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Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe mit wenigstens einer Halbbrücke, die zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter aufweist.
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Eine derartige elektronische Baugruppe wird beispielsweise in Spannungsreglern und Spannungswandlern verwendet. Die elektronischen Schalter der Baugruppe werden üblicherweise auf einer Seite eines elektrisch isolierenden Bauteilträgers, beispielsweise einer Keramik aufgebracht, beispielsweise durch Löten oder Sintern. Der Bauteilträger ist zur Wärmespreizung in der Regel beidseitig mit Metall, beispielsweise mit Kupfer beschichtet. Die untere metallbeschichtete Seite des Bauteilträgers wird häufig, beispielsweise durch Löten oder Sintern, auf ein schirmend ausgeführtes metallisches Gehäuse eines Steuergerätes aufgebracht, welches mit Kühlkanälen durchzogen ist. Wenn ein Kühlmittel durch diese Kühlkanäle fließt, kann die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärmeenergie nach außen, das heißt von den elektronischen Schaltern weg, transportiert werden.
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Dabei bildet der Bauteilträger den Flaschenhals des Wärmeübertragungspfades. Aufgrund der Übertragung der Wärme mittels Gitterschwingungen des Isolators kann nur ein deutlich geringerer Wärmestrom als durch Metalle, deren Wärmeübertragung auf beweglichen Elektronen beruht, transportiert werden, beispielsweise nur ein Zehntel bis ein Drittel des von einem Metall transportierbaren Wärmestroms.
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Außerdem bildet der beidseitig mit Metall beschichtete Bauteilträger einen Plattenkondensator, dessen Kapazität in einem hohen pF-Bereich liegen kann. Der durch die Schaltspannungen der elektronischen Schalter durch diese Kapazität getriebene Strom liegt bei Invertern bzw. Konvertern im vielfachen kW-Bereich bei einer Frequenz von 10 MHz noch im mA-Bereich. Ströme in diesem Frequenzbereich dürfen jedoch 1,3 µA nicht überschreiten, damit die Emissionsgrenzwerte eingehalten werden.
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Zur elektrischen Verbindung der elektronischen Schalter mit dem Zwischenkreis werden in der Regel koplanare Leiteranordnungen verwendet, deren Hin- und Rückleiter oft große Flächen umrahmen. Dadurch werden großflächige Stromkreise aufgespannt, die bei Strömen von mehreren hundert Ampere zu starken Magnetfeldern führen, welche die Umgebung durchdringen und potentiell stören. Auch die elektrischen Felder, die bei Potentialdifferenzen beispielsweise im kV-Bereich in dem System auftreten, ragen bei dieser Aufbautechnologie weit in den umgebenden Raum hinaus und können potentiell stören.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der Kühlung und der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) verbesserte elektronische Baugruppe mit wenigstens einer Halbbrücke, die zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter aufweist, anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe umfasst
- - einen elektrischen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Pluspol, einem Minuspol und einem Zwischenkreiskondensator,
- - wenigstens eine Halbbrücke mit einem mit dem Pluspol verbundenen elektronischen High-Side-Schalter und einem mit dem Minuspol verbundenen elektronischen Low-Side-Schalter,
- - für jeden High-Side-Schalter einen metallischen High-Side-Kühlblock,
- - wenigstens einen metallischen Low-Side-Kühlblock,
- - eine Leiterplatte und
- - ein metallisches Gehäuse, in dem der Zwischenkreiskondensator, jeder High-Side-Kühlblock und jeder High-Side-Schalter angeordnet sind und das mit dem Minuspol verbunden ist, wobei
- - die Kühlblöcke jeweils wenigstens einen Kühlkanal zum Leiten eines Kühlmittels aufweisen und die Kühlkanäle aller Kühlblöcke miteinander verbunden sind,
- - alle High-Side-Schalter an der Leiterplatte auf einer ersten Leiterplattenseite angeordnet sind und alle Low-Side-Schalter an der Leiterplatte auf einer der ersten Leiterplattenseite gegenüberliegenden zweiten Leiterplattenseite angeordnet sind, so dass der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter jeder Halbbrücke einander gegenüberliegen,
- - der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter jeder Halbbrücke durch eine Durchkontaktierung in der Leiterplatte elektrisch miteinander verbunden sind,
- - der High-Side-Schalter jeder Halbbrücke mit einem High-Side-Anschluss des Zwischenkreiskondensators verbunden ist und der Low-Side-Schalter jeder Halbbrücke mit einem Low-Side-Anschluss des Zwischenkreiskondensators verbunden ist, so dass ein zwischen einem High-Side-Anschluss und einem Low-Side-Anschluss des Zwischenkreiskondensators in einer Halbbrücke fließender elektrischer Strom durch den High-Side-Schalter in einer Richtung fließt, die der Richtung durch den Low-Side-Schalter entgegengesetzt ist,
- - eine von der Leiterplatte abgewandte Oberfläche jedes High-Side-Schalters an dem dem High-Side-Schalter zugeordneten High-Side-Kühlblock anliegt, und
- - eine von der Leiterplatte abgewandte Oberfläche jedes Low-Side-Schalters an einem Low-Side-Kühlblock anliegt.
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Die Begriffe High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter werden hier verwendet, um die mit dem Pluspol verbundenen elektronischen Schalter (High-Side-Schalter) von den mit dem Minuspol verbundenen elektronischen Schaltern (Low-Side-Schalter) zu unterscheiden. Die Begriffe beziehen sich also auf die elektrische Verschaltung der Schalter in der Baugruppe, nicht auf die physikalische Ausbildung der Schalter. Physikalisch können die High-Side-Schalter und die Low-Side-Schalter identisch ausgebildet sein. Die Begriffe High-Side-Kühlblock und Low-Side-Kühlblock werden hier verwendet, um einen Kühlblock, an dem ein High-Side-Schalter angeordnet ist, von einem Kühlblock zu unterscheiden, an dem wenigstens ein Low-Side-Schalter angeordnet ist. Diese Begriffe beziehen sich somit auf die Zuordnung des jeweiligen Kühlblocks zu einem High-Side-Schalter oder wenigstens einem Low-Side-Schalter, nicht auf die physikalische Ausbildung der Kühlblöcke. Ein High-Side-Kühlblock kann daher physikalisch ähnlich wie ein Low-Side-Kühlblock ausgebildet sein.
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Eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe unterscheidet sich von oben beschriebenen herkömmlichen Baugruppen einerseits durch eine verbesserte Kühlung und andererseits durch eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit.
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Die Kühlung wird dadurch verbessert, dass die Baugruppe keinen elektrisch isolierenden Bauteilträger aufweist, an dem die High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter angebracht sind. Stattdessen sind diese Schalter jeweils direkt an einem metallischen Kühlblock angeordnet, der wenigstens einen Kühlkanal aufweist, durch den ein Kühlmittel leitbar ist. Dadurch wird die Wärmeabfuhr von den Schaltern wesentlich verbessert gegenüber einer Baugruppe mit einem elektrisch isolierenden Bauteilträger, auf dem die Schalter angeordnet sind.
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Die elektromagnetische Verträglichkeit wird einerseits durch eine Kompensation von Magnetfeldern, die von den durch die Schalter fließenden elektrischen Strömen erzeugt werden, und andererseits durch eine räumliche Begrenzung von elektrischen Feldern, die von Potentialdifferenzen zwischen elektrischen Potentialen der Baugruppe verursacht werden, gegenüber herkömmlichen Baugruppen verbessert.
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Die Kompensation der Magnetfelder wird dadurch erreicht, dass ein zwischen einem High-Side-Anschluss und einem Low-Side-Anschluss des Zwischenkreiskondensators in einer Halbbrücke fließender elektrischer Strom durch den High-Side-Schalter in einer Richtung fließt, die der Richtung durch den Low-Side-Schalter entgegengesetzt ist. Das Magnetfeld des durch den High-Side-Schalter fließenden Stroms kompensiert daher das Magnetfeld des durch den Low-Side-Schalter fließenden Stroms zumindest teilweise.
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Die räumliche Begrenzung der elektrischen Felder wird insbesondere durch die sich gegenüberliegenden Innenflächen der High-Side- und Low-Side-Kühlblöcke erreicht, wobei letztere mit dem Minuspol des Gleichspannungszwischenkreises verbunden sind. Dadurch werden die elektrischen Felder im Wesentlichen auf das Innere der so gebildeten Plattenkondensatoren begrenzt.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist jeder High-Side-Kühlblock von jedem anderen High-Side-Kühlblock, von dem Pluspol und von jedem Low-Side-Kühlblock elektrisch isoliert. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht, dass ein High-Side-Kühlblock im Betrieb der Baugruppe auf wechselndem elektrischen Potential liegt. Dies ist erforderlich, da ein High-Side-Kühlblock mit einem High-Side-Schalter elektrisch verbunden ist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das die High-Side-Schalter und den Zwischenkreis umgebende Gehäuse elektrisch leitend mit jedem Low-Side-Kühlblock verbunden. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die räumliche Begrenzung der verbleibenden elektrischen Felder und führt die von diesen Feldern erzeugten elektrischen Ströme auf kurzen Wegen wieder zu ihren Quellen zurück.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Kühlkanal eines High-Side-Kühlblocks mit einem Kühlkanal eines Low-Side-Kühlblocks durch eine durch die Leiterplatte geführte Verbindungshülse verbunden. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht durch die Leiterplatte geführte Verbindungen der Kühlkanäle von High-Side-Kühlblöcken und Low-Side-Kühlblöcken, sodass keine derartigen Verbindungen um die Leiterplatte herumgeführt werden müssen.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Baugruppe genau einen Low-Side-Kühlblock auf, der an den von der Leiterplatte abgewandten Oberflächen aller Low-Side-Schalter anliegt. Diese Ausgestaltung der Erfindung reduziert im Fall, dass die Baugruppe mehrere Halbbrücken mit elektronischen Schaltern aufweist, vorteilhaft die Anzahl von Bauelementen der Baugruppe gegenüber einer Ausführung mit mehreren Low-Side-Kühlblöcken, beispielsweise mit einem Low-Side-Kühlblock für jeden Low-Side-Schalter.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuse einen zu der Leiterplatte hin offenen Gehäuseteil auf, der eine an der Leiterplatte auf der ersten Leiterplattenseite anliegende Kante aufweist und in dem jeder High-Side-Kühlblock angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird eine Umschließung der High-Side-Kühlblöcke und damit auch der High-Side-Schalter auf der ersten Leiterplattenseite durch das Gehäuse erreicht.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuse eine auf der zweiten Leiterplattenseite oder in der Leiterplatte angeordnete Metallschicht auf, die für jeden Low-Side-Schalter und High-Side-Schalter eine Aussparung aufweist und mit dem zu der Leiterplatte hin offenen Gehäuseteil durch mehrere Durchkontaktierungen in der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden ist. Durch die Metallschicht wird der zu der Leiterplatte hin offene Gehäuseteil abgeschlossen, sodass er zusammen mit der Metallschicht die High-Side-Kühlblöcke und die High-Side-Schalter umschließt.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse wenigstens teilweise mit einem Dielektrikum befüllt. Beispielsweise weist das Dielektrikum eine relative Permittivität von wenigstens 2 auf. Dadurch wird die elektrische Flußdichte vornehmlich innerhalb des vom Dielektrikum gefüllten Raumes konzentriert. Durch das Dielektrikum kann außerdem eine Durchschlagfestigkeit des Innenraumes des Gehäuses erhöht werden, wodurch die Abstände von Bauteilen mit hohen Potentialdifferenzen im Innenraum des Gehäuses reduziert werden können, wodurch wiederum die von den Potentialdifferenzen erzeugten elektrischen Felder vorteilhaft räumlich begrenzt werden.
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Das Dielektrikum ist ferner beispielsweise ein Thermoplast, ein Duroplast oder eine Vergussmasse. Dadurch kann insbesondere eine einfache mechanische Fixierung von Bauteilen im Innenraum des Gehäuses mittels des Dielektrikums erreicht werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Zwischenkreiskondensator eine Reihenschaltung mehrerer übereinander angeordneter Teilkondensatoren auf, die jeweils mehrere übereinander angeordnete Elektrodenlagen und zwischen den Elektrodenlagen angeordnete Isolierlagen aufweisen. Durch eine derartige Ausführung des Zwischenkreiskondensators kann dessen Spannungsfestigkeit erhöht werden und sie erlaubt außerdem eine zumindest teilweise Kompensation der die Kondensatorströme begleitenden magnetischen Felder, was sich vorteilhaft in einer geringeren Induktivität bemerkbar macht.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe,
- 2 einen Schaltplan der in 1 dargestellten elektronischen Baugruppe,
- 3 eine erste perspektivische Darstellung von Teilen der in 1 dargestellten elektronischen Baugruppe,
- 4 eine perspektivische Darstellung der Leiterplatte der in 1 dargestellten elektronischen Baugruppe,
- 5 eine zweite perspektivische Darstellung von Teilen der in 1 dargestellten elektronischen Baugruppe,
- 6 eine dritte perspektivische Darstellung von Teilen der in 1 dargestellten elektronischen Baugruppe,
- 7 eine perspektivische Darstellung der in 1 dargestellten elektronischen Baugruppe,
- 8 eine perspektivische Darstellung des Zwischenkreiskondensators der in 1 dargestellten elektronischen Baugruppe,
- 9 eine erste Schnittdarstellung des Zwischenkreiskondensators der in 1 dargestellten elektronischen Baugruppe,
- 10 eine zweite Schnittdarstellung des Zwischenkreiskondensators der in 1 dargestellten elektronischen Baugruppe,
- 11 eine Schaltskizze einer Verschaltung eines Mittelabgriffs mit Elektrodenlagen des Zwischenkreiskondensators der in 1 dargestellten elektronischen Baugruppe,
- 12 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe.
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Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 11 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe 100. Dabei zeigt 1 (1) eine Schnittdarstellung der Baugruppe 100 und 2 (2) zeigt einen Schaltplan der Baugruppe 100. Die Baugruppe 100 umfasst einen elektrischen Gleichspannungszwischenkreis 101 mit einem Pluspol 102, einem Minuspol 103 und einem Zwischenkreiskondensator 8. Das elektrische Potential des Minuspols 103 definiert ein Bezugspotential der Baugruppe 100. Ferner umfasst die Baugruppe 100 drei Halbbrücken 104 bis 106 mit jeweils einem mit dem Pluspol 102 verbundenen elektronischen High-Side-Schalter 1, einem mit dem Minuspol 103 verbundenen elektronischen Low-Side-Schalter 19 und einem Halbbrückenabgriff 9, wobei der High-Side-Schalter 1 und der Low-Side-Schalter 19 jeder Halbbrücke 104 bis 106 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Halbbrückenabgriffe 9 werden beispielsweise jeweils mit einem Außenleiter eines dreiphasigen Motors verbunden, der mittels der Baugruppe 100 gesteuert wird.
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Im Folgenden ist angenommen, dass die High-Side-Schalter 1 und die Low-Side-Schalter 19 jeweils als ein Transistor mit einem Halbleiter mit breitem Bandabstand (Wide Bandgap Transistor, abgekürzt WBT), z.B. in GaN oder SiC Technologie ausgeführt, ausgebildet sind. In anderen Ausführungsbeispielen können sie aber auch jeweils als ein anderer elektronischer Schalter ausgebildet sein, beispielsweise als ein IGBT (Abkürzung für insulated-gate bipolar transistor, deutsch: Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) und eine antiparallel geschaltete Freilaufdiode. Im letzteren Fall sind die für die elektrischen Anschlüsse eines WBT verwendeten Begriffe Drain, Source und Gate gegebenenfalls durch entsprechende Begriffe zu ersetzen, beispielsweise im Fall eines IGBT Drain durch Kollektor und Source durch Emitter.
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Alle High-Side-Schalter 1 sind an der Leiterplatte 14 auf einer ersten Leiterplattenseite angeordnet und alle Low-Side-Schalter 19 sind an der Leiterplatte 14 auf einer der ersten Leiterplattenseite gegenüberliegenden zweiten Leiterplattenseite angeordnet, so dass der High-Side-Schalter 1 und der Low-Side-Schalter 19 jeder Halbbrücke 104 bis 106 einander gegenüberliegen. Der High-Side-Schalter 1 und der Low-Side-Schalter 19 jeder Halbbrücke 104 bis 106 sind durch eine Durchkontaktierung 21 in der Leiterplatte 14 elektrisch miteinander verbunden.
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Die Baugruppe 100 umfasst ferner für jeden High-Side-Schalter 1 einen metallischen High-Side-Kühlblock 2, der an einer von der Leiterplatte 14 abgewandten Oberfläche des High-Side-Schalters 1 anliegt, sowie einen metallischen Verbindungskühlblock 3, der entlang von Stirnseiten der High-Side-Kühlblöcke 2, aber von diesen Stirnseiten beabstandet verläuft (siehe auch 3). Jeder High-Side-Kühlblock 2 weist einen in dem High-Side-Kühlblock 2 zu dem Verbindungskühlblock 3 verlaufenden Kühlkanal 2.1 zum Leiten eines Kühlmittels auf. Der Verbindungskühlblock 3 weist einen in ihm senkrecht zu den Kühlkanälen 2.1 verlaufenden Verbindungskühlkanal 3.1 auf. Die Kühlkanäle 2.1 sind mit dem Verbindungskühlkanal 3.1 durch elektrisch isolierende Kühlverbindungen 6 verbunden, die gleichzeitig als Distanzstücke zwischen den High-Side-Kühlblöcken 2 und dem Verbindungskühlblock 3 dienen.
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Die Baugruppe 100 umfasst außerdem einen metallischen Low-Side-Kühlblock 20. Der Low-Side-Kühlblock 20 weist für jeden Low-Side-Schalter 19 einen Kühlabschnitt 20.1 auf, der ähnlich wie ein High-Side-Kühlblock 2 ausgebildet ist und an dem eine von der Leiterplatte 14 abgewandte Oberfläche des Low-Side-Schalters 19 anliegt. Ferner weist der Low-Side-Kühlblock 20 einen Verbindungskühlabschnitt 20.2 auf, der die Kühlabschnitte 20.1 miteinander verbindet (siehe auch 5). Jeder Kühlabschnitt 20.1 weist einen Kühlkanal 20.3 auf, der zu dem Verbindungskühlabschnitt 20.2 hin verläuft. Der Verbindungskühlabschnitt 20.2 weist einen Verbindungskühlkanal 20.4 auf, der die Kühlkanäle 20.3 miteinander verbindet und senkrecht zu ihnen verläuft. Der Kühlkanal 20.3 eines Kühlabschnitts 20.1 ist mit dem Kühlkanal 2.1 desjenigen High-Side-Kühlblocks 2, der ihm auf der anderen Seite der Leiterplatte 14 gegenüberliegt, durch eine elektrisch isolierende Verbindungshülse 22 verbunden, die durch die Leiterplatte 14 geführt ist.
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Der Verbindungskühlblock 3 ist mit dem Pluspol 102 elektrisch verbunden. Der Low-Side-Kühlblock 20 ist mit dem Minuspol 103 elektrisch verbunden. Die High-Side-Kühlblöcke 2 sind voneinander und von dem Verbindungskühlblock 3 elektrisch isoliert.
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Der Verbindungskühlabschnitt 20.2 des Low-Side-Kühlblocks 20 und der Verbindungskühlblock 3 verlaufen parallel zueinander auf einander gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte 14 und weisen miteinander fluchtende Stirnseiten auf, die dem Zwischenkreiskondensator 8 zugewandt sind.
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Die Halbbrückenabgriffe 9 sind versetzt zueinander angeordnet (siehe 3). Dadurch kann beispielsweise der Anschluss eines feldkompensierten Dreiphasenkabels an die Halbbrückenabgriffe 9 erleichtert werden. Ein die Halbbrückenabgriffe 9 jeweils umgebendes Magnetfeld kann beispielsweise zur induktiven Phasenstrommessung eines an die Halbbrückenabgriffe 9 angeschlossenen dreiphasigen Verbrauchers genutzt werden. 1 zeigt einen ringförmig um einen Halbbrückenabgriff 9 verlaufenden Magnetfeldsensor 33 zum Erfassen des den Halbbrückenabgriff 9 umgebenden Magnetfeldes.
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3 (3) zeigt eine perspektivische Darstellung des Zwischenkreiskondensators 8 und auf der ersten Leiterplattenseite angeordneter Komponenten der Baugruppe 100.
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Der Zwischenkreiskondensator 8 weist für jede Halbbrücke 104 bis 106 einen High-Side-Anschluss 5 und einen Low-Side-Anschluss 25 auf. Die High-Side-Anschlüsse 5 und Low-Side-Anschlüsse 25 sind leiterplattenseitig aus dem Zwischenkreiskondensator 8 herausgeführt.
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Jeder High-Side-Anschluss 5 des Zwischenkreiskondensators 8 ist mit dem Verbindungskühlblock 3 und einem an der Leiterplatte 14 auf der ersten Leiterplattenseite angeordneten elektrisch leitenden Verbindungsblock 10 elektrisch verbunden. Jeder Verbindungsblock 10 ist über eine in der Leiterplatte 14 angeordnete Leitung 11 mit dem Drain-Anschluss eines High-Side-Schalters 1 elektrisch verbunden. Der Gate-Anschluss eines High-Side-Schalters 1 ist mit einer in der Leiterplatte 14 angeordneten Leitung 12 verbunden, der Source-Anschluss eines High-Side-Schalters 1 ist mit einer in der Leiterplatte 14 angeordnete Leitung 13 verbunden.
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Jeder Low-Side-Anschluss 25 des Zwischenkreiskondensators 8 ist entsprechend mit dem Verbindungskühlabschnitt 20.2 des Low-Side-Kühlblocks 20 und einem an der Leiterplatte 14 auf der zweiten Leiterplattenseite angeordneten elektrisch leitenden Verbindungsblock 15 (siehe 1 und 4) elektrisch verbunden. Jeder Verbindungsblock 15 ist über eine in der Leiterplatte 14 angeordnete Leitung 16 (siehe 1 und 4) mit dem Source-Anschluss eines Low-Side-Schalters 19 elektrisch verbunden. Der Gate-Anschluss eines Low-Side-Schalters 19 ist mit einer in der Leiterplatte 14 angeordneten Leitung 17 (siehe 4) verbunden, der Drain-Anschluss eines High-Side-Schalters 1 ist mit einer in der Leiterplatte 14 angeordnete Leitung 18 (siehe 4) verbunden.
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In 3 sind ferner dargestellt ein Kühlmittelanschluss 7 des Verbindungskühlblocks 3 zum Zu- und Ableiten von Kühlmittel zu und aus dem Verbindungskühlkanal 3.1 und ein elektrischer Anschluss 4, über den der Verbindungskühlblock 3 mit dem Pluspol 102 verbunden ist.
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4 (4) zeigt eine perspektivische Darstellung der Leiterplatte 14 ohne die High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 19. Dargestellt sind die Verbindungsblöcke 15, die Leitungen 11, 12, 13, 16, 17, 18 und eine auf der zweiten Leiterplattenseite angeordnete Metallschicht 32, die für jeden High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 19 eine Aussparung 32.1 aufweist und Teil eines Gehäuses 107 (siehe 1 und 7) der Baugruppe 100 ist.
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Statt auf der zweiten Leiterplattenseite kann die Metallschicht 32 auch in einer inneren Lage der Leiterplatte 14 angeordnet sein. Dann kann auf das Bezugspotential der Baugruppe 100 bezogene Auswerte - und/oder Ansteuerelektronik auch oberhalb oder unterhalb der Metallschicht 32 an der Leiterplatte 14 platziert und mit der Metallschicht 32 elektrisch verbunden werden.
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5 (5) zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Anordnung und geometrische Ausführung des Zwischenkreiskondensators 8, der Leiterplatte 14, des Low-Side-Kühlblocks 20, der High-Side-Kühlblöcke 2 und des Verbindungskühlblocks 3 und der Halbbrückenabgriffe 9. Ferner zeigt 5 einen Kühlmittelanschluss 23 des Low-Side-Kühlblocks 20 zum Zu- und Ableiten von Kühlmittel zu und aus dem Verbindungskühlkanal 20.4 und einen elektrischen Anschluss 24, über den der Low-Side-Kühlblock 20 mit dem Minuspol 103 verbunden ist.
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6 (6) zeigt in einer perspektivischen Darstellung bereits in 5 gezeigte Komponenten der Baugruppe 100 und zusätzlich zwei jeweils U-förmige Kondensatorkühlblöcke 26, 27 zur Kühlung des Zwischenkreiskondensators 8. Die Kondensatorkühlblöcke 26, 27 liegen jeweils an einer von der Leiterplatte 14 abgewandten Außenoberfläche des Zwischenkreiskondensators 8 sowie an daran angrenzenden seitlichen Außenoberflächen des Zwischenkreiskondensators 8 an.
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Jeder Kondensatorkühlblock 26, 27 weist einen Kühlkanal auf. Der Kühlkanal des Kondensatorkühlblocks 27 ist in der Nähe des Kühlmittelanschlusses 7 mit dem Kühlkanal 3.1 des Verbindungskühlblocks 3 durch ein Verbindungselement verbunden, das den Kühlverbindungen 6 der Kühlkanäle 2.1 mit dem Kühlkanal 3.1 (siehe 1) ähnelt, jedoch im Unterschied zu den Kühlverbindungen 6 elektrisch leitend ist. Dadurch ist der Kondensatorkühlblock 27 über den Verbindungskühlblock 3 mit dem Pluspol 102 verbunden. Der Kühlkanal des Kondensatorkühlblocks 26 ist analog dazu in der Nähe des Kühlmittelanschlusses 23 mit dem Verbindungskühlkanal 20.4 des Low-Side-Kühlblocks 20 durch ein elektrisch leitendes Verbindungselement verbunden. Dadurch ist der Kondensatorkühlblock 26 über den Low-Side-Kühlblock 20 mit dem Minuspol 103 verbunden. Die anderen beiden Enden der Kühlkanäle der Kondensatorkühlblöcke 26, 27 (an den anderen Enden der U-förmigen Kondensatorkühlblöcke 26, 27) sind miteinander durch ein elektrisch isolierendes Verbindungselement analog zu den Kühlverbindungen 6 der Kühlkanäle 2.1 mit dem Kühlkanal 3.1 verbunden.
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Die voneinander abgewandten Außenoberflächen der Kondensatorkühlblöcke 26, 27 fluchten jeweils mit einer Außenoberfläche des Zwischenkreiskondensators 8. An jeder dieser Außenoberflächen und der korrespondierenden Außenoberfläche des Zwischenkreiskondensators 8 ist ein Blech 28, 30 angeordnet.
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7 (7) zeigt eine perspektivische Darstellung der Baugruppe 100. Wie in 6 gezeigt, ragt der Kondensatorkühlblock 26 seitlich über die Leiterplatte 14 sowie seitlich und hinten über den Kondensatorkühlblock 27 hinaus. Dies ermöglicht, an dem Kondensatorkühlblock 26 einen kastenartigen metallischen Gehäuserahmen 29 zu montieren, der den Zwischenkreiskondensator 8 und einen Teil der Leiterplatte 14 in 7 seitlich, hinten und von unten umschließt und einen zu der Leiterplatte 14 hin offenen Gehäuseteil 29.1 aufweist, der eine an der Leiterplatte 14 auf der ersten Leiterplattenseite anliegende Kante 29.2 aufweist und in dem jeder High-Side-Kühlblock 2 angeordnet ist. Die Kante 29.2 ist durch mehrere Durchkontaktierungen 35 in der Leiterplatte 14 mit der Metallschicht 32 (siehe 1 und 4) elektrisch verbunden. Der Gehäuserahmen 29, das obere Blech 28 und die Metallschicht 32 bilden ein Gehäuse 107, in dem der Zwischenkreiskondensator 8, jeder High-Side-Kühlblock 2 und jeder High-Side-Schalter 1 angeordnet sind und das mit dem Minuspol 103 verbunden ist und somit auf dem Bezugspotential der Baugruppe 100 liegt. Zusammen mit dem Low-Side-Kühlblock 20 umhüllt das Gehäuse 107 die gesamte Leistungselektronik der Baugruppe 100, das heißt alle High-Side-Schalter 1 und Low-Side-Schalter 19.
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Die Leerräume des Gehäuses 107 sind mit einem Dielektrikum 42 ausgefüllt, das eine relative Permittivität von wenigstens 2 aufweist. Das Dielektrikum 42 ist beispielsweise ein Thermoplast, Duroplast oder eine Vergussmasse wie ein Gießharz. Mit dem Dielektrikum 42 kann ferner auch das Gehäuse 107 einschließlich der Leiterplatte 14 und des Low-Side-Kühlblocks 20 umhüllt sein. Dadurch können alle mechanischen und elektrischen Bauteile der Baugruppe 100 fixiert und die gesamte Baugruppe 100 nach außen elektrisch isoliert werden. Außerdem erhöht das Dielektrikum 42 die Spannungsfestigkeit und erlaubt so geringere Abstände zwischen Bauteilen unterschiedlichen Potentials und konzentriert das elektrische Feld aufgrund der höheren relativen Permittivität auf das dielektrisch gefüllte Gebiet.
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Durch die magnetische Feldkompensation und damit drastische Verringerung der Magnetfeldstärke mit wachsendem Abstand von den Halbbrücken 104 bis 106, sowie der Konzentration des elektrischen Feldes in unmittelbarer Nähe der Halbbrücken 104 bis 106 sowie der Rückführung der Verschiebungsströme in die Quelle kann potentiell auf ein hochfrequenzdichtes Schirmgehäuse verzichtet werden. Neben einer Kostenersparnis vereinfacht dies auch die Einhaltung der EMV-Grenzwerte über die Lebensdauer der Baugruppe 100.
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7 zeigt außerdem einen Ferritring 43, der um den Verbindungskühlblock 3 und Verbindungskühlabschnitt 20.2 des Low-Side-Kühlblocks 20 herum und daran anliegend verläuft und eine flüssigkeitsgekühlte Induktivität für ein EMV-Filter bildet.
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8 (8) zeigt eine perspektivische Darstellung des Zwischenkreiskondensators 8. Aus dem Zwischenkreiskondensator 8 ist auf einer den High-Side-Anschlüssen 5 und den Low-Side-Anschlüssen 25 gegenüberliegenden Seite ein Mittelabgriff 41 herausgeführt.
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9 (9) und 10 (10) zeigen Schnittdarstellungen des Zwischenkreiskondensators 8 mit zueinander orthogonalen Schnittebenen. Der Zwischenkreiskondensator 8 weist eine Reihenschaltung mehrerer übereinander angeordneter Teilkondensatoren 8.1 auf, die jeweils mehrere mit dem Pluspol 102 verbundene erste Elektrodenlagen 8.2, mehrere mit dem Minuspol 103 verbundene zweite Elektrodenlagen 8.3 und zwischen den Elektrodenlagen 8.2, 8.3 angeordnete Isolierlagen 8.4 aufweisen. Die Elektrodenlagen 8.2, 8.3 und die Isolierlagen 8.4 sind übereinander angeordnet. Die Elektrodenlagen 8.2 und 8.3 eines Teilkondensators 8.1 werden beispielsweise jeweils durch Falten einer Elektrodenfolie realisiert. Dargestellt sind ferner beispielhaft erste Kontaktstellen 8.5, an denen erste Elektrodenlagen 8.2 mit einem High-Side-Anschluss 5 des Zwischenkreiskondensators 8 verbunden werden, und zweite Kontaktstellen 8.6, an denen zweite Elektrodenlagen 8.3 mit einem Low-Side-Anschluss 25 des Zwischenkreiskondensators 8 verbunden werden. Außerdem weist der Zwischenkreiskondensator 8 dritte Elektrodenlagen 8.7 auf, die jeweils zwischen zwei Isolierlagen 8.4 angeordnet sind und an dritten Kontaktstellen 8.8 mit dem Mittelabgriff 41 verbunden sind.
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11 (11) zeigt eine Schaltskizze einer Verschaltung von Elektrodenlagen 8.2, 8.3, 8.7 des Zwischenkreiskondensators 8 mit dem Mittelabgriff 41. Eine dritte Elektrodenlage 8.7 bildet hierbei mit einer ersten Elektrodenlage 8.2 und einer zweiten Elektrodenlagen 8.3 eine Kondensatorschaltung 36. Die dritte Elektrodenlage 8.7 ist mit dem Mittelabgriff 41 verbunden. Der Mittelabgriff 41 ist wiederum an einen Kondensator 37 angeschlossen, dessen anderer Anschluss geerdet ist.
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Durch Verbinden des Kondensators 37 mit dem Mittelabgriff 41 erhält man ein LC-Gegentakt- und Gleichtaktfilter mit Tiefpasscharakter. Das so entstandene Sternfilter wird beispielsweise wie in
EP 1867065 A1 ausgelegt. Durch Ergänzung zu einem PI-Filter kann die Wirkung entsprechend erhöht werden. Durch die aufbaubedingte geringe relative Toleranz der beiden Teilkondensatoren 36.1 und 36.2 zueinander kann das Verhältnis der Kapazitäten zwischen dem für den Gleichtakt-Mode dominanten Kondensator 37 und den Kondensatorschaltungen 36 geringer gewählt werden (siehe
EP 1867065 A1 ), womit sich mit der EMV-Induktivität des Ferritrings 43 eine niedrigere Eckfrequenz des Tiefpassfilters für den Gleichtakt-Mode erreichen lässt bei deutlich reduzierter Gleichtakt- zu Gegentakttransformation, das heißt bei reduzierten Störungen in den Nutz-Mode und umgekehrt. Das Gegentakt-Mode Verhalten bleibt hiervon unberührt.
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12 (12) zeigt eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe 100. Im Unterschied zu dem in den 1 bis 11 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kühlmittelanschlüsse 7, 23 und die elektrischen Anschlüsse 4, 24 auf der von der Leiterplatte 14 abgewandten Seite des Zwischenkreiskondensators 8 angeordnet. Dementsprechend sind der Kühlmittelanschluss 7 und der elektrische Anschluss 4 mit dem Kondensatorkühlblock 27 statt mit dem Verbindungskühlblock 3 verbunden und der Kühlmittelanschluss 23 und der elektrische Anschluss 24 sind mit dem Kondensatorkühlblock 26 statt mit dem Verbindungskühlabschnitt 20.2 des Low-Side-Kühlblocks 20 verbunden. Abgesehen davon entspricht das in 12 gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe 100 dem in den 1 bis 11 gezeigten Ausführungsbeispiel. Die Anordnung der Kühlmittelanschlüsse 7, 23 und elektrischen Anschlüsse 4, 24 auf der von der Leiterplatte 14 abgewandten Seite des Zwischenkreiskondensators 8 hat den Vorteil, dass die EMV-Induktivität des Ferritrings 43 direkt am Mittelabgriff 41 des Zwischenkreiskondensators 8 liegt, was die Anschlusslänge und damit die parasitäre Induktivität der angeschlossenen Kondensatoren verringert.
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Beide in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe 100 können dahingehend abgewandelt werden, dass der einstückig ausgeführte Low-Side-Kühlblock 20 ersetzt wird durch drei einzelne Low-Side-Kühlblöcke, die jeweils einem Kühlabschnitt 20.1 entsprechen und analog zu den High-Side-Kühlblöcken 2 ausgebildet sind, und einen diese Low-Side-Kühlblöcke verbindenden Low-Side-Verbindungskühlblock, der dem Verbindungskühlabschnitt 20.2 entspricht und analog zu dem Verbindungskühlblock 3 ausgebildet ist. Die Kühlkanäle der Low-Side-Kühlblöcke werden dabei mit dem Kühlkanal des Low-Side-Verbindungskühlblocks analog zu der Verbindung der Kühlkanäle 2.1 der High-Side-Kühlblöcke 2 mit dem Kühlkanal 3.1 des Verbindungskühlblocks 3 (siehe 1) verbunden, wozu jedoch keine elektrisch isolierenden Kühlverbindungen 6 sondern entsprechende elektrisch leitende Kühlverbindungen verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- High-Side-Schalter
- 2
- High-Side-Kühlblock
- 2.1
- Kühlkanal
- 3
- Verbindungskühlblock
- 3.1
- Kühlkanal
- 4, 24
- elektrischer Anschluss
- 5
- High-Side-Anschluss
- 6
- Kühlverbindung
- 7, 23
- Kühlmittelanschluss
- 8
- Zwischenkreiskondensator
- 8.1
- Teilkondensator
- 8.2, 8.3, 8.7
- Elektrodenlage
- 8.4
- Isolierlage
- 8.5, 8.6, 8.8
- Kontaktstelle
- 9
- Halbbrückenabgriff
- 10, 15
- Verbindungsblock
- 11 bis 13, 16 bis 18
- Leitung
- 14
- Leiterplatte
- 19
- Low-Side-Schalter
- 20
- Low-Side-Kühlblock
- 20.1
- Kühlabschnitt
- 20.2
- Verbindungskühlabschnitt
- 20.3, 20.4
- Kühlkanal
- 21, 35
- Durchkontaktierung
- 22
- Verbindungshülse
- 25
- Low-Side-Anschluss
- 26, 27
- Kondensatorkühlblock
- 28,30
- Blech
- 29
- Gehäuserahmen
- 29.1
- Gehäuseteil
- 29.2
- Kante
- 32
- Metallschicht
- 32.1
- Aussparung
- 33
- Magnetfeldsensor
- 36
- Kondensatorschaltung
- 36.1, 36.2
- Teilkondensator
- 37
- Kondensator
- 41
- Mittelabgriff
- 42
- Dielektrikum
- 43
- Ferritring
- 100
- Baugruppe
- 101
- Gleichspannungszwischenkreis
- 102
- Pluspol
- 103
- Minuspol
- 104 bis 106
- Halbbrücke
- 107
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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