WO2022269031A1 - Kommutierzelle für einen inverter - Google Patents

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WO2022269031A1
WO2022269031A1 PCT/EP2022/067325 EP2022067325W WO2022269031A1 WO 2022269031 A1 WO2022269031 A1 WO 2022269031A1 EP 2022067325 W EP2022067325 W EP 2022067325W WO 2022269031 A1 WO2022269031 A1 WO 2022269031A1
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commutation cell
circuit board
circuit carrier
current
conductor track
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PCT/EP2022/067325
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Dominik Alexander Ruoff
Tobias Zahn
Balazs Bence Harsanyi
Gerhard Braun
Sebastian Strache
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a commutation cell, in particular for an inverter.
  • the commutation cell has, in particular, a ceramic circuit carrier and a semiconductor switch half-bridge.
  • the commutation cell also has a current sensor which is designed and arranged to detect a phase current of the commutation cell.
  • An integrated circuit is known from DE 102011 003998 B4, which has a semiconductor chip and a magnetic field sensor, the magnetic field sensor being designed to detect a magnetic field that is generated by a current that flows through the sintered metal layer.
  • the commutation cell has a flexible printed circuit board which is in particular materially connected to the circuit carrier and is arranged parallel to the circuit carrier.
  • the circuit carrier has a conductor track which is designed to carry the output current of the half-bridge.
  • the current sensor is electrically connected to the flexible printed circuit board and arranged to detect a magnetic field generated by the conductor track, in particular through which current flows, and designed to generate a current signal that represents the current flowing in the conductor track.
  • a structure that is particularly stable with respect to thermal expansion can be formed by means of the flexible printed circuit board. That can be advantageous
  • the magnetic field to be detected by the current sensor can be passed through the flexible printed circuit board, so that the current sensor can be mechanically and electrically connected to the flexible printed circuit board in a cost-effective manner.
  • the current sensor is preferably soldered to the flexible circuit board, sintered or glued by means of an electrically conductive adhesive.
  • the commutation cell and the current sensor can be formed in a cost-effective manner.
  • the flexible printed circuit board and the circuit carrier are materially bonded to one another lying flat on top of one another.
  • the integral connection between the flexible printed circuit board and the circuit carrier is preferably formed by a soldered connection or an adhesive connection.
  • a layered composite can advantageously be formed in this way, which can be produced at low cost.
  • the conductor track is S-shaped in the region of the circuit carrier.
  • a magnetic field reinforcement for detecting the current in the conductor track can advantageously be formed in this way.
  • the conductor track is I-shaped in the region of the circuit carrier.
  • the conductor track can thus have two recesses which enclose the I-shaped conductor track between one another and through which a magnetic field can be conducted for detection by the current sensor.
  • the commutation cell has a shielding element.
  • the shielding element is preferably formed between the current sensor and the conductor track.
  • such an electric field generated by the conductor track of the circuit carrier, in particular a ceramic one cannot scatter into conductor tracks on the flexible printed circuit board or in electrical components connected to the flexible printed circuit board.
  • the shielding element is covered by an electrically conductive layer of the flexible printed circuit board educated.
  • the shielding element can be provided as part of the flexible printed circuit board in a cost-effective manner.
  • the current sensor is formed by an in particular differentiating Hall sensor, with the Hall sensor having two sensor elements.
  • the current sensor is preferably formed by a component designed for surface mounting with the flexible printed circuit board.
  • the current sensor is preferably formed by an unpackaged semiconductor, also known as a bare die.
  • the current sensor can thus advantageously be connected to the flexible printed circuit board in a cost-effective manner, in particular by means of reflow soldering.
  • the conductor track of the ceramic circuit carrier in particular, has two cutouts that are adjacent to one another. More preferably, the shielding element has cutouts corresponding to the cutouts, which are arranged one above the other, in particular in an orthogonal projection—with the cutouts of the conductor track.
  • two slots can be formed under the sensor cells, so that a magnetic field propagation of the magnetic field generated by the busbar is possible in the slots.
  • the shielding element in particular a shielding layer, can largely inhibit or prevent capacitive coupling through parasitic capacitances between the current conductor and the current sensor, and thus coupling into a signal routing on the flexible printed circuit board.
  • signal lines leading to the sensor are shielded by the shielding element. In this way, a capacitive coupling due to parasitic capacitances between the current conductor and the signal routing in the signal lines can advantageously be prevented.
  • the shielding element is formed by an electrically conductive layer, in particular an inner layer, of the flexible printed circuit board, which is formed by at least one or two surrounding electrically insulating layers is isolated from the conductor track, or additionally from the current sensor.
  • the flexible printed circuit board is preferably designed to be reversibly bendable in such a way that the printed circuit board can be bent without breaking.
  • the flexible printed circuit board is preferably designed to be flexible or resilient in such a way that the printed circuit board can be bent at least at right angles or in a U-shape without breaking.
  • a particularly vibration-resistant connection between the circuit carrier and the printed circuit board can advantageously be formed in this way in a cost-effective manner.
  • the electrically insulating layer of the flexible printed circuit board is preferably designed to electrically insulate live conductor tracks of the circuit carrier, in particular high-voltage conductor tracks, from the at least one electrically conductive layer of the flexible printed circuit board, in particular low-voltage rewiring layer.
  • the invention also relates to an inverter with a commutation cell of the type described above.
  • the inverter has at least three phases for energizing an electrical machine, with at least one commutation cell being formed on the inverter for each of the phases.
  • the commutation cell preferably has at least one semiconductor switch half-bridge, comprising a high-side semiconductor switch and a low-side semiconductor switch.
  • Figure 1 shows an embodiment of a commutation cell for an inverter, in which a flexible printed circuit board and a circuit carrier are connected to one another lying flat on top of one another, and a current sensor is arranged on the flexible printed circuit board, a current flowing in the circuit carrier depending on a magnetic field generated by the current to detect, wherein a magnetic field generated by a conductor track of the circuit carrier can reach the current sensor through gaps in a shielding layer;
  • FIG. 2 shows the commutation cell shown in FIG. 1 in a top view.
  • FIG. 1 shows - schematically - an embodiment of a commutation cell 1 for an inverter in a sectional view.
  • the commutation cell 1 has a circuit carrier 2, which in this exemplary embodiment is in the form of a ceramic circuit carrier and, for this purpose, has an electrically insulating ceramic layer 5, in particular an aluminum oxide layer or a silicon nitride layer.
  • the circuit carrier 2 also has an electrically conductive layer 6, in particular a copper layer, for rewiring, which in this exemplary embodiment forms an output terminal of a semiconductor switch half-bridge—shown in more detail in Figure 2.
  • the circuit carrier 2 also includes a rear side contact 7, which in this exemplary embodiment is formed by a A layer thickness of the ceramic layer is between 100 and 500 micrometers, for example, and a layer thickness of the redistribution layer and the back layer is between 150 and 800 micrometers, for example.
  • the commutation cell 1 also includes a flexible printed circuit board 3.
  • the flexible printed circuit board 3 has a plurality of electrically conductive layers, in particular copper layers, and electrically insulating layers, in particular polyimide layers.
  • the electrically insulating layers have, for example, a thickness of between 40 and 100 microns, in this embodiment 60 microns.
  • the electrically conductive layers have a thickness of between 15 and 50 micrometers.
  • the flexible printed circuit board 3 has an electrically conductive rear side layer 11, in this exemplary embodiment a copper layer, which is designed for materially bonded connection to the circuit carrier 2.
  • the electrically conductive rear-side layer 11 has a layer thickness of 18 micrometers.
  • the flexible printed circuit board 3 also has an electrically insulating layer 12, in particular a polyimide layer, which is connected to the electrically conductive layer 11 one on top of the other—in particular by means of lamination.
  • the flexible printed circuit board 3 also has an electrically conductive shielding layer 13, in particular a copper layer, which is connected to the electrically insulating layer 12, in particular by means of lamination, and together with the electrically conductive layer 11, the electrically insulating layer 12—in particular in the manner of a sandwich—between one another includes.
  • an electrically conductive shielding layer 13 in particular a copper layer, which is connected to the electrically insulating layer 12, in particular by means of lamination, and together with the electrically conductive layer 11, the electrically insulating layer 12—in particular in the manner of a sandwich—between one another includes.
  • the electrically conductive shielding layer 13 is connected repellently from the electrically insulating layer 12 to a further electrically insulating layer 14, so that the further electrically insulating layer 14 and the electrically insulating layer 12 enclose the shielding layer 13 - in particular in the manner of a sandwich - between one another, so in common form a layered composite of layers arranged flat on top of one another.
  • the flexible circuit board 3 also has an electrically conductive top layer 15, which forms a rewiring layer in this exemplary embodiment.
  • the electrically conductive layer 15 is connected to the further electrically insulating layer 14, in particular by means of lamination.
  • the flexible circuit board 3 is integrally connected to the circuit carrier 2 by means of a solder 10 .
  • the flexible printed circuit board 3 can also be connected to the circuit carrier 2 by means of an adhesive, in particular an electrically conductive adhesive, or by means of a gel, in particular silicone gel.
  • the electrically conductive layer 6 of the circuit carrier 2 is formed along a width section 31 of the circuit carrier 2, on the sides of which the electrically conductive layer 6 has a cutout 8 and a cutout 9 in the sectional view shown in FIG.
  • the electrically conductive layer 6 is thus constricted by means of the cutouts 8 and 9, so that a current which flows perpendicular to the sectional plane shown in Figure 1 in the electrically conductive layer 6 can generate a magnetic field 20 which has a vertical component in the Recesses 8 and 9 extends.
  • the flexible printed circuit board 3 is connected to a magnetic field sensor 4 in this exemplary embodiment.
  • the magnetic field sensor 4 which is part of the commutation cell 1 in this exemplary embodiment, is connected to the further electrically insulating layer 14 by means of a connecting means 16, for example an adhesive or a solder.
  • the flexible printed circuit board 3 has a cutout 19 in the area of the magnetic field sensor 4 , the cutout 19 being formed in the electrically conductive layer, in particular the rewiring layer 15 .
  • the magnetic field sensor 4 is thus inserted into a recess in the rewiring layer 15 .
  • the magnetic field sensor 4 has two Hall sensors 17 and 18 which are each embedded or accommodated in a housing or in a solid material of the magnetic field sensor 4 .
  • the Hall sensors 17 and 18 are each designed and arranged to detect a vertical component of the magnetic field 20 and, in particular, to generate an electrical output signal which represents the magnetic field strength of the magnetic field 20 by means of subtraction.
  • the magnetic field sensor 4 is arranged in the area of the width section 31 in an orthogonal projection above the electrically conductive layer 6, so that around the electrically conductive layer 6, which in this exemplary embodiment forms an electrical flat conductor, in encircling magnetic field lines of the magnetic field 20 through the Hall sensors 17 and 18 gone.
  • the flexible printed circuit board 3 has two cutouts 25 and 26 in the area of the shielding layer 13, which are each aligned with the cutout 8 and the cutout 9, in particular in an orthogonal projection.
  • the recesses 8 and 25 extend on the width portion 29, and the recesses 26 and 9 extend on the width portion 30.
  • the width portions 29 and 30 are adjacent to the width portion 31 on opposite sides, respectively.
  • the magnetic field lines 20 can thus pass through the cutouts 25 and 26 and are thus not impeded by the shielding layer 13 .
  • the shielding layer 13 is designed to adequately shield an electric field generated by the electrically conductive layer 6 from the current sensor 4 .
  • FIG. 2 shows the commutation cell 1 already shown in FIG. 1 in a top view.
  • the commutation cell 1 includes two semiconductor switches 21 and 22, which together form a semiconductor switch half-bridge.
  • the semiconductor switch 21 is, for example, a low-side semiconductor switch of the semiconductor switch half-bridge
  • the semiconductor switch 22 is a high-side semiconductor switch of the semiconductor switch half-bridge.
  • the semiconductor switches 21 and 22 are each electrically connected to the electrically conductive layer 6 with a contact gap connection, so that the electrically conductive layer 6 forms an output connection of the half-bridge formed by the semiconductor switches 21 and 22 .
  • the electrically conductive layer 6 is T-shaped in this exemplary embodiment, with the output current being able to flow on a T-bar on which the constrictions formed by the cutouts 8 and 9 are formed.
  • the flexible printed circuit board 3 is arranged in the area of the cutouts 8 and 9 in such a way that the cutout 25 in the shielding layer 13 of the flexible printed circuit board is aligned with the cutout 8 in the electrically conductive layer 6 of the circuit carrier 2—in particular in an orthogonal projection.
  • the output current of the semiconductor switch half-bridge can flow in the electrically conductive layer along a longitudinal extension 32 on a web 33 formed between the cutouts 8 and 9 . In the sectional view shown in Figure 1, the web 33 extends over the width section 31.
  • the flexible printed circuit board 3 has an electrically conductive rewiring layer 27 as the top layer, which is electrically conductively connected to the current sensor 4 by means of a bonding wire 28 .
  • the current sensor 4 is in the form of an SMD component and is in the form of surface soldering to the redistribution layer.
  • the semiconductor switch 21 is electrically connected to the flexible printed circuit board 3 by means of bonding wires for its control, of which a bonding wire 23 is designated as an example.
  • the semiconductor switch 22 is electrically connected to the flexible printed circuit board 3 by means of bonding wires, of which a bonding wire 24 is designated as an example.
  • the flexible printed circuit board 3 can thus form a control level for the commutation cell 1, in which low-voltage signals for driving the semiconductor switches 21 and 22, as well as sensor signals from the magnetic field sensor 4, flow.
  • the circuit carrier 2 can form a high-voltage level in which the electrical potential switched by the semiconductor switches 21 and 22 can be formed.
  • an electrical field extending between the high-voltage level, formed by the circuit carrier 2, and the low-voltage level, formed by the flexible printed circuit board 3, can be adequately shielded.
  • the field lines of magnetic field 20 to be detected by magnetic field sensor 4 can propagate sufficiently in cutouts 8, 9 of electrically conductive layer 6 and in cutouts 25 or 26 arranged parallel thereto, so that Hall sensors 17 and 18 detect magnetic field 20 can.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kommutierzelle, insbesondere für einen Inverter. Die Kommutierzelle weist einen insbesondere keramischen Schaltungsträger, und eine Halbleiterschalter-Halbbrücke auf. Die Kommutierzelle weist auch einen Stromsensor auf, welcher ausgebildet und angeordnet ist, einen Phasenstrom der Kommutierzelle zu erfassen. Erfindungsgemäß weist die Kommutierzelle eine mit dem Schaltungsträger insbesondere stoffschlüssig verbundene, und zum Schaltungsträger parallel angeordnete flexible Leiterplatte auf. Der Schaltungsträger weist eine Leiterbahn auf, welche ausgebildet ist, den Ausgangsstrom der Halbbrücke zu führen. Der Stromsensor ist mit der flexiblen Leiterplatte elektrisch verbunden und angeordnet, ein von der insbesondere stromdurchflossenen Leiterbahn erzeugtes magnetisches Feld zu erfassen, und ist ausgebildet, ein Stromsignal zu erzeugen, das den in der Leiterbahn fließenden Strom repräsentiert.

Description

Beschreibung
Titel
Kommutierzelle für einen Inverter
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kommutierzelle, insbesondere für einen Inverter. Die Kommutierzelle weist einen insbesondere keramischen Schaltungsträger, und eine Halbleiterschalter-Halbbrücke auf. Die Kommutierzelle weist auch einen Stromsensor auf, welcher ausgebildet und angeordnet ist, einen Phasenstrom der Kommutierzelle zu erfassen.
Aus der DE 102011 003998 B4 ist eine integrierte Schaltung bekannt, welche einen Halbleiterchip und einen Magnetfeldsensor aufweist, wobei der Magnetfeldsensor ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erfassen, das durch einen Strom erzeugt wird, der durch die gesinterte Metallschicht fließt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist die Kommutierzelle eine mit dem Schaltungsträger insbesondere stoffschlüssig verbundene, und zum Schaltungsträger parallel angeordnete flexible Leiterplatte auf. Der Schaltungsträger weist eine Leiterbahn auf, welche ausgebildet ist, den Ausgangsstrom der Halbbrücke zu führen. Der Stromsensor ist mit der flexiblen Leiterplatte elektrisch verbunden und angeordnet, ein von der insbesondere stromdurchflossenen Leiterbahn erzeugtes magnetisches Feld zu erfassen, und ausgebildet, ein Stromsignal zu erzeugen, das den in der Leiterbahn fließenden Strom repräsentiert. Vorteilhaft kann mittels der flexiblen Leiterplatte so ein insbesondere gegenüber thermischen Ausdehnungen stabiler Aufbau gebildet sein. Vorteilhaft kann das von dem Stromsensor zu erfassende Magnetfeld durch die flexible Leiterplatte hindurch geleitet werden, sodass der Stromsensor aufwandsgünstig mit der flexiblen Leiterplatte mechanisch und elektrisch verbunden sein kann.
Bevorzugt ist der Stromsensor mit der flexiblen Leiterplatte verlötet, versintert oder mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs verklebt. Vorteilhaft kann die Kommutierzelle und der Stromsensor so aufwandsgünstig gebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die flexible Leiterplatte und der Schaltungsträger flach aufeinanderliegend stoffschlüssig miteinander verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen der flexiblen Leiterplatte und dem Schaltungsträger ist bevorzugt durch eine Lötverbindung, oder eine Klebeverbindung gebildet. Vorteilhaft kann so ein Schichtverbund gebildet sein, welcher aufwandsgünstig erzeugt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterbahn im Bereich des Schaltungsträgers S-förmig ausgebildet. Vorteilhaft kann so eine Magnetfeldverstärkung zum Erfassen des Stromes in der Leiterbahn gebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterbahn im Bereich des Schaltungsträgers I-förmig ausgebildet. Vorteilhaft kann die Leiterbahn so zwei Aussparungen aufweisen, welche die I-förmige Leiterbahn zwischeneinander einschließen, und durch die ein Magnetfeld zum Erfassen durch den Stromsensor geleitet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kommutierzelle ein Abschirmelement auf. Das Abschirmelement ist bevorzugt zwischen dem Stromsensor und der Leiterbahn ausgebildet. Vorteilhaft kann so ein elektrisches Feld, erzeugt durch die Leiterbahn des insbesondere keramischen Schaltungsträgers, nicht in Leiterbahnen der flexiblen Leiterplatte, oder in mit der flexiblen Leiterplatte verbundenen elektrischen Komponenten einstreuen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Kommutierzelle ist das Abschirmelement durch eine elektrisch leitfähige Schicht der flexiblen Leiterplatte gebildet. Vorteilhaft kann das Abschirmelement so aufwandsgünstig als Bestandteil der flexiblen Leiterplatte bereitgestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stromsensor durch einen insbesondere differenzierenden Hall-Sensor gebildet, wobei der Hall-Sensor zwei Sensorelemente aufweist. Der Stromsensor ist bevorzugt durch ein zur Oberflächenmontage mit der flexiblen Leiterplatte ausgebildetes Bauelement gebildet. Der Stromsensor ist bevorzugt durch einen gehäuselosen Halbleiter, auch Bare-Die genannt, gebildet.
Der Stromsensor kann so vorteilhaft aufwandsgünstig, insbesondere mittels Reflow-Löten, mit der flexiblen Leiterplatte verbunden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leiterbahn des insbesondere keramischen Schaltungsträgers zwei zueinander benachbarte Aussparungen auf. Weiter bevorzugt weist das Abschirmelement zu den Aussparungen entsprechende Aussparungen auf, die insbesondere in einer Orthogonalprojektion - mit den Aussparungen der Leiterbahn - übereinanderliegend angeordnet sind. Vorteilhaft können so zwei Schlitze unter den Sensorzellen gebildet sein, sodass in den Schlitzen eine Magnetfeldausbreitung des durch die Stromschiene erzeugten Magnetfelds möglich ist. Weiter vorteilhaft kann durch das Abschirmelement, insbesondere eine Abschirmschicht, eine kapazitive Kopplung durch parasitäre Kapazitäten zwischen dem Stromleiter und dem Stromsensor, und so eine Einkopplung in eine Signalführung auf der flexiblen Leiterplatte weitgehend gehemmt, oder verhindert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zu dem Sensor geführte Signalleitungen durch das Abschirmelement abgeschirmt. Vorteilhaft kann so eine kapazitive Kopplung durch parasitäre Kapazitäten zwischen dem Stromleiter und der Signalführung in den Signalleitungen verhindert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Abschirmelement durch eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere Innenschicht, der flexiblen Leiterplatte gebildet, welche durch wenigstens eine, oder zwei diese umgebende elektrisch isolierende Schichten gegenüber der Leiterbahn, oder zusätzlich gegenüber dem Stromsensor, isoliert ist.
Die flexible Leiterplatte, insbesondere FCB (FCB = Flexible-Circuit-Board) weist bevorzugt wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere Umverdrahtungsschicht, und wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht, insbesondere Polyimidschicht, PVB-Schicht (PVB = Poly-Vinyl-Butyral, EVA- Schicht (EVA = Ethylen-Vinyl-Acetat), oder PVF-Schicht (PVF = Poly-Vinyl- Fluorid) auf.
Bevorzugt ist die flexible Leiterplatte derart reversibel biegbar ausgebildet, dass die Leiterplatte gebogen werden kann ohne zu brechen. Die flexible Leiterplatte ist bevorzugt derart flexibel oder federnd ausgebildet, dass die Leiterplatte mindestens rechtwinklig oder U-förmig gebogen werden kann, ohne zu brechen. Vorteilhaft kann so aufwandsgünstig eine insbesondere vibrationsfeste Verbindung zwischen dem Schaltungsträger und der Leiterplatte gebildet sein.
Die elektrisch isolierende Schicht der flexiblen Leiterplatte ist bevorzugt ausgebildet, spannungsführende Leiterbahnen des Schaltungsträgers, insbesondere Hochvolt-Leiterbahnen, von der wenigstens einen elektrisch leitfähigen Schicht der flexiblen Leiterplatte, insbesondere Niedervolt- Umverdrahtungsschicht, elektrisch zu isolieren.
Die Erfindung betrifft auch einen Inverter mit einer Kommutierzelle der vorbeschriebenen Art. Der Inverter weist wenigstens drei Phasen zum Bestromen einer elektrischen Maschine auf, wobei für jede der Phasen wenigstens eine Kommutierzelle an dem Inverter ausgebildet ist. Die Kommutierzelle weist bevorzugt wenigstens eine Halbleiterschalter-Halbbrücke, umfassend einen High-Side-Halbleiterschalter, und einen Low-Side- Halbleiterschalter auf.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den abhängigen Ansprüchen und in den Figuren beschriebenen Merkmale. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kommutierzelle für einen Inverter, bei der eine flexible Leiterplatte und ein Schaltungsträger flach aufeinanderliegend miteinander verbunden sind, und auf der flexiblen Leiterplatte ein Stromsensor angeordnet ist, einen in dem Schaltungsträger fließenden Strom in Abhängigkeit eines von dem Strom erzeugten Magnetfeld zu erfassen, wobei ein von einer Leiterbahn des Schaltungsträgers erzeugtes Magnetfeld durch Aussparungen einer Abschirmschicht zu dem Stromsensor gelangen kann;
Figur 2 zeigt die in Figur 1 dargestellte Kommutierzelle in einer Aufsicht.
Figur 1 zeigt - schematisch - ein Ausführungsbeispiel für eine Kommutierzelle 1 für einen Inverter in einer Schnittdarstellung. Die Kommutierzelle 1 weist einen Schaltungsträger 2 auf, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als keramischer Schaltungsträger ausgebildet ist, und dazu eine elektrisch isolierende Keramikschicht 5, insbesondere Aluminiumoxidschicht oder Siliziumnitridschicht, aufweist. Der Schaltungsträger 2 ist beispielsweise ein AM B-Schaltungsträger (AMB = Active-Metal-Brazed, ein IMS-Schaltungsträger (IMS = Insulated-Metal- Substrate), oder ein DCB-Schaltungsträger (DCB = Direct-Copper-Bonded). Der Schaltungsträger 2 weist auch eine elektrisch leitfähige Schicht 6, insbesondere Kupferschicht, zur Umverdrahtung auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel einen Ausgangsanschluss einer - in Figur 2 näher dargestellten - Halbleiterschalter-Halbbrücke bildet. Der Schaltungsträger 2 umfasst auch eine Rückseitenkontaktierung 7, welche in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Kupferschicht gebildet ist, und welche mit einer Wärmesenke wärmeleitfähig verbunden werden kann. Eine Schichtdicke der Keramikschicht beträgt beispielsweise zwischen 100 und 500 Mikrometer, und eine Schichtdicke der Umverdrahtungsschicht und der Rückseitenschicht beträgt beispielsweise jeweils zwischen 150 und 800 Mikrometer.
Die Kommutierzelle 1 umfasst auch eine flexible Leiterplatte 3. Die flexible Leiterplatte 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Schichten, insbesondere Kupferschichten, und elektrisch isolierende Schichten, insbesondere Polyimidschichten, auf. Die elektrisch isolierenden Schichten weisen beispielsweise eine Dickenerstreckung zwischen 40 und 100 Mikrometer, in diesem Ausführungsbeispiel 60 Mikrometer, auf. Die elektrisch leitfähigen Schichten weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine Dickenerstreckung zwischen 15 und 50 Mikrometer auf.
Die flexible Leiterplatte 3 weist eine elektrisch leitfähige Rückseitenschicht 11, in diesem Ausführungsbeispiel Kupferschicht auf, welche zum stoffschlüssigen Verbinden mit dem Schaltungsträger 2 ausgebildet ist. Die elektrisch leitfähige Rückseitenschicht 11 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke von 18 Mikrometer auf. Die flexible Leiterplatte 3 weist auch eine elektrisch isolierende Schicht 12, insbesondere Polyimidschicht auf, welche mit der elektrisch leitfähigen Schicht 11 - insbesondere mittels Laminieren - aufeinanderliegend verbunden ist. Die flexible Leiterplatte 3 weist auch eine elektrisch leitfähige Abschirmschicht 13, insbesondere Kupferschicht auf, welche insbesondere mittels Laminieren mit der elektrisch isolierenden Schicht 12 verbunden ist, und gemeinsam mit der elektrisch leitfähigen Schicht 11 die elektrisch isolierende Schicht 12 - insbesondere nach Art eines Sandwichs - zwischeneinander einschließt.
Die elektrisch leitfähige Abschirmschicht 13 ist von der elektrisch isolierenden Schicht 12 abweisend mit einerweiteren elektrisch isolierenden Schicht 14 verbunden, sodass die weitere elektrisch isolierende Schicht 14 und die elektrisch isolierende Schicht 12 die Abschirmschicht 13 - insbesondere nach Art eines Sandwichs - zwischeneinander einschließen, uns so gemeinsam einen Schichtverbund flach aufeinander angeordneter Schichten ausbilden.
Die flexible Leiterplatte 3 weist auch eine elektrisch leitfähige Oberseitenschicht 15 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine Umverdrahtungsschicht ausbildet. Die elektrisch leitfähige Schicht 15 ist mit der weiteren elektrisch isolierenden Schicht 14 insbesondere mittels Laminieren verbunden.
Die flexible Leiterplatte 3 ist mit dem Schaltungsträger 2 mittels eines Lotmittels 10 stoffschlüssig verbunden. Anstelle des Lotmittels kann die flexible Leiterplatte 3 auch mittels eines insbesondere elektrisch leitfähigen Klebstoffs, oder mittels eines Gels, insbesondere Silikongels, mit dem Schaltungsträger 2 verbunden sein. Die elektrisch leitfähige Schicht 6 des Schaltungsträgers 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel entlang eines Breitenabschnitts 31 des Schaltungsträgers 2 ausgebildet, zu deren Seiten die elektrisch leitfähige Schicht 6 in der in Figur 1 dargestellten Schnittdarstellung jeweils eine Aussparung 8, und eine Aussparung 9 aufweist. Die elektrisch leitfähige Schicht 6 ist somit mittels der Aussparungen 8 und 9 eingeschnürt, sodass ein Strom, welcher senkrecht zu der in Figur 1 dargestellten Schnittebene in der elektrisch leitfähigen Schicht 6 fließt, ein Magnetfeld 20 erzeugen kann, welches sich mit einer senkrechten Komponente in den Aussparungen 8 und 9 erstreckt.
Die flexible Leiterplatte 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Magnetfeldsensor 4 verbunden. Dazu ist der Magnetfeldsensor 4, welcher in diesem Ausführungsbeispiel Bestandteil der Kommutierzelle 1 ist, mittels eines Verbindungsmittels 16, beispielsweise einem Klebstoff, oder eines Lotmittels, mit der weiteren elektrisch isolierenden Schicht 14 verbunden. Die flexible Leiterplatte 3 weist im Bereich des Magnetfeldsensors 4 eine Aussparung 19 auf, wobei die Aussparung 19 in der elektrisch leitfähigen Schicht, insbesondere Umverdrahtungsschicht 15, ausgebildet ist. Der Magnetfeldsensor 4 ist somit in eine Aussparung der Umverdrahtungsschicht 15 eingesetzt.
Der Magnetfeldsensor 4 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Hall-Sensoren 17 und 18 auf, welche jeweils in einem Gehäuse, oder in einem Massivmaterial des Magnetfeldsensors 4 eingebettet oder aufgenommen sind. Die Hall- Sensoren 17 und 18 sind jeweils ausgebildet und angeordnet, eine senkrechte Komponente des Magnetfelds 20 zu erfassen, und insbesondere mittels Differenzbildung, jeweils ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das die magnetische Feldstärke des Magnetfelds 20 repräsentiert.
Der Magnetfeldsensor 4 ist im Bereich des Breitenabschnitts 31 in einer Orthogonalprojektion über der elektrisch leitfähigen Schicht 6 angeordnet, sodass um die elektrisch leitfähige Schicht 6, welche in diesem Ausführungsbeispiel einen elektrischen Flachleiter ausbildet, in umlaufende Magnetfeldlinien des Magnetfelds 20 durch die Hall-Sensoren 17 und 18 verlaufen. Die flexible Leiterplatte 3 weist im Bereich der Abschirmschicht 13 zwei Aussparungen 25 und 26 auf, welche jeweils - insbesondere in einer Orthogonalprojektion - mit der Aussparung 8 beziehungsweise der Aussparung 9 fluchten. Die Aussparungen 8 und 25 erstrecken sich auf dem Breitenabschnitt 29, und die Aussparungen 26 und 9 erstrecken sich auf dem Breitenabschnitt 30. Die Breitenabschnitte 29 und 30 sind an den Breitenabschnitt 31 jeweils auf zueinander entgegengesetzten Seiten benachbart angeordnet.
Die Magnetfeldlinien 20 können somit durch die Aussparung 25 und 26 hindurchtreten, und werden so durch die Abschirmschicht 13 nicht behindert. Die Abschirmschicht 13 ist ausgebildet, ein von der elektrisch leitfähigen Schicht 6 erzeugtes elektrisches Feld zu dem Stromsensor 4 hin ausreichend abzuschirmen.
Figur 2 zeigt die in Figur 1 bereits dargestellte Kommutierzelle 1 in einer Aufsicht. Die Kommutierzelle 1 umfasst zwei Halbleiterschalter 21 und 22, welche gemeinsam eine Halbleiterschalter-Halbbrücke ausbilden. Der Halbleiterschalter 21 ist beispielsweise ein Low-Side-Halbleiterschalter der Halbleiterschalter- Halbbrücke, und der Halbleiterschalter 22 ein High-Side-Halbleiterschalter der Halbleiterschalter-Halbbrücke. Die Halbleiterschalter 21 und 22 sind jeweils mit der elektrisch leitfähigen Schicht 6 jeweils mit einem Schaltstreckenanschluss elektrisch verbunden, sodass die elektrisch leitfähige Schicht 6 einen Ausgangsanschluss der durch die Halbleiterschalter 21 und 22 gebildeten Halbbrücke ausbildet.
Die elektrisch leitfähige Schicht 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel T-förmig ausgebildet, wobei der Ausgangsstrom auf einem T-Balken fließen kann, auf dem die durch die Aussparungen 8 und 9 gebildeten Einschnürungen ausgebildet sind. Die flexible Leiterplatte 3 ist im Bereich der Aussparungen 8 und 9 derart angeordnet, dass die Aussparung 25 in der Abschirmschicht 13 der flexiblen Leiterplatten mit der Aussparung 8 in der elektrisch leitfähigen Schicht 6 des Schaltungsträgers 2 - insbesondere in einer Orthogonalprojektion - fluchtet. Der Ausgangsstrom der Halbleiterschalter-Halbbrücke kann in der elektrisch leitfähigen Schicht in diesem Ausführungsbeispiel entlang einer Längserstreckung 32 auf einem zwischen den Aussparungen 8 und 9 gebildeten Steg 33 fließen. Der Steg 33 erstreckt sich in der in Figur 1 dargestellten Schnittdarstellung auf dem Breitenabschnitt 31.
Die flexible Leiterplatte 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine elektrisch leitfähige Umverdrahtungsschicht 27 als Oberseitenschicht auf, welche mittels eines Bonddrahtes 28 mit dem Stromsensor 4 elektrisch leitfähig verbunden ist.
In einer anderen Ausführungsform ist der Stromsensor 4 als SMD- Bauelement ausgebildet und zum Oberflächenverlöten mit der Umverdrahtungsschicht ausgebildet.
Der Halbleiterschalter 21 ist mittels Bonddrähten zu dessen Ansteuerung mit der flexiblen Leiterplatte 3 elektrisch verbunden, von denen ein Bonddraht 23 beispielhaft bezeichnet ist. Der Halbleiterschalter 22 ist mittels Bonddrähten mit der flexiblen Leiterplatte 3 elektrisch verbunden, von denen ein Bonddraht 24 beispielhaft bezeichnet ist. Die flexible Leiterplatte 3 kann somit zu der Kommutierzelle 1 eine Steuerungsebene ausbilden, in der Niedervoltsignale zum Ansteuern der Halbleiterschalter 21 und 22, als auch Sensorsignale des Magnetfeldsensors 4 fließen.
Der Schaltungsträger 2 kann in diesem Ausführungsbeispiel eine Hochvoltebene ausbilden, in der von den Halbleiterschaltern 21 und 22 geschaltetes elektrisches Potential ausgebildet sein kann.
Mittels der Abschirmschicht 13 kann ein, sich zwischen der Hochvoltebene, gebildet durch den Schaltungsträger 2, und der Niedervoltebene, gebildet durch die flexible Leiterplatte 3, erstreckendes elektrisches Feld hinreichend abgeschirmt werden. Die von dem Magnetfeldsensor 4 zu erfassenden Feldlinien des Magnetfelds 20 können sich in den Aussparungen 8, 9 der elektrisch leitfähigen Schicht 6, und in den dazu parallel angeordneten Aussparungen 25 beziehungsweise 26 hinreichend ausbreiten, sodass die Hall-Sensoren 17 und 18 das Magnetfeld 20 erfassen können. Anstelle der in der in Figur 2 dargestellten, mittels der Aussparungen 8 und 9 gebildeten I-Form der elektrisch leitfähigen Schicht kann zur Stromerfassung anstelle der I-Form auch eine S-Form, oder eine W-Form zur Stromerfassung ausgebildet sein.

Claims

Ansprüche
1. Kommutierzelle (1) mit einem insbesondere keramischen Schaltungsträger (2) und einer Halbleiterschalter-Halbbrücke (21, 22), wobei die Kommutierzelle (1) einen Stromsensor (4) aufweist, welcher ausgebildet und angeordnet ist, einen Phasenstrom der Kommutierzelle (1) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierzelle (1) eine mit dem Schaltungsträger (2) insbesondere stoffschlüssig verbundene, und zum Schaltungsträger (2) parallel angeordnete flexible Leiterplatte (3) aufweist, wobei der Schaltungsträger (2) eine Leiterbahn (6) aufweist, welche ausgebildet ist, den Ausgangsstrom der Halbbrücke (21, 22) zu führen und der Stromsensor (4) mit der flexiblen Leiterplatte (3) elektrisch verbunden und angeordnet ist, ein von der insbesondere stromdurchflossenen Leiterbahn (6) erzeugtes magnetisches Feld (20) zu erfassen und ausgebildet ist, ein Stromsignal zu erzeugen, das den in der Leiterbahn (6) fließenden Strom repräsentiert.
2. Kommutierzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte (3) und der Schaltungsträger (2) flach aufeinanderliegend stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
3. Kommutierzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (6) im Bereich des Schaltungsträgers I-förmig ausgebildet ist.
4. Kommutierzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (6) im Bereich des Schaltungsträgers S-förmig ausgebildet ist.
5. Kommutierzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierzelle (1) ein Abschirmelement (13) aufweist, welches zwischen dem Stromsensor (4) und der Leiterbahn (6) ausgebildet ist.
6. Kommutierzelle (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (13) durch eine elektrisch leitfähige Schicht (13) der flexiblen Leiterplatte (3) gebildet ist.
7. Kommutierzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor ein differenzierender Hallsensor umfassend zwei Sensorelemente ist.
8. Kommutierzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (6) zwei zueinander benachbarte Aussparungen (8, 9) aufweist, und das Abschirmelement (13) zu den Aussparungen (8, 9) entsprechende Aussparungen (25, 26) aufweist, die insbesondere in einer Orthogonal Projektion, mit den Aussparungen (8, 9) der Leiterbahn übereinanderliegend angeordnet sind.
9. Kommutierzelle (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Sensor (4) geführte Signalleitungen (15, 27) durch das Abschirmelement (13) abschirmt sind.
10. Kommutierzelle (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (13) durch eine elektrisch leitfähige Innenschicht der flexiblen Leiterplatte (3) gebildet ist, welche durch wenigstens eine oder zwei diese umgebende elektrisch isolierende Schichten (12, 14) gegenüber der Leiterbahn (6) oder zusätzlich dem Stromsensor (4) isoliert ist.
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