die Stromleitungsschichtlagen der Leiterplatte dicker ausgebildet werden. Bekannte Stromleitungsschichtlagen haben eine Dicke von circa 100 µm, diese können bis zu 400 µm stark werden. Durch diese Maßnahme wird zwar die Stromtragfähigkeit der Leiterplatte wieder erhöht, allerdings wird sie erheblich höher und teurer.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leiterplattenanordnung anzugeben, bei der eine genaue Strommessung möglich ist und die dabei trotzdem kostengünstig herstellbar bleibt.
Zur Lösung dieses Problems wird bei einer Leiterplattenanordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Leiterplattenanordnung eine Busbar aufweist, die auf eine der Seitenflächen der Leiterplatte angeordnet und mit allen Stromleitungsschichtlagen der Leiterplatte kontaktiert ist.
Als Kern der Erfindung wird angesehen, dass zumindest ein Teil des durch die Leiterplatte fließenden Stroms auf die Busbar abgezweigt wird. Dann kann der durch die Leiterplatte fließende Strom auch außerhalb der Leiterplatte gemessen werden. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, die Stromleitungsschichtlagen in der Leiterplatte an einer Stelle zur Strommessung zu verjüngen. Dadurch können die Stromleitungsschichtlagen wesentlich dünner ausgebildet bleiben. Als Kern der Erfindung wird also angesehen, die Strommessung aus der Leiterplatte herauszuziehen.
Die Leiterplattenanordnung besteht dabei aus der Leiterplatte und der Busbar. Wie die Leiterplatte dabei im Detail ausgebildet ist, ist grundsätzlich unerheblich.
Vorteilhafterweise kann die Busbar eine Verengung aufweisen. Die Verengung ist bevorzugt in der Mitte der Busbar angeordnet. Weiter unten wird ebenfalls auf die Mitte der Leiterplatte verwiesen. Unter der Mitte wird in der vorliegenden Anmeldung verstanden, dass sich die beschriebene Position lediglich nicht ganz am Ende der Busbar beziehungsweise der Leiterplatte befindet. Es muss sich hierbei weder um die exakte Mitte noch um einen Bereich im Wesentlichen in der Mitte handeln. Die Verengung dient wie zu den Stromleitungsschichtlagen beschrieben dazu, das Magnetfeld, das durch den durch die Busbar fließenden Strom erzeugt wird, zu erhöhen und dadurch eine Strommessung mittels des Magnetfeldes zu ermöglichen. Die Verengung ist also so angeordnet, dass das dadurch erzeugte Magnetfeld optimal von einem Stromsensor abgegriffen werden kann. Bevorzugt ist der Stromsensor zwischen der Busbar und der Leiterplatte angeordnet. Er befindet sich bei Draufsicht auf die Leiterplatte aus gesehen also nicht neben oder über der Busbar, sondern unter ihr.
Es sei angemerkt, dass sich die Position der Mitte sowohl der Busbar als auch der Leiterplatte dabei auf die Längsachse des jeweiligen Bauteils bezieht.
Bevorzugt kann die Busbar den Stromsensor überbrücken. Dieser kann dann wie gewohnt auf der Leiterplatte befestigt sein und die Busbar führt wie eine Brücke über den Stromsensor. Dies ist kostengünstiger als alternativ die Leiterplatte mit einer dickeren Isolierschicht zu versehen, in die der Stromsensor eingebettet wird.
Bevorzugt können die Stromleitungsschichtlagen der in der Mitte durchtrennt oder sonst wie elektrisch isoliert sein und über die Busbar verbunden sein. Dabei ist wie oben beschrieben der Begriff der Mitte großzügig zu verstehen. Bei dieser Ausgestaltung fließt der gesamte Strom, der durch die Leiterplatte fließt, auch durch die Busbar. Dadurch kann die Strommessung optimiert werden.
Vorteilhafterweise kann die Busbar eine größere Dicke aufweisen als eine Stromleitungsschichtlage der Leiterplatte. Insbesondere kann die Busbar auch eine größere Dicke aufweisen als alle Stromleitungsschichtlagen der Leiterplatte zusammen. Weist die Leiterplatte beispielsweise acht Stromleitungsschichtlagen von 100 µm Dicke auf, so haben diese eine Gesamtdicke aufsummiert von 800 µm. Dem gegenüber kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Busbar eine Dicke von wenigstens einem Millimeter aufweist. Die Engstelle der Busbar kann an dieser Stelle durch eine größere Dicke kompensiert werden. Dabei kann die Dicke bedarfsweise angepasst werden. In der Leiterplatte besteht der Nachteil, dass, selbst wenn nur die Dicke einer einzigen Schichtlage vergrößert werden müsste, aus Symmetriegründen die Dicken weiterer Stromleitungsschichtlagen vergrößert werden muss. Ein derartiger Zwang besteht bei der Busbar nicht, weswegen die Gesamtdicke der Leiterplattenanordnung ebenfalls minimal gehalten werden kann.
Vorteilhafterweise kann die Busbar eine kleinere Fläche einschließen als die Stromleitungsschichtlagen. Die Stromleitungsschichtlagen müssen die Leiterplatte nicht mehr auf der vollen Länge durchqueren, ein Stück weit wird der Strom durch die Busbar geführt. Im Extremfall kann die bedeckte Fläche durch die Stromleitungsschichtlagen sogar sehr klein ausfallen. Trotzdem liegen die Abschnitte einer Stromleitungsschichtlage so, dass sie eine größere Fläche einschließen als die Busbar. Legt man die Busbar also auf eine Stromleitungsschichtlage, bedeckt sie diese nicht vollständig.
Bevorzugt kann die Busbar mittels SMD an der Leiterplatte befestigt sein. Bei SMD handelt es sich um die sogenannte Surface Mounting Technology. Die Busbar ist dann im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Leiterplatte angeordnet.
Daneben betrifft die Erfindung einen Inverter mit einem Zwischenkreiskondensator und einer Leiterplattenanordnung. Der Inverter zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplattenanordnung wie beschrieben ausgebildet ist.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Leistungselektronik aufweisend einer Leiterplattenanordnung. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplattenanordnung wie beschrieben ausgebildet ist. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug einen Inverter wie beschrieben aufweisen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:

1 ein Kraftfahrzeug,
2 eine Leiterplattenanordnung in einer Seitenansicht, und
3 eine Leiterplattenanordnung in der Draufsicht.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Leistungselektronik 2, beispielsweise in Form eines Inverters 3. Dieser umfasst eine Leiterplattenanordnung 4, wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben ist.
Das Kraftfahrzeug 1 kann insbesondere eine elektrische Achse 5 aufweisen. Das Kraftfahrzeug 1 ist bevorzugt als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet.
2 zeigt eine Leiterplattenanordnung 4 in der Seitenansicht. Die Leiterplattenanordnung 4 weist eine Leiterplatte 6 sowie eine Busbar 7 auf. Als einziges elektrisches Bauteil ist ein Stromsensor 8 dargestellt, die Leiterplatte 6 kann aber selbstverständlich mit einer Vielzahl an elektrischen Bauteilen bestückt sein. Insbesondere können Leistungsschalter an der Leiterplatte 6 vorhanden sein. Bei der gezeigten Ausgestaltung ist der Stromsensor 8 mit der Leiterplatte 6 kontaktiert. Die Busbar 7 ist auf einer der Oberflächen 9 der Leiterplatte 6 befestigt, vorteilhafterweise mittels SMD-Löten. Die Busbar 7 ist mit allen Stromleitungsschichtlagen 10, von denen vier Exemplare starr gestellt sind, elektrisch verbunden. Die Stromleitungsschichtlagen 10 sind in der Mitte getrennt, sodass der gesamte Strom erst über die Stromleitungsschichtlagen 10 und dann über die Busbar 7 fließt.
Die Dicke der Busbar 7 ist größer als die Gesamtdicke aller Stromleitungsschichtlagen 10. Die Busbar 7 wie auch die Stromleitungsschichtlagen 10 bestehen bevorzugt aus Kupfer. Selbstverständlich kann die Busbar 7 auch ein anderes Material aufweisen als die Stromleitungsschichtlagen 10.
Der Stromfluss ist mittels der Pfeile 12 dargestellt. Dabei erkennt man, dass die Busbar 7 mit allen Stromleitungsschichtlagen elektrisch verbunden ist, sodass der gesamte durch die Leiterplatte 6 fließende Strom auf dem Mittelstück der Leiterplatte 6 über die Busbar 7 umgeleitet wird.
3 zeigt die Leiterplattenanordnung 4 nach 2 in der Draufsicht. Dabei erkennt man, dass die Busbar 7 in der Mitte eine Verjüngung 14 aufweist. Diese dient der Konzentration des durch den elektrischen Strom erzeugten Magnetfeldes. Dieses Magnetfeld wird vom Stromsensor 8 gemessen und zur Bestimmung der Stromstärke herangezogen. Die Stromtragfähigkeit der Leiterplattenanordnung 4 ist dadurch gegeben, dass die Busbar 7 an der entsprechenden Stelle eine ausreichende Dicke aufweist. Dabei kann die Gesamtdicke der Leiterplattenanordnung 4 trotzdem minimal gehalten werden, da nicht jede der Stromleitungsschichtlagen 10 verdickt werden muss. Insbesondere kann die Busbar 7 über einen Millimeter Dicke aufweisen, während die einzelnen Stromleitungsschichtlagen 10 weiterhin eine Dicke von 100 µm aufweisen können.
Aus 3 ist auch ersichtlich, dass die Busbar 7 eine kleinere Fläche einschließt als die Stromleitungsschichtlagen 10. Die Stromleitungsschichtlagen 10 beaufschlagen die Leiterplatte 6 jedenfalls an den Rändern und schließen damit eine Fläche ein, die der Fläche der Leiterplatte entspricht. Die Busbar 7 schließt dem gegenüber eine viel geringere Fläche ein.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Leistungselektronik
3: Inverter
4: Leiterplatte
5: elektrische Achse
6: Leiterplatte
7: Busbar
8: Stromsensor
9: Oberfläche
10: Stromleitungsschichtlage
12: Pfeil
14: Verjüngung

Claims

Leiterplattenanordnung (4) mit einer Leiterplatte (6) mit wenigstens zwei Stromleitungsschichtlagen (10), wobei die Stromleitungsschichtlagen (10) sich in axialer Richtung der Leiterplatte (6) erstrecken und in Dickenrichtung der Leiterplatte (6) aufeinanderfolgend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenanordnung(4) eine Busbar (7) aufweist, die auf einer der Seitenflächen (9) der Leiterplatte (6) angeordnet und mit wenigstens einem Teil der, insbesondere allen, Stromleitungsschichtlagen (10) der Leiterplatte (6) kontaktiert ist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Busbar (7) eine Verengung (14) aufweist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Busbar (7) und der Leiterplatte ein Stromsensor (8) angeordnet ist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Busbar (7) den Stromsensor (8) überbrückt.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitungsschichtlagen (10) in der Mitte durchtrennt und über die Busbar (7) verbunden sind.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Busbar (7) eine größere Dicke aufweist als die Stromleitungsschichtlagen (10) der Leiterplatte (6).
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Busbar (7) eine Dicke von wenigstens einem Millimeter aufweist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Busbar (7) eine kleinere Fläche einschließt als die Stromleitungsschichtlagen (10).
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Busbar (7) mittels SMD-Löten an der Leiterplatte (6) befestigt ist.
Inverter mit einem Zwischenkreiskondensator und einer Leiterplattenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenanordnung (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Leistungselektronik aufweisend eine Leiterplattenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenanordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.