DE102018110222A1

DE102018110222A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Leistungshalbleitereinrichtung mit zwei Schaltungsträgern und einem Kunststoffformkörper und Anordnung hiermit

Info

Publication number: DE102018110222A1
Application number: DE102018110222.4A
Authority: DE
Inventors: Nicola Burani; Roland Bittner; Matthias Kujath; Peter Mauer
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2019-10-31
Also published as: US10863623B2; US20190335584A1; CN210113743U; CN110418496A

Abstract

Vorgestellt wird eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einem ersten Schaltungsträger und mit einem parallel zum und beabstandet vom ersten angeordneten zweiten Schaltungsträger und mit einem in einem Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsträger angeordneten Kunststoffformkörper, wobei der erste Schaltungsträger eine erste Leiterbahn mit einer ersten Kontaktstelle, die insbesondere als Kontaktfläche oder als Kontaktausnehmung ausgebildet sein kann, aufweist, die auf einer dem Kunststoffformkörper zugewandten Hauptseite des ersten Schaltungsträgers angeordnet ist, wobei der zweite Schaltungsträger eine zweite Leiterbahn mit einer zweiten Kontaktstelle aufweist, die auf einer dem Kunststoffformkörper zugewandten Hauptseite des zweiten Schaltungsträgers angeordnet ist, wobei der Kunststoffformkörper eine erste Aufnahme für ein erstes Bauteil mit einer ersten und einer zweiten Kontakteinrichtung aufweist und wobei die erste Kontakteinrichtung mit der ersten Kontaktstelle und die zweite Kontakteinrichtung mit der zweiten Kontaktstelle elektrisch leitend verbunden sind.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einem ersten Schaltungsträger und mit einem zweiten Schaltungsträger. Ebenfalls beschreibt die Erfindung eine Anordnung mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
Allgemein bekannter Stand der Technik ist es zwei Schaltungsträger, insbesondere zwei parallel zu einander angeordnete Leiterplatten, mittels Steckverbindern elektrisch leitend zu verbinden.
In Kenntnis des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung, sowie eine Anordnung hiermit, vorzustellen, wobei verschiede Bauteile räumlich und schaltungstechnisch besonders vorteilhaft angeordnet werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einem ersten Schaltungsträger und mit einem parallel zum und beabstandet vom ersten angeordneten zweiten Schaltungsträger und mit einem in einem Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsträger angeordneten Kunststoffformkörper, wobei der erste Schaltungsträger eine erste Leiterbahn mit einer ersten Kontaktstelle, die insbesondere als Kontaktfläche oder als Kontaktausnehmung ausgebildet sein kann, aufweist, die auf einer dem Kunststoffformkörper zugewandten Hauptseite des ersten Schaltungsträgers angeordnet ist, wobei der zweite Schaltungsträger eine zweite Leiterbahn mit einer zweiten Kontaktstelle aufweist, die auf einer dem Kunststoffformkörper zugewandten Hauptseite des zweiten Schaltungsträgers angeordnet ist, wobei der Kunststoffformkörper eine erste Aufnahme für ein erstes Bauteil mit einer ersten und einer zweiten Kontakteinrichtung aufweist und wobei die erste Kontakteinrichtung mit der ersten Kontaktstelle und die zweite Kontakteinrichtung mit der zweiten Kontaktstelle elektrisch leitend verbunden sind. Diese Verbindung kann vorzugsweise mittels Steckern, Press-fit-Kontakten oder Federkontakten ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist die erste Aufnahme mit dem darin befindlichen ersten Bauteil mittels einer elektrisch isolierenden Vergussmasse gefüllt. Hierbei ist es meist ausreichend, wenn das Bauteil vollständig bedeckt ist, also die Aufnahme nicht zwangsläufig bis zu ihrem Rand gefüllt ist. Die Vergussmasse kann auch dazu ausgebildet sein im Bauteil entstehende Wärme möglichst effizient abzuführen.
Es kann häufig bevorzugt sein, wenn das erste Bauteil mindestens eine weitere erste und eine weitere zweite Kontakteinrichtung aufweist, der erste Schaltungsträger mindestens eine weitere erste Kontaktstelle, der zweite Schaltungsträger mindestens eine weitere zweite Kontaktstelle aufweist und die weitere erste Kontakteinrichtung mit der weiteren ersten Kontaktstelle und die die weitere zweite Kontakteinrichtung mit der weiteren zweiten Kontaktstelle schaltungsgerecht elektrisch leitend verbunden sind.
Derartige erste Bauteile können bevorzugt als galvanisch trennendes Übertragungsbauteil, insbesondere als ein Transformator oder als ein Optokoppler, ausgebildet sein.
Insbesondere ist es sinnvoll und bevorzugt, wenn in weiteren Aufnahmen des Kunststoffformkörpers weitere Bauteile mit weiteren Kontakteinrichtungen angeordnet und diese mit zugeordneten weiteren Kontaktstellen auf mindestens einem der Schaltungsträger elektrisch leitend verbunden sind. Derartig weitere Bauteile können beispielhaft Leiterplatten oder Stromsensoren oder eine bauliche Einheit aus beiden sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kunststoffformkörper mit ersten Auflageflächen auf dem ersten Schaltungsträger aufliegt. Genauso vorteilhaft ist es, wenn der Kunststoffformkörper mit zweiten Auflageflächen auf dem zweiten Schaltungsträger aufliegt. Sind beide Ausgestaltungen gleichzeitig realisiert ergibt sich eine Baugruppe aus dem ersten und zweiten Schaltungsträger und dem Kunststoffformkörper, was eine besonders einfache weitere Verwendung dieser Baugruppe ermöglicht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist der Kunststoffformkörper dazu ausgebildet und vorgesehen eine elektrische Isolation insbesondere nach den Vorgaben der EN 60664 (aktueller Stand) zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsträger auszubilden. Hierbei kann der erste Schaltungsträger die Primärseite und der zweite Schaltungsträger die Sekundärseite eines Treibers für eine Leistungshalbleitereinrichtung ausbilden, die besonders kompakt ausgebildet ist, da die Isolation nicht auf einem Schaltungsträger ausgebildet ist, sondern auf zwei Schaltungsträger verteilt.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist ausgebildet mit einer oben genannten Schaltungsanordnung und mit einer Leistungshalbleitereinrichtung, wobei der zweite Schaltungsträger mit der Leistungshalbleitereinrichtung mittels Steuerverbindungen, elektrisch leitend verbunden ist. Es kann vorteilhaft sein, auch Lastverbindungen grundsätzlich gleichartig auszubilden, solange die Stromtragfähigkeit des zugeordneten Schaltungsträgers ausreichend dimensioniert ist.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Leistungshalbleitereinrichtung als ein Leistungshalbleitermodul oder ein Leistungshalbleitersubmodul ausgebildet ist. Hierbei kann die Leistungshalbleitereinrichtung ein eigenes Gehäuse oder Teilgehäuse aufweisen. Ein vorteilhaft Alternative hierzu ist ein gemeinsames Gehäuse der Schaltungsanordnung und der Leistungshalbleitereinrichtung.
Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale oder Gruppen von Merkmalen, beispielhaft die jeweiligen Kontaktstellen und Kontakteinrichtungen, mehrfach in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung oder der Anordnung vorhanden sein.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, unabhängig davon ob sie in Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung oder mit der Anordnung genannt sind, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

1 zeigt schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung in seitlicher Schnittansicht.
2 zeigt schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung in seitlicher Schnittansicht.
3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer Schaltungsanordnung und zwei Leistungshalbleitermodulen in Explosionsansicht und seitlicher Schnittansicht.
4 und 5 zeigen in dreidimensionaler Ansicht bzw. in Draufsicht eine Ausgestaltung eines Kunststoffformkörpers einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

1 zeigt schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung 1 in Explosionsansicht und seitlicher Schnittansicht. Dargestellt ist ein erster Schaltungsträger 2, hier ausgebildet als eine fachübliche Leiterplatte mit Leiterbahnen 22, 220 auf ihrer ersten 200 und zweiten Hauptseite. Diese Leiterplatte 2 ist insbesondere dafür ausgebildet und vorgesehen im Rahmen einer leistungselektronischen Treiberschaltung die primärseitigen Schaltungsteile zu tragen.
Dargestellt ist weiterhin ein zweiter Schaltungsträger 3, ebenfalls ausgebildet als eine fachübliche Leiterplatte mit Leiterbahnen auf ihrer ersten 300 und zweiten Hauptseite. Diese Leiterplatte 3 ist insbesondere dafür ausgebildet und vorgesehen im Rahmen einer leistungselektronischen Treiberschaltung die sekundärseitigen Schaltungsteile zu tragen.
Die beiden Leiterplatten 2, 3 sind hier zueinander parallel und beabstandet angeordnet, wobei zumindest zwischen Abschnitte beider Leiterplatten 2, 3 ein Zwischenraum 5 ausgebildet wird. In anderen Worten sind zumindest Abschnitte der Leiterplatten in Normalenrichtung ihrer Hauptseiten 200, 300 fluchtend zueinander angeordnet.
In dem Zwischenraum 5 und ggf. diesen auch überlappend ist ein Kunststoffformkörper 4 angeordnet, der eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist, deren jeweilige Öffnungen einer der Leiterplatten 2, 3 zugewandt sind. Diese Ausnehmungen bilden Aufnahmen 42 aus, die dafür ausgebildet sind, dass hierin Bauteile 6, insbesondere elektrische oder elektronische Bauteile, angeordnet sind.
In einer der Aufnahmen 42 ist hier ein Übertrager 60, also technisch gesehen ein Transformator, angeordnet. Dieser Übertrager 60 ist dafür ausgebildet, elektrische Signale potentialgetrennt von der ersten Leiterplatte 2 zur zweiten Leiterplatte, und ggf. auch zurück, zu übertragen. Unter dem Begriff Signal sollen hier insbesondere Steuer- oder Messsignale verstanden werden. Ein derartiges Signal kann allerdings auch ein Energiesignal sein, mittels dessen Leistung von der ersten zur zweiten Leiterplatte übertragen wird, um diese mit Energie zu versorgen. All diese Arten von Signalen sind in Rahmen von leistungselektronischen Treiberschaltungen fachüblich.
Die Aufnahme 42 des Übertragers 60, der hier ohne eigenes Gehäuse ausgebildet ist, ist mittels einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 44 annährend vollständig gefüllt. Diese Vergussmasse 44 dient einerseits der internen elektrischen Isolation des Übertragers 60, wie auch der Fixierung des Übertragers 60 in der Aufnahme 42.
Der Übertrager 60 weist hier zwei erste Kontakteinrichtungen 64, 640 auf, die hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Federkontakteinrichtungen ausgebildet sind. Diese ersten Kontakteinrichtungen 64, 640 stellen eine elektrisch leitende Verbindung zu zugeordneten ersten Kontaktstellen 24, 240 der ersten Leiterplatte 2 her. Hierzu weisen zwei Leiterbahnen 22, 220 der ersten, hier der dem Kunststoffformköper 4 zugewandten Hauptseite 200, Leitplatte 2 erste, hier als Kontaktflächen ausgebildete, Kontaktstellen 24, 240 auf.
Der Übertrager 60 weist hier weiterhin zwei zweite Kontakteinrichtungen 68, 680 auf, die hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Teil einer Steckverbindung, hier als Stecker, ausgebildet sind. Diese zweiten Kontakteinrichtungen 68, 680 stellen eine elektrisch leitende Verbindung zu zugeordneten zweiten Kontaktstellen 34, 340 der zweiten Leiterplatte 3 her. Hierzu weisen zwei Leiterbahnen 32, 320 der ersten, hier der dem Kunststoffformköper 4 zugewandten Hauptseite 300 der zweiten Leitplatte 3 zweite, hier als Buchsen ausgebildete, Kontaktstellen 34, 340 auf.
In einer weiteren Aufnahme 42 ist ein weiteres Bauteil 62, hier ein Kondensator, angeordnet. Dieser Kondensator 62 weist weitere Kontakteinrichtungen 660 auf, die hier mit Buchsen 360 auf weiteren Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte 3 eine Steckverbindung ausbilden.
2 zeigt schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung 1 in Explosionsansicht und seitlicher Schnittansicht, wobei diese Ausgestaltung grundsätzlich der ersten ähnelt. Unterschiede werden im Weiteren beschrieben.
Der Kunststoffformkörper 4 dieser zweiten Ausgestaltung weist zusätzlich zu demjenigen der ersten Ausgestaltung erste und und zweite Auflagefläche 402, 404 auf, die dazu ausgebildet sind auf zugeordneten Hauptseiten 200, 300 der jeweiligen Leiterplatte 2, 3 aufzuliegen, wodurch aus den beiden Leiterplatten 2, 3 und dem Kunststoffformkörper 4 eine bauliche Einheit entsteht, die als ganzes beispielhaft in einer leistungselektronischen Anordnung eingebaut werden kann.
Weiterhin sind die ersten Kontakteinrichtungen 64, 640 hier als fachübliche Press-fit-Kontakte ausgebildet. Die erste Leiterplatte 2 dieser zweiten Ausgestaltung weist als erste Kontaktstellen 24, 240 fachübliche Ausnehmungen zur Aufnahme dieser Press-fit-Kontakte auf.
Weiterhin ist nur exemplarisch ein elektronisches Bauteil 280 auf der ersten Hauptseite 200 der ersten Leiterplatte 2 dargestellt. Dieses findet in montiertem Zustand der Leiterplatte 2 und des Kunststoffformkörpers 4 in einer der Aufnahmen Platz.
Die zweite Leiterplatte 3 weist auf ihrer zweiten Hauptseite ebenfalls rein exemplarisch ein elektronisches Bauteil 380 auf und ist im Übrigen identisch derjenigen gemäß der ersten Ausgestaltung.
3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung 100 mit einer Schaltungsanordnung 1 und zwei Leistungshalbleitermodulen 7 in Explosionsansicht und seitlicher Schnittansicht. Der Kunststoffformkörper 4 weist hier in zwei Aufnahmen 42 identische Übertrager 60 auf, die im Grund wie derjenige aus 2 ausgebildet und angeordnet sind.
Die erste Leiterplatte 2 weist entsprechende erste Kontakteinrichtungen 24, 240 für die Press-fit-Kontakte der beiden Übertrager auf.
Weiterhin dargestellt sind zwei zweite Schaltungsträger 3, jeweils ausgebildet als eine fachübliche Leiterplatte mit Leiterbahnen 32, 320 auf ihrer ersten und zweiten Hauptseite. Diese zweiten Leiterplatten 3 sind insbesondere dafür ausgebildet und vorgesehen im Rahmen einer leistungselektronischen Treiberschaltung für die erfindungsgemäße Anordnung 100 die sekundärseitigen Schaltungsteile zu tragen.
Mit den zweiten Leiterplatten 3, genauer mit Leiterbahnen 36 der zweiten Hauptseite, ist jeweils ein Leistungshalbleitermodul 7 elektrisch leitend, hier mittels Kontaktfedern 70, verbunden. Dies Verbindungen sind zumindest ausgebildet als Hilfsanschlussverbindungen, insbesondere zur Übertragung von Steuersignalen. Fachüblich ist es auch Sensorsignale, beispielhaft von Temperatursensoren von dem Leistungshalbleitermodul 7 auf die Leiterplatte 3 zu übertragen. In manchen Anwendungen und mit den geeigneten Leistungshalbleitermodulen 7 können auch Lastanschlussverbindungen zwischen der jeweiligen zweiten Leiterplatte 3 und dem zugeordneten Leistungshalbleitermodul 7 ausgebildet sein.
Weiterhin ist nur exemplarisch ein elektronisches Bauteil 282 auf der zweiten Hauptseite der ersten Leiterplatte 2 dargestellt.
4 und 5 zeigen in dreidimensionaler Ansicht bzw. in Draufsicht eine Ausgestaltung eines Kunststoffformkörpers 4 einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Diese Kunststoffformkörper 4 dienen im Rahmen einer leistungselektronischen Anordnung zur Verbindung des primärseitigen Schaltungsteils einer Treiberschaltung mit drei sekundärseitigen Schaltungsteilen einer Drei-Phasen-Brückenschaltu ng.
Hierzu weist der Kunststoffformkörper 4 drei Übertrager 60, hier ausgebildet zur Übertragung von Energie, jeweils angeordnet in zugeordneten Aufnahmen 42, auf. Auf die Darstellung einer Vergussmasse wurde hier aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Weiterhin sind als weitere Bauteile Übertrag zur Übertragung von Steuersignalen, wie auch drei Strommesseinrichtungen 66, jeweils aufweisend einen Stromsensor und eine dritte Leiterplatte zur Auswertung der Signale des jeweiligen Stromsensors, dargestellt.
Dargestellt sind weiterhin zweite Kontakteinrichtungen 68, 680, wie auch zweite Auflageflächen 404 für ein zweite Leiterplatte 3, die hier alle sekundärseitigen Schaltungsteil für alle drei Phasen trägt. Zudem sind Befestigungseinrichtungen 406 dargestellt, die zusammen mit nicht dargestellten Schrauben der Bildung einer baulichen Einheit aus dem Kunststoffformkörper 4 und den nicht dargestellten Leiterplatten dienen.

Claims

Schaltungsanordnung (1) zur Ansteuerung einer Leistungshalbleitereinrichtung (7) mit einem ersten Schaltungsträger (2) und mit einem parallel zum und beabstandet vom ersten angeordneten zweiten Schaltungsträger (3) und mit einem in einem Zwischenraum (5) zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsträger (2, 3) angeordneten Kunststoffformkörper (4), wobei der erste Schaltungsträger (1) eine erste Leiterbahn (22) mit einer ersten Kontaktstelle (24) aufweist, die auf einer dem Kunststoffformkörper (4) zugewandten Hauptseite (200) des ersten Schaltungsträgers (2) angeordnet ist, wobei der zweite Schaltungsträger (3) eine zweite Leiterbahn (32) mit einer zweiten Kontaktstelle (34) aufweist, die auf einer dem Kunststoffformkörper (4) zugewandten Hauptseite (300) des zweiten Schaltungsträgers (3) angeordnet ist, wobei der Kunststoffformkörper (4) eine erste Aufnahme (42) für ein erstes Bauteil (6) mit einer ersten und einer zweiten Kontakteinrichtung (64, 68) aufweist und wobei die erste Kontakteinrichtung (64) mit der ersten Kontaktstelle (24) und die zweite Kontakteinrichtung (68) mit der zweiten Kontaktstelle (34) elektrisch leitend verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Aufnahme (42) mit dem darin befindlichen ersten Bauteil (6) mittels einer elektrisch isolierenden Vergussmasse (44) gefüllt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (6) mindestens eine weitere erste und eine weitere zweite Kontakteinrichtung (640, 680) aufweist, der erste Schaltungsträger (2) mindestens eine weitere erste Kontaktstelle (240), der zweite Schaltungsträger (3) mindestens eine weitere zweite Kontaktstelle (340) aufweist und die weitere erste Kontakteinrichtung (640) mit der weiteren ersten Kontaktstelle (240) und die die weitere zweite Kontakteinrichtung (680) mit der weiteren zweiten Kontaktstelle (340) schaltungsgerecht elektrisch leitend verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei das erste Bauteil (6) als ein galvanisch trennendes Übertragungsbauteil, insbesondere als ein Transformator (60) oder als ein Optokoppler, ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in weiteren Aufnahmen des Kunststoffformkörpers (4) weitere Bauteile (62, 66) mit weiteren Kontakteinrichtungen (660) angeordnet und diese mit zugeordneten weiteren Kontaktstellen (360) auf mindestens einem der Schaltungsträger (3) elektrisch leitend verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kunststoffformkörper (4) mit ersten Auflageflächen (402) auf dem ersten Schaltungsträger (2) aufliegt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kunststoffformkörper (4) mit zweiten Auflageflächen (404) auf dem zweiten Schaltungsträger (3) aufliegt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kunststoffformkörper (4) dazu ausgebildet und vorgesehen ist eine elektrisch Isolation zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsträger (2, 3) auszubilden.
Anordnung (100) mit einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen und mit einer Leistungshalbleitereinrichtung (7), wobei der zweite Schaltungsträger (3) mit der Leistungshalbleitereinrichtung (7) mittels Steuerverbindungen (70) elektrisch leitend verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Leistungshalbleitereinrichtung (7) ein Leistungshalbleitermodul oder ein Leistungshalbleitersubmodul ist.