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Die Erfindung betrifft eine Hochstromleiterplatte sowie eine elektronische Anlage mit einer derartigen Hochstromleiterplatte.
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DE 10 2013 200 652 B4 offenbart eine Hochstromleiterplatte, auf der Halbleiterschaltelemente angeordnet sind. Leistungsanschlüsse der Halbleiterschaltelemente sind über Leiterrahmen in Form von Stanzgittern mit der Leiterplatte elektrisch verbunden. Die Leiterrahmen werden separat hergestellt. Die Herstellung der Leiterplatte ist aufwändig und kostenintensiv.
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DE 10 2013 223 888 A1 offenbart eine Hochstromleiterplatte mit einem mehrlagigen Aufbau. Stromführende Dickkupferlagen sind als Innenlagen der Leiterplatte ausgeführt. Der innenliegende Dickkupferbereich muss über vertikale Verbindungselemente an die Anschlüsse der Leistungsschalter kontaktiert werden. Die Hochstromleiterplatte weist zusätzliche thermische und elektrische Impedanzen auf. Die Herstellung ist kostenaufwändig.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochstromleiterplatte mit vereinfachtem Aufbau bereitzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Hochstromleiterplatte entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine elektronische Anlage entsprechend den Merkmalen des Patentanspruches 13 angegeben.
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Die Hochstromleiterplatte weist mindestens eine Stromleitungslage zum Leiten von elektrischem Strom durch die Hochstromleiterplatte auf. An die mindestens eine Stromleitungslage sind ein Hinstrom-Einkoppel-Element und ein Hinstrom-Auskoppel-Element angeschlossen. Über das Hinstrom-Einkoppel-Element ist die Hochstromleiterplatte mit einer Versorgungsquelle verbindbar. Über das Hinstrom-Auskoppel-Element ist die Hochstromleiterplatte mit einem Funktionselement beispielsweise einem Umrichter verbindbar. Das Hinstrom-Einkoppel-Element ist mit dem Hinstrom-Auskoppel-Element durch mindestens einen Leistungsschalter verbunden. Der Leistungsschalter weist mehrere Einzelschalter auf. Der Leistungsschalter ist insbesondere ein logischer Leistungsschalter und ist insbesondere in Form eines Mosfets oder als IGBT ausgeführt. Die Hochstromleiterplatte kann als elektronischer Schalter fungieren, der das Funktionselement von der Versorgung zuverlässig trennt, beispielsweise wenn die Zündung eines Fahrzeugs nicht aktiv ist.
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Insbesondere ist es nicht erforderlich, alle Leistungsschalter auf einer, einem Kühler zugewandten Seite der Hochstromleiterplatte anzuordnen. Mit der erfindungsgemäßen Hochstromleiterplatte können erhöhte Konzentrationen von Verlustleistungen vermieden werden. Insbesondere kann ein erhöhter Strombedarf im Bereich der Leistungsschalter vermieden werden. Die Leitungsquerschnitte im Bereich der Anschlüsse der Leistungsschalter können ohne erhöhte Anforderungen an den Stromfluss dimensioniert werden.
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Ein mehrlagiger Aufbau der erfindungsgemäßen Hochstromleiterplatte ist entbehrlich. Ein Leiterrahmen zum Verbinden der Leistungsschalter ist entbehrlich. Die Hochstromleiterplatte weist einen vereinfachten Aufbau auf. Insbesondere ist es nicht erforderlich, den Rückstrom durch die Hochstromleiterplatte zu führen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Hochstromleiterplatte ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 und von Anspruch 13 abhängigen Ansprüche.
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Eine Anordnung der Einzelschalter gemäß Anspruch 2 ermöglicht eine umleitungsfreie, kurze, also streckenoptimierte, und näherungsweise geradlinige Stromhinführung durch die Hochstromleiterplatte entlang der mindestens einen Stromleitungslage. Leitungsverluste, die im Kupfer der Hochstromleiterplatte entstehen, werden minimiert.
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Die Anordnung der Einzelschalter an einer Stromleitungslage ermöglicht eine horizontalsymmetrische Gestaltung der Hochstromleiterplatte. Als Horizontalrichtung ist eine Richtung in oder parallel zu der Leiterplattenebene zu verstehen.
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Eine Hochstromleiterplatte mit mindestens zwei Stromleitungslagen gemäß Anspruch 3 ermöglicht eine Aufteilung des Gesamt-Hinstroms auf verschiedene Stromleitungslagen. Die Stromleitungslagen sind insbesondere als Kupferlagen ausgeführt. Dadurch, dass der Gesamt-Hinstrom auf mehrere Stromleitungslagen aufgeteilt ist, ist der erforderliche Leitungsquerschnitt je Stromleitungslage reduziert.
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Eine Anordnung der Einzelschalter gemäß Anspruch 4 ermöglicht eine Aufteilung des Hinstroms in mehrere Teil-Hinströme pro Kupferlage. Insbesondere können je Stromleitungslage gleich viele Einzelschalter des Leistungsschalters vorgesehen sein. Anordnung und Orientierung der Einzelschalter ist insbesondere derart gewählt, dass gleiche Leitungslängen der Hochstromleiterplatte für die jeweiligen Teil-Hinströme für jede Hochstromleiterplatten-Seite bereitgestellt sind. Es ist möglich, einen stromüberlagerungsfreien Betrieb der Einzelschalter bei optimierter Orientierung der Einzelschalter zu gewährleisten. Die auftretenden Stromdichten in den Stromleitungslagen sind minimiert. Die für den Betrieb der Einzelschalter notwendigen Leitungsquerschnitte können zusätzlich reduziert werden. Eine Aufteilung der Einzelschalter auf die Stromleitungslagen ermöglicht eine vertikal-symmetrische Struktur der Hochstromleiterplatte. Als Vertikalrichtung ist die Flächennormale der Hochstromleiterplatte zu verstehen.
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Eine Vertikalverbindung der Stromleitungslagen können insbesondere mittels des Hinstrom-Auskoppel-Elements und des Hinstrom-Einkoppel-Elements erfolgen, die jeweils durchkontaktiert sind. Insbesondere werden die Einzelschalter der Leistungsschalter und die Stromleitungslagen zu gleichen Teilen auf einer Oberseite und einer Unterseite der Hochstromleiterplatte angeordnet. Eine Oberseite ist durch eine Stromleitungslage an einer Substratlage gebildet, wobei eine Unterseite durch die andere Stromleitungslage an einer der Oberseite gegenüberliegenden Oberfläche gebildet ist.
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Die Verwendung von Durchgangsöffnungen gemäß Anspruch 5 ermöglicht eine unkomplizierte vertikale Verbindung der Einzelschalter an den gegenüberliegenden Stromleitungslagen. Insbesondere ist eine aufwändige vertikale Verbindungstechnik innerhalb der Hochstromleiterplatte entbehrlich. Insbesondere sind Mikro-Durchkontaktierungen entbehrlich.
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Die Verwendung von zwei Leistungsschaltern gemäß Anspruch 6 ermöglicht eine vorteilhafte, insbesondere optimierte Orientierung der Einzelschalter, so dass insbesondere ein stromüberlagerungsfreier Betrieb der Einzelschalter gewährleistet ist.
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Eine Verbindung korrespondierender Einzelschalter gemäß Anspruch 7 ermöglicht eine geradlinige Stromführung. Insbesondere ist es möglich, dass der benötigte Gesamtstrom sowohl auf die beiden Stromleitungslagen gleichermaßen, insbesondere hälftig, und innerhalb der Stromleitungslagen entsprechend den Einzelschaltern zu gleichen Teilen aufgeteilt werden kann. Eine derartige Hochstromleiterplatte weist optimierte, minimale Leitungsquerschnitte auf. Die Leitungsquerschnitte sind in den Außenlagen der Hochstromleiterplatte angeordnet.
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Die Ausführung der Stromleitungslagen gemäß Anspruch 8 ermöglicht eine vorteilhafte Stromführung. Insbesondere können die Stromleitungslagen unkompliziert aus Kupferfolien hergestellt werden. Durch die Auswahl der Foliendicke kann der Leitungsquerschnitt der Stromleitungslagen gezielt eingestellt werden. Vorteilhaft ist eine Abstufung der Stromleitungslagendicke mit 70 µm, 105 µm, 210 µm und 400 µm. Die minimale Foliendicke ist durch einen Minimalstrom vorgegeben, der für den Betrieb des Funktionselements, insbesondere des Umrichters, erforderlich ist. Die Maximalfoliendicke ist durch die Dichte der Anschlüsse der Leistungsschalter vorgegeben.
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Mehrere Stromleitungslagen gemäß Anspruch 9 ermöglichen einen erhöhten Leitungsquerschnitt bei trotzdem unkompliziertem Aufbau der Hochstromleiterplatte. Mindestens zwei Stromleitungslagen werden miteinander verbunden und sind parallel geschalten. Insbesondere sind die parallel geschalteten Stromleitungslagen identisch ausgeführt. Eine jeweils innenliegende Stromleitungslage ist identisch zu der zugehörigen Außenlage ausgeführt. Die parallel geschalteten Stromleitungslagen, die jeweils paarweise an der Oberseite und an der Unterseite der Hochstromleiterplatte angeordnet sind, können miteinander durch Durchgangsöffnungen verbunden sein. Die Durchgangsöffnungen dienen auch zur Verbindung der Stromleitungslagen an der Unterseite mit denen der Oberseite. Es ist vorteilhaft, die Anzahl der Durchgangsöffnungen bei der paarweise Anordnung der Stromleitungslagen zu erhöhen, um eine ausreichende Stromzufuhr in die innenliegenden Stromleitungslagen zu gewährleisten. Die Durchgangsöffnungen können auch in den Anschlüssen der Leistungsschalter platziert werden. Bei der Ausführung der Hochstromleiterplatte mit genau zwei Stromleitungslagen an Oberseite und Unterseite der Hochstromleiterplatte können Mikrodurchkontaktierungen verwendet werden, um die Stromleitungslagen miteinander zu verbinden. Die Mikrodurchkontaktierungen können mit Kupfer gefüllt sein.
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Eine Hochstromleiterplatte gemäß den Ansprüchen 10 und 11 ermöglicht eine vereinfachte Integration der Rückstromführung. Die Hochstromleiterplatte weist eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit auf. Insbesondere ist es möglich, auf einen Leiterrahmen für die Rückstromführung zu verzichten. Insbesondere kann eine symmetrische Rückstromführung dargestellt werden.
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Eine Stromverbindung gemäß Anspruch 12 ermöglicht eine vorteilhafte Stromführung.
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Eine elektronische Anlage gemäß Anspruch 13 weist im Wesentlichen die Vorteile der erfindungsgemäßen Hochstromleiterplatte auf, worauf hiermit verwiesen wird. Die Hochstromleiterplatte dient als elektronischer Schalter.
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Die Ausführung der Versorgungsquelle und des Funktionselements gemäß den Ansprüchen 14 und 15 ermöglicht eine besonders vorteilhafte Ausführung der elektronischen Anlage. Eine derartige elektronische Anlage kann insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Automobil, integriert sein, um den Umrichter von der Batterie zu trennen, wenn die Zündung des Fahrzeugs nicht aktiv ist. Dadurch wird die Spannungsbelastung des Umrichters über seine Lebensdauer reduziert. Die Lebensdauer des Umrichters wird dadurch erhöht.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Anlage mit einer Hochstromleiterplatte gemäß der Erfindung,
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2 eine schematische Draufsicht auf die Hochstromleiterplatte gemäß 1,
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3 eine schematische Schnittdarstellung der Hochstromleiterplatte gemäß 1,
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4 eine 3 entsprechende Darstellung einer Hochstromleiterplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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5 eine 1 entsprechende Darstellung einer elektronischen Anlage gemäß einer weiteren Ausführungsform und
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6 eine schematische Schnittdarstellung der Hochstromleiterplatte gemäß 5.
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Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 6 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 elektronische Anlage 1 umfasst eine Versorgungsquelle 2, deren Hinstrom 3 über eine Hochstromleiterplatte 4 mit einem Funktionselement 5 in Form eines Umrichters verbunden ist. Ein Rückstromfluss vom Umrichter zu der Versorgungsquelle 2 erfolgt unmittelbar, also insbesondere nicht über die Hochstromleiterlatte 4. Die Hochstromleiterplatte 4 funktioniert wie ein elektronischer Schalter, um den Umrichter von der Versorgungsquelle 2 zu trennen.
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Nachfolgend wird anhand der 1 bis 3 der Aufbau der Hochstromleiterplatte 4 näher erläutert. Um den Hinstrom 3 von der Versorgungsquelle 2 in die Hochstromleiterplatte 4 einzukoppeln, weist die Hochstromleiterplatte 4 ein Hinstrom-Einkoppel-Element 7 auf. Durch die Hochstromleiterplatte 4 wird der Strom durch Stromleitungslagen 8 geleitet. Die Stromleitungslagen 8 sind als Kupferlagen, insbesondere in Form von Kupferfolien, ausgeführt.
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Der Hinstrom 3 wird von der Hochstromleiterplatte 4 mittels eines Hinstrom-Auskoppel-Elements 9 ausgekoppelt, das mit dem Funktionselement 5 verbunden ist. Das Hinstrom-Einkoppel-Element 7 und das Hinstrom-Auskoppel-Element 9 sind durch zwei hintereinander geschaltete Leistungsschalter 10 miteinander verbunden. Die Leitungsschalter 10 weisen jeweils mehrere Einzelschalter 11 auf.
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Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Leistungsschalter 10 vorgesehen, die jeweils acht Einzelschalter 11 aufweisen. Jeweils vier Einzelschalter 11 eines Leistungsschalters 10 sind in einer Stromleitungslage 8 angeordnet. Die Einzelschalter 11 können auch ungleichmäßig auf die Stromleitungslagen 8 aufgeteilt werden. Es ist auch denkbar, dass der Leistungsschalter 10 weniger oder mehr als acht Einzelschalter 11 aufweist.
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Eine Anordnung der Einzelschalter 11 innerhalb einer Stromleitungslage 8 ist in 2 gezeigt. Ausgehend von dem Hinstrom-Einkoppel-Element 7 wird der Hinstrom 3 in vier Einzelpfade 12 aufgeteilt, durch die Einzelschalter 11 des ersten Leistungsschalters 10 geführt und in paralleler Weise zu den weiteren Einzelschaltern 11 des zweiten Leistungsschalters 10 geführt. Von den Einzelschaltern 11 des zweiten Leistungsschalters 10 werden die Einzelpfade 12 zu den Hinstrom-Auskoppel-Element 9 zusammengeführt.
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Die Hochstromleiterplatte 4 weist eine zentral angeordnete Substratlage 13 auf, wobei die Stromleitungslagen 8 jeweils an einer Oberseite und an einer Unterseite der Substratlage 13 angeordnet sind. Die Stromleitungslagen 8 sind durch die Substratlage 13 voneinander getrennt. Die Stromleitungslagen 8 sind entlang einer Vertikalrichtung, die eine Flächennormale der Hochstromleiterplatte 4 darstellt, beabstandet zueinander angeordnet. Gemäß der Darstellung in 3 ist die Oberseite der Hochstromleiterplatte 4 oben und die Unterseite der Hochstromleiterplatte 4 unten dargestellt.
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Die Substratlage 13 weist mehrere Durchgangsöffnungen 14 auf, durch die die Einzelschalter 11 der Stromleitungslagen 8 an der Oberseite und der Unterseite der Hochstromleiterplatte 4 miteinander verbunden sind. Die Durchgangsöffnungen 14 werden auch als Through-Holes bezeichnet. Die Stromleitungslagen 8 an der Oberseite und der Unterseite der Hochstromleiterplatte 4 sind im Wesentlichen identisch ausgeführt.
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Nachfolgend wird anhand der 4 eine weitere Ausführungsform einer Hochstromleiterplatte 4 erläutert. Der wesentliche Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform besteht darin, dass an der Oberseite als auch an der Unterseite der Hochstromleiterplatte 4 jeweils zwei Stromleitungslagen 8 vorgesehen sind. Die Stromleitungslagen 8, die jeweils an der Oberseite bzw. der Unterseite der Hochstromleiterplatte 4 angeordnet sind, sind paarweise identisch ausgeführt und unmittelbar über Durchgangsöffnungen 14 miteinander verbunden. Gegenüber der ersten Ausführungsform weist die Hochstromleiterplatte 4 gemäß der gezeigten Ausführungsform eine erhöhte Anzahl an Durchgangsöffnungen 14 auf, um zusätzlichen Strom zu den innenliegenden Stromleitungslagen 8 zu führen. Dadurch, dass an der Oberseite und an der Unterseite der Hochstromleiterplatte 4 jeweils zusätzliche Stromleitungslagen vorgesehen sind, die parallel geschaltet sind, ist der Leitungsquerschnitt, also der Kupferquerschnitt, erhöht. Dadurch ist es möglich, einen erhöhten Strombedarf für den Umrichter bereitzustellen. Dadurch ist es insbesondere möglich, Leitungsschalter anzuschließen, die besonders dichte Anschlüsse aufweisen.
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Nachfolgend wird anhand der 5 und 6 eine weitere Ausführungsform einer Hochstromleiterplatte 4 erläutert. Ein wesentlicher Unterschied gegenüber den vorherigen Ausführungsformen ist, dass der Rückstrom 6 durch die Hochstromleiterplatte 4 zurück von dem Umrichter 5 zu der Versorgungsquelle 2 geführt wird. Der Umrichter 5 ist über ein Rückstrom-Einkoppel-Element 15 an die Hochstromleiterplatte 4 angeschlossen. Der Rückstrom 6 durchströmt die Stromleitungslagen 8 unmittelbar und insbesondere ohne Anschluss an die Leistungsschalter 10. Der Rückstrom 6 wird über ein Rückstrom-Auskoppel-Element 16 aus der Hochstromleiterplatte 4 auskoppelt. Das Rückstrom-Auskoppel-Element 16 ist mit der Versorgungsquelle 2 verbunden. Die Hochstromleiterplatte 4 weist eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit auf. Ein Leiterrahmen ist entbehrlich. Die Hochstromleiterplatte 4 ermöglicht eine symmetrische Rückstromführung durch die Hochstromleiterplatte 4. Insbesondere ist die Stromhinführstruktur identisch zu der der Hochstromleiterplatte 4 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Stromhinleitungstruktur weist einen reduzierten, vereinfachten Aufbau auf. Jeweils an der Oberseite und der Unterseite der Hochstromleiterplatte 4 ist eine identische Rückstromführung vorgesehen, die antiparallel zu der Hinstromstruktur ausgeführt ist. Die Hochstromleiterplatte 4 weist eine symmetrische Stromführung auf.
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Es ist denkbar, in weiteren, nicht gezeigten Ausführungsformen Hochstromleiterplatten vorzusehen, die beispielsweise zwei oder mehr Hinstrom- und/oder Rückstromlöagen aufweisen und die insbesondere jeweils alternierend innerhalb einer Leiterplattenhälfte in Dickenrichtung der Substratlage 13 angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronische Anlage
- 2
- Versorgungsquelle
- 3
- Hinstrom
- 4
- Hochstromleiterplatte
- 5
- Funktionselement
- 6
- Rückstrom
- 7
- Hinstrom-Einkoppel-Element
- 8
- Stromleitungslage
- 9
- Hinstrom-Auskoppel-Element
- 10
- Leistungsschalter
- 11
- Einzelschalter
- 12
- Einzelpfad
- 13
- Substratlage
- 14
- Durchgangsöffnung
- 15
- Rückstrom-Einkoppel-Element
- 16
- Rückstrom-Auskoppel-Element
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013200652 B4 [0002]
- DE 102013223888 A1 [0003]
