DE60028155T2

DE60028155T2 - Leistungsumschaltvorrichtung

Info

Publication number: DE60028155T2
Application number: DE60028155T
Authority: DE
Inventors: c/o Sylea Cecile Vetraz-Monthoux Deviller; c/o Sylea Lionel Vetraz-Monthoux Bitauld; c/o Sylea Guy Vetraz-Monthoux Razurel
Original assignee: Dav SA
Current assignee: Dav SA
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: FR2800567B1; DE60028155D1; EP1096843B1; EP1096843A1; ATE327658T1; FR2800567A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umschalten elektrischer Leistung, insbesondere für Klemmenkästen, die für Kraftfahrzeuge bestimmt sind.
Wegen der zahlreichen elektrischen und/oder elektronischen Einrichtungen, die in der Industrie/Kraftfahrzeugindustrie verwendet werden, um immer zahlreichere spezifische Funktionen sicherzustellen, ist es erforderlich, elektrische Leistungen, die je nach den gewünschten Funktionen variabel sind, von einer Versorgung aus zu übertragen. Als Beispiele für Funktionen, die häufig genutzt werden, können die Steuerung der elektrischen Fensterheber, die elektrische Steuerung der Sitze, die Ausschaltverzögerung der Beleuchtung der Fahrgastzelle usw. angeführt werden. Die wachsende Anzahl von Schaltvorgängen hat zur Folge, dass die Steuerorgane, wie etwa Umschalter, ebenfalls immer zahlreicher werden, was eine Komplexität der verwendeten Schaltungen nach sich zieht. Da nun aber der Raum, der allen diesen Funktionen und ihrer Steuerung vorbehalten ist, begrenzt ist, wird es unerlässlich, den Raumbedarf zu verringern und zu diesem Zweck Baugruppen und/oder Untergruppen zu verwirklichen, die so kompakt wie möglich sind. Außerdem entstehen bei bestimmten Funktionen auch Probleme bei der Übertragung hoher Leistungen und der Abführung der Wärme, die von den Leistungsorganen erzeugt ist.
Es sind Vorrichtungen geschaffen worden, die zufrieden stellen können.
Zum Schalten bzw. Umschalten einer Leistung können Relais verwendet werden, die auf zugeschnittene Kupferleiter gesteckt sind. Man wendet sich mehr und mehr von dieser Technik ab, denn sie erzeugt nicht nur ein Schaltgeräusch, sondern hat außerdem einen hohen Raum- oder Platzbedarf und weist eine schlechte Zuverlässigkeit auf.
Eine zweite Technik besteht darin, die Relais auf eine gedruckte Schaltung zu löten. Leider ist dadurch die Zuverlässigkeit nicht erhöht worden, auch wenn das Volumen verringert worden ist.
Eine dritte Technik, die seit dem Aufkommen von leistungsfähigen Schaltorganen, wie etwa jenen mit den Bezeichnungen MOSFET oder SMART POWER, verwendet wird, besteht darin, diese Schaltorgane auf die gleiche Weise wie bei der zweiten Technik auf die gedruckte Schaltung zu löten, nur dass das Ersetzen der Relais durch MOSFETs oder SMART POWER die Erzeugung einer höheren Wärmeenergie verursacht hat, die abgeleitet oder abgeführt werden muss. Deshalb werden Kupferbahnen oder -bereiche benutzt, die in der gedruckten Schaltung vorgesehen sind, oder ein angestückter Kühlkörper, um die Kühlung der Baugruppe sicherzustellen. Hauptnachteile dieser Technik sind die hohen Kosten, die aus einer größeren Anzahl verwendeter Elemente folgen, und eine Wärmeabführung, die nicht zufrieden stellend ist oder schlecht beherrscht ist.
Eine vierte Technik besteht darin, Baugruppen zu verwenden, die IMS genannt werden und aus einer Stapelung von einer Aluminiumplatte, einem Nichtleiter und einer gedruckten Schaltung gebildet sind. Das IMS wird auch isoliertes Metallsubstrat genannt. Die MOSFETs oder SMART POWER sind auf die gedruckte Schaltung gelötet, wobei die Aluminiumplatte nur dazu dient, die von den MOSFETs oder den SMART POWER (den Schaltorganen) erzeugte Wärme abzuführen. Der Hauptnachteil dieser Technik besteht darin, dass die Leistungsübertragungen und die Steuerung mittels der gedruckten Schaltung erfolgen, die speziell dafür ausgelegt sein muss, diese beiden Übertragungsaufgaben sicherzustellen. Außerdem folgt aus der Tatsache, dass die Isolation zwischen der gedruckten Schaltung und Aluminiumplatte mittels eines Nichtleiters verwirklicht ist, dass die Kosten der Schaltvorrichtung verhältnismäßig hoch sind, was ein negativer Faktor (ein negatives Kriterium) insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie, in der eine große Anzahl dieser Vorrichtung Verwendung findet, sein kann.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Vorrichtung zu schaffen, die hohe elektrische Leistungen schalten bzw. umschalten kann, ohne zusätzliche Kühlkörper in Anspruch nehmen zu müssen.
Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zum Umschalten elektrischer Leistung des Typs zum Gegenstand, der umfasst:

– Schaltorgane,
– Mittel zum Übertragen elektrischer Leistung,
– Mittel zur Wärmeabführung,
– ein Mittel zum Steuern und Schützen der Schaltorgane,

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Schaltvorrichtung sehr kompakt ist, da sie keine zusätzlichen spezifischen Elemente erfordert, um die eine oder andere gewünschte Funktion sicherzustellen. So stellt die metallische Platte, beispielsweise aus Kupfer, die zugeschnitten ist und auf die die Schaltorgane, wie etwa die MOSFETs, gelötet sind, eine gute Wärmeabführung sicher und setzt dem Durchfluss des Stroms der von den MOSFETs geschalteten Leistung einen geringen Widerstand entgegen.
Außerdem ermöglicht die zugeschnittene Kupferplatte, den elektrischen Widerstand gegen den Durchgang des Stroms der von jedem der MOSFETs geschalteten Leistung erheblich zu verringern.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Steuerung und der Schutz jedes MOSFETs durch eine Elektronik sichergestellt sind, die auf einer gedruckten Schaltungsplatte vorgesehen ist, wobei die Verbindungen zwischen der Elektronik und jedem MOSFET durch Zuschnitte des Kupferleiters verwirklicht sind.
Weitere Vorteile und Merkmale werden beim Lesen der Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung sowie der beigefügten Zeichnung deutlich, worin
1 eine perspektivische Teilansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
2 eine Perspektivansicht analog zu jener von 1 ist, wobei die Vorrichtung um eine gedruckte Schaltungsplatte ergänzt ist;
3 eine Schnittansicht der Vorrichtung auf Höhe der MOSFETs ist;
4 und 5 Perspektivansichten der in einer Abdeck- und Schutzhaube angeordneten Vorrichtung sind.
Die in 1 und 2 gezeigte Vorrichtung umfasst einen unteren Kunststoffträger 1, der Wandungen 2 für eine Positionierung einer gedruckten Schaltung und Führungen 3 für von Fachleuten als MOSFETs bezeichnete Schaltorgane umfassen kann, wobei diese MOSFETs vom Typ her jene sind, die von der Firma THOMSON ELECTRONICS unter der Produktbezeichnung STB60NE06-16 vertrieben werden. Ein MOSFET weist einen oder zwei Drain-Anschlüsse, einen Source-Anschluss und einen Gate-Anschluss auf. Außerdem sind Crimpstifte 4 auf dem Kunststoffträger 1 vorgesehen.
Auf dem Kunststoffträger ist eine metallische Platte 5, beispielsweise aus Kupfer, mit einer Dicke von mehr als 0,4 mm, die im Voraus zugeschnitten und gebogen worden ist, angebracht, wobei sie mit Hilfe der Crimpstifte 44 auf den Kunststoffträger gecrimpt worden ist. In einer weiteren Ausführungsform kann die Kupferplatte oder -leitung 5 vergossen sein, um die Isolation ihrer Unterseite sicherzustellen. In der Kupferplatte 5 sind Ausschnitte 6 ausgespart, um den Durchgang der Führungen 3 für die MOSFETs 7 und für eine gedruckte Schaltung 11, die ein Mittel für die Steuerung und den Schutz der MOSFETs bildet, zu ermöglichen.
Die Kupferplatte 5 ist mit einem Mittel zum Anschließen an eine Versorgung über eine Zunge 13 oder ein Seitenteil 12, das mit einem Loch versehen ist, das den Durchgang einer Schraube ermöglicht, ausgerüstet.
Die Drains 9 der MOSFETs sind elektrisch und thermisch, beispielsweise durch Löten, direkt mit der Kupferplatte 5 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Drain 9 der MOSFETs und der gedruckten Schaltung 11 ist durch Anschlussstifte 8 verwirklicht, die von der Kupferplatte 5 abstehen.
In dem in 1 gezeigten Beispiel umfasst die Vorrichtung sechs MOSFETs 7 mit einer gemeinsamen Versorgung, die durch die Kupferplatte 5 sichergestellt ist, auf die die Drains 9 der MOSFETs gelötet sind. Die auf diese Weise hergestellte Potentialgleichheit wird durch die Stifte 8, die vorzugsweise im Voraus als Streifen aus der Kupferplatte 5 ausgeschnitten worden sind, die aber auch auf den Kunststoffträger 1 aufgesetzt sein könnten, auf die Steuerelektronik der gedruckten Schaltung übertragen.
Das Gate der MOSFETs ist auf einen Stift 15, auf Höhe eines ebenen Teils dieses gelötet. Der andere Teil dieses Stifts 15 in Form eines Spitzkeils ermöglicht die Verbindung mit der gedruckten Schaltung 11.
Die Source der MOSFETs ist ebenfalls auf einen Stift 16 gelötet, der die gleiche Funktion wie der vorhergehende Stift 15 verwirklicht und außerdem die Verbindung des Kabelbündels in Form eines Standard-Steckverbinders 16 ermöglicht.
Die Drain-, Source- und Gate-Stifte sind auf die gedruckte Schaltung gelötet, die mit Bauelementen versehen ist, die ermöglichen, die Steuerung und den Schutz der Steuerorgane zu verwirklichen. Es ist anzumerken, dass der auf diese Weise verwirklichte Schutz umrüstbar ist.
Die Verbindung der MOSFETs über ihre verschiedenen Drains, Gate und Source mit der Kupferplatte 5 und den Stiften 15 und 16 kann mit Hilfe eines elektrisch und thermisch leitenden Klebstoffs verwirklicht sein.
Die Platte oder Leitung aus Kupfer 5 stellt eine gute Abführung der von den MOSFETs erzeugten Wärme sicher, während sie gleichzeitig dem Durchgang des Stroms der von den MOSFETs geschalteten Leistung einen niedrigen elektrischen Widerstand entgegensetzt.
Um die Wärmeabführung von den MOSFETs nach außen zu optimieren, wird ein isolierender Kunststoffträger 1 verwendet, der so nahe wie möglich an der Kupferplatte 5 sein sollte, ohne dass sich ein Zwischenelement zwischen dem isolierenden Träger 1 und der Kupferplatte 5 befindet. In dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hat der isolierende Kunststoffträger 1 eine Dicke im Bereich zwischen 0,5 und 1,5 mm.
Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, eine höhere Leistung durch die Kupferplatte zu schicken, als dies bei den Vorrichtungen des Standes der Technik möglich ist, während gleichzeitig eine besonders effektive Wärmeabführung sichergestellt ist.
Bei dem bisher Dargestellten ist auf Schaltorgane vom MOSFET-Typ Bezug genommen worden, jedoch ist selbstverständlich, dass andere Leistungskomponenten einer verschiedenen Technologie verwendet werden können, wie zum Beispiel die bipolaren Leistungskomponenten.
Ebenso kann die Kupferplatte durch eine Platte ersetzt werden, die aus einem anderen leitenden Werkstoff hergestellt ist, dessen thermische und elektrische Eigenschaften jenen des Kupfers ähnlich sind.
Die zuvor beschriebene Baugruppe ist durch eine Schutzhaube 10 geschützt.

Claims

Vorrichtung zum Umschalten elektrischer Leistung des Typs, der umfasst: – Schaltorgane (7), – Mittel zum Übertragen elektrischer Leistung, – Mittel zur Wärmeabführung, – ein Mittel zum Steuern und Schützen der Schaltorgane (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Übertragen elektrischer Leistung und die Mittel zur Wärmeabführung durch eine zugeschnittene metallische Platte (5) gebildet sind, die auf einem isolierenden Element (1) angeordnet ist und auf der die Schaltorgane (7) montiert sind, wobei Anschlussstifte (8), die von der metallischen Platte (5) abstehen, eine Verbindung mit dem Mittel (11) zum Steuern und Schützen der Schaltorgane (7) gewährleisten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schaltorgan durch einen MOSFET gebildet ist, dessen Gate mit einem Teil eines Stifts (15) verbunden ist, wobei der andere Teil dieses Stifts eine Verbindung mit den Steuerungs- und Schutzmitteln gewährleistet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Source jedes MOSFET mit einem Stift (16) verbunden ist, der eine Verbindung mit dem Steuerungs- und Schutzmittel sowie eine Verbindung mit einem Kabelbündel gewährleistet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltorgane (7) auf die metallische Platte (5) gelötet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltorgane (7) mittels eines elektrisch und thermisch leitenden Klebstoffs an geeigneten Stellen auf die metallische Platte (7) geklebt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Platte (5) aus Kupfer besteht und eine Dicke besitzt, die größer als 0,4 mm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Steuern und Schützen der Schaltorgane durch eine gedruckte Schaltung (11) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferplatte (5) mit Organen (12, 13) für die Verbindung mit einer elektrischen Versorgung versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Verbindungsorgane durch eine Anschlusszunge (12) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie sich in einer Schutzhaube (10) befindet.