WO2019224029A1 - Elektrisches filterelement und elektrischer stromrichter - Google Patents

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electrical
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Wolfram Kienle
Konstantin Spanos
Heiner Jacobs
Dennis BURGER
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an electric filter element and an electric power converter with such an electric filter element.
  • Electric power converters in particular inverters
  • inverters are used in numerous technical fields.
  • such inverters are used in electric drive systems of electric or hybrid vehicles.
  • the inverters used in this case in particular clocked inverters, such as pulse-controlled inverters (PWR), naturally generate electrical common-mode and differential mode interference.
  • PWR pulse-controlled inverters
  • filter devices which can control the emission of disturbances in the direction of a supply network, such as the
  • Example the high-voltage network of an electric vehicle, reduce. There are already numerous directives and regulations which specify a maximum permissible emission of disturbances.
  • Document DE 10 2010 054 005 A1 discloses an electrical device with an inverter and an EMC filter.
  • the EMC filter includes
  • Noise suppression capacitors and a common mode rejection choke with a magnetically active core are connected to power supply terminals through the common mode rejection reactor and to a ground terminal via the suppression capacitors.
  • Disclosure of the invention discloses an electric filter element having the features of claim 1 and an electric power converter arrangement having the features of claim 10.
  • Printed circuit board substrate a second dielectric board substrate, an annular magnetic core, and a first number of inner ones
  • the annular magnetic core is disposed between the first printed circuit substrate and the second printed circuit substrate.
  • the inner electrical connection elements are arranged in an inner region of the annular magnetic core.
  • Each inner electrical connection element is in this case designed, in particular, to have an electrical connection point on the first printed circuit board substrate with a corresponding electrical connection point on the second
  • the present invention is based on the finding that electric power converters, such as pulse inverters, of course, can cause electrical common mode and differential mode noise. To reduce these disturbances, specially adapted filter devices are usually required. Conventionally designed filter devices require a high conceptual effort. The filter devices for minimizing the common-mode and push-pull interference therefore lead to a high cost and are usually associated with a significant need for space.
  • the present invention provides an inductive component, which allows due to its special construction with a small space volume filtering of AC voltage components. Due to the dielectric circuit boards used, the special structural design of the filter element makes it possible to provide a very good base for connection elements in order to electrically connect the filter element at the input and output to further modules. In addition, by the special arrangement of the magnetic core between the two circuit boards, a current waveform can be realized, which is an inductive
  • the inductance of the filter element can be adjusted.
  • the filter properties of the device for filtering AC voltage components are increased.
  • a high inductance can be realized in a small space, resulting in efficient filtering of
  • circuit board substrates used provide a
  • additional components can be mounted on the circuit boards. These additional components can also be used to filter interference.
  • the additional components on the individual circuit boards, as well as the magnetic core and the wiring between the individual circuit boards can be adapted to the respective needs. In this way, depending on the application, an optimal adaptation of the filter properties can always be realized.
  • Each of the first and second dielectric board substrates may be any printed circuit board substrate.
  • conventional printed circuit board substrates can be used, as used for example in the field of printed circuits application.
  • the basis for such dielectric circuit board substrates form for example carrier substrates made of an electrically non-conductive material, such as epoxy or the like.
  • further electrically conductive structures are to be mounted on the dielectric circuit board substrates, these can be realized, for example, from electrically conductive copper, silver or another electrically conductive material.
  • the electrically conductive structures for example, the individual connecting elements of the electric filter element in a suitable
  • Printed circuit board substrates can either be mounted on the sides facing away from the magnetic core or on the sides of the printed circuit board substrate that face the magnetic core. It is also possible in principle to apply electrically conductive structures both on the sides facing the magnetic core and on the sides of the printed circuit board substrates facing away from the magnetic core.
  • the annular magnetic core may be any magnetic core.
  • the magnetic core has a material-free interior area.
  • the annular magnetic core may be in the form of, for example, a hollow cylinder, a toroid, or the like.
  • the magnetic core does not necessarily have to have a circular outer geometry. Also, for example, rectangular or square cross-sections with a material-free interior are possible as a magnetic core.
  • the magnetic core may also have any other structure which has a material-free inner region.
  • the electrical connection elements can be any electrically conductive elements which are designed to provide an electrically conductive connection between the two dielectric circuit board substrates.
  • the inner electrical connection elements are arranged in the material-free inner region of the magnetic core.
  • the electrical connection elements may be electrically conductive rods, for example rod-shaped elements made of an electrically conductive metal. It is understood that a single electrically conductive connecting element also from several individual, parallel arranged connecting elements may exist, for example, to increase the current carrying capacity.
  • the connection elements can be soldered, welded or otherwise electrically connected to the connection points on the printed circuit board substrates, for example. For example, contacting by means of a pressing method or the like are possible.
  • Printed circuit board substrate realized by the inner region of a magnetic core to a second dielectric circuit substrate. In this way, an inductive component can be created, which allows the advantages described above.
  • the electrical filter element comprises a second number of external electrical connection elements.
  • the outer electrical connection elements are arranged in an outer region of the annular magnetic core.
  • Each external electrical connection element is designed to each have a connection point on the first
  • the first printed circuit substrate may have a first electrically conductive structure
  • the second printed circuit substrate may have a second electrically conductive structure.
  • the first electrically conductive structure can each one
  • the second electrically conductive structure can be designed in each case one connection point of an outer electrical connection element with a corresponding one
  • an electrical conduction structure may be provided on the magnetic core corresponding to a plurality of turns around the magnetic core, respectively.
  • the electrical current in the inner region of the magnetic core can flow in each case in a first direction, and in the outer region in a second, opposite direction.
  • an electrical filter element be created, each having a plurality of turns for the inductance of the filter element.
  • the electrical filter element includes a first capacitor disposed on the first dielectric circuit substrate.
  • the first capacitor may be electrically coupled at a first terminal to a first inner connector and electrically coupled at a second terminal to a second inner connector. In this way, a capacitance can be provided between two inner electrical connection elements of the filter element. This capacity can also be used to filter
  • AC interference can be used.
  • a further capacitor on the second dielectric circuit board substrate, which is likewise arranged between two inner connecting elements.
  • Such capacitors are also referred to as X capacitors.
  • the electrical filter element comprises a second capacitor and a third capacitor.
  • the second capacitor may be disposed on the first dielectric circuit substrate, and electrically coupled at a first terminal to a first inner connector, and electrically coupled to a second terminal with a reference potential.
  • the third capacitor may also be disposed on the first dielectric circuit substrate.
  • Capacitor may be electrically coupled to a first terminal having a second inner connection element and a second terminal being electrically coupled to a reference potential. In this way, capacitors, so-called Y capacitors, can be provided between individual inner connecting elements and a reference potential. These also allow filtering of AC interference.
  • Printed circuit board substrate the individual circuit board substrates can be customized according to the particular application. This allows a flexible and modular design of filter elements for each
  • the first printed circuit board substrate comprises a first connection device with a plurality of connection elements.
  • Connection device can be designed with an electric
  • each one can
  • Connection element of the connection device with an inner
  • Connecting element to be electrically coupled.
  • the connector element to be electrically coupled.
  • Connection device comprise two connection elements which can be electrically connected to the respective connection elements of a DC voltage source.
  • the magnetic core filled with a dielectric filling material.
  • the filling material may be, for example, a dielectric casting compound, such as a synthetic resin or the like. act.
  • Filter element can be increased.
  • the dielectric can be increased.
  • Filter material for example, an improved cooling of the filter element serve.
  • the magnetic core has a closed annular structure.
  • the magnetic core can be designed as a toroidal or hollow-cylindrical component.
  • the magnetic core can be realized from a single piece of material.
  • the magnetic core has at least one air gap. Additionally or alternatively, the magnetic core may also comprise separate ferromagnetic particles. Such a core with separate ferromagnetic particles is also referred to as a core with a so-called distributed air gap. By discrete or distributed Air gaps, the inductive properties of the electrical filter element can be adjusted accordingly.
  • the electrical filter element comprises a cooling device.
  • the cooling device may be thermally coupled to the magnetic core.
  • the cooling device may be designed to apply the magnetic core and / or the inner and outer connecting elements and / or the further components to the dielectric
  • the cooling device can be either an active or alternatively also a passive cooling device.
  • air- or liquid-cooled cooling devices are possible.
  • FIG. 1 shows a cross section through an electrical filter element according to a
  • FIG. 2 shows a cross section through an electrical filter element according to a further embodiment
  • FIG. 3 is a plan view of the electric filter element according to a
  • FIG. 4 shows a plan view of an electrical filter element according to a further embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a block diagram of a
  • Fig. 1 shows a cross section through an electrical filter element 1 according to one embodiment.
  • the filter element 1 comprises a first dielectric
  • the dielectric board substrates 11, 12 may be any printed circuit board substrate, as used for example for printed circuits or the like. For example, that can
  • the filter element 1 comprises a number of one or more inner connecting elements 21, 22.
  • the filter element 1 comprises a plurality of inner connecting elements 21, 22.
  • the filter element 1 can have an even number of inner connecting elements 21, 22. In this way, a positive number and a negative polarity can each be assigned an equal number of inner connecting elements 21, 22.
  • the inner portion 13a of the magnetic core 13 may be filled with a dielectric filling material (not shown).
  • the inner portion 13a of the magnetic core 13 may be filled with a dielectric molding compound such as a synthetic resin or the like. In this way, the arrangement can be mechanically stabilized, for example.
  • a heat dissipation, in particular of the inner connecting elements 21, 22, can be increased by the dielectric filling material.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a cross section through an electrical filter element 1 according to another embodiment.
  • the statements made previously in connection with FIG. 1 also apply.
  • the filter element 1 according to FIG. 2 comprises in addition to the inner
  • Dielectric printed circuit substrate 12 are electrically connected to a corresponding outer connection element 31, 32. This can be
  • each outer electrical connection element 31, 32 can be electrically connected to a respective further corresponding inner connection element 23, 24 by means of a suitable electrical conductor structure on the first dielectric circuit substrate 11.
  • Printed circuit substrate 11, 12 and the outer connecting elements 31, 32 can be done in any way. For example, this can be done using
  • Soldered connection to be realized by means of welded connection or by means of press connection or the like.
  • Connecting elements can be realized.
  • a can also be realized.
  • the filter element 1 comprises a
  • Connection device 40 with a first connection element 41 and a second connection element 42 can be connected to the connection elements 41 and 42 of the positive and negative terminal of a DC voltage source.
  • connection elements 41 and 42 of the positive and negative terminal of a DC voltage source can be connected to the connection elements 41 and 42 of the positive and negative terminal of a DC voltage source.
  • a range G can be
  • connection element 41 of the connection device 40 is electrically coupled to an inner connection element 21.
  • second connection element 42 of the connection device 40 is electrically coupled to a further inner connection element 22.
  • first inner connecting element 21 is provided with a first outer one
  • Connecting element 31 is electrically connected.
  • the second inner connecting element 22 is electrically connected to a second outer connecting element 32.
  • the first outer connection member 31 is electrically connected to a third inner connection member 23 and the second outer one
  • Connecting element 32 is electrically connected on the first dielectric board substrate 11 to the fourth inner connecting element 24.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a top view of the filter element 1 according to a further embodiment. For those shown in Fig. 4
  • Embodiment also apply the previously made in connection with FIG. 3 embodiments.
  • a first filter capacitor 51 may be arranged between a positive terminal 41 and a negative terminal 42 of the filter element 1.
  • Such a capacitor is referred to, for example, as an X-capacitor.
  • X-capacitor Furthermore, for example, between the positive
  • a second or third filter capacitor 52, 53 may be arranged.
  • Such capacitors are for example also referred to as Y capacitors.
  • Capacitors, resistors or the like on the first printed circuit board substrate 11 possible.
  • identical or similar components for a symmetrical construction can be provided on the first printed circuit board substrate 11 and on the second printed circuit substrate 12, respectively.
  • a filter element 1 according to the invention can be produced by the simple combination of a first dielectric printed circuit board substrate 11 with already previously attached components, a second dielectric
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a block diagram of an electric power converter 2 with an electrical filter element 1, as has already been explained in the previously described embodiments.
  • Filter element 1 can, for example, with terminals on the first dielectric circuit board substrate 11 with an electrical
  • Printed circuit board substrate 12 with the input of an electric power converter 2 For example, an inverter or a DC-DC converter are electrically connected.
  • Filter element 1 are cooled by means of an active or passive cooling device. In this case, a thermal coupling of the
  • the present invention relates to an electrical
  • the electrical filter element for filtering AC interference.
  • the electrical filter element comprises two dielectric circuit board substrates with a magnetic core arranged between the circuit board substrates.
  • the magnetic core has a material-free inner region, in which electrical connecting elements between the two dielectric
  • Printed circuit board substrates are provided. Furthermore, electrical connection elements between the two dielectric circuit board substrates may also be provided in an outer region of the magnetic core.

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Abstract

Elektrisches Filterelement (1) zur Filterung von Wechselspannungsstörungen. Das elektrische Filterelement (1) umfasst zwei dielektrische Leiterplattensubstrate (11, 12) mit einem zwischen den Leiterplattensubstraten angeordneten magnetischen Kern (13). Der magnetische Kern (13) weist einen materialfreien Innenbereich (13a) auf, in dem elektrische Verbindungselemente (21-24) zwischen den beiden dielektrischen Leiterplattensubstraten (11, 12) vorgesehen sind. Weiterhin können auch in einem Außenbereich des magnetischen Kerns (13) elektrische Verbindungselemente (31, 32) zwischen den beiden dielektrischen Leiterplattensubstraten (11, 12) vorgesehen sein.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrisches Filterelement und elektrischer Stromrichter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Filterelement sowie einen elektrischen Stromrichter mit einem solchen elektrischen Filterelement.
Stand der Technik
Elektrische Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, finden in zahlreichen technischen Gebieten Einsatz. Beispielsweise werden solche Wechselrichter in elektrischen Antriebssystemen von Elektro- oder Hybridfahrzeugen verwendet. Die dabei eingesetzten Wechselrichter, insbesondere getaktete Wechselrichter, wie zum Beispiel Pulswechselrichter (PWR) erzeugen naturgemäß elektrisch Gleichtakt- und Gegentaktstörungen. Um diese Störungen zu minimieren, müssen in der Regel geeignete Filtervorrichtungen vorgesehen sein, die die Emission von Störgrößen in Richtung eines Versorgungsnetzes, wie zum
Beispiel dem Hochvoltnetz eines Elektrofahrzeuges, reduzieren. Hierzu existieren bereits zahlreiche Richtlinien und Vorschriften, die eine maximal zulässige Emission von Störungen vorgeben.
Die Druckschrift DE 10 2010 054 005 Al offenbart ein elektrisches Gerät mit einem Wechselrichter und einem EMV-Filter. Das EMV-Filter umfasst
Entstörkondensatoren und eine Gleichtaktunterdrückungsdrossel mit einem magnetisch wirksamen Kern. Die Gleichtaktanschlüsse des Wechselrichters sind über die Gleichtaktunterdrückungsdrossel mit Stromversorgungsanschlüssen und über die Entstörkondensatoren mit einem Masseanschluss verbunden.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung offenbart ein Elektrisches Filterelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine elektrische Stromrichteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein elektrisches Filterelement mit einem ersten dielektrischen
Leiterplattensubstrat, einem zweiten dielektrischen Leiterplattensubstrat, einem ringförmigen magnetischen Kern und einer ersten Anzahl von inneren
elektrischen Verbindungselementen. Der ringförmige magnetische Kern ist zwischen dem ersten Leiterplattensubstrat und dem zweiten Leiterplattensubstrat angeordnet. Die inneren elektrischen Verbindungselemente sind in einem Innenbereich des ringförmigen magnetischen Kerns angeordnet. Jedes innere elektrische Verbindungselement ist hierbei insbesondere dazu ausgelegt, einen elektrischen Anschlusspunkt auf dem ersten Leiterplattensubstrat mit einem korrespondierenden elektrischen Anschlusspunkt auf dem zweiten
Leiterplattensubstrat elektrisch zu verbinden.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein elektrischer Stromrichter mit einem erfindungsgemäßen elektrischen
Filterelement.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass elektrische Stromrichter, wie beispielsweise Pulswechselrichter, naturgemäß elektrische Gleichtakt- und Gegentaktstörungen hervorrufen können. Zur Reduktion dieser Störungen sind in der Regel speziell angepasste Filtervorrichtungen erforderlich. Konventionell ausgestaltete Filtervorrichtungen erfordern dabei einen hohen konzeptionellen Aufwand. Die Filtervorrichtungen zur Minimierung der Gleichtakt- und Gegentaktstörgrößen führen daher zu einem hohen Kostenaufwand und sind in der Regel auch mit einem signifikanten Bedarf an Bauraum verbunden.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein elektrisches Filterelement bereitzustellen, welches eine effiziente Filterung von Wechselspannungsanteilen auf einer Gleichspannungsleitung ermöglicht. Hierzu schafft die vorliegende Erfindung ein induktives Bauelement, welches aufgrund seiner speziellen Konstruktion mit geringem Bauraumvolumen eine Filterung von Wechselspannungsanteilen ermöglicht. Die spezielle konstruktive Ausgestaltung des Filterelements ermöglicht dabei aufgrund der verwendeten dielektrischen Leiterplatten eine sehr gute Basis für Anschlusselemente, um das Filterelement am Eingang und Ausgang mit weiteren Baugruppen elektrisch zu verbinden. Darüber hinaus kann durch die spezielle Anordnung des magnetischen Kerns zwischen den beiden Leiterplatten ein Stromverlauf realisiert werden, der einem induktiven
Bauelement mit mehreren elektrischen Windungen entspricht.
Auf diese Weise kann die Induktivität des Filterelements angepasst werden. Hierdurch werden die Filtereigenschaften des Bauelements zur Filterung von Wechselspannungsanteilen gesteigert. Somit kann auf geringem Bauraum eine hohe Induktivität realisiert werden, was eine effiziente Filterung von
Wechselspannungsanteilen bei geringem Bauraumvolumen ermöglicht.
Darüber hinaus bieten die verwendeten Leiterplattensubstrate eine
hervorragende Basis für die Anordnung weiterer Bauelemente. Insbesondere können auf den Leiterplatten zusätzliche Bauelemente angebracht werden. Diese zusätzlichen Bauelemente können ebenfalls zur Filterung von Störeinflüssen eingesetzt werden. Dabei können die zusätzlichen Bauelemente auf den einzelnen Leiterplatten, wie auch der magnetische Kern und die Leitungsführung zwischen den einzelnen Leiterplatten an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Auf diese Weise kann je nach Anwendungsfall stets eine optimale Anpassung der Filtereigenschaften realisiert werden.
Bei dem ersten und zweiten dielektrischen Leiterplattensubstrat kann es sich jeweils um ein beliebiges Leiterplattensubstrat handeln. Insbesondere können beispielsweise konventionelle Leiterplattensubstrate eingesetzt werden, wie sie zum Beispiel im Bereich von gedruckten Schaltungen Anwendung finden. Die Basis für derartige dielektrische Leiterplattensubstrate bilden beispielsweise Trägersubstrate aus einem elektrisch nicht leitenden Material, wie zum Beispiel Epoxidharz oder ähnlichem. Sofern auf den dielektrischen Leiterplattensubstraten weitere elektrisch leitfähige Strukturen angebracht werden sollen, können diese beispielsweise aus elektrisch leitfähigem Kupfer, Silber oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material realisiert werden. Die elektrisch leitfähigen Strukturen können beispielsweise die einzelnen Verbindungselemente des elektrischen Filterelements in geeigneter
Weise miteinander verbinden. Darüber hinaus können durch die leitfähigen Strukturen auch weitere Bauelement, wie zum Beispiel Kondensatoren, elektrische Widerstände oder elektrische Anschlusselemente kontaktiert werden. Die elektrisch leitfähigen Strukturen auf den dielektrischen
Leiterplattensubstraten können dabei entweder auf den Seiten angebracht werden, die dem magnetischen Kern abgewandt sind, oder auch auf den Seiten des Leiterplattensubstrats, die dem magnetischen Kern zugewandt sind. Auch ist es grundsätzlich möglich, sowohl auf den dem magnetischen Kern zugewandten Seiten als auch auf den dem magnetischen Kern abgewandten Seiten der Leiterplattensubstrate jeweils elektrisch leitfähige Strukturen anzubringen.
Bei dem ringförmigen magnetischen Kern kann es sich um einen beliebigen magnetischen Kern handeln. Der magnetische Kern weist dabei einen materialfreien Innenbereich. Somit kann der ringförmige magnetische Kern beispielsweise die Form eines Hohlzylinders, eines Toroids oder ähnlichem aufweisen. Der magnetische Kern muss hierbei nicht zwangsläufig eine kreisförmige Außengeometrie aufweisen. Auch beispielsweise rechteckförmige oder quadratische Querschnitte mit einem materialfreien Innenbereich sind als magnetischer Kern möglich. Darüber hinaus kann der magnetische Kern selbstverständlich auch eine beliebige andere Struktur aufweisen, welche einen materialfreien Innenbereich aufweist.
Bei den elektrischen Verbindungselementen kann es sich um beliebige elektrisch leitfähige Elemente handeln, welche dazu ausgelegt sind, eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den beiden dielektrischen Leiterplattensubstraten bereitzustellen. Insbesondere sind die inneren elektrischen Verbindungselemente dabei in dem materialfreien Innenbereich des magnetischen Kerns angeordnet. Beispielsweise kann es sich bei den elektrischen Verbindungselementen um elektrisch leitfähige Stäbe, beispielsweise um stabförmige Elemente aus einem elektrisch leitfähigen Metall handeln. Es versteht sich dabei, dass ein einzelnes elektrisch leitfähiges Verbindungselement auch aus mehreren einzelnen, parallel angeordneten Verbindungselementen bestehen kann, um zum Beispiel die Stromtragfähigkeit zu erhöhen. Die Verbindungselemente können mit den Anschlusspunkten auf den Leiterplattensubstraten beispielsweise verlötet, verschweißt oder auf beliebige andere Weise elektrisch verbunden werden. Beispielsweise sind auch Kontaktierungen mittels eines Pressverfahrens oder ähnlichem möglich.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des elektrischen Filterelements wird somit ein elektrischer Stromfluss von dem ersten dielektrischen
Leiterplattensubstrat durch den Innenbereich eines magnetischen Kerns zu einem zweiten dielektrischen Leiterplattensubstrat realisiert. Auf diese Weise kann ein induktives Bauelement geschaffen werden, welches die oben beschriebenen Vorteile ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das elektrische Filterelement eine zweite Anzahl von äußeren elektrischen Verbindungselementen. Die äußeren elektrischen Verbindungselemente sind in einem Außenbereich des ringförmigen magnetischen Kerns angeordnet. Jedes äußere elektrische Verbindungselement ist dabei dazu ausgelegt, jeweils einen Anschlusspunkt auf dem ersten
Leiterplattensubstrat mit einem korrespondierenden Anschlusspunkt auf dem zweiten Leiterplattensubstrat elektrisch zu verbinden. Darüber hinaus kann das erste Leiterplattensubstrat eine erste elektrisch leitfähige Struktur aufweisen, und das zweite Leiterplattensubstrat kann eine zweite elektrisch leitfähige Struktur aufweisen. Die erste elektrisch leitfähige Struktur kann jeweils einen
Anschlusspunkt eines inneren elektrischen Verbindungselementes mit einem Anschlusspunkt eines korrespondierenden äußeren elektrischen
Verbindungselementes koppeln. Analog kann die zweite elektrisch leitfähige Struktur dazu ausgelegt sein, jeweils einen Anschlusspunkt eines äußeren elektrischen Verbindungselementes mit einem korrespondierenden
Anschlusspunkt eines weiteren inneren elektrischen Verbindungselementes elektrisch zu koppeln. Auf diese Weise kann eine elektrische Leitungsstruktur an dem magnetischen Kern geschaffen werden, die jeweils mehreren Windungen um den magnetischen Kern herum entspricht. Insbesondere kann für einen Gleichstrom der elektrische Strom im Innenbereich des magnetischen Kerns jeweils in eine erste Richtung fließen, und im Außenbereich in eine zweite, entgegengesetzte Richtung fließen. Hierdurch kann ein elektrisches Filterelement geschaffen werden, welches jeweils mehrere Windungen für die Induktivität des Filterelements aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das elektrische Filterelement einen ersten Kondensator, der auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat angeordnet ist. Der erste Kondensator kann an einem ersten Anschluss mit einem ersten inneren Verbindungselement elektrisch gekoppelt sein und an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten inneren Verbindungselement elektrisch gekoppelt sein. Auf diese Weise kann zwischen zwei inneren elektrischen Verbindungselementen des Filterelements eine Kapazität vorgesehen werden. Diese Kapazität kann ebenfalls zur Filterung von
Wechselspannungsstörungen eingesetzt werden. Analog ist es auch möglich, einen weiteren Kondensator auf dem zweiten dielektrischen Leiterplattensubstrat vorzusehen, der ebenfalls zwischen zwei inneren Verbindungselementen angeordnet ist. Derartige Kondensatoren werden auch als X- Kondensatoren bezeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das elektrische Filterelement einen zweiten Kondensator und einen dritten Kondensator. Der zweite Kondensator kann auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat angeordnet sein, und an einem ersten Anschluss mit einem ersten inneren Verbindungselement elektrisch gekoppelt sein, sowie mit einem zweiten Anschluss mit einem Bezugspotenzial elektrisch gekoppelt sein. Analog kann der dritte Kondensator ebenfalls auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat angeordnet sein. Der dritte
Kondensator kann mit einem ersten Anschluss mit einem zweiten inneren Verbindungselement elektrisch gekoppelt sein mit einem zweiten Anschluss mit einem Bezugspotenzial elektrisch gekoppelt sein. Auf diese Weise können zwischen einzelnen inneren Verbindungselementen und einem Bezugspotenzial Kondensatoren, sogenannte Y- Kondensatoren, vorgesehen sein. Diese ermöglichen ebenfalls eine Filterung von Wechselspannungsstörungen.
Analog zu der beschriebenen Anordnung der Y- Kondensatoren auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat, können zusätzlich oder alternativ auch Y- Kondensatoren oder X- Kondensatoren auf dem zweiten dielektrischen
Leiterplattensubstrat angeordnet sein. Durch die Verwendung der Filterkondensatoren auf dem dielektrischen
Leiterplattensubstrat können die einzelnen Leiterplattensubstrate entsprechend der jeweiligen Anwendung individuell konfektioniert werden. Dies ermöglicht einen flexiblen und modularen Aufbau von Filterelementen für jeweils
unterschiedliche Anwendungsfälle.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das erste Leiterplattensubstrat eine erste Anschlusseinrichtung mit mehreren Anschlusselementen. Die
Anschlusseinrichtung kann dazu ausgelegt sein, mit einer elektrischen
Spannungsquelle verbunden zu werden. Insbesondere kann jedes
Anschlusselement der Anschlussvorrichtung mit einem inneren
Verbindungselement elektrisch gekoppelt sein. Beispielsweise kann die
Anschlusseinrichtung zwei Anschlusselemente aufweisen, die mit den jeweiligen Anschlusselementen einer Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden werden können.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Innenbereich des ringförmigen
magnetischen Kerns mit einem dielektrischen Füllmaterial ausgefüllt. Bei dem Füllmaterial kann es sich beispielsweise um eine dielektrische Gießmasse wie zum Beispiel ein Kunstharz o.ä. handeln. Durch das Ausfüllen des Innenbereichs des ringförmigen Kerns kann einerseits die Stabilität des elektrischen
Filterelements erhöht werden. Darüber hinaus kann das dielektrische
Filtermaterial beispielsweise einer verbesserten Entwärmung des Filterelements dienen.
Gemäß einer Ausführungsform weist der magnetische Kern eine geschlossene ringförmige Struktur auf. Beispielsweise kann der magnetische Kern als ein toroidförmiges oder hohlzylinderförmiges Bauelement ausgeführt sein.
Insbesondere kann der magnetische Kern aus einem einzigen Materialstück realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der magnetische Kern mindestens einen Luftspalt auf. Zusätzlich oder alternativ kann der magnetische Kern auch voneinander getrennte ferromagnetische Teilchen umfassen. Ein derartiger Kern mit voneinander getrennten ferromagnetischen Teilchen wird auch als Kern mit einem sogenannten verteilten Luftspalt bezeichnet. Durch diskrete oder verteilte Luftspalte können die induktiven Eigenschaften des elektrischen Filterelements entsprechend angepasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das elektrische Filterelement eine Kühleinrichtung. Die Kühleinrichtung kann thermisch mit dem magnetischen Kern gekoppelt sein. Insbesondere kann die Kühleinrichtung dazu ausgelegt sein, den magnetischen Kern und/oder die inneren sowie äußeren Verbindungselemente und/oder die weiteren Bauelemente auf den dielektrischen
Leiterplattensubstraten zu entwärmen. Bei der Kühleinrichtung kann es sich sowohl um eine aktive oder alternativ auch um eine passive Kühleinrichtung handeln. Insbesondere sind beispielsweise luft- oder flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtungen möglich.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen,
Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1: einen Querschnitt durch ein elektrisches Filterelement gemäß einer
Ausführungsform;
Fig. 2: einen Querschnitt durch ein elektrisches Filterelement gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 3: eine Draufsicht auf elektrisches Filterelement gemäß einer
Ausführungsform; Fig. 4: eine Draufsicht auf ein elektrisches Filterelement gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
Fig. 5: eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines
elektrischen Stromrichters mit einem Filterelement gemäß einer Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein elektrisches Filterelement 1 gemäß einer Ausführungsform. Das Filterelement 1 umfasst ein erstes dielektrisches
Leiterplattensubstrat 11 und ein zweites dielektrisches Leiterplattensubstrat 12. Bei den dielektrischen Leiterplattensubstraten 11, 12 kann es sich dabei um ein beliebiges Leiterplattensubstrat handeln, wie es beispielsweise für gedruckte Schaltungen oder ähnliches eingesetzt wird. Beispielsweise kann das
Leiterplattensubstrat auf Basis eines Kunstharzes oder ähnlichem ausgeführt sein. Zwischen dem ersten Leiterplattensubstrat 11 und dem zweiten
Leiterplattensubstrat 12 ist ein ringförmiger magnetischer Kern 13 angeordnet. Der ringförmige magnetische Kern 13 weist einen materialfreien Innenbereich 13a auf. Weiterhin umfasst das Filterelement 1 eine Anzahl von einem oder mehreren inneren Verbindungselemente 21, 22. Vorzugsweise umfasst das Filterelement 1 mehrere innere Verbindungselemente 21, 22. Insbesondere bei Gleichspannungsanwendungen kann das Filterelement 1 eine gerade Anzahl von inneren Verbindungselementen 21, 22 aufweisen. Auf diese Weise kann einer positiven und einer negativen Polarität jeweils eine gleiche Anzahl von inneren Verbindungselementen 21, 22 zugeordnet werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ermöglicht somit einen elektrischen
Stromfluss zwischen dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat 11 und dem zweiten dielektrischen Leiterplattensubstrat 12 durch den Innenbereich 13a des magnetischen Kerns 13. Gegebenenfalls kann der Innenbereich 13a des magnetischen Kerns 13 mit einem dielektrischen Füllmaterial ausgefüllt werden (hier nicht dargestellt). Beispielsweise kann der Innenbereich 13a des magnetischen Kerns 13 mit einer dielektrischen Gussmasse, wie zum Beispiel einem Kunstharz oder ähnlichem ausgefüllt werden. Auf diese Weise kann die Anordnung beispielsweise mechanisch stabilisiert werden. Darüber hinaus kann gegebenenfalls durch das dielektrische Füllmaterial eine Entwärmung insbesondere der inneren Verbindungselemente 21, 22 gesteigert werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein elektrisches Filterelement 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Für die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform gelten auch die zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 gemachten Ausführungen.
Das Filterelement 1 gemäß Fig. 2 umfasst neben den inneren
Verbindungselementen 21-24 auch äußere Verbindungselemente 31, 32. Dabei kann jeweils ein inneres Verbindungselement 21, 22 auf dem zweiten
dielektrischen Leiterplattensubstrat 12 mit einem korrespondierenden äußeren Verbindungselement 31, 32 elektrisch verbunden werden. Dies kann
beispielsweise mittels einer geeigneten elektrischen Leiterbahnstruktur auf dem zweiten dielektrischen Leiterplattensubstrat 12 realisiert werden. Darüber hinaus kann jedes äußere elektrische Verbindungselement 31, 32 mittels einer geeigneten elektrischen Leiterbahnstruktur auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat 11 mit einem jeweils weiteren korrespondierenden inneren Verbindungselement 23, 24 elektrisch verbunden werden. Die elektrischen Verbindungen zwischen den inneren Verbindungselementen 21-24 und den elektrisch leitfähigen Strukturen 15-18 auf den dielektrischen
Leiterplattensubstraten 11, 12 sowie den äußeren Verbindungselementen 31, 32 können auf beliebige Weise erfolgen. Beispielsweise kann dies mittels
Lötverbindung, mittels Schweißverbindung oder auch mittels Pressverbindung oder ähnlichem realisiert werden.
Auf diese Weise kann jeweils mittels eines inneren Verbindungselementes 21,
22, einer elektrisch leitfähigen Struktur 17, 18 auf dem zweiten dielektrischen Leiterplattensubstrat 12, einem äußeren elektrischen Verbindungselement 31,
32, einer weiteren elektrisch leitfähigen Struktur 15, 16 auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat 11 sowie einem weiteren inneren elektrischen Verbindungselement 23, 24 ein Stromverlauf über mehrere Windungen um den magnetischen Kern 13 herum realisiert werden. Der Stromfluss ist hierbei nicht auf den hier dargestellten Verlauf mit zwei Windungen beschränkt - maßgeblich für die Betrachtung der Windungen ist die Anzahl der inneren
Verbindungselemente 21-24. Vielmehr können auch mehr als zwei Windungen durch entsprechende mehrfache Verbindung von inneren und äußeren
Verbindungselementen realisiert werden. Beispielsweise kann auch ein
Stromverlauf mit beispielsweise drei inneren Verbindungselementen und zwei äußeren Verbindungselementen oder in allgemeiner Form mittels n inneren Verbindungselementen und n-1 äußeren Verbindungselementen realisiert werden. Insbesondere können bei Gleichspannungsanwendungen für jeweils den positiven und den negativen Anschluss, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, zwei korrespondierende Verbindungsverläufe realisiert werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein Filterelement 1 gemäß einer Ausführungsform. Das Filterelement 1 umfasst eine
Anschlusseinrichtung 40 mit einem ersten Anschlusselement 41 und einem zweiten Anschlusselement 42. Beispielsweise kann an die Anschlusselemente 41 und 42 der positive und der negative Anschluss einer Gleichspannungsquelle angeschlossen werden. Darüber hinaus kann in einem Bereich G ein
Bezugspotenzial angeschlossen werden. Das erste Anschlusselement 41 der Anschlusseinrichtung 40 ist mit einem inneren Verbindungselement 21 elektrisch gekoppelt. Analog ist das zweite Anschlusselement 42 der Anschlusseinrichtung 40 mit einem weiteren inneren Verbindungselement 22 elektrisch gekoppelt. Auf dem hier nicht dargestellten zweiten dielektrischen Leiterplattensubstrat 12 ist das erste innere Verbindungselement 21 mit einem ersten äußeren
Verbindungselement 31 elektrisch verbunden. Analog ist das zweite innere Verbindungselement 22 mit einem zweiten äußeren Verbindungselement 32 elektrisch verbunden.
Weiterhin ist auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat 11, wie hier dargestellt, das erste äußere Verbindungselement 31 mit einem dritten inneren Verbindungselement 23 elektrisch verbunden und das zweite äußere
Verbindungselement 32 ist auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat 11 mit dem vierten inneren Verbindungselement 24 elektrisch verbunden.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht des Filterelements 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Für die in Fig. 4 dargestellte
Ausführungsform gelten auch die zuvor im Zusammenhang mit Fig. 3 gemachten Ausführungen. Darüber hinaus ist in Fig. 4 zu erkennen, dass auf dem ersten Leiterplattensubstrat 11 noch weitere Bauelemente angeordnet sein können. Beispielsweise kann zwischen einem positiven Anschluss 41 und einem negativen Anschluss 42 des Filterelements 1 ein erster Filterkondensator 51 angeordnet sein. Ein solcher Kondensator wird beispielsweise als X-Kondensator bezeichnet. Weiterhin kann beispielsweise auch zwischen dem positiven
Anschluss 41 und dem Bezugspotenzial G sowie zwischen dem negativen Anschluss 42 und dem Bezugspotenzial G jeweils ein zweiter bzw. dritter Filterkondensator 52, 53 angeordnet sein. Derartige Kondensatoren werden beispielsweise auch als Y- Kondensatoren bezeichnet. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch noch weitere Bauelemente insbesondere weitere
Kondensatoren, Widerstände oder ähnliches auf dem ersten Leiterplattensubstrat 11 möglich.
Analog zu den Bauelementen auf dem ersten Leiterplattensubstrat 11 können zusätzlich oder alternativ auch auf dem zweiten Leiterplattensubstrat 12 ebenfalls weitere Bauelemente insbesondere Filterkondensatoren oder ähnliches vorgesehen sein. Insbesondere können auf dem ersten Leiterplattensubstrat 11 und auf dem zweiten Leiterplattensubstrat 12 jeweils gleiche oder gleichartige Bauelemente für einen symmetrischen Aufbau vorgesehen sein.
Auf diese Weise lässt sich ein erfindungsgemäßes Filterelement 1 durch die einfache Kombination eines ersten dielektrischen Leiterplattensubstrats 11 mit bereits zuvor angebrachten Bauelementen, eines zweiten dielektrischen
Leiterplattensubstrats 12 mit ebenfalls zuvor angebrachten Bauelementen sowie dem magnetischen Kern 13 und den Verbindungselementen 21-24 sowie 31, 32 auf einfache Weise jeweils ein individuell angepasstes Filterelement 1
realisieren.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines elektrischen Stromrichters 2 mit einem elektrischen Filterelement 1, wie es in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen bereits erläutert wurde. Das
Filterelement 1 kann dabei beispielsweise mit Anschlüssen auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat 11 mit einer elektrischen
Gleichspannungsquelle 3 elektrisch gekoppelt werden. Weiterhin kann das Filterelement 1 mit Anschlüssen auf dem zweiten dielektrischen
Leiterplattensubstrat 12 mit dem Eingang eines elektrischen Stromrichters 2, beispielsweise eines Wechselrichters oder eines Gleichspannungswandlers elektrisch verbunden werden.
Insbesondere bei hohen elektrischen Leistungen kann das elektrische
Filterelement 1 mittels einer aktiven oder passiven Kühleinrichtung entwärmt werden. Hierbei ist insbesondere auch eine thermische Kopplung des
Filterelements 1 mit dem elektrischen Stromrichter 2, insbesondere mit einer Kühleinrichtung des Stromrichters 2 möglich. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisches
Filterelement zur Filterung von Wechselspannungsstörungen. Das elektrische Filterelement umfasst zwei dielektrische Leiterplattensubstrate mit einem zwischen den Leiterplattensubstraten angeordneten magnetischen Kern. Der magnetische Kern weist einen materialfreien Innenbereich auf, in dem elektrische Verbindungselemente zwischen den beiden dielektrischen
Leiterplattensubstraten vorgesehen sind. Weiterhin können auch in einem Außenbereich des magnetischen Kerns elektrische Verbindungselemente zwischen den beiden dielektrischen Leiterplattensubstraten vorgesehen sein.

Claims

Ansprüche
1. Elektrisches Filterelement (1), mit: einem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat (11); einem zweiten dielektrischen Leiterplattensubstrat (12); einem ringförmigen magnetischen Kern (13), der zwischen dem ersten Leiterplattensubstrat (11) und dem zweiten Leiterplattensubstrat (12) angeordnet ist; und einer Anzahl von inneren elektrischen Verbindungselementen (21-24), die in einem Innenbereich (13a) des ringförmigen magnetischen Kerns (13) angeordnet sind, wobei jedes innere elektrische Verbindungselement (21- 24) dazu ausgelegt ist, einen Anschlusspunkt auf dem ersten
Leiterplattensubstrat (11) mit einem korrespondierenden Anschlusspunkt auf dem zweiten Leiterplattensubstrat (12) elektrisch zu verbinden.
2. Elektrisches Filterelement (1) nach Anspruch 1, mit einer weiteren Anzahl von äußeren elektrischen Verbindungselementen (31, 32), die in einem Außenbereich des ringförmigen magnetischen Kerns (13) angeordnet sind, wobei jedes äußere elektrische Verbindungselement (31, 32) dazu ausgelegt ist, jeweils einen Anschlusspunkt auf dem ersten
Leiterplattensubstrat (11) mit einem korrespondierenden Anschlusspunkt auf dem zweiten Leiterplattensubstrat (12) elektrisch zu verbinden, wobei das erste Leiterplattensubstrat (11) eine erste elektrisch leitfähige Struktur (15, 16) umfasst, die dazu ausgelegt ist, jeweils ein inneres elektrisches Verbindungselement (21, 22) mit einem äußeren elektrischen Verbindungselement (31, 32) elektrisch zu koppeln, und wobei das zweite Leiterplattensubstrat (12) eine zweite elektrisch leitfähige Struktur (17, 18) umfasst, die dazu ausgelegt ist jeweils ein äußeres elektrisches Verbindungselement (31, 32) mit einem weiteren inneren elektrischen Verbindungselement (23, 24) elektrisch zu koppeln.
3. Elektrisches Filterelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, mit einem ersten Kondensator (51), der auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat
(11) angeordnet ist, und der an einem ersten Anschluss mit einem ersten inneren Verbindungselement (21) elektrisch gekoppelt ist und an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten inneren Verbindungselement (22) elektrisch gekoppelt ist.
4. Elektrisches Filterelement (1) nach Anspruch 3, mit: einem zweiten Kondensator (52), der auf dem ersten dielektrischen Leiterplattensubstrat (11) angeordnet ist, und der an einem ersten
Anschluss mit dem ersten inneren Verbindungselement (21) elektrisch gekoppelt ist und an einem zweiten Anschluss mit einem Bezugspotenzial (G) elektrisch gekoppelt ist, und einem dritten Kondensator (53), der auf dem ersten dielektrischen
Leiterplattensubstrat (11) angeordnet ist, und der an einem ersten
Anschluss mit dem zweiten inneren Verbindungselement (22) elektrisch gekoppelt ist und an einem zweiten Anschluss mit einem Bezugspotenzial (G) elektrisch gekoppelt ist. 5. Elektrisches Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Leiterplattensubstrat (11) eine Anschlusseinrichtung (40) mit mehreren Anschlusselementen (41, 42) umfasst, das dazu ausgelegt ist, mit einer elektrischen Spannungsquelle (3) verbunden zu werden, und wobei jeweils ein Anschlusselement (41, 42) mit einem inneren
Verbindungselement (21, 22) elektrisch gekoppelt ist.
6. Elektrisches Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Innenbereich (13a) des ringförmigen magnetischen Kerns (13) mit einem dielektrischen Füllmaterial ausgefüllt ist.
7. Elektrisches Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der magnetische Kern (13) eine geschlossene ringförmige Struktur aufweist.
8. Elektrisches Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der magnetische Kern (13) mindestens einen Luftspalt und/oder einen Kern mit voneinander getrennten ferromagnetischen Teilchen umfasst.
9. Elektrisches Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Kühleinrichtung, die thermisch mit dem magnetischen Kern (13) gekoppelt ist.
10. Elektrischer Stromrichter (2) mit einem elektrischen Filterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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