DE69633899T2

DE69633899T2 - Drahtloses Leiterplattensystem für einen Motorregler

Info

Publication number: DE69633899T2
Application number: DE69633899T
Authority: DE
Inventors: Christopher J. Wieloch; Thomas E. Babinski; John C. Cedar Rapids Mather; Gerard A. Waukesha Woychik; Steven R. Muskego McLaughlin
Original assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Current assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: EP0766504B1; EP0766504A2; EP0766504A3; US5930112A; US5648892A; DE69633899D1

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die US-Patentanmeldung mit der Serial Nr. 08/316,667, eingereicht am 30. September 1994 von Woychik, die US-Patentanmeldung mit der Serial Nr. 08/292,491, eingereicht am 18. August 1994 von Wieloch, die US-Patentanmeldung mit dem Titel „Circuit Board Having A Window Adapted To Receive A Single Inline Package Module", eingereicht am 12. September 1995 von Woychik, die US-Patentanmeldung mit dem Titel „A Module Interconnect Adapted For Reduced Parasitic Inductance", eingereicht am 12. September 1995 von Woychik, die US-Patentanmeldung mit dem Titel „Rigid-Flex Circuit Board Having a Window For An Insulated Mounting Area", eingereicht von McLaughlin et al am selben Tag mit dieser, die US-Patentanmeldung mit dem Title „A Multilayer Circuit Board Having A Window Exposing an Enhanced Conductive Layer For Use An Insulated Mounting Area", eingereicht von Wieloch et al am selben Tag mit dieser, die US-Patentanmeldung mit dem Titel „A Method Of Making A Multilayer Circuit Board Having A Window Exposing An Enhanced Conductive Layer For Use As An Insulated Mounting Layer", eingereicht von Wieloch et al am selben Tag mit dieser und die US-Patentanmeldung mit dem Titel „Power Substrate With Improved Thermal Characteristics" eingereicht von Wieloch et al am selben Tag mit dieser.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leiterplattensystem für Leistungsanwendungen. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein drahtloses Motorreglerpaket, das dazu konfiguriert ist, parasitäre Induktanzen, die mit Verschaltungen von Leiterplatten einhergehen, zu reduzieren.
Hintergrund der Erfindung
Generell verwenden Hochleistungs-Anwendungen wie Motorregler, Invertierer, Umsetzer, Stromversorger oder andere Regelungseinrichtungen häufig eine Anzahl von Leiterplatten. Typischerweise umfassen diese Platten Leistungsmodule, die elektrische Hochleistungs-Vorrichtungen wie Widerstände und Halbleiter, logische Interface-Leiterplatten oder Kunden-Interface-Leiterplatten (beispielsweise sog. Motherboards), die Mikroprozessoren oder andere logische Einrichtungen zur Durchführung von Steuerfunktionen beinhalten, sowie Speicher- oder Kondensator-Leiterplatten, die Ladungs-Speichervorrichtungen und Gleichstrom (DC) Leistungsbusse umfassen. Beispielsweise ist es auf dem Gebiet der elektronischen Motorregler üblich, ein Reglerpaket als Zusammenbau von Leiterplatten aufzubauen, welche ein Leistungssubstratmodul oder andere Wärmedissipationsmedien umfassen. Jede der Leiterplatten trägt Komponenten und leitende Pfade zur Erzielung verschiedener Funktionen in der vervollständigten Vorrichtung.
Derartige Motorregler umfassen generell eine logische Steuerschaltung, eine Ladesteuerschaltung und Leistungsbauteile. Die logische Steuerschaltung, die typischerweise programmierbare Festkörperschaltungen wie eine speicherprogrammierbare Steuerung umfassen, die auf einem Motherboard oder einem separaten Modul mit analoger Schaltung angebracht sind, überwachen Betriebsparameter des Motors und erzeugen Steuersignale zum Antreiben des Motors entsprechend einer vorab festgelegten Steuerroutine und verschiedensten Betriebseingängen. Die Leistungskomponenten umfassen typischerweise Diodengleichrichterschaltungen, die einen Wechselstrom von einer Quelle empfangen und ihn in Gleichstrom umsetzen, sowie Leistungstransistoren oder andere Festkörper-Schaltvorrichtungen wie bipolare Isolierschichttransistoren (IGBTs von Insulated Gate Bi-Polar Transistors) zum Umsetzen der in der Ladungsspeicherschaltung gespeicherten Gleichstromleistung auf gesteuerte Wechselstromsignale zum Antreiben des Motors auf der Grundlage der Steuersignale, die von der Steuerschaltung erzeugt worden sind.
Die Leistungskomponenten sind auf einer Leistungssubstratmodul-Leiterplatte angebracht. Die logische Schaltung ist typischerweise auf einer Kundeninterface- oder Mother-Leiterplatte angebracht und die Ladespeicherschaltung ist auf einer Kondensatorplatte angebracht.
Diese Leiterplattensysteme erfordern typischerweise Module oder Leiterplatten-Verschaltungssysteme (beispielsweise Verbinder, Verteileranordnungen oder andere Hardware) um jede Leiterplatte interfacemässig anzubinden (beispielsweise den Leistungssubstratmodul, die Kunden-Interfaceplatte, das Motherboard und die Kondensatorplatte). Die Modulverschaltungssystems beinhalten häufig Stifte, die unter einem 90° Winkel gebogen sind. Erste Enden der Stifte sind in Löcher in den Leiterplatten oder Modulen eingefügt und die zweiten Enden der Stifte sind in Löcher im Motherboard eingefügt. Ein isolierender Rahmen ist zwischen dem ersten und zweiten Ende vorgesehen. Der Rahmen, der nahe der 90° Biegung in den Stiften liegt, ist üblicherweise rechtwinklig geformt und sieht einen stabilen Sitz oder eine Struktur zwischen dem Motherboard und dem Modul vor. Die ersten und zweiten Enden der Stifte sind mit Kontaktbereichen nahe den Löchern auf den Modulen beziehungsweise dem Motherboard verlötet. Alternativ können Modulverschaltungssysteme Schlitz-Kantenverbinder, Kartenverbinder oder andere Leiterplattenverbinder (PCB-Verbinder) umfassen, oder es können die Leiterplatten durch externe Drähte, Kabel oder Verbinder miteinander verschaltet werden.
Derartige Verschaltungssysteme sind nicht nur teuer, sperrig und vermehren die Kosten für den Aufbau des Leiterplattensystems, sondern erzeugen auch signifikante Impedanz Anpassungsprobleme in Hochleistungsanwendungen, wie in Motorregelungsanwendungen. Beispielsweise müssen häufig Motorregler und Hochleistungsschaltungen wie Inverter, Umsetzer und Stromversorger Dämpfungsschaltungen oder andere resistive (R), kapazitive (C) oder induktive (L) Netzwerke umfassen, um die Leiterplatten abzustimmen und die Effekte aus parasitärer Induktivität und kapazitiven Effekte, die mit den Leiterplattenverbindungssystemen verknüpft sind, herabzusetzen. Die parasitären Induktanzprobleme zwischen den Leiterplatten werden durch die sehr hohe Schaltfrequenz und die mit den Leistungsmodulen verbundene Leistung speziell in der Ausschalt-Phase der Inverteroperation verstärkt.
Darüber hinaus erzeugen Leiterplattensysteme in Leistungsanwendungen häufig eine signifikante Wärmemenge und erfordern Wärmesenken oder andere Wärmehandhabungssysteme, die verhindern, dass die Leiterplatten und elektrischen Vorrichtungen überhitzt werden. Wärmesenken sind typischerweise Metallkomponenten mit relativ grossen Abmessungen und können auf den Leiterplatten oder den damit verbundenen elektrischen Vorrichtungen befestigt werden, um die Wärmeableitung aus diesen zu verstärken. Konventionelle Wärmesenken tragen typischerweise zur Kostensteigerung der Anordnung des Leiterplattensystems bei. Daher erfordern Anwendungen wie Motorregler-Anwendungen Leiterplattensysteme, die im Hinblick auf eine überlegene Wärmedissipation optimiert sind.
Die DE 42 36 268 A zeigt ein generelles Leiterplattensystem, in welchem eine zusätzliche Leiterplatte mit einem Motherboard so verbunden ist, dass die zusätzliche Leiterplatte senkrecht zum Motherboard angeordnet ist. Die zusätzliche Leiterplatte hat Vorsprünge oder Befestigungsbeine, die in entsprechende Ausschnitte im Motherboard einzusetzen sind. Leiter des Motherboards und der zusätzlichen Platte erstrecken sich derart, dass sie einander kontaktieren, wenn die zusätzliche Leiterplatte in das Motherboard eingesetzt ist, so dass die Leiter verlötet werden können. Diese Lösung ist vorgesehen, um die Kontaktdichte und die mechanische Festigkeit zu steigern.
Es besteht ein Bedarf an einem Leiterplattensystem für einen Motorregler, das hinsichtlich der Reduktion parasitärer Induktanz optimiert ist. Es besteht auch ein Bedarf an einem Motorregler-Leiterplattensystem niedriger Kosten, das hinsichtlich der Wärmedissipation und einem leichten Zusammenbau optimierbar ist.
Die erfindungsgemässen Lösungen sind im Anspruch 1 definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte Weiterbildungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen drahtlosen Motorregler, aufweisend eine Leistungs-Substratleiterplatte, eine Kondensator-Leiterplatte und eine erste Leiterplatte. Die Leistungs-Substratleiterplatte umfasst Halbleiterschalter und die Kondensator-Schaltungsplatte umfasst mehrere Speicherkondensatoren, die zwischen einen positiven Bus und einen negativen Bus geschaltet sind. Die erste Leiterplatte ist mechanisch und elektrisch mit zumindest einer der Leistungs-Substratleiterplatte und der Kondensator-Leiterplatte verbunden. Der positive Bus und der negative Bus auf der Kondensator-Leiterplatte sind elektrisch mit der Leistungs-Substratleiterplatte allein über Leiter einer gedruckten Schaltungsplatte elektrisch verbunden.
Die gedruckten Schaltungsplattenleiter umfassen leitende Elemente, die in einem isolierenden Rahmen der Leistungs-Substratleiterplatte angebracht sind, die einen Anbringungsbereich und eine elektrische Verbindung für die Halbleitungsschalter vorsehen und elektrisch mit einem Bus der Leistungs-Substratleiterplatte verbunden sind.
Die erste Leiterplatte kann ein Motherboard sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein verbessertes Motorregler-Leiterplatten-System, in welchem die Leistungs-Substratleiterplatte und die Kondensator-Leiterplatte jeweils an der ersten Leiterplatte unter einem Winkel grösser als 0° und geringer als 180° angebracht sind.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird das Leiterplattensystem in einer Motorregler-Packung verwendet und umfasst lötbare Modulkomponenten – SCM^TM Verschaltungen, oder Leiterplatten und eine Mother-Leiterplatte als erste Leiterplatte. Die Leiterplatten sich mechanisch und elektrisch mit der ersten Leiterplatte unter einem 90° Winkel verbunden. Die kleine Anschlussfläche, die mit der Verschaltung der Leiterplatten und der ersten Leiterplatte verbunden ist, ermöglicht, dass der Motorregler mit minimalem Raumbedarf gepackt werden kann, und vermindert die mit der Verschaltung verknüpfte parasitäre Induktanz.
Nach einem weiteren exemplarischen Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Leiterplattensystem, dass die Wärmesenken direkt an der Bodenseite der Leistungs-Substratleiterplatte angelötet werden. Die Leistungs-Substratleiterplatte ist vorzugsweise hinsichtlich der Wärmedissipation optimiert, wodurch sie eine überlegene Wärmeübertragung bei sehr geringen Kosten unter Ausnutzung nur eines minimalen Plattenraumbedarfs vorsieht.
Nach einem noch weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet der Motorregler keine externen Drähte oder konventionellen Verbinder zur Ankopplung der Leiterplatten aneinander. Die vorliegende Erfindung verwendet in vorteilhafter Weise gedruckte Schaltungsplattenleiter und Finger-Verbinder zur mechanischen und elektrischen Kopplung der Leistungs- und Kondensatorleiterplatten mit der ersten Leiterplatte. Ein Motherboard (die erste Leitungsplatte) kann so konfiguriert sein, dass sie Schlitze oder Ausnehmungen zur Aufnahme von Kanten der anderen Leiterplatten aufweist. Die Kanten der Leiterplatten umfassen vorzugsweise Finger-Verbinder, die an Befestigungsmitteln am Motherboard (der ersten Leiterplatte) angelötet werden können. Alternativ kann eine kontinuierliche flexible Leiterplattenlage integral mit der ersten Leiterplatte oder der Leistungs-Substratleiterplatte und den anderen Leiterplatten dazu verwendet werden, eine Verschaltung zwischen den Leiterplatten vorzusehen, wodurch teuere Verbinder-Hardware eliminiert wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und:
1 ein schematisches elektrisches Blockschaltbild einer Schaltung ist, die mit einem Motorregler gemäss einem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verknüpft ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines Leiterplattensystems ist, welches die in 1 gezeigte Schaltung umfasst, entsprechend dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Ansicht von oben auf die erste Leiterplatte ist, die in 2 gezeigt ist;
4 eine Ansicht von oben auf die Kondensator-Leiterplatte ist, die in 2 gezeigt ist;
5 eine detaillierte, schematische elektrische Darstellung der Komponenten und Verschaltungen der Leistungs-Substratleiterplatte ist, die in 1 gezeigt ist;
6 eine Ansicht von oben auf die Leistungs-Substratleiterplatte aus 2 ist, umfassend die Komponenten, die in 5 gezeigt sind (ohne gedruckte Schaltungsplattenverbinder);
7 eine Querschnittsansicht des Leistungsmoduls ist, der in den 6 gezeigt ist, entlang einer Linie 7-7;
8 eine Querschnittsansicht des in 6 gezeigten Leistungsmoduls entlang einer Linie 8-8 ist;
9 eine Ansicht von oben auf eine erste leitende Schicht in der in 6 gezeigten Leistungs-Substratleiterplatte ist;
10 eine Ansicht von oben auf eine zweite leitende Lage auf der in 6 gezeigten Leistungs-Substratleiterplatte ist;
11 eine Ansicht von oben auf eine Inhanced-Metall-Leiterplattenlage ist, umfassend einen isolierenden Rahmen und leitende Kupferelemente oder Kupferblöcke bzw. Slugs für die Leistungs-Substratleiterplatte, die in 6 gezeigt ist;
12 eine Ansicht von oben auf eine dritte leitende Lage der Leistungs-Substratleiterplatte aus 6 ist; und
13 eine perspektivische Ansicht eines mehrschichtigen starr/flexiblen Leiterplattensystems in rechtwinkliger Konfiguration für einen Motorregler nach einem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
14 eine perspektivische Ansicht der starr/flexiblen mehrschichtigen Leiterplatte, die in 13 gezeigt ist, in einer flachen Konfiguration ist; und 15 eine Querschnittsansicht des starr/flexiblen Leiterplattensystems, das in 14 gezeigt ist, entlang einer Linie 15-15 ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Obgleich die folgende Beschreibung sich auf eine spezielle Anwendung des vorliegenden Antriebs zur Steuerung eines 3-Phasen-Motors bezieht, kann die Erfindung genereller sowohl auf Mehrphasen- als auch auf Einzelphasen-Motoren vielfältiger Nennleistungen und Abmessungen angewandt werden. Gemäss der Zeichnungen und dabei zunächst gemäss 1, auf die Bezug genommen wird, ist ein Motorregler 10 schematisch so dargestellt, wie er zum Antrieb eines Elektromotors 12 mit gewünschten Drehzahlen installiert würde. Derart installiert, ist der Regler 10 mit Phasenleitern 14, 16, 18 und einem Erdleiter 20 über Schutzschaltungen, die typischerweise Sicherungen 22, 24, 26 umfassen, verbunden.
Der Regler 10 umfasst eine Anzahl von Verbindungsschaltungen, die bevorzugt innerhalb eines unitären Antriebspakets konfiguriert sind. Wie in 1 gezeigt, umfasst das System 10 eine Gleichrichterschaltung 28, eine kapazitive Schaltung 30, eine Signalumsetzungsschaltung 32 und eine Steuerschaltung 34. Die Gleichrichterschaltung 28, kapazitive Schaltung 30 und Signalumsetzungsschaltung 32 können Typen sein, wie generell im Stand der Technik bekannt sind, wie die Schaltungen, die in den Bulletin 1305 Motoransteuerungen enthalten sind, die von Allen-Bradley Company Milwaukee, Wisconsin beziehbar sind. Die Gleichrichterschaltung 28 und Signalumsetzungsschaltung 32 sind als Leistungsschaltung 200 kombiniert und werden unter Bezugnahme auf 5 weiter unten detaillierter erläutert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel des Motorreglers 10 kann die Steuerschaltung 34 eine Schaltung auf Mikroprozessorbasis (auf Basis eines digitalen Prozessors) sein, wobei die Schaltung einen Analog-/Digitalumsetzer (nicht dargestellt) als eine Schaltung umfasst, die integral mit dem Mikroprozessor ist. Die Steuerschaltung 34 kann auch (nicht dargestellt) Speicherschaltungen umfassen, wie eine RAM und ROM (beispielsweise EPROM), die externe oder interne Schaltungen des Mikroprozessors sind. Im ROM wird die den Mikroprozessor steuernde Programmierung gespeichert, während der Mikroprozessor einen RAM benutzt, um variable Daten temporär zu speichern, die während der Aus führung der im ROM gespeicherten Programme verwendet werden. Der Analog-/Digitalumsetzer setzt analoge Signale (beispielsweise Parameter-Signale), die von der Steuerschaltung 34 empfangen werden, gemäss weiter unten erfolgender Erläuterung in digitale Daten um, die repräsentativ für diese Signale sind. Entsprechend erzeugt der Analog-/Digitalumsetzter digitale Echtzeit-Daten mit einem vorbestimmten Abtastintervall, welches repräsentativ für Parametersignale ist, die zur Steuerschaltung 34 übertragen werden.
Die Gleichrichterschaltung 28 wird an eingehende Phasenleiter 14, 16 und 18 gekoppelt und umfasst eine Schaltung zum Umsetzen von Wechselstromleistung der eingehenden Phasenleiter auf Gleichstromleistung. Die Gleichrichterschaltung 28 wirkt so als Gleichstromquelle innerhalb des Reglers 10 und führt Gleichstromleistung zur Signalumsetzungsschaltung 32 über einen DC Bus 36, der Signalumsetzungsschaltungs-Eingangsleitungen 38 und 40 umfasst. Die Signalumsetzungsschaltung 32 empfängt DC Leistung vom Bus 36 und umfasst eine Schaltung, vorzugsweise eine solche, die Festkörper-Schaltelemente (in 1 nicht dargestellt) umfasst, zur Erzeugung gepulster Leistungssignale auf gewünschten variablen Frequenzen zum Antrieb des Motors 12.
Eine Bus-Spannungs-Überwachungsschaltung ist über Leitungen 38 und 40 des DC Busses 36 gelegt und umfasst eine Schaltung zur Messung der Gleichspannungsdifferenz zwischen den Leitungen 38 und 40 und zum Erzeugen eines Signals, das die DC-Busspannung repräsentiert. Die Spannungsüberwachungsschaltung 42 ist wiederum mit der Steuerschaltung 34 verbunden und liefert das DC-Busspannungssignal zur Steuerschaltung 34 zum Regeln des Motors 12, wie weiter untern erläutert wird. Eine Busspannungsstrom-Überwachungsschaltung 44 ist auch mit dem DC-Bus 36 verbunden und umfasst eine Schaltung zum Messen des Stroms, der durch den DC-Bus 36 fliesst, und zum Erzeugen eines hierfür repräsentativen Signals, welches wiederum der Steuerschaltung 34 zugeführt wird.
Zusätzlich zu den Eingängen von der Spannungs- und Stromüberwachungsschaltung 42 und 44 ist die Steuerschaltung 34 typischerweise mit einer Anzahl von Eingangskanälen verbunden, die insgesamt durch die Bezugszahl 46 ange zeigt sind. Kanäle 46 können eingehende Signale von derartigen externen Elementen wie Start- und Stoppschaltungen empfangen, sowie Umkehr- und Jog-Schaltern und dergleichen, die typischerweise in einem (nicht dargestellt) Steueranschlussblock angeordnet sind. Derartigen Eingangssignale werden der Steuerschaltung 34 zugeführt, vorzugsweise durch eine Opto-Isolationsschaltung 48 zum Schutz der Steuerschaltung 34 vor Leistungsstössen oder Stromstössen. Darüber hinaus empfängt die Steuerschaltung 34 Eingangssignale über einen oder mehrere Anschlüsse 50. Ein solcher Anschluss 50 ist generell mit einer Befehls-Eingangsvorrichtung wie einem Potentiometer (nicht dargestellt) gekoppelt, zum Erzeugen und Versorgen der Steuerschaltung 34 mit einer Ziel- oder Soll-Ausgangsdrehzahl oder einem Frequenzpegel. Andere Anschlüsse 50 können für verschiedene Programmierungs- und Steuerinterface-Vorrichtungen vorgesehen werden, wie ein (nicht dargestellter) handgehaltener Human-Interfacemodul oder eine digitale Rechner-Datenverbindung. Ein oder mehrere Ausgänge oder Überwachungsanschlüsse 51 sind vorzugsweise mit der Steuerschaltung 34 in Verbindung mit einer geeigneten analogen Schaltung verbunden, um selektiv die verschiedenen Betriebsparameter des Systems 10 zu überwachen, wie die Soll- und Ist-Frequenz oder Geschwindigkeitsausgänge.
Die Steuerschaltung 34 ist mit der Signalumsetzungsschaltung 32 sowohl zum Empfang von Signalen von der Schaltung 32 als auch zum Übertragen von Steuersignalen zur Schaltung 32 für die Ansteuerung des Motors 12 verbunden. Ansprechend auf die Steuersignale erzeugt die Signalumsetzungsschaltung 32 gepulste Antriebssignale, die dem Motor 12 über Ausgangsleitungen oder Leiter 52 zugeführt werden. Der Motor 12 ist auch über einen Erdleiter 54 mit dem Regler 10 verbunden. Die Signalumsetzungsschaltung 32 umfasst eine (nicht dargestellte) Schaltung zum Überwachen des Ausgangsstroms der Antriebssignale, die dem Motor 12 über jeden Phasenleiter 52 zugeführt werden, und zum Erzeugen von Stromsignalen. Diese Stromsignale werden der Steuerschaltung 34 als Rückkopplung zur Regelung des Motors 12 zugeführt. Zusätzlich zu den ausgegebenen Stromsignalen kann die Signalumsetzungsschaltung 32 eine nicht dargestellte (Schaltung) umfassen, die andere Betriebsparameter des Motors 12 oder Systems 10 wie Temperatur detektiert und überwacht.
Die Steuerschaltung 34, die Spannungsüberwachungsschaltung 42, Stromüberwachungsschaltung 44, die Steuerschaltung 34 und die Opto-Isolationsschaltung sind vorzugsweise auf einem Interface- oder Mothercircuit-Board 62 angebracht. Die Gleichrichterschaltung 28 und die Signalumsetzungsschaltung 32 sind auf zumindest einer Leistungssubstrat-Leiterplatte 201 als Leistungsschaltung 200 (5) angebracht. Die kapazitive Schaltung 30 ist auf einer Kondensator-Leiterplatte 60 angebracht. Vorzugsweise können die Gleichrichterschaltung 28 und die Signalumsetzungsschaltung 32 auf drei separate Schaltungen für jede Phase der Eingangsleistung und des Motors 12 aufgeteilt sein. Jede der drei Schaltungen 28 und 32 kann auf einer separaten Leistungs-Substratleiterplatte 201 angebracht sein. Alternativ können die kapazitive Schaltung 30, die Gleichrichterschaltung 28 und die Signalumsetzungsschaltung 32 auf einer einzigen Leiterplatte angebracht sein.
Gemäss 2 ist die erste Leiterplatte 62 in Form eines Motherboards eine mehrschichtige Leiterplatte, die drei Leistungs-Substratleiterplatten 201 und eine Kondensator-Leiterplatte 60 in senkrechter Anordnung beherbergt. Die Kondensatorleiterplatte 60 ist in einem Anbringungsmitteln, Bereich oder einer Region 65 montiert und die Leiterplatte 201 sind in Anbringungsmitteln, Bereichen oder Regionen 69 montiert. Vorzugsweise sind auf den Leiterplatten 201 parallel mit anderen Leiterplatten 201 Wärmesenken 302 angeordnet. Die Orientierung der Leiterplatten 201 und 60 sorgt für einen optimalen Wärmeübertag vom System 10. Ein (nicht dargestellter) Ventilator kann dazu verwendet werden, Luft parallel zu den Platten 201 und Wärmesenken 302 einzublasen.
In 3 umfasst der Anbringungsbereich 65 Gräben, Schlitze oder Ausnehmungen 82 zur Aufnahme von Steuer-, Leistungs- und logischen Signalen sowie Gräben, Schlitze oder Ausnehmungen 75, die zum Empfang von Leistungssignalen von der Platte 60 gedacht sind. Jede Ausnehmung 75 umfasst plattierte Regionen oder Finger-Verbinder 86 und 88. Die Finger-Verbinder 86 sind dazu gedacht, einen negativen Bus von der Platte 60 aufzunehmen (beispielsweise den Bus 222 in den 5–12). Die Finger-Verbinder 88 sind dazu gedacht, den positiven Bus von der Kondensator-Leiterplatte 60 aufzunehmen (beispielsweise den Bus 220 in den 5–12).
Die erste Leiterplatte 62 umfasst auch Anbringungsmerkmale, Bereiche oder Regionen 69 zur Aufnahme der Leiterplatte 201. Jede Anbringungsregion 69 umfasst vier Schlitze, Gräben oder Ausnehmungen 75 mit Finger-Verbindern 86 und 88, die dazu vorgesehen sind, positive und negative Busse von der Kondensator-Platte 60 aufzunehmen. Ferner umfasst der Anbringungsbereich 69 eine Ausnehmung 71, die dazu vorgesehen ist, Motorausgangssignale aufzunehmen und bereit zu stellen, wie beispielsweise auf einem Bus 52 (siehe 1 oder Busse 216 und 218 in den 5 und 9) sowie Steuersignale für die Leistungsschaltung 200. Die Anbringungsregionen 69 umfassen auch jeweils eine Ausnehmung 73, die Finger-Verbinder aufweist, die dazu vorgesehen sind, Phasen-Leistungseingänge wie diejenigen aufzunehmen, die an den Eingängen 14, 16 und 18 vorgesehen sind (siehe 1 oder Phaseneingangsbusse und Phasenrückleitungsbusse 210 und 214 in 5), sowie auch logische oder Steuersignale.
Gemäss 4 umfasst eine Kondensator-Leiterplatte 60 zwei Anbringungsbeine 105 und fünf Anbringungsbeine 115. Die Anbringungsbeine 115 umfassen vorzugsweise Finger-Verbinder 117 und 119 zum jeweiligen Verbinden mit Finger-Verbindern 86 beziehungsweise 88, die mit der Ausnehmung 75 verknüpft sind. Gleichermassen umfassen Anbringungsbeine 105 Finger-Verbinder (nicht dargestellt) zur Interface-Herstellung mit den Finger-Verbindern, die den Ausnehmungen 82 zugeordnet sind. Gemäss den 3 und 6 ist die Ausnehmung 71 dazu konfiguriert, ein Anbringungsbein 314 der Leiterplatte 201 aufzunehmen, und die Ausnehmung 73 ist dazu ausgelegt, ein Anbringungsbein 243 der Platte 201 aufzunehmen. Die Anbringungsbeine 245 umfassen Finger-Verbinder 299 und 229 (12) zur Interface-Verbindung mit Finger-Verbindern 86 beziehungsweise 88 der Ausnehmungen 75. Die Anbringungsbeine 243, 245 und 314 werden detaillierter mit Bezugnahme auf die 6 bis 12 erläutert.
Die Konfiguration der Leiterplatten 60 und 201 einschliesslich der Anbringungsbeine 105, 115, 243, 245 und 214 sorgen für eine stabile mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Leiterplatten 60, 62 und 201. Ein solches Konfigurations- und Verschaltungsschema (beispielsweise das SCM^TM Verschal tungsschema) ermöglicht, dass das System 10 in einer sehr kleinen Packung untergebracht werden kann und dennoch minimale parasitäre Induktanz hat, die mit der Verschaltung der Leiterplatten 60, 62 und 201 einhergeht. Ferner ist der Regler 10 als drahtloser Motorregler gezeigt, der keine externen Drahtverbindungen zwischen den Leiterplatten 60, 62 und 201 hat.
Unter Bezugnahme auf 5 werden nun die Leistungs- Leiterplatte 200 und die Leistungs-Substratleiterplatte 201 detailliert im Folgenden beschrieben, wobei die Leistungsschaltung 200 die Funktion der Umsetzung eines Wechselstromsignals (AC-Signals) auf ein Gleichstromsignal (DC-Signal) ausführt und darauf folgend die Invertierung des DC-Signals in ein AC-Ausgangssignal, wie bei einer Impuls-Breitenmodulationstechnik zum Antrieb des Elektromotors 12. Die Leistungsschaltung 200 umfasst Gleichrichter 202, Halbleiterschalter 204 und einen Temperatursensor 206. Die Gleichrichter 202 sind vorzugsweise 40EPS12 Leistungsgleichrichter und die Halbleiterschalter 204 sind vorzugsweise IRGPH5OMD2 bipolare Isolierschichttransistoren (IGBT's). Gleichrichter 202 und Halbleiterschalter 204 sind vorzugsweise als oberflächenmontierte Packungen 208 (6) wie D Packs, D2 Packs, D3 Packs, Icepacks oder andere Anbringungspackungen auf den Platten mit hoher Dichte gepackt. Die Gleichrichter 202 und Halbleiterschalter 204 können durch andere Leistungshalbleitervorrichtungen wie einen Spannungsregler, Diodenbrücke, Operationsverstärker, Thyristor, SCR oder Triac ersetzt werden.
Die Leistungsschaltung 200 empfängt das einphasige Wechselstrom (AC) Leistungssignal an einem Phaseneingangsbus 210 und liefert das Wechselstrommotorausgangssignal an einen (nicht dargestellten) Motor an einem Motorausgangsbus 212. Die Leistungsschaltung 200 umfasst auch einen Phasenrückleitungsbus 214, der mit dem Wechselstromsignal am Bus 210 verknüpft ist, einen ersten Gate-Steuerbus 216, einen zweiten Gate-Steuerbus 218, einen positiven Gleichstrombus 220, einen negativen Gleichstrombus 222, einen Temperatursignal-Bus 224 und einen Massebus 226. Darüber hinaus umfasst die Leistungsschaltung 200 einen ersten Gate-Rückführbus 228 und einen zweiten Gate-Rückführbus 230. Die Busse 210, 212, 214, 220 und 222 umfassen vorzugsweise zahlreiche Verbindungsleitungen, Finger-Verbinder, Stifte oder andere Verbindungsinterfacemittel zum Leiten von Signalen zur Leistungsschaltung 200 und von dieser weg (wobei dies detailliert unter Bezugnahme auf die 9 und 12 erläutert werden wird). Eine Bank 205 von Schaltern 204 ist zwischen den Leistungsbussen 220 und den Motorausgangsbus 2112 geschaltet und eine Bank 207 von Schaltern 204 ist zwischen den Motorausgangsbus 212 und den Leistungsbus 222 geschaltet.
Wie in 6 gezeigt ist, ist die Leistungsschaltung 200 auf einer mehrschichtigen Leiterplatte 101 angebracht, um einen Leistungssubstratmodul 240 zu bilden. Die Bank 205 aus Schaltern 204 ist in einem Fenster oder einer Ausnehmung 242 in einer mehrschichtigen Leiterplatte 201 angebracht und die Bank 207 aus Schaltern 204 ist in einer Ausnehmung 244 in der mehrschichtigen Leitungssubstrat-Leiterplatte 201 angebracht. Die mehrschichtige Leistungssubstrat-Leiterplatte 201 umfasst auch Ausnehmungen 260 und 262 zum Aufnehmen von Gleichrichtern 202. Die mehrschichtige Leistungssubstrat-Leiterplatte 201 umfasst eine Anbringungsschicht 246 (zum Beispiel am Boden von Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262) und zumindest eine weitere Leiterplattenschicht 248.
Die Gleichrichter 202 und Schalter 204 sind vorzugsweise Leistungs-Halbleiterbauelemente, Widerstände, Dioden oder andere Komponenten, die eine relativ hohe Wärmedissipation erfordern. Die Gleichrichter 202 und Schalter 204 sind vorzugsweise in einer Kunststoff- oder Keramikpackung 208 angeordnet oder einem anderen Gehäuse und umfassen einen Bleirahmen 209 (7) der elektrisch mit dem Drain der Schalter 204 verbunden ist oder elektrisch mit der Kathode der Gleichrichter 202. Es sind Leitungen 254 mit dem Gate der Schalter 204 verbunden; Leitungen 252 sind mit dem Drain der Schalter 204 verbunden; und Leitungen 250 sind mit dem Source-Anschluss der Schalter 204 verbunden. Der Bleirahmen 209 ist elektrisch und mechanisch mit den Leitungen 252 der Schalter 204 und der Anbringungsschicht 256 verbunden. Die Gleichrichter 202 umfassen eine Anodenleitung 259 und eine Kathodenleitung 265. Die Gleichrichter 202 sind ähnlich wie die Halbleiterschalter 204 gepackt und umfassen einen Bleirahmen 209 (7), der elektrisch und mechanisch mit der Anbringungsschicht 246 und der Kathodenleitung 265 gekoppelt ist.
Der Modul 240 umfasst Footprints oder Anbringungsbereiche (in 6 nicht dargestellt) in einem Muster, welches dazu ausgelegt ist, die Leitungen 250, 254 und 265 und Bleirahmen 209 der Gleichrichter 202 und Schalter 204 aufzunehmen. Der Footprint umfasst typischerweise Hauptpads oder Kontaktbereiche auf der Anbringungsschicht 246 entsprechend den Bleirahmen 209 und Pads auf der Leiterplattenschicht 248 entsprechend den Leitungen 250 und 254. Da die erforderlichen Verbindungen mit den Bleirahmen 209 durch die Schicht 248 vervollständigt werden, kann die Leitung 252 von den Schaltern 204 entfernt werden, und die Leitung 259 kann von den Gleichrichtern 202 entfernt werden.
Im Ausführungsbeispiel, das in 6 gezeigt ist, sind die Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 rechtwinklig und entsprechend der Form der Gleichrichter 202 und Schalter 204 geformt. Die Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 umfassen jeweils vier halbkreisförmige Ecken 261 mit einem Radius von 1,19 mm (0,047 inches). Die halbkreisförmigen Ecken 261 erleichtern die Herstellung der Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262.
Die Ausnehmungen 242 und 244 umfassen auch drei Plazierungsteile 262. Die Teile 263 sind aus der Schicht 243 gebildet. Die Teile 263 sind vorzugsweise 1,73 mm (0,068 inches) breit und 16,4 mm (0,646 inches) lang. Die Ausnehmungen 242 und 244 sind jeweils 21,18 mm (0,834 inches) breit und 70,0 mm (2,756 inches) lang. Die Ausnehmungen 242 und 244 sind so konfiguriert, dass sie vier Schalter 204 in den Zwischenräumen zwischen den Plazierungsteilen 263 halten. Die Ausnehmungen 260 und 262 sind jeweils 16,2 mm (0,638 inches) breit und 21,34 mm (0,840 inches) lang. Die Abmessungen und Formen der Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 ermöglichen in vorteilhafter Weise, dass die Gleichrichter 202 und Schalter 204 in der mehrschichtigen Leiterplatte 201 zur Vereinfachung der Herstellung (zum Beispiel Löten an der Platte 201) sicher gehalten werden können und dabei doch leicht eingefügt und entfernt werden können. Die Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 sind vorzugsweise zumindest eine Leiterplattenschicht tief (beispielsweise ist die Tiefe der Schicht 248 angenähert 0,33 mm (0,013 inches). Alternativ können die Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 einige Schichten tief sein.
Gemäss den 7 und 8 umfasst die Leiterplatte 201 des Moduls 240 die Leiterplattenschicht 248 und die Anbringungsschicht 246. Die Schicht 248 ist vorzugsweise eine doppelseitig gedruckte Leiterplattenschicht einschliesslich einer leitenden Schicht 280, einer isolierenden Schicht 281 und einer leitenden Schicht 283. Die Schicht 280 ist eine 28,35 g (1 oz) Kupferschicht aus 0,036 mm (0,0014 inches) dicker Metallschicht, die auf zumindest 0,061 mm (0,0024 inches) endgültige Dicke plattiert, beziehungsweise metallisiert ist. Die Schicht 283 ist eine 56,70 g (2 oz) Kupferschicht mit einer Dicke von 0,071 mm (0,0028 inches). Die Schicht 281 ist vorzugsweise eine 0,229 mm (0,009) bis 0,153 mm (0,006 inches) dicke Schicht aus Glasepoxidmaterial. Eine isolierende Schicht 285 ist vorzugsweise eine zumindest 0,127 mm (0,005 inches) dicke Schicht eines Prepreg-Bond-Filmmaterials, das zwischen den Schichten 246 und 248 haftet.
Die Schicht 246 ist eine Inhanced-Metall-Leiterplattenschicht, die eine Inhanced, thermisch und elektrisch leitende Schicht 288, eine isolierende Schicht 290 und eine leitende Schicht 291 umfasst. Die Schicht 246 ist eine doppelseitig gedruckte Leiterplattenschicht. Die leitende Inhanced-Schicht 288 umfasst leitende Teile oder Slugs 292, 293 und 294, die in einem isolierenden Rahmen 295 angebracht sind. Die Inhanced-Metall-Leiterplattenschicht 246 umfasst auch ein leitendes Element oder Slug 297 ähnlich dem leitenden Element 292, für den zweiten Gleichrichter 202 (6). Die isolierende Schicht 290 ist auf einer Inhanced-leitenden Schicht 288 als nicht ausgehärtetes haftendes Harz oder als Epoxid-Laminat und ausgehärtet zur Ausbildung einer starren Schicht, plaziert. Die Schicht 290 besteht vorzugsweise zumindest aus einer 0,051 mm (0,002 inches) Schicht (beispielsweise zwei Schichten) eines Prepreg Bond-Filmmaterials.
Der isolierende Rahmen 295 ist ein 0,823 mm (0,0324 inches) dicker Rahmen mit rechteckigen Ausnehmungen 316, 317, 318 und 319 (11), die die dazu ausgelegt sind, leitende Elemente 293, 294, 295 beziehungsweise 297 aufzunehmen. Der isolierende Rahmen 295 ist aus einem Glasepoxid, mehreren Schichten eines Prepreg Bond-Filmmaterials oder anderem isolierenden Material hergestellt. Die leitenden Elemente 292, 293, 294 und 297 sind vorzugsweise 0,823 mm (0,0324 inches) dicke rechteckige Kupferteile, die signifikant grösser als die Bleirahmen 209 oder der Footprint ist, der mit den Gleichrichtern 202 und Schalter 204 verknüpft ist. Die grossen Abmessungen der Slugs oder Elemente 292, 293, 294 und 297 steigern die Wärmekapazitäten der Leiterplatte 201. Die leitende Schicht 291 ist eine 28,35 g (1 oz) Kupferschicht in Form einer 0,035 mm (0,0014 inches) dicken Metallschicht, die auf eine Dicke von zumindest 0,061 mm (0,0024 inches) plattiert ist.
Die leitenden Schichten 280, 283 und 291 und leitende Elemente 292, 293 und 294 sind vorzugsweise aus Kupfer, können jedoch auch aus Silber, leitenden Farblacken, Aluminium oder anderen leitenden Materialien hergestellt sein, die geätzt werden oder abgeschieden werden können, um Leiter wie eine gedruckten Leiterplattenleiter (in den 5–9 nicht dargestellt) vorzusehen. Die isolierenden Schichten 281, 285 und 290 und der isolierende Rahmen 295 bestehen vorzugsweise aus Glasfaser-verstärktem Epoxid, einem Prepreg-Bond-Film BT, GR4, FR4, Papier-Mica, Teflon-Fluoral-Polymer, isolierendem Harz oder anderen isolierenden Materialien. Die isolierende Schicht 285 liegt zwischen den Schichten 246 und 248 und verhindert, dass gedruckte Leiterplattenleiter (in den 7 und 8 nicht dargestellt) mit gedruckten Schaltungsleitern anderer Schichten kurzgeschlossen werden.
In der gegenwärtig bevorzugten Ausführung haben die leitenden Schichten 280, 283, 291 und leitenden Elemente 292, 293 und 294 denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die isolierenden Schichten 281, 285 und 290 und der Rahmen 295. Insbesondere sind sämtliche leitenden Schichten und leitenden Elemente aus Kupfer hergestellt und sämtliche isolierenden Schichten sind verstärkte Harz-Schichten, die so ausgelegt sind, dass sie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der demjenigen von Kupfern angepasst ist. So wie die verschiedenen Schichten des Moduls 240 während des Betriebs erwärmt werden, wird die Wärme durch die leitenden Elemente 292, 293 und 294 auf umgebende Abschnitte der Leiterplatte 201 und auf eine weiter unten erläuterte Wärmesenke abgeleitet. Sowie sich der Modul 240 in aufeinander folgenden Wärmezyklen in Folge des Gebrauchs und der Umgebungsbedingungen ausdehnt und zusammenzieht, werden innere Spannungen durch die gleichförmige Ausdehnung sämtlicher Schichten der Platte 201 minimiert. Darüber hinaus ist der Modul 240 bezüglich seiner Wärmeausdehnung auf die Packungen der Gleichrichter 202 und Schalter 204 abgestimmt.
Die leitenden Elemente 292, 293, 294 und 297 und der isolierende Rahmen 295 wirken zusammen zur Bereitstellung von Footprints, Pads, Anbringungsbereichen oder Kontaktbereichen zur Aufnahme von Elementen der Packungen, Bleirahmen 209 der Gleichrichter 202 und Schalter 204 oder blosser Siliziumkomponenten. Das leitende Element 293 ist elektrisch mit dem Bus 220 verbunden und elektrisch mit dem Bleirahmen 209 der Schalter 204 in der Schalterbank 205 verbunden. Das leitende Teil 294 ist elektrisch mit dem Bleirahmen 209 der Schalter 204 in der Bank 207 verbunden und elektrisch mit dem Motorausgangsbus 212 verbunden. Das leitende Element 292 ist mit dem Phaseneingangsbus 210 verbunden und nimmt den Bleirahmen 209 des Gleichrichters 202 in der Ausnehmung 262 auf. Die Anodenleitung 259 des Gleichrichter 202 in der Ausnehmung 260 ist ebenfalls mit dem Bus 219 verbunden. Das leitende Element 297 (6) ist mit dem Bus 214 und dem Bleirahmen 209 des Gleichrichters 202 in der Ausnehmung 262 verbunden. Die elektrische Kopplung der verschiedenen Komponenten und Busse wird durch die Verwendung von plattierten Oberflächen und Löchern erzielt, wie weiter unten vollständiger erläutert werden wird.
Die Wände 371 der Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 sind vorzugsweise mit einem leitenden Material wie Kupfer plattiert. Die Plattierung der Wände 371 ermöglicht, dass die Schichten 280 und 283 mit den leitenden Elementen 292, 293, 294 und 297 verbunden werden können.
Es ist vorzugsweise ein Wärmesenkenbereich 200 auf der Schicht 291 der Inhanced-Metall-Leiterplattenschicht 246 vorgesehen, um eine Wärmesenke 302 aufzunehmen. Der Wärmesenkenbereich 300 ermöglicht, dass eine wärmeleitende Komponente wie die Wärmesenke 302 direkt auf der Anbringung- oder Inhanced-Metall-Leiterplattenschicht 246 aufgelötet werden kann. Die Wärmesenke 302 kann aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen leitenden Material, das zur Wärmedissipation ausgelegt ist, hergestellt sein. Die Wärmesenke 302 ist vorzugsweise leichtgewichtig, aus einem gecrimpten oder gestanzten zusammenhängenden Kupferspulenmaterial oder als eine industrielle Standardwärme senke gefertigt, wie beispielsweise denjenigen, die von Thermalloy, Inc. oder E&G Wakefield Engineering hergestellt werden. Die leichtgewichtigen Kupferspulenmaterialien wie solche, die üblicherweise in Kfz-Radiatorsystemen eingesetzt werden, sehen ein kostengünstiges Wärmedissipationsmedium für den Modul 240 vor, welches direkt auf die Platte 201 gelötet werden kann.
Der Modul 240 ist vorzugsweise eine lötbare Komponentenmodul (SCM^TM) Verschaltung, ein SIP Modul oder eine andere Platte, die in einem Parent- oder Motherboard (nicht dargestellt) senkrecht angebracht werden kann. Vorzugsweise umfasst das Motherboard eine Ausnehmung oder einen Graben, der dazu ausgelegt ist, eine Kante 203 (6) der Leistungssubstratleiterplatte 201 aufzunehmen. Die Platte 201 umfasst ein Phasenspannungs-Anbringungsbein 243, DC-Bus-Anbringungsbeine 245 und ein Steuersignal-Anbringungsbein 314. Die Beine 243, 245, 314 und die Kante 203 sind so geformt und angeordnet, dass eine leichte Plazierung und Lötung der Platte 201 im Motherboard möglich sind.
Gemäss den 9–12 sind die gedruckte Schaltungsauslegung für die leitenden Schichten 280, 283 und 291 und die Inhanced-leitende Schicht 288 der Leistungssubstratleiterplatte 201 detailliert dargestellt und so konstruiert, wie weiter unten erläutert wird. Die Schichten 280, 283, 288 und 291 sind optimiert, so dass sie die Leitungslängen, die mit der Schaltung 200 einhergehen, minimieren, so dass induktive Effekte auf die Platte 201 minimiert werden. Die Schichten 280, 283 und 288 haben Busse, die parallel verlaufen, um die Kapazität zu maximieren und mit der Platte 201 verbundene Induktanz zu minimieren.
Das Phasenspannungs-Anbringungsbein 243 umfasst einen Finger-Verbinder 315 und einen Finger-Verbinder 313 (9). Der Finger-Verbinder 315 ist mit dem Bus 210 gekoppelt und der Finger-Verbinder 313 ist mit dem Bus 214 gekoppelt. Gleichspannungsanbringungsbeine 245 umfassen vorzugsweise Leistungs-Finger-Verbinder 229 und Leistungs-Finger-Verbinder 299. Die Finger-Verbinder 229 und 299 sind jeweils aneinander angrenzend vorgesehen. Sechs Finger-Verbinder 299 und 229 sind an jedem Anbringungsbein 245 vorgesehen. Die Finger-Verbinder 229 und 299 sind mit den Bussen 220 beziehungsweise 222 verbunden. Die vorteilhafte Orientierung der Finger-Verbinder 229 und 299 reduziert die parasitäre Induktanz, die mit der Herstellung von Verbindungen zwischen dem Modul 240 und dem Motherboard, den Leiterplatten oder anderen Anbringungsinterfacen verbunden ist.
Das Steuersignal-Anbringungsbein 314 umfasst Finger-Verbinder 238, 239 und 241 auf der Schicht 280 und Finger-Verbinder 251, 253, 255 und 257 auf der Schicht 291 (12). Die Finger-Verbinder 239 und 241 sind mit dem Bus 261 beziehungsweise 228 verbunden. Die Finger-Verbinder 251 und 253 sind mit dem Bus 230 beziehungsweise 218 verbunden. Die Finger-Verbinder 255 und 257 sind mit dem Bus 224 beziehungsweise 226 verbunden.
Die Finger-Verbinder 229, 299, 255, 257, 251, 253, 238, 239, 241, 313 und 315 an den Anbringungsbeinen 243, 245 und 314 reduzieren in vorteilhafter Weise Rauschen, parasitäre Induktanz und Impedanz, die mit den Verbindungen zwischen dem Modul 240 und den anderen Leiterplatten im Motorregler einhergehend. Die Reduzierung parasitärer Induktivitätseffekte ermöglicht, dass der Modul 240 elektrisch so gesehen werden kann, als wäre er auf der selben Leiterplatte wie andere Komponenten auf der ersten Leiterplatte oder dem Motherboard angebracht, wodurch die Auslegung des Motorreglersystems vereinfacht ist. Darüber hinaus ermöglicht die Reduzierung parasitärere induktiver Effekte die Eliminierung von Dämpfungsschaltungen, Filtern und anderen Netzwerken, die typischerweise in Hochleistungs-Anwendungen erforderlich sind.
In 9 ist ein Motorausgangsbus 212 gezeigt, der auf der Schicht 280 geätzt ist, so dass Leitungen 254 der Schalter 204 in der Bank 205 mit dem Motorausgangsbus 212 gekoppelt werden können. Gleichermassen ist der negative DC Leistungsbus 222 auf der Schicht 280 so geätzt, dass Source-Leitungen 254 der Schalter 204 in der Bank 207 mit dem Bus 222 gekoppelt werden können.
Der Phaseneingangsbus 210 ist in der Schicht 280 zur Koppelung der Gleichrichter 202 in Aussparungen 260 und 262 (6 und 7) geätzt. Der Bus 214 ist ebenfalls in der Schicht 280 geätzt, und zwar so, dass die Anodenleitung 259 des Gleichrichters 202 in der Aussparung 260 mit dem Bus 214 gekoppelt werden kann. Die Busse 210 und 214 sind jeweils mit dem Finger-Verbinder 313 beziehungsweise 315 am Anbringungsbein 314 der Platte 201 verbunden. Wie in 5 gezeigt, ist die Ausnehmung 260 (6) mit dem Bus 210 gekoppelt und die Ausnehmung 262 ist von jedweden Verbindern auf der Schicht 280 isoliert. Gleichermassen ist die Ausnehmung 242 (6) von jedweden Verbindern auf der Schicht 280 isoliert. Die Ausnehmung 244 ist mit dem Bus 212 gekoppelt. Der Bus 222 ist über Löcher 221 auf der Schicht 280 gekoppelt, um mit der Schaltung 200 verknüpftes Rauschen zu reduzieren.
Wie in 10 gezeigt, ist die leitende Schicht 285 geätzt dargestellt, so dass sie Busses 210, 212, 214 und 220 vorsieht. Der Bus 220 ist mit den Finger-Verbindern 229 verbunden. Der Bus 212 ist mit plattierten Löchern 237 verbunden, die Verbindungen zum Bus 212 auf den anderen Schichten wie den Finger-Verbindern 314 auf der Schicht 280 (9) vorsehen. Die Busse 214, 210, 212 und 220 auf der Schicht 283 sind vorzugsweise so konfiguriert, dass sie auf die Geometrie der leitenden Inhanced-Schicht 288 (11) abgestimmt sind. Auf diese Weise muss die leitende Inhanced-Schicht 288 nicht geätzt werden oder andersartig manipuliert werden, um leitende Bahnen auszubilden.
Die Schicht 283 ist so konfiguriert, dass der Bus 212 der Ausnehmung 244 entspricht, der Bus 220 den Ausnehmungen 242 und 262 entspricht, und der Bus 210 der Ausnehmung 260 entspricht. Die plattierten Löcher 323 ermöglichen Verbindungen des Busses 220 mit andern leitenden Schichten wie den Schichten 280, 288 und 291.
Gemäss 11 ist der isolierende Rahmen 295 so ausgelegt, dass die leitenden Elemente 292, 293, 294 und 297 bezüglich der Busse 210, 220, 212 beziehungsweise 220 ausgerichtet sind. Die leitenden Elemente 292, 293, 294 und 297 passen sich vorzugsweise bündig in die Ausnehmungen 316, 317, 318 beziehungsweise 319 ein, so dass zwischen dem Rahmen 295 und den Slugs 292, 293, 294 und 297 Zwischenräume vermieden sind. Die Ausnehmungen 316, 317, 318 und 319 sind 4,038 mm (0,159 inches) beabstandet, um zwischen den Slugs 292, 293, 294 und 297 eine adäquate Isolierung vorzusehen, und sind in eine glasfaserverstärkte isolierende Schicht eingefräst, wie eine FR-4 glasfaserverstärkte Epoxid-Leiterplatte oder Prepreg-Material zur Ausbildung des Rahmens 295. Alternativ kann der Rahmen auch durch Giessen, Formen, Schneiden, Bohren oder andere Konfigurationsprozesse hergestellt werden. Die Slugs 292, 293, 294 und 297 können in vorteilhafter Weise mit anderen Formen oder Abmessungen hergestellt werden. Vorzugsweise weisen die leitenden Elemente 292, 293, 294 und 297 eine vergrösserte Dicke und Fläche auf, um die Wärmedissipation von den Schaltern 204 und Gleichrichtern 202 zu unterstützen.
Wie in 12 gezeigt, ist ein negativer DC-Leistungsbus 222 einschliesslich eines Wärmesenkenbereichs 300 auf der leitenden Schicht 291 vorgesehen. Der Bus 222 ist mit den Finger-Verbindern 299 auf der Platte 201 vom Modul 240 verbunden.
Die Finger-Verbinder 229, 299, 313, 315, 237, 255, 251, 253 und 257 sorgen für eine vorteilhafte Koppelung der verschiedenen Busse zwischen den Schichten 280, 283, 288 und 291. Darüber hinaus wird der DC-Leistungsbus 222 über plattierte Löcher 221 zwischen den leitenden Sichten 280, 283, 288 und 291 gekoppelt. Der Bus 222 ist so konfiguriert, dass er beinahe die gesamte Schicht 291 bedeckt und den Wärmesenkenbereich 300 vorsieht.
Die Finger-Verbinder 229, 239, 241, 251, 253, 255, 257, 299, 313 und 315 sind so konfiguriert, dass sie über durchplattierte Finger-Verbinder oder Halbzylinder in dem Anbringungsloch, der Apertur, des Grabens oder Schlitzes im Motherboard ankoppelbar sind. Alternativ können die Anbringungsbeine 243, 245 und 314 für eine Verwendung in einem Schlitzkantenverbinder, Kartenverbinder oder anderen gedruckten Leiterplattenverbindern angepasst werden.
Es sollte beachtet werden, dass die vorausgehend beschriebene Konstruktion des Moduls 240 relativ grosse parallele Ebenen leitenden Materials erzeugt, welches die Busse 220 und 222 definiert (siehe 10 und 12). Im Gegensatz zu bekannten Leistungssubstraten, in denen DC-Busse typischerweise als Oberflächenspuren auf einem Substratmaterial definiert sind und über Draht-Bondierungstechniken mit den Leistungskomponenten gekoppelt sind, sieht die Anordnung der Busse 220 und 222 eine grosse Fläche zur Auslöschung oder Reduzierung parasitärer Induktanz während der Schaltphasen der Invertiererschaltung vor. Die Erfinder fanden heraus, dass Spannungsspitzen während Abschaltphasen des Betriebs der Schalter 204 virtuell eliminiert werden können, ohne auf eine Dämpfungsschaltung oder dergleichen zugreifen zu müssen.
Es sollte ferner beachtet werden, dass die bevorzugte oben beschriebene Struktur beträchtliche verbesserte thermische Eigenschaften vorsieht, die zuvor in Leistungssubstratmodulen nicht erzielbar waren. Wie oben dargelegt, erbringt so die Verwendung thermisch angepasster Schichten einschliesslich leitender Elemente 292, 293, 294 und 297 eine konsistente und gleichförmige Ausdehnung der verschiedenen Abschnitte des Substratmoduls 240 durch aufeinander folgende Wärmezyklen hindurch. Darüber hinaus sorgt die Verwendung relativ massiver leitender Elemente oder Slugs, die thermisch an das Plattenmaterial als Basen für Komponentenpackungen 208 angepasst sind, nicht nur für eine elektrische Verbindung mit den Schaltungskomponenten, sondern erbringt auch eine grosse wärmedissipative Schicht in direktem Kontakt mit den Komponenten. Wenn derartige Schichten von mehreren Komponenten geteilt werden, wie in der oben beschriebenen bevorzugten Auslegung, sehen die leitenden Elemente gleichförmigere dauerhafte Temperaturen und Temperaturgradienten über die Platte 201 hinweg und durch diese hindurch vor, als sie mit zuvor bekannten Leistungssubstraten erzielbar waren. Die leitenden Elemente 293 und 294 unterstützen eine Parallelanordnung der Schaltung 204 in Folge des niedrigen Wärmewiderstandes zwischen angrenzenden Schaltern 204 in den Banken 205 und 207. Da ferner die leitenden Elemente thermisch mit der Schicht 291 und durch diese über eine einzelne isolierende Schicht 290 mit der Wärmesenke 302 gekoppelt sind, wird während des Betriebs der Leistungsschaltung erzeugte Wärme direkter zur Wärmesenke übertragen als in bekannten Auslegungen.
Die Herstellung der Platte 201 des Moduls 240 wird weiter unten unter Bezugnahme auf die 6–12 erläutert. Die leitende Inhanced-Leiterplattenschicht 246 wird durch Plazieren der leitenden Elemente 292, 293, 294 und 297 in Fenstern oder Ausnehmungen 316, 318, 319 beziehungsweise 317 des Rahmens 295 ausgebildet. Die leitenden Elemente 292, 293, 294 und 297 können mit Epoxid oder anderen Haftmitteln im Rahmen 295 angeklebt werden. Eine nicht ausgehärtete Prepreg-Bondierungs-Filmschicht wie die Schicht 290 wird dann auf eine Seite der leitenden Inhanced-Schicht 288 gesprüht, um die isolierende Schicht 290 auszubilden. Die Schicht 290 ist vorzugsweise eine zweischichtige Expoxid-Laminat-Schicht mit 0,051 mm (0,002 inches) dicken Epoxid-Laminatschichten. Die leitende Schicht 291 ist auf der Schicht 290 befestigt und kann dann zur Ausbildung des in 12 gezeigten leitenden Musters geätzt werden. Die leitende Inhanced-Schicht 288 braucht in vorteilhafter Weise in Folge der isolierenden Natur des Rahmens 259 nicht geätzt zu werden.
Die Schicht 248 kann eine konventionelle Leiterplattenschicht sein, die im Stand der Technik wohl bekannt ist. Die Schichten 280 und 283 werden an der isolierenden Schicht 281 befestigt. Die Schicht 283 wird geätzt, um die speziellen in 6 gezeigten leitenden Muster auszubilden. Nach Ätzen der Schicht 283 wird die Schicht 248 darauf folgend an der Schicht 246 befestigt, indem eine adhäsive isolierende Schicht 285 zwischen den Schichten 248 und 246 plaziert wird. Die Schichten 246 und 248 werden dann unter Wärme und Druck ausgehärtet, so dass die Schichten 246 und 248 befestigt werden und die Schicht 290 ausgehärtet wird. Die Schicht 280 kann auch zur Ausbildung des in 9 gezeigten Musters geätzt werden, einschliesslich Footprints und Kontaktbereichen zur Aufnahme der Schalter 204 und des Temperatursensors 206.
Nach Befestigung der Schichten 246 und 248 ist die mehrschichtige Leistungssubstrat-Leiterplatte 201 dazu ausgelegt, Fenster oder Aussparungen 260, 262, 242 und 244 zu bilden. Die Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 werden bevorzugt mit tiefengesteuerter Fräseinrichtung gefräst. Eine Tiefensteuerungsfräseinrichtung kann zur Ausbildung der Fenster ohne Erfordernis einer hochtoleranten Maschine eingesetzt werden, da die Dicke der Slugs 292, 293, 294 und 297 in der leitenden Inhanced-Schicht 288 ausreichend ist (angenähert 0,762 mm (0,030 inches)), um einem Werkzeug wie einem Frässchneidgerät zu ermöglichen, durch die Schicht 248 zur Ausbildung der Fenster 260, 262, 242 und 244 abgesenkt zu werden, ohne die Slugs zu durchstechen. Nach der Konfigurierung, dem Schneiden, dem Fräsen oder der andersartigen Ausbildung der Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 in der mehrschichtigen Leiterplatte 201 werden Löcher wie die mit den Finger-Verbindern 313, 315, 229, 299, 241, 239, 237, 233, 327 und 323 verbundenen Löcher sowie die Löcher 221 und 323 in die Lei terplatte 201 gebohrt. Nach dem Bohren wird eine Lötmaske oder Fotoresist-Schicht auf die Schichten 280 und 291 aufgetragen und die Leiterplatte 201 wird weiter plattiert und geätzt. Insbesondere wird die Schicht 291 zur Ausbildung des in 12 gezeigten Musters geätzt. Eine weitere Plattierung der Leiterplatte 201 ermöglicht, dass Wände 371 (7) der Ausnehmungen 260, 262, 242 und 244 mit leitendem Material plattiert werden können. Die plattierten Wände 371 ermöglichen die Verbindung des Anbringungsbereichs oder der leitenden Elemente 292, 293 und 297 mit den Schichten 280 und 283.
Alternativ können die Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 in der Schicht 248 ausgebildet werden, bevor die Schichten 246 und 248 befestigt werden. Ferner können die Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 durch Bohren, Schneiden, Formen oder andersartige Konfigurierung der Leiterplattenschicht 248 ausgebildet werden. Beispielsweise können die Ausnehmungen 260, 262, 242 und 244 durch Vorsehen von Anbringungsbereichen dicht an einem Ende der Platte 201 ausgebildet werden. Die Leiterplattenschicht 248 kann geringere Abmessungen als die Schicht 246 aufweisen und zu einem Ende verschoben sein, so dass nur die leitende Inhanced-Schicht 246 am entgegen gesetzten Ende der Platte 201 vorgesehen ist. Auch kann die Schicht 248 aus unitären Stücken bestehen, die auf der Oberseite der Schicht 246 zur Ausbildung der Ausnehmungen 242, 244, 260 und 262 konfiguriert werden.
Gemäss 13 ist eine vorteilhafte starr/flexible mehrschichtige Leiterplattenstruktur 200 als Motorsteuer-Packung implementiert. Das Motorleiterplattensystem 2000 umfasst eine erste Leiterplatte 2200, die ein Kunden-Interface-Board 2200 sein kann, welches Anschlussfahnen 2240 umfasst, eine Leistungssubstrat-Leiterplatte 2600 und eine Kondensator-Leiterplatte 2400. Die Leistungssubstrat-Leiterplatte 2600 nimmt vorzugsweise IGBT's, SCR's, Thyristoren oder andere Halbleiterschalter (nicht dargestellt) auf, die Wechselstrom (AC) Leistungssignale zur Verwendung durch einen (nicht dargestellten) Motor liefern. Vorzugsweise umfasst die Leistungssubstrat-Leiterplatte 2600 ein Fenster 2620, welches nur eine flexible Leiterplattenlage 2605 an einer Stelle zwischen einer Oberseite 2650 und einer Bodenseite 2670 (15) aufweist. Vorzugsweise ist eine (nicht dargestellte) Wärmesenke auf einem Wärmesenkenbereich 2660 (15) der Oberfläche 2670 angebracht und es sind SM-Halbleitervorrichtungen auf der Oberfläche 2650 im Fenster 2620 befestigt.
In dieser Ausführung ist die Leistungssubstrat-Leiterplatte 2600 als Motherboard im konventionellen mechanischen Sinn konfiguriert. Alternativ kann eine (nicht dargestellte) zusätzliche Leiterplatte zum System 2000 hinzugefügt und als Motherboard verwendet werden. Nach einer weiteren Alternative kann die erste Leiterplatte 2200 oder die Kondensatorleiterplatte 2400 als das Motherboard konfiguriert werden.
Das System 2000 wird vorzugsweise aus einer einzelnen flexiblen Leiterplattenlage 2605, einer starren Leiterplattenlage 2608 und einer starren Leiterplattenlage 2610 (15) hergestellt. Die Lage 2605 ist bevorzugt eine ein- oder zweiseitig gedruckte Leiterplattenlage, die eine starre 0,762 mm (0,030 inches) dicke (nicht dargestellte) isolierende Lage umfasst, die zwischen 0,686 mm (0,0027 inches) dicken Glasfaser-Bondierungsschichten (beispielsweise 1080 GF, nicht dargestellt) angeordnet ist. Die isolierende Schicht oder Lage kann aus einem Glasfaser verstärktem Material wie GF4 bestehen. Eine (nicht dargestellte) 0,686 mm (0,0027 inches) dicke Glasfaser-Bondierfilmschicht kann ferner zwischen den Schichten 2605 und 2608 vorgesehen sein. Auf der Oberseite der obersten Bondierungsschichtlage ist eine dünne leitende oder metallische Schicht vorgesehen.
Die Schicht 2605 ist vorzugsweise eine flexible Leiterplattenlage, hergestellt von Parlex Corporation of Methuen, Massachusetts. Die Schicht 2605 umfasst eine 0,018 mm bis 0,025 mm (0,0007–0,001 inches) dicke Polyimid-Schicht, eine 0,025–0,05 mm (0,001–0,002 inches) dicke haftende Polyimid-Schicht, eine 56,7 g (2,0 Unzen) Kupferschicht einer Dicke von 0,071 mm (0,0028 inches), eine 0,032 mm (0,00125 inches) dicke Polyimid Kapton^® MT haftende Polyimid-Schicht, eine 56,7 g (2,0 Unzen) Kupferschicht einer Dicke von 0,071 mm (0,0028 inches), eine 0,025–0,05 mm (0,001–0,002 inches) dicke Polyimid-Haftschicht und eine 0,018–0,025 mm (0,0007–0,001 inches) dicke Polyimid-Schicht. Die die Lage 2605 umfassenden Schichten sind in der aufgelisteten Reihenfolge aneinander befestigt. Die Schicht 2605 kann mit Diamantmaterial AlN, Al₂O₃ oder anderen Substanzen zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit und zum Vorsehen einer gesteigerten Glimmbeständigkeit oder Koronabeständigkeit dotiert sein.
Die Schicht 2610 ist an der Schicht 2605 befestigt. Die Schicht 2610 umfasst eine isolierende Schicht oder Lage eines Glasfaser-Bondfilmmaterials (beispielsweise 1080 GF oder 106) einer Dicke von 0,0457–0,068 mm (0,0018–0,0027 inches), die an einer leitenden oder metallischen Schicht befestigt ist. Die leitende Schicht ist eine 0,025 mm (0,001 inches) dicke Schicht aus HTE Kupfer, die mit einer 0,025 mm (0,001 inches) Kupferschicht plattiert ist.
Die Schicht 2605 ist vorzugsweise zusammenhängend mit der Kunden-Interface-Platte 2200, dem Substrat 2600 und der Kondensator-Leiterplatte 2400. Die flexible Schicht 2605 sieht Leistungsbus-Verbinder 2420 und 2440 zwischen dem Substrat 2600 und der Kondensatorplatte 2400 vor. Die Leiter 2420 und 2440 beherbergen vorzugsweise eine positive und negative Leistungsbus-Leitung auf jeder Seite von den Verbindern 2420 und 2440 (beispielsweise die Schicht 2605). Darüber hinaus sieht die Schicht 2605 eine Verbindung 2220 von der Leistungssubstrat-Leiterplatte 2600 zur ersten Leiterplatte 2200 vor.
Die erste Leiterplatte 2200 und die Kondensator-Leiterplatte 2400 sind vorzugsweise unter einem Winkel von 90° bezüglich des Substrats 2600 angeordnet, wie in 13 gezeigt ist. Eine (nicht dargestellte) Wärmesenke ist vorzugsweise an der Oberfläche 2670 (zum Beispiel auf derselben Seite der Leistungssubstrat-Leiterplatte 2600, von der sich die erste Leiterplatte 2200 und die Kondensator-Leiterplatte 2400 erstrecken) befestigt. Diese vorteilhafte Orientierung des Systems 2000 liefert eine drahtlose Motorregler-Packung, die in einer kompakten Packung eine überlegene Wärmedissipation aufweist. Alternativ können die Seiten der Leistungssubstrat-Leiterplatte 2600, auf der elektrische Vorrichtungen und Wärmesenken angeordnet sind, vertauscht werden.
Die Konfiguration des Leiterplattensystems 2000 ermöglicht, dass zwischen der Platte 2200, der Platte 2400 und Platte 2600 ohne den Einsatz von sperrigen, unzuverlässigen und teuren Verbindern zur Verschaltung der ersten Leiterplatte 2200, der Kondensator-Leiterplatte 2400 und der Leistungssubstratleiterplatte 2600 Hochleistungs-Verbindungen herstellbar sind. Ferner ermöglicht die Flexibilität, die mit der flexiblen Lage oder Schicht 2605 einhergeht, dass die Platte 2200, die Platte 2400 und die Platte 2600 hinsichtlich vielfältiger mechanischer Packungen manipulierbar sind, und erleichtert die Herstellung des Leiterplattensystems 2000. Die Verwendung von Verbindungen zwischen der Platte 2200, der Platte 2400 und der Platte 2600 über die flexible Lage 2605 reduziert den Einsatz externer Drähte und Verbinder und damit die parasitäre Induktanz, die mit der Verschaltung der Leiterplatten einhergeht. Daher sieht das Leiterplattensystem 2000 eine vorteilhafte kompakte Struktur für einen Motorregler vor, welche nicht anfällig für parasitäre Induktanzprobleme ist. Darüber hinaus reduziert die Verwendung der Lage 2605 für Verbindungen Kriech- und Abstands-Probleme infolge der vorhandenen Hochspannungen. Ferner sieht der Einsatz der Schicht 2605 für Verbindungen Impedanzsteuer- und Masseebenen in logischen Verschaltungsbereichen des Systems 2000 vor.
In 15 ist eine vergrösserte Querschnittsansicht eines Teils vom System 2000 mit den Schichten 2605, 2608 und 2610 gezeigt. Vorzugsweise ermöglicht die dünne flexible Schicht 2605 eine überlegene Wärmeübertragung von der Oberfläche 2650 auf die Oberfläche 2670 der Leistungssubstrat-Leiterplatte 2600. Die Platte 2600 umfasst bevorzugt einen Wärmesenkenbereich 2660 auf der Bodenfläche 2670 der Schicht 2605. Alternativ kann das Fenster 2620 oder ein Bereich 2660 so konfiguriert werden, dass es beziehungsweise er starre Streifen (nicht dargestellt) der Schicht 2608 oder 2610 aufweist, die in einer Matrix über das Fenster 2620 oder den Bereich 2660 hinweg vorgesehen sind. Die starren Streifen sorgen für eine überlegene mechanische Festigkeit für das System 2000 im Fenster 2620 oder Bereich 2660.
Es versteht sich, dass, während die detaillierten Zeichnungen, spezifischen Beispiele und speziellen Materialien, die angegeben sind, ein bevorzugtes exemplarisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutern, diese Angaben nur zum Zwecke der Veranschaulichung dienen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten präzisen Details und Bedingungen beschränkt. Obgleich bei spielsweise spezielle SM-Packungen, elektrische Vorrichtungen und Leiterplattenlagen beschrieben sind, kann die mehrschichtige Leiterplatte mit anderen Arten Wärme erzeugenden Komponenten bestückt werden oder aus anderen Materialen bestehen. Auch können verschiedenste Konfigurationen für einen leitenden Wärmesenkenbereich verwendet werden. Ferner können auch verschiedene Arten, Abmessungen und Materialen für die Kupfer-Slugs verwendet werden. Während die speziellen Schaltungen als Motherboards im mechanischen Sinn gezeigt sind, können ferner andere Arten von Schaltungen auf dem Motherboard aufgenommen werden. Während die oben beschriebene Leistungssubstrat-Leiterplatte Gleichrichter- und Invertiererschaltungen für eine einzelne Phase vorsieht, können auch Module, die den selben Aufbau beinhalten, für eine Drei-Phasen-Gleichrichtung und -invertierung auf einer einzelnen Platte aufgebaut werden. Obgleich die oben beschriebene Struktur vier Schaltstufen parallel zur Erzielung der gewünschten Konvertierungsfunktion verwendet, können gleichermassen Module entsprechend der Erfindung mit mehr oder weniger Schaltvorrichtungen parallel oder einem einzigen Paar von Schaltern pro Phase aufgebaut werden.

Claims

Drahtloser Motorregler (10) aufweisend eine Leistungs-Substratleiterplatte (201; 2600), umfassend Halbleiterschalter (204), eine Kondensator-Leiterplatte (60; 2400), umfassend mehrere Speicherkondensatoren, die zwischen einen positiven Bus (220; 2420) und einen negativen Bus (222; 2440) geschaltet sind, wobei der drahtlose Motorregler (10) gekennzeichnet ist durch: eine erste Leiterplatte (62; 2200), die zumindest mit einer der Leistungs-Substratleiterplatte (201; 2600) und der Kondensator-Leiterplatte (60; 2400) mechanisch und elektrisch verbunden ist, wobei der positive Bus (220; 2420) und der negative Bus (222; 2440) auf der Kondensator-Leiterplatte (60) mit der Leistungs-Substratleiterplatte (201; 2600) allein über Leiter (280, 283, 288, 292, 293, 294, 297) einer gedruckten Schaltungsplatte elektrisch verbunden ist; wobei die gedruckten Schaltungsplattenleiter (280, 283, 288, 292, 293, 294, 297) leitende Elemente (293, 294) umfassen, die in einem isolierenden Rahmen (295) der Leistungs-Substratleiterplatte (201) angebracht sind und für die Halbleiterschalter (204) einen Anbringungsbereich und eine elektrische Verbindung vorsehen.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Elemente (292, 293, 294, 297) auch einen Anbringungsbereich und eine elektrische Verbindung für weitere elektrische Komponenten (202), speziell Gleichrichter, der Leistungs-Substratleiterplatte (202) vorsehen, und dass zwischen den verschiedenen Komponenten und Bussen eine elektrische Verbindung über mit galvanischem Überzug versehene Flächen und Löcher erzielt ist.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (62) eine Träger-Leiterplatte ist und ein erstes Anbringungsmittel (69) zur Aufnahme einer ersten Kante der Leistungs-Substratleiterplatte (206) und ein zweites Anbringungsmittel (65) zur Aufnahme einer zweiten Kante der Kondensator-Leiterplatte (60) umfasst.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anbringungsmerkmal (69) einen ersten Anbringungsfuss (245) der Leistungs-Substratleiterplatte (201) bei einer ersten Ausnehmung (75) aufnimmt und das zweite Anbringungsmerkmal (65) einen zweiten Anbringungsfuss (115) bei einer zweiten Ausnehmung (75) aufnimmt.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der positive Bus (220) auf einer ersten Seite der Kondensator-Leiterplatte (60) vorgesehen ist und der negative Bus (222) auf einer zweiten Seite der Kondensator-Leiterplatte (60) vorgesehen ist und dass der positive Bus (220) mit einem ersten Satz von Verbindern (229) auf der Leistungs-Substratleiterplatte (201) verbunden ist und der negative Bus (222) mit einem zweiten Satz von Verbindern (299) auf der Leistungs-Substratleiterplatte (201) verbunden ist.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz (229) und der zweite (299) Satz von Leitern Finger-Leiter sind, die auf einer ersten Seite der Leistungs-Substratleiterplatte (201) und einer zweiten Seiten des Leistungs-Substratmoduls (201) interstitiell liegend vorgesehen sind.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 6, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seite des Leistungs-Substratmoduls (201) eine Bodenebene umfasst, die zur Aufnahme einer Wärmesenke (302) konfiguriert ist.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das erste (69) und zweite (65) Anbringungsmittel einen Schlitz (75) umfassen, der durchgehende galvanisch überzogene Fingerverbinder (86, 88) aufweist.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungs-Substratleiterplatte (201; 2600) und die Kondensator-Leiterplatte (201; 2400) in einer senkrechten Weise bezüglich der Träger-Leiterplatte (62; 2200) angeordnet sind.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 1 oder 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungs-Substratleiterplatte (201) ein Fenster (300) aufweist, das eine Enhanced-Metall-Leiterplattenschicht (246) aufweist, die die leitenden Elemente (293, 294) umfasst.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche flexible Leiterplattenlage (2605) integral mit der ersten Leiterplatte (2200) oder der Leistungs-Substratleiterplatte (2600) und der Kondensator-Leiterplatte (2400) vorgesehen ist.
Drahtloser Motorregler (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche flexible Leiterplattenlage (2605) fortlaufend mit der ersten Leiterplatte (2200), der Leistungs-Substratleiterplatte (2600) und der Kondensator-Leiterplatte (2400) vorgesehen ist.