WO2018069152A1 - Leistungselektronik mit einem schaltungsträger und mindestens einer spule - Google Patents

Leistungselektronik mit einem schaltungsträger und mindestens einer spule Download PDF

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Definitions

  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the circuit carrier has two opposing large surfaces, which are interconnected by means of a peripheral edge surface, wherein the dimensions of the large surfaces are each greater by a multiple than the defined by the peripheral edge surface distance between the two large surfaces and the coil is disposed opposite to the edge surface of the circuit substrate.
  • This allows a very flat design of the power electronics.
  • the large areas can be used according to this development to a greater extent as assembly areas for the assembly of electrical components.
  • Another advantageous development of the power electronics according to the invention provides that the coil of a mounting surface of the circuit substrate for the assembly with electrical components is arranged opposite. In this way it is possible to install the power electronics according to the invention in narrow installation spaces.
  • the transducer coils 4.1 of the units 4 are electrically connected to the circuit board 2.
  • the two units 4 with the converter coils 4.1 are each arranged laterally next to the two diametrically opposite narrow sides of the printed circuit board 2 at a distance from the peripheral edge surface 2.2 of the printed circuit board 2.
  • the two units 4 with their transducer coils 4.1 are thus, separated by the circuit board 2, diametrically opposite. In this way, an unwanted mutual influence of the two units 4 and thus of the converter coils 4.1 by electric and magnetic fields in a structurally simple manner effectively prevented.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronik mit einem Schaltungsträger (2) und mindestens einer Spule (4.1), wobei die Spule (4.1) in stromleitender Verbin- dung zu dem Schaltungsträger (2) steht. Um eine Leistungselektronik anzugeben, bei der eine höhere Flexibilität der Anord- nung der mindestens einen Spule an dem Schaltungsträger (2) der Leistungselektro- nik ermöglicht ist, wird vorgeschlagen, dass die Spule (4.1) beabstandet von dem Schaltungsträger (2) an dem Schaltungsträger (2) angeordnet ist.

Description

Leistungselektronik mit einem Schaltungsträger und mindestens einer Spule
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungselektronik der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Derartige Leistungselektroniken sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen Ausführungsvarianten bereits bekannt. Beispielsweise sind Leistungselektroniken bekannt, bei denen Spulen mittels der sogenannten Oberflächenmontage, auch SMD- Technik genannt, auf einem Schaltungsträger angeordnet sind.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungselektronik anzugeben, bei der eine höhere Flexibilität der Anordnung der mindestens einen Spule an dem Schaltungsträger der Leistungselektronik ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Leistungselektronik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Spulen für Leistungselektroniken sind sehr große elektrische Bauelemente mit einem großen Platzbedarf. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Leistungselektronik liegt insbesondere darin, dass die Anordnung der mindestens einen Spule an dem Schaltungsträger der Leistungselektronik sehr variabel ist. Damit lässt sich die Leistungselektronik auf einfachere Weise an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen. Dies gilt insbesondere für den zur Verfügung stehenden Bau räum, beispielsweise im Hinblick auf Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik. Verschiedene Kraftfahrzeugmodelle weisen teilweise geometrisch sehr unterschiedliche Bauräume für die Leistungselektronik auf. Die erfindungsgemäße Leistungselektronik lässt sich an die in der Praxis voneinander sehr verschiedenen Bauraumgegebenheiten anpassen. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Schaltungsträger zwei einander gegenüberliegende Großflächen aufweist, die mittels einer umlaufenden Randfläche miteinander verbunden sind, wobei die Dimensionen der Großflächen jeweils um ein Vielfaches größer als der durch die umlaufende Randfläche definierte Abstand zwischen den beiden Großflächen sind und die Spule der Randfläche des Schaltungsträgers gegenüberliegend angeordnet ist. Hierdurch ist eine sehr flache Bauweise der Leistungselektronik ermöglicht. Auch lassen sich die Großflächen gemäß dieser Weiterbildung in größerem Umfang als Bestückungsflächen für die Bestückung mit elektrischen Bauelementen nutzen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass mindestens zwei Spulen der Randfläche gegenüberliegend angeordnet sind, wobei diese Spulen unmittelbar aufeinander folgend an der Randfläche angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine sehr kompakte Anordnung dieser beiden Spulen ermöglicht.
Eine dazu alternative Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass mindestens zwei Spulen der Randfläche gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sich diese beiden Spulen, räumlich getrennt durch den Schaltungsträger, diametral gegenüberliegen. Hierdurch ist eine ungewünschte wechselseitige Beeinflussung dieser beiden Spulen mit elektrischen und/oder magnetischen Feldern auf konstruktiv einfache Weise wirksam verhindert.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leistungselektronik sieht vor, dass die Spule einer Bestückungsfläche des Schaltungsträgers für die Bestückung mit elektrischen Bauelementen gegenüberliegend angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, die erfindungsgemäße Leistungselektronik in schmale Bauräume einzubauen.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass die Spule derart beabstandet von der Bestückungsfläche des Schaltungsträgers angeordnet ist, dass der zwischen dem Schaltungsträger und der Spule gebildete Zwischenraum zumindest teilweise als Bestückungsfläche für eine Bestückung mit elektrischen Bauelementen nutzbar ist. Hierdurch kann die restliche Bestückungsfläche des Schaltungsträgers und damit die Ausdehnung der Leistungselektronik in der Ebene der Bestückungsfläche weiter reduziert werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der beiden letztgenannten Ausführungsformen sieht vor, dass mindestens zwei Spulen jeweils an einem von sich diametral gegenüberliegenden Randbereichen des Schaltungsträgers angeordnet sind. Auf diese Weise ist zum einen eine schmale Bauweise der Leistungselektronik ermöglicht. Zum anderen ist eine ungewünschte wechselseitige Beeinflussung dieser beiden Spulen mit elektrischen und/oder magnetischen Feldern auf konstruktiv einfache Weise zumindest reduziert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leistungselektronik sieht vor, dass mindestens zwei Spulen zu einer Baueinheit zusammengefasst sind. Auf diese Weise lassen sich die für einzelne Spulen geltenden Vorteile auch bei größeren und damit leistungsfähigeren Baueinheiten mit Spulen nutzen.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, die vorgenannten Ausführungsformen miteinander derart zu kombinieren, dass mindestens eine erste Spule gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 ausgebildet ist und dass mindestens eine zweite Spule gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7 ausgebildet ist. Hierdurch lassen sich die Ausführungsformen, bei denen die mindestens eine Spule der Randfläche des Schaltungsträgers gegenüberliegend angeordnet ist, mit den Ausführungsformen, bei denen die mindestens eine Spule einer Bestückungsfläche des Schaltungsträgers für die Bestückung mit elektrischen Bauelementen gegenüberliegend angeordnet ist, in vorteilhafter Weise kombinieren. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn mindestens zwei erste Spulen und/oder mindestens zwei zweite Spulen zu einer Baueinheit zusammengefasst sind.
Anhand der beigefügten, grob schematischen Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung und Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung.
Im Nachfolgenden wird die erfindungsgemäße Leistungselektronik anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das zweite Ausführungsbeispiel ist lediglich im Hinblick auf die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert. Ansonsten entsprechen sich das erste und das zweite Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Leistungselektronik ist als ein Gleichspannungswandler für ein Zweispannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Der Gleichspannungswandler weist einen als Leiterplatte ausgebildeten Schaltungsträger 2 und zwei Baueinheiten 4 auf und ist für den Einbau in einen nicht dargestellten Bau räum des Kraftfahrzeugs ausgebildet, wobei die räumliche Ausdehnung des Gleichspannungswandlers in der Fig. 1 mit einem Achsenkreuz symbolisch bezeichnet ist, nämlich als Breite b, Tiefe t und Höhe h. Die Achsen b, t und h des Achsenkreuzes werden nachfolgend auch für die Erläuterung der räumlichen Ausdehnung der Leiterplatte 2 und des nicht dargestellten Bauraums für den Gleichspannungswandler verwendet. Analoges gilt für das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2.
Die Leiterplatte 2 weist zwei einander gegenüberliegende Großflächen 2.1 auf, die mittels einer umlaufenden Randfläche 2.2 miteinander verbunden sind, wobei die Dimensionen der Großflächen 2.1 , also deren Ausdehnung in b- und t- Richtung, jeweils um ein Vielfaches größer als der durch die umlaufende Randfläche 2.2 definierte Abstand zwischen den beiden Großflächen 2.1 , also die Dicke der Leiterplatte 2 in h- Richtung, sind. In Fig. 1 ist lediglich eine der beiden Großflächen 2.1 zu sehen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die in Fig. 1 sichtbare Großfläche 2.1 als eine Bestückungsfläche des Schaltungsträgers 2 für die Bestückung mit elektrischen Bauelementen 6 ausgebildet. Die beiden Baueinheiten 4 umfassen jeweils drei als Wandlerspulen ausgebildete Spulen 4.1 mit einem gemeinsamen, nicht dargestellten Ferritkern. Die Wandlerspulen 4.1 der Baueinheiten 4 sind mit der Leiterplatte 2 elektrisch leitend verbunden. In dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel sind die beiden Baueinheiten 4 mit den Wandlerspulen 4.1 jeweils seitlich neben den beiden sich diametral gegenüberliegenden Schmalseiten der Leiterplatte 2 mit Abstand zu der umlaufenden Randfläche 2.2 der Leiterplatte 2 angeordnet. Die beiden Baueinheiten 4 mit deren Wandlerspulen 4.1 liegen sich somit, räumlich getrennt durch die Leiterplatte 2, diametral gegenüber. Auf diese Weise ist eine ungewünschte wechselseitige Beeinflussung der beiden Baueinheiten 4 und damit von deren Wandlerspulen 4.1 durch elektrische und magnetische Felder auf konstruktiv einfache Weise wirksam verhindert.
Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungselektronik eignet sich besonders für Bauräume, die beispielsweise für eine Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel keine ausreichende Bauraumhöhe h aufweisen. Auch für Bauräume mit ausreichend großer Bauraumbreite b, jedoch mit reduzierter Bauraumtiefe t, ist die vorliegende Ausführungsform vorteilhaft.
In einer dazu alternativen Ausführungsform könnten die beiden Baueinheiten 4 auch an einer einzigen Seite der Leiterplatte 2 unmittelbar aufeinander folgend an der Randfläche 2.2 angeordnet sein. Siehe hierzu die gestrichelten Vierecke, die diese alternative Anordnung der Baueinheiten 4 symbolisieren. Dies Alternative ist insbesondere für Bau räume vorteilhaft, bei denen keine ausreichende Bauraumhöhe h und keine ausreichende Bauraumbreite b, jedoch eine ausreichende Bauraumtiefe t zur Verfügung steht. Aufgrund der räumlichen Nähe der beiden Baueinheiten 4 und deren Wandlerspulen 4.1 ist in einigen Anwendungsfällen dieser Alternative eine entsprechend angepasste Abschirmung der beiden Baueinheiten 4 voneinander gegen deren wechselseitige Beeinflussung durch elektrische oder magnetische Felder erforderlich.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind zwei Baueinheiten 4 mit jeweils drei Wandlerspulen 4.1 in dem zweiten Ausführungsbei- spiel einer als Bestückungsfläche für elektrische Bauelemente 6 ausgebildeten Großfläche 2.1 des als Leiterplatte ausgebildeten Schaltungsträgers 2 gegenüberliegend angeordnet. Die Baueinheiten 4 sind dabei in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel derart beabstandet von der Bestückungsfläche 2.1 der Leiterplatte 2 angeordnet, dass der zwischen der Leiterplatte 2 und der jeweiligen Baueinheit 4 gebildete Zwischenraum d zumindest teilweise als Bestückungsfläche für die Bestückung mit elektrischen Bauelementen nutzbar ist. Auf diese Weise ist die erforderliche Leiterplattenfläche der Leiterplatte 2 weiter reduziert, so dass auch die Ausdehnung der Leiterplatte 2 und damit die Ausdehnung der Leistungselektronik parallel zu der Ebene der Bestückungsfläche 2.1 , also in b- und t-Richtung, verringert ist. Darüber hinaus sind die beiden Baueinheiten 4 jeweils in einem von sich diametral gegenüberliegenden Randbereichen 2.3 der Leiterplatte 2 angeordnet, so dass eine ungewünschte wechselseitige Beeinflussung der beiden Baueinheiten 4 mit deren Wandlerspulen 4.1 weitestgehend verhindert ist.
Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Bau räume mit ausreichender Bauraumhöhe h, deren Bauraumbreite b und -tiefe t nicht ausreichend Platz für eine einer Randfläche 2.2 der Leiterplatte 2 gegenüberliegende Anordnung der beiden Baueinheiten 4 mit deren Wandlerspulen 4.1 bieten.
Sofern der Bauraum sowohl in der Bauraumhöhe h wie auch entweder in der Bauraumbreite b oder der Bauraumtiefe t ausreichend Platz für die Anordnung der Baueinheiten 4 und deren Wandlerspulen 4.1 bietet, wäre eine Kombination der beiden vorliegenden Ausführungsformen nebst der anhand von Fig. 1 erläuterten Alternative denkbar. So könnten Baueinheiten 4 sowohl der Bestückungsfläche 2.1 der Leiterplatte 2 wie auch der Randfläche 2.2 der Leiterplatte 2 gegenüberliegend angeordnet sein. Bei ausreichender Bauraumhöhe h und Bauraumbreite b wäre also eine gleichzeitige Anordnung von Baueinheiten 4 analog zu den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen möglich. Bei ausreichender Bauraumhöhe h und Bauraumtiefe t wäre eine gleichzeitige Anordnung von Baueinheiten 4 analog zu der anhand von Fig. 1 angedeuteten Alternative und dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 denkbar. Die Erfindung ist nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele und den angedeuteten Alternativen begrenzt. Beispielsweise könnten die Baueinheiten auch weniger o- der mehr Wandlerspulen aufweisen. Anstelle der zu Baueinheiten zusammengefass- ten Wandlerspulen 4.1 könnten auch einzelne Wandlerspulen in zu den Baueinheiten 4 analoger Weise angeordnet sein. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf Wandlerspulen und deren Anordnung begrenzt. Vielmehr sind alle von dem Fachmann je nach den Erfordernissen des Einzelfalls ausgewählten, für eine Leistungselektronik denkbaren und geeigneten Spulen einsetzbar. Neben der Ausbildung einer der Großflächen als Bestückungsfläche für die Bestückung mit elektrischen Bauelementen sind auch beidseitig bestückte Leiterplatten denkbar. In diesem Fall wären dann beide Großflächen der Leiterplatte jeweils als Bestückungsfläche ausgebildet. Der Schaltungsträger muss nicht zwingend als eine Leiterplatte ausgebildet sein, sondern ist nach Art, Form, Material, Dimensionierung und Anordnung in weiten geeigneten Grenzen frei wählbar. Auch muss es sich bei der Bestückungsfläche nicht immer um eine der Großflächen handeln.
Bezugszeichenliste
2 Schaltungsträger, als Leiterplatte ausgebildet
2.1 Großfläche der Leiterplatte 2
2.2 Randfläche der Leiterplatte 2
2.3 Randbereich der Leiterplatte 2
4 Baueinheit mit mehreren Wandlerspulen 4.1
4.1 Spulen der Baueinheit 4, als Wandlerspulen ausgebildet
6 Elektrische Bauelemente
b Breite der Leistungselektronik, der Leiterplatte 2 oder des Bauraums für die Leistungselektronik
d Zwischenraum zwischen der Baueinheit 4 und der Leiterplatte 2 (Zweites
Ausführungsbeispiel)
h Höhe der Leistungselektronik, der Leiterplatte 2 oder des Bauraums für die
Leistungselektronik
t Tiefe der Leistungselektronik, der Leiterplatte 2 oder des Bauraums für die Leistungselektronik

Claims

Leistungselektronik mit einem Schaitungsträger und mindestens einer Spule Patentansprüche
1 . Leistungselektronik mit einem Schaltungsträger (2) und mindestens einer Spule (4.1 ), wobei die Spule (4.1 ) in stromleitender Verbindung zu dem Schaltungsträger (2) steht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spule (4.1 ) beabstandet von dem Schaltungsträger (2) an dem Schaltungsträger (2) angeordnet ist.
2. Leistungselektronik nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schaltungsträger (2) zwei einander gegenüberliegende Großflächen (2.1 ) aufweist, die mittels einer umlaufenden Randfläche (2.2) miteinander verbunden sind, wobei die Dimensionen (b, t) der Großflächen (2.1 ) jeweils um ein Vielfaches größer als der durch die umlaufende Randfläche (2.2) definierte Abstand (h) zwischen den beiden Großflächen (2.1 ) sind und die Spule (4.1 ) der Randfläche (2.2) des Schaltungsträgers (2) gegenüberliegend angeordnet ist.
3. Leistungselektronik nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei Spulen (4.1 ) der Randfläche (2.2) gegenüberliegend angeordnet sind, wobei diese Spulen (4.1 ) unmittelbar aufeinander folgend an der Randfläche (2.2) angeordnet sind.
4. Leistungselektronik nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei Spulen (4.1 ) der Randfläche (2.2) gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sich diese beiden Spulen (4.1 ), räumlich getrennt durch den Schaltungsträger (2), diametral gegenüberliegen.
5. Leistungselektronik nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spule (4.1 ) einer Bestückungsfläche (2.1 ) des Schaltungsträgers (2) für die Bestückung mit elektrischen Bauelementen (6) gegenüberliegend angeordnet ist.
6. Leistungselektronik nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spule (4.1 ) derart beabstandet von der Bestückungsfläche (2.1 ) des Schaltungsträgers (2) angeordnet ist, dass der zwischen dem Schaltungsträger (2) und der Spule (4.1 ) gebildete Zwischenraum (d) zumindest teilweise als Bestückungsfläche für eine Bestückung mit elektrischen Bauelementen nutzbar ist.
7. Leistungselektronik nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei Spulen (4.1 ) jeweils an einem von sich diametral gegenüberliegenden Randbereichen (2.3) des Schaltungsträgers (2) angeordnet sind.
8. Leistungselektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei Spulen (4.1 ) zu einer Baueinheit (4) zusammenge- fasst sind.
9. Leistungselektronik nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine erste Spule gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 ausgebildet ist und dass mindestens eine zweite Spule gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7 ausgebildet ist.
10. Leistungselektronik nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei erste Spulen und/oder mindestens zwei zweite Spulen zu einer Baueinheit zusammengefasst sind.
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