DE102022206517B3 - Kühlungsoptimiertes Leistungsmodul mit einer integrierten Transformatoreinrichtung - Google Patents

Kühlungsoptimiertes Leistungsmodul mit einer integrierten Transformatoreinrichtung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (10) zur Verwendung in einem elektrifizierten Fahrzeug, umfassend eine Leistungselektronik (12), eine Leiterplattenanordnung (14) und einen Kühler (24), wobei die Leistungselektronik (12) mehrere Halbleiterschaltelemente auf einer ersten Seite (142) der Leiterplattenanordnung (14) aufweist, wobei der Kühler (24) an eine der ersten Seite (142) gegenüberliegende zweite Seite (144) der Leiterplattenanordnung (14) thermisch gekoppelt ist, wobei die Leiterplattenanordnung (14) mehrlagig ausgebildet ist und mehrere aufeinander angeordnete Lagen (16-18, 41-44) umfasst, die jeweils eine Leiterbahn (25-26, 33-36) aufweisen, wobei das Leistungsmodul (10) eine Transformatoreinrichtung (20) aufweist, die zumindest eine Eingangswicklung zum Einkoppeln einer Eingangsspannung und zumindest eine Ausgangswicklung zum Auskoppeln einer Ausgangsspannung umfasst, wobei die zumindest eine Eingangswicklung durch die Leiterbahnen (25-26, 33-36) der Leiterplattenanordnung (14) bereitgestellt ist, wobei die zumindest eine Ausgangswicklung durch eine von der Leiterplattenanordnung (14) elektrisch isolierte Leiterschleife (37) bereitgestellt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul zur Verwendung in einem elektrifizierten Fahrzeug, d.h. einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Leistungsmodul sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.
  • Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Derartige elektrifizierten Fahrzeuge verwenden in der Regel eine wiederaufladbare Fahrzeugbatterie, die eine DC-Spannung bereitstellt, mittels derer die elektrischen Maschinen bestromt werden. Dazu wird die DC-Spannung mittels eines DC/AC-Wandlers (Wechselrichter/Inverter) in eine Wechselspannung umgewandelt, um die elektrischen Maschinen jeweils mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Oft werden auch DC/DC-Wandler (Gleichrichter/Konverter) gebraucht, um zum Beispiel die Fahrzeugbatterie wieder aufzuladen. Hierzu wird eine Eingangsspannung, die von einer Spannungsversorgung (z.B. Ladestation) bereitgestellt wird, über einen DC/DC-Wandler an die Batteriespannung der Fahrzeugbatterie angepasst. Ein weiteres Verwendungsbeispiel von DC/DC-Wandlern ist zwecks Herabsetzens der Batteriespannung, um ein im Fahrzeug integriertes Bordnetz, an das typischerweise nichtantriebsbezogene Verbraucher wie der Bordcomputer, das Infotainmentsystem und die elektrischen Fenster usw. Angeschlossen sind, mit einer kleineren Spannung zu versorgen. Zusätzlich gibt es AC/DC-Wandler, die dazu dienen, eine Wechselspannung in eine Gleichspannng umzuwandeln.
  • Sowohl DC/DC-Wandler als auch AC/DC-Wandler können als Leistungsmodul mit einer integrierten Transformatoreinrichtung aufgefasst werden. Eine solche Transformatoreinrichtung umfasst in der Regel einen magnetischen Kern, an dem zwei Sätze von Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen herumgewickelt sind. Das Verhältnis zwischen den Windungszahlen legt den Übersetzungsfaktor des Transformators fest.
  • Bei den aus dem Stand der Technik, z.B. DE 11 2019 006 308 T5 , US 2019/0 320 554 A1 oder DE 11 2018 004 802 T5 , bekannten Leistungsmodulen mit integrierter Transformatoreinrichtung besteht jedoch der Nachteil, dass diese bauartbedingt oft eine große vertikale Abmessung (Dicke) und damit verbunden ein großes Gewicht aufweisen. Außerdem sind die bekannten Leistungsmodule kostenintensiv. Zusätzlich lassen sich die in den bekannten Leistungsmodulen verbauten elektronischen Bauteile aufgrund der großen Dicke nur ineffizient abkühlen, was das thermische Verhalten der Leistungsmodule verschlechtert.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Leistungsmodul, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul zur Verwendung in einem elektrifizierten Fahrzeug. Das Fahrzeug kann ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein. Das Leistungsmodul kann als DC/DC-Wandler oder AC/DC-Wandler ausgebildet sein. Das Leistungsmodul umfasst eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen. Die Halbleiterschaltelemente bilden vorzugsweise eine mehrphasige Leistungselektronik mit mehreren Phasen, die jeweils einem Phasenstrom zugeordnet sind. Jede der mehreren Phasen umfasst weiter vorzugsweise eine Halbbrücke mit einer Highside und einer Lowside. Die Highside und die Lowside umfassen jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente. Die Halbleiterschaltelemente können als Transistoren, etwa Bipolartransistoren (beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) ausgebildet sein.
  • Das Leistungsmodul umfasst außerdem eine Leiterplattenanordnung und einen Kühler. Die Leiterplattenanordnung dient zum Bestücken mit mehreren elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen, die eine Treibereinrichtung bilden. Mittels der Treibereinrichtung werden Schaltsignale erzeugt, die an die Halbleiterschaltelemente, insbesondere an Steueranschlüsse (Gates) der Halbleiterschaltelemente, über mehrere Signalpins gesendet werden. Der Kühler dient zur Abfuhr von Wärme, die in den Halbleiterschaltelementen erzeugt wird, um das Leistungsmodul abzukühlen. Die mehreren Halbleiterschaltelemente sind auf einer ersten Seite (Oberseite) der Leiterplattenanordnung angebracht. Der Kühler ist an eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite (Unterseite) der Leiterplattenanordnung thermisch gekoppelt. Die erfolgt vorzugsweise dadurch, dass der Kühler direkt an die zweite Seite angebunden wird.
  • Die Leiterplattenanordnung ist mehrlagig ausgebildet. Dazu weist die Leiterplattenanordnung mehrere aufeinander angeordnete Lagen auf, die aus einem elektrisch isolierenden Material wie Kunststoff hergestellt sind. Innerhalb der jeweiligen Lagen ist eine Leiterbahn aufgenommen. Die Leiterbahnen verschiedener Lagen sind auf unterschiedlichen Höhen positioniert und können lokal mittels vertikaler Leitungen miteinander elektrisch verbunden werden. Außer an den Stellen der vertikalen Leitungen sind die Leiterbahnen verschiedener Lagen jedoch voneinander vertikal beabstandet und elektrich isoliert.
  • Das Leistungsmodul weist ferner eine Transformatoreinrichtung auf, die zumindest eine Eingangswicklung zum Einkoppeln einer Eingangsspannung und zumindest eine Ausgangswicklung zum Auskoppeln einer Ausgangsspannung umfasst. Die Transformatoreinrichtung wird betrieben, um die Eingangsspannung in die Ausgangsspannung zu übersetzen. Die Transformatoreinrichtung umfasst dazu einen magnetischen Kern, um den die zumindest eine Eingangswicklung sowie die zumindest eine Ausgangswicklung herumverlaufen. Dabei hängt der Übersetzungsfaktor von der Induktivität der Eingangswicklung und der Ausgangswicklung ab. Die Induktivität hängt wiederum mit der Länge, der Windungszahl und dem Querschnitt der jeweiligen Wicklungen zusammen. Dies bedeutet, es kann durch eine gezielte Wahl der Windungszahl, Querschnitt sowie Länge der Eingangswicklung und der Ausgangswicklung ein entsprechender Übersetzungsfaktor herbeigeführt werden. Die Anzahl der zumindest einen Eingangswicklung und/oder die Anzahl der zumindest einen Ausgangswicklung können je nach Einsatz des Leistungsmoduls beliebig gewählt werden. Beisppielsweise können zwei Eingangswicklungen und eine einzige Ausgangswicklung bereitgetellt werden. In diesem Beispiel kann eine Primäreingangswicklung dem elektrischen Achsantrieb zugeordnet sein, wobei eine Sekundäreingangswicklung einer Steuereinheit für die Transformatoreinrichtung (bzw. einer Beschaltung zum Steuern der Transformatoreinrichtung) zugeordnet sein kann. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft und für den Umfang der vorliegenden Erfindung keineswegs einschränkend.
  • Die zumindest eine Eingangswicklung ist durch die Leiterbahnen der Leiterplattenanordnung bereitgestellt. Auf diese Weise kann die Windungszahl, die Länge sowie der Querschnitt der zumindest einen Eingangswicklung mittels einer geeigneten Konfiguration der Leiterbahnen innerhalb der Leiterplattenanordnung bewerkstelligt werden. Die zumindest eine Ausgangswicklung ist dagegen durch eine von der Leiterplattenanordnung elektrisch isolierte Leiterschleife bereitgestellt. Auch die Leiterschleife verläuft um den magnetischen Kern der Transformatoreinrichtung herum.
  • Erfindungsgemäß ist ein Leistungsmodul mit einer Transformatoreinrichtung realisiert, bei dem die zumindest eine Ausgangswicklung nicht wie die zumindest eine Eingangswicklung durch die Leiterplattenanordnung, sondern außerhalb der Leiterplattenanordnung bereitgestellt ist. Dies reduziert die Dicke der Leiterplattenanordnung, und somit auch die Abmessung des gesamten Leistungsmoduls. Dies führt daher zu einer leichtgewichtigen, materialsparende und damit einhergehend auch kostengünstige und herstellungseinfache Bauform des Leistungsmoduls. Die damit verbundenen Vorteile treten besonders stark zum Vorschein, wenn ausgangsseitig der Transformatoreinrichtung starke Ströme erzeugt werden sollen, was eine entsprechend nach oben skalierte Dicke der Leiterschleife erfordert. Erfindungsgemäß ist eine derartige Dimensionierung nämlich nur im Bereich der Ausgangswicklung erforderlich, nicht aber in anderen Bereichen, etwa im Bereich der Eingangswicklung.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Leiterschleife unterhalb der Leiterplattenanordnung angeordnet. Auf diese Weise kann die Leiterschleife gleichzeitig als Wärmeleiter zwischen der Leiterplattenanordnung und dem Kühler fungieren, was das thermische Verhalten des Leistungsmoduls zusäztlich verbessert. Vorzugsweisse ist eine elektrisch isolierende Beschichtung zwischen der Leiterschleife und der Oberseite des Kühlers zwecks Potentialtrennung vorgesehen.
  • Gemäß der Erfindung weist die Leiterplattenanordnung eine erste Leiterplatte und eine zweite Leiterplatte auf, wobei die zweite Leiterplatte innerhalb der Transformatoreinrichtung auf der ersten Leiterplatte angeordnet ist. Die Leiterplattenanordnung lässt sich daher durch Kombinieren zweier separater Leiterplatten bilden. Die Anzahl der Lagen innerhalb der jeweiligen Leiterplatten kann je nach Einsatzgebiet des Leistungsmoduls beliebig gewählt werden.
  • Gemäß der Erfindung erstreckt sich die erste Leiterplatte abschnittsweise außerhalb der Transformatoreinrichtung, um die Eingangsspannung in die Eingangswicklung einzuprägen. Die erste Leiterplatte erstreckt sich vorzugsweise planar über einen Teilbereich der Oberseite des Kühlers. Dadurch, dass die Leiterbahnen der ersten Leiterplatte, die die zumindest eine Eingangswicklung bilden, sich nicht nur innerhalb der Transformatoreinrichtung, sondern aus dieser herauserstrecken, können diese Leiterbahnen extern (außerhalb des magnetischen Kerns der Transformatoreinrichtung) kontaktiert werden. Insbesondere ist eine oberseitige Kontaktierung dieser Leiterbahnen und somit auch dr Eingangswicklung mit Hilfe von auf der ersten Leiterplatte platzierten elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen ermöglicht.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Wärmeleiter von der ersten Leiterplatte außerhalb der Transformatoreinrichtung aufgenommen, um die erste Leiterplatte mit dem Kühler thermisch zu verbinden. Der Wärmeleiter erstreckt sich vorzugsweise vom Kühler, weiter vorzugsweise von einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Beschichtung auf dem Kühler, bis zur Oberseite der ersten Leiterplatte. Diese Maßnahme verbessert zusätzlich das Abkühlen des Leistungsmoduls.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform schließt sich eine Leiterschicht außerhalb der Transformatoreinrichtung an die Leiterschleife an, um die Ausgangsspannung aus der Ausgangswicklung abzugreifen. Die Leiterschicht kann daher außerhalb der Transformatoreinrichtung direkt kontaktiert werden. Hierzu können zusätzlich elektrische und/oder elektronische Bauteile auf der Leiterschicht angeordnet werden.
  • Gemäß der Erfindung ist die Leiterschicht auf einer Oberseite des Kühlers angeordnet und mit dem Kühler thermisch gekoppelt. Auf diese Weise kann die Leiterschicht direkt mit dem Kühler thermisch verbunden werden, sodass der thermische Widerstand zwischen der Leiterschicht und dem Kühler verringert ist. Dies ermöglicht ein verbessertes Abkühlen der Leiterschicht und somit auch des gesamten Leistungsmoduls.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem erfindungsgemäßen Leistungsmodul sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls mit einer mehrlagigen Leiterplattenanordnung und einer Transformatoreinrichtung in einer Schnittansicht;
    • 2 eine schematische Darstellung eines Kühlers mit einer Pin-Fin-Struktur, wobei der Kühler eine Stufenform zur Aufnahme eines magnetischen Kerns aufweist;
    • 3 eine schematische Darstellung des Leistungsmoduls aus 1 in einem Herstellungszustand, in dem eine erste Leiterplatte und eine Ausgangswicklung mit einer Leiterschicht auf dem Kühler aufgebracht sind;
    • 4 eine schematische Darstellung des Leistungsmoduls aus 1 in einem weiteren Herstellungszustand, in dem eine zweite Leiterplatte auf der ersten Leiterplatte angeordnet ist;
    • 5A-C jeweils eine schematische Darstellung einer Lage der ersten Leiterplatte, einer Lage der zweiten Leiterplatte und einer Leiterschleife der Ausgangswicklung..
  • Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 10 zur Verwendung in einem elektrifizierten Fahrzeug. Das hier nicht gezeigte Fahrzeug kann ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein. Das Leistungsmodul 10 kann als DC/DC-Wandler oder AC/DC-Wandler ausgebildet sein. Das Leistungsmodul 10 umfasst eine Leistungselektronik 12 mit mehreren Halbleiterschaltelementen. Die Halbleiterschaltelemente bilden vorzugsweise eine mehrphasige Leistungselektronik mit mehreren Phasen, die jeweils einem Phasenstrom zugeordnet sind. Jede der mehreren Phasen umfasst weiter vorzugsweise eine Halbbrücke mit einer Highside und einer Lowside. Die Highside und die Lowside umfassen jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente. Die Halbleiterschaltelemente können als Transistoren, etwa Bipolartransistoren (beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) ausgebildet sein.
  • Das Leistungsmodul 10 umfasst außerdem eine Leiterplattenanordnung 14 und einen Kühler 24. Die Leiterplattenanordnung 14 dient zum Bestücken mit mehreren elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen 11, die eine Treibereinrichtung bilden. Mittels der Treibereinrichtung werden Schaltsignale erzeugt, die an die Halbleiterschaltelemente, insbesondere an Steueranschlüsse (Gates) der Halbleiterschaltelemente, über mehrere Signalpins gesendet werden. Der Kühler 24 dient zur Abfuhr von Wärme, die in den Halbleiterschaltelementen erzeugt wird, um das Leistungsmodul 10 abzukühlen. Die mehreren Halbleiterschaltelemente sind auf einer Oberseite 142 der Leiterplattenanordnung 14 angebracht. Der Kühler 24 ist an eine Unterseite 144 der Leiterplattenanordnung 14 thermisch gekoppelt. Eine elektrisch isolierende Wärmeleitschicht 22 ist auf dem Kühler 24 aufgebracht. Der Kühler 24 umfasst, wie in 1 beispielhaft gezeigt, eine Pin-Fin-Struktur mit mehreren Zwischenräumen zum Durchströmen mit einem Kühlmedium (etwa Wasser).
  • Die Leiterplattenanordnung 10 ist mehrlagig ausgebildet. Dazu weist die Leiterplattenanordnung 10 mehrere aufeinander angeordnete Lagen 16, 18, 41, 42, 43, 44 auf, die aus einem elektrisch isolierenden Material wie Kunststoff hergestellt sind. Innerhalb der jeweiligen Lagen 16-18, 41-44 ist eine Leiterbahn 31, 32, 33, 34, 35, 36, 25, 26 aufgenommen. Die Leiterbahnen 25-26, 31-36 verschiedener Lagen sind auf unterschiedlichen Höhen positioniert und zum Teil lokal mittels vertikaler Leitungen 151-157 (Bezugszeichen siehe 4) miteinander elektrisch verbunden werden. Außer an den Stellen der vertikalen Leitungen 151-157 sind die Leiterbahnen verschiedener Lagen 25-26, 31-36 jedoch voneinander vertikal beabstandet und elektrich isoliert.
  • Das Leistungsmodul 10 weist ferner eine Transformatoreinrichtung 20 auf. Die Transformatoreinrichtung 20 dient zur Umwandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung. Dazu weist die Transformatoreinrichtung 20 allgemein zumindest eine Eingangswicklung, hier beispielhaft zwei Eingangswicklungen (eine Primäreingangswicklung, die dem elektrischen Achsantrieb zugeordnet ist, und eine Sekundäreingangswicklung, die einer Steuereinheit für die Transformatoreinrichtung zugeordnet ist) zum Einkoppeln der Eingangsspannung auf. Außerdem weist die Transformatoreinrichtung 20 allgemein zumindest eine Ausgangswicklung, hier beispielhaft eine einzige Ausgangswicklung zum Auskoppeln der Ausgangsspannung auf. Die Transformatoreinrichtung umfasst zusätzlich einen magnetischen Kern 21, um den die Eingangswicklungen sowie die Ausgangswicklung herumgewickelt sind.
  • Die Leiterplattenanordnung 14 umfasst eine erste Leiterplatte 14a und eine zweite Leiterplatte 14b. Innerhalb der Transformatoreinrichtung 20 ist die zweite Leiterplatte 14b auf der ersten Leiterplatte 14a angeordnet. Dort ist die Leiterbahn 33-36 einer ersten Lage 41, einer zweiten Lage 42, einer dritten Lage 43 und einer vierten Lage 44 der zweiten Leiterplatte 14b mittels der vertikalen Leitungen 153-156, die als mit einem Leitermaterial gefüllte Durchgangsöffnungen ausgebildet sind, miteinander elektrisch verbunden.. Außerdem ist die Leiterbahn 36 der vierten Lage 44 zusätzlich über zwei weitere vertikale Leitungen 152, 157 sowie ein dazwischen verbindendes horizontales Leiterelement 171 mit der Leiterbahn 26 einer zweiten Lage 18 der ersten Leiterplatte 14a elektrisch verbunden. Auf diese Weise ist die Primäreingangswicklung insgesamt fünflagig aufgebildet. Die Leiterbahn 25 der ersten Lage 16 der ersten Leiterplatte 14a bildet die Sekundäreingangswicklung. Alle Leiterbahnen 25-26, 33-36 verlaufen mit einer Windungszahl von zwei um einen mittleren Abschnitt 202 des magneitschen Kerns 21 herum (siehe auch 4 für eine detaillierte Darstellung einer Fingerstruktur des magnetischen Kerns 21).
  • In 5A ist eine der Lagen 33-36 der zweiten Leiterplatte 14b schematisch und beispielhaft gezeigt. Dort ist ersichtlich, dass die dazugehörige Leiterbahn 41,42,43,44 mit der Windungszahl von zwei eingebettet ist und um eine Öffnung 174 herumverläuft, die zum Durchführen des mittleren Abschnittes 202 des magnetischen Kerns 21 mittig innerhalb der zweiten Leiterplatte 14b ausgebildet ist. In 5B ist die erste Lage 16 der ersten Leiterplatte 14a schematisch und beispielhaft in einer Draufsicht gezeigt. Dort ist ersichtlich, dass die dazugehörige Leiterbahn 25 mit der Windungszahl von zwei eingebettet ist und um eine Öffnung 172 herumverläuft, die zum Durchführen des mittleren Abschnittes 202 des magnetischen Kerns 21 mittig innerhalb der ersten Leiterplatte 14a ausgebildet ist. Außerdem ist in 5B die erste Leiterplatte 14a außerhalb der Transformatoreinrichtung 20 ebenfalls abschnittsweise gezeigt.
  • Die erste Leiterplatte 14a ist nicht im Bereich der Transformatoreinrichtung 20 räumlich eingeschränkt, sondern erstreckt sich auch zum Teil außerhalb der Transformatoreinrichtung 20 bzw. des magnetischen Kerns 21. Die Leiterbahnen 31, 32 der ersten und zweiten Lagen 16, 18 außerhalb der Transformatoreinrichtung 20 sind mit den dazugehörigen jeweiligen Leiterbahnen 25, 26 innerhalb der Transformatoreinrichtung 20 elektrisch verbunden. Auf diese Weise sind sowohl die Primäreingangswicklung als auch die Sekundäreingangswicklung von außen kontaktierbar. Die Außenkontaktierung erfolgt, wie in 1 schematisch gezeigt, vorzugsweise über die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile 11, die auf der ersten Leiterplatte 14a angebracht sind. Zusätzlich ist ein Wärmeleiter 39 in der ersten Leiterplatte 14a außerhalb der Transformatoreinrichtung 20 aufgenommen, derart, dass sich der Wärmeleiter 39 von der Wärmeleitschicht 22 bis zur Oberseite 142 erstreckt. Auf diese Weise ist der thermische Widerstand zwischen der ersten Leiterplatte 14a und dem Kühler 24 verringert, sodass Wärme wirksamer abtransportiert werden kann.
  • Ausgangsseitig der Transformatoreinrichtung 20 dient eine von der Leiterplattenanordnung 14 elektrisch isolierte Leiterschleife 37 als Ausgangswicklung. Die Leiterschleife Auch die Leiterschleife verläuft um den mittleren Abschnitt 202 des magnetischen Kerns 21 der Transformatoreinrichtung herum, wobei hier die Windungszahl eins beträgt. Die Leiterschleife 37 erstreckt sich nach außen als Leiterschicht 38, die über die elektrisch isolierende Wärmeleiterschicht 22 auf dem Kühle 24 angebracht ist. 5C zeigt schematisch und beispielhaft in einer Draufsicht. Dort ist ersichtlich, dass die Leiterschleife 37 um eine Öffnung 372 herumverläuft, die zum Durchführen des mittleren Abschnittes 202 des magnetischen Kerns 21 ausgebildet ist. Die Öffnungen 172, 174, 372 und der mittlere Abschnitt 202 des magnetischen Kerns 21 sind in 4 schematisch gezeigt. Auf diese Weise lässt sich die Ausgangswicklung von au-ßen kontaktieren, was beispielsweise über elektrische und/oder elektronische Bauteile 13 erfolgt.
  • Erfindungsgemäß ist ein Leistungsmodul 10 mit einer Transformatoreinrichtung 20 realisiert, bei dem die Ausgangswicklung nicht wie die Eingangswicklungen durch die Leiterplattenanordnung 14, sondern außerhalb der Leiterplattenanordnung 14 bereitgestellt ist. Dies reduziert die Dicke der benötigten Leiterplattenanordnung 14, und somit auch die Abmessung des gesamten Leistungsmoduls 10. Dies führt daher zu einer leichtgewichtigen, materialsparende und damit einhergehend auch kostengünstige und herstellungseinfache Bauform des Leistungsmoduls 10. Die damit verbundenen Vorteile treten besonders stark zum Vorschein, wenn ausgangsseitig der Transformatoreinrichtung 20 starke Ströme erzeugt werden sollen, was eine entsprechend nach oben skalierte Dicke der Leiterschleife 37 erfordert. Erfindungsgemäß ist eine derartige Dimensionierung nämlich nur im Bereich der Ausgangswicklung erforderlich, nicht aber in anderen Bereichen, etwa im Bereich der Eingangswicklung.
  • 2-4 zeigen jeweils einen Herstellungs- bzw. Montagezustand des Leistungsmoduls 10 aus 1. In 2 ist der Kühler 24 näher gezeigt. Der Kühler 24 umfasst einen Grundkörper 23, der sich über die Länge des Kühlers 24 erstreckt. Oberseitig des Grundkörpers 23 ist eine Stufenform 248 ausgebildet, um den unteren Abschnitt 208 des magnetischen Kerns 21 passend aufzunehmen. Eine Pin-Fin-Struktur 242 ist im Grundkörper 23 ausgeformt. Außerdem ist eine Ausnehmung 244 zur Aufnahme eines Einsatzteils 27 ausgebildet. Das Einsatzteil 27 ist zum Anbringen der Leiterschleife 37 und der mit der Leiterschleife 37 einteilig ausgebildeten Leiterschicht 38. Die Leiterschleife 37 und die Leiterschicht 38 werden auf die elektrisch isolierende Wärmeleitschicht 22 aufgebracht, nachdem Letztere oberseitig des Einsatzteils 27 aufgetragen wurde. Analog wird der Wärmeleiter 39 erst angebracht, nachdem die Wärmeleitschicht 22 auf dem Grundkörper 23 aufgetragen wurde. Nachdem der untere Abschnitt 208 des magnetischen Kerns 21 in die Stufenform 248 eingebracht wurde, wird das Einsatzteil 27 von oben mit dem Grundkörper 23 zusammengefügt, sodass eine Pin-Fin-Struktur 246 des Einsatzteils 27 durch die Ausnehmung 244 aufgenommen wird.
  • Anschließend wird die erste Leiterplatte 14a, die bereits mit der Leistungselektronik 12, den elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen 11 bestückt ist, oberseitig des Kühlers 24 angebracht. Dabei wird der Bereich der ersten Leiterplatte 14a, der der Transformatoreinrichtung 20 zugeordnet ist, zur Leiterschleife 37 derart ausgerichtet, dass die mittlere Öffnung 172 der ersten Leiterplatte 14a mit der mittleren Öffnung 372 der Leiterschleife 37 eine durchgehende Öffnung bildet. Das Ergebnis zeigt 3 schematisch und beispielhaft. Vor dem Zusammenfügen der ersten Leiterplatte 14a mit dem Kühler 24 werden die mittleren Öffnungen 172, 372 jeweils ausgeformt. Außerdem werden seitliche Aussparungen in der ersten Leiterplatte 14a ebenfalls bereitgestellt, um zusätzliche Seitenabschnitte 204, 206 des magnetischen Kerns 21 passend aufzunehmen.
  • In 4 ist ersichtlich, dass basierend auf dem Herstellungszustand aus 3 zusätzlich die zweite Leiterplatte 14b von oben angebracht wird. Davor wurde die zweite Leiterplatte 14b bereits dahingehend vorstrukturiert, um auch hier eine mittlere Öffnung 174 zum Durchführen des mittleren Abschnittes 202 des magnetischen Kerns 21 bereitzustellen. Außerdem wird die zweite Leiterplatte 14b mittels des Leiterelementes 171 und der beiden vertikalen Leitungen 152, 157 mit der ersten Leiterplatte 14a elektrisch verbunden, um die Leiterbahnen 33-36 der vier Lagen 41-44 mit der Leiterbahn 26 der zweiten Lage 18 in leitende Verbindung zu bringen.
  • Schließlich wird die Fingerstruktur des magnetischen Kerns 21 umfassend die Seitenabschnitte 204, 206 und den mittleren Abschnitt 202 zur ersten Leiterplatte 14a und zweiten Leiterplatte 14b ausgerichtet und von oben mit diesen gefügt. Dabei wird der mittlere Abschnitt 202 des magnetischen Kerns 21 durch die mittleren Öffnungen 172, 174, 372 bis zum unteren Abschnitt 208 geführt. Außerdem werden die Seitenabschnitte 204, 206 durch die seitlichen Aussparungen der ersten Leiterplatte 14a passend aufgenommen. Das Ergebnis der Herstellung zeigt 1.
  • Bezugszeichen
    • 10
    Leistungsmodul
    11, 13
    elektrische und/oder elektronische Bauteile
    12
    Leistungselektronik
    14
    Leiterplattenanordnung
    14a
    erste Leiterplatte
    14b
    zweite Leiterplatte
    142
    Oberseite
    144
    Unterseite
    151-157
    vertikale Leitungen
    16
    erste Lage der ersten Leiterplatte
    171
    Leiterelement
    172, 174, 372
    mittlere Öffnung
    18
    zweite Lage der ersten Leiterplatte
    20
    Transformatoreinrichtung
    21
    magnetischer Kern
    202
    mittlerer Abschnitt
    204,206
    Seitenabschnitte
    208
    unterer Abschnitt
    22
    elektrisch isolierende Wärmeleitschicht
    23
    Grundkörper
    24
    Kühler
    242, 246
    Pin-Fin-Struktur
    244
    Ausnehmung
    248
    Stufenform
    25-26, 31-36
    Leiterbahnen
    27
    Einsatzteil
    37
    Leiterschleife
    38
    Leiterschicht
    39
    Wärmeleiter

Claims (6)

  1. Leistungsmodul (10) zur Verwendung in einem elektrifizierten Fahrzeug, umfassend eine Leistungselektronik (12), eine Leiterplattenanordnung (14) und einen Kühler (24), wobei die Leistungselektronik (12) mehrere Halbleiterschaltelemente auf einer ersten Seite (142) der Leiterplattenanordnung (14) aufweist, wobei der Kühler (24) an eine der ersten Seite (142) gegenüberliegende zweite Seite (144) der Leiterplattenanordnung (14) thermisch gekoppelt ist, wobei die Leiterplattenanordnung (14) mehrlagig ausgebildet ist und mehrere aufeinander angeordnete Lagen (16-18, 41-44) umfasst, die jeweils eine Leiterbahn (25-26, 33-36) aufweisen, wobei das Leistungsmodul (10) eine Transformatoreinrichtung (20) aufweist, die zumindest eine Eingangswicklung zum Einkoppeln einer Eingangsspannung und zumindest eine Ausgangswicklung zum Auskoppeln einer Ausgangsspannung umfasst, wobei die zumindest eine Eingangswicklung durch die Leiterbahnen (25-26, 33-36) der Leiterplattenanordnung (14) bereitgestellt ist, wobei die zumindest eine Ausgangswicklung durch eine von der Leiterplattenanordnung (14) elektrisch isolierte Leiterschleife (37) bereitgestellt ist, wobei die Leiterplattenanordnung (14) eine erste Leiterplatte (14a) und eine zweite Leiterplatte (14b) aufweist, wobei die zweite Leiterplatte (14b) innerhalb der Transformatoreinrichtung (20) auf der ersten Leiterplatte (14a) angeordnet ist, wobei die erste Leiterplatte (14a) sich abschnittsweise außerhalb der Transformatoreinrichtung (20) erstreckt, um die Eingangsspannung in die Eingangswicklung einzuprägen. , wobei ein Wärmeleiter (39) von der ersten Leiterplatte (14a) außerhalb der Transformatoreinrichtung (20) aufgenommen ist, um die erste Leiterplatte (14a) mit dem Kühler (24) thermisch zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass. die Leiterschicht (38) auf einer Oberseite (242) des Kühlers (24) angeordnet und mit dem Kühler (24) thermisch gekoppelt ist.
  2. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1, wobei die Leiterschleife (37) unterhalb der Leiterplattenanordnung (14) angeordnet ist.
  3. Leistungsmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich eine Leiterschicht (38) außerhalb der Transformatoreinrichtung (20) an die Leiterschleife (37) anschließt, um die Ausgangsspannung aus der Ausgangswicklung abzugreifen.
  4. Leistungsmodul (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul (10) als DC/DC-Wandler oder als AC/DC-Wandler ausgebildet ist.
  5. Elektrischer Achsantrieb für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend eine E-Maschine, eine Getriebeeinrichtung und ein Leistungsmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  6. Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend einen elektrischen Achsantrieb nach Anspruch 5
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190320554A1 (en) 2016-12-09 2019-10-17 Mitsubishi Electric Corporation Electronic circuit board and power conversion device
DE112018004802T5 (de) 2017-08-30 2020-07-09 Dana Heavy Vehicle Systems Group, Llc Elektrische achsantriebsstrangbaugruppe
DE112019006308T5 (de) 2018-12-21 2021-09-09 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Leistungsumwandlungsvorrichtung, darin enthaltene Mehrschichtplatine und Fahrzeug mit darin eingebauter Leistungsumwandlungsvorrichtung

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