EP4691197A1 - Elektronische leistungsbaugruppe mit verbessertem aufbau - Google Patents

Elektronische leistungsbaugruppe mit verbessertem aufbau

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Publication number
EP4691197A1
EP4691197A1 EP24725073.1A EP24725073A EP4691197A1 EP 4691197 A1 EP4691197 A1 EP 4691197A1 EP 24725073 A EP24725073 A EP 24725073A EP 4691197 A1 EP4691197 A1 EP 4691197A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit board
additional unit
power module
receptacles
conductor tracks
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24725073.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Frana
Stefan Lodes
Martin Rövenstrunck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4691197A1 publication Critical patent/EP4691197A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14322—Housings specially adapted for power drive units or power converters wherein the control and power circuits of a power converter are arranged within the same casing
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14327—Housings specially adapted for power drive units or power converters having supplementary functional units, e.g. data transfer modules or displays or user interfaces

Definitions

  • the present invention is based on an electronic power module, in particular a converter unit,
  • the power module comprises a printed circuit board having conductor tracks for conducting power currents of 10 A and more
  • switching elements for switching the power currents are arranged directly on the circuit board or on a substrate which in turn is arranged on the circuit board,
  • the power module has an additional unit arranged above the circuit board, which has a bottom side facing the circuit board,
  • the additional unit has electronic components.
  • Such power modules are well known. They are used, for example, as power supply devices for electric drives.
  • the connecting units comprise screws that are screwed into corresponding threads. This is disadvantageous because the screw head of each screw must be accessible. Thus, each point where a screw is to be screwed in blocks a larger volume above the screw head, which must be kept free and cannot be used for other purposes - in particular the arrangement of electronic components or conductor tracks.
  • an electronic power module in the form of a converter unit has a circuit board in a main unit.
  • the power module also has an additional unit arranged to the side of the converter unit, which has a side facing the circuit board.
  • An electronic circuit can be arranged on the additional unit.
  • the main unit and the additional unit have plug connectors, via which the main unit and the additional unit are electrically connected to one another.
  • the components of the plug contacts are arranged on the sides of the main unit and the additional unit facing one another. Signals are exchanged between the circuit board of the main unit and the circuit board of the additional unit via the plug connectors.
  • the object of the present invention is to create possibilities by means of which the installation space available for the arrangement of mechanical and electrical elements (including conductor tracks) of the additional unit and also of the power module as a whole can be increased.
  • an electronic power module of the type mentioned at the outset is designed in such a way that
  • connection units that the electronic components are electrically connected to the conductor tracks of the circuit board via connection units
  • connection units each have a plug contact and a receptacle for the respective plug contact and
  • the receptacles are attached to the underside of the additional unit. are arranged and the plug contacts are attached directly or indirectly to the conductor tracks of the circuit board.
  • screw connections are not required to establish the electrical connections between the circuit board and the additional unit.
  • the electrical connections do not have to be able to absorb or transmit any mechanical forces, with the exception of the contact forces required to ensure the desired current-carrying capacity of the connection units.
  • the power currents carried by the conductor tracks are 10 A or more. They are often 100 A or even several 100 A, and in extreme cases even more than 1 kA.
  • Switching elements for switching the power currents are usually either arranged directly on the circuit board or on a substrate which is itself arranged on the circuit board. The switching elements are used to switch voltages of 100 V and more, usually voltages of several 100 V, in some cases even voltages above 1 kV, in extreme cases up to 3.0 kV or 3.3 kV.
  • the potential that a particular conductor track of this type has or carries varies to the same extent over time.
  • Plug contacts that are suitable for conducting the required power currents are known as such. Purely as an example, reference can be made to DE 10 2021 119 087 Al and DE 10 2021 119 088 Al.
  • the additional unit can be arranged directly on the circuit board.
  • the power module has a bridge structure made of an electrically insulating material, in particular a plastic, which has a support surface on its upper side facing away from the circuit board and towards the additional unit.
  • the bridge structure forms a mounting plane for the additional unit and the additional unit is located with its underside directly or via an intermediate element on the support surface of the bridge structure. This means that the installation space of the power module located under the bridge structure can also be used for the arrangement of electronic components.
  • the power module preferably has angled busbars, each of which has a circuit board end section, an additional unit end section and an intermediate section connecting the two respective end sections.
  • the circuit board end sections run parallel to the circuit board and are attached to the conductor tracks.
  • the intermediate sections extend essentially orthogonally to the circuit board.
  • the additional unit end sections run in the mounting plane.
  • One of the receptacles or one of the plug contacts is attached to the ends of the additional unit end sections facing away from the intermediate sections.
  • connection units i.e. the receptacles or plug contacts that are directly or indirectly electrically and mechanically connected to the conductor tracks of the circuit board
  • circuit board-side elements of the connection units i.e. the receptacles or plug contacts that are directly or indirectly electrically and mechanically connected to the conductor tracks of the circuit board
  • the additional unit end sections project beyond the bridge structure when viewed in the assembly plane, so that the receptacles or plug contacts arranged at the ends of the additional unit end sections facing away from the intermediate sections can give way in the direction of the circuit board when the additional unit is placed on the bridge structure. This allows tolerance compensation to be carried out in a simple manner.
  • the receptacles or the plug contacts are pressed into the additional unit end sections. This design offers manufacturing advantages when producing the busbars.
  • the plug contacts or receptacles can protrude from the underside of the additional unit towards the circuit board.
  • the plug contacts or receptacles arranged on the underside of the additional unit are set back from the underside of the additional unit, so that the plug contacts or receptacles are recessed in relation to the underside of the additional unit.
  • This design protects the corresponding plug contacts or receptacles from damage when handling the additional unit. Furthermore, air and creepage distances and thus the dielectric strength of the power module can be increased.
  • FIG 1 Components of an electronic power module from the side
  • FIG 2 is a plan view of a printed circuit board
  • FIG 3 a section through an additional part
  • FIGS 4 to 6 perspective views of components of an electronic power module
  • FIG 7 is a perspective view of an additional part
  • FIG 8 is a perspective view of an electronic power module
  • FIG 9 a section through the power module of
  • FIG 8 is a diagrammatic representation of FIG. 1 .
  • FIGS 1 to 3 are clearly schematic. They show only a fraction of the components actually present. etc. FIGS. 4 to 9, however, are considerably more detailed and closer to reality.
  • an electronic power module has a circuit board 1.
  • the power module can, for example, be a converter unit.
  • the circuit board 1 has conductor tracks 2 and further conductor tracks 3.
  • the conductor tracks 2 are used to conduct power currents.
  • the further conductor tracks 3 are used to transmit control signals and measured variables.
  • the conductor tracks 2 for the power currents are considerably larger than the further conductor tracks 3.
  • Electronic components 4 are often placed on the conductor tracks 2 and sometimes also on the further conductor tracks 3, for example switching elements such as transistors or thyristors in the case of a converter unit.
  • the exact type of transistors or thyristors can be as required, for example in the case of transistors as bipolar transistors, as IGBTs or as FETs. Only a single switching element of this type is shown in FIG 1. However, there are usually several switching elements.
  • conductor track 2 In the following, only the conductor tracks 2 are relevant for the power currents. When the term “conductor track” is used below, this always refers to the conductor tracks 2 for the power currents. The other conductor tracks 3 are not considered below.
  • the electronic power module also has an additional unit 5 .
  • the additional unit 5 is arranged above the circuit board 1 . It has a bottom 6 that faces the circuit board 1 .
  • the additional unit 5 also has electronic components 7 .
  • the electronic components 7 can be arranged on a separate circuit board 8 of the additional unit 5 , for example.
  • the electronic components 7 can form a filter circuit that is common in converter units, for example.
  • the additional unit 5 is not yet connected to the circuit board in the illustration in FIG 1 . board 1 and the conductor tracks 2 arranged on the circuit board 1.
  • circuit board 8 of the additional unit 5 is of secondary importance within the scope of the present invention. Therefore, when the term “circuit board” is used below, this always refers to the circuit board 1, not the circuit board 8.
  • connection units 9 In FIGS. 1 and 2, only one connection unit 9 or a part of a connection unit 9 is shown. As a rule, several connection units 9 are present, for example three connection units 9 as shown in FIG. 3.
  • connection units 9 each have a plug contact 10 and a receptacle 11 for the respective plug contact 10.
  • the plug contacts 10 are arranged on the underside 6 of the additional unit 5.
  • the receptacles 11 are attached directly or indirectly to the conductor tracks 2 of the circuit board 1.
  • the reverse assignment is also possible.
  • the receptacles 11 are arranged on the underside 6 of the additional unit 5 and the plug contacts 10 are also attached directly or indirectly to the conductor tracks 2 of the circuit board 1.
  • the additional unit 5 and its electronic components 7 can therefore be electrically connected to the conductor tracks 2 of the circuit board 1 simply by placing the additional unit 5 on the receptacles 11 or the plug contacts 10. The touchdown is indicated in FIG 1 by an arrow PI .
  • the additional unit 5 By placing the additional unit 5 on the receptacles 11 (or the plug contacts 10 ), essentially only the electrical contacting of the electronic components 7 takes place. the additional unit 5 with the conductor tracks 2 .
  • the mechanical mounting of the additional part 5 is implemented in another way. For example, a bracket can be provided or screwing can take place. Other designs are also possible. This is of secondary importance within the scope of the present invention.
  • the power module has a bridge structure 12 (with regard to FIGS. 1 to 3, only shown in FIG. 1).
  • the bridge structure 12 if present, consists of an electrically insulating material, in particular a plastic.
  • the bridge structure 12 is attached to the circuit board 1. It can be attached as required, for example using schematically indicated screw connections 13.
  • the bridge structure 12 has a support surface 15 on its upper side 14 - that is, the side which faces away from the circuit board 1 and thus at the same time faces the additional unit 5.
  • the bridge structure 12 therefore forms a mounting plane for the additional unit 5. In the simplest case (see FIG. 1), the additional unit 5 rests directly on the support surface 15 of the bridge structure 12.
  • the power assembly often further comprises busbars 16.
  • the busbars 16 are angled. They each comprise a circuit board end section 17, an auxiliary unit end section 18 and an intermediate section 19.
  • the circuit board end sections 17 run parallel to the circuit board 1 and are attached to the conductor tracks 2.
  • the connection can be as required, for example via schematically indicated screw connections 20, via solder connections, via plug connections and others.
  • the exact type of attachment is of secondary importance within the scope of the present invention.
  • the intermediate sections 19 connect the two end sections
  • the additional unit end sections 18 run in the assembly plane formed by the bridge structure 12.
  • One of the plug contacts 10 (alternatively: one of the receptacles 11) is fastened to each of the ends of the additional unit end sections 18 facing away from the intermediate sections 19.
  • the additional unit end sections 18 protrude beyond the bridge structure 12 when viewed in the assembly plane. This applies in particular to the areas of the additional unit end sections 18 in which the plug contacts 10 (alternatively: the receptacles 11) are attached. As a result, the corresponding areas of the additional unit end sections 18 can give way - even if only slightly - in the direction of the circuit board 1 when the additional unit 5 is placed on the bridge structure 12. This is indicated in FIG. 1 by an arrow P2.
  • the plug contacts 10 arranged on the underside 6 of the additional unit 5 are set back from the underside 6 of the additional unit 5.
  • the plug contacts 10 are arranged countersunk with respect to the underside 6 of the additional unit 5.
  • FIGS. 4 to 9 show - as far as relevant here - the same facts that were explained above in connection with FIGS. 1 to 3, using a real electronic power module.
  • FIGS 4 and 5 show an electronic power module before the additional unit 5 is fitted.
  • FIGS 4 and 5 show the circuit board 1, part of the electronic components 4, the bridge structure 12 and its design, the busbars 16 and their design, and the receptacles 11.
  • FIGS. 4 and 5 only one of the busbars 16 has the additional unit end section 18 provided with its reference symbol and only one of the receptacles 11 has its reference symbol.
  • FIGS. 4 and 5 show a heat sink 21 which is usually present.
  • FIG. 6 also shows the electronic power module of FIGS. 4 and 5 before the additional unit 5 is placed on the bridge structure 12.
  • cover elements 22, 23 are applied to the circuit board 1.
  • the cover element 23 forms an intermediate element which is arranged between the top side 14 of the bridge structure 12 and the additional unit 5.
  • the additional unit 5 does not rest with its bottom side 6 directly on the support surface 15 of the bridge structure 12, but only indirectly via the cover element 23.
  • FIG 7 shows the additional unit 5. In FIG 7 it can be seen particularly clearly that the plug contacts 10 are set back from the underside 6 of the additional unit 5.
  • FIG 8 shows the electronic power module after the additional unit 5 has been placed on the bridge structure 12.
  • FIG 9 shows a section through the electronic power module of FIG 8 after the additional attachment of a housing 24.
  • the circuit board 1, part of the electronic components 4, the additional unit 5, one of the connection units 9 and its structure, the bridge structure 12 and its design, part of a busbar 16 and its design and the heat sink 21 can be seen.
  • the busbar 16 only its additional unit end section 18 is provided with its reference symbol.
  • a further advantageous embodiment can be seen from FIG 9, namely that the receptacles 11 (alternatively: the Plug contacts 10 ) are pressed into the additional unit end sections 18 .
  • FIG. 9 A significant advantage of the present invention can also be seen from FIG. 9. Specifically, the area 25 in the additional unit 5 according to the invention is available as usable space for the arrangement of components of the additional unit 5. In the prior art, however, the area 25 would have to be left free.
  • the present invention has many advantages.
  • a larger usable volume is available for the arrangement of conductor tracks 2, further conductor tracks 3 and electronic components 4 or also mechanical components and structures.
  • the assembly of the electronic power module is simplified.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)

Abstract

Eine elektronische Leistungsbaugruppe, die insbesondere als Umrichtereinheit ausgebildet sein kann, weist eine Leiterplatte (1) auf, welche Leiterbahnen (2) zum Führen von Leistungsströmen aufweist. Die Leistungsbaugruppe weist weiterhin eine oberhalb der Leiterplatte (1) angeordnete Zusatzeinheit (5) auf, die eine der Leiterplatte (1) zugewandte Unterseite (6) aufweist. Die Zusatzeinheit (5) weist elektronische Komponenten (7) auf, die mit den Leiterbahnen (2) der Leiterplatte (1) über Verbindungseinheiten (9) elektrisch verbunden sind. Die Verbindungseinheiten (9) weisen jeweils einen Steckkontakt (10) und eine Aufnahme (11) für den jeweiligen Steckkontakt (10) auf. Die Steckkontakte (10) sind an der Unterseite (6) der Zusatzeinheit (5) angeordnet und die Aufnahmen (11) sind direkt oder indirekt an den Leiterbahnen (2) der Leiterplatte (1) befestigt. Alternativ können umgekehrt die Aufnahmen (11) an der Unterseite (6) der Zusatzeinheit (5) angeordnet sein und die Steckkontakte (10) direkt oder indirekt an den Leiterbahnen (2) der Leiterplatte (1) befestigt sein.

Description

Beschreibung
Elektronische Leistungsbaugruppe mit verbessertem Aufbau
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer elektronischen Leistungsbaugruppe , insbesondere einer Umrichtereinheit ,
- wobei die Leistungsbaugruppe eine Leiterplatte aufweist , welche Leiterbahnen zum Führen von Leistungsströmen von 10 A und mehr aufweist ,
- wobei Schaltelemente zum Schalten der Leistungsströme direkt auf der Leiterplatte angeordnet sind oder auf einem seinerseits auf der Leiterplatte angeordneten Substrat angeordnet sind,
- wobei mittels der Schaltelemente Spannungen von 100 V und mehr geschaltet werden und das Potenzial , das eine bestimmte Leiterbahn aufweist bzw . führt , im Laufe der Zeit im gleichen Ausmaß variiert ,
- wobei die Leistungsbaugruppe eine oberhalb der Leiterplatte angeordnete Zusatzeinheit aufweist , die eine der Leiterplatte zugewandte Unterseite aufweist ,
- wobei die Zusatzeinheit elektronische Komponenten aufweist .
Derartige Leistungsbaugruppen sind allgemein bekannt . Sie werden beispielsweise als Stromversorgungseinrichtungen für elektrische Antriebe eingesetzt .
Bei den Leistungsbaugruppen des Standes der Technik umfassen die Verbindungseinheiten Schrauben, die in entsprechende Gewinde eingedreht werden . Dies ist nachteilig, weil der Schraubenkopf j eder Schraube zugänglich sein muss . Somit blockiert j ede Stelle , an der eine Schraube eingedreht werden soll , oberhalb des Schraubenkopfes ein größeres Volumen, das freigehalten werden muss und nicht für andere Zwecke - insbesondere die Anordnung von elektronischen Komponenten oder Leiterbahnen - genutzt werden kann .
Aus der US 2017 / 0 244 197 Al ist eine elektronische Leistungsbaugruppe in Form einer Umrichtereinheit bekannt . Die Leistungsbaugruppe weist in einer Haupteinheit eine Leiterplatte auf . Die Leistungsbaugruppe weist weiterhin eine seitlich neben der Umrichtereinheit angeordnete Zusatzeinheit auf , die eine der Leiterplatte zugewandte Seite aufweist . Auf der Zusatzeinheit kann eine elektronische Schaltung angeordnet sein . Die Haupteinheit und die Zusatzeinheit weisen Steckverbinder auf , über welche die Haupteinheit und die Zusatzeinheit elektrisch miteinander verbunden sind . Die Bestandteile der Steckkontakte sind aneinander zugewandten Seiten der Haupteinheit und der Zusatzeinheit angeordnet . Uber die Steckverbinder werden Signale zwischen der Leiterplatte der Haupteinheit und der Leiterplatte der Zusatzeinheit ausgetauscht .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaf fen, mittels derer der für die Anordnung von mechanischen und elektrischen Elementen ( einschließlich Leiterbahnen) zur Verfügung stehende Bauraum der Zusatzeinheit und auch der Leistungsbaugruppe insgesamt vergrößert werden kann .
Die Aufgabe wird durch eine elektronische Leistungsbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektronischen Leistungsbaugruppe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6 .
Erfindungsgemäß wird eine elektronische Leistungsbaugruppe der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet ,
- dass die elektronischen Komponenten mit den Leiterbahnen der Leiterplatte über Verbindungseinheiten elektrisch verbunden sind,
- dass die Verbindungseinheiten j eweils einen Steckkontakt und eine Aufnahme für den j eweiligen Steckkontakt aufweisen und
- dass die Steckkontakte an der Unterseite der Zusatzeinheit angeordnet sind und die Aufnahmen direkt oder indirekt an den Leiterbahnen der Leiterplatte befestigt sind oder umgekehrt die Aufnahmen an der Unterseite der Zusatzeinheit an- geordnet sind und die Steckkontakte direkt oder indirekt an den Leiterbahnen der Leiterplatte befestigt sind .
Insbesondere wurde erkannt , dass für das Herstellen der elektrischen Verbindungen zwischen der Leiterplatte und der Zusatzeinheit Schraubverbindungen nicht erforderlich sind . Insbesondere müssen die elektrischen Verbindungen - mit Ausnahme der Kontaktkräfte , die zur Gewährleistung der gewünschten Stromtragfähigkeit der Verbindungseinheiten erforderlich sind - keine mechanischen Kräfte aufnehmen und übertragen können .
Die von den Leiterbahnen geführten Leistungsströme liegen bei 10 A und mehr . Oftmals liegen sie bei 100 A oder sogar mehreren 100 A, in extremen Fällen sogar bei über 1 kA. Schaltelemente zum Schalten der Leistungsströme sind meist entweder direkt auf der Leiterplatte angeordnet oder auf einem Substrat angeordnet , das seinerseits auf der Leiterplatte angeordnet ist . Mittels der Schaltelemente werden Spannungen von 100 V und mehr geschaltet , meist Spannungen von mehreren 100 V, in manchen Fällen sogar Spannungen oberhalb von 1 kV, im Extremfall bis zu 3 , 0 kV oder 3 , 3 kV . Im gleichen Ausmaß variiert im Laufe der Zeit auch das Potenzial , das eine bestimmte derartige Leiterbahn aufweist bzw . führt .
Steckkontakte , die für das Führen der erforderlichen Leistungsströme geeignet sind, sind als solche bekannt . Rein beispielhaft kann auf die DE 10 2021 119 087 Al und auf die DE 10 2021 119 088 Al verwiesen werden .
In manchen Fällen kann die Zusatzeinheit direkt auf der Leiterplatte angeordnet sein . Vorzugsweise weist die Leistungsbaugruppe j edoch eine aus einem elektrisch isolierenden Material , insbesondere einem Kunststof f , bestehende Brückenstruktur auf , die an ihrer von der Leiterplatte abgewandten und der Zusatzeinheit zugewandten Oberseite eine Auflagefläche aufweist . In diesem Fall bildet die Brückenstruktur eine Montageebene für die Zusatzeinheit und liegt die Zusatzeinheit mit ihrer Unterseite direkt oder über ein Zwischenelement auf der Auflagefläche der Brückenstruktur auf . Dadurch kann insbesondere auch der unter der Brückenstruktur befindliche Bauraum der Leistungsbaugruppe für die Anordnung von elektronischen Bauelementen genutzt werden .
Im Falle der Verwendung der Brückenstruktur weist die Leistungsbaugruppe vorzugsweise abgewinkelte Stromschienen auf , die j eweils einen Leiterplatten-Endabschnitt , einen Zusatzeinheits-Endabschnitt und einen die beiden j eweiligen Endabschnitte verbindenden Zwischenabschnitt aufweisen . In diesem Fall verlaufen die Leiterplatten-Endabschnitte parallel zur Leiterplatte und sind an den Leiterbahnen befestigt . Die Zwischenabschnitte erstrecken sich im wesentlichen orthogonal zur Leiterplatte . Die Zusatzeinheits-Endabschnitte verlaufen in der Montageebene . An den von den Zwischenabschnitten abgewandten Enden der Zusatzeinheits-Endabschnitte ist j eweils eine der Aufnahmen oder einer der Steckkontakte befestigt .
Diese Ausgestaltung ermöglicht auf einfache und zuverlässige Weise eine Anordnung der leiterplattenseitigen Elemente der Verbindungseinheiten ( also der direkt oder indirekt mit den Leiterbahnen der Leiterplatte elektrisch und mechanisch verbundenen Aufnahmen oder Steckkontakte ) in der Montageebene für die Zusatzeinheit .
Vorzugsweise stehen die Zusatzeinheits-Endabschnitte in der Montageebene gesehen über die Brückenstruktur über, so dass die an den von den Zwischenabschnitten abgewandten Enden der Zusatzeinheits-Endabschnitte angeordneten Aufnahmen oder Steckkontakte beim Aufsetzen der Zusatzeinheit auf die Brückenstruktur in Richtung auf die Leiterplatte zu nachgeben können . Dadurch kann auf einfache Art und Weise ein Toleranzausgleich erfolgen .
Vorzugsweise sind die Aufnahmen oder die Steckkontakte in die Zusatzeinheits-Endabschnitte eingepresst . Diese Ausgestaltung bietet fertigungstechnische Vorteile beim Herstellen der Stromschienen .
Die Steckkontakte oder Aufnahmen können über die Unterseite der Zusatzeinheit auf die Leiterplatte zu vorstehen . Vorzugsweise sind j edoch die an der Unterseite der Zusatzeinheit angeordneten Steckkontakte oder Aufnahmen gegenüber der Unterseite der Zusatzeinheit zurückgesetzt , so dass die Steckkontakte oder Aufnahmen bezüglich der Unterseite der Zusatzeinheit versenkt angeordnet sind . Diese Ausgestaltung schützt die entsprechenden Steckkontakte oder Aufnahmen bei der Handhabung der Zusatzeinheit vor einer Beschädigung . Ferner können dadurch Luft- und Kriechstrecken und damit die Spannungsfestigkeit der Leistungsbaugruppe vergrößert werden .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele , die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Hierbei zeigen in schematischer Darstellung :
FIG 1 Bestandteile einer elektronischen Leistungsbaugruppe von der Seite ,
FIG 2 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte ,
FIG 3 einen Schnitt durch einen Zusatzteil ,
FIG 4 bis 6 perspektivische Darstellungen von Bestandteilen einer elektronischen Leistungsbaugruppe ,
FIG 7 eine perspektivische Darstellung eines Zusatzteils ,
FIG 8 eine perspektivische Darstellung einer elektronischen Leistungsbaugruppe und
FIG 9 einen Schnitt durch die Leistungsbaugruppe von
FIG 8 .
Hierbei sind die FIG 1 bis 3 deutlich schematisiert . In ihnen ist nur ein Bruchteil der tatsächlich vorhandenen Bauelemente usw . dargestellt . Die FIG 4 bis 9 hingegen sind erheblich detaillierter und realitätsnäher .
Gemäß den FIG 1 und 2 weist eine elektronische Leistungsbaugruppe eine Leiterplatte 1 auf . Die Leistungsbaugruppe kann beispielsweise eine Umrichtereinheit sein . Die Leiterplatte 1 weist Leiterbahnen 2 und weitere Leiterbahnen 3 auf . Die Leiterbahnen 2 dienen zum Führen von Leistungsströmen . Die weiteren Leiterbahnen 3 dienen für die Übermittlung von Steuersignalen und Messgrößen . Gemäß FIG 2 sind die Leiterbahnen 2 für die Leistungsströme erheblich größer dimensioniert als die weiteren Leiterbahnen 3 . Auf die Leiterbahnen 2 und teilweise auch auf die weiteren Leiterbahnen 3 sind oftmals elektronische Bauteile 4 aufgesetzt , beispielsweise im Falle einer Umrichtereinheit Schaltelemente wie Transistoren oder Thyristoren . Die genaue Bauart der Transistoren oder Thyristoren kann nach Bedarf sein, beispielsweise bei Transistoren als Bipolartransistoren, als IGBT oder als FET . In FIG 1 ist nur ein einzelnes derartiges Schaltelement dargestellt . In der Regel sind j edoch mehrere Schaltelemente vorhanden .
Nachfolgend sind nur die Leiterbahnen 2 für die Leistungsströme relevant . Wenn nachfolgend der Begri f f „Leiterbahn" verwendet wird, sind hiermit stets die Leiterbahnen 2 für die Leistungsströme gemeint . Die weiteren Leiterbahnen 3 werden nachstehend nicht betrachtet .
Die elektronische Leistungsbaugruppe weist weiterhin eine Zusatzeinheit 5 auf . Die Zusatzeinheit 5 ist oberhalb der Leiterplatte 1 angeordnet . Sie weist eine Unterseite 6 auf , die der Leiterplatte 1 zugewandt ist . Die Zusatzeinheit 5 weist weiterhin elektronische Komponenten 7 auf . Die elektronischen Komponenten 7 können beispielsweise auf einer eigenen Leiterplatte 8 der Zusatzeinheit 5 angeordnet sein . Die elektronischen Komponenten 7 können beispielsweise eine in Umrichtereinheiten übliche Filterschaltung bilden . Die Zusatzeinheit 5 ist in der Darstellung von FIG 1 noch nicht mit der Leiter- platte 1 und den auf der Leiterplatte 1 angeordneten Leiterbahnen 2 verbunden .
Die Leiterplatte 8 der Zusatzeinheit 5 ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung von untergeordneter Bedeutung . Wenn daher nachfolgend der Begri f f „Leiterplatte" verwendet wird, ist stets die Leiterplatte 1 gemeint , nicht die Leiterplatte 8 .
Die elektronischen Komponenten 7 der Zusatzeinheit 5 sind mit den Leiterbahnen 2 der Leiterplatte 1 elektrisch verbunden . Die elektrische Verbindung erfolgt ( zumindest ) über Verbindungseinheiten 9 . In den FIG 1 und 2 ist j eweils nur eine Verbindungseinheit 9 bzw . ein Teil einer Verbindungseinheit 9 dargestellt . In der Regel sind mehrere Verbindungseinheiten 9 vorhanden, beispielsweise entsprechend der Darstellung in FIG 3 drei Verbindungseinheiten 9 .
Die Verbindungseinheiten 9 weisen j eweils einen Steckkontakt 10 und eine Aufnahme 11 für den j eweiligen Steckkontakt 10 auf . Gemäß FIG 1 sind die Steckkontakte 10 an der Unterseite 6 der Zusatzeinheit 5 angeordnet . In diesem Fall sind die Aufnahmen 11 direkt oder indirekt an den Leiterbahnen 2 der Leiterplatte 1 befestigt . Alternativ ist auch die umgekehrte Zuordnung möglich . In diesem Fall - in den FIG nicht dargestellt - sind die Aufnahmen 11 an der Unterseite 6 der Zusatzeinheit 5 angeordnet und sind weiterhin die Steckkontakte 10 direkt oder indirekt an den Leiterbahnen 2 der Leiterplatte 1 befestigt . Unabhängig davon, ob die eine oder die andere Ausgestaltungen ergri f fen wird, können die Zusatzeinheit 5 und deren elektronische Komponenten 7 daher schlichtweg durch Aufsetzen der Zusatzeinheit 5 auf die Aufnahmen 11 bzw . die Steckkontakte 10 elektrisch mit den Leiterbahnen 2 der Leiterplatte 1 verbunden werden . Das Aufsetzen ist in FIG 1 durch einen Pfeil PI angedeutet .
Durch das Aufsetzen der Zusatzeinheit 5 auf die Aufnahmen 11 (bzw . die Steckkontakte 10 ) erfolgt im wesentlichen nur die elektrische Kontaktierung der elektronischen Komponenten 7 der Zusatzeinheit 5 mit den Leiterbahnen 2 . Die mechanische Halterung des Zusatzteils 5 wird anderweitig realisiert . Beispielsweise kann ein Bügel vorgesehen sein oder ein Verschrauben erfolgen . Auch andere Ausgestaltungen sind möglich . Dies ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung von untergeordneter Bedeutung .
In vielen Fällen weist die Leistungsbaugruppe eine Brückenstruktur 12 auf (bezüglich der FIG 1 bis 3 nur in FIG 1 dargestellt ) . Die Brückenstruktur 12 besteht , sofern sie vorhanden ist , aus einem elektrisch isolierenden Material , insbesondere einem Kunststof f . Die Brückenstruktur 12 ist auf der Leiterplatte 1 befestigt . Die Befestigung kann nach Bedarf erfolgen, beispielsweise über schematisch angedeutete Schraubverbindungen 13 . Die Brückenstruktur 12 weist an ihrer Oberseite 14 - das ist diej enige Seite , die von der Leiterplatte 1 abgewandt und damit gleichzeitig der Zusatzeinheit 5 zugewandt ist - eine Auflagefläche 15 auf . Die Brückenstruktur 12 bildet dadurch eine Montageebene für die Zusatzeinheit 5. Die Zusatzeinheit 5 liegt im einfachsten Fall ( siehe FIG 1 ) direkt auf der Auflagefläche 15 der Brückenstruktur 12 auf .
Im Falle der Brückenstruktur 12 weist die Leistungsbaugruppe weiterhin oftmals Stromschienen 16 auf . Die Stromschienen 16 sind abgewinkelt . Sie weisen j eweils einen Leiterplatten- Endabschnitt 17 , einen Zusatzeinheits-Endabschnitt 18 und einen Zwischenabschnitt 19 auf .
Die Leiterplatten-Endabschnitte 17 verlaufen parallel zur Leiterplatte 1 und sind an den Leiterbahnen 2 befestigt . Die Verbindung kann nach Bedarf sein, beispielsweise über schematisch angedeutete Schraubverbindungen 20 , über Lötverbindungen, über Steckverbindungen und andere mehr . Die genaue Art der Befestigung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung von untergeordneter Bedeutung . Die Zwischenabschnitte 19 verbinden die beiden Endabschnitte
17 , 18 der j eweiligen Stromschiene 16 miteinander . Sie erstrecken sich im wesentlichen orthogonal zur Leiterplatte 1 .
Die Zusatzeinheits-Endabschnitte 18 verlaufen in der von der Brückenstruktur 12 gebildeten Montageebene . An den von den Zwischenabschnitten 19 abgewandten Enden der Zusatzeinheits- Endabschnitte 18 ist j eweils einer der Steckkontakte 10 ( alternativ : eine der Aufnahmen 11 ) befestigt .
Gemäß FIG 1 stehen die Zusatzeinheits-Endabschnitte 18 in der Montageebene gesehen über die Brückenstruktur 12 über . Dies gilt insbesondere für die Bereiche der Zusatzeinheits-Endabschnitte 18 , in denen die Steckkontakte 10 ( alternativ : die Aufnahmen 11 ) befestigt sind . Dadurch können die entsprechenden Bereiche der Zusatzeinheits-Endabschnitte 18 beim Aufsetzen der Zusatzeinheit 5 auf die Brückenstruktur 12 - wenn auch nur geringfügig - in Richtung auf die Leiterplatte 1 zu nachgeben . Dies ist in FIG 1 durch einen Pfeil P2 angedeutet .
Wie insbesondere aus FIG 1 ersichtlich ist , sind die an der Unterseite 6 der Zusatzeinheit 5 angeordneten Steckkontakte 10 ( alternativ : die an der gleichen Stelle angeordneten Aufnahmen 11 ) gegenüber der Unterseite 6 der Zusatzeinheit 5 zurückgesetzt . Dadurch sind die Steckkontakte 10 ( alternativ : die Aufnahmen 11 ) bezüglich der Unterseite 6 der Zusatzeinheit 5 versenkt angeordnet .
Die FIG 4 bis 9 zeigen - soweit vorliegend relevant - die gleichen Sachverhalte , die vorstehend in Verbindung mit den FIG 1 bis 3 erläutert wurden, anhand einer realen elektronischen Leistungsbaugruppe .
Die FIG 4 und 5 zeigen eine elektronische Leistungsbaugruppe vor dem Auf setzen der Zusatzeinheit 5 . Konkret erkennt man in den FIG 4 und 5 die Leiterplatte 1 , einen Teil der elektronischen Bauelemente 4 , die Brückenstruktur 12 und deren Ausgestaltung, die Stromschienen 16 und deren Ausgestaltung sowie die Aufnahmen 11 . In den FIG 4 und 5 ist nur bei einer der Stromschienen 16 der Zusatzeinheits-Endabschnitt 18 mit seinem Bezugs zeichen versehen und ist auch nur eine der Aufnahmen 11 mit ihrem Bezugs zeichen versehen . Weiterhin zeigen die FIG 4 und 5 einen üblicherweise vorhandenen Kühlkörper 21 .
Auch FIG 6 zeigt die elektronische Leistungsbaugruppe der FIG 4 und 5 vor dem Aufsetzen der Zusatzeinheit 5 auf die Brückenstruktur 12 . Bei FIG 6 sind auf die Leiterplatte 1 j edoch Abdeckelemente 22 , 23 aufgebracht . Das Abdeckelement 23 bildet ein Zwischenelement , das zwischen der Oberseite 14 der Brückenstruktur 12 und der Zusatzeinheit 5 angeordnet ist . Dadurch liegt die Zusatzeinheit 5 mit ihrer Unterseite 6 nicht direkt , sondern nur indirekt über das Abdeckelement 23 auf der Auflagefläche 15 der Brückenstruktur 12 auf .
FIG 7 zeigt die Zusatzeinheit 5 . In FIG 7 ist besonders gut zu erkennen, dass die Steckkontakte 10 gegenüber der Unterseite 6 der Zusatzeinheit 5 zurückgesetzt angeordnet sind .
FIG 8 zeigt die elektronische Leistungsbaugruppe nach dem Auf setzen der Zusatzeinheit 5 auf die Brückenstruktur 12 . Man erkennt insbesondere das Fehlen von Ausnehmungen, die im Stand der Technik erforderlich sind, um Verbindungsschrauben betätigen zu können, die im Stand der Technik unter der Zusatzeinheit 5 angeordnet sind .
FIG 9 zeigt einen Schnitt durch die elektronische Leistungsbaugruppe von FIG 8 nach dem zusätzlichen Aufsetzen eines Gehäuses 24 . In FIG 9 sind insbesondere die Leiterplatte 1 , ein Teil der elektronischen Bauelemente 4 , die Zusatzeinheit 5 , eine der Verbindungseinheiten 9 und deren Aufbau, die Brückenstruktur 12 und deren Ausgestaltung, ein Teil einer Stromschiene 16 und deren Ausgestaltung und der Kühlkörper 21 erkennbar . Von der Stromschiene 16 ist nur deren Zusatzeinheits-Endabschnitt 18 mit seinem Bezugs zeichen versehen . Weiterhin ist aus FIG 9 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung erkennbar, nämlich dass die Aufnahmen 11 ( alternativ : die Steckkontakte 10 ) in die Zusatzeinheits-Endabschnitte 18 eingepresst sind .
Aus FIG 9 ist auch ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung erkennbar . Konkret steht der Bereich 25 bei der erfindungsgemäßen Zusatzeinheit 5 als Nutzraum für die Anordnung von Komponenten der Zusatzeinheit 5 zur Verfügung . Im Stand der Technik müsste der Bereich 25 hingegen freigelassen werden .
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf . Insbesondere steht bei gleichem Gesamtvolumen der elektronischen Leistungsbaugruppe ein größeres Nutzvolumen für die Anordnung von Leiterbahnen 2 , weiteren Leiterbahnen 3 und elektronischen Bauelemente 4 oder auch von mechanischen Komponenten und Strukturen zur Verfügung . Weiterhin vereinfacht sich die Montage der elektronischen Leistungsbaugruppe .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Aus führungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Elektronische Leistungsbaugruppe, insbesondere Umrichtereinheit,
- wobei die Leistungsbaugruppe eine Leiterplatte (1) aufweist, welche Leiterbahnen (2) zum Führen von Leistungsströmen von 10 A und mehr aufweist,
- wobei Schaltelemente (4) zum Schalten der Leistungsströme direkt auf der Leiterplatte (1) angeordnet sind oder auf einem seinerseits auf der Leiterplatte (1) angeordneten Substrat angeordnet sind,
- wobei mittels der Schaltelemente (4) Spannungen von 100 V und mehr geschaltet werden und das Potenzial, das eine bestimmte Leiterbahn (2) aufweist bzw. führt, im Laufe der Zeit im gleichen Ausmaß variiert,
- wobei die Leistungsbaugruppe eine oberhalb der Leiterplatte (1) angeordnete Zusatzeinheit (5) aufweist, die eine der Leiterplatte (1) zugewandte Unterseite (6) aufweist,
- wobei die Zusatzeinheit (5) elektronische Komponenten (7) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass die elektronischen Komponenten (7) mit den Leiterbahnen (2) der Leiterplatte (1) über Verbindungseinheiten (9) elektrisch verbunden sind,
- dass die Verbindungseinheiten (9) jeweils einen Steckkontakt (10) und eine Aufnahme (11) für den jeweiligen Steckkontakt (10) aufweisen und
- dass die Steckkontakte (10) an der Unterseite (6) der Zusatzeinheit (5) angeordnet sind und die Aufnahmen (11) direkt oder indirekt an den Leiterbahnen (2) der Leiterplatte (1) befestigt sind oder umgekehrt die Aufnahmen (11) an der Unterseite (6) der Zusatzeinheit (5) angeordnet sind und die Steckkontakte (10) direkt oder indirekt an den Leiterbahnen (2) der Leiterplatte (1) befestigt sind.
2. Leistungsbaugruppe nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leistungsbaugruppe eine aus einem elektrisch isolie- renden Material, insbesondere einem Kunststoff, bestehende Brückenstruktur (12) aufweist, die an ihrer von der Leiterplatte (1) abgewandten und der Zusatzeinheit (5) zugewandten Oberseite (14) eine Auflagefläche (15) aufweist, so dass die Brückenstruktur (12) eine Montageebene für die Zusatzeinheit (5) bildet, und dass die Zusatzeinheit (5) mit ihrer Unterseite (6) direkt oder über ein Zwischenelement (23) auf der Auflagefläche (15) der Brückenstruktur (12) aufliegt.
3. Leistungsbaugruppe nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass die Leistungsbaugruppe abgewinkelte Stromschienen (16) aufweist, die jeweils einen Leiterplatten-Endabschnitt (17) , einen Zusatzeinheits-Endabschnitt (18) und einen die beiden jeweiligen Endabschnitte (17, 18) verbindenden Zwischenabschnitt (19) aufweisen,
- dass die Leiterplatten-Endabschnitte (17) parallel zur Leiterplatte (1) verlaufen und an den Leiterbahnen (2) befestigt sind,
- dass die Zwischenabschnitte (19) sich im wesentlichen orthogonal zur Leiterplatte (1) erstrecken,
- dass die Zusatzeinheits-Endabschnitte (18) in der Montageebene verlaufen und
- dass an den von den Zwischenabschnitten (19) abgewandten Enden der Zusatzeinheits-Endabschnitte (18) jeweils eine der Aufnahmen (11) oder einer der Steckkontakte (10) befestigt ist.
4. Leistungsbaugruppe nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zusatzeinheits-Endabschnitte (18) in der Montageebene gesehen über die Brückenstruktur (12) überstehen, so dass die an den von den Zwischenabschnitten (19) abgewandten Enden der Zusatzeinheits-Endabschnitte (18) angeordneten Aufnahmen (11) oder Steckkontakte (10) beim Aufsetzen der Zusatzeinheit (5) auf die Brückenstruktur (12) in Richtung auf die Leiterplatte (1) zu nachgeben können.
5. Leistungsbaugruppe nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Aufnahmen (11) oder die Steckkontakte (10) in die Zusatzeinheits-Endabschnitte (18) eingepresst sind.
6. Leistungsbaugruppe nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die an der Unterseite (6) der Zusatzeinheit (5) angeordneten Steckkontakte (10) oder Aufnahmen (11) gegenüber der Unterseite (6) der Zusatzeinheit (5) zurückgesetzt sind, so dass die Steckkontakte (10) oder Aufnahmen (11) bezüglich der Unterseite (6) der Zusatzeinheit (5) versenkt angeordnet sind .
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