DE19716113A1 - Elektrische Leistungsstrang-Baugruppe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Leistungsstrang-Bau­ gruppe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektronische Steuer­ schaltungen und insbesondere auf ein Motor-Steuergerät mit einer verbesserten Auslegung der Aufteilung des Leistungs­ stranges.

Es ist zu erkennen, daß es insbesondere bei in großem Umfang hergestellten Produkten besonders wünschenswert ist, Schaltungen zu schaffen, die einen geringeren Raum auf einer Schaltungs­ platte erfordern und die in kleineren und vorzugsweise modularen Packungseinheiten angeordnet werden können, die an einem sehr unterschiedlichen Bereich von Anforderungen angepaßt werden können.

Ein besonderes Anwendungsgebiet derartiger Leistungsstrang-Bau­ gruppen sind die Leistungsstrang-Schaltungen für Motor-Steu­ ergeräte und dergleichen, die oberflächenmontierte (SMD-) Bauteile und isolierte Metallsubstrate (IMS) als Leiterplatten enthalten, die kompakter und mit größerem Wirkungsgrad aufzu­ bauen und zu unterhalten sind und die insbesondere eine ver­ ringerte Anzahl von Teilen aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Leistungsstrang-Baugruppe der eingangs genannten Art sowie eine Leistungsmoduleinheit für derartige Anwendungen, wie zum Beispiel Motor-Treiberschaltungen, zu schaffen, die eine ge­ ringere Anzahl elektrischer Bauteil erfordert und modular auf­ gebaut ist, so daß sie in einfacher Weise an unterschiedliche Forderungen anpaßbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Leistungsstrang-Baugruppe wird eine Leistungs-Moduleinheit verwendet, bei der die verschiedenen Bauteile in sorgfältiger Weise angeordnet und auf eine Leiter­ platte mit einem isolierten Metallsubstrat (IMS) und auf eine gedruckte Leiterplatte (PCB) aufgeteilt sind. Die Aufteilung der Elemente zwischen dem IMS und der PCB optimiert elektrische Verbindungen, so daß Verbindungen soweit wie möglich über die PCB hergestellt werden. Die Aufteilung der Schaltungselemente verringert die Größe des IMS und damit die Kosten und führt zu einer stärker genormten Leistungsmoduleinheit, bei der kunden- oder anwendungsspezifische Unterschiede in der Leiter­ platte (PCB) liegen.

Die Leistungsmoduleinheit der vorliegenden Erfindung schließt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform lediglich die Wechsel­ richter oder Inverter (mit sechs SMD10-Copak-Bauteilen), einen Eingangsgleichrichter (mit sechs SMD-Dioden in einem TO220-Ge­ häuse) und einen Thermistor auf der IMS-Platte ein. Weiterhin sind mehrere vertikale Steckverbindungen zu der Treiber-Lei­ terplatte (PCB) vorgesehen, die sich über der IMS-Platte befindet.

Die SMD10-Copak-Bauteile bestehen aus einem IGBT- (bipolarer Transistor mit isoliertem Gate) Halbleiterplättchen und einer Diode mit kurzer Erholzeit, die in einem gemeinsamen Gehäuse für die Oberflächenmontage angeordnet sind. Die Gesamt-IMS-/PCB-Kom­ bination beseitigt zehn große M5-Anschlüsse und vier Stromtransformatoren von der IMS-Platte.

Die vorstehenden Merkmale sind vorzugsweise mit einer zusätz­ lichen Schaltungsoptimierung kombiniert, die ein Gehäuse einer einzigen Größeneinheit oder einer doppelten Größeneinheit einschließt, wodurch die Größe des IMS-Substrates von ungefähr 235,5 cm² (36,5 Quadratzoll) auf: 1) 122 cm² (18,9 Quadrat­ zoll) für ein IMS mit Gehäusen einer Einzel-Größeneinheit (eine Einsparung von 52%) oder 2) 95 cm² (14,7 Quadratzoll) (eine 40%-ige Einsparung an Leiterplatte) für ein IMS mit Gehäusen einer doppelten Größeneinheit verringert wird. Hierbei wird weiterhin die Höhe der IMS-Moduleinheit von 2,54 cm (1 Zoll) auf 0,8 mm (0,320 Zoll) verringert. Weiterhin vermeidet die Erfin­ dung aufgrund der verringerten Größe die Notwendigkeit einer üblichen Vergußmasse, die üblicherweise für derartige Baugruppen erforderlich ist, wobei man sich statt dessen auf eine dünne Oberflächenbeschichtung verlassen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Zusammenbau-Zeichnung einer IMS-Platte gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung für ein Oberflächenmontage-Bauteil mit einer Einzel-Größeneinheit,

Fig. 1a die IMS-Platte nach Fig. 1 bei Betrachtung entlang der Linien 1a-1a,

Fig. 2 eine Zusammenbauzeichnung der gedruckten Leiterplatte (PCB),

Fig. 3 eine Zusammenbauzeichnung der IMS-Platte gemäß D einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ein Oberflächenmontage-Bauteil mit einer Doppel-Größeneinheit,

Fig. 3a die IMS-Platte nach Fig. 3 bei Betrachtung entlang der Linien 3a-3a der Fig. 3,

Fig. 4a-4b, 5a-5d, 6a-6d und 7a-7b weitere Zusammenbauzeichnungen für unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die Figuren ist eine gedruckte Leiterplatte zu erkennen, die zur Schaffung kundenspezifischer Treiber, Strommeßschaltungen und Verbindungen zu einer anderen Leiter­ platte bestimmt ist, die die Leistungs-Leiterplatte bildet und die den Wechselspannungs- und Motoranschlußblock und den Steuer­ geräte-Anschlußverbinder aufnimmt. Die Fig. 1 und 2 zeigen zusammen eine SMD/IMS/PCB-Leitungszuführungsbaugruppe 10 für ein Motorsteuergerät für einen Motor mit einer Leistung von zehn PS mit einer IMS-Platte oder Baugruppe 12 und einer PCB 14. Die IMS-Baugruppe 12 umfaßt (Fig. 1a) einen Kühlkörper (17), ein SMD/IMS-Substrat 18, Treiber- und Aufteilungsschaltungen 20, zwei in Serie verbundene Kondensatoren und einen wahlweisen Dämpfungskondensator.

Unter weiterer Bezugnahme auf die Fig. 1 und 1a ist die IMS-Baugruppe 12 eine SMD-/IMS-Leistungsmoduleinheit für einen Motor mit zehn PS, die einen Leistungswechselrichter, einen Gleichrichter und einen Thermistor aufweist, die mit Transisto­ ren Q1-Q6 und Dioden D1-D6 ausgeführt sind. Die Transistoren Q1-Q6 können Einzel- oder Doppel-Größeneinheit-Bauteile mit nach unten gerichteten Anschlußleitern sein. Die Dioden D1-D6 können SMD-220-Bauteile sein. Die Fläche des IMS, die Ab­ messungen von 12,95 cm (5,1 Zoll) × 9,4 cm (3,7 Zoll) hat, beträgt etwa 122 cm². Wie dies in Fig. 1a gezeigt ist, beträgt die Höhe der Baugruppe mit den Bauteilen 20 ungefähr 0,8 cm (0,32 Zoll).

Gemäß Fig. 2 sind vier Stromtransformatoren in Verbindung mit drei MOV-Bauteilen, einem Weichstart-Widerstand und einem Weichstart-Relais vorgesehen. Die Steckverbindung zu dem Steuergerät ist zusammen mit einem Anschlußstreifen für Wechselspannungsleitungen 13 und Motorleitungen 15 gezeigt. Das Element 17 ist ein Kühlkörper. Weiterhin ist ein Brems­ modul 30, ein IGBT, eine FRED (Diode mit kurzer Erholzeit) und ein Widerstand (wahlweise) vorgesehen.

Die Vorteile der Bauteilauslegung gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus folgendem:

• 1. ein kleineres und weniger aufwendiges IMS-Substrat,
• 2. Fortfall von Vergußmassen,
• 3. geringere Induktivität,
• 4. genormtes IMS-Substrat für Motoren mit zehn PS, und
• 5. eine Schaltung, die in einfacher Weise kundenspezi­ fisch an Kundenforderungen auf der Ebene der gedruckten Leiter­ platte anpaßbar ist (unter Einschluß von Treibern, Schutzschal­ tungen, MV-Bauteilen, Weichanlauf-, Dämpfungs-Lösch-Schaltungen, Kondensatoren und externen Anschlüssen und Bremseinrichtungen).

Das Konzept der vorliegenden Erfindung beruht im wesentlichen auf einer neuartigen Aufteilung der Leistungs- und Steuerbau­ teile und die Zuordnung dieser Bauteile auf das IMS 12 und die PCB 14. Die Erfindung ergibt weiterhin in neuartiger Weise die Verwendung von vertikalen Steckverbindungen mit Mittenabständen von 2,54 mm (100 Millizoll) zur Weiterleitung von Leistung und Signalen von der unteren IMS-Ebene zu der oberen PCB- (Steuer-) Ebene, die lediglich für Signalzwecke und für die Leistungs­ anschlüsse verwendet wird. Es sei bemerkt, daß alle Steckver­ bindungen identisch sind.

In Fig. 1 stellen die Bauelemente Q1-Q6 neue Einzel-Größen­ einheit- oder Doppel-Größeneinheit-Transistoren mit nach unten gerichteten Leiteranschlüssen dar. Die Bauteile D1-D6 umfassen SMD-220-Bauteile. Die IMS-Gesamtfläche beträgt wiederum 122 cm², weil das IMS Abmessungen von 12,95 cm (5,1 Zoll) × 9,4 cm (3,7 Zoll) aufweist. Die Höhe des Substrats beträgt 3 mm (0,12 Zoll) ohne die Bauteile. Die entsprechenden Abmes­ sungen der PCB 14 sind 18,5 cm (7,3 Zoll) × 15 cm (5,9 Zoll). Es sei bemerkt, daß die Moduleinheit 24 Abmessungen von 12,45 cm (5,9 Zoll) × 7,62 cm (3,0 Zoll) × 0,76 cm (0,3 Zoll) aufweist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Bauteile Q1-Q6 durch Doppel-Größeneinheit-Bauteile mit nach oben gerichteten Leitungen (Emitter nach unten) gebildet. Die Größe der ge­ druckten Leiterplatte (PCB) beträgt 12,54 cm (5,9 Zoll) × 7,62 cm (3 Zoll), was zu einer kleineren IMS-Fläche von lediglich ungefähr 94,84 cm² (14,7 Quadratzoll) führt. Die Höhe der IMS-Platte mit ihren Bauteilen 20 ist in Fig. 3a gezeigt.

Die verbleibenden Fig. 4a bis 7b sind Zusammenbau- und andere Darstellungen der verschiedenen Ausführungsformen und Anforde­ rungen der vorliegenden Erfindung. Im einzelnen zeigt die Fig. 4a die IMS-Substrat-Baugruppe für eine SMD-Konstruktion für ein PS mit Abmessungen von 6,98 cm (2,75 Zoll) × 10,4 cm (4,1 Zoll). Weitere Informationen über Abmessungen sind in Fig. 4b ange­ geben. Elektrische Bauteile, die in Verbindung mit der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 4a verwendet werden können, sind nachfol­ gend aufgeführt.

Die Fläche der IMS-Platte nach Fig. 4a beträgt 72,74 cm² (11,275 Quadratzoll).

Fig. 5a ist eine weitere Zusammenbau-Zeichnung einer IMS-Aus­ führungsform, die mit bis zu 600 Volt betreibbar ist. Weitere Einzelheiten der Abmessungsparameter der Grundplatte des Bau­ teils nach Fig. 5a sind in Fig. 5b gezeigt. Fig. 5c ist das Leiterbahnmuster des Bauteils nach Fig. 5a, und Fig. 5d zeigt die Lötstopauslegung hiervon. Weitere Merkmale der IMS-Platte nach Fig. 5a sind nachfolgend aufgeführt:

• 1. Abmessungen sind in Zoll [mm] gezeigt, sofern nicht anders angegeben.
• 2. Bezugsabmessung: Zoll, sofern nicht anders angegeben.
• 3. Grundplatte
• 3.1) Material ist Aluminium A5052H34.
• 3.2) Die Dicke beträgt 0,118 ± 0,004 Zoll [3,00 ± 0,11 mm]
• 3.3) Grate um Löcher 0,006 Zoll [0,15 mm] maximal.
• 4. Isolierfilm:
• 4.1) Dielektrische Festigkeit 3 kV Wechselspannung für eine Minute
• 4.2) Dicke 0,005 ± 0,001 Zoll [125 ± 25 µm]
• 4.3) Thermische Leitfähigkeit 8,4 × 10^-3 CAL/°C × cm-sec Minimum
• 4.4) Abschälfestigkeit 1,3 kg/cm Minimum bei 25°C nach Beaufschlagung mit 260°C für 60 Minuten
• 4.5) Dielektrizitätskonstante 7,7 (100 kHz bei 23°C)
• 4.6) Spezifischer Widerstand 1 × 10¹⁶ Ohm-cm bei 23°C
• 5. Leiterbahnmetallisierung:
• 5.1) Material ist Kupfer OFHC.
• 5.2) Dicke 0,0041 ±0,0004 Zoll [105 ±10 µm].
• 5.3) Leitungsauflösung ±0,012 Zoll [±300 µm].
• 5.4) Ebenheit von lötbaren Anschlußkissen 0,006 Zoll [0,04 mm]
• 5.5) Die Oberfläche muß mit 62 Sn/36Pb/2Ag mit einem RMA-Flußmittel bei 200°C lötbar sec.

Fig. 6a ist die Zusammenbaudarstellung einer weiteren IMS-Platte, die für Anwendungen mit 600 Volt oder 1200 Volt für Motoren mit 10 PS ausgelegt ist. Sie hat Abmessungen von 13,46 cm (5,3 Zoll) × 9,4 cm (3,7 Zoll) für eine Gesamtfläche von 126,5 cm² (19,61 Quadratzoll). Die Grundplatte, die Leiter­ bahn, die Lötstoppmaske (600 Volt bzw. 1200 Volt) sind jeweils in den Fig. 6b, 6c, 6d bzw. 6e gezeigt. Weitere Parameter dieser Ausführungsform sind nachfolgend angegeben.

• 1. Abmessungen sind in Zoll [mm] gezeigt, sofern nicht anders angegeben.
• 2. Bezugsabmessung: Zoll, sofern nicht anders angegeben.
• 3. Grundplatte
• 3.1) Material ist Aluminium A5052H34.
• 3.2) Die Dicke beträgt 0,118 ± 0,004 Zoll [3,00 ± 0,11 mm]
• 3.3) Grate um Löcher 0,006 Zoll [0,15 mm] maximal.
• 4. Isolierfilm: (600 Volt)
• 4.1) Dielektrische Festigkeit 3 kV Wechselspannung für eine Minute
• 4.2) Dicke 0,005 ± 0,001 Zoll [125 ± 25 µm]
• 4.3) Thermische Leitfähigkeit 8,4 × 10^-3 CAL/°C × cm-sec Minimum
• 4.4) Abschälfestigkeit 1,3 kg/cm Minimum bei 25°C nach Beaufschlagung mit 260°C für 60 Minuten
• 4.5) Dielektrizitätskonstante 7,7 (100 kHz bei 23°C)
• 4.6) Spezifischer Widerstand 1 × 10¹⁶ Ohm-cm bei 23°C
• 5. Isolierfilm: (1200 Volt)
• 5.1) Dielektrische Festigkeit 5 kV Wechselspannung für eine Minute
• 5.2) Dicke 0,007 ± 0,001 Zoll [170 ± 30 µm]
• 5.3) Thermische Leitfähigkeit 8,4 × 10^-3 CAL/°C × cm-sec Minimum
• 5.4) Abschälfestigkeit 1,3 kg/cm Minimum bei 25°C nach Beaufschlagung mit 260°C für 60 Minuten
• 5.5) Dielektrizitätskonstante 7,7 (100 kHz bei 23°C)
• 5.6) Spezifischer Widerstand 1 × 10¹⁶ Ohm-cm bei 23°C
• 6. Leiterbahnmetallisierung:
• 6.1) Material ist Kupfer OFHC.
• 6.2) Dicke 0,0041 ±0,0004 Zoll [105 ±10 µm]
• 6.3) Leitungsauflösung ±0,012 Zoll [±300 µm].
• 6.4) Ebenheit von lötbaren Anschlußkissen 0,006 Zoll [0,04 mm].
• 6.5) Die Oberfläche muß mit 62 Sn/36Pb/2Ag mit einem RMA-Flußmittel bei 200°C lötbar sein.

Eine Leistungsstrang-Baugruppe für eine Anwendung mit 10 PS und 1200 V ist in Fig. 7a gezeigt. Produktions- und Merkmalskrite­ rien dieser Baugruppe sind in Fig. 7b gezeigt. Weitere Spezifi­ kationen dieser Ausführungsform sind nachfolgend angegeben.

Das Konzept der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, eine IMS-Platte mit lediglich dem Inverter oder Wechselrichter (6 SMD 10 Copak-Bauelemente), Eingangsgleichrichtern (6 SMD 220-Dioden) und einem Thermistor auf dem IMS-Substrat auszubilden. Ein zentraler vertikaler Steckverbinder ergibt eine Verbindungsmög­ lichkeit zu der darüber befindlichen gedruckten Leiterplatte. Die Erfindung beseitigt zehn große M5-Anschlüsse und vier Strom­ transformatoren von dem IMS-Substrat. Dies verringert in Kombination mit der Verwendung von neuen Einzel-Größeneinheit- oder Doppel-Größeneinheit-Gehäusen die Größe des IMS-Substrates von den üblichen 235,5 cm² (36,5 Quadratzoll) auf: 1) ein IMS-Substrat mit den Einzel-Größeneinheit-Bauelementen mit 122 cm² (18,9 Quadratzoll) (50%) oder 2) ein IMS-Substrat mit Doppel- Größeneinheit-Gehäusen auf 94,8 cm² (14,7 Quadratzoll) (40%).

Claims (16)

1. Elektrische Leistungsstrang-Baugruppe zur Zuführung elektrischer Leistung an ein hiervon gespeistes Gerät, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstrang-Baugruppe folgende Teile aufweist:
eine IMS- (isolierte Metallsubstrat-) Platte (12) zur Halterung und zur elektrischen Verbindung von Leistungs­ bauteilen und eine PCB (gedruckte Leiterplatte) (14) zur Halterung von Steuer- und Speisebauteilen, wobei auf der IMS-Platte (12) ausschließlich Leistungstransistoren (Q1-Q6) zur Bildung einer Leistungs-Wechselrichterschaltung, Eingangs-Gleich­ richterdioden (D1-D6), ein Thermistor und ein Steckver­ binder zur Herstellung einer Verbindung mit der PCB (14) befestigt sind, wodurch eine genormte IMS-Platte mit ver­ gleichbar kleinerer Substratfläche gebildet wird,
wobei die PCB (14) die Steuer- und Speisebauteile umfaßt, wobei diese Bauteile Speiseelemente, eine Strommessung, eine Steckverbindung mit der IMS-Platte (12) und Anschlüsse zur Herstellung von elektrischen Verbindungen mit dem gespeisten Gerät einschließen, und
wobei die PCB (14) direkt oberhalb der IMS-Platte (12) befestigbar ist und die jeweiligen Steckverbinder der IMS-Platte (12) und der PCB (14) in Vertikalrichtung miteinander zusammen­ passen.

2. Leistungsstrang-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile der IMS-Platte (12) ausschließlich oberflächenmontierbare Bauteile sind.

3. Leistungsstrang-Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlkörper (16) zur Ableitung von Wärme von der Leistungsstrang-Baugruppe und zur Abgabe der Wärme in die Umgebung vorgesehen ist.

4. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile auf der PCB (14) zwei in Serie verbundene Kondensatoren einschließen.

5. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile auf der PCB (14) einen Dämpfungskondensator einschließen.

6. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die PCB (14) eine Vielzahl von Stromtransformatoren einschließt.

7. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die PCB (14) eine Vielzahl von MOV-Bauteilen einschließt.

8. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die PCB (14) einen Weichstart-Wi­ derstand einschließt.

9. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die PCB (14) ein Weichanlauf-Re­ lais einschließt.

10. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse zur Herstellung einer Verbindung mit dem gespeisten Gerät einen Verbinder­ streifen für Wechselspannungsleitungen und Motorleitungen umfassen.

11. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die PCB (14) eine Bremsmoduleinheit einschließt.

12. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die IMS-Platte (12) für einen Betrieb mit einem Motor mit zehn PS genormt ist.

13. Leistungsstrang-Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die IMS-Platte (12) frei von Vergußmasse ist und statt dessen eine dünne Oberflächenbe­ schichtung auf ihren Bauteilen aufweist.

14. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die IMS-Leiterplatte eine Oberfläche von ungefähr 122,6 cm² (19 Quadratzoll) aufweist, so daß sich eine mehr als 50%-ige Verringerung der Größe der Plattenober­ fläche ergibt.

15. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die IMS-Platte eine Fläche von ungefähr 96,8 cm₂ (15 Quadratzoll) aufweist, so daß sich eine mehr als 40%-ige Verringerung der Größe der Plattenoberfläche ergibt.

16. Leistungsstrang-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die IMS-Platte eine Höhenabmessung in der Größenordnung von ungefähr 1,27 cm (0,5 Zoll) aufweist.