WO2023016856A1 - Leistungsschaltungsanordnung für ein fahrzeug - Google Patents

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WO2023016856A1
WO2023016856A1 PCT/EP2022/071649 EP2022071649W WO2023016856A1 WO 2023016856 A1 WO2023016856 A1 WO 2023016856A1 EP 2022071649 W EP2022071649 W EP 2022071649W WO 2023016856 A1 WO2023016856 A1 WO 2023016856A1
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Armin Ruf
Andreas Speinle
Walter Von Emden
Manuel Wild
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Robert Bosch Gmbh
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    • H05K2201/10053—Switch

Definitions

  • the invention relates to a power circuit arrangement for a vehicle, which can be used in particular in an inverter for electric machines.
  • the invention relates to an inverter for an electrical AC machine with such a power circuit arrangement.
  • Electrically powered vehicles such as battery electric vehicles, hybrid vehicles or fuel cell vehicles, share the challenge of safely handling high voltages of, for example, 400V or 800V in the vehicle. Since voltages above 60 volts are dangerous for people, safe handling of high-voltage components, for example during maintenance or in the event of a crash, is an important aspect. Therefore, there are various safety requirements which dictate that energy storage elements, such as DC coupling capacitors with a capacitance of several hundred microfarads, should be discharged to safe voltage levels below 60 volts within certain time periods.
  • various circuit arrangements for discharging energy stores are known, which have active and passive discharge components. Typically, a circuit with wiring, connectors and passive ohmic resistors is used. Alternatively, insulating substrates are used with thin film printed resistors or thick film printed resistors attached to a heat sink.
  • DE 10 2012 218 604 A1 discloses a circuit arrangement for discharging an electrical energy store, which can be used in a power converter.
  • the circuit arrangement includes NEM uncontrolled, passive discharging of the energy store a first discharge current path, which runs from a first positive current terminal of the energy store to a second negative current terminal of the energy store and has a first discharge resistor, which limits the current in the first discharge current path.
  • the circuit arrangement includes a second discharging current path, which runs parallel to the first discharging current path from the positive current connection of the energy store to the negative current connection of the energy store, and includes a second discharge resistor that can be connected via a controllable semiconductor switch, which limits the current in the first discharging current path.
  • the discharge speed of the respective discharge current path can be set via the resistance values of the two discharge resistors, with the first discharge resistor having a significantly higher resistance value than the second discharge resistor.
  • the two discharge resistors are each designed as a thick-film resistor, which is printed from resistor paste onto a ceramic substrate using a screen printing process.
  • the two thick-film resistors of the first and of the second discharge resistor are formed monolithically on one and the same carrier material.
  • the power circuit arrangement for a vehicle with the features of independent claim 1 has the advantage that by integrating the at least one discharge resistor as a conductor structure in a flexible printed circuit board, which electrically connects a first circuit carrier of the power circuit arrangement to a second circuit carrier of the power circuit arrangement by means of at least one line, Already existing design elements of the power circuit arrangement can be used to discharge at least one energy store by converting the charged electrical energy into thermal energy within a predetermined period of time to a voltage value of less than 60 volts that is not dangerous to humans.
  • the at least one discharge resistor is no longer an individual, discrete element or substrate, but a conductor structure integrated into the flexible printed circuit board. This results in system advantages in terms of module size (Space) and integration density, since these are not or only slightly expanded to implement the discharge function.
  • Embodiments of the present invention provide a power circuit arrangement for a vehicle which has a first circuit carrier on which at least two power semiconductor switches are arranged, at least one energy store which provides a high voltage and can be discharged via at least one discharge resistor, a second circuit carrier on which at least two Driver circuits are arranged, which are each associated with one of the at least two power semiconductor switches, and a flexible circuit board, which comprises at least one line and the first circuit carrier and the second circuit carrier electrically connects to each other.
  • the at least one discharge resistor is designed as a conductor structure and is integrated into the flexible printed circuit board.
  • the flexible printed circuit board is thermally coupled to a heat sink in the region of the at least one conductor structure, so that heat is transferred directly from resistive power losses of the at least one conductor structure to the heat sink.
  • an inverter for an electrical AC machine which is looped in between a DC voltage supply and the AC machine and includes at least one such power circuit arrangement.
  • Thermal coupling of the at least one conductor structure to the heat sink enables active cooling of the at least one conductor structure, so that it can carry much more current or higher power losses. This enables high power loss with minimal space consumption.
  • the at least one conductor structure is advantageously integrated into the existing construction of the flexible printed circuit board without requiring a great deal of additional space.
  • supply lines and/or connecting conductor tracks or connecting lines for control signals and/or sensor signals are integrated in the flexible printed circuit board.
  • the connecting conductor tracks or the connecting lines and/or the supply supply lines are preferably designed to be wider than the conductors of the at least one conductor structure.
  • the flexible printed circuit board can be used for a greater overall length of the at least one conductor structure and thus for realizing a greater ohmic resistance value.
  • the at least one conductor structure can be electrically insulated from the connecting conductor tracks or connecting lines or supply lines and from the heat sink, for example by plastic films. Because of the excellent insulation properties, the at least one conductor structure can be used for low voltages ( ⁇ 60V) and/or for high voltages (eg 800V).
  • the flexible printed circuit board can be electrically connected to the second circuit carrier, for example via plug connections or soldered connections.
  • a discrete discharge resistor including its wiring and contacting, can be saved in order to implement the discharge function for the at least one energy store. This can reduce manufacturing time, complexity and costs in the production line. Embodiments of the power circuit arrangement according to the invention thus offer a lean and cost-effective solution for implementing the “active discharge” safety function of the at least one energy store. Furthermore, due to a lower complexity and a reduced number of components and elements, there is a lower probability of failure over the service life and thus a high level of reliability.
  • the at least one conductor structure can be designed as a meander structure or as a zigzag structure or as a spiral structure or as a strip structure. Any desired ohmic resistance values for the corresponding discharge resistance can be specified over the entire length of the conductor of the at least one conductor structure.
  • the flexible printed circuit board can have a multi-layer design, with the at least one conductor structure being able to run over a number of layers. By arranging the at least one conductor structure in several layers of the flexible printed circuit board, a greater overall length for the conductor of the at least one conductor structure can be implemented and thus a larger ohmic resistance can be realized for the corresponding discharge resistance.
  • the flexible printed circuit board can be connected to the heat sink at least in the region of the at least one conductor structure, for example by soldering or gluing or sintering or via an external thermally conductive coating.
  • the thermal connection of the at least one conductor structure to the heat sink can be adapted to the respective embodiment of the heat sink.
  • the first circuit carrier can be in the form of an AMB substrate or a DBC substrate.
  • the first circuit carrier can be thermally connected to a cooling device via a first metal layer.
  • the cooling device can preferably be designed as a pin-fin cooler.
  • the outer thermally conductive coating of the flexible printed circuit board in the area of the at least one conductor structure can be connected to a second metal layer of the first circuit carrier as a heat sink.
  • the power circuit arrangement for realizing the discharge function can also benefit from the use of the existing cooling device for cooling the first circuit carrier, which can also be used via the first circuit carrier to cool the at least one conductor structure.
  • this embodiment of the power circuit arrangement according to the invention achieves additional advantages with regard to space requirements and system costs when implementing the discharge function for the at least one energy store.
  • the flexible printed circuit board can be electrically connected to the second circuit carrier via a transition piece and at least one contact area.
  • the transition piece can bridge a gap or a free space or a spatial distance between the first circuit carrier and the second circuit carrier.
  • the contacting area can be designed, for example, as a plug or as a plug socket or as a soldering point.
  • a discharge switch arranged on the second circuit carrier can be designed to electrically connect the at least one discharge resistor to the at least one energy store for active discharge.
  • the discharge switch is preferably designed as a semiconductor switch.
  • a voltage converter which converts a high voltage of the at least one energy store into a low voltage of less than 60 volts, can be arranged on the second circuit carrier.
  • the discharge switch can be arranged between a low-voltage output of the voltage converter and the at least one contact area of the flexible printed circuit board.
  • a measuring resistor can be arranged between the discharge switch and the at least one contact area of the flexible printed circuit board, by means of which a current discharge current can be measured. This enables current and/or voltage monitoring in the discharge function.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a power circuit arrangement according to the invention for a vehicle.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first circuit carrier and a flexible printed circuit board of the power circuit arrangement according to the invention from FIG.
  • FIG. 3 shows a detailed representation of a section of the flexible printed circuit board of the power circuit arrangement according to the invention from FIGS. 1 and 2.
  • the illustrated exemplary embodiment of a power circuit arrangement 1 according to the invention for a vehicle comprises a first circuit carrier 2, on which at least two power semiconductor switches SI, S2, S3, S4 are arranged, at least one energy store 7, which provides a high voltage and can be discharged via at least one discharge resistor 13, a second circuit carrier 3, on which at least two driver circuits are arranged, which are each assigned to one of the at least two power semiconductor switches SI, S2, S3, S4, and a flexible printed circuit board 10, which has at least one line 11 comprises and the first circuit carrier 2 and the second circuit carrier 3 electrically connected to each other.
  • the at least one discharge resistor 13 is designed as a conductor structure 14 and is integrated into the flexible printed circuit board 10 .
  • the flexible printed circuit board 10 is thermally coupled to a heat sink 16 in the area of the at least one conductor structure 14, so that direct heat transfer from resistance power losses of the at least one conductor structure 14 to the heat sink 16 takes place.
  • the first circuit carrier 2 which is designed as an AMB substrate 2A, for example.
  • a first metal layer 17C here a copper layer
  • the first circuit carrier 2 designed as AMB substrate 2A
  • the cooling device 16 is designed as a pin-fin cooler 16A.
  • the first circuit carrier 2 can be designed as a DBC substrate.
  • the power circuit arrangement 1 shown comprises only one energy store 7 designed as a capacitor 7A and four driver circuits (not shown in detail) arranged on the second circuit carrier 3 for driving the four power semiconductor switches SI, S2, S3, S4.
  • control inputs of the four power semiconductor switches SI, S2, S3, S4 are electrically contacted via bonded connections with corresponding contact areas 20A, 20B, 20C, 20D of the flexible printed circuit board 10.
  • the contact areas 20A, 20B, 20C, 20D are electrically connected to the driver circuits on the second circuit carrier 3 via corresponding lines 11 .
  • the flexible printed circuit board 10 has a U-shape in the exemplary embodiment shown and can be electrically connected to the second circuit carrier 3 via a transition piece 19 and a plurality of contacting regions 12 designed as plugs 12A.
  • the transition piece 19 of the flexible printed circuit board 10 bridges a spatial distance between the first circuit carrier 2 and the second circuit carrier 3.
  • the lower leg of the U-shaped flexible printed circuit board 10 is designed as an NTC element Temperature sensor 6 arranged, which measures the temperature in the four power semiconductor switches SI, S2, S3, S4. The corresponding sensor signals are transmitted to the second circuit carrier 3 via corresponding lines 11 for evaluation.
  • the flexible printed circuit board 10 comprises a conductor structure 14 designed as a meandering structure 14A, which is arranged in a lower leg of the U-shaped flexible printed circuit board 10 in the illustrated exemplary embodiment.
  • the meandering structure 14A is electrically insulated from the lines 11 and from the heat sink 16 by applied plastic films.
  • the conductor structure 14 can be designed as a zigzag structure or as a spiral structure or as a strip structure.
  • the at least one conductor structure 10 on im upper leg of the U-shaped flexible circuit board 10 may be arranged in the connecting leg of the U-shaped flexible circuit board 10 .
  • an additional second conductor structure 10 can be arranged in the upper leg of the U-shaped flexible printed circuit board 10 .
  • the flexible printed circuit board 2 comprises a plurality of lines 11 which are used as signal lines for control and/or sensor signals or as supply lines.
  • the flexible printed circuit board 10 is designed in one layer.
  • the flexible printed circuit board 10 has a multi-layer design, with the at least one conductor structure 14 running over a number of layers.
  • the flexible printed circuit board 10 has an outer, thermally conductive coating 15 at least in the area of the conductor structure 14 .
  • the outer thermally conductive coating 15 in the region of the conductor structure 14 is connected to a second metal layer 17A of the first circuit carrier 2, which is arranged on the ceramic layer 17B of the first circuit carrier 2 designed as an AMB substrate 2A, as a heat sink 16.
  • the conductor structure designed as a meander structure 14A can be thermally connected directly to the cooling device 18 by soldering or gluing or sintering or via the outer thermally conductive coating 15 .
  • a high-voltage connection HV of the voltage converter 9 is connected to the energy store 7 .
  • a low voltage terminal NV of the voltage converter is connected to a discharge switch 4 arranged on the second circuit carrier 2 .
  • the discharge switch 4 is designed as a semiconductor switch 4A whose control input can be controlled by an evaluation and control unit 5 .
  • the invitation switch 4 electrically connects the discharge resistor 13, designed as a conductor structure 14, to the energy store 7 for active discharge.
  • the discharge switch 4 is arranged between the low-voltage output NV of the voltage converter 9 and the at least one contact area 12 of the flexible printed circuit board 10 .
  • a measuring resistor 8 is arranged between the discharge switch 4 and the at least one contacting area 12 of the flexible printed circuit board 10, by means of which a current discharge current can be measured.
  • Embodiments of the power circuit arrangement 1 according to the invention are preferably used in an inverter for an electrical AC machine, which is looped in between a DC voltage supply and the AC machine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungsschaltungsanordnung (1) für ein Fahrzeug, mit einem ersten Schaltungsträger (2), auf welchem mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter (S1, S2, S3, S4) angeordnet sind, mindestens einem Energiespeicher (7), welcher eine Hochspannung bereitstellt und über mindestens einen Entladungswiderstand (13) entladbar ist, einem zweiten Schaltungsträger (3), auf welchem mindestens zwei Treiberschaltungen angeordnet sind, welche jeweils einem der mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter (S1, S2, S3, S4) zugeordnet sind, und einer flexiblen Leiterplatte (10), welche mindestens eine Leitung (11) umfasst und den ersten Schaltungsträger (2) und den zweiten Schaltungsträger (3) elektrisch miteinander verbindet, sowie einen Wechselrichter mit einer solchen Leistungsschaltungsanordnung (1) für ein Fahrzeug, wobei der mindestens eine Entladungswiderstand (13) als Leiterstruktur (14) ausgebildet und in die flexible Leiterplatte (10) integriert ist, wobei die flexible Leiterplatte (10) im Bereich der mindestens einen Leiterstruktur (14) thermisch mit einer Wärmesenke (16) gekoppelt ist, so dass eine direkte Wärmeübertragung von Widerstandsleistungsverlusten der mindestens einen Leiterstruktur (14) an die Wärmesenke (16) erfolgt.

Description

Beschreibung
Titel
Leistungsschaltungsanordnung für ein Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Leistungsschaltungsanordnung für ein Fahrzeug, welches insbesondere in einem Wechselrichter für Elektromaschinen eingesetzt werden kann. Zudem betrifft die Erfindung einen Wechselrichter für eine elektrische Wechselstrommaschine mit einer solchen Leistungsschaltungsanordnung.
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge, wie beispielsweise Batterieelektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder Brennstoffzellenfahrzeuge, teilen sich die Herausforderung, hohe Spannungen von beispielsweise 400V oder 800V im Fahrzeug sicher zu handhaben. Da Spannungen über 60 Volt für Menschen gefährlich sind, ist eine sichere Handhabung von Hochspannungskomponenten, beispielweise bei der Wartung oder bei Crashfällen ein wichtiger Aspekt. Daher gibt es diverse Sicherheitsanforderungen, welche vorschreiben, dass Energiespeicherelemente, wie beispielsweise Gleichspannungskoppelkondensatoren mit einer Kapazität von mehreren Hundert Mikrofarad, innerhalb von bestimmten Zeitspannen auf sichere Spannungswerte unter 60 Volt entladen werden sollen. Hierzu sind verschiedene Schaltungsanordnungen zum Entladen von Energiespeichern bekannt, welche aktive und passive Entladungskomponenten aufweisen. Typischerweise wird eine Schaltung mit Verkabelung, Steckverbindern und passiven ohmschen Widerständen eingesetzt. Alternativ werden isolierende Substrate mit gedruckten Dünnschichtwiderständen oder gedruckten Dickschichtwiderständen verwendet, welche an einer Wärmesenke befestigt sind.
Aus der DE 10 2012 218 604 Al ist beispielsweise eine Schaltungsanordnung zum Entladen eines elektrischen Energiespeichers bekannt, welche in einem Stromrichter eingesetzt werden kann. Die Schaltungsanordnung umfasst zu ei- nem ungesteuerten, passiven Entladen des Energiespeichers einen ersten Entladestrompfad, welcher von einem ersten positiven Stromanschluss des Energiespeichers zu einem zweiten negativen Stromanschluss des Energiespeichers verläuft und einen ersten Entladungswiderstand aufweist, welcher den Strom im ersten Entladestrompfad begrenzt. Zum aktiven Entladen des Energiespeichers umfasst die Schaltungsanordnung einen zweiten Entladestrompfad, welcher von dem positiven Stromanschluss des Energiespeichers zu dem negativen Stromanschluss des Energiespeichers parallel zu dem ersten Entladestrompfad verläuft und einen über einen steuerbaren Halbleiterschalter zuschaltbaren zweiten Entladungswiderstand umfasst, welcher den Strom im ersten Entladestrompfad begrenzt. Über Widerstandswerte der beiden Entladungswiderstände kann die Entladegeschwindigkeit des jeweiligen Entladestrompfads eingestellt werden, wobei der erste Entladungswiderstand einen deutlich höheren Widerstandswert als der zweite Entladungswiderstand aufweist. Die beiden Entladungswiderstände sind jeweils als Dickschichtwiderstand ausgebildet, welcher aus Widerstandspaste in einem Siebdruckverfahren auf ein keramisches Trägermaterial gedruckt ist. Hierbei sind die beiden Dickschichtwiderstände des ersten und des zweien Entladungswiderstands auf einem und demselben Trägermaterial monolithisch ausgebildet.
Offenbarung der Erfindung
Die Leistungsschaltungsanordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch eine Integration des mindestens einen Entladungswiderstands als Leiterstruktur in eine flexible Leiterplatte, welche mittels mindestens einer Leitung einen ersten Schaltungsträger der Leistungsschaltungsanordnung elektrisch mit einem zweiten Schaltungsträger der Leistungsschaltungsanordnung verbindet, ohnehin vorhandene Konstruktionselemente der Leistungsschaltungsanordnung genutzt werden können, um mindestens einen Energiespeicher durch Umwandeln der geladenen elektrischen Energie in thermische Energie innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne auf einen für Menschen ungefährlichen Spannungswert von unter 60 Volt zu entladen. Somit ist der mindestens eine Entladungswiderstand kein einzelnes diskretes Element oder Substrat mehr, sondern eine in die flexible Leiterplatte integrierte Leiterstruktur. Dadurch ergeben sich Systemvorteile in Bezug auf Modulgröße (Bauraum) und Integrationsdichte, da diese zur Umsetzung der Entladefunktion nicht oder nur unwesentlich erweitert werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Leistungsschaltungsanordnung für ein Fahrzeug zur Verfügung, welche einen ersten Schaltungsträger, auf welchem mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter angeordnet sind, mindestens einen Energiespeicher, welcher eine Hochspannung bereitstellt und über mindestens einen Entladungswiderstand entladbar ist, einen zweiten Schaltungsträger, auf welchem mindestens zwei Treiberschaltungen angeordnet sind, welche jeweils einem der mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter zugeordnet sind, und eine flexiblen Leiterplatte, welche mindestens eine Leitung umfasst und den ersten Schaltungsträger und den zweiten Schaltungsträger elektrisch miteinander verbindet. Hierbei ist der mindestens eine Entladungswiderstand als Leiterstruktur ausgebildet und in die flexible Leiterplatte integriert. Die flexible Leiterplatte ist im Bereich der mindestens einen Leiterstruktur thermisch mit einer Wärmesenke gekoppelt, so dass eine direkte Wärmeübertragung von Widerstandsleistungsverlusten der mindestens einen Leiterstruktur an die Wärmesenke erfolgt.
Zudem wird Wechselrichter für eine elektrische Wechselstrommaschine vorgeschlagen, welcher zwischen einer Gleichspannungsversorgung und der Wechselstrommaschine eingeschleift ist und mindestens eine solche Leistungsschaltungsanordnung umfasst.
Durch eine thermische Kopplung der mindestens einen Leiterstruktur mit der Wärmesenke ist eine aktive Kühlung der mindestens einen Leiterstruktur möglich, so dass diese viel mehr Strom bzw. höhere Leistungsverluste tragen kann. Dies ermöglicht eine hohe Verlustleistung bei minimalem Platzverbrauch. In vorteilhafter Weise ist die mindestens eine Leiterstruktur ohne viel zusätzlichen Flächenaufwand in die bestehende Konstruktion der flexiblen Leiterplatte integriert. Hierbei sind neben der mindestens einen Leiterstruktur Versorgungsleitungen und/oder Verbindungsleiterbahnen bzw. Verbindungsleitungen für Steuersignale und/oder Sensorsignale in der flexible Leiterplatte integriert. Hierbei können die Verbindungsleiterbahnen bzw. die Verbindungsleitungen und/oder die Versor- gungsleitungen vorzugsweise breiter als die Leiter der mindestens einen Leiterstruktur ausgelegt werden. Zudem können mehrere verschiedene Schichten der flexiblen Leiterplatte für eine größere Gesamtlänge der mindestens einen Leiterstruktur und damit für die Realisierung eines größeren ohmschen Widerstandwerts verwendet werden. Die mindestens einen Leiterstruktur kann beispielsweise durch Kunststofffolien von den Verbindungsleiterbahnen bzw. Verbindungsleitungen bzw. Versorgungsleitungen und von der Wärmesenke elektrisch isoliert werden. Aufgrund der hervorragenden Isolationseigenschaften kann die mindestens einen Leiterstruktur für Niederspannungen (<60V) und/oder für Hochspannung (z.B. 800V) verwendet werden. Die flexible Leiterplatte kann beispielsweise über Steckverbindungen oder Lötverbindungen elektrisch mit dem zweiten Schaltungsträger verbunden werden.
Bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leistungsschaltungsanordnung kann zur Realisierung der Entladungsfunktion für den mindestens einen Energiespeicher ein diskreter Entladungswiderstand, einschließlich dessen Verkabelung und Kontaktierung eingespart werden. Dadurch können Herstellungszeitspanne, Komplexität und Kosten in der Produktionslinie reduziert werden. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leistungsschaltungsanordnung bieten damit eine schlanke und kostengünstige Lösung für die Realisierung der Sicherheitsfunktion "aktive Entladung" des mindestens einen Energiespeichers. Des Weiteren ergeben sich aufgrund einer geringeren Komplexität und einer reduzierten Anzahl von Komponenten und Elementen eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit über die Lebensdauer und damit eine hohe Zuverlässigkeit.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Leistungsschaltungsanordnung für ein Fahrzeug möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens eine Leiterstruktur als Mäanderstruktur oder als Zickzackstruktur oder als Spiralstruktur oder als Streifenstruktur ausgebildet sein kann. Über eine Gesamtlänge des Leiters der mindestens einen Leiterstruktur können beliebige ohmsche Widerstandswerte für den korrespondierenden Entladungswiderstand vorgegeben werden. In vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsschaltungsanordnung kann die flexible Leiterplatte mehrlagig ausgebildet sein, wobei die mindestens einen Leiterstruktur über mehrere Lagen verlaufen kann. Durch die Anordnung der mindestens einen Leiterstruktur in mehreren Lagen der flexiblen Leiterplatte kann eine größere Gesamtlänge für den Leiter der mindestens einen Leiterstruktur umgesetzt und damit ein größerer ohmscher Widerstand für den korrespondierenden Entladungswiderstand realisiert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsschaltungsanordnung kann die flexible Leiterplatte zumindest im Bereich der mindestens einen Leiterstruktur beispielsweise durch Löten oder Kleben oder sintern oder über eine äußere thermisch leitende Beschichtung mit der Wärmesenke verbunden werden. Dadurch kann die thermische Verbindung der mindestens einen Leiterstruktur mit der Wärmesenke an die jeweilige Ausführungsform der Wärmesenke angepasst werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsschaltungsanordnung kann der erste Schaltungsträger als AM B-Substrat oder als DBC-Substrat ausgeführt sein. Hierbei kann der erste Schaltungsträger über eine erste Metallschicht mit einer Kühlvorrichtung thermisch verbunden sein. Die Kühlvorrichtung kann vorzugsweise als Pin-Fin-Kühler ausgeführt sein. Zudem kann die äußere thermisch leitende Beschichtung der flexiblen Leiterplatte im Bereich der mindestens einen Leiterstruktur mit einer zweiten Metallschicht des ersten Schaltungsträgers als Wärmesenke verbunden sein. Dadurch kann die Leistungsschaltungsanordnung zur Realisierung der Entladungsfunktion zusätzlich von der Verwendung von der bereits vorhandenen Kühlvorrichtung zur Kühlung des ersten Schaltungsträgers profitieren, welcher über den ersten Schaltungsträger zusätzlich zur Kühlung der mindestens einen Leiterstruktur eingesetzt werden kann. Dabei erreicht diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungsschaltungsanordnung zusätzliche Vorteile in Bezug auf Raumbedarf und Systemkosten bei der Umsetzung der Entladungsfunktion für den mindestens einen Energiespeicher.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsschaltungsanordnung kann die flexible Leiterplatte über ein Übergangsstück und mindestens einen Kontaktierungsbereich mit dem zweiten Schaltungsträger elektrisch verbunden sein. Hierbei kann das Übergangsstück eine Lücke bzw. einen Freiraum bzw. einen räumlichen Abstand zwischen dem ersten Schaltungsträger und dem zweiten Schaltungsträger überbrücken. Der Kontaktierungsbereich kann beispielsweise als Stecker oder als Steckeraufnahme oder als Lötstelle ausgebildet sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsschaltungsanordnung kann ein auf dem zweiten Schaltungsträger angeordneter Entladungsschalter ausgeführt sein, den mindestens einen Entladungswiderstand zur aktiven Entladung elektrisch mit dem mindestens einen Energiespeicher zu verbinden. Der Entladungsschalter ist vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsschaltungsanordnung kann ein Spannungswandler, welcher eine Hochspannung des mindestens einen Energiespeichers in eine Niederspannung kleiner als 60 Volt umwandelt, auf dem zweiten Schaltungsträger angeordnet sein. Hierbei kann der Entladungsschalter zwischen einem Niederspannungsausgang des Spannungswandlers und dem mindestens einen Kontaktierungsbereich der flexiblen Leiterplatte angeordnet sein. Dadurch wird die mindestens eine Leiterstruktur ebenfalls mit der Niederspannung betrieben, welche kleiner als 60 Volt ist und beispielsweise einen Wert von 18 Volt aufweist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Leistungsschaltungsanordnung kann zwischen dem Entladungsschalter und dem mindestens einen Kontaktierungsbereich der flexiblen Leiterplatte ein Messwiderstand angeordnet sein, mittels dem ein aktueller Entladestrom gemessen werden kann. Dadurch ist eine Strom- und/oder Spannungsüberwachung in der Entladungsfunktion möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leistungsschaltungsanordnung für ein Fahrzeug.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Schaltungsträgers und einer flexiblen Leiterplatte der erfindungsgemäßen Leistungsschaltungsanordnung aus Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Detaildarstellung eines Ausschnitts der flexiblen Leiterplatte der erfindungsgemäßen Leistungsschaltungsanordnung aus Fig. 1 und 2.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsschaltungsanordnung 1 für ein Fahrzeug einen ersten Schaltungsträger 2, auf welchem mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter SI, S2, S3, S4 angeordnet sind, mindestens einen Energiespeicher 7, welcher eine Hochspannung bereitstellt und über mindestens einen Entladungswiderstand 13 entladbar ist, einen zweiten Schaltungsträger 3, auf welchem mindestens zwei Treiberschaltungen angeordnet sind, welche jeweils einem der mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter SI, S2, S3, S4 zugeordnet sind, und eine flexible Leiterplatte 10, welche mindestens eine Leitung 11 umfasst und den ersten Schaltungsträger 2 und den zweiten Schaltungsträger 3 elektrisch miteinander verbindet. Hierbei ist der mindestens eine Entladungswiderstand 13 als Leiterstruktur 14 ausgebildet und in die flexible Leiterplatte 10 integriert. Die flexible Leiterplatte 10 ist im Bereich der mindestens einen Leiterstruktur 14 thermisch mit einer Wärmesenke 16 gekoppelt, so dass eine direkte Wärmeübertragung von Widerstandsleistungsverlusten der mindestens einen Leiterstruktur 14 an die Wärmesenke 16 erfolgt.
Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel der Leistungsschaltungsanordnung 1 vier Leistungshalbleiterschalter SI, S2, S3, S4 auf dem ersten Schaltungsträger 2 angeordnet, welcher beispielhaft als AMB- Substrat 2A ausgebildet ist. Hierbei ist eine unter einer Keramikschicht 17B des als AM B-Substrat 2A ausgeführten ersten Schaltungsträgers 2 angeordnete erste Metallschicht 17C, hier eine Kupferschicht, über eine Lotschicht 17D mit einer Kühlvorrichtung 16 thermisch verbunden. Die Kühlvorrichtung 16 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Pin-Fin-Kühler 16A ausgeführt. Selbstverständlich sind auch andere geeignete Ausführungsformen des ersten Schaltungsträgers 2 möglich. So kann der erste Schaltungsträger 2 beispielsweise als DBC- Substrat ausgeführt werden.
Die dargestellte Leistungsschaltungsanordnung 1 umfasst nur einen als Kondensator 7A ausgeführten Energiespeicher 7 und vier nicht näher dargestellte und auf dem zweiten Schaltungsträger 3 angeordnete Treiberschaltungen zur Ansteuerung der vier Leistungshalbleiterschalter SI, S2, S3, S4. Hierzu sind Steuereingänge der vier Leistungshalbleiterschalter SI, S2, S3, S4 über Bondverbindungen mit korrespondierenden Kontaktflächen 20A, 20B, 20C, 20D der flexiblen Leiterplatte 10 elektrisch kontaktiert. Die Kontaktflächen 20A, 20B, 20C, 20D sind über entsprechende Leitungen 11 mit den Treiberschaltungen auf dem zweiten Schaltungsträger 3 elektrisch verbunden. Die flexible Leiterplatte 10 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine U-Form auf und ist über ein Übergangsstück 19 und mehrere als Stecker 12A ausgeführte Kontaktierungsbereiche 12 mit dem zweiten Schaltungsträger 3 elektrisch verbindbar. Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, überbrückt das Übergangsstück 19 der flexiblen Leiterplatte 10 einen räumlichen Abstand zwischen dem ersten Schaltungsträger 2 und dem zweiten Schaltungsträger 3. Des Weiteren ist im unteren Schenkel der U-förmigen flexiblen Leiterplatte 10 ein als NTC-Element ausgeführter Temperatursensor 6 angeordnet, welcher die Temperatur im Bereich der vier Leistungshalbleiterschalter SI, S2, S3, S4 misst. Die korrespondierenden Sensorsignale werden zur Auswertung über entsprechende Leitungen 11 an den zweiten Schaltungsträger 3 übertragen.
Wie aus Fig. 2 und 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die flexible Leiterplatte 10 eine als Mäanderstruktur 14A ausgebildete Leiterstruktur 14, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel in einem unteren Schenkel der U-förmigen flexiblen Leiterplatte 10 angeordnet ist. Die Mäanderstruktur 14A ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch aufgebrachte Kunststofffolien von den Leitungen 11 und von der Wärmesenke 16 elektrisch isoliert. Alternativ kann die Leiterstruktur 14 als Zickzackstruktur oder als Spiralstruktur oder als Streifenstruktur ausgebildet werden. Zusätzlich oder alternativ kann die mindestens eine Leiterstruktur 10 auf im oberen Schenkel der U-förmigen flexiblen Leiterplatte 10 im Verbindungsschenkel der U-förmigen flexiblen Leiterplatte 10 angeordnet sein. So kann beispielsweise bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Leistungsschaltungsanordnung 1 eine zusätzliche zweite Leiterstruktur 10 im oberen Schenkel der U-förmigen flexiblen Leiterplatte 10 angeordnet sein.
Die flexible Leiterplatte 2 umfasst neben der Mäanderstruktur 14A der mindestens einen Leiterstruktur mehrere Leitungen 11, welche als Signalleitungen für Steuer- und/oder Sensorsignale oder als Versorgungsleitungen verwendet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die flexible Leiterplatte 10 einlagig ausgeführt. Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die flexible Leiterplatte 10 mehrlagig ausgebildet, wobei die mindestens einen Leiterstruktur 14 über mehrere Lagen verläuft.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, weist die flexible Leiterplatte 10 zumindest im Bereich der Leiterstruktur 14 eine äußere thermisch leitende Beschichtung 15 auf. Die äußere thermisch leitende Beschichtung 15 im Bereich der Leiterstruktur 14 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer auf der Keramikschicht 17B des als AMB-Substrat 2A ausgeführten ersten Schaltungsträgers 2 angeordneten zweiten Metallschicht 17A des ersten Schaltungsträgers 2 als Wärmesenke 16 verbunden. Dadurch erfolgt Wärmeübertragung von Widerstandsleistungsverlusten der als Mäanderstruktur 14A ausgeführten Leiterstruktur 14 über die zweite Metallschicht 17A, die Keramikschicht 17B und die erste Metallschicht 17C des ersten Schaltungsträgers 2 als Wärmesenke 16 über die Lotschicht 17D in die Kühlvorrichtung 18. Alternativ kann die als Mäanderstruktur 14A ausgeführte Leiterstruktur 14 durch Löten oder Kleben oder Sintern oder über die äußere thermisch leitende Beschichtung 15 direkt mit der Kühlvorrichtung 18 thermisch verbunden werden.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Leistungsschaltungsanordnung 1 ein Spannungswandler 9, welcher eine Hochspannung des Energiespeichers 7 in eine Niederspannung kleiner als 60 Volt umwandelt, auf dem zweiten Schaltungsträger 3 angeordnet. Hierbei ist ein Hochspannungsanschluss HV des Spannungswandlers 9 mit dem Energiespeicher 7 verbunden. Ein Niederspannungsanschluss NV des Spannungswandlers ist mit einem auf dem zweiten Schaltungsträger 2 angeordneten Entladungsschalter 4 verbunden. Der Entladungsschalter 4 ist als Halbleiterschalter 4A ausgeführt, dessen Steuereingang von einer Auswerte- und Steuereinheit 5 ansteuerbar ist. In Reaktion auf ein entsprechendes Ansteuersignal der Auswerte- und Steuereinheit 5 verbindet der Einladungsschalter 4 den als Leiterstruktur 14 ausgeführten Entladungswiderstand 13 zur aktiven Entladung elektrisch mit dem Energiespeicher 7. Dadurch ist eine aktive Entladung des Energiespeichers 7, insbesondere bei der Wartung oder bei Crashfällen möglich. Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, ist der Entladungsschalter 4 zwischen dem Niederspannungsausgang NV des Spannungswandlers 9 und dem mindestens einen Kontaktierungsbereich 12 der flexiblen Leiterplatte 10 angeordnet. Zudem ist zwischen dem Entladungsschalter 4 und dem mindestens einen Kontaktierungsbereich 12 der flexiblen Leiterplatte 10 ein Messwiderstand 8 angeordnet, mittels dem ein aktueller Entladestrom messbar ist.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leistungsschaltungsanordnung 1 werden vorzugsweise in einem Wechselrichter für eine elektrische Wechselstrommaschine eingesetzt, welcher zwischen einer Gleichspannungsversorgung und der Wechselstrommaschine eingeschleift ist.

Claims

Ansprüche
1. Leistungsschaltungsanordnung (1) für ein Fahrzeug, mit einem ersten Schaltungsträger (2), auf welchem mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter (SI, S2, S3, S4) angeordnet sind, mindestens einem Energiespeicher (7), welcher eine Hochspannung bereitstellt und über mindestens einen Entladungswiderstand (13) entladbar ist, einem zweiten Schaltungsträger (3), auf welchem mindestens zwei Treiberschaltungen angeordnet sind, welche jeweils einem der mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter (SI, S2, S3, S4) zugeordnet sind, und einer flexiblen Leiterplatte (10), welche mindestens eine Leitung (11) umfasst und den ersten Schaltungsträger (2) und den zweiten Schaltungsträger (3) elektrisch miteinander verbindet, wobei der mindestens eine Entladungswiderstand (13) als Leiterstruktur (14) ausgebildet und in die flexible Leiterplatte (10) integriert ist, wobei die flexible Leiterplatte (10) im Bereich der mindestens einen Leiterstruktur (14) thermisch mit einer Wärmesenke (16) gekoppelt ist, so dass eine direkte Wärmeübertragung von Widerstandsleistungsverlusten der mindestens einen Leiterstruktur (14) an die Wärmesenke (16) erfolgt.
2. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterstruktur (14) als Mäanderstruktur (14A) oder als Zickzackstruktur oder als Spiralstruktur oder als Streifenstruktur ausgebildet ist.
3. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte (10) mehrlagig ausgebildet ist, wobei die mindestens einen Leiterstruktur (14) über mehrere Lagen verläuft.
4. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte (10) zumindest im Bereich der mindestens einen Leiterstruktur (14) durch Löten oder Kleben oder sintern oder über eine äußere thermisch leitende Beschichtung (15) mit der Wärmesenke (16) verbunden ist.
5. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltungsträger (2) als AMB- Substrat (2A) oder als DBC-Substrat ausgeführt ist.
6. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltungsträger (2) über eine erste Metallschicht (17C) mit einer Kühlvorrichtung (16) thermisch verbunden ist.
7. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere thermisch leitende Beschichtung (15) der flexiblen Leiterplatte (10) mit einer zweiten Metallschicht (17A) des ersten Schaltungsträgers (2) als Wärmesenke (16) verbunden ist.
8. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte (10) über ein Übergangsstück (19) und mindestens einen Kontaktierungsbereich (12) mit dem zweiten Schaltungsträger (3) elektrisch verbunden ist.
9. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf dem zweiten Schaltungsträger (2) angeordneter Entladungsschalter (4) ausgeführt ist, den mindestens einen Entladungswiderstand (13) zur aktiven Entladung elektrisch mit dem mindestens einen Energiespeicher (7) zu verbinden.
10. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungswandler (9), welcher eine Hochspannung des mindestens einen Energiespeichers (7) in eine Niederspannung kleiner als 60 Volt umwandelt, auf dem zweiten Schaltungsträger (3) angeordnet ist. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsschalter (4) zwischen einem Niederspannungsausgang des Spannungswandlers (9) und dem mindestens einen Kontaktierungsbereich (12) der flexiblen Leiterplatte (10) an- geordnet ist. Leistungsschaltungsanordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Entladungsschalter (4) und dem mindestens einen Kontaktierungsbereich (12) der flexiblen Leiterplatte (10) ein Messwiderstand (8) angeordnet ist, mittels dem ein aktueller Entladestrom messbar ist. Wechselrichter für eine elektrische Wechselstrommaschine, welcher zwischen einer Gleichspannungsversorgung und der Wechselstromma- schine eingeschleift ist und mindestens eine Leistungsschaltungsanordnung (1) umfasst, welche nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.
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