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Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul zur Verwendung in einem elektrifizierten Fahrzeug, d.h. einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Leistungsmodul sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.
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Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Derartige elektrifizierten Fahrzeuge verwenden in der Regel eine wiederaufladbare Fahrzeugbatterie, die eine DC-Spannung bereitstellt, mittels derer die elektrischen Maschinen bestromt werden. Dazu wird die DC-Spannung mittels eines DC/AC-Wandlers (Wechselrichter/Inverter) in eine Wechselspannung umgewandelt, um die elektrischen Maschinen jeweils mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Oft werden auch DC/DC-Wandler (Gleichrichter/Konverter) gebraucht, um zum Beispiel die Fahrzeugbatterie wieder aufzuladen. Hierzu wird eine Eingangsspannung, die von einer Spannungsversorgung (z.B. Ladestation) bereitgestellt wird, über einen DC/DC-Wandler an die Batteriespannung der Fahrzeugbatterie angepasst. Ein weiteres Verwendungsbeispiel von DC/DC-Wandlern ist zwecks Herabsetzens der Batteriespannung, um ein im Fahrzeug integriertes Bordnetz, an das typischerweise nichtantriebsbezogene Verbraucher wie der Bordcomputer, das Infotainmentsystem und die elektrischen Fenster usw. Angeschlossen sind, mit einer kleineren Spannung zu versorgen. Zusätzlich gibt es AC/DC-Wandler, die dazu dienen, eine Wechselspannung in eine Gleichspannng umzuwandeln.
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Sowohl DC/DC-Wandler als auch AC/DC-Wandler können als Leistungsmodul mit einer integrierten Transformatoreinrichtung aufgefasst werden. Eine solche Transformatoreinrichtung umfasst in der Regel einen magnetischen Kern, an dem zwei Sätze von Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen herumgewickelt sind. Das Verhältnis zwischen den Windungszahlen legt den Übersetzungsfaktor des Transformators fest.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen mit integrierter Transformatoreinrichtung besteht jedoch der Nachteil, dass diese bauartbedingt oft eine große vertikale Abmessung (Dicke) und damit verbunden ein großes Gewicht aufweisen. Außerdem sind die bekannten Leistungsmodule kostenintensiv. Zusätzlich lassen sich die in den bekannten Leistungsmodulen verbauten elektronischen Bauteile aufgrund der großen Dicke nur ineffizient abkühlen, was das thermische Verhalten der Leistungsmodule verschlechtert.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Leistungsmodul, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul zur Verwendung in einem elektrifizierten Fahrzeug. Das Fahrzeug kann ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein. Das Leistungsmodul kann als DC/DC-Wandler oder AC/DC-Wandler ausgebildet sein. Das Leistungsmodul umfasset eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen. Die Halbleiterschaltelemente bilden vorzugsweise eine mehrphasige Leistungselektronik mit mehreren Phasen, die jeweils einem Phasenstrom zugeordnet sind. Jede der mehreren Phasen umfasst weiter vorzugsweise eine Halbbrücke mit einer Highside und einer Lowside. Die Highside und die Lowside umfassen jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente. Die Halbleiterschaltelemente können als Transistoren, etwa Bipolartransistoren (beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) ausgebildet sein.
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Das Leistungsmodul umfasst außerdem eine Leiterplattenanordnung und einen Kühler. Die Leiterplattenanordnung dient zum Bestücken mit mehreren elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen, die eine Treibereinrichtung bilden. Mittels der Treibereinrichtung werden Schaltsignale erzeugt, die an die Halbleiterschaltelemente, insbesondere an Steueranschlüsse (Gates) der Halbleiterschaltelemente, über mehrere Signalpins gesendet werden. Der Kühler dient zur Abfuhr von Wärme, die in den Halbleiterschaltelementen erzeugt wird, um das Leistungsmodul abzukühlen. Die mehreren Halbleiterschaltelemente sind auf einer ersten Seite der Leiterplattenanordnung angebracht. Der Kühler ist an eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der Leiterplattenanordnung thermisch gekoppelt. Die erfolgt vorzugsweise dadurch, dass der Kühler direkt an die zweite Seite angebunden wird. In diesem Aufbau fungiert die Leiterplattenanordnung daher als Wärmeleiter zwischen den Halbleiterschaltelementen und dem Kühler.
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Erfindungsgemäß ist die Leiterplattenanordnung mehrlagig ausgebildet. Dazu weist die Leiterplattenanordnung mehrere aufeinander angeordnete Lagen auf, die aus einem elektrisch isolierenden Material wie Kunststoff hergestellt sind. Innerhalb der jeweiligen Lagen ist eine Leiterschicht aufgenommen. Die Leiterschichten verschiedener Lagen sind auf unterschiedlichen Höhen positioniert und können lokal mittels vertikaler Leitungen miteinander elektrisch verbunden werden. Außer an den Stellen der vertikalen Leitungen sind die Leiterschichten verschiedener Lagen jedoch voneinander vertikal beabstandet und elektrich isoliert.
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Die Leiterplattenanordnung weist einen ersten planaren Bereich und einen planaren zweiten Bereich auf. Im zweiten planaren Bereich ist eine Transformatoreinrichtung im Leistungsmodul integriert. Die Transformatoreinrichtung umfasst einen magnetischen Kern, der mit Leiterbahnen herumgewickelt sind. Die Leiterbahnen sind durch die Leiterschichten der Lagen aus dem zweiten planaren Bereich der Leiterplattenanordnung bereitgestellt und bilden mehrere Wicklungen. Außerdem sind weiter vorzugsweise mehrere Ausnehmungen in der Leiterplattenanordnung zum Durchführen einer Fingerstruktur des magnetischen Kerns ausgebildet.
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Im ersten planaren Bereich beträgt die Zahl der Lagen eine erste Anzahl. Im zweiten planaren Bereich beträgt die Zahl der Lagen eine zweite Anzahl. Die erste Anzahl ist kleiner als die zweite Anzahl. Beispielsweise umfassen die mehreren Lagen erste Lagen, die sich über den ersten planaren Bereich und den zweiten planaren Bereich durchgehend erstrecken, wobei die mehreren Lagen zusätzlich zweite Lagen umfassen, die sich nur im zweiten planaren Bereich befinden. In diesem Fall entspricht die erste Anzahl der Anzahl der ersten Lagen, wobie die zweite Anzahl der Anzahl der ersten und zweiten Lagen entspricht. Die zweiten Lagen können oberhalb und/oder unterhalb der ersten Lagen angeordnet sein.
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Dadurch, dass die Anzahl der Lagen im zweiten planaren Bereich größer als im ersten planaren Bereich der Leiterplattenanordnung ist, sind mehr Leiterschichten im zweiten planaren Bereich als im ersten planaren Bereich vorhanden, die zum Herumwickeln des magnetischen Kerns dienen können. Auf diese Weise ist die Anzahl der Lagen über die gesamte Leiterplattenanordnung inhomogen. Im Vergleich zu einer Leiterplattenanordnung mit homogener Anzahl von Lagen reduziert die erfindungsgemäße Bauweise nicht nur die Dicke der Leiterplattenanordnung und somit auch die Dicke des gesamten Leistungsmoduls, sondern auch damit einhergehend das Gewicht des Leistungsmoduls. Das Leistungsmodul kann außerdem kostengünstiger hergestellt werden. Des Weiteren ist die thermische Kopplung zwischen der im ersten planaren Bereich der Leiterplattenanordnung angeordneten Leistungselektronik und dem Kühler aufgrund des vergleichsweise kleineren Abstandes verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leiterschichtenim zweiten planaren Bereich der Leiterplattenanordnung als Leiterbahnen ausgebildet, die um einen mittleren Kernabschnitt eines magnetischen Kerns der Transformatoreinrichtung herumverlaufen. Vorzugsweise verlaufen die Leiterbahnen zumindest zweier verschiedener Lagen im zweiten planaren Bereich der Leiterplattenanordnung mit unterschiedlichen Häufigkeiten um den mittleren Kernabschnitt herum. Auf diese Weise können mittels der Leiterbahnen mehrere Sätze von Wicklungen gebildet werden, die mit unterschiedlichen Windungszahlen um den mittleren magnetischen Kern herumgewickelt sind. Das Übersetzungsverhältnis der Transformatoreinrichtung ist somit zumindest teilweise durch das Verhältnis zwischen den Windungszahlen, im Allgemeinen jedoch zusätzlich durch den Querschnitt und die Länge der Leiterbahnen, festgelegt. Es können mehr als zwei Sätze von Wicklungen auf diese Weise bereitgestellt werden. Beispielsweise können drei Sätze von Wicklungen bereitgestellt werden, die vorzugsweise eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung und eine Tritärwicklung umfassen. Im Beispiel mit drei Sätzen von Wicklungen können somit drei Transformatoruntereinheiten mit je zwei Wicklungen gebildet werden.
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Besonders bevorzugt können die Leiterbahnen verschiedener Lagen im zweiten planaren Bereich der Leiterplattenanordnung mittels vertikaler Leitungen miteinander elektrisch verbunden sein. Dies vergrößert die Länge der durch diese Leiterbahnen bereitgestellte Wicklung. Auf diese einfache Weise können die verschiedenen Wicklungssätze mit unterschiedlichen Längen ausgebildet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leiterplattenanordnung eine erste Leiterplatte und eine zweite Leiterplatte. Die erste Leiterplatte erstreckt sich über den ersten und den zweiten planaren Bereich der Leiterplattenanordnung, wobei sich die zweite Leiterplatte innerhalb des zweiten Bereichs erstreckt und an die erste Leiterplatte planar angebunden ist. Auf diese Weise ist die Leiterplattenanordnung mittels zweier ursprünglich separater Leiterplatten gebildet, was eine einfache Herstellung der Leiterplattenanordnung ermöglicht. Somit sind die Lagen im ersten planaren Bereich der gesamten Leiterplattenanordnung aus den Lagen der ersten Leiterplatte gebildet, wobei die Lagen im zweiten planaren Bereich der Leiterplattenanordnung aus den Lagen der ersten und der zweiten Leiterplatte gebildet sind. Ferner können statt einer einzigen zweiten Leiterplatte mehrere zweite Leiterplatten verwendet werden, die sowohl auf einer gleichen Seite der ersten Leiterplatte, alternativ aber auch auf beiden Seiten der ersten Leiterplatte angeordnet sein können. Im letzteren Fall ist vorzugsweise eine entsprechende Ausnehmung zur Aufnahme der dem Kühler zugewandten zweiten Leiterplatten im Kühler ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem erfindungsgemäßen Leistungsmodul sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls mit einer mehrlagigen Leiterplattenanordnung und einer Transformatoreinrichtung in einer Schnittansicht;
- 2 ein schematisches Schaltbild der Transformatoreinrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung einer Lage einer ersten Leiterplatte und einer zweiten Leiterplatte der mehrlagigen Leiterplattenanordnung;
- 4 eine schematische Darstellung der ersten Leiterplatte und einer zweiten Leiterplatte der mehrlagigen Leiterplattenanordnung in einem Zustand vorm Zusammenbau beider Leiterplatten;
- 5 eine schematische Darstellung eines Kühlplatte mit einer Ausnehmung zum Anordnen eines unteren Kernabschnittes eines magnetischen Kern der Transformatoreinrichtung;
- 6 eine schematische Darstellung der ersten Leiterplatte in einem Zustand, in dem die erste Leiterplatte mit der Kühlplatte zusammengefügt ist;
- 7 eine schematische Darstellung beider Leiterplatten in einem Zustand nach dem Zusammenbau;
- 8 eine schematische Darstellung eines Herstellungsschrittes des Leistungsmoduls, in dem eine Fingerstruktur des magnetischen Kerns zum Bilden der Transformatoreinrichtung mit dem unteren Kernabschnitt zusammengefügt wird.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt schematisch und rein beispielhaft ein Leistungsmodul 10 zur Verwendung in einem hier nicht gezeigten elektrifizierten Fahrzeug. Das Leistungsmodul 10 ist hier in einer Schnittansicht senkrecht zu einer planaren Richtung des Leistungsmoduls 10 gezeigt und kann als DC/DC-Wandler oder AC/DC-Wandler ausgebildet sein. Das Leistungsmodul 10 umfasst eine mehrlagige Leiterplattenanordnung 14, auf der eine Leistungseleltronik 12 umfassend mehrere Halbleiterschaltelemente angeordnet ist. Außerdem ist die Leiterplattenanordnung 14 mit mehreren elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen 11, 13 bestückt, die eine Treibereinrichtung bilden. Mittels der Treibereinrichtung werden Schaltsignale zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente der Leistungselektronik 12 erzeugt, wobei die Schaltsignale mit Hilfe von Signalpins (hier nicht gezeigt) an die Halbleiterschaltelemente übertragen werden können.
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Die mehrlagig ausgebildete Leiterplattenanordnung 14 umfasst mehrere Lagen 16, 17, 18, 46, 47, 48, 49, die jeweils eine Leiterschicht zum Bereitstellen mehrerer Leiterbahnen 31, 32, 33, 34, 35, 36, 41, 42, 43, 44, 51, 52, 53 enthalten. Zwischen den Leiterschichten benachbarter Lagen 16, 17, 18, 46, 47, 48, 49 (siehe 4) sorgt ein elektrisch isolierendes Material (etwa Kunststoff) für Potentialtrennung. Im hier gezeigten Beispiel umfasst jede der mehreren Lagen eine oberere Isolierschicht, eine untere Isolierschicht und eine dazwischen angeordnete Leiterschicht. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend. Beispielsweise kann zumindest eine Lage zweischichtig mit einer einzigen Isolierschicht und der Leiterschicht ausgebildet sein.
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Die mehrlagige Leiterplattenanordnung 14 umfasst mehrere planare Bereiche. Ein erster planarer Bereich kann, wie im hier gezeigten Beispiel der Fall ist, mehrere (hier beispielhaft zwei) Teilbereiche 146, 148, zwischen denen ein zweiter planarer Bereich 147 angeordnet ist. Wie in 1 rein beispielhaft gezeigt, ist die Leistungselektronik 12 auf einer Oberseite 142 der Leiterplattenanordnung 14 in einem ersten Teilbereich 146 des ersten planaren Bereichs angebracht. Gleichzeitig sind die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile 11, 13 jeweils im ersten Teilbereich 146 und einem zweiten Teilbereich 148 des ersten planaren Bereichs verteilt angeordnet. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft. Im Allgemeinen können die Leistungselektronik 12, die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile 11, 13 beliege im ersten planaren Bereich auf der Oberseite 142 verteilt angeordnet sein. Außerdem können die beiden Teilbereiche 146, 148 des ersten planaren Bereichs sowie der zweite planare Bereich 147 der Leiterplattenanordnung 14 wie hier rein beispielhaft gezeigt entlang einer Geraden liegen, oder alternativ innerhalb einer gedachten Ebene senkrecht zur Zeichenebene, insbesondere parallel zur Oberseite 142, beliebig zueinander gewinkelt sein.
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Ein Kühler 24 umfassend eine Kühlplatte ist an eine der Oberseite 142 gegenüberliegenden Unterseite 144 der mehrplagigen Leiterplattenanordnung 14 angebunden, um mit der Leistungselektronik 12 sowie den elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen 11, 13 über den Lagen 16, 17, 18 des ersten planaren Bereichs 146, 148 der Leiterplattenanordnung 14 thermisch gekoppelt zu werden. Auf diese Weise lässt sich Wärme, die im Betrieb des Leistungsmoduls 10 in den Halbleiterschaltelementen der Leistungselektronik 12 bzw. in den elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen 11, 13 entsteht, wirksam abzuführen. Obwohl hier nicht gezeigt, kann der Kühler 24 eine Kühlstruktur unterhalb der Kühlplatte aufweisen, die etwa als Pin-Fin-Struktur mit mehreren Finnen ausgebildet ist, um die effektive Fläche, die mit einem Kühlmedium (etwa Wasser) beaufschlagt wird, zu vergrößern und somit die Kühlleistung zu verbessern.
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Die Anzahl der Lagen 16, 17, 18, 46, 47, 48, 49 im zweiten planaren Bereich 147 ist größer als die Anzahl der Lagen 16, 17, 18 im ersten planaren Bereich 146, 148. Wie hier beispielhaft gezeigt beträgt die Anzahl der Lagen 16, 17, 18, 46, 47, 48, 49 (siehe auch 4) im zweiten planaren Bereich 147 sieben, wohingegen die Anzahl der Lagen 16, 17, 18 im ersten planaren Bereich 146, 148 drei beträgt. Erfindungsgemäß dient diese Differenz in der Lagenanzahl zwischen den beiden planaren Bereichen der Leiterplattenanordnung 14 dazu, beim Anbringen einer Transformatoreinrichtung 20, die unten näher beschrieben ist, die Dicke der Leiterplattenanordnung 14 und damit einhergehend das Gewicht des Leistungsmoduls 10 insgesamt zu reduzieren. Gleichzeitig ist der Abstand zwischen der Leistungselektronik 12 bzw. den elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen 11, 13 einerseits und dem Kühler 24 andererseits reduziert, sodass der thermische Widerstand dazwischen verringert ist, was den Kühleffekt im Leistungsmodul 10 verbessert.
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Im zweiten planaren Bereich 147 der mehrlagigen Leiterplattenanordnung 14 ist die oben erwähnte Transformatoreinrichtung 20 des Leistungsmoduls 10 angebracht. Die Transformatoreinrichtung 20 umfasst einen magnetischen Kern 22, der weiter unten näher beschrieben wird. Außerdem umfasst die Transformatoreinrichtung 20 mehrere, hier beispielhaft drei, Wicklungen W1, W2, W3, die um einen mittleren Kernabschnitt 222 des magnetischen Kerns 22 herumverlaufen. Ein schematisches Schaltbild der Transformatoreinrichtung 20 ist in 2 gezeigt. Die beispielhaften drei Wicklungen W1, W2, W3 sind zwischen einer linken Seite und einer rechten Seite verteilt und jeweils mittels eiines Stromanschlusses A1, A2, A3 kontaktierbar. Jeder der Wicklungen W1, W2, W3 ist ein Induktivitätswert zugeordnet, der von mehreren Faktoren abhängt.
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Jede der Wicklungen W1, W2, W3 ist durch eine oder mehrere Leiterschichten 41, 42, 43, 44, 51, 52, 53 (siehe auch 4) des zweiten planaren Bereichs 147 der Leiterplattenanordnung 14 bereitgestellt. Die dortigen Leiterschichten 41, 42, 43, 44, 51, 52, 53 sind jeweils als Leiterbahn ausgebildet. Die jeweilige Leiterbahn verläuft einmal oder mehrmals (etwa zweimal) um den mitteleren Kernabschnitt 222 des magnetischen Kerns 22 herum, wodurch eine Windungszahl entsteht, die eins oder größer als eins (etwa zwei) beträgt. Beispielsweise verlaufen die mittels der (von oben nach unten) ersten, dritten, vierten, fünften, sechsten und siebsten Leiterschicht 41, 43, 44, 51, 52, 53 bereitgestellten Leiterbahnen jeweils zweimal um den mittleren Kernabschnitt 222 herum, während die mittels der zweiten Leiterschicht 42 bereitgestellte Leiterbahn nur einmal um den mittleren Kernabschnitt 222 herumverläuft.
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Die Verlaufsrichtung der jeweiligen Leiterbahnen zeigt in 1 senkrecht in die Zeichenebene hinein. Dies bedeutet, in 1 ist der Querschnitt der jeweiligen Leiterbahenen senkrecht zur Verlaufsrichtung rein beispielhaft und schematisch gezeigt. Die Windungszahl von zwei für die Leiterbahnen der Leiterschichten 41, 43, 44, 51, 52, 53 ist in 1 an der Anzahl der Querschnitte von zwei links bzw. rechts des mittleren Kernabschnitts 222 in diesen Leiterschichten 41, 43, 44, 51, 52, 53 zu erkennen. Die Windungszahl von eins für die Leiterbahn der Leiterschicht 42 ist in 1 an der Anzahl des Querschnittes von eins links bzw. rechts des mittleren Kernabschnitts 222 in dieser Leiterschicht 42 zu erkennen.
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Außerdem ist die Verlaufsrichtung der Leiterbahnen in 3 veranschaulicht. Dort ist die zweite Lage 47 (in 3A) und eine der fünften, sechsten und siebten Lagen 16, 17, 18 (in 3B) im zweiten planaren Bereich 147 der Leiterplattenanordnung 14 rein schematisch gezeigt. Es ist dort ersichtlich, dass die durch die Leiterschicht 42 der zweiten Lage 47 bereitgestellte Leiterbahn einmal um eine Ausnahmung 45 der zweiten Lage 47 herumverläuft. Außerdem verläuft die durch die Leiterschicht der fünften, sechsten bzw. siebsten Lage 16, 17, 18 bereitgestellte Leiterbahn zweimal um eine mittlere Ausnehmung 145 der Lage 16, 17, 18 herumverläuft, wobei die mittlere Ausnehmung 145 zwischen zwei anderen Ausnehmungen 141, 143 der Lage 16, 17, 18 angeordnet ist. Die Verlaufsrichtung senkrecht in die Zeichenebene hinein in 1 entspricht der Richtung zweierin 3A und 3B jeweils eingezeichneten Pfeile R1, R2.
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Wie in 1 und 4 ersichtlich, sind Leiterschichten 31-33, 34-36, 41-44, 51-53 unterschiedlicher Lagen 16-18, 46-49 teilweise mittels vertikaler Leitungen 151-159 miteinander elektrisch verbunden. Die vertikalen Leitungen 151-159 sind vorzugsweise als vertikale Durchgänge ausgebildet, die mit einem elektrisch leitenden Material, etwa Kupfer, gefüllt sind. Die vertikalen Durchgänge können mittels eines Ätzverfahrens (etwa naßchem ischen Ätzen oder lonenätzen) in den Lagen 16-18, 46-49 geformt werden, bevor sie mit dem elektrisch leitenden Material gefüllt werden. Auf diese Weise sind die Leiterschichten 41 und 43, 41 und 44, 43 und 44, 44 und 51, 51 und 53 jeweils paarweise miteinander elektrisch verbunden. Somit bilden die durch die Leiterschichten 41, 43, 44, 51 und 53 bereitgestellten Leiterbahnen eine erste Wicklung W1 (siehe 2), die beispielsweise als Primärwicklung der Transformatoreinrichtung 20 dient. Dadurch, dass die Leiterschichten 51 und 53 aus dem zweiten planaren Bereich 147 jeweils mit der Leiterschicht 31 bzw. 33 aus dem ersten Teilbereich 146 des ersten planaren Bereichs elektrisch verbunden sind, ist die erste Wicklung W1 auf der Seite des ersten Teilbereichs 146 des ersten planaren Bereichs der Leiterplattenanordnung 14 von außen kontaktierbar. Die durch die Leiterschicht 42 der Lage 47 aus dem zweiten planaren Bereich 147 bereitgestellte Leiterbahn bildet eine zweite Wicklung W2 (siehe 2) und ist mittels der vertikalen Leitung 158 und 154 mit der Leiterschicht 35 der Lage 17 im zweiten Teilbereich 148 des ersten planaren Bereichs elektrisch verbunden. Somit ist die zweite Wicklung W2, die beispielsweise als Sekundärwicklung der Transformatoreinrichtung 20 dient, auf der Seite des zweiten Teilbereichs 148 der Leiterplattenanordnung 14 von außen kontaktierbar. Schließlich bildet die durch die Leiterschicht 52 der Lage 17 aus dem zweiten planaren Bereich 147 bereitgestellte Leiterbahn eine dritte Wicklung W3 (siehe 2), die beispielsweise als Tritärwicklung der Transformatoreinrichtung 20 dient. Dadurch, dass die Leiterschicht 52 aus dem zweiten planaren Bereich 147 mit der Leiterschicht 32 aus dem ersten Teilbereich 146 des ersten planaren Bereichs elektrisch verbunden sind, ist die dritte Wicklung W3 auf der Seite des ersten Teilbereichs 146 des ersten planaren Bereichs der Leiterplattenanordnung 14 von außen kontaktierbar. In diesem Beispiel entspricht die linke Kontaktierungsseite in 2 mit den Stromanschlüssen A1 und A3 daher der Seite des ersten Teilbereichs 146 der Leiterplattenanordnung 14, wobei die rechte Kontaktierungsseite in 2 mit dem Stromanschluss A2 der Seite des zweiten Teilbereichs 148 der Leiterplattenanordnung 14 entspricht. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend. Im Allgemeinen sind andere Zuordnungen der Wicklungen zu den Kontaktierungseiten denkbar.
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Wie in 1 und 4 beispielhaft gezeigt, umfasst die Leiterplattenanordnung 14 eine erste Leiterplatte 14a und eine zweite Leiterplatte 14b. Die erste Leiterplatte 14a erstreckt sich über den ersten planaren Bereich 146, 148 und den zweiten planaren Bereich 147 durchgehend. Die zweite Leiterplatte 14b hingegen befindet sich nur im zweiten planaren Bereich 147. Die zweite Leiterplatte 14b ist mit ihrer Unterseite 149 an die Oberseite 142 der ersten Leiterplatte 14a planar angebunden und auf diese Weise mit der ersten Leiterplatte 14a zusammengefügt. Die erste Leiterplatte 14a umfasst somit die Lagen 16, 17, 18, wobei die zweite Leiterplatte 14b die Lagen 46, 47, 48, 49 umfasst.
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Zwecks elektrischer Verbindung zwischen der ersten Leiterplatte 14a und der zweiten Leiterplatte 14b sind mehrere Oberflächenmetallisierungen 171, 172 in einem Zwischenspalt 18 vorgesehen. Beispielsweise verbindet eine erste Oberflächenmetallisierung 171 zwischen den vertikalen Leitungen 152 und 156, um die Leiterschichten 51 und 44 im zweiten planaren Bereich 147 miteinander elektrisch zu verbinden. Weiter beispielsweise verbindet eine zweite Oberflächenmetallisierung 172 zwischen den vertikalen Leitungen 154 und 158, um die Leiterschichten 35 und 42 miteinander elektrisch zu verbinden.
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Weiterhin sind in 4 mehrere Ausnehmungen 45, 141, 143, 145 in den beiden Leiterplatten 14a, 14b ausgebildet, um die Fingerstruktur des magnetischen Kerns 22 passgenau aufzunehmen.
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In 5A ist der Kühler 24 isoliert gezeigt. Dort ist ersichtlich, dass eine Ausnehmung 242 auf einer Oberseite 242 des Kühlers 24 zur Aufnahme des unteren Kernabschnittes 224 des magnetischen Kerns 22 ausgebildet ist. Der magnetische Kern 22 weist neben dem unteren Kernabschnitt 224 zusätzlich eine Fingerstruktur auf, die in 8 beispielhaft gezeigt ist. Die Fingerstruktur weist zwei seitliche Kernabschnitte 221, 223 und einen dazwischen angeordneten mitteleren Kernabschnitt 222 auf. Mehrere Aussparungen 225, 226, 227 sind oberseitig des unteren Kernabschnittes 224 zur Aufnahme der Fingerstruktur ebenfalls ausgebildet.
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6 zeigt das Leistungsmodul 10 in einem Aufbauzustand, in dem die erste Leiterplatte 14a an ihrer Unterseite 144 mit dem Kühler 24 verbunden ist, nachdem die Ausnehmungen 141, 143, 145 bereits in der ersten Leiterplatte 14a ausgeformt sind und der untere Kernabschnitt 224 des magnetischen Kerns 22 bereits in die Ausnehmung 242 des Kühlers 24 eingesetzt ist. 7 zeigt das Leistungsmodul 10 in einem weiteren Aufbauzustand, in dem die zweite Leiterplatte 14b oberseitig auf die erste Leiterplatte 14a gefügt ist, nachdem die Oberflächenmetallisierungen 171, 172 bereits auf der Oberseite 142 der ersten Leiterplatte 14a aufgebracht sind.
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Schließlich zeigt 8 das Leistungsmodul 10 in einem Aufbauzustand, in dem die Fingerstruktur des magnetischen Kerns 22 von oben in Richtung eines Pfeils R3 mit der Leiterplattenanordnung 14 zusammengebracht wird. Hierbei werden die seitlichen Kernabschnitte 221, 223 jeweils entlang der Ausnehmungen 141 und 225 bzw. 142 und 227 geführt, während der mittlere Kernabschnitt 222 entlang der Ausnhemungen 45, 145 und 226 geführt wird. Die Leistungselektronik 12 sowie die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile 11, 13 können nach dem in 8 gezeigten Aufbauschritt auf die Oberseite 142 der ersten Leiterplatte 14a angebracht werden. Alternativ kann das Anbringen der Leistungselektronik 12 sowie der elektrischen und/oder elektronischen Bauteile 11, 13 bereits früher erfolgen.
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Für die vorliegende Erfindung ist nicht einschränkend, die zweite Leiterplatte 14b oberhalb der ersten Leiterplatte 14a anzuordnen. Alternativ kann die zweite Leiterplatte 14b unterhalb der ersten Leiterplatte 14a angeordnet sein, wobei eine entsprechend geformte Ausnehmung im Kühler vorzusehen ist. Weiter alternativ können mehrere zweite Leiterplatten 14b auf der gleichen Seite 142 oder 144, oder auf beiden Seiten 141 und 144 der ersten Leiterplatte 14a angebracht sein. Die Anzahl der Lagen im zweiten planaren Bereich 147 der Leiterplattenanordnung 14 können im Allgemeinen daher beliebig auf die verschiedenen zweiten Leiterplatten 14b veteilt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leistungsmodul
- 11, 13
- elektrische und/oder elektronische Bauteile
- 12
- Leistungselektronik
- 14
- Leiterplattenanordnung
- 14a
- erste Leiterplatte
- 14b
- zweite Leiterplatte
- 141, 143, 145
- Ausnehmungen
- 142
- Oberseite
- 144
- Unterseite
- 146
- erster Teilbereich des ersten planaren Bereichs
- 147
- zweiter planarer Bereich
- 148
- zweiter Teilbereich des ersten planaren Bereichs
- 149
- Unterseite
- 151-159
- vertikale Leitungen
- 16-18
- Lagen der ersten Leiterplatte
- 20
- Transformatoreinrichtung
- 22
- magnetischer Kern
- 221, 223
- seitliche Kernabschnitte
- 222
- mittlerer Kernabschnitt
- 224
- unterer Kernabschnitt
- 225, 226, 227
- Aussparungen
- 24
- Kühler
- 242
- Ausnehmunge
- 244
- Oberseite
- 31-36, 51-53
- Leiterschichten der ersten Leiterplatte
- 41-44
- Leiterschichten der zweiten Leiterplatte
- 46-49
- Lagen der zweiten Leiterplatte
- 18
- Zwischenspalt
- 171, 172
- Oberflächenmetallisierungen
- W1, W2, W3
- Wicklungen
- A1, A2, A3
- Stromanschlüsse
