Titel

Kommutierzelle für einen Inverter

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kommutierzelle, insbesondere für einen Inverter. Die Kommutierzelle weist einen insbesondere keramischen Schaltungsträger, und eine Halbleiterschalter-Halbbrücke auf. Die Kommutierzelle weist auch einen Stromsensor auf, welcher ausgebildet und angeordnet ist, einen Phasenstrom der Kommutierzelle zu erfassen.

Aus der DE 102011 003998 B4 ist eine integrierte Schaltung bekannt, welche einen Halbleiterchip und einen Magnetfeldsensor aufweist, wobei der Magnetfeldsensor ausgebildet ist, ein Magnetfeld zu erfassen, das durch einen Strom erzeugt wird, der durch die gesinterte Metallschicht fließt.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß weist die Kommutierzelle eine mit dem Schaltungsträger insbesondere stoffschlüssig verbundene, und zum Schaltungsträger parallel angeordnete flexible Leiterplatte auf. Der Schaltungsträger weist eine Leiterbahn auf, welche ausgebildet ist, den Ausgangsstrom der Halbbrücke zu führen. Der Stromsensor ist mit der flexiblen Leiterplatte elektrisch verbunden und angeordnet, ein von der insbesondere stromdurchflossenen Leiterbahn erzeugtes magnetisches Feld zu erfassen, und ausgebildet, ein Stromsignal zu erzeugen, das den in der Leiterbahn fließenden Strom repräsentiert. Vorteilhaft kann mittels der flexiblen Leiterplatte so ein insbesondere gegenüber thermischen Ausdehnungen stabiler Aufbau gebildet sein. Vorteilhaft kann das von dem Stromsensor zu erfassende Magnetfeld durch die flexible Leiterplatte hindurch geleitet werden, sodass der Stromsensor aufwandsgünstig mit der flexiblen Leiterplatte mechanisch und elektrisch verbunden sein kann.

Bevorzugt ist der Stromsensor mit der flexiblen Leiterplatte verlötet, versintert oder mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs verklebt. Vorteilhaft kann die Kommutierzelle und der Stromsensor so aufwandsgünstig gebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die flexible Leiterplatte und der Schaltungsträger flach aufeinanderliegend stoffschlüssig miteinander verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen der flexiblen Leiterplatte und dem Schaltungsträger ist bevorzugt durch eine Lötverbindung, oder eine Klebeverbindung gebildet. Vorteilhaft kann so ein Schichtverbund gebildet sein, welcher aufwandsgünstig erzeugt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterbahn im Bereich des Schaltungsträgers S-förmig ausgebildet. Vorteilhaft kann so eine Magnetfeldverstärkung zum Erfassen des Stromes in der Leiterbahn gebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterbahn im Bereich des Schaltungsträgers I-förmig ausgebildet. Vorteilhaft kann die Leiterbahn so zwei Aussparungen aufweisen, welche die I-förmige Leiterbahn zwischeneinander einschließen, und durch die ein Magnetfeld zum Erfassen durch den Stromsensor geleitet werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kommutierzelle ein Abschirmelement auf. Das Abschirmelement ist bevorzugt zwischen dem Stromsensor und der Leiterbahn ausgebildet. Vorteilhaft kann so ein elektrisches Feld, erzeugt durch die Leiterbahn des insbesondere keramischen Schaltungsträgers, nicht in Leiterbahnen der flexiblen Leiterplatte, oder in mit der flexiblen Leiterplatte verbundenen elektrischen Komponenten einstreuen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Kommutierzelle ist das Abschirmelement durch eine elektrisch leitfähige Schicht der flexiblen Leiterplatte gebildet. Vorteilhaft kann das Abschirmelement so aufwandsgünstig als Bestandteil der flexiblen Leiterplatte bereitgestellt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stromsensor durch einen insbesondere differenzierenden Hall-Sensor gebildet, wobei der Hall-Sensor zwei Sensorelemente aufweist. Der Stromsensor ist bevorzugt durch ein zur Oberflächenmontage mit der flexiblen Leiterplatte ausgebildetes Bauelement gebildet. Der Stromsensor ist bevorzugt durch einen gehäuselosen Halbleiter, auch Bare-Die genannt, gebildet.

Der Stromsensor kann so vorteilhaft aufwandsgünstig, insbesondere mittels Reflow-Löten, mit der flexiblen Leiterplatte verbunden werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leiterbahn des insbesondere keramischen Schaltungsträgers zwei zueinander benachbarte Aussparungen auf. Weiter bevorzugt weist das Abschirmelement zu den Aussparungen entsprechende Aussparungen auf, die insbesondere in einer Orthogonalprojektion - mit den Aussparungen der Leiterbahn - übereinanderliegend angeordnet sind. Vorteilhaft können so zwei Schlitze unter den Sensorzellen gebildet sein, sodass in den Schlitzen eine Magnetfeldausbreitung des durch die Stromschiene erzeugten Magnetfelds möglich ist. Weiter vorteilhaft kann durch das Abschirmelement, insbesondere eine Abschirmschicht, eine kapazitive Kopplung durch parasitäre Kapazitäten zwischen dem Stromleiter und dem Stromsensor, und so eine Einkopplung in eine Signalführung auf der flexiblen Leiterplatte weitgehend gehemmt, oder verhindert sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind zu dem Sensor geführte Signalleitungen durch das Abschirmelement abgeschirmt. Vorteilhaft kann so eine kapazitive Kopplung durch parasitäre Kapazitäten zwischen dem Stromleiter und der Signalführung in den Signalleitungen verhindert sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Abschirmelement durch eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere Innenschicht, der flexiblen Leiterplatte gebildet, welche durch wenigstens eine, oder zwei diese umgebende elektrisch isolierende Schichten gegenüber der Leiterbahn, oder zusätzlich gegenüber dem Stromsensor, isoliert ist.

Die flexible Leiterplatte, insbesondere FCB (FCB = Flexible-Circuit-Board) weist bevorzugt wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere Umverdrahtungsschicht, und wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht, insbesondere Polyimidschicht, PVB-Schicht (PVB = Poly-Vinyl-Butyral, EVA- Schicht (EVA = Ethylen-Vinyl-Acetat), oder PVF-Schicht (PVF = Poly-Vinyl- Fluorid) auf.

Bevorzugt ist die flexible Leiterplatte derart reversibel biegbar ausgebildet, dass die Leiterplatte gebogen werden kann ohne zu brechen. Die flexible Leiterplatte ist bevorzugt derart flexibel oder federnd ausgebildet, dass die Leiterplatte mindestens rechtwinklig oder U-förmig gebogen werden kann, ohne zu brechen. Vorteilhaft kann so aufwandsgünstig eine insbesondere vibrationsfeste Verbindung zwischen dem Schaltungsträger und der Leiterplatte gebildet sein.

Die elektrisch isolierende Schicht der flexiblen Leiterplatte ist bevorzugt ausgebildet, spannungsführende Leiterbahnen des Schaltungsträgers, insbesondere Hochvolt-Leiterbahnen, von der wenigstens einen elektrisch leitfähigen Schicht der flexiblen Leiterplatte, insbesondere Niedervolt- Umverdrahtungsschicht, elektrisch zu isolieren.

Die Erfindung betrifft auch einen Inverter mit einer Kommutierzelle der vorbeschriebenen Art. Der Inverter weist wenigstens drei Phasen zum Bestromen einer elektrischen Maschine auf, wobei für jede der Phasen wenigstens eine Kommutierzelle an dem Inverter ausgebildet ist. Die Kommutierzelle weist bevorzugt wenigstens eine Halbleiterschalter-Halbbrücke, umfassend einen High-Side-Halbleiterschalter, und einen Low-Side- Halbleiterschalter auf.

Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den abhängigen Ansprüchen und in den Figuren beschriebenen Merkmale. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kommutierzelle für einen Inverter, bei der eine flexible Leiterplatte und ein Schaltungsträger flach aufeinanderliegend miteinander verbunden sind, und auf der flexiblen Leiterplatte ein Stromsensor angeordnet ist, einen in dem Schaltungsträger fließenden Strom in Abhängigkeit eines von dem Strom erzeugten Magnetfeld zu erfassen, wobei ein von einer Leiterbahn des Schaltungsträgers erzeugtes Magnetfeld durch Aussparungen einer Abschirmschicht zu dem Stromsensor gelangen kann;

Figur 2 zeigt die in Figur 1 dargestellte Kommutierzelle in einer Aufsicht.

Figur 1 zeigt - schematisch - ein Ausführungsbeispiel für eine Kommutierzelle 1 für einen Inverter in einer Schnittdarstellung. Die Kommutierzelle 1 weist einen Schaltungsträger 2 auf, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als keramischer Schaltungsträger ausgebildet ist, und dazu eine elektrisch isolierende Keramikschicht 5, insbesondere Aluminiumoxidschicht oder Siliziumnitridschicht, aufweist. Der Schaltungsträger 2 ist beispielsweise ein AM B-Schaltungsträger (AMB = Active-Metal-Brazed, ein IMS-Schaltungsträger (IMS = Insulated-Metal- Substrate), oder ein DCB-Schaltungsträger (DCB = Direct-Copper-Bonded). Der Schaltungsträger 2 weist auch eine elektrisch leitfähige Schicht 6, insbesondere Kupferschicht, zur Umverdrahtung auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel einen Ausgangsanschluss einer - in Figur 2 näher dargestellten - Halbleiterschalter-Halbbrücke bildet. Der Schaltungsträger 2 umfasst auch eine Rückseitenkontaktierung 7, welche in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Kupferschicht gebildet ist, und welche mit einer Wärmesenke wärmeleitfähig verbunden werden kann. Eine Schichtdicke der Keramikschicht beträgt beispielsweise zwischen 100 und 500 Mikrometer, und eine Schichtdicke der Umverdrahtungsschicht und der Rückseitenschicht beträgt beispielsweise jeweils zwischen 150 und 800 Mikrometer.

Die Kommutierzelle 1 umfasst auch eine flexible Leiterplatte 3. Die flexible Leiterplatte 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Schichten, insbesondere Kupferschichten, und elektrisch isolierende Schichten, insbesondere Polyimidschichten, auf. Die elektrisch isolierenden Schichten weisen beispielsweise eine Dickenerstreckung zwischen 40 und 100 Mikrometer, in diesem Ausführungsbeispiel 60 Mikrometer, auf. Die elektrisch leitfähigen Schichten weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine Dickenerstreckung zwischen 15 und 50 Mikrometer auf.

Die flexible Leiterplatte 3 weist eine elektrisch leitfähige Rückseitenschicht 11, in diesem Ausführungsbeispiel Kupferschicht auf, welche zum stoffschlüssigen Verbinden mit dem Schaltungsträger 2 ausgebildet ist. Die elektrisch leitfähige Rückseitenschicht 11 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke von 18 Mikrometer auf. Die flexible Leiterplatte 3 weist auch eine elektrisch isolierende Schicht 12, insbesondere Polyimidschicht auf, welche mit der elektrisch leitfähigen Schicht 11 - insbesondere mittels Laminieren - aufeinanderliegend verbunden ist. Die flexible Leiterplatte 3 weist auch eine elektrisch leitfähige Abschirmschicht 13, insbesondere Kupferschicht auf, welche insbesondere mittels Laminieren mit der elektrisch isolierenden Schicht 12 verbunden ist, und gemeinsam mit der elektrisch leitfähigen Schicht 11 die elektrisch isolierende Schicht 12 - insbesondere nach Art eines Sandwichs - zwischeneinander einschließt.

Die elektrisch leitfähige Abschirmschicht 13 ist von der elektrisch isolierenden Schicht 12 abweisend mit einerweiteren elektrisch isolierenden Schicht 14 verbunden, sodass die weitere elektrisch isolierende Schicht 14 und die elektrisch isolierende Schicht 12 die Abschirmschicht 13 - insbesondere nach Art eines Sandwichs - zwischeneinander einschließen, uns so gemeinsam einen Schichtverbund flach aufeinander angeordneter Schichten ausbilden.

Die flexible Leiterplatte 3 weist auch eine elektrisch leitfähige Oberseitenschicht 15 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine Umverdrahtungsschicht ausbildet. Die elektrisch leitfähige Schicht 15 ist mit der weiteren elektrisch isolierenden Schicht 14 insbesondere mittels Laminieren verbunden.

Die flexible Leiterplatte 3 ist mit dem Schaltungsträger 2 mittels eines Lotmittels 10 stoffschlüssig verbunden. Anstelle des Lotmittels kann die flexible Leiterplatte 3 auch mittels eines insbesondere elektrisch leitfähigen Klebstoffs, oder mittels eines Gels, insbesondere Silikongels, mit dem Schaltungsträger 2 verbunden sein. Die elektrisch leitfähige Schicht 6 des Schaltungsträgers 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel entlang eines Breitenabschnitts 31 des Schaltungsträgers 2 ausgebildet, zu deren Seiten die elektrisch leitfähige Schicht 6 in der in Figur 1 dargestellten Schnittdarstellung jeweils eine Aussparung 8, und eine Aussparung 9 aufweist. Die elektrisch leitfähige Schicht 6 ist somit mittels der Aussparungen 8 und 9 eingeschnürt, sodass ein Strom, welcher senkrecht zu der in Figur 1 dargestellten Schnittebene in der elektrisch leitfähigen Schicht 6 fließt, ein Magnetfeld 20 erzeugen kann, welches sich mit einer senkrechten Komponente in den Aussparungen 8 und 9 erstreckt.

Die flexible Leiterplatte 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Magnetfeldsensor 4 verbunden. Dazu ist der Magnetfeldsensor 4, welcher in diesem Ausführungsbeispiel Bestandteil der Kommutierzelle 1 ist, mittels eines Verbindungsmittels 16, beispielsweise einem Klebstoff, oder eines Lotmittels, mit der weiteren elektrisch isolierenden Schicht 14 verbunden. Die flexible Leiterplatte 3 weist im Bereich des Magnetfeldsensors 4 eine Aussparung 19 auf, wobei die Aussparung 19 in der elektrisch leitfähigen Schicht, insbesondere Umverdrahtungsschicht 15, ausgebildet ist. Der Magnetfeldsensor 4 ist somit in eine Aussparung der Umverdrahtungsschicht 15 eingesetzt.

Der Magnetfeldsensor 4 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Hall-Sensoren 17 und 18 auf, welche jeweils in einem Gehäuse, oder in einem Massivmaterial des Magnetfeldsensors 4 eingebettet oder aufgenommen sind. Die Hall- Sensoren 17 und 18 sind jeweils ausgebildet und angeordnet, eine senkrechte Komponente des Magnetfelds 20 zu erfassen, und insbesondere mittels Differenzbildung, jeweils ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das die magnetische Feldstärke des Magnetfelds 20 repräsentiert.

Der Magnetfeldsensor 4 ist im Bereich des Breitenabschnitts 31 in einer Orthogonalprojektion über der elektrisch leitfähigen Schicht 6 angeordnet, sodass um die elektrisch leitfähige Schicht 6, welche in diesem Ausführungsbeispiel einen elektrischen Flachleiter ausbildet, in umlaufende Magnetfeldlinien des Magnetfelds 20 durch die Hall-Sensoren 17 und 18 verlaufen. Die flexible Leiterplatte 3 weist im Bereich der Abschirmschicht 13 zwei Aussparungen 25 und 26 auf, welche jeweils - insbesondere in einer Orthogonalprojektion - mit der Aussparung 8 beziehungsweise der Aussparung 9 fluchten. Die Aussparungen 8 und 25 erstrecken sich auf dem Breitenabschnitt 29, und die Aussparungen 26 und 9 erstrecken sich auf dem Breitenabschnitt 30. Die Breitenabschnitte 29 und 30 sind an den Breitenabschnitt 31 jeweils auf zueinander entgegengesetzten Seiten benachbart angeordnet.

Die Magnetfeldlinien 20 können somit durch die Aussparung 25 und 26 hindurchtreten, und werden so durch die Abschirmschicht 13 nicht behindert. Die Abschirmschicht 13 ist ausgebildet, ein von der elektrisch leitfähigen Schicht 6 erzeugtes elektrisches Feld zu dem Stromsensor 4 hin ausreichend abzuschirmen.

Figur 2 zeigt die in Figur 1 bereits dargestellte Kommutierzelle 1 in einer Aufsicht. Die Kommutierzelle 1 umfasst zwei Halbleiterschalter 21 und 22, welche gemeinsam eine Halbleiterschalter-Halbbrücke ausbilden. Der Halbleiterschalter 21 ist beispielsweise ein Low-Side-Halbleiterschalter der Halbleiterschalter- Halbbrücke, und der Halbleiterschalter 22 ein High-Side-Halbleiterschalter der Halbleiterschalter-Halbbrücke. Die Halbleiterschalter 21 und 22 sind jeweils mit der elektrisch leitfähigen Schicht 6 jeweils mit einem Schaltstreckenanschluss elektrisch verbunden, sodass die elektrisch leitfähige Schicht 6 einen Ausgangsanschluss der durch die Halbleiterschalter 21 und 22 gebildeten Halbbrücke ausbildet.

Die elektrisch leitfähige Schicht 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel T-förmig ausgebildet, wobei der Ausgangsstrom auf einem T-Balken fließen kann, auf dem die durch die Aussparungen 8 und 9 gebildeten Einschnürungen ausgebildet sind. Die flexible Leiterplatte 3 ist im Bereich der Aussparungen 8 und 9 derart angeordnet, dass die Aussparung 25 in der Abschirmschicht 13 der flexiblen Leiterplatten mit der Aussparung 8 in der elektrisch leitfähigen Schicht 6 des Schaltungsträgers 2 - insbesondere in einer Orthogonalprojektion - fluchtet. Der Ausgangsstrom der Halbleiterschalter-Halbbrücke kann in der elektrisch leitfähigen Schicht in diesem Ausführungsbeispiel entlang einer Längserstreckung 32 auf einem zwischen den Aussparungen 8 und 9 gebildeten Steg 33 fließen. Der Steg 33 erstreckt sich in der in Figur 1 dargestellten Schnittdarstellung auf dem Breitenabschnitt 31.

Die flexible Leiterplatte 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine elektrisch leitfähige Umverdrahtungsschicht 27 als Oberseitenschicht auf, welche mittels eines Bonddrahtes 28 mit dem Stromsensor 4 elektrisch leitfähig verbunden ist.

In einer anderen Ausführungsform ist der Stromsensor 4 als SMD- Bauelement ausgebildet und zum Oberflächenverlöten mit der Umverdrahtungsschicht ausgebildet.

Der Halbleiterschalter 21 ist mittels Bonddrähten zu dessen Ansteuerung mit der flexiblen Leiterplatte 3 elektrisch verbunden, von denen ein Bonddraht 23 beispielhaft bezeichnet ist. Der Halbleiterschalter 22 ist mittels Bonddrähten mit der flexiblen Leiterplatte 3 elektrisch verbunden, von denen ein Bonddraht 24 beispielhaft bezeichnet ist. Die flexible Leiterplatte 3 kann somit zu der Kommutierzelle 1 eine Steuerungsebene ausbilden, in der Niedervoltsignale zum Ansteuern der Halbleiterschalter 21 und 22, als auch Sensorsignale des Magnetfeldsensors 4 fließen.

Der Schaltungsträger 2 kann in diesem Ausführungsbeispiel eine Hochvoltebene ausbilden, in der von den Halbleiterschaltern 21 und 22 geschaltetes elektrisches Potential ausgebildet sein kann.

Mittels der Abschirmschicht 13 kann ein, sich zwischen der Hochvoltebene, gebildet durch den Schaltungsträger 2, und der Niedervoltebene, gebildet durch die flexible Leiterplatte 3, erstreckendes elektrisches Feld hinreichend abgeschirmt werden. Die von dem Magnetfeldsensor 4 zu erfassenden Feldlinien des Magnetfelds 20 können sich in den Aussparungen 8, 9 der elektrisch leitfähigen Schicht 6, und in den dazu parallel angeordneten Aussparungen 25 beziehungsweise 26 hinreichend ausbreiten, sodass die Hall-Sensoren 17 und 18 das Magnetfeld 20 erfassen können. Anstelle der in der in Figur 2 dargestellten, mittels der Aussparungen 8 und 9 gebildeten I-Form der elektrisch leitfähigen Schicht kann zur Stromerfassung anstelle der I-Form auch eine S-Form, oder eine W-Form zur Stromerfassung ausgebildet sein.