Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

DE102023202399B3 - Leiterplattenanordnung einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters, Leistungselektronikmodul, elektrischer Antrieb und Kraftfahrzeug - Google Patents

Leiterplattenanordnung einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters, Leistungselektronikmodul, elektrischer Antrieb und Kraftfahrzeug Download PDF

Info

Publication number
DE102023202399B3
DE102023202399B3 DE102023202399.7A DE102023202399A DE102023202399B3 DE 102023202399 B3 DE102023202399 B3 DE 102023202399B3 DE 102023202399 A DE102023202399 A DE 102023202399A DE 102023202399 B3 DE102023202399 B3 DE 102023202399B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
circuit board
flexible circuit
capacitor
power
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102023202399.7A
Other languages
English (en)
Inventor
Andreas Zibold
Jorge Perez
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Priority to DE102023202399.7A priority Critical patent/DE102023202399B3/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102023202399B3 publication Critical patent/DE102023202399B3/de
Priority to PCT/EP2024/056464 priority patent/WO2024188988A1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
    • H05K1/189—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components characterised by the use of a flexible or folded printed circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/14—Structural association of two or more printed circuits
    • H05K1/145—Arrangements wherein electric components are disposed between and simultaneously connected to two planar printed circuit boards, e.g. Cordwood modules
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/04—Assemblies of printed circuits
    • H05K2201/042—Stacked spaced PCBs; Planar parts of folded flexible circuits having mounted components in between or spaced from each other
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/05—Flexible printed circuits [FPCs]
    • H05K2201/056—Folded around rigid support or component
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10015—Non-printed capacitor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10053—Switch
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10431—Details of mounted components
    • H05K2201/10507—Involving several components
    • H05K2201/10545—Related components mounted on both sides of the PCB
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/15—Position of the PCB during processing
    • H05K2203/1572—Processing both sides of a PCB by the same process; Providing a similar arrangement of components on both sides; Making interlayer connections from two sides

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Leiterplattenanordnung einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters, aufweisend eine als flexible Leiterplatte gebildete Leiterplatte, mindestens zwei auf der flexiblen Leiterplatte angeordnete Halbleiterschalter, und einen auf der flexiblen Leiterplatte angeordneten Kondensator, wobei die flexible Leiterplatte derart gebogen ist, dass ein erster Teil der flexiblen Leiterplatte einem zweiten Teil der flexiblen Leiterplatte über einen durch die flexible Leiterplatte gebildeten Bogenabschnitt gegenüberliegt, wobei an jedem Teil einer der Halbleiterschalter angeordnet ist, und wobei der Kondensator mit dem ersten Teil und dem zweiten Teil elektrisch verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungshalbleiterschaltungen eines Inverters für einen Elektroantrieb.
  • Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie oder einem Akkumulator, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden. Diese sind in einer Schaltungsanordnung (Leistungshalbleiterschaltung) verschaltet. Derartige Leistungselektronikmodule sind z.B. aus DE 10 2010 005 303 B4 und DE 199 24 991 A1 bekannt. Problematisch ist bei solchen Schaltungen, dass parasitäre Induktivitäten in diversen Pfaden, so auch im Leistungspfad (englisch: power loop) auftreten können. Diese können bei Schaltvorgängen zu unerwünschten Überschwingern führen, die begrenzt werden müssen. Aktuell geschieht dies, indem z.B. die Schaltgeschwindigkeit verringert wird, was zu höheren Schaltverlusten führt, oder durch Verwenden einer höheren Spannungsklasse, was zu höheren Kosten und Leitungsverlusten führt.
  • Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Leistungshalbleiterschaltung bereitzustellen, welche diese Nachteile überwindet
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Vorgeschlagen wird eine Leiterplattenanordnung einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters, aufweisend eine als flexible Leiterplatte gebildete Leiterplatte, mindestens zwei auf der flexiblen Leiterplatte angeordnete Halbleiterschalter, und einen auf der flexiblen Leiterplatte angeordneten Kondensator, wobei die flexible Leiterplatte derart gebogen ist, dass ein erster Teil der flexiblen Leiterplatte einem zweiten Teil der flexiblen Leiterplatte über einen durch die flexible Leiterplatte gebildeten Bogenabschnitt gegenüberliegt, wobei an jedem Teil einer der Halbleiterschalter angeordnet ist, und wobei der Kondensator mit dem ersten Teil und dem zweiten Teil elektrisch verbunden ist.
  • Durch die Verwendung einer flexiblen Leiterplatte und Biegen dieser Leiterplatte ergibt sich eine geringere parasitäre Induktivität und es kann schneller zwischen den Halbleiterschaltern geschaltet werden.
  • In einer Ausführung ist die flexible Leiterplatte einlagig, zweilagig oder mehrlagig. Je nach Ausführung sind mehrere Strompfade vorhanden.
  • In einer Ausführung sind ein oder mehrere Kühlkörper vorgesehen, der bzw. die derart gebildet und dazu eingerichtet ist bzw. sind, dass jeder Halbleiterschalter daran thermisch gekoppelt ist, wobei der bzw. die Kühlkörper direkt auf dem Halbleiterschalter angeordnet ist bzw. sind, oder wobei die flexible Leiterplatte zwischen Kühlkörper und Halbleiterschalter angeordnet ist.
  • In einer Ausführung sind die Halbleiterschalter und der Kondensator auf derselben Seite der flexiblen Leiterplatte angeordnet. Somit ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise.
  • In einer Ausführung sind die Halbleiterschalter an einer Seite der flexiblen Leiterplatte angeordnet, die der Seite der flexiblen Leiterplatte, an der der Kondensator angeordnet ist, gegenüberliegt. Somit kann ein Kühlkörper direkt am Halbleiterschalter angeordnet werden, was die Entwärmung verbessern kann.
  • In einer Ausführung ist der Kondensator als ein SMD-Bauteil oder als ein Bauteil in THT-Technologie gebildet. Je nach Ausführung können so Vias vermieden werden, oder Bauraum besser ausgenutzt werden und ggf. elektrische Eigenschaften verbessert werden.
  • Ferner wird ein Leistungselektronikmodul bereitgestellt, aufweisend einen Inverter mit einer Leistungshalbleiterschaltung, die mit der Leiterplattenanordnung ausgebildet ist.
  • Ferner wird ein elektrischer Antrieb bereitgestellt, insbesondere elektrischer Achsantrieb, für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und einem Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs, wobei das Elektronikmodul die Leistungselektronikeinrichtung aufweist.
  • Ferner wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, aufweisend den elektrischen Antrieb.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
    • 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Teils einer Leistungshalbleiterschaltung gemäß dem Stand der Technik.
    • 2 zeigt eine schematische Draufsicht mit Strompfad der in 1 gezeigten Leistungshalbleiterschaltung.
    • 3 zeigt eine Leistungshalbleiterschaltung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
    • 4 zeigt eine Leistungshalbleiterschaltung gemäß einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Niederinduktive Schaltzellen sind überall dort interessant, wo elektronische Schalter unter Last schnell geschaltet werden, also z.B. mit mehr als 1 V/ns. Je niedriger die Induktivität der Schaltzelle ist, desto schneller und verlustarmer kann geschaltet werden und desto kleiner fallen passive Bauteile wie Spulen/Kondensatoren bei Schaltwandlern aus. Die Induktivität ist in erster Näherung proportional zur umspannten Fläche des Leistungspfads und bekommt durch Vias einen zusätzlichen Beitrag.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein Ziel der Auslegung von Schaltungen für Leistungshalbleiter eines Inverters im Automobilbereich, möglichst wenig Schaltverluste zu erzeugen. Hierbei ist ein Augenmerk darauf, parasitäre Induktivitäten im Leistungspfad (engl. power loop) einer Schaltzelle möglichst zu reduzieren.
  • Dies kann geschehen, indem eine vertikale Führung des Leistungspfads verwendet wird. Hier ist eine sehr geringe parasitäre Induktivität aufgrund der sehr geringen Dicke (Prepreg-Dicke) vorhanden. Nachteilig ist, dass vertikale Schleifen nicht bei von der Unterseite gekühlten Leistungshalbleitern aufgrund der benötigten thermischen Vias möglich sind. Auch kann aufgrund von Toleranzen im Kühlkörper und TIM (thermal interface material)-Toleranzen ein erhöhter Aufwand bei der Aufbau- und Verbindungstechnik entstehen.
  • Eine weitere Möglichkeit ist das Vorsehen von horizontalen Schleifen. Nachteilig ist hier, dass mehr Fläche benötigt wird, was wiederum zu einer höheren Induktivität führt. Vorteil ist, dass hier auch von der Unterseite gekühlte Leistungshalbleiter verwendbar sind. Neben einer höheren parasitären Induktivität hat diese Lösung auch thermische Nachteile, da die Wärme durch die Platine abgeführt werden muss, was aufwändigere Platinen bedeutet.
  • In 1 und 2 sind eine schematische Seitenansicht (1) und eine Draufsicht (2) einer Leistungshalbleiterschaltung (Schaltzelle) gemäß dem Stand der Technik gezeigt. In 2 ist außerdem der Strompfad 6 eingezeichnet. Gezeigt ist eine Schaltzelle mit einer starren Leiterplatte 10, die mit einer (flachen) Seite auf einem Kühlkörper 2 angeordnet ist. Auf der gegenüberliegenden (flachen) Seite sind mehrere Bauteile angeordnet, von denen zwei als Leistungshalbleiter gebildet sind, die jeweils einen Halbleiterschalter 30, 31 bilden, von denen einer z.B. einen Highside-Schalter und der andere einen Lowside-Schalter einer Halbbrücke darstellen, welche z.B. in einem Inverter verbaut ist. Die beiden Halbleiterschalter 30, 31 sind in einem Abstand zueinander und nebeneinander auf derselben Seite der starren Leiterplatte 10 angeordnet, wie in 2 gut zu sehen ist. Außerdem ist neben einem der Halbleiterschalter, hier neben Halbleiterschalter 31, ein Kondensator 4 vorgesehen. Die Halbleiterschalter 30, 31 sind über die Leiterplatte 10 mit dem auf der anderen Seite der Leiterplatte 10 angeordneten Kühlkörper 2 thermisch gekoppelt, so dass der Kühlkörper 2 die Halbleiterschalter 30, 31 über die Leiterplatte 10 entwärmen kann (Wärmepfad 5).
  • Wie in 2 gut zu sehen, benötigt der Strompfad 6, der ausgehend vom Kondensator 4 über die beiden Halbleiterschalter 30, 31 wieder zurück zum Kondensator 4 verläuft, relativ viel Fläche auf der Platine 10. Damit wird auch die parasitäre Induktivität im Leistungspfad der Schaltzelle erhöht.
  • Um dies zu vermeiden, also die parasitäre Induktivität im Leistungspfad zu reduzieren, wird vorgeschlagen, eine flexible Leiterplatte 1 zu verwenden, wie in 3 und 4 anhand zweier Ausführungen gezeigt. Auf der flexiblen Leiterplatte 1 sind, wie im Stand der Technik, die Bauteile der Schaltzelle, hier insbesondere die beiden Halbleiterschalter 30, 31 und der Kondensator 4, angeordnet. Der Unterschied zum Stand der Technik ist, dass die flexible Leiterplatte 1 an einem Bereich zwischen den beiden Halbleiterschaltern 30, 31 derart gebogen ist, dass sich die beiden Teile 11, 12 der flexiblen Leiterplatte 1, auf denen jeweils einer der Halbleiterschalter 30, 31 angeordnet ist, über einen Bogenabschnitt 13 gegenüberliegen. Somit ist ein Teil 11 bzw. 12 der flexiblen Leiterplatte also um 180 Grad zum anderen Teil 12 bzw. 11 angeordnet. Der Kondensator 4 ist mit beiden Teilen 11, 12 elektrisch verbunden, wie in 3 und 4 zu sehen. Somit kann der elektrische Schluss über den sowieso stets vorhandenen Kondensator 4 erfolgen.
  • Durch das Biegen der flexiblen Leiterplatte 1 kann die umspannte Fläche deutlich verkleinert, im Wesentlichen halbiert, werden, und gleichzeitig kann auf Vias (Durchgangslöcher) verzichtet werden.
  • Da auf jedem Teil 11, 12 einer der Halbleiterschalter 30, 31 angeordnet ist, liegen sich die Halbleiterschalter 30, 31 in einem Abstand gegenüber, berühren sich also nicht. Dabei müssen sie sich nicht, wie in den Figuren angedeutet, direkt gegenüberliegen. Sie können auch versetzt zueinander liegen. Vorteilhaft liegen sie nicht im Bogenabschnitt 13. Die Halbleiterschalter 30, 31 sind in allen Ausführungen mit mindestens einem Kühlkörper 2 thermisch gekoppelt, so dass der Kühlkörper 2 die Halbleiterschalter 30, 31 entwärmen kann (Wärmepfad 5).
  • Die Halbleiterschalter 30, 31 können so angeordnet sein, dass sie auf der Innenseite der flexiblen Leiterplatte 1 liegen, also innerhalb des durch die Teile 11, 12 und den Bogenabschnitt 13 der flexiblen Leiterplatte 1 gebildeten „U“, wie in 3 angedeutet. Auf der gegenüberliegenden Außenseite kann dann vorteilhaft jeweils mindestens ein Kühlkörper 2 zur Kühlung der Halbleiterschalter 30, 31 angeordnet sein (nachfolgend wird stets von „einem“ Kühlkörper 2 gesprochen, auch wenn mehrere vorhanden sein sollten). Der Wärmepfad 5 verläuft also von den Halbleiterschaltern 30, 31 durch die flexible Leiterplatte 1 in den Kühlkörper 2. In dieser Ausführung liegen die Bauteile Halbleiterschalter 30, 31 und Kondensator 4 auf derselben Seite der flexiblen Leiterplatte 1.
  • Die Halbleiterschalter 30, 31 können alternativ auch so angeordnet sein, dass sie auf der Außenseite der flexiblen Leiterplatte 1 liegen, also außerhalb des durch die Teile 11, 12 und den Bogenabschnitt 13 der flexiblen Leiterplatte 1 gebildeten „U“, wie in 4 angedeutet. Somit kann ein Kühlkörper 2 jeweils direkt auf den Halbleiterschaltern 30, 31 angeordnet werden. Der Wärmepfad 5 verläuft also direkt von den Halbleiterschaltern 30, 31 in den Kühlkörper 2. In dieser Ausführung ist dann die Leitungsführung, insbesondere zum Kondensator 4, entsprechend zu wählen und es sind gegebenenfalls ein oder mehrere Vias vorzusehen. In dieser Ausführung liegen die Bauteile Halbleiterschalter 30, 31 und Kondensator 4 auf einander gegenüberliegenden Seiten der flexiblen Leiterplatte 1.
  • Die Halbleiterschalter 30, 31 können alternativ auch so angeordnet sein, dass einer auf der Außenseite und der andere auf der Innenseite der flexiblen Leiterplatte 1 liegt, wobei hier dann die Leitungsführung entsprechend gewählt werden muss und gegebenenfalls ein oder mehrere Vias vorzusehen sind.
  • Bei allen Anordnungen der Halbleiterschalter 30, 31 erfolgt eine Vermeidung von aufwändigen IMS-Platinen (IMS= Insulated Metallic Substrate), wodurch eine verbesserte thermische Anbindung der Halbleiterschalter 30, 31 an den Kühlkörper 2 gegeben ist.
  • Der Kondensator 4 ist in allen Ausführungen mit beiden Teilen 11, 12 der flexiblen Leiterplatte 1 (und damit den Halbleiterschaltern 30, 31) elektrisch leitend verbunden, liegt also vorteilhaft stets innerhalb des durch den Bogen gebildeten „U“ der flexiblen Leiterplatte 1. Diese Verbindung kann in unterschiedlicher Weise erfolgen, je nach Ausführung des Kondensators 4. Der Kondensator 4 kann als ein Keramikkondensator ausgeführt sein. Er kann vorzugsweise in SMD-Technologie hergestellt sein, also als oberflächenmontiertes Bauteil, oder THT-Bauteil (THT=through-hole-technology, also zur Durchsteck- oder auch Einsteckmontage), wobei dann gegebenenfalls Vias vorzusehen sind, um die Halbleiterschalter 30, 31 elektrisch zu kontaktieren.
  • Der Kondensator 4 ist vorteilhaft an den offenen Bereichen der gebogenen flexiblen Leiterplatte 1 angeordnet, also so, dass er dem Bogenabschnitt 13 gegenüberliegt und die Halbleiterschalter 30, 31 zwischen Kondensator 4 und Bogenabschnitt 13 angeordnet sind.
  • Durch die gebogene flexible Leiterplatte 1 und den mit beiden Teilen 11, 12 der flexiblen Leiterplatte 1 elektrisch verbundenen Kondensator 4 wird eine dreidimensionale Aufbau- und Verbindungstechnik bereitgestellt, bei der geringere parasitäre Induktivitäten durch den Wegfall von Vias und eine kleinere Leistungsschleife (als Strompfad 6 in den 3 und 4 angedeutet) resultieren.
  • Die flexible Leiterplatte 1 kann einlagig oder mehrlagig ausgeführt sein. Im Falle, dass sie mehrlagig ausgeführt ist, spaltet sich der Leistungspfad (Strompfad 6) in zwei parallele Pfade auf, wie in 3 mit den beiden entgegengesetzt gerichteten Strompfaden 6 angedeutet. Dies hat eine weitere Reduktion der Induktivität zur Folge.
  • Aus der Verwendung einer flexiblen Leiterplatte 1 ergeben sich mehrere Vorteile:
    • - es ergibt sich eine geringere parasitäre Induktivität,
    • - der parasitäre Widerstand des Leistungspfads verringert sich gleichermaßen,
    • - durch die geringe Dicke der flexiblen Leiterplatte 1 ergeben sich Vorteile bei der Entwärmung (Kühlung) der Halbleiterschalter 30, 31, da ein direkterer Kontakt zum Kühlkörper 2 erfolgen kann,
    • - Es kann auf Durchkontaktierungen (bzw. eine komplette Kupferlage) verzichtet werden (Aufwand/Kosten), wodurch auch einfachere Leiterbahn-Technologien in Frage kommen,
    • - Die EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) ist durch die SandwichBauweise zwischen zwei Metallkühlkörpern besser,
    • - es besteht die Möglichkeit der einfacheren Strommessung 7 an dem Bogenabschnitt 13,
    • - der Formfaktor ist anders (vertikal höher aber horizontal schmaler).
  • Die auf der flexiblen Leiterplatte 1 angeordneten Bauteile sind vorzugsweise in SMD-Technologie hergestellt, also als oberflächenmontiertes Bauteil. Allerdings können auch alle oder einzelne Bauteile als THT-Bauteile vorgesehen sein (THT=through-hole-technology, also zur Durchsteck- oder auch Einsteckmontage).
  • Die beschriebene Leiterplattenanordnung wird vorteilhaft in einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters verwendet, der wiederum im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird. Ein solcher Inverter weist mindestens eine Phase auf, die mindestens zwei Halbleiterschalter 30, 31 aufweist, von denen jeweils einer als ein Highside HS Schalter und der andere als ein Lowside LS Schalter gebildet ist. Jeder der HS bzw. LS Schalter weist mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter auf. Häufig ist einer der Leistungshalbleiter als unipolares Halbleiterbauelement, z.B. als SiC-MOSFET oder ein GaN-HEMT, und der andere Leistungshalbleiter als ein bipolares Halbleiterbauelement, z.B. ein IGBT, gebildet.
  • Das Leistungselektronikmodul (auch als Elektronikmodul bezeichnet) im Rahmen dieser Erfindung dient beispielsweise zum Betreiben eines Elektroantriebs (elektrischen Antriebs) eines mittels Akkumulator angetriebenen Kraftfahrzeugs, das insbesondere eine elektrisch mit dem Elektroantrieb angetriebene Achse (elektrischer Achsantrieb) aufweist. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Nutzfahrzeug wie ein LKW oder ein Bus, oder ein Personenkraftwagen. Das Leistungselektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) mit einer Leistungshalbleiterschaltung, die mit einer Leiterplattenanordnung ausgebildet ist. Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Leistungselektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie oder eines Akkumulators, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen. Ein DC/DC-Wandler dient beispielsweise dazu, einen von einer Brennstoffzelle kommenden Gleichstrom in einen von dem Antrieb nutzbaren Gleichstrom zu wandeln (hochzusetzen).
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    flexible Leiterplatte
    11
    erster Teil
    12
    zweiter Teil
    13
    Bogenabschnitt
    10
    starre Leiterplatte
    2
    Kühlkörper
    30, 31
    Halbleiterschalter
    4
    Kondensator
    5
    Wärmepfad
    6
    Strompfad
    7
    Strommessung

Claims (9)

  1. Leiterplattenanordnung einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters, aufweisend - eine als flexible Leiterplatte (1) gebildete Leiterplatte, - mindestens zwei auf der flexiblen Leiterplatte (1) angeordnete Halbleiterschalter (30, 31), und - einen auf der flexiblen Leiterplatte (1) angeordneten Kondensator (4), - wobei die flexible Leiterplatte (1) derart gebogen ist, dass ein erster Teil (11) der flexiblen Leiterplatte (1) einem zweiten Teil (12) der flexiblen Leiterplatte (1) über einen durch die flexible Leiterplatte (1) gebildeten Bogenabschnitt (13) gegenüberliegt, wobei an jedem Teil (11, 12) einer der Halbleiterschalter (30, 31) angeordnet ist, und - wobei der Kondensator (4) mit dem ersten Teil (11) und dem zweiten Teil (12) elektrisch verbunden ist.
  2. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, wobei die flexible Leiterplatte (1) einlagig, zweilagig oder mehrlagig ist.
  3. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein oder mehrere Kühlkörper (2) vorgesehen sind, der bzw. die derart gebildet und dazu eingerichtet ist bzw. sind, das jeder Halbleiterschalter (30, 31) daran thermisch gekoppelt ist, wobei der bzw. die Kühlkörper (2) direkt auf dem Halbleiterschalter (30, 31) angeordnet ist bzw. sind, oder wobei die flexible Leiterplatte (1) zwischen Kühlkörper (2) und Halbleiterschalter (30, 31) angeordnet ist.
  4. Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschalter (30, 31) und der Kondensator (4) auf derselben Seite der flexiblen Leiterplatte (1) angeordnet sind.
  5. Leiterplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Halbleiterschalter (30, 31) an einer Seite der flexiblen Leiterplatte (1) angeordnet sind, die der Seite der flexiblen Leiterplatte (1), an der der Kondensator (4) angeordnet ist, gegenüberliegt.
  6. Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kondensator (4) als ein SMD-Bauteil oder als ein Bauteil in THT-Technologie gebildet ist.
  7. Leistungselektronikmodul, aufweisend einen Inverter mit einer Leistungshalbleiterschaltung, die mit einer Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  8. Elektrischer Antrieb, insbesondere elektrischer Achsantrieb, für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und einem Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs, wobei das Elektronikmodul eine Leistungselektronikeinrichtung nach Anspruch 7 aufweist.
  9. Kraftfahrzeug, aufweisend einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 8.
DE102023202399.7A 2023-03-16 2023-03-16 Leiterplattenanordnung einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters, Leistungselektronikmodul, elektrischer Antrieb und Kraftfahrzeug Active DE102023202399B3 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023202399.7A DE102023202399B3 (de) 2023-03-16 2023-03-16 Leiterplattenanordnung einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters, Leistungselektronikmodul, elektrischer Antrieb und Kraftfahrzeug
PCT/EP2024/056464 WO2024188988A1 (de) 2023-03-16 2024-03-12 Leiterplattenanordnung einer leistungshalbleiterschaltung eines inverters, leistungselektronikmodul, elektrischer antrieb und kraftfahrzeug

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023202399.7A DE102023202399B3 (de) 2023-03-16 2023-03-16 Leiterplattenanordnung einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters, Leistungselektronikmodul, elektrischer Antrieb und Kraftfahrzeug

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102023202399B3 true DE102023202399B3 (de) 2024-03-07

Family

ID=89905195

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102023202399.7A Active DE102023202399B3 (de) 2023-03-16 2023-03-16 Leiterplattenanordnung einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters, Leistungselektronikmodul, elektrischer Antrieb und Kraftfahrzeug

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102023202399B3 (de)
WO (1) WO2024188988A1 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19924991A1 (de) 1999-05-31 2000-12-21 Tyco Electronics Logistics Ag Intelligentes Leistungsmodul in Sandwich-Bauweise
DE102010005303B4 (de) 2010-01-21 2016-12-29 Continental Automotive Gmbh Integriertes Steuergerät mit Kunststoffgehäuse

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI664881B (zh) * 2017-01-13 2019-07-01 日商村田製作所股份有限公司 零件模組
WO2020174941A1 (ja) * 2019-02-28 2020-09-03 ソニー株式会社 電子機器及び基板
DE102019206523A1 (de) * 2019-05-07 2020-11-12 Zf Friedrichshafen Ag Leistungsmodul mit gehäusten Leistungshalbleitern zur steuerbaren elektrischen Leistungsversorgung eines Verbrauchers

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19924991A1 (de) 1999-05-31 2000-12-21 Tyco Electronics Logistics Ag Intelligentes Leistungsmodul in Sandwich-Bauweise
DE102010005303B4 (de) 2010-01-21 2016-12-29 Continental Automotive Gmbh Integriertes Steuergerät mit Kunststoffgehäuse

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024188988A1 (de) 2024-09-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011104928B4 (de) Kühlungsaufbau eines Kondensators und Umrichter damit
EP3942603B1 (de) Elektronischer schaltkreis und verfahren zur herstellung eines elektronischen schaltkreises
DE102014117943B4 (de) Vorrichtung mit einer Leiterplatte und einem Metallwerkstück
DE102012218868B3 (de) Leistungshalbleitermodul
WO2017060092A1 (de) Elektromotor-wechselrichter
DE102012213407A1 (de) Halbleiteranordnung
EP2997801B1 (de) Vorrichtung und elektrische baugruppe zum wandeln einer gleichspannung in eine wechselspannung
DE102010006850A1 (de) Elektronische Baugruppe zum Schalten elektrischer Leistung
DE102018104972B4 (de) Leiterplattenelement mit integriertem elektronischen Schaltelement, Stromrichter und Verfahren zum Herstellen eines Leiterplattenelements
DE102013212263A1 (de) Elektrische Schaltungsanordnung
DE102004046806B4 (de) Leistungshalbleitermodul
DE102020111801A1 (de) Sammelschiene
DE102023202399B3 (de) Leiterplattenanordnung einer Leistungshalbleiterschaltung eines Inverters, Leistungselektronikmodul, elektrischer Antrieb und Kraftfahrzeug
DE102019133377B4 (de) Wechselrichter mit kompakter bauform
WO2020200946A1 (de) Elektronische schaltungseinheit
DE102019217343A1 (de) Wechselrichter mit einem Kühlkörper
DE102019218953A1 (de) Elektronische Schaltungseinheit
DE102022202252B3 (de) Leistungshalbleitermodul mit zwei gegenüberliegenden Halbbrücken
DE102007036048A1 (de) Anordnung mit zumindest einem Halbleiterbauelement, insbesondere einem Leistungshalbleiterbauelement zur Leistungssteuerung hoher Ströme
DE10109548A1 (de) Schaltungsaufbau für eine Schaltung zum Schalten von Strömen
DE102011089740B4 (de) Leistungsmodul
DE10109329C1 (de) Schaltungsanordnung
DE102021211519B4 (de) Elektronische Baugruppe
DE102022207899A1 (de) Leistungshalbleitermodul
DE102023202126A1 (de) Inverter

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division