DE102022208266A1 - Leistungsmodul mit flexibler Leiterplatte - Google Patents

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Abstract

Leistungsmodul (1) mit mindestens einer festen Leiterplatte (4) und Leistungselektronikbauteilen (2) mit angeschlossenen Stromschienen (5), wobei die Leistungselektronikbauteile (2) Kontakt zu mindestens einer flexiblen Leiterplatte (3) aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul mit mindestens einer flexiblen Leiterplatte, die mindestes eine Funktion im Leistungsmodul übernimmt.
  • Stand der Technik
  • Ein Leistungsmodul oder Leistungselektronikmodul stellt den physischen Einschluss für mehrere Leistungskomponenten bereit, üblicherweise Leistungshalbleiterbauelemente. Solche Hochleistungs-IGBTs werden durch Parallelschaltung von Dutzenden von Chips hergestellt und werden als Leistungselektronikkomponenten verbaut.
    Ein Problem beim Aufbau von Leistungsmodulen ist immer der Bauraum, sowie die elektrische Schirmung und die Wärmeabfuhr. Gerade um den Bauraum besser zu nutzen werden flexible gedruckte Schaltungen, flexible Leiterplatten eingesetzt. Die Verwendung von flexiblen Leiterplatten im Hochstrombereich ist aus der US 10 644 292 A1 bekannt. Das Dokument offenbart ein Batterieverdrahtungsmodul, das an einer Zellengruppe angebracht ist, die eine Anordnung mehrerer Zellen mit positiven Pol- und negativen Polelektrodenanschlüssen enthält, wobei das Batterieverdrahtungsmodul mehrere Verbindungselemente enthält, die die positiven Pol- und negativen Polelektrodenanschlüsse verbinden benachbarter Zellen der Vielzahl von Zellen; und eine flexible Leiterplatte, die mehrere Spannungserfassungsdrähte zum Erfassen von Spannungen der mehreren Zellen über die mehreren Verbindungselemente enthält.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein Leistungsmodul mit mindestens einer flexiblen Leiterplatte zu schaffen, in dem bisher an festen Leiterplatten oder Bauteilen angebrachte Funktionen auf die mindestens eine flexible Leiterplatte auslagert sind.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einem Leistungsmodul mit mindestens einer festen Leiterplatte und Leistungselektronikbauteilen mit angeschlossenen Stromschienen, wobei die Leistungselektronikbauteile Kontakt zu mindestens einer flexiblen Leiterplatte aufweisen.
  • Als Kontakt wird in diesem Zusammenhang jede Art von Verbindung gesehen, die elektrisch über eine elektrische Leitung oder strahlend über eine Licht- oder Wärmemessung erfolgt. Die flexible Leiterplatte bietet eine kostengünstige, flexible und einfach zu integrierende Möglichkeit, um passive und aktive Bauelemente im Leistungsmodul anzusprechen und auszuwerten.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die flexible Leiterplatte als Streifen ausgebildet.
  • Zur weiteren und besseren Einbindung von Komponenten weist die flexible Leiterplatte von Streifen abstehende Fahnen auf.
  • Um noch flexibler zu sein ist es vorteilhaft, dass die flexible Leiterplatte aus Inselbereichen besteht, die miteinander über Kontakte verbunden sind.
  • Die flexible Leiterplatte kann mindestens eine Funktion aus der Gruppe: Signalleitung, Temperaturmessung, Stromstärkemessung, Abschirmung, Kontrolle übernehmen und ist so eine Entlastung für die ansonsten verbauten Leiterplatten im Leistungsmodul.
  • Die flexible Leiterplatte erlaubt es, dass eine Temperaturmessung an mindestens einem der Leistungselektronikbauteilen über eine Fotodiode und eine Öffnung in der flexiblen Leiterplatte erfolgt, oder durch einen NTC-Sensor auf der flexiblen Leiterplatte benachbart zu mindestens einem Leistungselektronikbauteil oder durch direkt Kontaktierung mit einem Meander/Schlangen-Bereich eines elektrischen Kontakts.
  • Eine Strommessung erfolgt durch einen Hall-Sensor auf der flexiblen Leiterplatte benachbart zu einer Stromschiene.
  • Eine direkte Kontaktierung der Leistungselektronikbauteile durch die flexible Leiterplatte erfolgt zur Übertragung von Gate-Signalen.
  • Auf der flexiblen Leiterplatte ein Mikrokontroller verbaut ist.
  • Die von den festen Leiterplatten auf die flexible Leiterplatte verlagerten Funktionen können die Gate Steuerung, Stromsensoren oder auch Temperatursensoren sein. Der Vorteil liegt in der hohen Integration innerhalb des Leistungsmoduls und verbessern entweder die Leistungsfähigkeit oder erlauben bauliche Verbesserungen, indem sie Komponenten von der Gate- oder Controller-PCB in die flexible Leiterplatte bewegen.
  • Beschreibung der Figuren
    • 1 zeigt eine schematische Ansicht auf ein Leistungsmodul mit Hallsensor,
    • 2 zeigt eine schematische Ansicht auf ein Leistungsmodul mit Temperaturmessanordnung,
    • 3 eine schematische Ansicht auf ein Leistungsmodul mit Temperaturmessanordnung und einem Kontroller,
    • 4 zeigt ein Schnittbild durch das Leistungsmodul im Bereich einer Fotodiode,
    • 5 zeigt ein Schnittbild durch das Leistungsmodul im Bereich eines Temperatursensors,
    • 6 zeigt eine alternative Lösung mit flexiblen Leiterplatten.
  • In 1 ist eine Leiterplatte 4 schematisch dargestellt, wie sie in einem Leistungsmodul 1 normalerweise verwendet wird. Die Leiterplatte 4 ist eine starre Leiterplatte.
    Für Leiterplatten eignen sich beispielsweise technische Keramiksubstrate für Leistungsapplikationen, die hohe Spannungen und Ströme verarbeiten. Die Materialien sind mit dicker Kupferbeschichtung für den Einsatz in Hochleistungsschaltungen versehen. Abhängig vom Substrat erfolgt die Verbindung vom Kupfer zum Substrat direkt mit einem Direct-Copper-Bonded, DCB- Verfahren oder mittels Lötung mit einem Active Metal Brazing, AMB-Verfahren. Beim AMB-Verfahren wird das Kupfer bei hoher Temperatur mit dem keramischen Trägermaterial hartverlötet.
  • Auf der Leiterplatte 4 sind Leistungselektronikbauteile 2 aufgelötet. Diese Leistungselektronikbauteile 2 werden über Verdrahtungen 6 mit einer flexiblen Leiterplatte 3 verbunden, die sich oberhalb der festen Leiterplatte 4 entlang der Leistungselektronikbauteile 2 erstreckt.
    Der Verlauf der aufgebrachten elektrischen Leitungen in der flexiblen Leiterplatte 3 ist nicht dargestellt.
    Schematisch ist auf der rechten Seite eine Stromschiene 5 dargestellt, die mindestens bis zur festen Leiterplatte 4 geführt ist. Die flexible Leiterplatte 3 erstreckt sich teilweise über die Stromschiene 5 hinweg und trägt im Bereich des Überlapp einen Hall-Sensor 7.
    Hall-Sensoren können oberhalb aller Stromschienen 5 des Leistungsmoduls 1 angebracht werden, um den Strom zu messen. Das reduziert den Platzbedarf an den AC-Ausgängen außerhalb des Leistungsmoduls 1.
    Um das umzusetzen, muss die flexible Leiterplatte 3 an einer Stelle oder auch an mehreren Stellen an den Stromschienen 5 vorbeigeführt werden. Die geometrische Ausgestaltung der flexiblen Leiterplatte 3 muss dabei an die Aufgabe angepasst sein. Die flexible Leiterplatte 3 kann als Streifen 3a ausgeführt sein, wie in der 1 dargestellt, oder als Streifen 3a verbunden mit mehreren Fahnen 3b.
  • 2 zeigt eine weitere Funktion, die auf die flexible Leiterplatte 3 übertragen wird. Dabei handelt es sich um eine Temperaturmessung direkt an oder auf den Leistungselektronikbauteilen 2.
    Die flexible Leiterplatte 3 erstreckt sich als Streifen 3a entlang der festen Leiterplatte 4, wobei beispielhaft vier Fahnen 3b ausgebildet sind. Die Fahnen 3b tragen eine aufgedruckte Leitung in Meander /Schlangen-Struktur 8, die auf den Leistungselektronikbauteilen 2 aufliegt und zur Messung dient.
    Für eine Temperaturmessung kann auch ein NTC-Sensor, also ein negativer Temperaturkoeffizient-Sensor verwendet werden. Es handelt sich um einen Sensortyp, dessen Eigenschaft es ist, dass sein Widerstand bei steigender Temperatur abnimmt.
    Ein solcher NTC-Sensor 9 wird direkt auf der flexiblen Leiterplatte 3 aufgetragen, wie in der 5 gezeigt ist. Ein NTC-Sensor besitzt nicht die Dynamik anderer Temperaturmessungen, aber er ist eine robuste Lösung.
  • Andere Möglichkeiten zur Temperaturmessung bietet eine Fotodiode 10, die auf der flexiblen Leiterplatte 3 angebracht ist. Nach 4 blickt der Fotodiode 10 durch eine Öffnung 12 der flexiblen Leiterplatte 3 auf ein Leistungselektronikbauteil 2, um die Temperatur zu messen.
    Der Fotodiode 10 kann als Infrarot-Messeinheit ausgeführt sein, was für IGBT-Bausteine geeignet ist. Für Temperaturmessungen an SiC- Komponenten können auch andere spezifischere Lichtspektren betrachtet werden.
  • In der 3 sind beispielhaft unterschiedliche Temperaturmesssensoren verbaut. Man erkennt an einer Position des Leistungselektronik Bauteils 2 einen NTC Sensor 9 in einer anderen Position eine Fotodiode 10, während weitere Leistungselektronikbauteile 2 mit Leitungsmeander kontaktiert sind.
    In 3 sind entlang des Streifens 3a geführte Leitungen nicht komplett dargestellt.
  • Wenn man zur Temperaturmessung die Meander /Schlangen-Struktur 8 verwendet und somit die Leistungselektronik Bauteile 2 direkt kontaktiert, ist es auch sinnvoll, wenn direkt Gatesignale für die Leistungselektronikbauteile 2 ebenfalls ohne Verbindungsdrähte auf die Leistungselektronikbauteilen 2 übertragen werden. Dadurch kann man kostengünstig die Temperatur aller Leistungselektronikbauteile 2 über eine Widerstandsmessung ermitteln und hat gleichzeitig eine höhere Dynamik und Genauigkeit. Eine aktive Beschaltung kann die nötigen Leitungen reduzieren und z.B. bereits nur die höchste Temperatur nach außen kommunizieren oder direkt ein über entsprechendes Protokoll kommunizieren.
    Weiterhin bietet sich die Möglichkeit, einen Mikroprozessor 11 auf der flexiblen Leiterplatte 3 zu befestigen, um Messwerte zum Controllerboard senden.
  • Eine weitere Ausführungsform ist in der 6 dargestellt. Die flexible Leiterplatte ist dabei aufgeteilt. Es wird, wie bereits in der ersten Ausführungsform, ein Streifen 3a verwendet, von dem Fahnen 3b senkrecht zum Streifen abgehen.
    Weiterhin sind Inselbereiche 3c der flexiblen Leiterplatte 3 vorgesehen, die Leistungselektronik Bauteile 2 bedecken.
  • Diese Inselbereiche 3c werden direkt auf die Leistungselektronikbauteile 2 durch Löten oder Sintern oder weiteren Verbindungstechniken aufgebracht. Dabei müsste die Verbindung von den Inselbereichen 3c zur restlichen Peripherie durch andere Verbindungen weiterhin gewährleistet werden, was in der Figur beispielhaft durch Verbindungsdrähte dargestellt ist.
  • Eine solche Lösung reduziert den Verschnitt bei der Herstellung der flexiblen Leiterplatte 3. Auch ist eine Anpassung an die baulichen Gegebenheiten durch die modulare Struktur einfacher.
  • Als eine weitere Funktion ist eine Abschirmung denkbar, die auf der flexiblen Leiterplatte 3 angebracht ist. Über die flexible Leiterplatte ist eine Positionierung einer solchen Abschirmung genau über einem strahlenden Bauteil einfach umsetzbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 10644292 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Leistungsmodul (1) mit mindestens einer festen Leiterplatte (4) und Leistungselektronikbauteilen (2) mit angeschlossenen Stromschienen (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbauteile (2) Kontakt zu mindestens einer flexiblen Leiterplatte (3) aufweisen.
  2. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte (3) als Streifen (3a) ausgebildet ist.
  3. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte (3) vom Streifen (3a) abstehende Fahnen (3b) aufweist.
  4. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte (3) zumindest teilweise aus Inselbereichen (3c) besteht, die miteinander über Kontakte verbunden sind.
  5. Leistungsmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der mindestens einen flexiblen Leiterplatte (3) mindestens eine Funktion aus der Gruppe: - Signalleitung, - Temperaturmessung - Stromstärkemessung - Abschirmung - Kontrolle verbaut ist.
  6. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturmessung an mindestens einem der Leistungselektronikbauteilen (2) über eine Fotodiode (10) und eine Öffnung (12) in der flexiblen Leiterplatte (3) erfolgt, oder durch einen NTC-Sensor (9) auf der flexiblen Leiterplatte (3) benachbart zu mindestens einem Leistungselektronikbauteil (2) oder durch direkte Kontaktierung mit einem Meander/Schlangen-Bereich (8) eines elektrischen Kontakts.
  7. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strommessung durch einen Hall-Sensor (7) auf der flexiblen Leiterplatte (3) benachbart zu einer Stromschiene (5) erfolgt.
  8. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine direkte Kontaktierung der Leistungselektronikbauteile (2) durch die flexible Leiterplatte (3) erfolgt zur Übertragung von Gate-Signalen.
  9. Leistungsmodul (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der flexiblen Leiterplatte ein Mikrokontroller (11) verbaut ist.
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