DE102020108879A1

DE102020108879A1 - DC-Link-EMV-Filter-Bauelement mit verbesserter Dämpfung, Halbleiter-Bauelement und DC-Link-EMV-System

Info

Publication number: DE102020108879A1
Application number: DE102020108879.5A
Authority: DE
Inventors: Karl Niklas; Wolfgang Rambow; Fabian Beck
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-09-30
Also published as: JP2022549664A; CN114731110A; EP4128504A1; US20220337130A1; WO2021197956A1

Abstract

Ein EMV-Filter-Bauelement mit verbessertem Rauschpegel wird bereitgestellt. Das Bauelement umfasst eine erste Schnittstelle, eine zweite Schnittstelle, eine Filterschaltung und eine mechanische Verbindung. Die Filterschaltung ist elektrisch zwischen die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle geschaltet. Die mechanische Verbindung ist dazu vorgesehen und eingerichtet, das Bauelement mechanisch mit einer äußeren Befestigungsstelle zu verbinden. Die mechanische Verbindung ist auch dazu vorgesehen und eingerichtet, die Filterschaltung elektrisch mit einem Massepotential der äußeren Befestigungsstelle zu verbinden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft EMV-Filter-Bauelemente mit verbessertem Rauschpegel, z.B. mit erhöhter Dämpfung, ein Halbleiter-Bauelement, das mit dem EMV-Filter-Bauelement verbunden sein kann, und ein entsprechendes DC-Link-EMV-System, das ein EMV-Filter-Bauelement und ein Halbleiter-Bauelement umfassen kann.
EMV-Filter (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) können verwendet werden, um unerwünschte Beiträge von elektrischen oder elektronischen Bauelementen zu verringern oder zu eliminieren, sodass ein elektromagnetisches Bauelement zusammen mit einem oder mehreren anderen elektrischen oder elektronischen Bauelementen oder in der Nähe von anderen elektrischen Bauelementen verwendet werden kann.
Beispielsweise können elektromotorische Antriebe die Quelle von derartigen unerwünschten Aussendungen sein, die verringert oder eliminiert werden sollten, um die unerwünschte Störung anderer Schaltungsbauelemente zu vermeiden. Zu diesem Zweck kann ein EMV-Filter beispielsweise elektrisch zwischen eine Stromquelle und einen elektromotorischen Antrieb geschaltet werden.
Beispielsweise stellt in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eine Batterie elektrische Energie für einen elektromotorischen Antrieb bereit. Die Batterie stellt einen Gleichstrom mit einer bestimmten Spannung bereit. Wenn der elektromotorische Antrieb eine andere Form von elektrischer Energie, z.B. Wechselstrom, oder eine andere Spannung benötigt, kann ein Inverter verwendet werden, um die elektrische Energie einer Batterie derart umzuwandeln, dass sie von einem elektromotorischen Antrieb gut genutzt werden kann. Doch können Inverter auch die Quelle unerwünschter Aussendungen sein. Dementsprechend kann ein EMV-Filter verwendet werden, um unerwünschte Aussendungen vom Inverter zu verringern oder zu eliminieren.
Kennzeichnend für die Leistung eines EMV-Filters ist die Verringerung der unerwünschten Aussendungen, d.h. der Rauschmenge am Ausgang des EMV-Filters.
Demgemäß ist es eine Aufgabe, ein EMV-Filter mit einem verringerten Rauschpegel auf seiner Ausgangsseite bereitzustellen.
Hierzu werden ein EMV-Filter-Bauelement und entsprechende weitere, mit dem EMV-Filter-Bauelement zu verbindende Bauelemente gemäß den unabhängigen Patentansprüchen bereitgestellt. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen bereit, wie ein System, das ein Filterbauelement und ein weiteres elektrisches Bauelement umfasst.
Das EMV-Filter-Bauelement umfasst eine erste Schnittstelle, eine zweite Schnittstelle, eine Filterschaltung und eine mechanische Verbindung. Die Filterschaltung ist elektrisch zwischen die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle geschaltet. Die mechanische Verbindung ist dazu vorgesehen und eingerichtet, das Bauelement mechanisch mit einer äußeren Befestigungsstelle zu verbinden. Die mechanische Verbindung ist auch dazu vorgesehen und eingerichtet, die Filterschaltung elektrisch mit einem Massepotential der äußeren Befestigungsstelle zu verbinden.
Dem vorliegenden EMV-Filter-Bauelement liegt der Gedanke zugrunde, eine verbesserte Masseverbindung bereitzustellen, um den Rauschpegel zu verringern, der an einer Ausgangsseite des EMV-Filter-Bauelements anliegt. Herkömmliche EMV-Filter-Bauelemente weisen zusätzlich zu einer Stromverbindung separate Verbindungen auf, wobei die separate Verbindung dafür vorgesehen ist, mit einem Massepotential der Umgebung des EMV-Filter-Bauelements verbunden zu sein.
Offenkundig bestünde der intuitive Ansatz zur Verstärkung der Dämpfung durch Verbesserung der Masseverbindung darin, die separate Masseverbindung zu erweitern, indem beispielsweise an Masse gelegte Nebenschlusspfade hinzugefügt werden. Der intuitive Ansatz bestünde somit darin, die Anzahl der Masseverbindungen und Leiter zu einem Massepotential im Vergleich zu herkömmlichen EMV-Filter-Bauelementen zu erhöhen.
Daher ist der mit dem vorliegenden EMV-Filter-Bauelement vorgeschlagene Ansatz kontraintuitiv, weil die Anzahl der eigens vorgesehenen Masseleiter verringert wird, anstatt die Anzahl der Masseanschlüsse zu erhöhen und den Aufwand zu erhöhen, indem zusätzliche Masseleiter vorgesehen werden. Insbesondere werden Masseleiter, die nur zum Bereitstellen einer Masseverbindung vorgesehen sind, vollständig eliminiert. Stattdessen werden eine Montageverbindung mit einem anderen Schaltungsbauelement und die Verwendung der Masseverbindung des anderen Schaltungsbauelements vorgeschlagen.
Doch obwohl nach üblicher Auffassung die Weglassung von eigens vorgesehenen Masseverbindungen zu einer Verschlechterung der Masseverbindung des Bauelements führen sollte, wurde festgestellt, dass eine verbesserte Masseverbindung erlangt werden kann, die in einem verringerten Rauschpegel resultiert. Ein Grund für diese überraschende Wirkung besteht darin, dass die resultierende Masseverbindung kürzere effektive Anschlusslängen haben kann. Demgemäß resultiert eine Verringerung des Aufwands zum Herstellen der Masseverbindung in geringerem Platzbedarf, kleineren Bauelementen, weniger Leitermaterial und verbesserter Leistung.
Bei dem EMV-Filter-Bauelement kann die erste Schnittstelle die elektrischen Verbindungen mit einem elektrischen Bauelement umfassen, von dem das EMV-Filter elektrische Energie erhält. Die zweite Schnittstelle kann elektrische Verbindungen umfassen, über die das EMV-Filter-Bauelement eine äußere Schaltungsumgebung mit elektrischer Energie versorgt - mit einem verringerten Rauschpegel und weniger unerwünschten Aussendungen. Insbesondere kann die erste Schnittstelle dazu vorgesehen und eingerichtet sein, das EMV-Filter-Bauelement mit einer Batterie bzw. mit einem Inverter zu verbinden, der elektrischen zwischen eine Batterie und das EMV-Filter-Bauelement geschaltet ist. Die zweite Schnittstelle kann dazu verwendet werden, das EMV-Filter-Bauelement mit einem elektromotorischen Antrieb, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs, elektrisch zu verbinden.
Die Filterschaltung des EMV-Filter-Bauelements kann Filterelemente wie aktive oder passive Filterelemente wie beispielsweise Induktivitätselemente, Widerstandselemente und/oder Kapazitätselemente, umfassen, die ein Filternetzwerk bilden. Bei dem vorliegenden EMV-Filter-Bauelement sind herkömmliche Filternetzwerk-Topologien möglich. Die äußere Befestigungsstelle ist in unmittelbarer Nähe des EMV-Filter-Bauelements angeordnet. Die mechanische Verbindung kann verwendet werden, um das EMV-Filter-Bauelement derart in einer mechanisch stabilen Ausgestaltung zu montieren, dass die Lage des EMV-Filter-Bauelements nicht durch Schwingungen oder Trägheitskräfte verändert werden kann. Die äußere Befestigungsstelle kann eine Befestigungsstelle eines weiteren elektrischen Bauelements in der Nähe des EMV-Filter-Bauelements sein. Insbesondere kann die äußere Befestigungsstelle eine Befestigungsstelle an einem elektrischen Bauelement sein, beispielsweise einer Batterie, einem Inverter oder einem elektromotorischen Antrieb, mit dem das EMV-Filter-Bauelement direkt verbunden ist.
Das EMV-Filter-Bauelement kann ferner einen DC-Link-Kondensator als Schaltungselement umfassen.
Die äußere Befestigungsstelle kann eine Befestigungsstelle eines Bauelements, z.B. eines Halbleiter-Bauelements, z.B. eines Inverters, sein, die ein Massepotential für das EMV-Filter-Bauelement bereitstellt.
Demgemäß ist die mechanische Verbindung eine zu zwei Zwecken dienende Verbindung, die eine mechanisch stabile Verbindung und eine elektrische Verbindung mit einem Massepotential mit einer kurzen effektiven Leiterlänge bereitstellt.
Die mechanische Verbindung kann ein Material umfassen oder daraus bestehen, das aus einem elektrisch leitenden Material, einem Metall und einer Legierung ausgewählt ist.
Insbesondere kann das elektrisch leitende Material Kupfer, Aluminium, Silber, Gold oder eine Legierung davon umfassen oder daraus bestehen.
Die mechanische Verbindung kann eine längliche Form haben, die eine von dem Bauelement weg gerichtete Ausdehnung aufweist.
Das Bauelement kann ein Gehäuse oder einen Rahmen haben, in dem die elektrischen Elemente der Filterschaltungen angeordnet sind. Um eine elektrische und eine mechanisch stabile Verbindung mit der Umgebung des EMV-Filter-Bauelements bereitzustellen, stellen die längliche Form und die vom Gehäuse oder Rahmen des Bauelements weg gerichtete Ausdehnung die kürzestmögliche Verbindung mit der äußeren Befestigungsstelle sicher.
Die längliche Form kann einen Abschnitt entlang der Ausdehnungsrichtung aufweisen, der einen gleichbleibenden Querschnitt hat.
Die längliche Form kann einen Querschnitt haben, der aus einem quadratischen Querschnitt, einem rechteckigen Querschnitt, einem kreisrunden Querschnitt und einem elliptischen Querschnitt oder anderen Formen, z.B. einer L-Form, die die Möglichkeit für eine mechanische und elektrische Verbindung bieten, ausgewählt sein kann.
Des Weiteren kann die mechanische Verbindung ein distales Ende haben, das einen flachen Abschnitt umfasst, wobei der flache Abschnitt ein Loch hat.
Diesbezüglich ist das distale Ende der mechanischen Verbindung das Ende der mechanischen Verbindung, das dem Ende entgegengesetzt ist, das sich direkt an die Verbindung mit den anderen Elementen des EMV-Filter-Bauelements anfügt.
Die Bereitstellung eines flachen Abschnitts der mechanischen Verbindung stellt sicher, dass für eine große Kontaktfläche mit einem entsprechenden Verbindungsende der äußeren Befestigungsstelle gesorgt ist.
Die Bereitstellung eines Lochs in dem flachen Abschnitt stellt sicher, dass - bei Verwendung von beispielsweise einer Schraube und Muttern - eine mechanisch stabile Verbindung gewährleistet werden kann.
Die mechanische Verbindung kann ein, zwei, drei oder mehr Teile umfassen.
Jedes Teil der mechanischen Verbindung stellt eine separate mechanisch stabile Verbindung und eine elektrische Verbindung mit einer kurzen effektiven Leiterlänge bereit. Jedes der Teile kann eine gleiche Bauform aufweisen, z.B. mit einer länglichen Form, die vom Körper des Filterbauelements weg weist und einen flachen distalen Endabschnitt mit einem Loch umfasst.
Es ist möglich, dass alle Teile der mechanischen Verbindung - die zumindest einer der beiden Schnittstellen zugeordnet ist

- auf derselben Seite des Bauelements angeordnet sind.

Dies stellt kurze Leiterlängen und mechanisch stabile Verbindungen sicher.
Es ist zudem möglich, dass reine elektrische Verbindungen - zumindest in einer horizontalen Ebene zwischen Teilen der mechanischen Verbindung - zwischen zwei der Teile der mechanischen Verbindung angeordnet sind.
Die erste Schnittstelle kann für eine elektrische Verbindung mit einem Bauelement vorgesehen und eingerichtet sein, das aus einem weiteren elektrischen Bauelement, einem Halbleiter-Bauelement, einem Inverter, einer Batterie und einem elektromotorischen Antrieb ausgewählt ist.
Die erste Schnittstelle kann einen, zwei, drei oder mehr Anschlüsse zum Verbinden mit einem ersten Potential und einen, zwei, drei oder mehr Anschlüsse zum Verbinden mit einem zweiten Potential umfassen. Das erste Potential und das zweite Potential können von einem Massepotential verschieden sein.
Gleichermaßen kann die zweite Schnittstelle für eine elektrische Verbindung mit einem Bauelement vorgesehen und eingerichtet sein, das aus einem weiteren elektrischen Bauelement, einem Halbleiter-Bauelement, einem Inverter, einer Batterie und einem elektromotorischen Antrieb ausgewählt ist.
In diesem Zusammenhang kann der Elektromotor auch als elektrischer Generator gedacht werden.
Das EMV-Filter-Bauelement kann ferner eine zweite mechanische Verbindung auf der Seite der zweiten Schnittstelle umfassen. Ähnlich wie in der obigen Beschreibung kann die zweite mechanische Verbindung zum mechanischen Verbinden des Bauelements mit einer zweiten äußeren Befestigungsstelle vorgesehen und eingerichtet sein. Die zweite mechanische Verbindung kann auch dazu vorgesehen und eingerichtet sein, das Filterbauelement elektrisch mit einem Massepotential der zweiten äußeren Befestigungsstelle zu verbinden.
Demgemäß kann die zweite Schnittstelle einen, zwei, drei oder mehr Anschlüsse für ein erstes Potential, einen, zwei, drei oder mehr Anschlüsse für ein zweites Potential und einen, zwei, drei oder mehr Anschlüsse für ein Massepotential umfassen.
Diesbezüglich können die elektrischen Verbindungen Anschlüsse der ersten beziehungsweise der zweiten Schnittstelle sein.
Ferner kann die Filterschaltung Widerstandselemente, Kapazitätselemente und Induktivitätselemente als Schaltungselemente umfassen.
Es ist möglich, dass zwei Induktivitätselemente der Filterschaltung magnetisch gekoppelt sind.
Bei einer ersten Ausführungsform des EMV-Filter-Bauelements umfasst das EMV-Filter zwei Stromleitungen. In jeder Stromleitung sind zwei Induktivitätselemente elektrisch in Reihe geschaltet. Jedes der Induktivitätselemente ist mit einem entsprechenden Induktivitätselement der jeweiligen anderen Stromleitung magnetisch gekoppelt. Drei Kapazitätselemente können elektrisch zwischen die zwei Stromleitungen geschaltet sein. Die erste Schnittstelle kann drei Anschlüsse, die mit einer der zwei Stromleitungen elektrisch verbunden sind, und drei andere Anschlüsse umfassen, die mit der jeweiligen anderen Stromleitung verbunden sind.
Außerdem umfasst die erste Schnittstelle einen ersten Teil und einen zweiten Teil der mechanischen Verbindung. Des Weiteren ist jede der zwei mechanischen Verbindungen der ersten Schnittstelle mit einer der zwei Stromleitungen des Filters elektrisch verbunden. Die Verbindung kann insbesondere durch eine Reihenschaltung eines Widerstandselements und einer Parallelschaltung von zwei Kapazitätselementen ausgeführt sein. Durch die Parallelschaltung der Kapazitätselemente können Sicherheitskondensatoren der Klasse Y2 gebildet werden, d.h. Sicherheitskondensatoren mit einer Impulsspannungsfestigkeit von bis zu 5000 V.
Außerdem kann das EMV-Filter-Bauelement an der zweiten Schnittstelle mit einem ersten Anschluss, der mit der ersten Stromleitung elektrisch verbunden ist, und einem zweiten Anschluss, der mit der zweiten Stromleitung verbunden ist, sowie einer zusätzlichen Masseverbindung, z.B. über eine mechanische Verbindung, wie oben beschrieben, auf der Seite der zweiten Schnittstelle, versehen sein. Die Masseverbindung kann mit jeder der zwei Stromleitungen mithilfe einer jeweiligen Reihenschaltung eines Widerstandselements und eines Kapazitätselements elektrisch verbunden sein. Die Kapazitätselemente können entsprechend ebenfalls Sicherheitskondensatoren der Klasse Y2 bilden.
Bei einer zweiten Ausführungsform unterscheidet sich die erste Schnittstelle von der oben beschriebenen ersten Schnittstelle darin, dass nur eine mechanische Verbindung vorhanden ist. Diese eine mechanische Verbindung ist mit jeder der zwei Stromleitungen jeweils über eine Reihenschaltung einer Parallelschaltung von zwei Kapazitätselementen und eines Widerstandselements elektrisch verbunden.
Ein DC-Link-EMV-System kann ein EMV-Filter-Bauelement, wie es oben beschrieben wurde, und ein Halbleiter-Bauelement, wie es unten beschrieben wird, umfassen. Das EMV-Filter-Bauelement und das Halbleiter-Bauelement können über ihre mechanischen Verbindungen miteinander elektrisch und mechanisch verbunden sein.
Das Halbleiter-Bauelement eröffnet die Möglichkeit, dass das weitere elektrische Bauelement mit dem EMV-Filter-Bauelement elektrisch und mechanisch verbunden ist. Das Halbleiter-Bauelement kann auch eine erste Schnittstelle, eine zweite Schnittstelle und eine Halbleiterschaltung zusammen mit einer mechanischen Verbindung umfassen. Die Halbleiterschaltung ist elektrisch zwischen die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle geschaltet. Die mechanische Verbindung ist dazu vorgesehen und eingerichtet, das Bauelement mechanisch mit einer äußeren Befestigungsstelle, z.B. des EMV-Filter-Bauelements, zu verbinden. Die mechanische Verbindung ist außerdem dazu vorgesehen und eingerichtet, die Halbleiterschaltung mit einer mechanischen Verbindung eines EMV-Filter-Bauelements elektrisch zu verbinden.
Das Halbleiter-Bauelement kann ein Inverter sein. Demgemäß umfasst die Halbleiterschaltung des Halbleiter-Bauelements die entsprechenden Halbleiterschalter und weitere Schaltungen, die zum Herstellen der Inverterfunktion benötigt werden, beispielsweise zum Umwandeln von elektrischer Energie, die von einer Batterie bereitgestellt wird, in elektrische Energie, die von einem elektromotorischen Antrieb benötigt wird.
Es ist möglich, ein Bauelement, z.B. das Filterbauelement oder das Halbleiter-Bauelement oder das System, welches das Halbleiter-Bauelement und das Filterbauelement umfasst, in einem System zu verwenden, das aus einem elektrischen System und dem elektrischen System eines Fahrzeugs ausgewählt ist. Insbesondere können die entsprechenden Bauelemente oder das System von Bauelementen zwischen einer Batterie und einem elektromotorischen Antrieb verwendet werden.
Wesentliche Arbeitsprinzipien und Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen werden in den beigefügten schematischen Figuren veranschaulicht.
In den Figuren:

1 zeigt Grundbestandteile des EMV-Filter-Bauelements EFC;
2 zeigt Grundbestandteile der Halbleiterschaltung SC;
3 zeigt ein System, welches das Halbleiter-Bauelement SC und das EMV-Filter-Bauelement EFC umfasst;
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der ersten Schnittstelle des EMV-Filter-Bauelements EFC;
5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Systems, welches das Halbleiter-Bauelement und das Filterbauelement umfasst;
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht der eigentlichen Kontaktfläche der mechanischen Verbindung;
7 zeigt ein Ersatzschaltbild einer möglichen Filterschaltung;
8 zeigt ein alternatives Ersatzschaltbild der Filterschaltung FC;
9 veranschaulicht die Leistung eines EMV-Filter-Bauelements mit herkömmlichen Masseverbindungen; und
10 zeigt einen Vergleich zwischen den Leistungsniveaus des herkömmlichen Bauelements und des verbesserten EMV-Filter-Bauelements.

1 veranschaulicht Grundbestandteile des EMV-Filter-Bauelements EFC. Das Filterbauelement EFC umfasst eine erste Schnittstelle I1 und eine zweite Schnittstelle 12. Auf der Seite der ersten Schnittstelle I1 sind mechanische Verbindungen MC angeordnet. Die mechanischen Verbindungen MC sind mit einer ausreichenden mechanischen Festigkeit ausgeführt, um das EMV-Filter-Bauelement EFC fest an äußeren Befestigungsstellen zu montieren. Überdies stellen die mechanischen Verbindungen MC außerdem eine elektrische Funktionalität bereit, da die mechanischen Verbindungen MC dazu vorgesehen und eingerichtet sind, das EMV-Filter-Bauelement mit einem Massepotential der äußeren Befestigungsstelle elektrisch zu verbinden.
In 1 umfasst die erste Schnittstelle somit zwei reine elektrische Anschlüsse, die zwischen den mechanischen Verbindungen MC angeordnet sind, und die zwei weiteren, zu zwei Zwecken dienenden mechanischen Verbindungen MC für die mechanische und elektrische Verbindung des Bauelements EFC mit einer äußeren Schaltungsumgebung.
Auf der jeweiligen anderen Seite umfasst die zweite Schnittstelle I2 elektrische Anschlüsse, die zum Verteilen elektrischer Energie zu oder von dem Filterbauelement vorgesehen sind.
Selbstverständlich können die mechanischen Verbindungen MC, wie sie an der ersten Schnittstelle I1 vorgesehen sind, auch an der zweiten Schnittstelle 12 vorgesehen sein.
Entsprechend veranschaulicht 2 Grundbestandteile des Schaltungsbauelements, das dazu vorgesehen ist, mit dem in 1 dargestellten EMV-Filter-Bauelement verbunden zu werden. Nur als Beispiel kann das Bauelement ein Halbleiter-Bauelement SC sein, das zusätzlich zu elektrischen Anschlüssen an der zweiten Schnittstelle I2 mechanische Verbindungen MC an der zweiten Schnittstelle I2 aufweist. Das Halbleiter-Bauelement SC hat ferner elektrische Anschlüsse an der ersten Schnittstelle I1.
3 zeigt ein System, welches das Halbleiter-Bauelement SC von 2 umfasst, das elektrisch und mechanisch mit dem in 1 dargestellten EMV-Filter-Bauelement verbunden ist. Die mechanischen Verbindungen MC des EMV-Filter-Bauelements EFC sind mechanisch und elektrisch mit entsprechenden mechanischen Verbindungen MC des Halbleiter-Bauelements SC verbunden. Insbesondere ist die erste Schnittstelle I1 des EMV-Filter-Bauelements EFC mit der zweiten Schnittstelle I2 über mechanische Verbindungen elektrisch und mechanisch verbunden.
Bei dem in der vorliegenden Anwendung gezeigten Bauelement kann eine erste Schnittstelle eine Schnittstelle sein, die elektrisch dazu ausgelegt ist, von einer äußeren Schaltungsumgebung elektrische Energie zu empfangen, während eine zweite Schnittstelle eine Schnittstelle sein kann, die dazu vorgesehen ist, elektrische Energie an andere Elemente der elektrischen Schaltungsumgebung weiterzuleiten. Demgemäß kann die Halbleiterschaltung an ihrer ersten Schnittstelle I1 elektrische Energie empfangen und an ihrer zweiten Schnittstelle I2 elektrische Energie für das EMV-Filter-Bauelement EFC bereitstellen, während das EMV-Filter-Bauelement EFC an seiner ersten Schnittstelle I1 elektrische Energie empfängt und über seine zweite Schnittstelle I2 elektrische Energie, z.B. für einen Motorantrieb, bereitstellt.
Die Halbleiterschaltung SC kann eine gute Verbindung mit einem Massepotential der Schaltungsumgebung des Systems haben. In diesem Fall kann die mechanische Verbindung MC dazu genutzt werden, die Masseverbindung des Halbleiter-Bauelements auch für die Schaltungsbauelemente des EMV-Filter-Bauelements EFC zu verwenden, sodass es keines Aufwands für die Herstellung einer separaten Masseverbindung auf der Seite des EMV-Filter-Bauelements bedarf, während die Leistung des EMV-Filter-Bauelements verbessert wird.
Die Anzahl der Verbindungen pro Schnittstelle kann 2 (wie in 2 dargestellt) oder 3 (wie bei der ersten Schnittstelle in 2 dargestellt) oder mehr betragen. Beträgt die Anzahl der Verbindungen 3, dann kann die Schnittstelle dazu eingerichtet sein, ein Dreiphasenstromsignal zu verarbeiten.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Seite des Gehäuses des EMV-Filter-Bauelements EFC, auf der die Anschlüsse der ersten Schnittstelle I1 angeordnet sind. Die erste Schnittstelle kann insbesondere einen ersten Teil der mechanischen Verbindung MC und einen zweiten Teil der mechanischen Verbindung MC umfassen, wobei die zwei Teile auf entgegengesetzten Seiten des Körpers des Filterbauelements EFC angeordnet sind. Die erste Schnittstelle umfasst zwischen den zwei Teilen der mechanischen Verbindung MC drei Anschlüsse C1, die dazu vorgesehen sind, mit einem ersten elektrischen Potential verbunden zu werden, und drei weitere elektrische Anschlüsse C2, die dazu vorgesehen sind, mit einem zweiten elektrischen Potential verbunden zu werden. Des Weiteren hat das Bauelement seitlich vom entsprechenden Teil der mechanischen Verbindung MC einen Raum, der Y2-Kondensatoren beherbergt. Die Teile der mechanischen Verbindung haben selbst eine längliche Form, die vom Körper des Filterbauelements EFC weg weist. Der längliche Bereich hat einen Abschnitt mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt. Distale Enden der Teile haben einen flachen Abschnitt mit einem Loch, das eine leicht ausführende, jedoch steife Verbindung mit Schrauben und Muttern ermöglicht.
Für jeden der Anschlüsse C1, C2 der Schnittstelle und für jeden der Teile der mechanischen Verbindung MC ist ein entsprechendes Gegenelement auf der Seite des Bauelements mit der äußeren Befestigungsstelle vorgesehen, sodass eine gute elektrische und mechanische Verbindung erhalten wird.
Diesbezüglich sollte beachtet werden, dass die Anschlüsse C1, C2, die eine elektrische Verbindung bereitstellen, auch für ein bestimmtes Maß an mechanischer Stabilität sorgen könnten, wenn sie mit ihren entsprechenden Gegenstücken verbunden sind. Doch ist die mechanische Stabilität der Verbindung mithilfe der mechanischen Verbindungen bedeutend höher, z.B. um einen Faktor von 2, 5 oder 10 bezogen auf die Zug- oder Scherkräfte.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Systems, welches das EMV-Filter-Bauelement EFC auf einer Seite und das Halbleiter-Bauelement SC auf der jeweiligen anderen Seite umfasst.
Das Halbleiter-Bauelement hat ebenfalls eine erste Schnittstelle I1 zum Empfangen von elektrischer Energie und das Filterbauelement EFC hat eine entsprechende zweite Schnittstelle I2 zum Bereitstellen von elektrischer Energie.
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Verbindungsfläche der mechanischen Verbindung MC von einem der in 5 dargestellten Teile. Eine ebene Oberfläche des distalen Endes der mechanischen Verbindung des Filterbauelements befindet sich in direktem Kontakt mit der entsprechenden ebenen Oberfläche einer mechanischen Verbindung MC des Halbleiter-Bauelements. Jedes der entsprechenden distalen Enden hat ein Loch. Die Montage wird derart ausgeführt, dass sich die Löcher in Bezug auf ihre Position derart überdecken, dass eine gemeinsame Schraube verwendet werden kann, um in das gemeinsame Loch der mechanischen Verbindung eingesetzt zu werden.
7 zeigt ein Ersatzschaltbild von einer Ausführungsform der Filterschaltung FC. Die Filterschaltung FC hat eine erste Stromleitung PL1 und eine zweite Stromleitung PL2. Die erste Stromleitung PL1 verbindet einen Anschluss der zweiten Schnittstelle I2 elektrisch mit drei Anschlüssen der ersten Schnittstelle. Die zweite Stromleitung PL2 verbindet einen jeweiligen anderen Anschluss der zweiten Schnittstelle I2 elektrisch mit drei Anschlüssen der ersten Schnittstelle II. Jede Stromleitung umfasst zwei Induktivitätselemente, die elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind. Jedes Induktivitätselement ist mit einem Induktivitätselement der jeweiligen anderen Stromleitung magnetisch gekoppelt. Des Weiteren verbinden drei Kapazitätselemente C5, C6, C7 die zwei Stromleitungen PL1, PL2 elektrisch miteinander. Eine Masseverbindung GND, die durch eine mechanische Verbindung MC2 der zweiten Schnittstelle I2 hergestellt wird, ist über eine Reihenschaltung eines Kapazitätselements C9 und eines Widerstandselements R4 mit der ersten Stromleitung und über eine Reihenschaltung eines Kapazitätselements C8 und eines Widerstandselements R3 mit der zweiten Stromleitung PL2 elektrisch verbunden.
Auf der Seite der ersten Schnittstelle I1 sind ein erster Teil und ein zweiter Teil der mechanischen Verbindung MC angeordnet. Der erste Teil ist mit der ersten Stromleitung PL1 über eine Reihenschaltung elektrisch verbunden. Die Reihenschaltung umfasst ein Widerstandselement R2 und eine Parallelschaltung von Kapazitätselementen C3 und C4, die einen Sicherheitskondensator der Klasse Y2 bilden. Des Weiteren ist der jeweilige zweite Teil der mechanischen Verbindung MC mit der zweiten Stromleitung PL2 über eine Reihenschaltung elektrisch verbunden. Die Reihenschaltung umfasst das Widerstandselement R1 und eine Parallelschaltung von zwei Kapazitätselementen C1, C2, die ebenfalls einen Sicherheitskondensator der Klasse Y2 bilden.
Durch die Bereitstellung der Masseverbindung über sehr kurze Leiter werden der Aufwand für die Masseverbindung reduziert, der für das Bauelement benötigte räumliche Bereich verringert und die Leistung des Filterbauelements erhöht.
Eine alternative Möglichkeit für die Filterschaltung FC ist in 8 dargestellt. Die Schaltungen für die Filterfunktionalität und die Schaltungen auf der Seite der zweiten Schnittstelle entsprechen denen, die in 7 dargestellt sind. Doch weist das in 8 gezeigte Bauelement nur einen Teil der mechanischen Verbindung MC auf. Dieser Teil ist mit der zweiten Stromleitung PL2 über eine Reihenschaltung elektrisch verbunden, die aus einem Widerstandselement R2 und der Parallelschaltung der Kapazitätselemente C3 und C4 besteht. Die Verbindung zwischen dem Teil der mechanischen Verbindung MC und der ersten Stromleitung PL1 wird über eine Reihenschaltung eines Widerstandselements R1 und einer Parallelschaltung von Kapazitätselementen C1, C2 hergestellt.
Die 9 und 10 veranschaulichen die elektrische Leistung von herkömmlichen EMV-Filter-Bauelementen im Vergleich zu verbesserten EMV-Filter-Bauelementen, wie sie oben beschrieben wurden. Insbesondere zeigt der obere linke Bereich von 9 (Kurve A) eine Gegentaktdämpfung und (Kurve B) eine typische Gleichtaktdämpfung.
Der obere rechte Bereich von 9 zeigt in Kurven C typisches Rauschen von einem gefilterten Motorantrieb.
Der untere rechte Bereich von 9 zeigt das Gleichtakt-Rauschen CMN bezogen auf das Massepotential beziehungsweise das Gegentakt-Rauschen DMN als Rauschen zwischen dem Potential für ein typisches Rauschen.
Demgegenüber zeigt der obere linke Bereich von 10 (Kurve D) die Gegentaktdämpfung, eine Gleichtaktdämpfung (Kurve F) bei einer nicht optimierten Masseverbindung und (Kurve E) die Gleichtaktdämpfung einer verbesserten Masseverbindung, wie sie oben beschrieben wurde.
Der obere rechte Bereich von 10 zeigt (Maxima der Kurven G) typisches Rauschen eines Invertersystems mit einem Filter.
Der untere rechte Bereich von 10 veranschaulicht die Leistungsunterschiede in Bezug auf den Rauschpegel. Insbesondere bei einer Betriebsfrequenz von 400 kHz weist das verbesserte EMV-Filter-Bauelement (Kurve I) - aufgrund seiner kontraintuitiven, aber wirksamen Masseverbindungen - einen um ungefähr 20 dB verringerten Rauschpegel im Vergleich zum Rauschpegel (Kurve H) ohne das oben beschriebene Filter auf.
Bezugszeichenliste

C1, C2:: erste, zweite elektrische Anschlüsse
CMN:: Gleichtakt-Rauschen
DMN:: Gegentakt-Rauschen
EFC:: EMV-Filter-Bauelement
FC:: Filterschaltung
GND:: Masseverbindung
HV-, HV+:: erstes, zweites elektrisches Potential
11, I2:: erste, zweite Schnittstelle
MC:: mechanische Verbindung
MC2:: mechanische Verbindung
PL1, PL2:: erste, zweite Stromleitung der Filterschaltung
SC:: Halbleiter-Bauelement
Y2:: Sicherheitskondensator der Klasse Y2

Claims

EMV-Filter-Bauelement, umfassend - eine erste Schnittstelle, eine zweite Schnittstelle, eine Filterschaltung und eine mechanische Verbindung, wobei - die Filterschaltung elektrisch zwischen die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle geschaltet ist, - die mechanische Verbindung dazu vorgesehen und eingerichtet ist, das Bauelement mechanisch mit einer äußeren Befestigungsstelle zu verbinden, - die mechanische Verbindung auch dazu vorgesehen und eingerichtet ist, die Filterschaltung elektrisch mit einem Massepotential der äußeren Befestigungsstelle zu verbinden.
EMV-Filter-Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend einen DC-Link-Kondensator als Schaltungselement.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere Befestigungsstelle eine Befestigungsstelle eines Halbleiter-Bauelements ist, die ein Massepotential für das EMV-Filter-Bauelement bereitstellt.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Verbindung ein Material umfasst oder daraus besteht, das aus einem elektrisch leitenden Material, einem Metall und einer Legierung ausgewählt ist.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Verbindung eine längliche Form hat, die eine von dem Bauelement weg gerichtete Ausdehnung aufweist.
EMV-Filter-Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die längliche Form einen Abschnitt entlang der Ausdehnungsrichtung mit einem gleichbleibenden Querschnitt aufweist.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei die längliche Form einen Querschnitt hat, der aus einem quadratischen Querschnitt, einem rechteckigen Querschnitt, einem kreisrunden Querschnitt und einem elliptischen Querschnitt ausgewählt ist.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Verbindung ein distales Ende hat, das einen flachen Abschnitt mit einem Loch umfasst.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Verbindung 2, 3 oder mehr Teile umfasst.
EMV-Filter-Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei alle Teile der mechanischen Verbindung auf derselben Seite des Bauelements angeordnet sind.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schnittstelle für eine elektrische Verbindung mit einem Bauelement vorgesehen und eingerichtet ist, das aus einem weiteren elektrischen Bauelement, einem Halbleiter-Bauelement, einem Inverter, einer Batterie und einem elektromotorischen Antrieb ausgewählt ist.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schnittstelle umfasst 1, 2, 3 oder mehr Anschlüsse zur Verbindung mit einem ersten Potential und 1, 2, 3 oder mehr Anschlüsse zur Verbindung mit einem zweiten Potential.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schnittstelle für eine elektrische Verbindung mit einem Bauelement vorgesehen und eingerichtet ist, das aus einem weiteren elektrischen Bauelement, einem Halbleiter-Bauelement, einem Inverter, einer Batterie und einem elektromotorischen Antrieb ausgewählt ist.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine zweite mechanische Verbindung auf der Seite der zweiten Schnittstelle, wobei - die zweite mechanische Verbindung dazu vorgesehen und eingerichtet ist, das Bauelement mechanisch mit einer zweiten äußeren Befestigungsstelle zu verbinden, - die zweite mechanische Verbindung auch dazu vorgesehen und eingerichtet ist, die Filterschaltung elektrisch mit einem Massepotential der zweiten äußeren Befestigungsstelle zu verbinden.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schnittstelle umfasst 1, 2, 3 oder mehr Anschlüsse für ein erstes Potential, 1, 2, 3 oder mehr Anschlüsse für ein zweites Potential, 1, 2, 3 oder mehr Anschlüsse für ein Massepotential.
EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterschaltung Widerstandselemente, Kapazitätselemente und Induktivitätselemente umfasst.
EMV-Filter-Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwei Induktivitätselemente magnetisch gekoppelt sind.
DC-Link-EMV-System, umfassend - ein EMV-Filter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche und - ein Halbleiter-Bauelement nach einem der zwei folgenden Ansprüche, wobei das EMV-Filter-Bauelement und das Halbleiter-Bauelement über ihre mechanischen Verbindungen miteinander elektrisch und mechanisch verbunden sind.
Halbleiter-Bauelement, umfassend - eine erste Schnittstelle, eine zweite Schnittstelle, eine Halbleiterschaltung und eine mechanische Verbindung, wobei - die Halbleiterschaltung elektrisch zwischen die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle geschaltet ist, - die mechanische Verbindung dazu vorgesehen und eingerichtet ist, das Bauelement mechanisch mit einer äußeren Befestigungsstelle zu verbinden, - die mechanische Verbindung auch dazu vorgesehen und eingerichtet ist, die Halbleiterschaltung mit einer mechanischen Verbindung eines EMV-Filter-Bauelements elektrisch zu verbinden.
Halbleiter-Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, das ein Inverter ist.
Verwendung eines Bauelements oder Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche - in einem System, das aus einem elektrischen System und dem elektrischen System eines Fahrzeugs ausgewählt ist, - zwischen einer Batterie und einem elektromotorischen Antrieb.