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Die Erfindung betrifft eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte zu verbessern und insbesondere eine Stabilisierung der Betriebsspannung in höher frequenten Bereichen zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte umfasst eine erste und eine zweite Spannungs-Stabilisierungseinheit. Die zweite Spannungs-Stabilisierungseinheit dient zum Stabilisieren höherfrequenter Spannungen. Höherfrequente Spannungen liegen beispielsweise in einem Bereich von 10 MHz bis 1 GHz. Derartige Frequenzspektren treten beim Schalten von Leistungsschaltern auf. Die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte weist ein stabiles Betriebsverhalten auf. Die erste Spannungs-Stabilisierungseinheit dient zum Stabilisieren niederfrequenter Spannungen, also im Bereich von beispielsweise 1 Hz bis etwa 10 kHz. Die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte weist ein insgesamt stabilisiertes Verhalten bei Betriebsspannungen unterschiedlicher Frequenzspektren auf. Die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte ist hinsichtlich Spannungsstörungen robust. Eine Beeinträchtigung des Schaltverhaltens der Leistungsschalter ist ausgeschlossen. Als Hochstromleiterplatte wird insbesondere eine Leiterplatte mit mehreren Stromleitungslagen verstanden, die jeweils mindestens eine Hochstromleitung aufweisen. Die Hochstromleitung ist zum Leiten von elektrischem Strom geeignet, der insbesondere mehrere 100 A, insbesondere mindestens 500 A und insbesondere mindestens 1000 A beträgt. Die Hochstromleiterplatte umfasst mehrere Stromleitungslagen, die durch mindestens einen Lagenverbinder miteinander verbunden sind. Insbesondere sind die Stromleitungslagen parallel und beabstandet zueinander schichtweise angeordnet. Die Lagenverbinder sind senkrecht zur der Stromleitungslagenebene angeordnet. Insbesondere ist zwischen zwei Stromleitungslagen eine elektrisch isolierende Isolationslage angeordnet. Die Lagenverbinder verbinden die Stromleitungslagen durch die Isolationslage hindurch. Ein quer, insbesondere senkrecht, zu der Stromleitungslagenebene orientierter Stromfluss ist durch den mindestens einen Lagenverbinder gewährleistet. Die Hochstromleiterplatte ermöglicht eine dreidimensional wirkende Stromleitstruktur, die in der Stromleitungsebene und in einer dazu senkrechten Richtung einen optimierten Stromfluss ermöglichen. Mit der Hochstromleiterplatte kann dreidimensionaler Stromfluss unkompliziert festgelegt werden. Insbesondere ist es möglich, durch den Stromfluss entsprechenden Anforderungen den mindestens einen Lagenverbinder und insbesondere die mindestens eine Hochstromleitung anzupassen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Hochstromleiterplatte ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der die zweite Spannungs-Stabilisierungseinheit mindestens einen Kondensator aufweist. Durch den mindestens einen Kondensator ist die zweite Spannungs-Stabilisierungseinheit als Spannungs-Stabilisierungsstruktur gebildet. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung mindestens eines Keramik-Kondensators, der eine effektive und robuste Spannungsstabilisierung im hochfrequenten Bereich ermöglicht.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der der mindestens eine Kondensator zwei logischen Leistungsschaltern zugeordnet ist. Dadurch ist es möglich, eine Platzierungsstruktur der Leistungsschalter zu schaffen. Die Platzierungsstruktur kann insbesondere derart ausgeführt sein, dass hochfrequente Schleifen im Leistungspfad reduziert sind. Insbesondere sind die Leistungsschalter in Halbbrückenanordnung angeordnet.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der die zweite Spannungs-Stabilisierungseinheit an einer Schaltschicht kontaktiert ist. Die Schaltschicht ist insbesondere eine außenliegende Schicht der Hochstromleiterplatte. Die Kontaktierung der zweiten Spannungs-Stabilisierungseinheit an der Schaltschicht ist unmittelbar und dadurch unkompliziert möglich. Die Spannungs-Stabilisierungseinheit, insbesondere der mindestens eine Keramik-Kondensator, kann unmittelbar an der Schaltschicht kontaktiert werden. Die Schaltschicht ist insbesondere mit einer mindestens ein Versorgungspotenzial aufweisenden Versorgungsstruktur belegt. Dadurch ist eine niederinduktive Anbindung der zweiten Spannungs-Stabilisierungseinheit, insbesondere des mindestens einen Keramik-Kondensators, sowohl an die Versorgungsstruktur als auch an die Leistungsschalter gewährleistet. Insbesondere ist die Versorgungsstruktur durch die mit der Stromleitungsschicht verbundenen Leistungsschalter ausgeführt.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der die Versorgungsstruktur ausschließlich an der Schaltschicht kontaktiert ist. Das bedeutet, dass die Versorgungsstruktur, insbesondere im Bereich des mindestens einen Keramik-Kondensators, gezielt über die Schaltschicht geführt ist. Die Versorgungsstruktur ist insbesondere über die, insbesondere zwei, Lagen der Schaltschicht realisiert. Dadurch ist die Wirksamkeit des mindestens einen Keramik-Kondensators gewährleistet. Die Zuverlässigkeit der zweiten Spannungs-Stabilisierungseinheit ist erhöht.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte mit mindestens einer die Schaltschicht durchsetzende Mikro-Durchkontaktierung. Dadurch ist eine weitere Reduzierung der Anschlussinduktivität gegeben. Insbesondere durchsetzt die Mikro-Durchkontaktierung sämtliche Schaltschichtlagen. Insbesondere ist die Mikro-Durchkontaktierung mit Kupfer gefüllt, um die Anschlussinduktivität weiter zu reduzieren.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei die Schaltschicht außenliegend an der Hochstromleiterplatte angeordnet ist. Die Zugänglichkeit der Schaltschicht für die Kontaktierung der ersten und/oder der zweiten Spannungs-Stabilisierungseinheit und/oder der Leistungsschalter ist vereinfacht.
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Vorteilhaft ist eine Hochstromleiterplatte, bei der die Versorgungspotenziale derart angeordnet sind, dass eine antiparallele Anordnung der Schaltschichtlagen ermöglicht ist. Die Hochstromleiterplatte weist somit eine Stromsymmetrie auf. Dadurch ist gewährleistet, dass während des Betriebs der Hochstromleiterplatte eine im Wesentlichen frequenzunabhängige Magnetfeldauslöschung oder zumindest eine frequenzunabhängige Magnetfeldreduktion erfolgt.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der die erste Spannungs-Stabilisierungseinheit als Zwischenkreis mit mindestens einem Kondensator ausgeführt ist. Der Zwischenkreis ermöglicht eine effektive und robuste Spannungsstabilisierung im niederfrequenten Bereich. Insbesondere ist der Kondensator ein Elektrolytkondensator. Die Versorgungsstruktur der ersten Spannungs-Stabilisierungseinheit ist auf allen zur Verfügung stehenden Stromleitungslagen ausgeführt. Der Zwischenkreis ist also an mindestens einer Stromleitungslage, die als Kupferlage ausgeführt ist, kontaktiert. Die Stromleitungsschicht ist insbesondere als Dickkupferschicht ausgeführt.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hochstromleiterplatte angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands keine Einschränkungen dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß der Erfindung und
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2 ein Stromflussdiagramm für die Hochstromleiterplatte gemäß 1. Einander entsprechende Teile sind in den 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.
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Eine in 1 gezeigte mehrfunktionale Hochstromleiterplatte 1 ist im Wesentlichen ein flächiges Bauteil. Flächig bedeutet, dass eine Längenausdehnung und eine Breitenausdehnung jeweils deutlich größer sind als eine Dickenausdehnung. Insbesondere sind die Längen- und Breitenausdehnung der Hochstromleiterplatte 1 mindestens um den Faktor 5, insbesondere um den Faktor 10, insbesondere mindestens um den Faktor 20 und insbesondere mindestens um den Faktor 50 größer als die Dickenausdehnung. Die Dickenrichtung der Hochstromleiterplatte 1 ist in 1 durch den Pfeil 2 symbolisiert.
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Entlang der Dickenrichtung 2 weist die Hochstromleiterplatte 1 eine Schaltschicht 3, eine Stromleitungsschicht 4 und eine Ansteuerschicht 5 auf. Die Schaltschicht 3, die Stromleitungsschicht 4 und die Ansteuerschicht 5 gewährleisten die Multifunktionalität der Hochstromleiterplatte. Insbesondere ermöglicht jede der Schichten 3, 4, 5 mindestens eine Grundfunktion der Hochstromleiterplatte, nämlich Schalten, Stromleiten bzw. Ansteuern.
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Die Schaltschicht 3 weist zwei Schaltschichtlagen 6 auf. Die Schaltschichtlagen 6 sind entlang der Dickenrichtung 2 durch eine Isolationslage 7 elektrisch voneinander getrennt. Die Isolationslage 7 verhindert den unmittelbaren Stromfluss zwischen zwei benachbarten Schaltschichtlagen 6. Die Isolationslage 7 ist insbesondere als Kunststoffstruktur zwischen den beiden Schaltschichtlagen 6 ausgeführt.
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Die Stromleitungsschicht 4 weist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel vier Stromleitungslagen 8 auf. Wesentlich ist, dass mindestens zwei Stromleitungslagen 8 vorgesehen sind. Ferner ist wesentlich, dass es eine geradzahlige Anzahl von Stromleitungslagen 8 gibt. Die Stromleitungslagen 8 dienen zum Zu- und Abführen von Strom aus und zu einer Spannungsquelle. Die Stromleitungslagen 8 sind insbesondere als Kupferlagen und insbesondere als Dickkupferlagen ausgeführt. Die Stromleitungsschicht 4 wird auch als Dickkupferschicht oder Dickkupferbereich bezeichnet.
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Zwischen zwei benachbarten Stromleitungslagen 8 ist jeweils eine Isolationslage 7 angeordnet.
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Die Ansteuerschicht 5 weist zwei Ansteuerlagen 9 auf. Zwischen den Ansteuerlagen 9 ist eine Isolationslage 7 angeordnet. An der der Stromleitungsschicht 4 abgewandten Ansteuerlage 9 ist mindestens ein Ansteuerbauteil 10 kontaktiert. Die Ansteuerlagen 9 sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Die Ansteuerlagen 9 sind beispielsweise mittels nicht dargestellter kupfergefüllter Mikro-Durchkontaktierungen miteinander verbunden. Das Ansteuerbauteil 10 ist insbesondere an einer freien Oberfläche der Hochstromleiterplatte 1 angeordnet. Das Ansteuerbauteil 10 ist unkompliziert und unmittelbar an der äußeren Ansteuerlage 9 der Ansteuerschicht 5 kontaktierbar.
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Die Hochstromleiterplatte 1 weist eine erste Spannungs-Stabilisierungseinheit auf, die als Zwischenkreis 17 mit einem Elektrolyt-Kondensator 18 ausgeführt ist. Die erste Spannungs-Stabilisierungseinheit dient zur Stabilisierung niederfrequenter Betriebsspannungen. Mittels sich in Dickenrichtung 2 durch alle Lagen 6, 8, 9 erstreckenden Phasenverbindern 19 ist der Elektrolyt-Kondensator 18 verbunden. Insbesondere ist die Versorgungsstruktur auf allen zur Verfügung stehenden Kupferlagen 8 ausgeführt.
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An den Schaltschichtlagen 6 der Schaltschicht 3 ist ein Keramik-Kondensator 11 kontaktiert. Der ausschließlich an den Schaltschichtlagen 6 der Schaltschicht 3 kontaktierte Keramik-Kondensator 11 bildet eine zweite Spannungs-Stabilisierungseinheit 12. Eine Spannungsversorgung des Keramik-Kondensators 11 erfolgt mittels einer Versorgungsstruktur in der Schaltschicht 3. Die Versorgungsstruktur ist durch die Anbindung von jeweils zwei logischen Leistungsschaltern 13, 14 pro Keramik-Kondensator 11 gewährleistet. Ein erster, sogenannter „Low side“, Leistungsschalter 13 ermöglicht die Anbindung von einer Rückstrom-Stromleitungslage 8 zu den Phasenstrom führenden Stromleitungslagen 15. Zwischen jeweils zwei benachbarten phasenstromführenden Stromleitungslagen 15 ist jeweils eine Isolationslage 7 angeordnet. In der durch die Stromleitungsschicht 4 vorgegebenen Stromleitungsschichtebene sind die phasenstromführenden Stromleitungslagen 15 von den hin- und rückstromführenden Stromleitungslagen 8 getrennt. Die Trennstelle 16 ist in einer Ebene quer zur Dickenrichtung 2 im Bereich des Keramik-Kondensators 11 vorgesehen. Das bedeutet, dass die Versorgungsstruktur im Bereich des Keramik-Kondensators 11 über die Schaltschichtlagen 6 zwangsgeführt ist. Die Versorgungsstruktur ist ausschließlich über die beiden Schaltschichtlagen 6 realisiert, so dass der Keramik-Kondensator 11 in jedem Fall wirksam ist als zweite Spannungs-Stabilisierungseinheit. Die zweite Spannungs-Stabilisierungseinheit dient zum Stabilisieren einer Betriebsspannung im höherfrequenten Bereich.
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Entlang der Dickenrichtung 2 sind Stromhin- und Stromrückführleitungen 8 wechselweise angeordnet. Dadurch, dass Stromhin- und Stromrückführleitungen immer paarweise angeordnet sind, ist eine geradzahlige Anzahl von Stromleitungslagen 8 erforderlich.
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Die Leistungsschalter 13, 14 dienen zur Anbindung des Keramik-Kondensators 11 an die phasenstromführenden Stromleitungslagen 15. Der Keramik-Kondensator 11 ist über die Leistungsschalter 13, 14 an die beiden phasenstromführenden Stromleitungslagen 15 angebunden. Dadurch ist eine niederinduktive Anbindung des Keramik-Kondensators 11 gewährleistet.
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Die Schaltschichtlagen 6 sind zur Reduzierung der Anschlussinduktivität durch kupfergefüllte Mikro-Durchkontaktierungen 20 miteinander verbunden.
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Nachfolgend wird anhand eines in 2 dargestellten Stromflussdiagramms der Stromfluss durch die Hochstromleiterplatte 1 näher erläutert. In 2 unten dargestellt ist der Zwischenkreis 17, der sich über sämtliche Lagen, also über die zwei Schaltschichtlagen 6, die geradzahlige Anzahl an Stromleitungslagen 8 sowie die beiden Ansteuerlagen 9 erstreckt. Mit dem Zwischenkreis 17 über die nicht dargestellten Lagenverbinder 19 verbunden sind die auf dem Zwischenkreis 17 links und rechts dargestellten Stromleitungslagen, die in 1 einheitlich mit 8 benannt sind. Für die Erläuterung der Funktionsweise des Stromflusses der Hochstromleiterplatte 1 erhalten die die hinstromführenden Stromleitungslagen das Bezugszeichen 8a und die rückstromführenden Stromleitungslagen das Bezugszeichen 8b. Die beiden Stromleitungslagen 8a, 8b sind über den Keramik-Kondensator 11 miteinander verbunden. Über den Low-Side-Leistungsschalter 13 ist die rückstromführende Stromleitungslage 8b mit den phasenstromführenden Stromleitungslagen 15 verbunden. Entsprechend ist die hinstromführende Stromleitungslage 8a über den High-Side-Leistungsschalter 14 mit den phasenstromführenden Stromleitungslagen 15 verbunden. Aus diesem Stromflussdiagramm wird deutlich, dass ein Stromfluss aus dem Zwischenkreis 17, der auf sämtlichen Lagen 6, 8, 9 ausgebildet ist, im Bereich des Keramik-Kondensators 11 auf die beiden Schaltschichtlagen 6 reduziert wird. Ein Stromleitungsquerschnitt ist im Bereich des Keramik-Kondensators 11 reduziert.
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Hinstrom, der über die hinstromführende Stromleitungslage 8a über den Zwischenkreis 17 in den Keramik-Kondensator 11 strömt, strömt weiter über den High-Side-Leistungsschalter 14 der Halbbrücke und somit in die phasenstromführende Stromleitungslage 15. Entsprechend fließt Rückstrom aus der phasenstromführenden Stromleitungslage 15 über den Low-Side-Leistungsschalter 13 und über den Keramik-Kondensator 11, die Schaltschichtlage 6 und den Zwischenkreis 17 zurück in die rückstromführende Stromleitungslage 8b. Aus dem Stromflussdiagramm in 2 wird der frequenzoptimierte Aufbau der Hochstromleiterplatte 1 deutlich. Insbesondere sind die Versorgungspotenziale, also die hin- bzw. rückstromführenden Stromleitungslagen 8a, 8b antiparallel ausgerichtet. Die Hochstromleiterplatte 1 weist einen symmetrischen Aufbau auf, der eine frequenzunabhängige Magnetfeldauslöschung oder zumindest eine frequenzunabhängige Magnetfeldreduktion ermöglicht.
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Insbesondere weist die Hochstromleiterplatte 1 einen Aufbau derart auf, der eine Integration in ein bestehendes Getriebe ermöglicht. Insbesondere kann die Hochstromleiterplatte 1 kreisringförmig ausgeführt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochstromleiterplatte
- 2
- Dickenrichtung
- 3
- Schaltschicht
- 4
- Stromleitungsschicht
- 5
- Ansteuerschicht
- 6
- Schaltzwischenlage
- 7
- Isolationslage
- 8
- Stromleitungslage
- 9
- Ansteuerlage
- 10
- Ansteuerbauteil
- 11
- Keramik-Kondensator
- 12
- Spannungs-Stabilisierungseinheit
- 13
- Leistungsschalter
- 14
- Leistungsschalter
- 15
- Stromleitungslage
- 16
- Trennstelle
- 17
- Zwischenkreis
- 18
- Elektrolyt-Kondensator
- 19
- Phasenverbinder
- 20
- Mikro-Durchkontaktierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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