DE102019213857A1 - Converter for a vehicle that is at least partially electrically powered - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Stromrichter für ein Fahrzeug, das wenigstens teilweise elektrisch angetrieben ist, vorgeschlagen. Dabei weist der Stromrichter eine erste Leiterplatte auf, die Leistungsschalter, Zwischenkreiskondensatoren, Anschlüsse für Wechselstromschienen und für Gleichstromschienen und mehrere Signalpinträger aufweist. Weiterhin ist eine zweite Leiterplatte vorgesehen, die mit der ersten Leiterplatte für eine Signalübertragung mit den Signalpinträgern zur Ansteuerung der Leistungsschalter verbunden ist. Auch eine Kühleinrichtung ist vorgesehen, die unter der ersten Leiterplatte zumindest teilweise angeordnet ist und die ein Fluid zum Wärmeabtransport von der ersten Leiterplatte bewegt.A power converter for a vehicle that is at least partially electrically driven is proposed. The converter has a first printed circuit board which has power switches, intermediate circuit capacitors, connections for AC busbars and for DC busbars and several signal pin carriers. Furthermore, a second printed circuit board is provided which is connected to the first printed circuit board for signal transmission with the signal pin carriers for controlling the circuit breakers. A cooling device is also provided which is at least partially arranged under the first printed circuit board and which moves a fluid to remove heat from the first printed circuit board.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Stromrichter für ein Fahrzeug, das zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist, nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.The invention is based on a converter for a vehicle, which is at least partially electrically driven, according to the preamble of the independent claim.
Der Stromrichter für ein Fahrzeug, das zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist, mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Trennung von Signal- und Leistungselektronik durchgeführt wird. Damit ist es möglich, dass die Leistungselektronik auf der ersten Leiterplatte individuell getestet werden kann.The converter for a vehicle that is at least partially electrically driven, with the features of the independent claim, has the advantage that signal and power electronics are separated. This makes it possible for the power electronics on the first circuit board to be tested individually.
Für andere Anwendungen bzw. Bauräume müssen lediglich die Gleichstrom- und Wechselstromanschlüsse angepasst werden. Dadurch können auch Test und Zusammenbau Weise kombiniert werden. Der vorliegende Stromrichter ist dabei insbesondere für 48 V-Anwendungen bei sogenannten Mild-Hybriden besonders vorteilhaft. Ein Mild-Hybrid-System ist eine Antriebskonfiguration, bei der der Verbrennungsmotor laufend läuft, auch wenn der oder die Elektromotoren zugeschaltet werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stromrichters ist, dass die wärmeerzeugenden Bauteile, wie die Leistungsschalter, die Stromschienen, d.h. die Anschlüsse für Wechselstromschienen und Gleichstromschienen und auch die Zwischenkreiskondensatoren auf einer Leiterplatte angeordnet sind und damit gemeinsam gekühlt werden können. Dies ermöglicht eine effizientere und einfachere Kühlung. Außerdem sind die Fertigungstoleranzen nicht im thermisch-kritischen Pfad, da zuvor die Wärme über die erste Leiterplatte gespreizt wurde.For other applications or installation spaces, only the DC and AC connections have to be adapted. This means that testing and assembly can also be combined. The present converter is particularly advantageous for 48 V applications in so-called mild hybrids. A mild hybrid system is a drive configuration in which the combustion engine runs continuously, even when the electric motor or motors are switched on. Another advantage of the converter according to the invention is that the heat-generating components, such as the circuit breakers, the busbars, i.e. the connections for AC busbars and DC busbars and also the intermediate circuit capacitors are arranged on a circuit board and can thus be cooled together. This enables more efficient and easier cooling. In addition, the manufacturing tolerances are not in the thermally critical path, since the heat was previously spread over the first printed circuit board.
Folglich wird ein Stromrichter für ein Fahrzeug, das zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist, vorgeschlagen, der Folgendes aufweist:
- - eine erste Leiterplatte, die Leistungsschalter, Zwischenkreiskondensatoren, Anschlüsse für Wechselstrom und Gleichstromschienen und mehrere Signalpinträger aufweist
- - eine zweite Leiterplatte, die mit der ersten Leiterplatte für eine Signalübertragung mit den Signalpinträgern zur Ansteuerung der Leistungsschalter verbunden ist
- - eine Kühleinrichtung, die unter der ersten Leiterplatte zumindest teilweise angeordnet ist, und die ein Fluid zum Wärmeabtransport von der ersten Leiterplatte bewegt.
- - A first printed circuit board, which has power switches, intermediate circuit capacitors, connections for alternating current and direct current rails and several signal pin carriers
- - A second printed circuit board, which is connected to the first printed circuit board for signal transmission with the signal pin carriers for controlling the circuit breakers
- - A cooling device which is at least partially arranged under the first circuit board and which moves a fluid to remove heat from the first circuit board.
Unter einem Stromrichter ist vorliegend ein Inverter bzw. Wechselrichter zu verstehen, also eine Schaltung, die Gleichstrom in Wechselstrom wandelt.In the present case, a power converter is to be understood as an inverter or inverter, that is to say a circuit that converts direct current into alternating current.
Die erste Leiterplatte, die gemäß der abhängigen Ansprüche noch näher definiert wird, ist einstückig und nimmt die wärmeerzeugenden Komponenten des Stromrichters auf. Bei den Leistungsschaltern handelt es sich üblicherweise um Halbleiterleistungsschalter wie MOSFETs, es sind jedoch auch andere Leistungsschalter, die in der Lage sind, hohe Ströme und hohe Spannungen zu schalten, möglich. Bei den Zwischenkreiskondensatoren handelt es sich um Kondensatoren, die den Gleichstrom für die Schaltung mit Leistungsschaltern bereitstellen. Die Leistungsschalter wandeln den Gleichstrom in einen Wechselstrom. Dies geschieht durch ein sogenanntes Zerhacken des Gleichstroms. Der Wechselstrom wird dann zur Ansteuerung beispielsweise von einem Elektromotor verwendet. Dieser Wechselstrom besteht aus drei Phasen und daher sind drei Leistungsschaltergruppen dafür vorgesehen.The first printed circuit board, which is defined in more detail according to the dependent claims, is in one piece and receives the heat-generating components of the converter. The power switches are usually semiconductor power switches such as MOSFETs, but other power switches that are able to switch high currents and high voltages are also possible. The intermediate circuit capacitors are capacitors that provide the direct current for switching with power switches. The circuit breakers convert the direct current into an alternating current. This is done by so-called chopping of the direct current. The alternating current is then used to control an electric motor, for example. This alternating current consists of three phases and therefore three groups of breakers are provided for it.
Wie oben dargestellt, handelt es sich bei der ersten Leiterplatte um ein sogenanntes Board, das als oberste Schicht eine erste Metallschicht beispielsweise aufweist, die zur Ausformung der Leiterbahnen vorgesehen ist. Auch eine Wärmeankopplung kann durch diese erste Metallschicht definiert werden. Vorliegend werden beispielsweise durch die üblichen Strukturierungsverfahren die entsprechenden Leiterbahnen bereitgestellt. Auch zusätzliche Metallisierungen sind vorliegend noch möglich, beispielsweise durch Aufdampfen oder Electroplating, um beispielsweise eine gute Wärmeverbindung zu den aufgebrachten Halbleiterkomponenten herzustellen, um deren Kühlung zu verbessern. Diese erste Metallschicht ist auf einer Isolationsschicht aufgebracht, beispielsweise aus einem Kunststoff oder einer Keramik. Bei dem Kunststoff kann es sich beispielsweise um ein Polymer mit Keramikpartikeln handeln. Die erste Metallschicht kann auch als eine Folie aufgebracht sein. Die Isolationsschicht ist dann auf einer zweiten Metallschicht aufgebracht, und zwar beispielsweise auf einem Aluminiumträger. Dieser Aluminiumträger ist dann letztlich über ein thermisches Interfacematerial (
Über die Anschlüsse für die Wechselstromschienen wird der Wechselstrom an den Elektromotor ausgegeben. Die Anschlüsse für die Gleichstromschienen dienen zur Zufuhr des Gleichstroms für die Erzeugung des Wechselstroms. Die Signalpinträger sind beispielsweise mit den Gates der Leistungsschalter verbunden, um diese entsprechend anzusteuern. Signalpinträger verbinden signaltechnisch die erste Leiterplatte mit der zweiten Leiterplatte. Dies kann durch eine Einpressung oder Verlötung geschehen. Auf der zweiten Leiterplatte sind daher entsprechende Ansteuermittel vorgesehen, die über die Signalpinträger die Leistungsschalter ansteuern. Weiterhin ist unter der ersten Leiterplatte eine Kühleinrichtung vorgesehen, mit der ein Fluid zum Wärmeabtransport von der ersten Leiterplatte bewegt wird. Dieses Fluid kann beispielsweise Wasser oder Luft sein. Aber auch andere Gase oder Flüssigkeiten sind vorliegend möglich. Diese Kühleinrichtung weist einen entsprechenden Kühlkörper dann unter der ersten Leiterplatte auf. Der thermische Pfad geht dann von den Leistungsschaltern über die Verlötung auf der ersten Leiterplatte durch die erste Leiterplatte und beispielsweise auch dann durch ein thermisches Interfacematerial zu dem Kühlkörper.The alternating current is output to the electric motor via the connections for the alternating current rails. The connections for the direct current rails are used to supply the direct current for generating the alternating current. The signal pin carriers are, for example, connected to the gates of the circuit breakers in order to control them accordingly. Signal pin carriers connect the first circuit board with the second circuit board for signaling purposes. This can be done by pressing in or soldering happen. Corresponding control means are therefore provided on the second printed circuit board, which control the circuit breakers via the signal pin carriers. Furthermore, a cooling device is provided under the first printed circuit board, with which a fluid is moved to remove heat from the first printed circuit board. This fluid can be, for example, water or air. However, other gases or liquids are also possible in the present case. This cooling device then has a corresponding heat sink under the first printed circuit board. The thermal path then goes from the circuit breakers via the soldering on the first circuit board through the first circuit board and, for example, then also through a thermal interface material to the heat sink.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Stromrichters möglich.The measures and developments listed in the dependent claims make advantageous improvements to the converter specified in the independent claim possible.
Es ist vorgesehen, dass die erste Leiterplatte eine erste Metallschicht zur Ausformung von Leiterbahnen aufweist, mit denen die Leistungsschalter, die Zwischenkreiskondensatoren und die Anschlüsse verbunden sind. Weiterhin ist vorgesehen, dass unter der ersten Metallschicht eine Isolationsschicht vorgesehen ist, und dass unter der Isolationsschicht eine zweite Metallschicht vorgesehen ist, wobei die zweite Metallschicht mit der Kühleinrichtung verbunden ist. Diese Verbindung kann beispielsweise durch das thermische Interfacematerial realisiert sein.It is provided that the first printed circuit board has a first metal layer for forming conductor tracks with which the circuit breakers, the intermediate circuit capacitors and the connections are connected. It is further provided that an insulation layer is provided under the first metal layer, and that a second metal layer is provided under the insulation layer, the second metal layer being connected to the cooling device. This connection can be implemented, for example, by the thermal interface material.
Dabei ist vorgesehen, dass die erste Metallschicht im Wesentlichen aus Kupfer und die zweite Metallschicht im Wesentlichen aus Aluminium besteht. Insbesondere können für die erste Metallschicht eine Kupferfolie und für die zweite Metallschicht eine Aluminiumschicht vorgesehen sein.It is provided that the first metal layer consists essentially of copper and the second metal layer essentially consists of aluminum. In particular, a copper foil can be provided for the first metal layer and an aluminum layer for the second metal layer.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Wechselstromschienen und die Gleichstromschienen mit ihren jeweiligen Anschlüssen auf der ersten Leiterplatte verschweißt oder verlötet sind. Dabei kann beispielsweise Laserschweißen oder Ultraschallschweißen eingesetzt werden. Der Schweißprozess ist im Allgemeinen stabiler als der Lötprozess und führt zu Verbindungen, die einer höheren mechanischen Belastung aussetzbar sind.In addition, it is provided that the alternating current rails and the direct current rails are welded or soldered to their respective connections on the first printed circuit board. For example, laser welding or ultrasonic welding can be used here. The welding process is generally more stable than the soldering process and leads to connections that can be exposed to higher mechanical loads.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Signalpinträger in die erste Leiterplatte eingepresst oder mit der ersten Leiterplatte verlötet sind.It is also provided that the signal pin carriers are pressed into the first printed circuit board or soldered to the first printed circuit board.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung einen Kühlkanal aufweist, der mit einem Aluminiumdruckgussverfahren hergestellt ist, und dass der Kühlkanal einen Deckel aufweist, der mit einem Rührreibverfahren mit dem Kühlkanal verbunden ist. Dabei ist eine Pinfin-Struktur unterhalb der ersten Leiterplatte vorgesehen. Das Kühlfluid wird von unten über den Deckel mit zwei Kühlfluidanschlüssen zu- und abgeführt.In addition, it is provided that the cooling device has a cooling channel that is produced using an aluminum die-casting process, and that the cooling channel has a cover that is connected to the cooling channel using a friction stir process. A pin-fin structure is provided below the first circuit board. The cooling fluid is supplied and discharged from below via the cover with two cooling fluid connections.
Weiterhin ist vorgesehen, dass zwischen der zweiten Metallschicht und dem Kühlkörper eine Wärmeleitpaste, mithin das thermische Interfacematerial, vorgesehen ist.Furthermore, it is provided that a heat-conducting paste, hence the thermal interface material, is provided between the second metal layer and the heat sink.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Wärmeleitpaste mit einem Gapfiller mit Glaskugeln kombiniert ist. Dabei kann es sich um keramikgefüllte Gapfiller auf Silikon- oder Epoxyd-Polymer-Basis handeln. Die Glaskugeln haben bspw. einen Durchmesser von 180µm. Die Wärmeleitfähigkeit kann zwischen 1,5 und 8 W/m*K betragen.In a further development it can be provided that the thermal paste is combined with a gap filler with glass balls. These can be ceramic-filled gap fillers based on silicone or epoxy-polymer. The glass spheres have a diameter of 180 μm, for example. The thermal conductivity can be between 1.5 and 8 W / m * K.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass auf der ersten Leiterplatte wenigstens zwei Kerne für jeweilige Stromsensoren vorgesehen sind. Bei einem Stromsensor handelt es sich um ein elektrisches Bauelement, mit dem die Stromstärke in den Stromschienen anhand der durch elektrische Ströme ausgelösten magnetischen Flussdichte gemessen werden kann. Mit den Kernen wird die magnetische Flussdichte auf die Stromsensoren fokussiert. Diese Kerne können jeweils als ein Blechpaket zur Bündelung des magnetischen Feldes ausgebildet sein.In addition, it is provided that at least two cores for respective current sensors are provided on the first printed circuit board. A current sensor is an electrical component with which the strength of the current in the busbars can be measured on the basis of the magnetic flux density triggered by electrical currents. With the cores, the magnetic flux density is focused on the current sensors. These cores can each be designed as a laminated core for bundling the magnetic field.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die zweite Leiterplatte eine Schnittstelle zu einem Fahrzeugkommunikationssystem aufweist. Solch eine Schnittstelle kann beispielsweise eine CAN-Bus-Schnittstelle sein.It is also provided that the second printed circuit board has an interface to a vehicle communication system. Such an interface can be a CAN bus interface, for example.
Es kann auch vorgesehen sein, dass auf der ersten Leiterplatte unterschiedliche Lote mit jeweils unterschiedlichen Schmelzpunkten verwendet sind.It can also be provided that different solders, each with different melting points, are used on the first printed circuit board.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description.
Es zeigen:
-
1 eine erste Ansicht der ersten Leiterplatte; -
2 eine zweite Ansicht der ersten Leiterplatte; -
3 eine Seitenansicht des Wechselrichters; -
4 eine dritte Ansicht der ersten Leiterplatte; -
5 eine vierte Ansicht der ersten Leiterplatte; -
6 einen thermischen Pfad und -
7 einen Querschnitt durch den Stromrichter.
-
1 a first view of the first circuit board; -
2 a second view of the first circuit board; -
3 a side view of the inverter; -
4th a third view of the first circuit board; -
5 a fourth view of the first circuit board; -
6th a thermal path and -
7th a cross section through the converter.
Vorliegend sind drei Leistungsschaltergruppen für jede der drei Phasen des Wechselstroms vorgesehen. Die Wechselstromschienen sind vorliegend angeschweißt, wie beispielsweise es die Schweißverbindung
Der Gleichstrom wird über die Gleichstromschienen
Die Signalpinträger
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- LP1, 2LP1, 2
- LeiterplatteCircuit board
- LSLS
- LeistungsschalterCircuit breaker
- ZKZK
- ZwischenkreiskondensatorenDC link capacitors
- KK
- Kerne für StromsensorenCores for current sensors
- SV-AC-BSV-AC-B
- Schweißverbindung für WechselstromschieneWelded connection for AC busbar
- KTKT
- Kunststoffträger für Wechselstromschiene und StrommesskernePlastic carrier for AC busbar and current measuring cores
- SVSV
- Träger für die zweite LeiterplatteCarrier for the second printed circuit board
- SPTSPT
- SignalpinträgerSignal pin carrier
- PAPA
- WechselstromschienenanschlüsseAC busbar connections
- DC-ADC-A
- GleichstromschienenanschlüsseDC busbar connections
- SP-FSP-F
- SignalpinträgerführungenSignal pin carrier guides
- SP-EPDSP-EPD
- SignalpinträgereinpresspinsSignal pin carrier press-fit pins
- KÜKÜ
- umspritzte Wechselstromanschlüssemolded AC connections
- GWGW
- GatewiderständeGate resistors
- GAGA
- Verbindung GateanschlüsseConnection gate connections
- MLML
- MOSFET LowsideMOSFET lowside
- MHMH
- MOSFET HighsideMOSFET highside
- KRKCRC
- KeramikkondensatorenCeramic capacitors
- LOLO
- LötverbindungenSoldered connections
- CUCU
- Kupfercopper
- POPO
- Polymerpolymer
- ALAL
- Aluminiumaluminum
- TIMTIM
- thermische Interfaceschichtthermal interface layer
- KKKK
- KühlkörperHeat sink
- CC.
- KühleinrichtungCooling device
- DD.
- Deckelcover
- PFPF
- PinfinstrukturPinfin structure
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