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Die Erfindung betrifft eine Hochstromleiterplatte für einen Inverter mit mehreren Stromleitungsschichtlagen, wobei die Stromleitungsschichtlagen in Abschnitte unterteilt sind, wobei die Abschnitte einen Anschluss an eine Batterie oder einen Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor aufweisen.
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Leiterplatten dienen der Aufnahme und elektrischen Verbindung von Bauteilen. Eine Leiterplatte weist elektrisch leitende Elemente und elektrisch isolierende Elemente auf. Als elektrisch leitende Elemente werden insbesondere Lagen aus Kupfer verwendet. Auch ist es bekannt, in einer Leiterplatte mehrere Lagen Kupfer übereinander zu stapeln, wobei die Kupferlagen durch elektrisch isolierende Schichtlagen voneinander getrennt sind.
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Die Bauteile können auf der Leiterplatte mittels Through Hole Technology (THT) oder Surface Mount Technology (SMT) befestigt werden. Sie werden dann auch als Through Hole Device THD oder Surface Mount Device SMD bezeichnet.
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Inverter, auch Wechselrichter genannt, dienen der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung. Dabei existieren mit dem Plus- und Minuspol einer Batterie verbundenen Bereiche und Ausgänge zur Ausgabe einer oder mehrerer Phasen mit Wechselspannung. Zum Wechseln werden Leistungsschalter verwendet.
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Die verwendeten Spannungen wie auch die benutzten Ströme steigen dabei zur Verringerung von Leistungsverlusten an. Insbesondere werden auch Hochstromleiterplatten verwendet, die Ströme von mehr als 100A aushalten.
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Aus der
DE 10 2015 209 059 A1 geht eine Hochstromleiterplatte hervor. Bei dem gezeigten Aufbau können allerdings unerwünschte Schiebeströme entstehen.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leiterplatte, einen Inverter und ein Kraftfahrzeug anzugeben, die weniger elektrische Verluste erzeugt.
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Zur Lösung dieses Problems wird eine Leiterplatte der eingangsgenannten Art vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass die übereinanderliegenden Abschnitte ausschließlich einen Anschluss an die Batterie oder ausschließlich einen Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor aufweisen.
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Als Kern der Erfindung ist anzusehen, dass der Aufbau der Leiterplatte so gewählt wird, dass unerwünschte hochfrequente Verschiebeströme minimiert werden.
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Als Stromleitungsschichtlage wird dabei eine elektrisch leitende Lage bezeichnet. Diese sind bevorzugt aus Kupfer. Stromleitungsschichtlagen sind flächig ausgestaltet und bilden flächige Strukturen aus. Die Lagen sind mehr oder weniger parallel zueinander angeordnet, wodurch sich eine Schichtstruktur ergibt. Zwischen den elektrisch leitenden Lagen sind elektrisch isolierende Lagen angeordnet. Man kann auch so sagen, dass die Stromleitungsschichtlagen sich in axialer Richtung der Leiterplatte erstrecken und in Dickenrichtung der Leiterplatte aufeinanderfolgend angeordnet sind.
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In jeder Stromleitungsschichtlage befinden sich mehrere unabhängige Abschnitte. Unabhängig bedeutet dabei, dass die Abschnitte keine dauerhafte elektrische Verbindung zueinander aufweisen. Eine derartige Leiterplatte weist also Reihen und Spalten bzw. Lagen mit Abschnitten als Stromleitungsabschnitten auf. Mehrere Stromleitungsabschnitte sind in axialer Richtung als Stromleitungsschichtlage und in Dickenrichtung als Spalte, auch Reihe genannt, angeordnet. In den Spalten sind die Abschnitte übereinanderliegend angeordnet. Dabei ist eine perfekte Übereinstimmung der Längen nicht notwendig.
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Jeder der Abschnitte weist als Ausgang entweder einen Anschluss an die Batterie oder einen Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor für einen Elektromotor auf. Der Eingang ist mit dem Pluspol und mit dem Minuspol einer Batterie verbunden bzw. verbindbar. Der Eingang eines Abschnittes mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor kann insbesondere über einen Abschnitt mit Anschluss an die Batterie mit einem Batteriepol verbunden werden. Zwischen einem Abschnitt mit Anschluss an die Batterie und einem Abschnitt mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor kann ein Leistungsschalter angeordnet sein, über den die Verbindung realisiert wird. Dabei können für die Abschnitte mit Anschluss an die Batterie mit dem Minuspol der Batterie sogenannte Lowside-Schalter und für die Abschnitte mit Anschluss an die Batterie mit dem Pluspol der Batterie sogenannte Highside-Schalter verwendet werden.
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Eine Vermeidung unerwünschter hochfrequenter Verschiebeströme wird dadurch erreicht, dass die übereinanderliegenden Abschnitte ausschließlich einen Anschluss an die Batterie oder ausschließlich einen Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor aufweisen. Die Abschnitte werden also getrennt nach ihrer Verbindung bzw. ihren Anschlüssen räumlich positioniert. Die Anordnung gleichartiger Anschlüsse findet dabei in Spalten bzw. Reihen statt.
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Bevorzugt können die Abschnitte in axialer Richtung der Leiterplatte die gleiche Länge beaufschlagen. D.h. dass sie gleich lang sind.
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Bevorzugt weisen übereinanderliegende Abschnitte die gleiche Dicke auf. Weiterhin können alle Abschnitte eines Bereichs oder alle Abschnitte der Leiterplatte die gleiche Dicke aufweisen. Dann besitzen sie die gleiche Stromtragfähigkeit.
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Bevorzugt können sich in einer Reihe übereinanderliegender Abschnitte mit Anschluss an die Batterie Abschnitte mit einem Anschluss an einen Minuspol einer Batterie und Abschnitte mit einem Anschluss an einen Pluspol einer Batterie befinden. In einer Reihe oder Spalte können sich demnach Anschlüsse für beide Pole der Batterie befinden, eine weitere Aufteilung in dieser Richtung ist nicht bevorzugt. Dies hängt mit einer bevorzugten Verteilung der Anschlüsse zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor zusammen, die weiter unten beschrieben ist.
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Vorzugsweise können Abschnitte mit einem Anschluss an den Pluspol und Abschnitte mit einem Anschluss an den Minuspol zumindest teilweise abwechseln. Die Abfolge einer Reihe ist in Dickenrichtung. Diese haben jeweils einen Anschluss an die Batterie. Es müssen also nicht die Abschnitte mit einem Anschluss an den Pluspol alle direkt aufeinanderfolgen und dann kommen alle Abschnitte mit einem Anschluss an den Minuspol. Auch an dieser Stelle ist eine „Reinheit“ der Sortierung nicht gewünscht. Im Gegenteil wird die teilweise wechselseitige Stapelung von Abschnitten mit einem Anschluss an den Minuspol und Abschnitten mit einem Anschluss an den Pluspol bevorzugt zur Reduktion der Streuimpedanzen in diesem Bereich.
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Vorteilhafterweise können in einer Reihe übereinanderliegender Abschnitte die Anzahl der Abschnitte mit einem Anschluss an den Pluspol der Anzahl der Abschnitte mit einem Anschluss an den Minuspol entsprechen. Mit anderen Worten weist die Reihe eine gerade Anzahl an Abschnitten auf. Die Hälfte davon ist an den Pluspol und die andere Hälfte an den Minuspol der Batterie angeschlossen. Dies betrifft die Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie.
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Vorzugsweise können sich in einer Reihe übereinanderliegender Abschnitte mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor ausschließlich Abschnitte einer einzigen Phase befinden. Bei den Abschnitten mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor ist also eine weitere Strukturierung bevorzugt, nämlich dass in einer Reihe bzw. Spalte ausschließlich Abschnitte derselben Phase aufzufinden sind. Auch hierdurch können unerwünschte hochfrequente Verschiebeströme verringert werden.
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Die Abschnitte mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor auf der Eingangsseite sind bevorzugt jeweils mit einem Abschnitt mit Anschluss an die Batterie verbunden.
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Bevorzugt kann die Hochstromleiterplatte Durchkontaktierungen aufweisen, die mehrere Stromleitungsschichtlagen als Stromführungsstruktur zur elektrischen Verbindung der Phasenpotentiale, insbesondere der nicht versorgungsbezogenen Potentiale der Leistungsschalter, miteinander verbinden. Eine Durchkontaktierung erstreckt sich also in Dickenrichtung der Leiterplatte und verbindet also Abschnitte mehrerer Reihen miteinander.
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Vorzugsweise kann die Leiterplatte zumindest eine Ansteuerschicht und eine Leistungsschicht aufweisen, wobei ein Teil der Stromleitungsschichtlagen der Ansteuerschicht und ein Teil der Stromleitungsschichtlagen der Leistungsschicht zugeordnet ist.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Leiterplatte, bei der die Leitungsschicht mehrere Stromleitungsschichtlagen aufweist. Die Stromleitungsschichtlagen sind insbesondere Kupferlagen und insbesondere Dickkupferlagen. Die Stromleitungsschicht wird auch als Dickkupferschicht bezeichnet. Die Anzahl der Stromleitungsschichtlagen beträgt vorzugsweise zwei oder vier, insbesondere einen geradzahligen Wert mit n>=2. Die Anzahl der Stromleitungsschichtlagen ist insbesondere abhängig von der Anzahl der Phasen und Pole sowie dem pro Phase und Pol zuführenden Stromwert.
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Bevorzugt können in der Ansteuerschicht diejenigen Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie ausschließlich an einen Minuspol einer Batterie verbunden sein. Die Ansteuerschicht unterscheidet sich in dieser Hinsicht von der Leistungsschicht, in der sowohl Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie an den Minuspol der Batterie als auch Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie an einen Pluspol der Batterie befinden können.
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Vorzugsweise können sich in einer Stromleitungsschichtlage sechs Abschnitte befinden. Insbesondere können sich in einer Stromleitungsschichtlage drei Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie und drei Abschnitte mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor befinden. Dabei wird von einem dreiphasigen Ausgang des Inverters ausgegangen. Weiterhin können in einer Stromleitungsschichtlage so viele Abschnitte mit einem Anschluss an die Batterie und genauso viele Abschnitte mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor befinden wie der Inverter bzw. die Leitungsplatte Phasen am Ausgang hat. Es gibt bspw. auch sechsphasige Inverter. Diese weisen dann zwölf Abschnitte in jeder Stromleitungsschichtlage auf.
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Vorzugsweise können sich die Abschnitte mit einem einen Anschluss an die Batterie und die Abschnitte mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor abwechseln. Diese Anordnung ermöglicht einen vereinfachten Aufbau der Leiterplatte. Bevorzugt kann jeweils eine Reihe von übereinanderliegenden Abschnitten mit einem Anschluss an die Batterie und eine Reihe von übereinanderliegenden Abschnitten mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor über eine Brücke mit zwei Leistungsschaltern verbunden sein. Insbesondere kann jeweils der Ausgang eines Abschnitts mit einem Anschluss an die Batterie mit dem Eingang eines Abschnitts mit einem Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor verbunden sein.
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Daneben betrifft die Erfindung einen Inverter mit einem Zwischenkreiskondensator und einer Leiterplatte. Der Inverter zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplatte wie beschrieben ausgebildet ist.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Elektromotoranordnung mit einer Batterie, einem Inverter und einem Elektromotor, wobei der Elektromotor über den Inverter mit der Batterie verbinden ist. Die Elektromotoranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass der Inverter wie beschrieben ausgebildet ist.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Leistungselektronik aufweisend eine Leiterplatte. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplatte wie beschrieben ausgebildet ist. Das Kraftfahrzeug kann auch einen Inverter und/oder eine Elektromotoranordnung wie beschrieben aufweisen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug,
- 2 einen Inverter,
- 3 eine Leiterplatte in Dickenrichtung, und
- 4 eine Leiterplatte in der Draufsicht.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Leistungselektronik 2, bspw. in Form eines Inverters 3. Dieser umfasst eine Leiterplatte 4, wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben.
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Das Kraftfahrzeug 1 kann insbesondere eine elektrische Achse 5 aufweisen. Das Kraftfahrzeug 1 kann grundsätzlich als rein verbrennungsmotorisches Kraftfahrzeug, als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Mit dem Kraftfahrzeug 1 nach 1 sind die letzten beiden Varianten möglich.
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2 zeigt einen Inverter 3 zusammen mit einer Batterie 6 und einem Elektromotor 7. Der Inverter 3 umfasst einen Zwischenkreiskondensator 8 und eine B6-Brücke 9. Der Zwischenkreiskondensator 8 ist in mehrere Teile aufgeteilt, die einer Phase oder Halbbrücke zugeordnet sind. Auf der B6-Brücke 9 sind mehrere Leistungsschalter 10 auf einer Leiterplatte 4 angeordnet.
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Der Zwischenkreiskondensator 8 ist über eine Leitung 12 mit dem Minuspol und über eine Leitung 14 mit dem Pluspol der Batterie 6 verbunden. Jeder der Teilkondensatoren 16 ist dann wieder entsprechend mit zwei Leitungen 18 und 20 mit einer Halbbrücke 22 verbunden, die jeweils zwei Leistungsschalter 10 umfasst. Dabei ist zur Wahrung der Übersichtlichkeit nur ein Teil der Leitungen, Teilkreiskondensatoren und Halbbrücken mit Bezugszeichen versehen.
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Aus der B6-Brücke 9 führen drei oder auch sechs Leitungen 24, die jeweils einer Phase zugeordnet sind.
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Der Aufbau der Leiterplatte ist in den 3 und 4 verdeutlicht.
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3 zeigt eine Leiterplatte 4 im Querschnitt. Die Dickenrichtung der Leiterplatte 4 ist dabei in der Richtung des Pfeils 26 und die Axialrichtung in Richtung des Pfeils 28. Die Leiterplatte 4 weist exemplarisch sechs Stromleitungsschichtlagen L1, L2, L3, L4, L(n-1) und L(n). Jede der Stromleitungsschichtlagen L1, L2, L3, L4, L(n-1) und L(n) besitzt sechs Abschnitte. Die Stromleitungsschichtlage L1 umfasst bspw. die Abschnitte 30, 32, 34 und 36. Die drei Abschnitte 30 weisen dabei einen Anschluss an die Batterie auf und die Abschnitte 32, 34 und 36 einen Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor.
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Auch die Abschnitte 38 haben einen Anschluss an die Batterie.
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Die durch die Abschnitte 30, 32, 34, 36 und 38 gebildeten Reihen 40, 42, 44, 46, 48 und 50 sind in axialer Richtung nebeneinander angeordnet. Die Reihen 40, 44 und 48 weisen ausschließlich Abschnitte 30 und 38 mit Anschluss an die Batterie auf. Die Abschnitte 30 sind mit dem Minuspol der Batterie 6 verbunden oder zu verbinden, damit ist der Ausgang ebenfalls mit dem Minuspol der Batterie 6 verbunden. Die Abschnitte 38 sind mit dem Pluspol der Batterie 6 verbunden oder zu verbinden, damit ist der Ausgang ebenfalls mit dem Pluspol der Batterie 6 verbunden.
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Die Abschnitte 32 sind ausschließlich einer ersten Phase, die Abschnitte 34 ausschließlich einer zweiten Phase und die Abschnitte 36 ausschließlich einer dritten Phase zugeordnet. Damit weisen die Reihen 42, 46 und 50 jeweils ausschließlich Abschnitte einer einzelnen Phase auf. Dies ist auch graphisch durch die Musterung verdeutlicht.
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Jeder der Reihen 40, 44 und 48 ist jeweils ein Teilkreiskondensator 16-1, 16-2 bzw. 16-3 des Zwischenkreiskondensators 16 zugeordnet. Diese sind jeweils über eine Durchkontaktierung 52 verbunden.
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Die Abschnitte 30, 32, 34, 36 und 38 beaufschlagen in axialer Richtung der Hochstromleiterplatte 4 die gleiche Länge. Sie sind bezogen auf die Darstellung in 3 als „gleich breit“.
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In jeder der Reihen 40, 44 und 48, in denen Abschnitte 30 und 38 mit Anschluss an die Batterie übereinanderliegen, befinden sich Abschnitte 30 mit einem Anschluss an den Minuspol der Batterie 6 und Abschnitte 38 mit einem Anschluss an den Pluspol der Batterie 6. Dabei wechseln sich die Abschnitte 38 mit einem Anschluss an den Pluspol und die Abschnitte 30 mit einem Anschluss an den Minuspol zumindest teilweise ab. Die in einer der Reihen 40, 44 oder 48, die Reihen übereinanderliegender Abschnitte 30 und 38 sind, befindliche Anzahl der Abschnitte 38 mit einem Anschluss an den Pluspol der Anzahl der Abschnitte 30 mit einem Anschluss an den Minuspol entspricht sich. Im Beispiel nach 3 sind es jeweils drei Abschnitte.
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Durch die Sortierung der Abschnitte 30 bis 38 in Abschnitte 30 und 38 mit Anschluss an die Batterie und Abschnitte 32, 34 und 36 mit Anschluss zum Leistungsaustausch mit einem Elektromotor werden DC-Bereiche 41, 45 und 49 sowie AC-Bereiche 43, 47 und 51 gebildet. Diese korrespondieren zu den entsprechenden Reihen, die Reihe 40 bzw. deren Abschnitte 30 und 38 bilden also den DC-Bereich 41, usw.
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Die Hochstromleiterplatte weist Lagenverbinder auf, die mehrere Stromleitungsschichtlagen L1 bis L(n) als Stromführungsstruktur zur elektrischen Verbindung der Phasenpotentiale, insbesondere der nicht versorgungsbezogenen Potentiale der Leistungsschalter LS1 und HS1, LS2 und HS2 oder LS3 und HS3, miteinander verbindet. Das „L“ steht dabei für „low“ und das „H“ für „high“.
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Die Reihen 40 und 42 sind also über die Leistungsschalter LS1 und HS1 verbunden, die Reihen 44 und 46 über die Leistungsschalter LS2 und HS2 und die Reihen 48 und 50 über die Leistungsschalter LS3 und HS3.
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Jeder Reihe 40 bis 50 weist auch einen Treiber TL1, TH1, TL2, TH2, TL3 oder TH3 auf. Auch hier steht das „L“ für „low“ und das „H“ für „high“.
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In 3 ist zusammenfassend der Grundaufbau in Schnittdarstellung in Dickenrichtung 26 dargestellt:
- • Horizontale Segmentierung der gesamten Hochstromleiterplatte 4 in mindestens drei AC-Bereiche 43, 47 und 51 und mindestens drei DC-Bereiche 41, 45 und 49 zur Vermeidung der Überlappung von DC- und AC-Bereichen:
- o AC-Potentiale werden über alle Lagen L1 bis L(n) in segmentierten Bereichen 43, 47 und 51 der Hochstromleiterplatte 4 geführt
- o DC-Potentiale (DC-Minus in Abschnitten 30, DC-Plus in Abschnitten 38) werden über alle Lagen L1 bis L(n) in segmentierten Bereichen 41, 45 und 49 der Leiterplatte 4 geführt.
- • AC-Bereiche 43, 47 und 51 sind wie folgt angeordnet:
- o Für jede Phase wird ein Teilsegment bereitgestellt, in der nur Potentiale geführt sind, die der jeweiligen Phase zugeordnet sind. Somit existiert für jede Phase ein eigenes Teilsemgent, Bereich 43, 47 oder 51 genannt.
- o Es werden Funktionalitäten der Treiberansteuerung für den TH1, TH2 und TH3 im Ansteuerbereich 54 platziert und geroutet, wobei sich der Ansteuerbereich 54 auf den Lagen L1 und L2 innerhalb des Teilsegments der jeweiligen Phase erstreckt.
- o Es wird ein Leistungsbereich 56 auf den restlichen Lagen L3...L(n) innerhalb des Teilsegments der jeweiligen Phase realisiert.
- o Der Leistungsbereich 56 erstreckt sich über mindestens 4 Kupferlagen L3...L(n).
- o Es wird im Leistungsbereich 56 ausschließlich das AC-Potential der jeweiligen Phase geführt.
- • Die DC-Bereiche 41, 45 und 49 sind wie folgt angeordnet:
- o Für jede Phase wird ein Teilsegment, DC-Bereich 41, 45 oder 49 genannt, bereitgestellt, in der nur DC-Potentiale geführt sind.
- o Es werden Funktionalitäten der Treiberansteuerung für TL1, TL2 und TL3 im Ansteuerbereich 54 platziert und geroutet, wobei sich der Ansteuerbereich 54 auf den Lagen L1 und L2 innerhalb des Teilsegments der jeweiligen Phase erstreckt. Im Ansteuerbereich 54 führen die Teilsegmente DC-Minus-Potential.
- o Es wird ein Leistungsbereich 56 auf den restlichen Lagen L3...L(n) innerhalb des Teilsegments der jeweiligen Phase realisiert.
- o Der Leistungsbereich 56 erstreckt sich über mindestens 4 Kupferlagen L3...L(n).
- o Es werden im Leistungsbereich 56 alternierend DC-Plus- und DC-Minus-Potentiale geführt, wobei mindestens einmal Wechsel von einen DC-Plus- und ein DC-Minus-Potential erfolgt und diese übereinander geführt werden.
- • Die Leiterplatte 4 stellt eine Schnittstelle zu einem funktionalen Zwischenkreiskondensator 16 bereit. Der Zwischenkreis ist im Grundaufbau derart angeordnet, dass...
- o ...dieser in THT-Technologie ausgeführt wird. Dies bringt den Vorteil, dass über den Verbindungsprozess eine metallisch gefüllte Verbindung mit der Leiterplatte 4 bereitgestellt werden kann, die sonst über viele nicht metallisch gefüllte Durchkontaktierungen 52 aufwändig hergestellt werden müsste.
- o ...dieser verteilt aufgebaut ist, d.h. aus mehreren diskreten Kondensatoren 16-1, 16-2 und 16-3 gebildet wird, wobei Teilkapazitäten innerhalb eines DC-Segments einer Phase liegen. Insbesondere können auch die Teilkapazitäten aus mehreren Einzelkondensatoren bestehen. Dies bringt den Vorteil einer weiteren Reduktion der Anschlussinduktivität der einzelnen Kommutierungszellen (bestehend aus Zwischenkreiskondensator 16 und Leistungsschaltern LS1, HS1, LS2, HS2, LS3, HS3) und dient einer feineren Skalierbarkeit.
- • Die Leiterplatte 4 stellt eine Schnittstelle zu mindestens 2 topologischen Leistungsschaltern (LS1-HS1, LS2-HS2, LS3-HS3) pro AC-Bereich 43, 47 und 51 und DC-Bereich 41, 45 und 49 bereit. Diese beiden topologischen Leistungsschalter können eine Halbbrückenstruktur bilden. Diese können so ausgeführt sein, dass die Halbbrücken...
- o ...in einem Package realisiert sind, was Verarbeitung und Verbindungstechnik vereinfacht
- o ... in mehreren Packages pro topologischem Schalter realisiert sind, was maximale Skalierbarkeit ermöglicht
- o ... in einem Package pro toplogischem Schalter realisiert sind, was einen Kompromiss aus den beiden vorigen Ausführungen darstellt.
- • ...diese in THT-Technologie ausgeführt sind. Dies bringt den Vorteil, dass über den Verbindungsprozess eine metallisch gefüllte Verbindung mit der Leiterplatte 4 bereitgestellt werden kann, die sonst über viele nicht metallisch gefüllte Durchkontaktierungen aufwändig hergestellt werden müsste.
- • Der LS zwischen dem DC-Minus-Potential und dem AC-Potential schalten kann
- • Der HS zwischen dem DC-Plus-Potential und dem AC-Potential schalten kann.
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4 zeigt die Leiterplatte 4 in der Draufsicht. Es sind zuoberst die sechs Abschnitte 30, 32, 34, und 36 der obersten Stromleitungsschichtlage L1 erkennbar.
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Etwas verschoben zur besseren Erkennbarkeit sind Abschnitte 38, 32, 34 und 36 einer unteren Stromleitungsschichtlage, bspw. der Stromleitungsschichtlage L3 dargestellt.
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Bezogen auf 3 oberhalb und in der Draufsicht daher obenliegend sind die Treiber TL1, TH1, TL2, TH2, TL3 und TH3. Diese verbinden die Abschnitte 30, 32, 34 und 36 der Stromleitungsschichtlage L1 mit einem Leitungsabschnitt 58, auf dem weiterhin eine Controlboard-Schnittstelle 60 angeordnet ist.
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Die Teilkreiskondensatoren 16-1, 16-2 und 16-3 sind lediglich gestrichelt angedeutet, da sie sich auf der Unterseite der Leitungsplatte 4 befinden. Ebenso sind die Leistungsschalter LS1, HS1, LS2, HS2, LS3 und HS3 an der Unterseite und daher nur strichliert.
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Auf der Oberseite befinden sich ebenfalls drei AC-Schnittstellen 62, 64 und 66 sowie zwei DC-Schnittstellen 68 und 70.
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In 4 sind zusammenfassend folgende bevorzugten Merkmale des erfindungsgemäßen Aufbaus ersichtlich:
- • Mindestens ein DC-Stromverteilungsbereich 41, 45 und 49 mit folgenden Merkmalen oder Funktionen:
- o vertikale Lagenanordnung identisch zum DC-Bereich 41, 45 und 49
- o Bereitstellung vom mindestens 2 DC-Schnittstellen 68 und 70, wovon mindestens eine für die positive Spannungsversorgung des Inverters 3 zur Batterie 6 und mindestens eine für die negative Spannungsversorgung der Batterie 6 verwendet wird.
- ▪ Hierbei ist die DC-Schnittstelle 68 und/oder 70 in THT-Technologie ausgeführt. Dies bringt den Vorteil, dass über den Verbindungsprozess eine metallisch gefüllte Verbindung mit der Leiterplatte 4 bereitgestellt werden kann, die sonst über viele nicht metallisch gefüllte Durchkontaktierungen aufwändig hergestellt werden müsste.
- o Verteilung des Batteriestroms an die mindestens 3 DC-Bereiche 41, 45 und 49
- • Jeder AC-Bereich 43, 47 und 51 hat zusätzlich zu den bereits beschriebenen Merkmalen mindestens eine AC-Schnittstelle 62, 64 oder 66, die den Inverter 3 mit der elektrischen Maschine 7 verbindet und den Strom für die Maschine 7 aus dem Inverter 3 auskoppelt.
- o Hierbei sind die AC-Schnittstellen 62, 64 oder 66 THT-Technologie ausgeführt. Dies bringt den Vorteil, dass über den Verbindungsprozess eine metallisch gefüllte Verbindung mit der Leiterplatte bereitgestellt werden kann, die sonst über viele nicht metallisch gefüllte Durchkontaktierungen aufwändig hergestellt werden müsste.
- o Mindestens ein Niedervolt-Bereich 59 mit folgenden Merkmalen:
- • Es wird ein Teilsegment bereitgestellt, in der nur Potentiale geführt sind, die dem Niedervolt-Bereich zugeordnet sind. Somit werden überlappende Flächen zu allen AC-Bereichen 43, 47 und 51 und DC-Bereichen 41, 45 und 49 vermieden.
- • Es wird eine Schnittstelle 60 zu einem Controlboard bereitgestellt.
- • Mindestens eine Treiberansteuerung für jeden topologischen Schalter mit einer galvanischen Trennung zwischen Niedervolt- und DC- bzw. AC-Bereich.
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Es existieren auch folgende Alternativen zur beschriebenen Ausführungsform:
- • Alternativ zur Schnittstelle eines verteilten Zentralkreiskondensators 16 kann eine Schnittstelle zu einem zentraler Zentralkreiskondensator bereitgestellt werden. Diese Schnittstelle würde dann in der DC-Stromverteilungsschicht angeordnet werden.
- • Alternativ zu THT-Bauteilen können die Leistungsschalter, die Teilkreiskondensatoren 16-1, 16-2 und 16-3 sowie die DC-Schnittstellen 68 und 70 und die AC-Schnittstellen 62, 64 und 66 auch in SMD-Bauformen verwendet werden. Dies kann zusätzliche Lötprozesse in der Montage der Leiterplatte 4 einsparen.
- • Der Leistungsbereich 56 kann sich auf mehr als 4 Lagen erstrecken, falls die Anforderungen an den DC- und AC-Strom dies erfordern.
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Die Leiterplatte 4 kann einen symmetrischen Aufbau aufweisen. Das heißt, dass der Aufbau von einer gedachten Mittellinie in Dickenrichtung in beiden Richtungen identisch aufgebaut ist. Somit weist z.B. Lage L1 dieselbe Dicke auf wie Lage L(n). Dies ermöglicht standardisierte Leiterplatten-Produktions- und Verarbeitungs-Prozesse.
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Die Leiterplatte 4 kann aber auch einen asymmetrischen Aufbau aufweisen. Dann sind alle Lagen des Leistungsbereiches 56 gleich dick. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Stromverteilung im Leistungsbereich und spart Lagen ein, die nötig wären für einen symmetrischen Aufbau.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Leistungselektronik
- 3
- Inverter
- 4
- Leiterplatte
- 5
- elektrische Achse
- 6
- Batterie
- 7
- Elektromotor
- 8
- Zwischenkreiskondensator
- 9
- B6-Brücke
- 10
- Leistungsschalter
- 12
- Leitung
- 14
- Leitung
- 16
- Zwischenkreiskondensator
- 16-1
- Teilkreiskondensator
- 16-2
- Teilkreiskondensator
- 16-3
- Teilkreiskondensator
- 18
- Leitung
- 20
- Leitung
- 22
- Halbbrücke
- 24
- Leitung
- 26
- Dickenrichtung
- 28
- Axialrichtung
- 30
- Abschnitt
- 32
- Abschnitt
- 34
- Abschnitt
- 36
- Abschnitt
- 38
- Abschnitt
- 40
- Abschnitt
- 42
- Reihe
- 44
- Reihe
- 46
- Reihe
- 48
- Reihe
- 50
- Reihe
- 52
- Durchkontaktierung
- 54
- Ansteuerbereich
- 56
- Leistungsbereich
- 58
- Leitungsabschnitt
- 60
- Controlboard-Schnittstelle
- 62
- AC-Schnittstelle
- 64
- AC-Schnittstelle
- 66
- AC-Schnittstelle
- 68
- DC-Schnittstelle
- 70
- DC-Schnittstelle
- LS1
- Leistungsschalter
- LS2
- Leistungsschalter
- LS3
- Leistungsschalter
- HS1
- Leistungsschalter
- HS2
- Leistungsschalter
- HS3
- Leistungsschalter
- TL1
- Treiber
- TH1
- Treiber
- TL2
- Treiber
- TH2
- Treiber
- TL3
- Treiber
- TH3
- Treiber
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015209059 A1 [0006]
