WO2009083293A1 - Leistungsschaltung - Google Patents

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circuit
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Gebhard Michenfelder
Stephan Pauli
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Robert Bosch Gmbh
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    • H05K2201/10166—Transistor

Definitions

  • the invention relates to a power circuit for controlling a drive unit for a wiper system of a motor vehicle, by means of which, for example, the movement of a windshield wiper can be controlled.
  • a power circuit for controlling a drive unit for a wiper system of a motor vehicle is known.
  • a circuit breaker is provided.
  • the circuit breaker In such a power circuit, the circuit breaker must be dimensioned such that it does not fail even when the drive unit is locked, for example when the wipers are frozen in winter on a pane to be wiped. In order to be able to safely absorb the suddenly occurring peak power in the case of blocking the drive unit without failing, the circuit breaker is deliberately oversized so that the circuit breaker has a correspondingly low-resistance. This leads to increased production costs.
  • the power circuit according to the invention for controlling a drive unit for a wiper system of a motor vehicle has a circuit breaker for driving the drive unit, which is thermally connected to a heat storage for receiving a heat generated in the circuit breaker in the blocking case of the drive unit.
  • the heat storage it is possible in the circuit breaker dissipate sudden heat and stored in particular spaced from the circuit breaker.
  • the knowledge is exploited that the essential load of the circuit breaker in case of blocking the drive unit is generated by heat and the dimensions of the circuit breaker depends on the maximum occurring in the case of blocking temperature.
  • the maximum occurring temperature can be lowered in the circuit breaker, so that the circuit breaker can be made smaller and the power circuit allows the use of a high-resistance circuit breaker, thereby reducing the manufacturing cost of the power circuit.
  • the heat storage it is not necessary by the heat storage to achieve a required temperature reduction in the circuit breaker exclusively by natural convection, so that mounted on the circuit breaker heat sinks are not required. Compared to heat sinks, the temperature reduction can be done faster by the heat storage, so that early heat can be dissipated and lower maximum temperatures can be achieved. Also, it is not necessary to bring about heat dissipation only via connected lines and / or a printed circuit board, which have a significantly lower thermal conductivity and / or heat capacity, so that over the Heat storage faster more heat can be dissipated from the circuit breaker.
  • the average heat output of heat energy per unit time at a certain temperature is larger by a factor f by the heat storage, in particular compared to the heat output, which can be dissipated by the lines and the circuit board, wherein for the factor ff> 1.2, in particular f > 1.8, preferably f> 2.5 and particularly preferably f> 4.0. Furthermore, the heat accumulator connected thermally to the circuit breaker allows a dissipation of the heat generated by the ohmic resistance of the circuit breaker.
  • the heating of the circuit breaker is much slower, so that a blockage of the drive unit can be detected in time, for example, a monitoring software with suitable sensors before the circuit breaker can assume a critical temperature, since an emergency shutdown can already be done at lower temperatures of the circuit breaker.
  • the heat storage is mainly made of a metallic material, so that the heat transfer into the interior of the heat storage can be done very quickly. This leads to a better distribution of heat in the heat storage, so that the average outside temperature of the heat accumulator increases accordingly slower and in the case of blocking the drive unit for a long time a high temperature gradient is maintained from the circuit breaker to the heat storage.
  • the heat accumulator consists in particular essentially of copper or copper alloys.
  • the heat accumulator on a compact solid-shaped geometry, whereby the individual portions of the heat accumulator have a good thermal contact with each other. This facilitates the heat distribution within the heat accumulator, so that high outside temperatures are avoided. In addition, bottlenecks, which have a high heat transfer current compared to the other areas of the heat accumulator, are avoided.
  • the heat storage is substantially parallelepiped-shaped, whereby an easily manufactured compact design is made possible, which can be particularly easily arranged in thermal contact with the circuit breaker on a common circuit board.
  • the heat accumulator has a higher thermal conductivity than the average thermal conductivity of the circuit breaker. Due to the higher thermal conductivity of the heat accumulator, the heat from the circuit breaker to the heat storage can be derived very quickly.
  • the heat accumulator can be produced by soldering, in particular accumulation of solder material.
  • soldering in particular accumulation of solder material.
  • the heat storage can be generated by a certain point is repeatedly provided with a conductor, so that there are several layers of traces, which the solid and compact form designed heat storage.
  • the power switch and the heat accumulator are connected to a common printed circuit board and in particular the power switch is connected via an electrical line to the heat accumulator.
  • the electrical line can thereby simultaneously perform a function as a heat conductor and derive the resulting heat in the circuit breaker to the preferably spaced-apart heat storage.
  • An insulating connection between the heat storage and the circuit breaker is not required.
  • the circuit board itself can absorb some of the heat and deliver it over its comparatively large surface by means of natural convection to the environment.
  • the power switch can have a field-effect transistor, in particular a MOSFET. As a result, a cost-effective circuit breaker can be formed.
  • a circuit breaker with a positive temperature coefficient can be provided, which heats up at too high a current in the case of blocking the drive unit and experiences a higher ohmic resistance. This leads to an automatic limitation of the current until the circuit breaker cools again, wherein the thermally connected heat storage prevents excessive heating.
  • a signal line is provided which signals a blocking of the drive unit, wherein the signal line in particular in response to the temperature of the heat storage device can be acted upon with a signal.
  • the invention further relates to a drive arrangement for operating a wiper system of a motor vehicle with a drive unit for driving at least one wiper and connected to the drive unit power circuit for driving the drive unit, wherein the power circuit as described above can be trained and further developed.
  • the power circuit as described above can be trained and further developed.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a power circuit according to the invention.
  • the power circuit 10 shown in Figure 1 has a circuit board 12 to which a power switch 14, for example MOSFET, is connected. Further, with the circuit board 12, a heat storage 16 is connected in the form of a copper cube.
  • the heat accumulator can in this case be arranged on the same side of the printed circuit board 12, on which the power switch 14 is disposed, and / or on the side of the printed circuit board 12 facing away from the power switch 14.
  • the heat accumulator 16 is arranged to the circuit breaker 14, which switches a drive unit, not shown, a wiper system of a motor vehicle, spaced and thermally connected via a heat conductor 18 and / or a conductor 20 to the circuit breaker 14.

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Abstract

Eine Leistungsschaltung (10) zur Ansteuerung einer Antriebseinheit für eine Wischeranlage eines Kraftfahrzeugs weist einen Leistungsschalter (14) zur Ansteuerung der Antriebseinheit auf. Erfindungsgemäß ist mit dem Leistungsschalter (14) ein Wärmespeicher (16) zur Aufnahme einer im Leistungsschalter (14) im Blockierfall der Antriebseinheit anfallenden Wärme thermisch verbunden ist. Bei einer plötzlichen Wärmeentwicklung im Leistungsschalter (14) kann schnell ein Großteil der entstehenden Wärme an den Wärmespeicher (16) abgeführt werden, so dass der Leistungsschalter (14) kleiner dimensioniert werden kann und die Leistungsschaltung (10) die Verwendung eines höherohmigen Leistungsschalters (14) ermöglicht.

Description

T i t e l
Leistungsschaltung
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Leistungsschaltung zur Ansteuerung einer Antriebseinheit für eine Wischeranlage eines Kraftfahrzeugs, mit dessen Hilfe beispielsweise die Bewegung eines Scheibenwischers gesteuert werden kann.
S t a n d d e r T e c h n i k
Aus WO 00/46082 ist eine Leistungsschaltung zur Ansteuerung einer Antriebseinheit für eine Wischeranlage eines Kraftfahrzeugs bekannt. Zur Ansteuerung der Antriebseinheit ist ein Leistungsschalter vorgesehen.
Bei einer derartigen Leistungsschaltung muss der Leistungsschalter derart dimensioniert sein, dass er auch bei einem Blockieren der Antriebseinheit, beispielsweise wenn die Wischer im Winter an einer zu wischenden Scheibe festgefroren sind, nicht versagt. Um im Blockierfall der Antriebseinheit die plötzlich auftretende Leistungsspitze sicher aufnehmen zu können ohne zu versagen, ist der Leistungsschalter bewusst derart überdimensioniert, dass der Leistungsschalter einen entsprechend niederohmigen Widerstand aufweist. Dies führt zu erhöhten Herstellungskosten.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Leistungsschaltung zur Ansteuerung einer Antriebseinheit für eine Wischeranlage eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, welche die Verwendung eines höherohmigen Leistungsschalters ermöglicht. O f f e n b a r u n g d e r E r fi n d u n g
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Leistungsschaltung zur Ansteuerung einer Antriebseinheit für eine Wischeranlage eines Kraftfahrzeugs weist einen Leistungsschalter zur Ansteuerung der Antriebseinheit auf, der mit einem Wärmespeicher zur Aufnahme einer im Leistungsschalter im Blockierfall der Antriebseinheit anfallenden Wärme thermisch verbunden ist.
Durch den Wärmespeicher ist es möglich im Leistungsschalter plötzlich auftretende Wärme abzuführen und insbesondere zum Leistungsschalter beabstandet zu speichern. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die wesentliche Belastung des Leistungsschalters im Blockierfall der Antriebseinheit durch Wärme entsteht und die Dimensionierung des Leistungsschalters von der im Blockierfall maximal auftretenden Temperatur abhängt. Durch den Wärmespeicher kann die maximal auftretende Temperatur im Leistungsschalter gesenkt werden, so dass der Leistungsschalter kleiner dimensioniert werden kann und die Leistungsschaltung die Verwendung eines höherohmigen Leistungsschalters ermöglicht, wodurch sich die Herstellungskosten der Leistungsschaltung verringern.
Ferner ist es durch den Wärmespeicher nicht erforderlich eine erforderliche Temperaturerniedrigung im Leistungsschalter ausschließlich durch natürliche Konvektion zu erreichen, so dass am Leistungsschalter angebrachte Kühlkörper nicht erforderlich sind. Im Vergleich zu Kühlkörpern kann die Temperaturverringerung durch den Wärmespeicher schneller erfolgen, so dass bereits frühzeitig Wärme abgeführt werden kann und geringere Maximaltemperaturen erreicht werden. Auch ist es nicht erforderlich eine Wärmeabfuhr nur über angeschlossene Leitungen und/oder einer Leiterplatte herbeizuführen, die eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität aufweisen, so dass über den Wärmespeicher schneller mehr Wärme vom Leistungsschalter abgeführt werden kann. Die durchschnittliche Wärmeleistung von Wärmeenergie pro Zeiteinheit bei einer bestimmten Temperatur ist durch den Wärmespeicher insbesondere im Vergleich zur Wärmeleistung, die von den Leitungen und der Leiterplatte abgeführt werden kann, um einen Faktor f größer, wobei für den Faktor f f > 1,2, insbesondere f > 1,8, vorzugsweise f > 2,5 und besonders bevorzugt f > 4,0 gilt. Ferner ermöglicht der thermisch mit dem Leistungsschalter verbundene Wärmespeicher eine Abfuhr der durch den ohmschen Widerstand des Leistungsschalters entstehenden Wärme. Insbesondere erfolgt die Erwärmung des Leistungsschalters deutlich langsamer, so dass eine Blockade der Antriebseinheit beispielsweise von einer Überwachungssoftware mit geeigneter Sensorik rechtzeitig detektiert werden kann bevor der Leistungsschalter eine kritische Temperatur annehmen kann, da eine Notabschaltung bereits bei geringeren Temperaturen des Leistungsschalters erfolgen kann.
Vorzugsweise ist der Wärmespeicher vorwiegend aus einem metallischen Material hergestellt, so dass der Wärmetransport in das Innere des Wärmespeichers besonders schnell erfolgen kann. Dies führt zu einer besseren Verteilung der Wärme im Wärmespeicher, so dass die durchschnittliche Außentemperatur des Wärmespeichers entsprechend langsamer ansteigt und im Blockierfall der Antriebseinheit besonders lange ein hohes Temperaturgefälle vom Leistungsschalter zum Wärmespeicher beibehalten wird. Der Wärmespeicher besteht insbesondere im Wesentlichen aus Kupfer bzw. Kupferlegierungen.
Insbesondere weist der Wärmespeicher eine kompakte massiv geformte Geometrie auf, wodurch die einzelnen Teilbereiche des Wärmespeichers einen guten thermischen Kontakt zueinander haben. Dies erleichtert die Wärmeverteilung innerhalb des Wärmespeichers, so dass hohe Außentemperaturen vermieden sind. Zusätzlich werden Engpässe, die im Vergleich zu den übrigen Bereichen des Wärmespeichers einen hohen Wärmetransportstrom aufweisen, vermieden. - A -
Besonders bevorzugt ist der Wärmespeicher im Wesentlichen quaderförmig, wodurch eine leicht herzustellende kompakte Bauform ermöglicht wird, die besonders einfach in thermischen Kontakt mit dem Leistungsschalter auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet werden kann.
Insbesondere weist der Wärmespeicher eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit des Leistungsschalters auf. Aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichers kann die Wärme vom Leistungsschalter zum Wärmespeicher besonders schnell abgeleitet werden.
Insbesondere kann der Wärmespeicher durch Auflöten, insbesondere Anhäufung von Lotmaterial, herstellbar sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung, indem beispielsweise beim Löten der erforderlichen elektrischen Leitungen auf eine Leiterplatte der Wärmespeicher dadurch erzeugt werden kann, indem eine bestimmte Stelle mehrmals mit einer Leiterbahn versehen wird, so dass sich mehrere Schichten von Leiterbahnen ergeben, welche den massiv und kompakt gestalteten Wärmespeicher ausbilden.
Vorzugsweise sind der Leistungsschalter und der Wärmespeicher mit einer gemeinsamen Leiterplatte verbunden und insbesondere ist der Leistungsschalter über eine elektrische Leitung mit dem Wärmespeicher verbunden. Die elektrische Leitung kann dadurch gleichzeitig eine Funktion als Wärmeleiter wahrnehmen und die im Leistungsschalter entstehende Wärme zu dem vorzugsweise beabstandet angeordneten Wärmespeicher ableiten. Eine isolierende Verbindung zwischen dem Wärmespeicher und dem Leistungsschalter ist nicht erforderlich. Ferner kann die Leiterplatte selber einen Teil der Wärme aufnehmen und über ihre vergleichsweise große Oberfläche mittels natürlicher Konvektion an die Umgebung abgeben. Insbesondere kann der Leistungsschalter einen Feldeffekttransistor, insbesondere einen MOSFET, aufweisen. Dadurch kann ein kostengünstiger Leistungsschalter ausgebildet werden. Insbesondere kann im Gegensatz zu bipolaren Transistoren ein Leistungsschalter mit einem positiven Temperaturkoeffizienten bereitgestellt werden, der bei einem zu hohen Strom im Blockierfall der Antriebseinheit sich erwärmt und einen höheren ohmschen Widerstand erfährt. Dies führt zu einer automatischen Begrenzung des Stroms bis sich der Leistungsschalter wieder abkühlt, wobei der thermisch verbundene Wärmespeicher eine zu starke Erwärmung verhindert.
Besonders bevorzugt ist eine Signalleitung vorgesehen, die ein Blockieren der Antriebseinheit signalisiert, wobei die Signalleitung insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmespeichers mit einem Signal beaufschlagbar ist. Dadurch ist es nicht erforderlich die Antriebseinheit selber zu überwachen, sondern eine einfach zu realisierende integrierte Schaltung vorzusehen. Insbesondere wird hierbei ausgenutzt, dass die Temperatur des Wärmespeichers ein Maß für eine blockierende Antriebseinheit ist, wobei kurzzeitige
Blockaden, die keine Wartungsmaßnahmen erfordern, automatisch unberücksichtigt bleiben.
Die Erfindung betrifft ferner eine Antriebsanordnung zum Betrieb einer Wischeranlage eines Kraftfahrzeugs mit einer Antriebseinheit zum Antrieb mindestens eines Wischers und einer mit der Antriebseinheit verbundenen Leistungsschaltung zur Ansteuerung der Antriebseinheit, wobei die Leistungsschaltung wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Mit Hilfe des thermisch mit dem Leistungsschalter verbundenen Wärmespeichers kann der Leistungsschalter höherohmig und die Antriebsanordnung kostengünstiger gebaut werden.
Z e i c h n u n g
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
Fig.1 : eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungsschaltung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die in Fig.1 dargestellte Leistungsschaltung 10 weist eine Platine 12 auf, mit der ein Leistungsschalter 14, beispielsweise MOSFET, verbunden ist. Ferner ist mit der Leiterplatte 12 ein Wärmespeicher 16 in Form eines Kupferwürfels verbunden. Der Wärmespeicher kann hierbei auf der selben Seite der Leiterplatine 12, auf der auch der Leistungsschalter 14 angeordnet ist, und/oder auf der vom Leistungsschalter 14 abgewandten Seite der Leiterplatine 12 angeordnet sein. Der Wärmespeicher 16 ist zu dem Leistungsschalter 14, der eine nicht dargestellte Antriebseinheit einer Wischeranlage eines Kraftfahrzeugs schaltet, beabstandet angeordnet und über einen Wärmeleiter 18 und/oder eine Leiterbahn 20 thermisch mit dem Leistungsschalter 14 verbunden. Bei einer plötzlichen Wärmeentwicklung im Leistungsschalter 14 kann schnell ein Großteil der entstehenden Wärme an den Wärmespeicher 16 abgeführt werden, so dass der Leistungsschalter 14 derart kleiner dimensioniert werden kann, dass der Leistungsschalter 14 höherohmiger und dadurch kostengünstiger ausgestaltet sein kann.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Leistungsschaltung zur Ansteuerung einer Antriebseinheit für eine Wischeranlage eines Kraftfahrzeugs, mit
einem Leistungsschalter (14) zur Ansteuerung der Antriebseinheit
dadurch gekennzeichnet, dass
mit dem Leistungsschalter (14) ein Wärmespeicher (16) zur Aufnahme einer im
Leistungsschalter (14) im Blockierfall der Antriebseinheit anfallenden Wärme thermisch verbunden ist.
2. Leistungsschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (16) vorwiegend aus einem metallischen Material hergestellt ist.
3. Leistungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (16) eine kompakte massiv geformte Geometrie aufweist.
4. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (16) im Wesentlichen quaderförmig ist.
5. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmespeicher (16) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit des Leistungsschalters (14) aufweist.
6. Leistungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (16) durch Auflöten, insbesondere Anhäufung von Lotmaterial, herstellbar ist.
7. Leistungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (14) und der Wärmespeicher (16) mit einer gemeinsamen Leiterplatte (12) verbunden sind und insbesondere der Leistungsschalter (14) über eine elektrische Leitung (20) mit dem Wärmespeicher (16) verbunden ist.
8. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (16) einen Feldeffekttransistor, insbesondere einen MOSFET, aufweist.
9. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalleitung vorgesehen ist, die ein Blockieren der Antriebseinheit signalisiert, wobei die Signalleitung insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmespeichers (16) mit einem Signal beaufschlagbar ist.
10. Antriebsanordnung zum Betrieb einer Wischeranlage eines Kraftfahrzeugs mit einer Antriebseinheit zum Antrieb mindestens eines Wischers und einer mit der
Antriebseinheit verbundenen Leistungsschaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Ansteuerung der Antriebseinheit.
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