Die Erfindung betrifft einen Stromrichter für ein Fahrzeug, das wenigstens teilweise elektrisch angetrieben ist, nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.

Aus EP 2099 199 B1 ist eine Umrichtervorrichtung bekannt, die Leistungsschalter auf einem ersten Board und zwischen Zwischenkreiskondensatoren auf einem zwei ten Board aufweist.

Der erfindungsgemäße Stromrichter für ein Fahrzeug, das zumindest teilweise elekt risch angetrieben ist, mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Verwendung eines jeweiligen Signalpinträgers für eine jeweilige Leistungsschaltergruppe ein möglichst kurzer Weg für die Signalübertragung von der einen Leiterplatte zu der anderen Leiterplatte und umgedreht möglich ist. Dies reduziert den Einfluss von elektromagnetischen Störun gen und ermöglicht schnelle Schaltzeiten und eine hohe Schaltfrequenz. Außerdem ist der Bauraumbedarf durch die erfindungsgemäße Lösung gering. Auch die Ferti gungstoleranzen bzw. die Fertigungsschritte sind so robust und effizient. Daher wird ein Stromrichter für ein Fahrzeug vorgeschlagen, das zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist und der folgende Merkmale aufweist:

- Eine erste Leiterplatte, die Zwischenkreiskondensatoren, jeweils eine Leistungs schaltergruppe für eine jeweilige Wechselstromphase und Anschlüsse für Wechsel stromschienen und Gleichstromschienen aufweist

- eine zweite Leiterplatte, die eine Steuervorrichtung für eine Ansteuerung der Leis tungsschaltergruppen aufweist

- einen jeweiligen Signalpinträger für eine jeweilige Leistungsschaltergruppe, wobei der jeweilige Signalpinträger die erste und die zweite Leiterplatte derart verbindet, dass Signale zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte über den jeweiligen Signalpinträger übertragen werden, wobei der Signalpinträger sechs Signalpins auf weist, die auf einem Kunststoffträger angeordnet sind.

Unter einem Stromrichter für ein Fahrzeug ist eine Einrichtung zu verstehen, die Gleichstrom in Wechselstrom wandelt, dabei vorzugsweise in einen dreiphasigen Wechselstrom, um einen oder mehrere Elektromotoren anzutreiben. Der Stromrichter kann auch dafür eingerichtet sein, Wechselstrom in einen Gleichstrom zu wandeln.

Bei dem Fahrzeug handelt es sich üblicherweise um einen Personenkraftwagen, der zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist. Insbesondere kann darunter ein Hyb ridfahrzeug verstanden werden, das sowohl verbrennungstechnisch als auch elektromotorisch angetrieben wird. Vorzugsweise ist dabei ein sogenannter Mild Hyb rid zu verstehen, bei dem der Verbrennungsmotor laufend läuft und der Elektromotor hinzugeschaltet wird.

Bei der ersten Leiterplatte, die üblicherweise eine Struktur aus einer Kupferfolie oder Kupferschicht, darunter eine Isolationsschicht, beispielsweise Keramik oder Polymer, und darunter eine Aluminiumschicht aufweist. Aus der Kupferschicht oder-folie wer den die Leiterbahnen und andere Strukturen gefertigt. Über die Isolationsschicht wird beispielsweise Wärme abgeführt. Die Aluminiumschicht dient beispielsweise zum Kurzschluss von Wirbelströmen und hilft auch die Wärme über die Leiterplatte zu verteilen. Unter der Aluminiumschicht kann sich dann beispielsweise ein sogenann tes thermisches Interfacematerial (TIM) befinden, das beispielsweise einen Gapfiller mit Glaskügelchen aufweist. Daran angeschlossen ist dann üblicherweise eine Kühl einrichtung, die die Wärme beispielsweise mittels Wasser abführt. Auf dieser ersten Leiterplatte sind die Zwischenkreiskondensatoren angeordnet, die den Gleichstrom von den Gleichstromschienen aufnehmen, der dann in einen Wechselstrom gewan delt werden soll. Weiterhin sind auf der ersten Leiterplatte jeweilige Leistungsschal tergruppen für die jeweiligen Wechselstromphasen vorgesehen. Bei einer solchen Leistungsschaltergruppe gibt es einen sogenannten Highside- und einen sogenann ten Lowside-Schalter. So ein Highside-Schalter kann beispielsweise aus drei oder vier einzelnen Transistoren, vorzugsweise MOSFETs, bestehen. Diese sind parallelgeschaltet und bilden zusammen den Highside-Schalter. Dasselbe gilt für die Lowside. Mit der Ansteuerung dieser Leistungsschalter wird der Gleichstrom in einen Wechselstrom durch ein Zerhacken überführt. Üblicherweise werden die Transistoren über eine Pulsweitenmodulation angesteuert. Die Wechselstromschienen sind bei spielsweise zwischen den beiden Schaltern, dem Highside-Schalter und dem Lowside-Schalter, angeordnet und davon kann dann der Wechselstrom weitergeführt werden zum Elektromotor. Vorzugsweise sind drei Leistungsschaltergruppen für die drei Wechselstromphasen vorgesehen. Weiterhin sind Anschlüsse für die Gleich stromschienen, also dem Plus- und dem Minuspol, vorgesehen, um den Gleichstrom beispielsweise aus der Fahrzeugbatterie oder von einem Gleichrichter für das Wandeln in den Wechselstrom bereitzustellen.

Die zweite Leiterplatte weist die Steuervorrichtung für die Ansteuerung der Leis tungsschaltergruppen auf. Demnach wird vorzugsweise hier die Pulsweitenmodulation erzeugt. Dies wird insbesondere in Abhängigkeit von Ein gangssignalen vorgenommen und vorgegebenen Steuerparametern. Bei den Ein gangssignalen kann es sich beispielsweise um Strommessungen an den Ausgängen der Leistungsschalter handeln. Auch sogenannte Harmonische, die bei der Wand lung von Gleichstrom in Wechselstrom auftreten, können die Ansteuerung der Leis tungsschaltergruppen beeinflussen. Beispielsweise kann hierein Mikrocontroller für die Ansteuerung vorgesehen sein, es kann aber auch zusätzlich ein Fahrzeugste cker, beispielsweise ein Anschluss zum CAN-Bus auf der zweiten Leiterplatte vor handen sein. Die Ansteuerung der Leistungsschaltergruppen erfolgt über den jeweili gen Signalpinträger. Das heißt, für jede Leistungsschaltergruppe liegt ein Signalpinträger vor. Dieser Signalpinträger weist einen Kunststoffträger auf, auf dem die sechs Signalpins angeordnet sind. Über diese Signalpins erfolgt nicht nur die An steuerung der Leistungsschaltergruppen, sondern es werden auch die Signale von den Leistungsschaltergruppen zu dem beispielsweise Mikrocontroller geleitet. Damit ist die gesamte Kommunikation zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte über diese Signalpinträger gewährleistet. Bei den Signalpinträgern handelt es sich um Metallstrukturen, die eine Übertragung der Signale möglichst verlustfrei ermögli chen. Der Kunststoffträger ist, wie aus den abhängigen Ansprüchen hervorgeht, nicht nur zur Aufnahme dieser Signalpinträger vorgesehen, sondern auch für den Einbau zwischen der ersten und zweiten Leiterplatte ausgebildet.

In den Abhängigkeiten Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Stromrich ters für ein Fahrzeug definiert.

Es kann vorgesehen sein, dass die sechs Signalpins mit dem Kunststoffträger durch Umspritzen mit Kunststoff verbunden sind. Dieses Umspritzen, beispielsweise in ei ner Form, ist eine sehr günstige und zuverlässige Methode, um den Kunststoffträger herzustellen.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die sechs Signalpins durch die zweite Leiterplatte gedrückt sind. Damit kann beispielsweise durch das sogenannte Pressfit die Verbindung mit der zweiten Leiterplatte hergestellt werden, alternativ ist es mög lich, dass auch stoffschlüssige Verbindungen realisiert werden, beispielsweise durch Löten.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Signalpins jeweils zwei Abschnitte für einen Aus gleich aufweisen. Der erste Abschnitt ist beispielsweise für das oben angegebene Pressfit vorgesehen. Dieser Abschnitt muss so gestaltet sein, dass ein Durchdrücken durch die zweite Leiterplatte möglich ist, aber auch dann ein Fixieren. Das zweite Ausgleichselement ist für die Verbindung mit der ersten Leiterplatte gedacht und er möglicht eine Robustheit im Fertigungsprozess.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die sechs Signalpins einen Federbereich als den ei nen Abschnitt aufweisen. Dieser Federbereich ist insbesondere für die Kontaktierung mit der ersten Leiterplatte gedacht und ermöglicht ein Aufdrücken auf diese erste Leiterplatte.

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Signalpins jeweils auf eine Oberfläche der ersten Leiterplatte drücken und dort verlötet sind. Werden also zunächst die Signal pins in die zweite Leiterplatte gedrückt und dann wird diese Struktur auf die erste Lei terplatte gedrückt, aber hier geschieht kein Durchdrücken, sondern ein Aufdrücken auf die erste Leiterplatte und dann ein Fixieren durch das Verlöten. Daher sind die Federelemente als Ausgleichsabschnitt vorliegend besonders geeignet.

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der Kunststoffträger wenigstens einen Positionierstift zur Positionierung der Signalpins auf der ersten Leiterplatte aufweist. Mit solch einem Positionierstift kann der Kunststoffträger optimal in der vorgesehe nen Position eingebracht werden, sodass dann die Signalpins auf der richtigen Stelle auf der Oberfläche der ersten Leiterplatte aufdrücken.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Kunststoffträger wenigstens einen Anschlag aufweist, sodass die Signalpins mit der zweiten Leiterplatte so lange beim Aufdrü cken komprimiert werden, bis der Anschlag auf die Oberfläche der ersten Leiterplatte trifft. Mit diesem Anschlag bzw. Schulter wird dann eine vorgegebene Aufdrückkraft auf die Oberfläche der ersten Leiterplatte durch die Signalpins definiert.

Weiterhin ist vorgesehen, dass der Kunststoffträger spiegelsymmetrisch ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine Robustheit im Fertigungsprozess, denn der Kunststoffträger kann dann nicht falsch beispielsweise in die zweite Leiterplatte eingedrückt werden. Da er ja symmetrisch ist. Damit sind dann für die Fertigung keine weiteren Maßnah men zur Vermeidung von Fehleinbau notwendig.

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der Anschlag derart ausgeführt ist, dass der Anschlag ein Verkippen des Kunststoffträgers verhindert. Damit ist gemeint, dass dieser Anschlag oder Schulter beispielsweise punktsymmetrisch zur Mitte ausgeführt ist und damit eine hohe Stabilität beim Aufliegen auf die erste Leiterplatte dem Kunststoffträger verleiht. Dies verhindert dann ein Verkippen des Kunststoffträgers. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass jeweils zwei Signalpinträger für Source, Drain und Gate der Leistungsschalter vorgesehen sind, wobei die Gates angesteuert wer den und bei Source und Drain Strommessungen durchgeführt werden.

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Signalpins für das Durchdrücken durch die zweite Leiterplatte den Ausgleichsabschnitt aufweisen, der komprimierbar ist.

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass dieser Ausgleichsabschnitt offen ist. Das heißt, in der Mitte befindet sich kein Material, sodass in diesem offenen Bereich die Komp rimierung beim Durchdrücken erfolgen kann.

Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Ende der Signalpins, das durch die zweite Leiter platte gedrückt ist, eine Spitze aufweist. Damit ist dieses Ende des Signalpins, das durch die zweite Leiterplatte gedrückt wird, wie die Spitze eines Speers oder Pfeils ausgebildet. Der offene Bereich kann dabei wie ein Längsschnitt sein.

Weitere erfindungsgemäße Maßnahmen und Merkmale können in bevorzugten Aus führungen wie folgt sein: a) Die Anzahl der Signalpins kann je nach Anwendung abweichen, so dass auch zwei oder mehrere Signalpins vorgesehen werden können, wobei bevorzugt mindestens 2 Signalpins jeweils zur Ansteuerung von Drain, Source und Gate vorgesehen sind. b) ein Ausgleichsbereich ist als elastisch federnder Bereich (Federbereich) aus gebildet, der vorzugsweise als mäanderförmiger oder s-förmiger Federbereich ausgebildet ist. c) Der Kontaktträger ist vorzugsweise spiegelsymmetrisch ausgebildet und be sitzt weiter vorzugsweise in einem zentralen Bereich einen V-förmigen Ab schnitt, der ebenfalls mit Vorteil mit seiner V-förmigen Spitze in Richtung der ersten Leiperplatte ragt (und sich mit Vorteil auf der ersten Leiterplatte ab stützt). Dies bringt Vorteile für die Stabilität und die Montage mit sich. d) Der Kontaktträger bzw. Kunststoffträger ist so ausgebildet, dass die Signalpins in einer Reihe zueinander angeordnet sind, wobei eine erste Gruppe von Sig nalpins und eine zweite Gruppe von Signalpins in der Reihenanordnung vor- gesehen sind und dazwischen ein vorzugsweise V-förmiger Abschnitt des Kunststoffträgers ausgebildet ist, dessen V-förmige Spitze in Richtung der ers ten Leiterplatte ragt. e) Der Kunststoffträger weist einen quaderförmigen Steg zum Tragen der Signal pins auf, sowie jeweils quaderförmige Blöcke im Bereich der Umspritzung der Signalpins, die sich von dem Steg jeweils in Richtung der zweiten Leiterplatte hin erstrecken. f) Die Signalpinleiterplatteneinpresszonen besitzen einen nadelöhrförmigen, ins besondere stirnseitig stoffschlüssig verbundenen Bereich aus jeweils zwei Signalpinarmen, der komprimierbar ist. g) Der effektive Querschnitt der Signalpins nimmt in einem Bereich zwischen dem Umspritzabschnitt und dem Lötabschnitt in Verbindungsrichtung ab oder verjüngt sich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Seitenansicht des erfindungsgemäßen Signalpinträgers;

Fig. 2 eine Ansicht des Signalpinträgers von unten;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Signalpinträgers im eingebauten Zustand;

Fig. 4 eine Ansicht des eingebauten Signalpinträgers im Querschnitt; und

Fig. 5 eine weitere Ansicht des Signalpinträgers im Querschnitt im eingebauten Zu stand. Fig. 1 zeigt den Signalpinträger in einer Seitenansicht. An beiden Seiten finden sich Strukturen für einen Positionierstift POS zur Kontaktierung der ersten Leiterplatte und ein Positionierstift für die Positionierung auf der zweiten Leiterplatte. Diese Struktur, die diese beiden Positionierstifte jeweils aufweist, weist auf seiner Seite für die erste Leiterplatte einen Anschlag AN auf, der die Kraft definiert, mit der die Signalpins SP auf die erste Leiterplatte drücken, aber auch der so gestaltet ist, dass ein Verkippen des Signalpinträgers auf der ersten Leiterplatte verhindert. Der Kunststoffträger KT ist hier spiegelsymmetrisch ausgeführt. Die Signalpins sind ebenfalls spiegelsymmet risch angeordnet, wenn man von der Ausgleichsstruktur der Federstruktur für die ers te Leiterplatte absieht. Dieser Federbereich ist mit FB gekennzeichnet. Die Signal pins weisen im oberen Bereich einen Ausgleichsbereich, einen sogenannten Pressfit- PFB-Bereich auf, der beim Durchdrücken durch die Bohrungen in der zweiten Leiter platte komprimiert werden. Sind sie durchgedrückt, lässt das Komprimieren nach und eine Fixierung wird dadurch erreicht. Wie hier dargestellt, sehen die Signalpins in diesem oberen Bereich für das Durchdrücken durch die zweite Leiterplatte wie Pfeil spitzen oder Speerspitzen aus. Im unteren Bereich für die Kontaktierung mit der ers ten Leiterplatte weisen die Signalpins SP den Federbereich FB auf und dann die Kontaktstruktur, die zur Verlötung LS mit der zweiten Leiterplatte führt. Auch die Positionierstifte POS und PS sind vorliegend spiegelsymmetrisch angeordnet.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Signalpinträgers von unten. Dargestellt sind wieder die beiden Positionierstifte POS symmetrisch zur Mitte des Signalpinträgers, ebenso der Kunststoffträger KT. Die Schultern SK zur Kippverhinderung sind punktsymmetrisch ausgebildet zur Mitte des Kunststoffträgers und verleihen dadurch dem Signaipinträger auf der ersten Leiterplatte eine hohe Stabilität und verhindern das Verkippen. Auch die Lötstelle LS ist für die Signalpins dargestellt.

Fig. 3 zeigt den Signaipinträger im eingebauten Zustand. Der Kunststoffträger ist symmetrisch mit den beiden Positionierstiften POS und PS dargestellt. Die Signaipinträger SP liegen auf der ersten Leiterplatte auf und sind dort verlötet und mit einer Kupferleiterbahn verbunden. Diese ist mit CU bezeichnet. Die Lötstellen der Signalpins sind mit LS wiederum bezeichnet. Auch die Schulter AN ist dargestellt sowie eben der Positionierstift POS. Unter den Kupferbahnen befindet sich die Isola- tionsschicht IM der ersten Leiterplatte. Die Wärme wird über diese Isolationsschicht zur Aluminiumschicht HS, die die Hitze oder bzw. Wärme über die Leiterplatte ver teilt, übertragen. Unter der Aluminiumschicht HS befindet sich das thermische Inter facematerial TIM, das die Leiterplatte mit dem Kühler C verbindet. Der Kühler C weist eine Fluidkühlung auf, die die Wärme dann abtransportiert.

Fig. 4 zeigt den Signalpinträger im eingebauten Zustand im Querschnitt. An den Sei ten sind wiederum die Positionierstifte PS und POS gezeigt sowie die Schulter AN. Die sechs Signalpins SP sind ebenso dargestellt im eingebauten Zustand. Hier ist auch gezeigt, wie der Positionierstift PS durch die zweite Leiterplatte LP2 geführt ist und die Signalpins mit ihrer komprimierbaren Struktur in der zweiten Leiterplatte LP stecken und diese leicht überragen. Im unteren Bereich zur ersten Leiterplatte LP1 sind die Positionierstifte POS eingeführt, die die Positionierung der sechs Signalpins auf der ersten Leiterplatte ermöglichen. Dies ermöglicht dann die Verlötung an den Lötstellen LS auf der Kupferlage CU der ersten Leiterplatte LP1. Unter dieser Kupfer lage CU befindet sich die Isolationsschicht IM und darunter die Aluminiumschicht HS, wie oben beschrieben.

Fig. 5 zeigt wiederum den Signalpinträger im eingebauten Zustand im Querschnitt. Über die Positionierstifte POS ist die Leiterplatte LP1 mit dem Kunststoffträger KT verbunden. Die Signalpins SP sind auf der ersten Leiterplatte LP1 und dabei auf der Kupferlage CU über die Lötstellen LS verbunden. Im unteren Bereich weisen die Signalpinträger, wie bereits dargestellt, den Ausgleichsbereich FB als Federelement auf. Auch die Schulter oder der Anschlag AN ist dargestellt und definiert die Aufdrückkraft der Signalpins auf die erste Leiterplatte LP1. Die Signalpinträger sind hier wiederum dargestellt, wie sie durch die zweite Leiterplatte LP2 mit ihren Spitzen durchgedrückt sind. Ebenso sind durch die zweite Leiterplatte die Positionierstifte PS durchgeführt. Bezugszeichen

PS Positionierstift für die zweite Leiterplatte

SP Signalpin

PFB Pressfit-Bereich

KT Kunststoffträger

AN Schulter bzw. Anschlag

POS Positionierstift für die erste Leiterplatte

FB Ausgleichsbereich der Signalpins

LS Lötstelle

SK Schulter zur Kippverhinderung

CU Kupferschicht oder Kupferlage

IM Isolationsschicht

HS Aluminiumschicht

TIM thermisches Interfacematerial

C Kühler

LP1, LP2erste und zweite Leiterplatte