DE102018007042B4

DE102018007042B4 - Leistungselektronik

Info

Publication number: DE102018007042B4
Application number: DE102018007042.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Silkenbeumer; Herwig Rilling; Kay Wahdan
Original assignee: Kostal Ind Elektrik & Co Kg GmbH; Kostal Industrie Elektrik & Co Kg GmbH
Current assignee: Kostal Industrie Elektrik & Co Kg De GmbH
Priority date: 2018-09-06
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2024-06-20
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: DE102018007042A1

Abstract

Leistungselektronik umfassend zumindest einen ersten elektrischen Schaltungsträger (1), auf dem eine leistungselektronische Schaltungsbrücke, eine Treiberschaltung und ein Kondensator (5) angeordnet sind, sowie eine eine elektrische Wicklung und einen magnetischen Kern (6) aufweisende Induktivität, wobei ein zweiter elektrischer Schaltungsträger (2) parallel zu dem ersten elektrischen Schaltungsträger (1) angeordnet ist, und wobei die elektrische Wicklung der Induktivität zumindest teilweise durch Leiterbahnen (1', 2') jeweils auf dem ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger (1, 2) gebildet ist. dadurch gekennzeichnet, dass Teile der elektrischen Wicklung der Induktivität durch elektrische leitende Elemente (3) gebildet sind, die Leiterbahnen (1', 2') der jeweils ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger (1, 2) miteinander verbinden, dass die durch den magnetischen Kern (6) in Kooperation mit der diesen umlaufenden elektrischen Wicklung gebildete Induktivität direkt um die elektronischen Bauelemente (4) der leistungselektronischen Schaltungsbrücke und der zugehörigen Treiberschaltung herum gebaut ist, dass auch die als Stützkapazität dienenden Kondensatoren (5) in direkter Nachbarschaft dazu platziert sind, und dass zur Entwärmung durch Konvektion ein Ventilator (8) auf dem zweiten Schaltungsträger (2) direkt oberhalb der auf dem ersten Schaltungsträger (1) vorhandenen elektronischen Bauelemente (4) angeordnet ist, und dass der zweite Schaltungsträger (2) mit einem entsprechend großen, einen hohem Luftstrom ermöglichenden Durchbruch (2*) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik umfassend zumindest einen elektrischen Schaltungsträger, auf dem eine leistungselektronische Schaltungsbrücke, eine Treiberschaltung und ein Kondensator angeordnet sind, sowie eine eine elektrische Wicklung und einen magnetischen Kern aufweisende Induktivität, wobei ein zweiter elektrischer Schaltungsträger parallel zu dem ersten elektrischen Schaltungsträger angeordnet ist, und wobei die elektrische Wicklung der Induktivität zumindest teilweise durch Leiterbahnen jeweils auf dem ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger gebildet ist.
Solche Leistungselektroniken finden beispielsweise als wesentlicher Bestandteil von Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen oder von Umrichtern in Antriebreglern oder Netzteilen Anwendung. Ein regelmäßig auftretendes Problem bei solchen Leistungselektroniken besteht darin, dass diese insbesondere aufgrund der verwendeten Betriebsfrequenzen und der Größe der verwendeten elektronischen Bauteile signifikante elektromagnetische Störausstrahlungen verursachen. So werden derzeit besonders groß bauende Induktivitäten und Kapazitäten benötigt, die viel Raum einnehmen und zu ihrer elektrischen Anbindung lange Leitungswege erfordern, die wiederum erheblich zu der erwähnten EMV-Abstrahlung beitragen.
Durch die zweidimensionale Anordnung dieser großen Bauteile auf der Ebene eines Schaltungsträgers ergeben sich selbst unter günstigen Bedingungen noch EMV-Abstrahlungen in einem so großen Umfang, dass diese zwingend an anderer Stelle mit großem Aufwand in Form von Entstör- und Abschirmmaßnahmen bekämpft werden müssen.
Mit der derzeit verwendeten Aufbau- und Verbindungstechnik ist auch eine unvorteilhafte Verteilung der insbesondere durch die leistungselektronischen Bauteile verursachten Verlustleistung sowie der dadurch hervorgerufenen Wärmeentwicklung verbunden.
Aus der Druckschrift CN 1 07 527 727 A ist eine Leistungselektronik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt geworden. Diese Leistungselektronik umfasst eine Induktivität mit einem magnetischen Kern sowie einer elektrischen Wicklung, die teilweise durch Leiterbahnen auf zwei parallel zueinander angeordneten Leiterplatten gebildet ist.
Die DE 694 20 817 T2 zeigt eine Leistungselektronik, welche eine leistungselektronische Schaltungsbrücke, eine Treiberschaltung und einen Kondensator aufweist.
Die US 5 959 846 A zeigt eine elektrische Schaltung, bei der elektronische Komponenten innerhalb eines magnetischen Kerns angeordnet sind.
Die Leistungselektronik gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, durch seinen kompakten Aufbau wesentliche Verbesserungen bei der Reduzierung der EMV-Abstrahlung und bei der Wärmeableitung zu ermöglichen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass Teile der elektrischen Wicklung der Induktivität durch elektrische leitende Elemente gebildet sind, die Leiterbahnen der jeweils ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger miteinander verbinden, dass die durch den magnetischen Kern in Kooperation mit der diesen umlaufenden elektrischen Wicklung gebildete Induktivität direkt um die elektronischen Bauelemente der leistungselektronischen Schaltungsbrücke und der zugehörigen Treiberschaltung herum gebaut ist, dass auch die als Stützkapazität dienenden Kondensatoren in direkter Nachbarschaft dazu platziert sind, und dass zur Entwärmung durch Konvektion ein Ventilator auf dem zweiten Schaltungsträger direkt oberhalb der auf dem ersten Schaltungsträger vorhandenen elektronischen Bauelemente angeordnet ist, und dass der zweite Schaltungsträger mit einem entsprechend großen, einen hohem Luftstrom ermöglichenden Durchbruch versehen ist.
Eine sehr effektive Ableitung der insbesondere durch die Verlustleistung der leistungselektronischen Bauteile hervorgerufenen Wärme ist dadurch ermöglicht, dass die leistungselektronische Schaltungsbrücke und ihre Peripherie direkt auf einer Entwärmungsschnittstelle etwa in Form eines ausgedehnten Kühlkörpers aus einem gut wärmeleitfähigen Material platziert sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leistungselektronik ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:

1 Eine erfindungsgemäße Leistungselektronik im Längsschnitt
2 Die Leistungselektronik aus 1 in einer 3D-Ansicht

Bei der in der Zeichnung dargestellten, erfindungsgemäßen Leistungselektronik sind auf einem ersten Schaltungsträger 1 die elektronischen Bauelemente 4 einer leistungselektronischen Schaltungsbrücke und einer Treiberschaltung angeordnet. Weiterhin befinden sich auf dem ersten Schaltungsträger 1 Kondensatoren 5 sowie ein ringförmiger magnetischer Kern 6. Zur Bildung der Induktivität des Wechselrichters sind entsprechend ausgebildete Leiterbahnen 1', 2` auf dem ersten Schaltungsträger 1 sowie auf einem zweiten Schaltungsträger 2, der parallel zu dem ersten elektrischen Schaltungsträger 1 angeordnet ist, jeweils durch elektrische leitende Elemente 3 so miteinander verbunden, dass diese gemeinsam eine den magnetischen Kern 6 umlaufende elektrische Wicklung bilden.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist also die durch den ringförmigen magnetischen Kern 6 in Kooperation mit der diesen umlaufenden elektrischen Wicklung gebildete Induktivität direkt um die elektronischen Bauelemente 4 der leistungselektronischen Schaltungsbrücke und der zugehörigen Treiberschaltung herum gebaut, wobei auch die als Stützkapazität dienenden Kondensatoren 5 in direkter Nachbarschaft dazu platziert sind. Es sind jedoch auch andere Anordnungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, wobei insbesondere auch der Platz auf dem zweiten Schaltungsträger 2 mitgenutzt werden kann. Wichtig ist hierbei im Auge zu behalten, dass die erforderlichen Leitungslängen zwischen den verschiedenen Komponenten möglichst kurz gehalten werden.
Durch die so verringerten Abstände der Komponenten zueinander und die damit verbundene Verkürzung strahlender Leiterschleifen wird eine EMV-Störaussendung stark reduziert.
Derzeit gebräuchliche Leistungselektroniken werden mit vergleichsweise niedrigen Taktfrequenzen betrieben. Im Falle von Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen liegen diese etwa im Bereich von ca. 9 kHz bis 32 kHz. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, die Taktfrequenz über diesen Rahmen hinaus weiter anzuheben. Bei den angesprochenen Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen beispielweise erscheinen Taktfrequenzen im Bereich um 100 kHz durchaus erreichbar, was dazu führt, dass auch kleinere Induktivitäten und kleinere Stützkapazitäten verwendet werden können.
Somit besteht bei dieser Art des Aufbaus dann auch die Möglichkeit den Wechselrichter ausschließlich mit SMD Komponenten aufzubauen, wodurch es möglich ist, ganze Fertigungsschritte, wie beispielsweise manuelles Anschließen von Leitungssätzen zwischen Inverter und Induktivität, Einpressen von Powermodulen, Wellenlöten bedrahteter Komponenten und so weiter einzusparen und so den Einsatz manueller Fertigungsschritte in Summe zu minimieren.
Die leistungselektronische Schaltungsbrücke und ihre Peripherie werden direkt auf einer Entwärmungsschnittstelle platziert. Als solche dient im hier gezeigten Beispiel ein ausgedehnter Kühlkörper 7 aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie etwa Aluminium oder Kupfer. Zusätzlich kann ein solcher Kühlkörper 7 auch noch mit hier nicht dargestellten Kanälen zur Durchströmung mit einem Kühlfluid versehen sein. Auch Teile der Schaltungsträger 1, 2 können zur Wärmeabfuhr von den leistungselektronischen Bauelementen 4 genutzt werden, indem z.B. sogenannte IMS-Leiterplatten eingesetzt werden.
Zur zusätzlichen Entwärmung durch Konvektion, bei der ein Teil der Verlustwärme über die Luft an das Gehäuse des Gerätes und schließlich an die Umgebung abgegeben wird, kann beispielsweise auch der Einsatz eines Ventilators 8 vorgesehen werden. Ein solcher ist im dargestellten Fall auf dem zweiten Schaltungsträger 2 direkt oberhalb der auf dem ersten Schaltungsträger 1 vorhandenen elektronischen Bauelemente 4 der leistungselektronischen Schaltungsbrücke angeordnet. Der zweite Schaltungsträger 2 wird dazu mit einem entsprechend großen, einen hohen Luftstrom ermöglichenden Durchbruch 2* versehen.

Claims

Leistungselektronik umfassend zumindest einen ersten elektrischen Schaltungsträger (1), auf dem eine leistungselektronische Schaltungsbrücke, eine Treiberschaltung und ein Kondensator (5) angeordnet sind, sowie eine eine elektrische Wicklung und einen magnetischen Kern (6) aufweisende Induktivität, wobei ein zweiter elektrischer Schaltungsträger (2) parallel zu dem ersten elektrischen Schaltungsträger (1) angeordnet ist, und wobei die elektrische Wicklung der Induktivität zumindest teilweise durch Leiterbahnen (1', 2') jeweils auf dem ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger (1, 2) gebildet ist. dadurch gekennzeichnet, dass Teile der elektrischen Wicklung der Induktivität durch elektrische leitende Elemente (3) gebildet sind, die Leiterbahnen (1', 2') der jeweils ersten und zweiten elektrischen Schaltungsträger (1, 2) miteinander verbinden, dass die durch den magnetischen Kern (6) in Kooperation mit der diesen umlaufenden elektrischen Wicklung gebildete Induktivität direkt um die elektronischen Bauelemente (4) der leistungselektronischen Schaltungsbrücke und der zugehörigen Treiberschaltung herum gebaut ist, dass auch die als Stützkapazität dienenden Kondensatoren (5) in direkter Nachbarschaft dazu platziert sind, und dass zur Entwärmung durch Konvektion ein Ventilator (8) auf dem zweiten Schaltungsträger (2) direkt oberhalb der auf dem ersten Schaltungsträger (1) vorhandenen elektronischen Bauelemente (4) angeordnet ist, und dass der zweite Schaltungsträger (2) mit einem entsprechend großen, einen hohem Luftstrom ermöglichenden Durchbruch (2*) versehen ist.
Leistungselektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem zweiten elektrischen Schaltungsträger (2) ebenfalls elektronische Bauelemente (4) platziert sind.
Leistungselektronik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Schaltungsbrücke und ihre Peripherie direkt auf einer Entwärmungsschnittstelle platziert sind.
Leistungselektronik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwärmungsschnittstelle durch einen Kühlkörper (7) aus einem gut wärmeleitfähigen Material gebildet ist.
Verwendung einer Leistungselektronik nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Bestandteil eines Wechselrichters für Photovoltaikanlagen oder eines Umrichters für Antriebregler oder Netzteile.