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Diese
Erfindung betrifft einen elektrischen Energieverteiler zur Verwendung
in einem Kraftfahrzeug, um elektrische Energie von einer Energiequelle,
beispielsweise einer in dem Fahrzeug eingebauten Batterie an eine
Mehrzahl von elektrischen Lasteinheiten zu verteilen, mit denen
das Fahrzeug ausgestattet ist.
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Es
ist ein elektrischer Verbinderkasten als eine Vorrichtung zur Verteilung
elektrischer Energie von einer Energiequelle in einem Fahrzeug an
eine Mehrzahl von elektrischen Lasteinheiten bekannt geworden, mit
denen das Fahrzeug ausgestattet ist. Der elektrische Verbinderkasten
ist derart aufgebaut, dass eine Anzahl von Substraten jeweils mit
einer Busschiene übereinander
angeordnet ist, um einen Verteilerschaltkreis zu bilden und verschiedene
Elementen wie eine Sicherung und ein Relaisschalter sind auf dem
Schaltkreis vorgesehen.
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In
letzter Zeit wurde ein elektrischer Energieverteiler entwickelt,
um einen derartigen elektrischen Verbinderkasten kleiner zu machen
und um eine Hochgeschwindigkeits-Schaltsteuerung zu ermöglichen.
Ein derartiger elektrischer Energieverteiler hat einen Aufbau, bei
dem Halbleiterschaltelemente wie Feldeffekttransistoren (FETs) zwischen
Eingangsanschlüssen
und Ausgangsanschlüssen
des Energieverteilers anstelle eines Relaisschalters vorgesehen sind,
um es einem Steuerschaltkreis einer Steuerschaltkreiskarte zu ermöglichen,
elektrische Stromversorgung ein- und auszuschalten.
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Die
Druckschrift WO 00/27685 bildet den Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die
Japanische Patentveröffentlichung
Nr. 10-126963 beschreibt den Aufbau eines derartigen Energieverteilers,
bei dem eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen oder Chips auf
einer Steuerschaltkreiskarte angeordnet ist, Strom ein/aus-Steueranschlüsse oder
Steuersignaleingangsanschlüsse der
Halbleiterschaltelemente mit einem Steuerschaltkreis der Schaltkreiskarte
verbunden sind, Eingangsanschlüsse
an einer geeigneten Stelle der jeweiligen Halbleiterschaltelemente
angeordnet sind, um elektrischen Strom zu liefern und mit einer
Energiequelle über
einen gemeinsamen Eingangsanschluss in Verbindung stehen, der mit
der Energiequelle in Verbindung steht, wobei Ausgangsanschlüsse, die
an einer geeigneten Position der jeweiligen Halbleiterschaltelemente
angeordnet sind, um Energie auszugeben, mit jeweiligen elektrischen
Lasteinheiten über
Ausgangsanschlüsse
verbunden sind, die mit der Energiequelle verbunden sind.
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Bei
der Anordnung gemäß der obigen
Veröffentlichung
sind die Halbleiterschaltelemente auf der Steuerschaltkreiskarte
angeordnet. Diese Anordnung macht es schwierig, Wärme von
den Halbleiterschaltelementen abzuführen, d. h., die Halbleiterschaltelemente
zu kühlen.
Schlimmstenfalls ist es sehr wahrscheinlich, dass andere Schaltkreiselemente
auf der gleichen Steuerschaltkreiskarte schädlichen Einflüssen der
sich erhitzenden Halbleiterschaltelemente ausgesetzt sind. Insbesondere
bei einem elektrischen Energieverteiler, bei dem Halbleiterschaltelemente
auf einem Energieversorgungsschaltkreis angeordnet sind, der eine
Energiequelle und elektrische Lasteinheiten verbündet, kann erwartet werden,
dass eine große
Wärmemenge
von den Halbleiterschaltelementen erzeugt wird. Die Anordnung solcher
Halbleiterschaltelemente auf einer Steuerschaltkreiskarte ohne irgendwelche
Gegenmaßnahmen
ist gemäß obigen
Darlegungen nicht wünschenswert.
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Als
Mittel zur Beseitigung des obigen Nachteils wurde eine Anordnung
vorgeschlagen, wie sie in beispielsweise der japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 10-150283 beschrieben ist. Diese Veröffentlichung beschreibt, dass
jedes Halbleiterschaltelement entfernt von einer Steuerschaltkreiskarte
in einem Gehäuse
angeordnet ist und dass die Halbleiterschaltelemente und die Steuerschaltkreiskarte elektrisch
durch Verbindungsmittel verbunden sind. Jedes Halbleiterschaltelement
ist mit einem metallischen Wärmeabführteil verbunden,
das an einer äußeren Oberfläche des
Gehäuses
derart angeordnet ist, dass Wärme
von den Halbleiterschaltelementen auf das Wärmeabführbauteil übertragbar ist, so dass die
Wärme des
Halbleiterschaltelementes zu einer Außenseite des Gehäuses abgeführt wird.
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Die
obige Anordnung ist jedoch nicht in der Lage, den Anstieg einer
Umgebungstemperatur in dem Gehäuse
effektiv zu unterdrücken,
wenn die Luft im Inneren des Gehäuses
sich aufgrund der sich erhitzenden Halbleiterschaltelemente erwärmt, obgleich
die Anordnung wirksam dahingehend ist, die Temperatur der Halbleiterschaltelemente
selbst durch das Wärmeabführteil um
einen bestimmten Betrag zu senken. Insbesondere sind bei einem elektrischen
Energieverteiler zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug die Teile
versiegelt in dem Gehäuse aufgenommen,
um das Eindringen von Regenwasser oder dergleichen zu verhindern.
Somit wird Wärme im
Inneren des Gehäuses
nicht ohne Weiteres nach außen
hin abgeführt,
sobald sich Wärme
in dem Gehäuse
gebildet hat. Es ist sehr wahrscheinlich, dass ein Anstieg einer
Umgebungstemperatur in dem Gehäuse
die Leistung anderer elektronischer Bauteile in dem Gehäuse nachteilig
beeinflussen kann, insbesondere Vorrichtungen mit geringer Wärmebeständigkeit.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen
Energieverteiler zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug zu schaffen,
der frei von den Problemen ist, die sich im Stand der Technik ergeben.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen
Energieverteiler zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug zu schaffen,
der die Unterdrückung
eines Anstiegs der Umgebungstemperatur in einem Gehäuse mit
vereinfachtem Aufbau ermöglicht,
wobei aktive Halbleiterelemente gekühlt werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein elektrischer Energieverteiler,
der in einem Kraftfahrzeug anordenbar ist, um elektrische Energie
von einer Energiequelle, welche in dem Kraftfahrzeug eingebaut ist,
an eine Mehrzahl von elektrischen Lasteinheiten zu verteilen, mit
denen das Fahrzeug ausgestattet ist, auf: eine Mehrzahl von Halbleiterbetriebselementen,
welche in einem Energieversorgungsschaltkreis von der Energiequelle
zu den elektrischen Lasteinheiten enthalten sind; eine Steuerschaltkreiskarte,
welche einen Steuerschaltkreis für
einen Steuerbetrieb der Halbleiterbetriebselemente enthält; ein
Gehäuse
zum Aufnehmen der Halbleiterbetriebselemente und der Steuerschaltkreiskarte;
und ein Wärmeabführbauteil,
welches an einer Außenseite
des Gehäuses
angeordnet ist, um Wärme
von einer Innenseite des Gehäuses
zu einer Außenseite
des Gehäuses
abzuführen.
Die Steuerschaltkreiskarte ist über
den Halbbetriebselementen angeordnet und mit einer Wärmeübertragungsschicht
an einer Oberfläche
der Steuerschaltkreiskarte ausgebildet, welche den Halbleiterbetriebselementen
entgegenweist. Die Wärmeübertragungsschicht
und das Wärmeabführteil sind
miteinander über
ein Wärmeübertragungsteil
verbunden.
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Diese
und weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich besser beim Lesen der folgenden detaillierten
Beschreibung in Zusammenschau mit der beigefügten Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1 den
Schaltkreisaufbau eines elektrischen Energieverteilers gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung;
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2 eine
Draufsicht auf einen elektrischen Energieverteiler in einem Zustand,
in welchem ein Gehäuse
des elektrischen Energieverteilers weggelassen ist;
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3 eine
auseinandergezogene perspektivische Darstellung des elektrischen
Energieverteilers; und
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4 eine
Seitenschnittdarstellung des elektrischen Energieverteilers.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben. Zunächst
wird der Schaltkreisaufbau eines elektrischen Energieverteilers
zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform
dieser Erfindung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
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Der
Energieverteiler weist einen Eingangsanschluss 10, der
mit einer Batterie des Kraftfahrzeugs verbunden ist und eine Anzahl
von Ausgangsanschlüssen 12 (in 1 vier
Ausgangsanschlüsse) auf.
Halbleiterschaltelemente oder Halbleiterbetriebselemente 14 (in 1 Leistungs-MOSFETs,
nachfolgend einfach als FETs bezeichnet) liegen zwischen jedem der
entsprechenden Ausgangsanschlüsse 12 und
dem Eingangsanschluss 10. Insbesondere ist eine Drain D
eines jeden FET 14, welche als Eingangsanschluss dient,
mit dem Eingangsanschluss 10 verbunden und eine Source
F hiervon, die als Ausgangsanschluss dient, ist mit einem entsprechenden
der Ausgangsanschlüsse 12 verbunden.
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Ein
Gate G eines jeden FET 14 ist mit einem Steuerschaltkreis
auf einer Steuerschaltkreiskarte 18 verbunden. In dieser
Ausführungsform
wird eine Leistungsspannung zur Anlegung an den Eingangsanschluss 10 und
eine Sourcespannung für
jeden FET 14 in den Steuerschaltkreis eingegeben.
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Bei
Empfang von Betriebssignalen (Schaltbefehlssignalen) über Anschlüsse 16 der
Steuerschaltkreiskarte 18 (nachfolgend als "Kartenanschluss 16" bezeichnet),
gibt der Steuerschaltkreis der Steuerschaltkreiskarte 18 ein
Steuersignal an das Gate G eines jeden FET 14 durch einen
Steueranschluss 17 aus, so dass die elektrische Stromversorgung
durch die FETs 14 gesteuert wird. Weiterhin berechnet der
Steuerschaltkreis einen in dem Ziel-FET 14 fließenden Strom
basierend auf einer Potentialdifferenz zwischen der Energiequellenspannung
und einer Sourcespannung des FET 14 und schaltet den FET 14 aus,
wenn bestimmt wird, dass der im FET 14 fließende Strom
einen erlaubbaren Bereich übersteigt.
Gleichzeitig gibt der Steuerschaltkreis ein Warnsignal an eine nicht
dargestellte Anzeigevorrichtung über
einen Kartenanschluss 16 aus.
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Es
sei festzuhalten, dass der Aufbau des Steuerschaltkreises, der in
die Steuerschaltkreiskarte einzusetzen ist, nicht auf obigem Aufbau
beschränkt
ist.
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Nachfolgend
wird ein Beispiel eines Aufbaus des elektrischen Energieverteilers
gemäß dieser Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 beschrieben.
Wie in 2 gezeigt, haben der Eingangsanschluss 10 und
die Ausgangsanschlüsse 12 jeweils
im Wesentlichen Streifenform und sind in einer Linie in vertikaler
Richtung in 2 aneinandergereiht und erstrecken
sich in die gleiche Richtung (in 2 nach rechts).
Weiterhin sind die streifenartigen Steueranschlüsse 17 jeweils im
Wesentlichen in gleicher Richtung wie die Ausgangsanschlüsse 12 verlaufend
angeordnet. Die Steueranschlüsse 17 und
die Ausgangsanschlüsse 12 sind abwechselnd
angeordnet. Der Eingangsanschluss 10 liegt außerhalb
der Gruppe der Steueranschlüsse 17 und
der Ausgangsanschlüsse 12 (untere
Seite in 2).
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Der
Energieverteiler enthält
ein Drainverbindungsteil oder eine leitfähige Platte 20, die
sich in der Aneinanderreihungsrichtung der Anschlüsse 10, 12 und 17 an
der Rückseite
hiervon (linke Seite in 2) erstreckt. Das Drainverbindungsteil 20 und der
Eingangsanschluss 10 sind aus einer einzelnen Metallplatte.
Insbesondere sind der Eingangsanschluss 10, die Ausgangsanschlüsse 12 und
die Steueranschlüsse 17 in
Erstreckungsrichtung des Drainverbindungsteils 20 in einem
Zustand aufgereiht, in welchem die Anschlüsse 10, 12 und 17 sich jeweils
von einem rechten Seitenabschnitt des Drainverbindungsteils 20 in 2 erstrecken.
Das Drainverbindungsteil 20 und der Eingangsanschluss 10 sind
einstückig.
Die FETs 14 sind in Erstreckungsrichtung des Drainverbindungsteils 20 aneinander gereiht,
insbesondere in der Aneinanderreihungsrichtung der Anschlüsse 10, 12 und 17 und
sind auf dem Drainverbindungsteil 20 angeordnet.
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Mit 14g (s. 4)
ist ein Drainkontakt der Drain D eines jeden FET 14 bezeichnet.
Der Drainkontakt 14d dient als Eingangskontakt und liegt
gemäß 4 auf
der rückseitigen
Oberfläche
eines Hauptkörpers
des FET 14 frei. Mit 14s ist ein Sourcekontakt
der Source S des FET 14 bezeichnet und mit 14g ist
ein Gatekontakt des Gate G des FET 14 bezeichnet. Der Sourcekontakt 14s dient
als Ausgangskontakt und der Gatekontakt 14g dient als Kontakt zur
Steuerung der Stromversorgung. Wie in 2 gezeigt
stehen der Sourcekontakt 14s und der Gatekontakt 14g von
der gleichen Seite (rechte Seite in 2) des Hauptkörpers des
FET 14 vor. Die FETs 14 sind auf dem Drainverbindungsteil 20 mit
der gleichen Anordnung und dem gleichen Abstand wie die Anordnung
und der Abstand der Ausgangsanschlüsse 12 und der Steueranschlüsse 17 aufgereiht.
Die FETs 14 sind auf dem Drainverbindungsteil 20 durch eine
Kontaktverbindung (z. B. Löten)
oder ein Äquivalent
derart angeordnet, dass die Drainkontakte 14d der FETs 14 in
direktem Kontakt mit dem Drainverbindungsteil 20 sind.
Die Sourcekontakte 14s und die Gatekontakte 14g der
FETs 14 sind elektrisch mit den rückwärtigen Enden der entsprechenden
Ausgangsanschlüsse 12 bzw.
Steueranschlüsse 17 durch
Kontaktverbindungsmittel, beispielsweise Löten verbunden.
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Der
Energieverteiler gemäß dieser
Ausführungsform
kann beispielsweise durch den folgenden Vorgang hergestellt werden.
Insbesondere wird eine metallische Platte in eine Form mit den Anschlüssen 10, 12 und 17 und
dem verbundenen Drainverbindungsteil 20 mit kleinen Verbindungsstellen
untereinander gestanzt. Nach Anordnen der gestanzten metallischen
Platte in einer Form wird ein Kunstharz in die Form eingebracht,
um einen Harzverguss zu erhalten. Nach Ausbildung des Harzvergusses
werden die Verbindungen unterbrochen, um ein Gehäuse mit metallischen Platten
herzustellen. Dieses Gehäuses ist
als Gehäuse 22 des
elektrischen Energieverteilers verwendbar.
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Wie
in 2 gezeigt, ist das Gehäuse 22 mit einer Öffnung 22a ausgebildet,
durch welche eine Bedienungsperson auf das Drainverbindungsteil 20 zugreifen
kann und mit einer Öffnung 22b,
durch welche die Bedienungsperson auf Zwischenteile zwischen den
Ausgangsanschlüssen 12 und
den Steueranschlüssen 17 zugreifen
kann. Die Bedienungsperson kann die Verbindungen in der metallischen Platte
durch die Öffnungen 22a und 22b entfernen und
kann auch die FETs 14 in einem oberen Raum oberhalb des
Drainverbindungsteils 20 durch die Öffnung 22a anordnen.
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Wie
in 4 gezeigt, stehen ein Teil des Eingangsanschlusses 10 und
des Ausgangsanschlusses 12 durch eine Seitenwand des Gehäuses 22 horizontal
hiervon nach außen
vor. Jeder der Steueranschlüsse 17 ist
in eine L-Form derart gebogen, dass ein oberer hälftiger Abschnitt hiervon nach
oben gerichtet ist.
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Ein
Wärmeabführteil 24 ist über der
gesamten rückseitigen
Oberfläche
des Gehäuses 22 verlaufend
angeordnet. Das Wärmeabführteil 24 ist
aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit oder hoher spezifischer
Wärmekapazität, beispielsweise einer
Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung. Eine Anzahl von Rippen 25 erstreckt
sich parallel zueinander und ist einstückig an einer rückseitigen Oberfläche des
Wärmeabführteils 24 ausgebildet,
d. h. an einer Oberfläche,
welche zur Außenseite
des Energieverteilers weist.
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Das
Wärmeabführteil 24 enthält einen
Blockabschnitt 26, der sich in gleiche Richtung wie die Aneinanderreihungsrichtung
der FETs 14 erstreckt und an einer oberen Oberfläche des
Wärmeabführteils
nach oben vorsteht. Das Drainverbindungsteil 20 ist auf
dem Blockabschnitt 26 so angeordnet, dass die rückseitige
Oberfläche
des Drainverbindungsteils 20 elektrisch von einer oberen
Oberfläche
des Blockabschnitts 26 mittels einer isolierenden Schicht 28 aus
Silikon oder dergleichen isoliert, jedoch in einem wärmeübertragbaren
Zustand ist.
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Die
Anschlüsse 10, 12, 17 und
die FETs 14 müssen
nicht notwendigerweise in einer gleichen Ebene liegen. Alternativ
können
diese Bauteile vertikal stufenweise und Gruppe für Gruppe angeordnet sein. Die
Anordnung dieser Bauteile im Wesentlichen in einer Ebene ermöglicht es
jedoch, den Energieverteiler mit geringer Größe zu bauen. Weiterhin ermöglicht der
integrale Zusammenbau dieser Bauteile mit dem Harzverguss es, einen
Energieverteiler mit einfachem Aufbau und einfacher Handhabung herzustellen.
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Eine
Anzahl von Kartenanschlüssen 16 bestehend
aus oberen Kartenanschlüssen 16A und
unteren Kartenanschlüssen 16B ist
an einem Seitenabschnitt des Eingangsanschlusses 10 und
der Ausgangsanschlüsse 12 so
angeordnet, dass die oberen Kartenanschlüsse 16A und die unteren
Kartenanschlüsse 16B vertikal
voneinander beabstandet sind, um die Steuerschaltkreiskarte 18 mit
einem externen Schaltkreis oder einem Schaltkreis außerhalb
des Energieverteilers zu verbinden. Die oberen und unteren Kartenanschlüsse 16A und 16B sind
zusammen mit dem Gehäuse 22 einstückig vergossen.
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Jeder
der oberen (unteren) Kartenanschlüsse 16A (16B)
wird erhalten durch Biegen eines Zwischenabschnittes eines metallischen
Stiftes im Wesentlichen im rechten Winkel. Wie in 4 gezeigt, enthält jeder
Kartenanschluss 16A (16B) einen horizontalen Abschnitt 16h und
einen vertikalen Abschnitt 16v. Der horizontale Abschnitt 16h und
der vertikale Abschnitt 16v sind einstückig in Seitenansicht L-förmig. Der
horizontale Abschnitt 16h und der vertikale Abschnitt 16v sind
in das Gehäuse
so eingegossen, dass der horizontale Abschnitt 16h horizontal
in seitlicher Richtung durch die Seitenwand des Gehäuses vorsteht
und dass der vertikale Abschnitt 16v nach oben durch eine
obere Wand des Gehäuses
vorsteht.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt, ist das Gehäuse 22 einstückig mit
einem Eingangsanschlussaufnahmeabschnitt 40, einem Ausgangsanschlussaufnahmeabschnitt 42 und
einem Kartenaufnahmeabschnitt 46 an einem äußeren Abschnitt
einer Seitenwand des Gehäuses 22 ausgebildet.
Der Eingangsanschlussaufnahmeabschnitt 40 nimmt den vorstehenden
Abschnitt des Eingangsanschlusses 10 auf, der Ausgangsanschlussaufnahmeabschnitt 42 nimmt
die vorstehenden Abschnitte aller Ausgangsanschlüsse 12 auf und der
Kartenanschlussaufnahmeabschnitt 46 nimmt die vorstehenden
Abschnitte der horizontalen Abschnitte 16h aller Kartenanschlüsse 16 auf.
Die Verbindung eines Gehäuses eines
Verbinders eines Kabelbaums zum Anschluss an eine Energiequelle
eines Kraftfahrzeugs mit dem Eingangsanschlussgehäuseabschnitt 40 ermöglicht die
Verbindung des Eingangsanschlusses 10 mit der Energiequelle über den
energiequellenseitigen Kabelbaum. Auf ähnliche Weise ermöglicht die
Verbindung eines Gehäuses
eines Verbinders eines Kabelbaums zur Verbindung mit elektrischen
Lasteinheiten des Kraftfahrzeuges mit dem Ausgangsanschlussaufnahmeabschnitt 42 die
Verbindung der Ausgangsanschlüsse 12 zu
den jeweiligen elektrischen Lasteinheiten über den lastseitigen Kabelbaum.
Auf ähnliche
Weise ermöglicht
die Verbindung des Gehäuses
eines Verbinders eines Kabelbaums zum Anschluss mit der Steuerschaltkreiskarte 18 mit
dem Kartenanschlussverbindergehäuseabschnitt 46 die Verbindung
der Kartenanschlüsse 16 mit
einem externen Schaltkreis oder einem Schaltkreis zur Ausgab eines
Befehlssignals an die Steuerschaltkreiskarte 18 und eines
Schaltkreises zum Empfang eines Warnsignals von der Steuerschaltkreiskarte 18 zur Darstellung
einer Warnung auf einer Anzeigevorrichtung über den kartenseitigen Kabelbaum.
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Genauer
gesagt, der vorstehende Abschnitt des Eingangsanschlusses 10,
die vorstehenden Abschnitte der Ausgangsanschlüsse 12 und die vorstehenden
Abschnitte der horizontalen Abschnitte 16h der Kartenanschlüsse 16,
welche zur Außenseite
des Gehäuses 22 vorstehen,
bilden einen Verbinder für einen
Eingang, einen Verbinder für
einen Ausgang und einen Verbinder für die Steuerschaltkreiskarte 18.
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Die
Steuerschaltkreiskarte 18 ist fest an dem Gehäuse 22 so
angeordnet, dass die Steuerschaltkreiskarte 18 oberhalb
der FETs 14 und im Wesentlichen parallel zu der Ebene liegt,
in der die FETs 14 angeordnet sind (in 4 ein
im Wesentlichen horizontaler Zustand). Genauer gesagt, die Steuerschaltkreiskarte 18 ist
in einer derartigen Position angeordnet, dass sie die FETs 14 von
oben her um einen bestimmten Betrag beabstandet hiervon entfernt
in 4 abdeckt, nämlich
auf einer Seite des Gehäuses 22 gegenüber der
Seite, wo das Wärmeabführteil 24 angeordnet
ist. Die Steuerschaltkreiskarte 18 und das Wärmeabführteil 24 sind
im Wesentlichen parallel zu der Ebene angeordnet, in der die FETs 14 liegen.
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Die
Steuerschaltkreiskarte 18 ist mit einer Anzahl von Durchgansöffnungen 18h in
ihrer Dickenrichtung versehen. Die Kartenanschlüsse 16 sind elektrisch
mit dem Steuerschaltkreis auf der Steuerschaltkreiskarte 18 durch
Verschweißungsmittel
wie Löten
befestigt und sind fest hieran angebracht, in dem die vertikalen
Abschnitte 16v der Kartenanschlüsse 16 und der Steueranschlüsse 17 in
die Durchgangsöffnungen 18h eingeführt werden.
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Es
sei festzuhalten, dass in 2 die Anschlüsse zur
Verbindung des Eingangsanschlusses 10 und der Ausgangsanschlüsse 12 mit
der Steuerschaltkreiskarte 18 nicht gezeigt sind.
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Nachfolgend
wird ein Aufbau, wie die Steuerschaltkreiskarte 18 fest
an dem Gehäuse 22 angebracht
wird, unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Zunächst
wird eine Anzahl von Kartentragstiften 22d vorgesehen,
welche sich von einer Bodenwand des Gehäuses 22 aus nach oben
erstrecken, Bolzeneinführöffnungen 22h sind
in dem Gehäuse 22 ausgebildet
und haben eine Länge,
welche im Wesentlichen die volle Länge des Kartentragstiftes 22d abdecken
und erstrecken sich in die Bodenwand des Gehäuses 22. Bolzeneinführöffnungen 18h sind
in der Steuerschaltkreiskarte 18 an Positionen entsprechend
dem Bolzeneinführöffnungen 22h ausgebildet. Gewindeöffnungen 24a,
welche sich nach oben öffnen,
sind in dem Wärmeabführbauteil 24 an
Positionen entsprechend der Bolzeneinführöffnungen 22h ausgebildet.
Durch passendes Einfügen
eines metallischen Bolzens (Wärmeübertragungsteils) 30 in
jede Bolzeneinführöffnung 18h der
Steuerschaltkreiskarte 18 und durch die entsprechende Bolzeneinführöffnung 22h des
Gehäuses 22 und
durch Einschrauben des metallischen Bolzens 30 in eine
entsprechende Gewindeöffnung 24a des
Wärmeabführteils 24 ermöglicht,
dass die Steuerschaltkreiskarte 18 in dem Gehäuse 22 in
einer im Wesentlichen horizontalen Lage fest angeordnet wird, wobei
sie von den Kartentragstiften 22d getragen wird. Somit
ist zwischen der unteren Oberfläche
der Steuerschaltkreiskarte 18 und den FETs 14 ein
gewisser Freiraum sichergestellt.
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Weiterhin
hat der elektrische Energieverteiler gemäß dieser Ausführungsform
das Merkmal, dass eine Wärmeübertragungsschicht 19 aus
einem Material mit hoher Wärmeübertragungsrate,
beispielsweise eine platierte Schicht im Wesentlichen über die
Gesamtheit der unteren Oberfläche
der Steuerschaltkreiskarte 18 ausgebildet ist, insbesondere
auf der Seite der Steuerschaltkreiskarte 18 gegenüber den
FETs 14. Die Wärmeübertragungsschicht 19 enthält eine
innere seitliche Verlängerung 19a,
die an einer inneren Oberfläche
der Bolzeneinführöffnung 18a angebracht
ist und eine obere Umfangsverlängerung 19b,
die an einem oberen Umfangsende der Bolzeneinführöffnung 18a angebracht ist.
Die obere Umfangsverlängerung 19b,
die an dem oberen Umfangsende der Bolzeneinführöffnung 18a angebracht
ist. Die obere Umfangsverlängerung 19b der
Wärmeübertragungsschicht 19 ist
in Kontakt mit einer Bodenfläche
eines Kopfabschnittes 32 des Bolzens 30.
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Eine
obere Öffnung
des Gehäuses 22 ist
mit einem Abdeckteil 23 abgedeckt. Das Abdeckteil 23 verschließt abdichtend
die Teile innerhalb des Gehäuses 22.
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Nachfolgend
wird die Arbeitsweise des elektrischen Energieverteilers gemäß dieser
Ausführungsform
beschrieben. Eine elektrische Leistung von einer Batterie (nicht
gezeigt) in einem Kraftfahrzeug mit dem Eingangsanschluss 10 über den
energieseitigen Kabelbaum zugeführt
und an die Drainkontakte 14d der FETs 14 verteilt.
Von den an die Drainkontakte 14d der FETs 14 verteilten
elektrischen Strömen
wird ein elektrischer Strom, der dem Drainkontakt 14d des
FET 14 in einem EIN-Zustand eingegeben wurde, der entsprechenden
Lasteinheit über
den entsprechenden Ausgangsanschluss 12 und den lastseitigen
Kabelbaum zugeführt.
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Gleichzeitig
wird ein Betriebssignal (z. B. ein Schaltbefehlssignal), das von
dem externen Schaltkreis übertragen
wird, dem Steuerschaltkreis auf der Steuerschaltkreiskarte 18 über dem
kartenseitigen Kabelbaum und den entsprechenden Kartenanschluss 16 eingegeben.
Bei Empfang des Betriebssignals gibt der Steuerschaltkreis ein Steuersignal
an den Gatekontakt 14g eines jeden FET 14 mittels
des entsprechenden Steueranschlusses 17 aus, um EIN/AUS
der elektrischen Stromversorgung zwischen dem Drainkontakt 14d und
dem Sourcekontakt 14s des FET 14 zu steuern, der
das Steuersignal empfangen hat. Beim Umschalten des FET 14 vom Zustand
EIN in den Zustand AUS wird eine Stromversorgung an den Ausgangsanschluss 12,
der mit dem Sourcekontakt 14s des FET 14 in dem
AUS-Zustand verbunden ist, beendet.
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Ein
elektrischer Strom eines gewissen Potentials am Eingangsanschluss 10 und
den Ausgangsanschlüssen 12 wird
dem Steuerschaltkreis zugeführt.
Bei Empfang der elektrischen Ströme
berechnet der Steuerschaltkreis einen durch jeden FET 14 fließenden Stromwert
basierend auf einer Potentialdifferenz zwischen dem Eingangsanschluss 10 und dem
entsprechenden Ausgangsanschluss 12. Wenn beurteilt wird,
dass der Stromwert einen gewissen Wert übersteigt, beendet der Steuerschaltkreis
die Stromzufuhr zu dem FET 14, an dem die Überstromversorgung
erkannt wurde.
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Das
Ein- und Ausschalten der FETs (Halbleiterschaltelemente) 14 bewirkt
eine merkliche Hitzeerzeugung. Da jedoch bei dem elektrischen Energieverteiler
gemäß dieser
Ausführungsform
die FETs 14 unabhängig
entfernt von der Steuerschaltkreiskarte 18 angeordnet sind,
hält die
Anordnung im elektrischen Energieverteiler die von den FETs 14 erzeugte Wärme davon
ab, die anderen Schaltkreiselemente auf der Steuerschaltkreiskarte 18 negativ
zu beeinflussen. Weiterhin kann die Wärme der FETs 14 auf das
Wärmeübertragungsteil 24 mittels
des Drainanschlussteils 20 und der Isolierenden Schicht 28 übertragen
werden, um die Wärme über das
Wärmeabführteil 24 zur
Außenseite
des Gehäuses 22 abzuführen. Somit
erlaubt diese Anordnung ein wirksames Kühlen der FETs 14.
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Es
gibt jedoch den Fall, dass eine derartige Anordnung zu einer Konfektionserwärmung der
Luft oberhalb der FETs 14 aufgrund einer Erwärmung der FETs 14 innerhalb
des Gehäuses 22 führen kann. Um
dies zu verhindern, ist der elektrische Energieverteiler gemäß dieser
Ausführungsform
so aufgebaut, dass die Wärmeübertragungsschicht 19 auf
der rückseitigen
Oberfläche
der Steuerschaltkreiskarte 18 eine derartige Fläche aufweist,
dass im Wesentlichen alle FETs 14 abgedeckt sind und die
Wärme der Wärmeübertragungsschicht 19 durch
den metallischen Bolzen 30 zum Befestigen der Steuerschaltkreiskarte 18 am
Gehäuse 22 auf
das Wärmeabführteil 24 übertragbar
ist. Diese Anordnung erlaubt, dass die Wärme der Luft innerhalb des
Gehäuses 22 gesammelt
wird und die Wärme
zur Außenseite
des Gehäuses 22 über den
Bolzen 30 und das Wärmeabführteil 24 abgeführt wird.
Diese Anordnung ermöglicht,
dass ein Anstieg der Temperatur im Gehäuse 22 unterdrückt wird
und die Leistungsfähigkeit
der anderen elektronischen Vorrichtungen oder Elemente nicht von
dem sich ergebenden Temperaturanstieg nachteilig beeinflusst wird.
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Mit
anderen Worten, der elektrische Energieverteiler gemäß dieser
Ausführungsform
ist in der Lage, einen Anstieg der Temperatur im Gehäuse 22 mit vereinfachtem
Aufbau wirksam zu unterdrücken,
in dem die Steuerschaltkreiskarte 18 verwendet wird, die
für die
EIN/AUS-Steuerung der FET 14 vorgesehen ist.
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Diese
Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform begrenzt und die
folgenden Modifikationen und Abwandlungen können bei dieser Erfindung gemacht
werden, solange diese Modifikationen und Abwandlungen nicht vom
Wesen der Erfindung abweichen.
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Das
in dieser Erfindung verwendete Halbleiterschaltelement hält zusätzlich zu
einem Leistungs-MOSFET eine Vielzahl von Arten von Halbleiterelementen
mit einer Schaltfunktion, beispielsweise andere Transistortypen
einschließlich
bipolarer Transistoren mit isolierten Gates (IGBTs) und bipolare Transistoren
und verschiedene Arten von Thyristoren einschließlich Gate-Turn-Off-Thyristoren
(GTO), jeweils abhängig
von den Spezifikationsanforderungen eines Kraftfahrzeugs, in welchem
der Energieverteiler verwendet wird. Ein solches Halbleiterschaltelement
ist nicht auf eine verpackte Vorrichtung beschränkt. Beispielsweise kann ein
Halbleiterchip direkt auf einem Substrat angeordnet werden. Wie
das Halbleiterschaltelement mit jedem Anschluss angebondet wird,
ist nicht besonders beschränkt.
Beispielsweise kann ein Draht an einer geeigneten Position verwendet
werden, um das Halbleiterschaltelement und jeden Anschluss zu verbinden.
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Gemäß der Erfindung
sind Anzahl und Anordnung der Halbleiterschaltelemente und der Ausgangsanschlüsse optimal
abhängig
von der Anordnungsposition und der Anzahl elektrischer Geräte in einem
Kraftfahrzeug auswechselbar.
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In
der voranstehenden Ausführungsform wird
ein Bolzen zur Befestigung der Steuerschaltkreiskarte an dem Gehäuse als
Wärmeübertragungsbauteil
verwendet, um die Wärmeübertragungsschicht 19 und
das Wärmeabführbauteil 24 in
einen Wärmeübertragungszustand
zu versetzen. Alternativ kann ein separates Wärmeübertragungsbauteil zusätzlich zu
dem Bolzen verwendet werden.
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Es
ist nicht notwendig, die Wärmeübertragungsschicht 19 über die
Gesamtheit der Oberfläche der
Steuerschaltkreiskarte 18 auszubilden. Beispielsweise in
einem Fall, wo FETs 14 zentral angeordnet sind, kann eine
Wärmeübertragungsschicht örtlich in der
Nähe der
FETs 14 ausgebildet werden. Alternativ kann ein Teil einer
Unterseite der Wärmeübertragungsschicht 19 in
direktem Kontakt mit dem Bolzen 30 sein, anstatt die Anordnung
von 4 zu wählen, bei
der die Wärmeübertragungsschicht 19 die
innere Umfangsoberfläche
der Bolzeneinführöffnung 19a und
das obere Umfangsende hiervon (d. h. die Kontaktoberfläche mit
dem Bolzenkopfabschnitt 32) bedeckt.
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Wie
oben beschrieben ist ein elektrischer Energieverteiler in einem
Kraftfahrzeug anordenbar und dafür
ausgelegt, Energie von einer im Kraftfahrzeug eingebauten Energiequelle
an eine Mehrzahl von elektrischen Lasteinheiten zu verteilen, mit
denen das Fahrzeug ausgestattet ist. Der elektrische Energieverteiler
weist auf: eine Mehrzahl von Halbleiterbetriebselementen, welche
in einem Energieversorgungsschaltkreis von der Energiequelle zu
den elektrischen Lasteinheiten enthalten sind; eine Steuerschaltkreiskarte,
welche einen Steuerschaltkreis für einen
Steuerbetrieb der Halbleiterbetriebselemente enthält; ein
Gehäuse
zum Einschließen
der Halbleiterbetriebselemente und der Steuerschaltkreiskarte; und
ein Wärmeabführbauteil,
welches an einer äußeren Oberfläche des
Gehäuses
angeordnet ist, um Wärme
zur Außenseite
des Gehäuses
abzuführen. Die
Steuerschaltkreiskarte ist über
den Halbleiterschaltelementen angeordnet und mit einer Wärmeübertragungsschicht
auf der Oberfläche
der Steuerschaltkreiskarte ausgebildet, welche zu den Halbleiterbetriebselementen
weist. Die Wärmeübertragungsschicht
und das Wärmeabführbauteil
sind durch ein Wärmeübertragungsteil
verbunden. Es kann auch vorteilhaft sein, die Steuerschaltkreiskarte und
das Wärmeabführteil auf
entgegengesetzten Seiten der jeweiligen Halbleiterbetriebselemente
anzuordnen.
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Mit
dieser Anordnung ermöglicht
die unabhängige
Anordnung der Halbleiterschaltelemente und der Steuerschaltkreiskarte
voneinander entfernt, dass von den Halbleiterschaltelementen erzeugte Wärme effektiv
zur Außenseite
des Gehäuses
durch das Wärmeabführteil abgeführt wird,
welches an der äußeren Oberfläche des
Gehäuses
liegt, so dass ein Temperaturanstieg der Steuerschaltkreiskarte
selbst unterdrückt
wird.
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Bei
der obigen Anordnung ist die Steuerschaltkreiskarte derart angeordnet,
dass sie über
den Halbleiterschaltelementen von der Seite gegenüber der
Anordnungsseite des Wärmeabführteils
her angeordnet ist und die Wärmeübertragungsschicht
ist auf der Oberfläche
der Steuerschaltkreiskarte gegenüber
den Halbleiterschaltelementen ausgebildet. Somit wird Wärme in der
Luft innerhalb des Raums, der von der Steuerschaltkreiskarte und
den Halbleiterschaltelementen gebildet wird, durch die Wärmeübertragungsmittel
bestehend aus der Wärmeübertragungsschicht
und dem Wärmeübertragungsbauteil auf
das Wärmeübertragungsbauteil übertragen
und zur Außenseite
des Gehäuses
abgeführt.
Mit anderen Worten, diese Anordnung ermöglicht es, einen Temperaturanstieg
der Temperatur innerhalb des Gehäuses
aufgrund einer Wärmeerzeugung
in den Halbleiterschaltelementen mit einem vereinfachten Aufbau
unter Verwendung der Steuerschaltkreiskarte in dem Gehäuse zu unterdrücken.
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Die
Wärmeübertragungsschicht
und das Wärmeübertragungsteil
können
aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit und nicht aus einem
Material (üblicherweise
ein Kunstharz) sein, welches das Gehäuse und den Schaltkreiskartenhauptkörper bildet.
Bevorzugt ist ein Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit
wie Aluminium und Kupfer geeignet.
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Die
Lage der Halbleiterschaltelemente, des Wärmeabführteils und der Steuerschaltkreiskarte
ist nicht beschränkt.
Jedoch ist es bevorzugt, die Halbleiterschaltelemente im Wesentlichen
auf der gleichen Ebene anzuordnen und das Wärmeabführteil und die Steuerschaltkreiskarte
im Wesentlichen parallel zu dieser Ebene anzuordnen. Mit dieser
Anordnung ist es möglich,
dass das Wärmeabführteil die Halbleiterschaltelemente
gleichförmig
und wirksam kühlt.
Weiterhin ermöglicht
diese Anordnung die Sammlung von Wärme in dem Gehäuse mittels
der Wärmeübertragungsschicht
auf der Steuerschaltkreiskarte.
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Bevorzugt
kann das Wärmeübertragungsteil unabhängig von
den anderen Teilen angeordnet sein. Jedoch ist es möglich, ein
metallisches Bolzenbauteil zur festen Anordnung der Steuerschaltkreiskarte
in dem Gehäuse
als ein derartiges Wärmeübertragungsbauteil
zu verwenden. Diese Anordnung ermöglicht es, den Aufbau des Energieverteilers
zu vereinfachen. In diesem Fall wird das Bolzenbauteil in Kontakt
mit der Wärmeübertragungsschicht
und dem Wärmeabführteil gebracht.
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Das
Bolzenteil wird durch eine Bolzeneinführöffnung geführt, welche in der Steuerschaltkreiskarte
ausgebildet ist und durch das Gehäuse, um das Wärmeabführbauteil
zu verbinden. Diese Anordnung erlaubt, dass das Bolzenbauteil als
Wärmeübertragungsmittel
dient, um wirksame Wärme
in der Wärmeübertragungsschicht
auf der Steuerschaltkreiskarte auf das Wärmeabführbauteil zu übertragen,
dass auf der gegenüberliegenden
Seite der Steuerschaltkreiskarte bezüglich der Bodenwand des Gehäuses liegt,
wobei die Steuerschaltkreiskarte in dem Gehäuse durch das Bolzenbauteil
festgelegt ist.
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In
dem obigen Fall ermöglicht
eine Anordnung, bei der die Wärmeübertragungsschicht
der Steuerschaltkreiskarte eine Verlängerung enthält, die an
einer inneren Oberfläche
der Bolzeneinführöffnung und
einer Bodenfläche
des Kopfabschnittes des Bolzenbauteils angebracht ist, die Wärme in der Wärmeübertragungsschicht
wirksam auf das Bolzenbauteil zu übertragen.