DE60110460T2

DE60110460T2 - Modularisierte stromversorgung

Info

Publication number: DE60110460T2
Application number: DE60110460T
Authority: DE
Inventors: Dan Ionel JITARU
Original assignee: Delta Energy Systems Switzerland AG
Current assignee: DET International Holding Ltd
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: EP1342305A2; AU2002220423A1; US6731523B2; DE60110460D1; EP1342305B1; US20010040812A1; WO2002049194A3; WO2002049194A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine modularisierte Stromversorgung.
Stromversorgungen benötigen stromverarbeitende Schaltkreise (im folgenden "Stromschaltkreise" genannt) und Regelungs- sowie Konditionierungsschaltkreise für die Regelung und Konditionierung des von den Stromschaltkreisen verarbeiteten Stroms. Die Stromschaltkreise beinhalten typischerweise einen Transformator, einen Gleichrichter, Schaltelemente und strommessende Elemente und werden hier alternativ als "Leistungsstrang" bezeichnet. Die Regelungs- und Konditionierungsschaltkreise weisen typischerweise einen Eingangsfilter, eine Vorspannungsversorgung, einen Regelungsabschnitt und einen Ausgangsfilter auf. Der Leistungsstrang ist typischerweise auf einer Metallbasis montiert, die die Stromschaltkreise mechanisch trägt und Hitze abführt. Die Regelungs- und Konditionierungsschaltkreise sind typischerweise auf einer Leiterplatine eingerichtet, die oberhalb des Leistungsstrangs angebracht ist.
Zum Erzielen einer Flexibilität bei der Herstellung sind in einigen Stromversorgungen eine Vielzahl von Stromversorgungsmodulen miteinander verbunden. Beispielsweise kann eine 1000 Watt Stromversorgung durch das Koppeln von vier 250 Watt Stromversorgungsmodulen aufgebaut werden. Typischerweise weist jedes der Module den oben genannten Lei stungsstrang und Regelungs- sowie Konditionierungsschaltkreise auf. Folglich ist jedes Modul neben dem Leistungsstrang mit dem Eingangsfilter, der Vorspannungsversorgung, dem Regelungsabschnitt und dem Ausgangsfilter versehen, wodurch sich die Kosten der Stromversorgung, ihre Größe und ihre Komplexität erhöhen, während gleichzeitig ihre Zuverlässigkeit abnimmt. Da jedes Modul oder Stromversorgungseinheit eigene, zu den Stromschaltkreisen benachbarte Regelungs- und Konditionierungsschaltkreise aufweist, werden darüber hinaus Hitze und Lärm, die durch die Stromschaltkreise erzeugt werden, auf die Regelschaltkreise übertragen.
Ein weiteres Problem beim Stand der Technik von Stromversorgungen ergibt sich grundsätzlich daraus, dass sich die Herstellungs- oder Fabrikationstechnologie, die verwendet wird, um Leistungsstränge aufzubauen, generell von derjenigen zum Aufbauen von Regelungs- und Konditionierungsschaltkreisen unterscheidet. Beispielsweise werden wesentlich dickere Kupferbahnen im Leistungsstrang benötigt, als sie für die Regelungsabschnitte der Regelungsschaltkreise wünschenswert sind. Dementsprechend wird für Stromversorgungssysteme einschließlich Stromversorgungsmodulen zur Verwendung in einer modularen Stromversorgung ein zusätzlicher Herstellungsprozess benötigt, um die verschiedenen Schaltkreise zu integrieren, wodurch höhere Kosten entstehen.
In den meisten Anwendungsfällen von modularisierten Stromversorgungen müssen die Ausgänge der Module synchronisiert sein, um den Ausgangsstrom in geeigneter Weise zu teilen. In diesen Fällen wird eine zusätzliche Regelung auf Systemniveau benötigt, wodurch die Größe, die Kosten und die Komplexität der Stromversorgung weiter erhöht werden.
Außerdem ist der Umfang der Regelung der Module durch das System aufgrund des Betriebs der moduleigenen Regelungsschaltkreise beschränkt.
Der Erfinder ist sich eines vorbekannten „Booster" DC-DC Konvertermoduls bewußt, in dem der Regelungsabschnitt fehlt. Der Booster arbeitet parallel mit einem weiteren DC-DC-Konvertermodul, das sich selbst und den Booster regelt. In diesem System sind bis zu einem bestimmten Grad einige der oben genannten Probleme berücksichtigt. Allerdings sind im System Eingangs- und Ausgangsfilter auf Niveau des Boosters vorhanden, so dass die Größe und die Herstellungskosten des Systems nicht auf das mögliche Maß reduziert sind; und eine unabhängige Regelung des Boostermoduls wird durch das System nicht ermöglicht, wodurch die Ausführung von einigen Strategien zur Optimierung der Stromverteilung zwischen den Boostern verhindert wird.
Dementsprechend besteht ein Bedürfnis für ein modulare Stromversorgung, bei der die Komplexität, Herstellungskosten und Größe geringer sind und die Zuverlässigkeit höher ist, und die eine verbesserte Regelung der Module ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die modulare Stromversorgung der vorliegenden Erfindung löst die vorgenannten Probleme und erfüllt das oben genannte Bedürfnis durch das Zurverfügungstellen einer Vielzahl von Stromversorgungsmodulen und eines Systemregelkreis zur Regelung der Stromversorgungsmodule. Jedes Stromversorgungsmodul weist einen Stromkreis auf, der mit einem Stromeingang des Moduls zum Aufnehmen eines Eingangsstroms gekop pelt ist, und erzeugt einen Ausgangsstrom an einem Stromausgang des Moduls. Jeder Stromkreis weist mindestens ein Schaltelement zum Schalten des jeweiligen Eingangsstroms oder des jeweiligen Ausgangsstroms auf. Des weiteren besitzen die Stromkreise einen Regelkreiseingang, der unmittelbar mit dem jeweiligen Schaltelement gekoppelt ist. Der Systemregelkreis weist einen Regelkreisausgangsbus zum Anschluß an die jeweiligen Regelkreiseingänge jedes Strommoduls auf und stellt ein jeweiliges Regelungssignal für jedes der Module zur unmittelbaren Regelung des jeweiligen Schaltelements zur Verfügung.
Vorzugsweise besitzt jeder Stromkreis mindestens einen Messfühler zum Messen eines Zustandes des jeweiligen Eingangsstroms oder des jeweiligen Ausgangsstroms jedes Moduls. Des Weiteren weisen die Stromkreise hierfür einen Regelkreisausgang auf, der mit dem jeweiligen Messfühler unmittelbar verbunden ist, um dem Systemregelkreis ein entsprechendes Messsignal zur Verfügung zu stellen. Außerdem weist der Systemregelkreis einen Regelkreiseingangsbus zum Anschluß an den jeweiligen Regelkreisausgang jedes der Strommodule auf, der direkt die Signale von den Modulen erhält.
Daher ist es eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte modulare Stromversorgung zur Verfügung zu stellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modulare Stromversorgung zur Verfügung zu stellen, bei der eine Verringerung der Herstellungskosten möglich ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine modulare Stromversorgung mit verringerter Komplexität zur Verfügung zu stellen.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modulare Stromversorgung mit geringerer Größe zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine modulare Stromversorgung mit erhöhter Zuverlässigkeit zur Verfügung zu stellen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modulare Stromversorgung mit erweiterter Regelung der einzelnen Module der Stromversorgung zur Verfügung zu stellen.
Die vorgenannten und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Berücksichtigung der folgenden, detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den nachfolgenden Figuren leichter verständlich.
Kurze Figurenbeschreibung
1 bis 16 sind in der älteren Anmeldung mit der Anmeldungsnummer 09/310,627 des Erfinders zu finden, die in die vorliegende Anmeldung durch Referenz einbezogen sind.
17 ist ein Schaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Moduls für eine modularisierte Stromversorgung.
18 ist ein Schaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Stromversorgungssystems mit einer Vielzahl von Modulen gemäß 17.
19 ist ein Schaltbild von Modulen für eine erfindungsgemäße modularisierte Stromversorgung.
20 ist ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems mit einer Vielzahl von Modulen gemäß 19.
21 ist eine Aufsicht auf eine erste luftgekühlte Baugruppe für Leistungselektronik-Komponenten zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.
22 ist eine Ansicht einer zweiten luftgekühlten Baugruppe für Leistungselektronik-Komponenten zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.
23 ist eine Ansicht einer dritten luftgekühlten Baugruppe für Leistungselektronik-Komponenten zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.
24 ist ein Querschnitt einer vierten Baugruppe für Leistungselekronik-Komponenten mit einer verbesserten thermischen Leitfähigkeit zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
17 zeigt ein aus dem Stand der Technik vorbekanntes Modul 200 zur Verwendung in einer aus dem Stand der Technik vorbekannten modularen Stromversorgung. Ein Leistungsstrang 204 weist einen ersten Abschnitt 206a und einen zweiten Abschnitt 206b auf. Der erste Abschnitt 206a umfaßt die Primärseite 205a eines Leistungstransformators 205, Schaltelemente 207, wie beispielsweise Leistungs-BJTs, FETs oder IGBTs, sowie Messfühler 208a zum Messen des Eingangsstroms und der Temperatur der Schaltelemente. Der zweite Abschnitt 206b weist die Sekundärseite 205b des Leistungstransformators, Schaltelemente 209, wie beispielsweise FETs, Dioden und Synchrongleichrichter, sowie Messfühler 208b zum Messen des Ausgangsstroms und der Temperatur der Schaltelemente auf.
Auch ist ein Regelungs- und Konditionierungsschaltkreis zum Regeln des Leistungsstrangs 204 bereitgestellt. Der Regelungs- und Konditionierungsschaltkreis 210 umfaßt einen Regelungsabschnitt 211 mit einem primären Regelungsteil 211a, der Daten von den Messfühlern 208a erhält und die Schaltelemente 207 regelt, sowie mit einem sekundären Regelungsteil 211b, der Daten von den Messfühlern 208b erhält und die Schaltelemente 209 regelt.
Zum Betrieb des Moduls 200 umfaßt der Regelungs- und Konditionierungsschaltkreis 210 des Weiteren eine Vorspannungsversorgung 212 zur Versorgung des Regelungsabschnitts 211 sowie Konditionierungsschaltkreise mit einem Eingangsfilter 214 zum Glätten der Eingangsspannung V_in sowie einem Ausgangsfilter 216, mit dem sichergestellt wird, dass das Rauschen in der Ausgangsspannung V_out einen vorbestimmten Pegel nicht überschreitet. Wie zuvor erwähnt, wird der Leistungsstrang 204 typischerweise mit einer Technologie hergestellt und auf einer Art eines Substrats, wie beispielsweise eine Basisplatte aus Metall montiert, und der Regelungs- und Konditionierungsschaltkreis 210 wird typischerweise mit einer anderen Technologie hergestellt und auf einer anderen Art eines Substrats, wie beispielsweise eine Platine, montiert.
In 18 wird eine aus dem Stand der Technik vorbekannte modulare Stromversorgung 215 dargestellt, in der eine Vielzahl von parallelgeschalteten Modulen 202 verwendet wird. Die Stromversorgung 215 weist einen Systemregelungs- und Konditionierungsschaltkreis 220 auf, zu dem eine Systemvorspannungsversorgung 222, ein Systemregelungsabschnitt 224, ein Systemeingangsfilter 226 und ein Systemausgangsfilter 228 gehören. Wie der Regelungsabschnitt 211 weist der Regelungsabschnitt 224 einen primären Regelungsabschnitt 224a und einen sekundären Regelungsabschnitt 224b auf. Auf ähnliche Weise haben die Systemvorspannungsversorgung 222 und die Systemseingangs- und ausgangsfilter in der Stromversorgung 215 eine analoge Funktion wie die korrespondierenden Elemente im Modul 202. Dennoch kann die Systemregelungs- und Konditionierungseinheit 220 die Module 202 nur, wie bereits zuvor erwähnt, begrenzt regeln, da der Regelungs- und Konditionierungsschaltkreis 220 über die lokalen Regelungs- und Konditionierungsschaltkreise 210 der Module wirken muß.
In 19 ist ein erfindungsgemäßes Strommodul 230 dargestellt. Das Strommodul 230 kann als "bares" Strommodul beschrieben werden, da es einen Leistungsstrang 232, Steuerungseingänge 234 und Messfühlerausgänge 236 zur Verbindung mit einem externen Regelungs- und Konditionierungsschaltkreis, aber keinen eigenen Regelungs- und Konditionierungsschaltkreis hat. Die Module 230 stellen "direkte" Verbindungen zwischen mindestens den Regelungseingängen 234 und den darunter liegenden Schaltelementen 242 her, das heißt, dass die Verbindungen, anders als im Stand der Technik, nicht durch einen zwischengeschalteten Regelungskreis zur Regelung der Schaltelemente moderiert werden. Beispielsweise kann eine unmittelbare Regelung durch zwischengeschaltete Puffer und Treiberschaltungen erreicht werden, nicht aber durch Schaltkreise, die eine unabhängige Regelung des Arbeitszyklus der Schaltelemente zur Verfügung stellen.
Zum Betreiben des Moduls 230 wird ein Systemregelungs- und Konditionierungsschaltkreis 240, der dem Regelungs- und Konditionierungsschaltkreis 220 ähnlich ist, für eine Vielzahl der Module 230 zur Verfügung gestellt. Der in 20 gezeigte Systemregelungs- und Konditionierungsschaltkreis 240 hat einen Regelkreisausgangsbus 235 zum Kommunizieren mit den jeweiligen Regelungseingängen 234 und dadurch zum unmittelbaren Regeln der Schaltelementen jedes Moduls. Ebenso bevorzugt stellen die Module 230 direkte Verbindungen zwischen den Messfühlerausgängen 236 und den eigentlichen Messfühlern 280 der Module zur Verfügung, ebenso wie ein Regelkreiseingang zur Kommunikation mit den jeweiligen Messfühlerausgängen 236 zur Verfügung gestellt wird, um auf ähnliche Weise Regelungszwischenschichten auszuschließen.
Alle Strommodule 230 sind vorzugsweise mit verbesserten thermischen Charakteristiken ausgebildet, wie in der Anmeldung Nr. 09/310,627 beschrieben wird. Bezug nehmend auf 21, die die 5a dieser Anmeldung wiedergibt, kann beispielsweise für die Module 30 eine Luftkühlung in der Art des PCB 28 verwendet werden. Bezug nehmend auf 22, die die 7a der Anmeldung Nummer 09/310,627 wiedergibt, kann eine Hauptplatine 64 für den Systemregelungsschaltkreis 240 verwendet werden, während die Module 30 in der Art der Strukturen 15 installiert werden können. Bezug nehmend auf 23, die die 7b der Anmeldung Nummer 09/310,627 wiedergibt, kann ein zusätzlicher Kühlkörper an den Modulen 30 in der Art des Kühlkörpers 58 angebracht sein. Bezug nehmend auf 24, die die 9 der Anmeldung Nummer 09/310,627 wiedergibt, können die Module 30 an einer thermisch leitenden Basis in der Art des PCB 28, einem thermisch leitenden Isolator 30 und einer Metallplatte 32 befestigt sein.
Die direkte Systemregelung des "baren" Strommoduls gemäß der vorliegenden Erfindung bringt eine Vielzahl von Vorteilen. Grundsätzlich ist es möglich, dass die Module in einem höheren Maß ohne die Beschränkungen, die durch darin enthaltene interne Regelungskreise bestehen, geregelt werden können, und dass die Module unabhängig voneinander geregelt werden können, wodurch eine erheblich höhere Flexibilität gewährleistet ist. Einige Darstellungen zur Flexibilität werden nachfolgend angegeben, und andere ergeben sich für den Fachmann hieraus offensichtlich.
Beispielsweise wird ein höherer Regelungsgrad für jedes Modul dadurch bereitgestellt, dass die Richtung des Stromflusses zwischen der Primärseite und der Sekundärseite durch den Systemregelungskreis ohne die Beschränkungen, die durch zwischengeschaltete, auf dem Modullevel bislang benötigte Regelungskreise bestehen, geändert werden kann. Die Stromübertragung kann nach Belieben moduliert werden, und die Regelung der Spannung und des Stroms für die Module kann nach Bedarf zugeschnitten werden.
Ein Beispiel für das Bereitstellen einer unabhängigen Regelung der Module besteht darin, dass die Module von dem Systemregelungskreis verschachtelt oder in Sequenz geschaltet werden können. Dieses Verfahren kann beispielsweise verwendet werden, um die Eingans- und Ausgangswelligkeitsfrequenz des System im Ganzen zu erhöhen, wodurch eine Verringerung der Größe und der Kosten der Eingangs- und Ausgangsfilter möglich wird. Im Stand der Technik werden Eingangs- und Ausgangsfilter in den Modulen selbst zur Verfügung gestellt, so dass keine Verringerung der Größe oder der Kosten des Filters als Ergebnis des Betriebs der Module möglich ist.
Ein weiteres Beispiel besteht darin, dass der Systemregelkreis bei Betrieb unter geringer Last bestimmte Strommodule abschalten und den Strom mit einer ausgewählten Untermenge der Strommodule verarbeiten kann, wodurch die Effizienz beim Betrieb des Systems bei geringer Last insgesamt dadurch verbessert wird, dass die Notwendigkeit der Regelung aller Strommodule nicht besteht. Die Menge des von jedem der Module zu verarbeitenden Stroms kann andererseits sequenzialisiert, abgestimmt oder verteilt werden, um Umgebungsbedingungen oder anderen Bedingungen der Module, wie beispielsweise deren Temperatur zur Optimierung der Kühlung des Systems im Ganzen, anzupassen.
Diese gesamte Flexibilität in der Regelung kann durch die Verwendung von programmierbaren, digitalen Regelungen im Systemregelungskreis weiter verbessert werden, und solche programmierbaren Regelungen ermöglichen eine einfache Anpassung des stromverarbeitenden Systems sowohl bei der Herstellung als auch beim Endverbraucher.
Die "baren" Module haben darüber hinaus eine bedeutend geringere Komplexität und sind daher günstiger und zuverlässiger. Der Raum und die Kosten werden auch durch das Vermeiden von Redundanzen verringert. Der Systemregelkreis 220 ist vorzugsweise in einem Abstand zu den Hitze und Rauschen produzierenden Modulen angeordnet, was durch den Ausschluß von lokalen Regelkreisen, die in den aus dem Stand der Technik bekannten Modulen enthalten sind, möglich wird.
Es ist anzumerken, dass, obwohl eine einzige modulare Stromversorgung dargestellt und als bevorzugt beschrieben worden ist, andere Konfigurationen und Verfahren in Ergänzung zu den bereits erwähnten verwendet werden könnten, ohne von den Grundsätzen der Erfindung abzuweichen.
Die Begriffe und Ausdrücke, die in der vorangegangenen Darstellung verwendet worden sind, werden darin als Begriffe zur Beschreibung und nicht als Beschränkung verwendet, und es besteht keine Absicht, durch die Benutzung solcher Begriffe und Ausdrücke, Äquivalente der dargestellten und beschriebenen Eigenschaften oder Teile hiervon auszuschließen, wobei anerkannt wird, dass der Umfang der Erfindung ausschließlich durch die nachfolgenden Ansprüche definiert und limitiert ist.
Es folgt nun ein Teil der Beschreibung der älteren US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 09/310,627 des Erfinders, auf die vorstehend Bezug genommen wurde.
Die Erfindung betrifft die Konfektionierung von elektronischen Komponenten. Sie umfaßt ein neues Verfahren zur Wärmeübertragung von Leistungskomponenten in einem gegebenen elektrischen Schaltkreis zu einem Kühlkörper unterhalb des PCB.
Ein Ansatz zum Kapseln von elektrischen Komponenten in Stromkonvertern (1) umfaßt ein Gehäuse, das sowohl die Komponenten als auch die Mittel zur Wärmeübertragung von den Komponenten einschließt. Das Gehäuse umfaßt eine nichtleitende Schalung und eine Kühlkörperbasis aus Aluminium. Eine Platine (PCB) 3 ist benachbart zur oberen Wand 5a der Schalung befestigt. Leitungsstifte 7 sind direkt am PCB 3 angeordnet und erstrecken sich nach oben durch die Wand 5a hindurch. Elektronische Komponenten 9a, 9c sind an einer oder an beiden Seiten des PCB 3 befestigt. Größere Seitenkomponenten, wie der Transformator 9c, sind aus Platzgründen an der unteren Seite befestigt. Stromumwandelnde Komponenten, wie 9b, sind zur besseren Wärmeübertragung direkt an der Basisplatte 6 befestigt. Die Stromkomponenten 9b sind über Leitungen 12 elektrisch mit dem PCB verbunden. Einige der stromverbrauchenden Vorrichtungen 9d sind mit der Basisplatte über ein thermisch leitendes Isoliermaterial 8 verbunden. Die Struktur 1 kann mit einem Mittel zum Einkapseln gefüllt sein, das als Hitzeverteiler agiert und eine mechanische Unterstützung bietet. In dem Fall der Verwendung eines harten Epoxy-Einkapselungsmittels wird ein „Pufferbeschichtungs"-Material verwendet, um einige der Komponenten zu schützen.
Eines der größten Probleme in Verbindung mit elektronischen Instrumenten ist die Beseitigung der von Komponenten erzeugten Energieverluste. Dies erfolgt häufig durch die Verwendung eines Kühlkörpers, der auf einem rückseitigen Teil der Platine angeordnet ist. Wärme von den elektronischen Komponenten wird von der einen Seite der Platine zur anderen Seite durch die Verwendung eines Durchgangslochs übertragen.
Typischerweise ist das Durchgangsloch ein Loch in der Platine, dessen Wände häufig mit Kupfer beschichtet sind. Bei der Herstellung wird der Innenraum des Durchgangslochs mit Lötmittel gefüllt, um eine elektrische Verbindung und einen Verbund zu erzeugen. Der weit überwiegende Teil der Wärme wird über die Kupferwände des Durchgangslochs übertragen.
Obwohl diese Technik grundsätzlich funktioniert, wird damit kein sehr guter Kühleffekt erzielt, und oft „kochen" die elektronischen Bausteine einfach und verlieren ihre Funktionsfähigkeit.
Aus dem Vorstehenden wird klar, dass ein Bedarf für einen verbesserten Kühlmechanismus besteht.
Zusammenfassung der Erfindung:
Die Erfindung stellt eine verbesserte Platinenanordnung zur Verfügung, in der die thermische Leitfähigkeit durch Verwendung eines in den Durchgangslöchern angeordneten, thermisch leitfähigen Zapfens erheblich erhöht ist. Innerhalb eines Durchgangslochs, dessen Wände üblicherweise mit Kupfer beschichtet sind, ist ein thermisch leitfähiger Zapfen (wie beispielsweise Kupfer) angeordnet; dieser Zapfen wird am Durchgangsloch und der Platine durch fließendes und sich verfestigendes, den Zapfen umgebendes Lötmittel gesichert. Aufgrund der verbesserten thermischen Charakteristika des Zapfens wird Wärme effizienter von den elektronischen Elementen zum Kühlkörper oder zum wärmeabführenden Mechanismus abgeleitet.
Der innerhalb des Durchgangslochs verwendete thermische Zapfen hat thermische Leitfähigkeitseigenschaften, die wesentlich besser als die von Lötmitteln sind. Idealerweise ist die thermische Leitfähigkeit des Zapfens mindestens 25% größer als die von Lötmittel. Thermische Leitfähigkeit ist der Wärmefluss durch eine Fläche hindurch pro Zeiteinheit, dividiert durch das negative Verhältnis der Temperaturänderung in einer Richtung rechtwinklig zur Fläche. Der Fachmann kennt eine Vielzahl von solchen Materialien, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: im Wesentlichen reines Kupfer, im Wesentlichen reines Silber und im Wesentlichen reines Aluminium.
Für die Bestückung eines PCB werden die elektronischen Komponenten an der Oberseite des PCB befestigt. Typischerweise wird ein großer Kühlkörper unterhalb des PCB angeordnet. Unter den elektronischen Komponenten sind eine oder mehrere Mehrfachdurchgangslöcher positioniert, deren Wände mit Kupfer plattiert sind. Die Durchgangslöcher der vorliegenden Erfindung sind groß genug, um einen großen Metalleinsatz aufzunehmen, der einen thermischen Kolben bildet. Der thermische Kolben/Metalleinsatz ist an das PCB angelötet.
Diese Metalleinsätze sind wesentlich bessere thermische Leiter als Lot allein, und sie bieten eine verbesserte Leitfähigkeit, so dass Wärme von der elektronischen Komponente zum Kühlkörper oder einem anderen Mechanismus zum Abführen der Abwärme geführt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein isoliertes Mehrschichtsubstrat direkt unterhalb des PCB angeordnet, das die Wärmeübertragung vom PCB zur Aluminiumbasisplatte unterstützt. Dieses Substrat weist drei unterschiedliche Materialien auf. Die oberste Schicht ist eine dünne Kup ferfolie. Ein Teil dieser Kupferfolie ist an die untere Seite des PCB an der Stelle angelötet, an der die Metalleinsätze aus dem PCB herausragen. Eine elektrische Isolierung vom Rest der Folie wird dadurch erreicht, dass an diese Stelle, die mit den Metalleinsätzen verlötet wird, eine kleine Insel ausgeschnitten wird. Der Rest der Kupferfolie ist nicht an der Unterseite des PCB angelötet, die Kopplung für die Wärmeübertragung wird durch Druck hergestellt. Die mittlere Schicht des Substrats ist ein thermisch leitfähiges Material, das die Kupferfolienschicht von der Aluminiumbodenplatte elektrisch isoliert.
In der bevorzugten Ausführungsform ist das PCB zusammen mit dem Substrat an einer Aluminiumbasisplatte befestigt. Jegliche leitenden Einheiten wie beispielsweise Ferritkerne sind ideal durch Mittel eines komprimierbaren, wärmeleitenden Materials von der Basisplatte elektrisch isoliert.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt dieser Erfindung wird eine Konfektionierungstechnologie für Stromkonverter und Leistungsmagnetismus beschrieben. Die Konfektionierungsmethodik bietet eine kompakte, preisgünstige und einfache Herstellung. Die Erfindung weist als Besonderheit eine Baugruppe für auf einer Leiterplatte angeordnete elektrische Komponenten auf. In diesem Konfektionierungskonzept sind die meisten der Leistungsmagnetelemente in das Mehrschicht-PCB hinein konstruiert. Die Windungen der magnetischen Elemente wie beispielsweise Transformatoren, Induktoren, und in einigen Fällen Ereignissignaltransformatoren sind in das Mehrschicht-PCB eingearbeitet. Die oberste Schicht und ein Teil der unteren Schicht sind auch Träger für elektronische Komponenten. Die Windungen der magnetischen Elemente sind innerhalb des Mehrschicht-PCB enthalten; die elektronischen Komponenten sind an der Oberseite und an der Unterseite des PCB angeordnet. Einige der Komponenten sind an der Oberseite der Windungen und den Verbindungen zwischen den magnetischen Elementen angeordnet. Auf diese Weise wird die Anschlussfläche der magnetischen Elemente reduziert auf die Anschlussfläche des Transformatorkerns. Die stromverbrauchenden Bausteine sind auf Feldern angeordnet, die eine Vielzahl von kupferbeschichteten Durchgangslöchern zur anderen Seite des PCB haben. Die zur anderen Seite des PCB abgeführte Wärme kann weiter verteilt werden durch die Verwendung eines größeren Feldes, oder sie kann über ein Isoliermaterial auf eine mit dem PCB verbundene, metallische Basisplatte übertragen werden. Zur Luftkühlung ist wegen der begrenzten Oberfläche des Wärmeverteilers ein weiterer Kühlkörper zur Vergrößerung seiner Kühlfläche am Wärmeverteiler befestigt.
Der einzigartige Aspekt dieses Konfektionierungskonzept besteht darin, dass die Wicklungen der magnetischen Elemente in die Mehrschicht-PCB-Konstruktion eingearbeitet sind, die gleichzeitig als Träger für stromverbrauchende Komponenten und einige der Steuerungskomponenten dient. Die Wärme der stromverbrauchenden Komponenten wird über mit Kupfer beschichtete Durchgangslöcher entzogen, die die Wärme auf die andere Seite des PCB übertragen. Die Wärme wird darüber hinaus auf eine Metallbasisplatte übertragen, die mit dem PCB über eine thermisch leitende Isolierung verbunden ist. Für luftgekühlte Anwendungen kann der Wärmeverteiler, der mit den thermischen Durchgangslöchern verbunden ist, als Kühloberfläche dienen. Zur Vergrößerung des Bereichs der Wärmeabgabe kann ein Kühlkörper am Wärmeverteiler befestigt sein.
Die Erfindung wird zusammen mit verschiedenen ihrer Ausführungsformen ausführlicher anhand der beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Die Zeichnungen in Kürze:
1 ist eine quer geschnittene Seitenansicht einer Konfektionierung gemäß dem Stand der Technik.
2 ist eine perspektivische Explosionszeichnung der erfindungsgemäßen Konfektionierung von Komponenten.
3A ist eine Aufsicht auf die Konfektionierung mit einem detaillierten Ausschnitt einer magnetischen Windung.
3B ist eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts aus 3a.
4A ist eine Aufsicht auf die Konfektionierung mit einem detaillierten Ausschnitt von Durchgangslöchern zur Kühlung.
4C ist ein Schnitt der Konfektionierung durch die Durchgangslöcher zur Kühlung und durch ein magnetisches Element.
4D ist eine gebrochene Ansicht der Durchgangslöcher zur Kühlung, in der das Isoliermaterial die Durchgangslöcher zur Kühlung durchdringt.
5A ist eine Aufsicht auf eine horizontale Konfektionierung mit Luftkühlung.
6 ist eine Aufsicht auf die Konfektionierung.
6A ist ein Querschnitt der Baugruppe mit einer Luftkühlung und Hohlräumen für magnetische Kerne.
6B ist ein Querschnitt der Baugruppe mit einer Luftkühlung und Löchern für magnetische Kerne.
7A ist eine perspektivische Ansicht der Leistungsbaugruppen für Luftkühlung.
7b ist eine perspektivische Ansicht der zur Luftkühlung geeigneten Leistungsbaugruppen und einer zusätzlichen Heizung, die auf der mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet ist.
8 ist ein Querschnitt der Konfektionierung, die mit einer Hauptplatine verbunden ist.
9 ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10A ist ein erfindungsgemäße Hochleistungsmagnet-Baugruppe.
10B ist ein Querschnitt der in 10 dargestellten Magnetbaugruppe.
11 ist ein Querschnittsdiagramm der vollständigen PCB-Anordnung, in der das verbesserte thermische Kopplungsgerät für diese Erfindung verwendet wird.
12 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der ein zusätzlicher Kühlkörper verwendet wird.
13 ist noch eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform, in der die thermischen Kolben/Einsätze in die Durchgangslöcher eingepresst sind.
14 ist eine weitere Ausführungsform des thermisch leitenden Gesichtspunkts der Erfindung.
15 zeigt eine alternative Ausführungsform, in der sich die Metallkolben über das PCB hinaus erstrecken und verwendet werden, um den Kühlkörper am PCB zu sichern.
16 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit verbessertem Kühlungsvermögen.
Die Zeichnungen im Detail:
Wie bereits zuvor festgestellt und diskutiert wurde, zeigt 1 eine Ausführungsform des vorbekannten Standes der Technik.
Gemäß 2 sind in der erfindungsgemäßen Konfektionierung 7 verlustleistungsbehaftete elektronische Komponenten 22 auf dem Mehrschicht-PCB 28 auf dem Wärmeverteilerfeld 48 angeordnet, 4B.
Das Wärmeverteilerfeld ist mit einem kupferbeschichteten Durchgangsloch verbunden. Ein Wärmeverteiler 74, 4B, ist an der Unterseite des PCB durch das kupferbeschichtete Durchgangsloch 42 angeschlossen. Das kupferbeschichtete Durchgangsloch kann mit Lot gefüllt oder leer sein, wobei in letzterem Fall die Wärme über die Metallisierung an den Wänden des Durchgangslochs übertragen wird. Die Metallisierung wird durch ein Kupferdepot während des Beschichtungsprozesses, der mit dem Herstellungsprozess des PCB in Verbindung steht, gebildet. Als Ergebnis des Beschichtungsprozesses ist die Wand des Durchgangslochs mit Kupfer beschichtet. Das Durchgangsloch kann auch mit einem thermisch leitenden Material 30a gefüllt sein, wie es in 4D dargestellt ist. Das unter Druck unter dem PCB 28 angeordnete Isoliermaterial 30 wird in das Durchgangsloch eindringen und den Raum ausfüllen. Zwischen dem PCB 28 und der Metallbasisplatte 32 ist ein Isoliermaterial mit guten thermischen Leitfähigkeitseigenschaften 30 angeordnet. So wird die Wärme von den verlustleistungsbehafteten Komponenten 22 über das Kupferfeld 48, auf der die verlustleistungsbehaftete Baugruppe angeordnet ist, zum kupferbeschichteten Durchgangsloch 42 auf die andere Seite des PCB 28B zum Wärmeverteiler 74 übertragen. Die Wärme wird weiter über die thermisch leitenden Isoliermaterialien 30 zur Metallplatte 32 übertragen. In dem Fall, in dem das Isoliermaterial 30 das kupferbeschichtete Durchgangsloch 42 durchdringt, ist der Oberflächenkontakt größer, und im Ergebnis wird die thermische Übertragung von der Kupferplatte 48 zur Metallplatte 30 verbessert.
Die wesentlichen Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Implementierung der magnetischen Elemente im Mehrschicht-PCB und den Mitteln, in denen die Wärme von den verlustleistungsbehafteten Bauelementen, von den magnetischen Wicklungen 50 (3A und 3B), vom Magnetkern 26A und 26B und den Baugruppen mit geringer Verlustleistung 20 in Richtung zur Basisplatte extrahiert wird. Um die Leistungsdichte zu erhöhen, werden einige Komponenten 88 auf die Oberseite des Mehrschicht-PCB 28a über den Windungen 50, die in den inneren Schichten des Mehrschicht-PCBs 28 eingebettet sind, montiert. Auf diese Weise wird die Anschlussfläche der magnetischen Elemente auf die Anschlussfläche des magnetischen Kerns 26a reduziert.
Der Kern dieser Erfindung besteht in der Tatsache, dass die magnetischen Elemente in dem Mehrschicht-PCB 28 implementiert sind. Im vorbekannten Stand der Technik waren magnetische Elemente eigenständige Baugruppen, die mit dem PCB über Stifte verbunden waren, die durch Öffnungen durchgesteckt oder an einer Oberfläche montiert waren. Das Vorhandensein der Verbindungsstifte erhöht die Kosten des magnetischen Elements und reduziert die Zuverlässigkeit der magnetischen Baugruppe hinsichtlich eines mechanischen Versagens der Stifte. Der Verbindungsstift kann einfach verbiegen oder brechen. Das Vorhandensein der Verbindungsstifte ergibt eine zusätzliche Streuinduktivität in Reihe mit dem Transformator. Dies beeinflußt die elektrische Performanz des Schaltkreises negativ. In den meisten Anwendungen wird die Energie, die in dieser parasitären Induktivität enthalten ist, in Wärme umgewandelt; eine Verminderung der parasitären Induktivität der Verbindungsstifte kann die Spannungs- oder Strombelastung der elektrischen Komponenten erhöhen.
Erfindungsgemäß sind die Windungen der magnetischen Elemente innerhalb des Mehrschicht-PCB eingebettet. Die Verbindung zwischen den magnetischen Elementen und zwischen den elektrischen Komponenten erfolgen über geätzte Kupferplatten in den Schichten des Mehrschicht-PCB und durch die kupferbeschichteten Durchgangslöcher 42 im Mehrschicht-PCB 28. Hierdurch wird die Verwendung komplexerer Windungsanordnungen sowie die Verwendung von einer größeren Anzahl magnetischer Elemente auf der gleichen Mehrschicht-PCB-Konstruktion ermöglicht. Die Verbindungen der magnetischen Elemente erfolgen innerhalb des Mehrschicht-PCB. Der Wandler wird eine Anzahl von kleineren magnetischen Elementen enthalten und eine flache Baugruppe bilden. Die magnetischen Kerne 26A und 26b werden in das Mehrschicht-PCB über die Ausschneidungen 78a und 78b eingesetzt, die an die äußeren Schenkel 80a und inneren Schenkel 80b angepaßt sind. Die Magnetteile 26a und 26b können zusammengeklebt oder über einen Federclip 82 aneinander befestigt sein. Um den Federclip anzubringen, sind zusätzliche Ausschneidungen 84 im PCB vorgesehen. Die Unterseite des Magnetkerns 26b wird an der Unterseite des PCB anliegen. Um die magnetischen Kerne 26b anbringen zu können, sind Ausschnitte 86 im Isoliermaterial 30 vorgesehen. In den meisten Anwendungen ist die Dicke des Isoliermaterials geringer als die Höhe des magnetischen Kerns. Um den magnetischen Kern 26b anzubringen, werden Kavitäten 56 in der Basisplatte 32 produziert. Aufgrund der zerbrechlichen Eigenschaften des magnetischen Kerns ist unterhalb des magnetischen Kerns 26b ein weiches Polster mit geringer thermischer Impedanz angeordnet. Das Polster 56 wird die Vibrationen des magnetischen Kerns dämpfen. Die geringe thermische Impedanz des Polsters 56 wird außerdem einen Kühlungsweg für den Magnetkern bieten. In einigen Anwendungen, in denen eine Isolierung gegenüber der Basisplatte vorgesehen sein ums, ums das Polster isolierende Eigenschaften haben.
Die gesamte Struktur 7 wird so zusammengepreßt, dass der Magnetkern 26b auf dem Polster 56 angeordnet ist. Die Dicke des Polsters muß so gewählt sein, dass die metallische Platte 32 einen guten Kontakt mit der Isolierung 30 hat. Die Isolierung 30 ist zwischen das PCB 28 und die Metallplatte 32 eingesperrt. Die permanente Befestigung kann auf verschiedene Arten erfolgen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Isoliermaterial 30 adhäsive Eigenschaften, die durch einen Erwärmungsprozess bei höheren Temperaturen stimuliert werden. Nach dem Erwärmungsprozess hat der Isolator einen Verbund zwischen dem PCB 28 und der Metallplatte 32 erzeugt. In Anwendungen, bei denen die Struktur 28 mit einer anderen Platte verbunden ist, können die Flansche 40 Schrauben aufnehmen.
Ein Querschnitt der zusammengesetzten Struktur 7 ist in 4C dargestellt. Ein Teil dieser Struktur ist in 4B vergrößert dargestellt. Im Querschnitt der Struktur 90 sind die Anordnung einer verlustleistungsbehafteten Baugruppe auf der Kupferplatte 48 sowie die beschichteten Durchgangslöcher 42 dargestellt. Die kupferbeschichteten Durchgangslöcher transportieren die Wärme zum Wärmeverteiler 74. Die Wärme wird weiter über die thermisch leitende Isolierung 30 zur Metallplatte 32 übertragen.
In 4C ist ein zweiter Querschnitt der zusammengesetzten Struktur 7 dargestellt. Im Querschnitt 92 sind der obere Teil des Magnetkerns 26a, der untere Teil des Magnetkerns 26b und das in der Kavität 56 unter dem Magnetkern angeordnete Polster 34 dargestellt. Die im Magnetkern 26 erzeugte Wärme wird über das Polster 34 zur Basisplatte übertragen. Für Komponenten, die eine Temperatur nahe der Temperatur der Basisplatte haben müssen, sind kupferbeschichtete Durchgangslöcher unterhalb der Komponenten oder zu den Trassen und Feldern, die mit den Komponenten verbunden sind, angeordnet. So wird eine geringe thermische Impedanz zur Basisplatte erzielt. Der Temperaturanstieg an diesen Komponenten wird bei einer geringen thermischen Impedanz zur Basisplatte gering sein.
Das PCB 28 kann ebenso unter Verwendung von Schrauben, Clips oder anderen Mitteln zum Aufbringen eines Drucks auf die Struktur 7 an der Isolierung 30 und der Basisplatte 32 befestigt werden. In einigen Anwendungen können die Ausschnitte in der Metallplatte 32 die Platte durchdringen. Die Magnetkerne 26b werden von der Unterseite der Metallplatte aus sichtbar sein. Zum Schutz der Magnetkerne 26b kann weiches Epoxy-Material die verbleibende Kavität zwischen dem Magnetkern und der Oberfläche der Basisplatte 32 bedecken. In einigen Anwendungen kann die Kavität offengelassen werden.
In 8 ist eine Struktur 9 dargestellt, bei der die Baugruppe 7 mit einer Hauptplatine 96 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt über die Stromanschlüsse 24a und 24b. Die Stromanschlüsse sind mit der Hauptplatine 96 über Schrauben 98 verbunden. Auf der Struktur 7 ist ein Signalanschluss 106 angeordnet. Der Signalanschluss 106 ist mit dem korrespondierenden Signalanschluss 104 auf der Hauptplatine 96 verbunden. Es können mehr als eine Struktur 7 mit derselben Hauptplatine 96 verbunden werden. Auf der Hauptplatine 96 gibt es weitere Komponenten 100 und 102. Diese Struktur ist geeignet für Systeme, bei denen nur der Leistungsstrang und einige Regelungsfunktionen auf der Struktur 7 angeordnet sind. Einige der Regelungsabschnittskomponenten, ergänzende logische Schaltkreise und EMI Filter sind auf der Hauptplatine angeordnet. Die untere Schicht der Hauptplatine 96 kann Kupferschilde zum Schutz von rauschempfindlichen Komponenten enthalten. Die rauschempfindlichen Komponenten sind auf der Hauptplatine angeord net, die Verlustleistungsbehafteten Komponenten, einige Regelungskomponenten und die Magnete sind auf der Struktur 7 angeordnet.
In den 5a und 5b ist eine Kapselstruktur 11 dargestellt. In dieser Struktur sind die Windungen des magnetischen Elements in dem Mehrschicht-PCB 28 wie in Struktur 7 eingebettet. Die Komponenten sind auf beiden Seiten des Mehrschicht-PCB angeordnet. Bei Bestehen eines Luftstroms ist diese Kapselstruktur für Anwendungen mit geringer Verlustleistung geeignet. Die gesamte Oberfläche des Mehrschicht-PCB 28 wird zum Kühlkörper. Die Struktur 11 ist mit anderen Schaltkreisen über die Stifte 52 verbunden.
In 7A ist ein Energiesystem dargestellt, das verschiedene Kapselstrukturen 15 umfaßt. Die Struktur 15 enthält ähnlich wie Struktur 7 magnetische Elemente 26, verlustleistungsbehaftete Komponenten 22 und Komponenten mit geringer Verlustleistung 20. Der Hauptunterschied besteht darin, dass weder eine Isolierung 30 noch eine Basisplatte 32 vorhanden ist. Die Kühlung erfolgt durch Luft, die durch die Kapselstruktur 15 strömt. Die gesamte Oberfläche von 15 wird zum Kühlkörper. Die Strukturen 15 sind mit der Hauptplatine 64 über Signalanschlüsse 70a und Stromanschlüsse 70b verbunden.
Zusätzliche Komponenten sind auf der Hauptplatine 64 angeordnet.
In 7B ist die Hauptplatine 64 mit zwei Kapselstrukturen 17 verbunden. Die Kapselstrukturen enthalten die gleichen Komponenten wie Struktur 15, wobei ein zusätzlicher Kühlkörper 58 mit dem Mehrschicht-PCB über die Isolierung 30 verbunden ist.
In den 6A und 6B sind zwei Arten von Kühlkörperkonstruktionen dargestellt. Der Kühlkörper 58 in 6A hat Luftlamellen 60 und Kavitäten 62. In den Kavitäten ist ein weiches, kompressibles Material 34 mit einer geringen thermischen Impedanz angeordnet. Die Isolierung mit einer geringen thermischen Impedanz 30 ist zwischen dem Mehrschicht-PCB 28 und der Basisplatte 58 angeordnet. Der Magnetkern 26b wird über das weiche Polster 34 gekühlt. Die verlustleistungsbehafteten Einrichtungen werden über kupferbeschichtete Durchgangslöcher wie in Struktur 7 gekühlt.
In 6B hat der Luftlamellen 60 aufweisende Kühlkörper 58 Ausschneidungen 64 zum Anbringen des Magnetkerns 26b. Die Kühlung der Magnetkerne 26a und 26b wird durch den Luftstrom erzielt. Die Kühlung der verlustleistungsbehafteten Einrichtungen erfolgt über die kupferbeschichteten Durchgangslöcher 42.
In 9 ist eine Kapselstruktur dargestellt, bei der die Metallplatte 32 keine Kavitäten aufweist. Sie hat erhabene Abschnitte 104, die mit dem thermisch leitenden Isolator 30 in Kontakt stehen, der unter dem Mehrschicht-PCB 28 angeordnet ist. Die erhabenen Abschnitte der Metallplatte 104 sind überwiegend unter den verlustleistungsbehafteten Baugruppen 22 und anderen Komponenten mit geringer Verlustleistung 20c angeordnet, die eine Temperatur nahe der Basisplattentemperatur benötigen. Das thermisch leitende, weiche Polster 34 auf der Basisplatte 32 trägt die Magnetkerne 26a und 26b. Die Höhen der erhabenen Abschnitte der Basisplatten 104 sind abhängig von der Höhe des Magnetkerns 26b und des Kompressionsverhältnisses des Polsters 34. Der Vorteil dieses Konfektionierungskonzeptes besteht darin, dass mehrere Komponenten auf der Rückseite 20b des Mehrschicht-PCB montiert werden können. Diese Baugruppe, die alle Regelungs- und Signalschnittstellenfunktionen enthält, ist für Leistungskonverter geeignet. Die Verbindungsstifte 24a und 24b stellen die Strom- und Signalverbindungen zur Außenwelt zur Verfügung. Die Abdeckung 106 enthält Löcher 110 zur Aufnahme der Verbindungsstifte 24a und 24b.
Zum Verbinden des Gehäuses 106 mit der Basisplatte 32 (9) sind Zähne 112 entlang der unteren Kante des Gehäuses ausgebildet, Eine entsprechende Nut 108 ist in die Basisplatte 32 hinterschnitten.
In 10A ist eine Hochleistungsmagnetstruktur dargestellt, in der der Magnetkern durch mehrere kleine Magnetkerne 26 gebildet ist. Ein Querschnitt durch die Struktur 19 ist in 10B dargestellt. Die Windungen 50 der magnetischen Struktur sind in die Schichten des Mehrschicht-PCB eingebettet. Die Ausschneidungen 116 in dem Mehrschicht-PCB 28 sind vorgesehen, um die Magnetkerne 26 aufzunehmen. Stromanschlüsse sind in den Mehrschicht-PCB 28 eingesetzt. Die Anschlüsse 24a und 24b sind mit den Windungen 50 verbunden. Die Kerne 26a und 26b sind über die Clips 82 miteinander verbunden. Der Mehrschicht-PCB 28, in dem die Windungen 50 eingebettet sind, dient auch als Träger für die Magnetkerne 26. Eine Kavität 56 ist in der Basisplatte 32 vorgesehen. Ein thermisch leitfähiges weiches Polster ist unter dem Magnetkern 26b auf der Basisplatte 32 angeordnet.
11 zeigt ein Querschnittdiagramm der vervollständigten PCB-Anordnung, bei der die verbesserte thermische Kopplungsapparatur für diese Erfindung verwendet wird.
Die Basiskomponenten für diese Ausführungsform sind eine Leistungsbaugruppe 11, andere Baugruppen 12, Magnetkerne 13, Lot 14, Durchgangslöcher mit kupferbeschichteten Wänden 15, ein Abschnitt der Stromeinheit 16, innere Schichten 17, eine Platine (PCB) mit mehreren Schichten 18, eine Kupferfolie 19, Isoliermaterial 20, eine Metallplatte 21, ein zusätzlicher Kühlkörper 22, kompressibles, thermisch leitendes Material 23 und ein Metalleinsatz 24.
Elektrische Komponenten (11, 12 und 13) sind auf einem Mehrschicht-PCB (18) angeordnet. Unter der Leistungsbaugruppe (11) befinden sich eine oder mehrere Mehrfach-Durchgangslöcher (15), die mit Kupfer beschichtet sind. Die Durchgangslöcher 15 sind groß genug, um einen großen Metalleinsatz (24), der an das PCB angelötet ist, aufzunehmen. Diese Metalleinsätze sind viel bessere thermische Leiter als Lot allein.
In diesem Zusammenhang hat der thermische Einsatz/Stecker 24, der innerhalb der Durchgangslöcher verwendet wird, thermische Leitungseigenschaften, die besser sind als die von Lot. Idealerweise ist die thermische Leitfähigkeit des Steckers mindestens 25% größer als die von Lot. Die thermische Leitfähigkeit ist der Wärmefluss durch eine Oberfläche pro Zeiteinheit, geteilt durch das Negative des Verhältnisses der Temperaturänderung mit der Entfernung in einer zur Oberfläche rechtwinkligen Richtung. Der Fachmann kennt eine Vielzahl solcher Materialien, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: im wesentlichen reines Kupfer, im wesentlichen reines Silber und im wesentlichen reinem Alumina.
Unmittelbar unterhalb des PCB ist ein isoliertes Mehrschichtsubstrat angeordnet, das die Wärmeübertragung vom PCB auf die Aluminiumbasis platte unterstützt. Dieses Substrat besteht aus drei unterschiedlichen Materialien. Die obere Schicht ist eine dünne Kupferfolie (19). Ein Teil dieser Kupferfolie (19) ist an die Unterseite des PCB an der Stelle angelötet, an der die Metalleinsätze (24) aus dem PCB herausragen. Eine elektrische Isolierung von Rest der Folie wird dadurch erreicht, dass an dieser Stelle, die an die Metalleinsätze (24) angelötet werden soll, kleine Inseln ausgeschnitten werden. Der Rest der Kupferfolie (19) ist nicht an die Unterseite des PCB angelötet, es Bedarf eines Drucks, um die Kopplung für die Wärmeübertragung zu erzielen. Die Mittelschicht des Substrats (20) ist ein thermisch leitendes Material, das die Kupferfolie vom Boden der Aluminiumplatte (21) elektrisch isoliert.
Das PCB kann dann zusammen mit dem Substrat auf einer Aluminiumbasisplatte (22) montiert werden. Jegliche leitenden Einheiten, wie beispielsweise Ferritkerne (23), können von der Basisplatte durch Mittel eines komprimierbaren, thermisch leitenden Materials elektrisch isoliert sein.
Das Verfahren zum Betrieb für diese System besteht darin, die Stromeinheit auf die Oberseite des PCB auf die gelöteten Metalleinsätze zu löten. Die Wärme, die während des elektrischen Betriebs des Schaltkreises erzeugt wird, wird über die Metalleinsätze einfach übertragen. Die Wärme wird über einen großen Oberflächenbereich über das Isoliermaterial auf die Aluminiumplatte und die Basisplatte verteilt.
Die Leistungsbaugruppe 11 ist optional ein Plättchen, das auf dem Metalleinsatz 24 angeordnet ist und mittels Draht mit dem Mehrschicht-PCB verbunden ist.
12 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der ein zusätzlicher Kühlkörper verwendet wird.
Wie zuvor sind elektrische Komponenten (11, 12 und 13) auf einem Mehrschicht-PCB angeordnet. Unter der Stromeinheit (11) befinden sich Mehrfach-Durchgangslöcher (15), die mit Kupfer beschichtet sind.
Diese verbesserten Durchgangslöcher (15) sind größer als vorbekannte Durchgangslöcher zum Aufnehmen des Metalleinsatzes/Kolbens (24). Das Lot, das während der Herstellung des PCB (18) bereitgestellt wurde, fließt um den Einsatz/Kolben (24) herum, um die Anordnung zu verbinden.
Unmittelbar unter dem PCB ist ein isoliertes Mehrschichtsubstrat angeordnet, das die Wärmeübertragung vom PCB zum Aluminiumkühlkörper unterstützt. Dieses Substrat besteht aus drei unterschiedlichen Materialien. Die obere Schicht ist eine dünne Kupferfolie (19). Ein Teil dieser Kupferfolie (19) ist an die Unterseite des PCB (18) an der Stelle angelötet, an der die Metalleinsätze aus dem PCB (18) ragen.
Eine elektrische Isolierung vom Rest der Folie wird durch das Ausschneiden von kleinen Inseln an den Stellen erzeugt, die mit den Metalleinsätzen/Kolben (24) verlötet werden sollen. Der Rest der Kupferfolie (19) ist nicht mit der Unterseite des PCB verlötet, es bedarf eines Drucks um die Kopplung für die Wärmeübertragung zur Verfügung zu stellen. Die mittlere Schicht des Substrats (20) ist ein thermisch leitfähiges Material, das die Kupferfolienschicht von der Aluminiumbodenplatte (21) elektrisch isoliert. Das PCB wird dann zusammen mit dem Substrat an einem Aluminiumkühlkörper (22) angebracht.
Das Betriebsverfahren für dieses System besteht darin, die Leistungsbaugruppe auf die Oberseite des PCB oberhalb der gelöteten Metalleinsätze anzulöten. Die während des elektrischen Betriebs des Stromkreises erzeugte Wärme wird durch die Metalleinsätze zur darunter liegenden Kupferfolieninsel übertragen. Diese Insel ist gegenüber den Metalleinsätzen groß, so dass eine größere thermische Leitfähigkeit besteht. Die Wärme breitet sich über einen großen Oberflächenbereich durch das Isoliermaterial zur Aluminiumplatte und zum Kühlkörper aus.
Die Größe der Kupferfolienschicht 19 unterhalb des Metalleinsatzes ist so zugeschnitten, dass die Kapazitanz zwischen der Leistungsbaugruppe 11 und dem Kühlkörper 22 gesteuert werden kann.
13 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Erfindung, in der die thermischen Kolben/Einsätze in die Durchgangslöcher eingestoßen sind.
In dieser Ausführungsform sind die Metalleinsätze/Kolben 24a auch deshalb einzigartig, weil sie ein schmales Durchgangsloch besitzen, das sich von ganz oben bis nach ganz unten erstreckt. Damit wird aufgrund der Kapillarität ein guter Lotfluss erreicht, wenn der Einsatz von einem Teil des darunter liegenden Mehrschichtsubstrats bis zur Leistungsbaugruppe an der Oberseite des PCB verlötet wird. Die Metalleinsätze/Kolben 24a haben einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Durchgangslöcher mit den kupferbeschichteten Wänden. Das bedeutet, dass der Metalleinsatz/Kolben 24a in das Durchgangsloch hineingepresst werden ums. Das Lot fließt durch den inneren Kanal, um das Obere mit dem Unteren des PCB 18 zu verbinden.
Das PCB wird zusammen mit dem Substrat an einer Aluminiumbasisplatte (22) angebracht. Jegliche leitende Einheit, wie beispielsweise ein Ferritkern (13), kann durch komprimierbares, thermisch leitendes Material elektronisch von der Basisplatte isoliert werden.
Das Betriebsverfahren für diese System besteht darin, die Leistungsbaugruppe auf die Oberseite des PCB auf die unter Druck eingesetzten Metalleinsätze aufzulöten. Die Wärme, die während des elektrischen Betriebs des Schaltkreises erzeugt wird, wird durch die Metalleinsätze übertragen, so dass sich der thermische Widerstand dieser Verbindung nicht verringert. Wärme wird über einen großen Oberflächenbereich über das Isoliermaterial zur Aluminiumplatte und zur Basisplatte abgeführt.
14 zeigt noch eine andere Ausführungsform zum erfinderischen Gesichtspunkt der thermischen Leitfähigkeit.
Wie bei Ausführungsformen des vorbekannten Standes der Technik enthält die Ausführungsform in 14 elektrische Komponenten (11, 12, 13), die auf einem Mehrschicht-PCB angeordnet sind. In dieser Ausführungsform haben die Metalleinsätze (24a) ein kleines Durchgangsloch 14a, das sich von ganz oben bis nach ganz unten erstreckt. Aufgrund der Kapillarität ermöglicht dies einen guten Lotfluss, wenn die Einsätze von einem Teil des darunter liegenden Mehrschichtsubstrats bis zur Leistungsbaugruppe an der Oberseite des PCB (18) verlötet wird.
Das Substrat ist unmittelbar unterhalb des PCB angeordnet, und seine Funktion besteht darin, die Wärmeübertragung vom PCB zum Aluminiumkühlkörper zu unterstützen. Das Substrat besteht aus drei unterschiedlichen Materialien. Die obere Schicht ist eine dünne Kupferfolie (19). Das PCB ist zusammen mit dem Substrat an einem Aluminiumkühlkörper (22) angebracht.
Das Herstellungsverfahren für dieses System besteht darin, die Leistungsbaugruppe auf die Oberseite des PCB auf die unter Druck eingesetzten Metalleinsätze (24a) zu löten. Die während des elektrischen Betriebs des Schaltkreises erzeugte Wärme wird durch die Metalleinsätze (24) übertragen. Die während des elektrischen Betriebs erzeugte Wärme des Schaltkreises wird durch die Metalleinsätze auf die darunter liegende Kupferfolieninsel übertragen. Die Insel ist im Vergleich zu den Metalleinsätzen groß, so dass keine Verringerung im thermischen Widerstand dieser Verbindung besteht. Die Wärme wird über einen großen Oberflächenbereich durch das Isoliermaterial zur Aluminiumplatte und zur Basisplatte abgeführt.
15 zeigt eine alternative Ausführungsform, in der die Metallkolben eine ausreichende Länge haben, um sich aus dem PCB heraus zu erstrecken und zum Befestigen des Kühlkörpers am PCB verwendet werden.
In dieser Ausführungsform haben die Metalleinsätze/Kolben 24C eine ausreichende Länge, um sich durch das PCB und auch durch die Durchgangslöcher 26 des Kühlkörpers zu erstrecken.
Die PCB-Anordnung ist an einer Aluminiumbasisplatte (23) angebracht, die als Kühlkörper wirkt, der Löcher (26) aufweist, die mit den Metalleinsätzen (24c) zusammenwirken. Eine Presspassung wird für eine gute Wärmeübertragung benötigt. Jegliche leitenden Baugruppen wie beispielsweise Ferritkerne (13) oder kleinere elektrische Durchgangslöcher (15) können von der Basisplatte durch Mittel eines komprimierbaren thermoleitenden Materials elektrisch isoliert werden.
Bei der Herstellung dieser Ausführungsform wird die Leistungsbaugruppe an der Oberseite des PCB auf die unter Druck eingesetzten Metalleinsätze aufgelötet. Die Wärme, die während des elektrischen Betriebs des Schaltkreises erzeugt wird, wird durch die Metalleinsätze direkt zur darunter liegenden Aluminiumbasisplatte übertragen.
Die Metalleinsätze/Kolben 20c haben eine konturierte Außenwand, so dass flüssiges Lot hindurchfließen kann, um eine Verbindung zu erzeugen und außerdem eine elektrische Leitfähigkeit herzustellen.
16 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit verbesserten Kühlungseigenschaften.
In dieser Ausführungsform sind die Metalleinsätze/Kolben (20c) lang gestreckt, so dass sie sich durch das PCB (18) hindurch erstrecken und in das Kühlblech 24 eingreifen. Wie bei der Darstellung in 15 werden in der Ausführungsform von 16 Metalleinsätze/Kolben 20c verwendet, die mechanisch in die Wände der Durchgangslöcher (14) und die Löcher (21) in dem Kühlblech 24 eingreifen, Die Metalleinsätze/Kolben 20c haben eine konturierte Außenwand, so dass flüssiges Lot hindurch fließen kann, so dass eine Verbindung und auch die elektrische Leitfähigkeit sichergestellt ist.
Aus dem Vorstehenden wird deutlich, dass die vorliegende Erfindung eine wesentlich verbesserte Kühlung einer Platine ermöglicht.

Claims

Modulare Stromversorgung mit einer Vielzahl von Stromversorgungsmodulen (230), wobei jedes Stromversorgungsmodul einen Stromkreis (232) aufweist, der mit einem Stromeingang des Moduls gekoppelt ist, um einen Eingangsstrom zu erhalten und einen Ausgangsstrom an einem Stromausgang des Moduls zu erzeugen, wobei jeder Stromkreis mindestens ein Schaltelement (242) zum Schalten des jeweiligen Eingangsstroms oder des jeweiligen Ausgangsstroms sowie darüber hinaus einen Regelkreiseingang (234) aufweist, der unmittelbar mit dem jeweiligen Schaltelement gekoppelt ist; und einem Systemregelkreis (240) zum Regeln der Stromversorgungsmodule mit einem Regelkreisausgangsbus (235) zum Anschluss an die jeweiligen Regelkreiseingänge jedes Strommoduls und zum Bereitstellen eines jeweiligen Regelungssignals für jedes der Module zur unmittelbaren Regelung des jeweiligen Schaltelements derart, dass die Module unabhängig voneinander geregelt werden können.
Modulare Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromkreis mindestens einen Messfühler (280) zum Messen eines Zustands des jeweiligen Eingangsstroms oder des jeweiligen Ausgangsstroms aufweist, dass jeder Stromkreis darüber hinaus einen Regelkreisausgang (236) aufweist, der unmittelbar mit dem jeweiligen Messfühler verbunden ist, um dem Systemregelkreis ein entsprechendes Messsignal bereitzustellen, und dass der Systemregelkreis des weiteren einen Regelkreiseingangsbus (237) zum Anschluss an den jeweiligen Regelkreisausgang jedes der Strommodule und zum direkten Erhalten der jeweiligen Messsignale der Module aufweist.
Modulare Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromeingang jedes Strommoduls relativ ungefiltert ist; der Ausgangsstrom jedes Strommoduls relativ ungefiltert ist; der Systemregelkreis einen Eingangsfilter und einen Ausgangsfilter aufweist; die relativ ungefilterten Stromeingänge der Module die jeweiligen Eingangsströme vom Eingangsfilter erhalten und der Ausgangsfilter die jeweiligen relativ ungefilterten Ausgangsströme von den Modulen erhält.
Verfahren zum Bilden einer Stromversorgung mit den folgenden Schritten: Bereitstellen einer Vielzahl von Stromversorgungsmodulen (230), wobei jedes Stromversorgungsmodul einen Stromkreis (232) aufweist, der mit einem Stromeingang des Moduls gekoppelt ist, um einen Eingangsstrom zu erhalten und einen Ausgangsstrom an einem Stromausgang des Moduls zu erzeugen, wobei jeder Stromkreis mindestens ein Schaltelement (242) zum Schalten des jeweiligen Eingangsstroms oder des jeweiligen Ausgangsstroms sowie darüber hinaus einen Regelkreiseingang (234) aufweist, der unmittelbar mit dem jeweiligen Schaltelement gekoppelt ist; Bereitstellen eines Systemregelkreises (240) mit einem Regelkreisausgangsbus (235) zum Anschluss an die jeweiligen Regelkreiseingänge jedes Strommoduls; und direktes Regeln der jeweiligen Schaltelemente durch das Bereitstellen von jeweiligen Regelsignalen am Regelkreisausgangsbus zum voneinander unabhängigen Regeln der Module.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Ausrüsten jedes Strommoduls mit mindestens einem Messfühler (280) zum Messen eines Zustands des jeweiligen Eingangsstroms oder des jeweiligen Ausgangsstroms, Ausrüsten jedes Stromkreises mit einem Regelkreisausgang (236), der unmittelbar mit den jeweiligen Messfühlern gekoppelt ist, um ein jeweiliges Messsignal für den Systemregelkreis bereitzustellen, Ausrüsten des Systemsregelkreises mit einem Regelkreiseingangsbus (237) zum Anschluss der jeweiligen Regelkreisausgänge jedes Strommoduls, und direktes Erhalten der jeweiligen Messsignale von den Modulen.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Bereitstellen eines Systemeingangsfilters mit einem Stromeingang und einem Stromausgang, der mit jedem der Stromeingänge der Module verbunden ist, Sequenzialisieren der Strommodule, um die Welligkeitsfrequenz des Stroms durch den Stromeingang des Systemeingangsfilters zu erhöhen, und Bereitstellen der Größe des Systemeingangsfilters derart, dass er kleiner ist, als er ohne den Schritt des Sequenzialisierens wäre.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens des Regelkreises das Bereitstellen einer dazu gehörenden programmierbaren Steuerung umfasst, und dass das Verfahren ferner die Schritte des Programmierens des Systemregelkreises, um ein Programm von Ausgangsströmen von den Modulen bereitzustellen, sowie eines nachfolgenden Reprogrammierens des Systemregelkreises, um verschiedene Programme von Ausgangsströmen von den Modulen zur Verfügung zu stellen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Bereitstellen eines Eingangsfilter zum Erhalten eines Systemeingangsstroms an seinem Eingang, eines Ausgangsfilters zum Erzeugen eines Systemausgangsstroms an seinem Ausgang, und Verbinden der Stromeingänge der Module mit einem Ausgang des Eingangsfilters sowie Verbinden der Stromausgänge der Module mit einem Eingang des Ausgangsfilters.