УСТРОЙСТВО С СИЛОВЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ МОДУЛЕМ ДЛЯ ПОДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ НАГРУЗКУ БЫТОВОГО ПРИБОРА, БЫТОВОЙ ПРИБОР И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО УСТРОЙСТВА
DEVICE WITH POWER CIRCUIT MODULE FOR ELECTRICAL VOLTAGE SUPPLY FOR ELECTRICAL LOAD OF HOUSEHOLD DEVICE, HOUSEHOLD DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURE OF SUCH DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для подачи на электрическую нагрузку бытового прибора электрического напряжения питания, в частности, переменного напряжения, включающему в себя силовой электронный модуль, который имеет гибридную печатную плату с первой подложкой схемы и второй подложкой схемы, причем область перехода между первой и второй подложками схем имеет меньшую по сравнению с первой и/или второй подложками схем теплопроводность, а также включающему в себя устройство термозащиты для термозащиты силового электронного модуля. На первой подложке схемы гибридной печатной платы расположен по меньшей мере один полупроводниковый переключатель, который предназначен для получения напряжения питания для электрической нагрузки. На второй подложке схемы, в свою очередь, расположен датчик температуры устройства термозащиты, предназначенный для регистрации температуры, воздействию которой подвергается по меньшей мере один полупроводниковый переключатель при эксплуатации устройства. Кроме того, изобретение относится к бытовому прибору с электрической нагрузкой, в частности, электрической машиной и с устройством согласно изобретению. Изобретение относится также к способу изготовления такого устройства.
Уровень техники
Силовые электронные модули (также называемые кратко "силовые модули") используют в бытовых приборах для подачи переменного электрического напряжения на электрические машины. Такие силовые модули содержат, как правило, несколько полупроводниковых переключателей, например, так называемые БТИЗ (биполярные транзисторы с изолированным затвором), представляющие собой составную часть так называемого инвертора и производящие из постоянного напряжения промежуточного контура электрическое напряжение питания, которое подается на электрическую машину или приводной двигатель. При этом вырабатывается одна или несколько фаз, в зависимости от варианта осуществления электрической машины, например три фазы для трехфазной синхронной машины. Количество используемых полупроводниковых переключателей в этом случае также зависит от количества необходимых фаз. Транзисторы здесь включены по мостовой схеме.
Силовой модуль известен, например, из патентного документа DE 102007005233 А1. Силовые полупроводниковые приборы здесь находятся в многослойной конструкции между электроизолирующими слоями с высокой теплопроводностью, которые представляют собой, например, керамические основания для прямого присоединения меди (DCB) или алюминия (DAB), или подложки для активной пайки металла. Эта многослойная конструкция окружена тонкостенным кожухом из металлического материала и через нее термически соединена с радиатором. Для увеличения поверхности на этот кожух модуля могут быть нанесены различные формованные детали, например, из чеканенной фольги или тому подобные.
Устройство охлаждения для силового электронного модуля известно, например, из патентного документа DE 102011007171 A1. Устройство охлаждения содержит основной корпус, на котором по меньшей мере местами расположен отводящий тепло графитовый материал.
В патентном документе US 2011/0133320 A1 раскрыт гибридный силовой электронный модуль, в котором размещены полупроводниковые переключатели на площадке для монтажа кристалла, а на второй площадке для монтажа кристалла размещен датчик температуры. Обе площадки для монтажа кристаллов расположены на совместной металлической подложке схемы и залиты компаундом с образованием гибридного модуля. Благодаря расположению на совместной подложке схемы обеспечена хорошая теплопередача от полупроводникового переключателя к датчику температуры.
Патентный документ JP Н04 273150 A рассматривает проблему эффективного отвода образующегося теряемого тепла из силовой части схемы. Для этого силовая часть расположена на подложке, отличной от подложки управляющей части. Одна подложка рассчитана на высокую теплопроводность, в то время как другая подложка рассчитана на улучшенное переключение. Обе части схемы соединены между собой посредством проволочных выводов для микросварки.
Патентный документ US 20090129432 A1 рассматривает проблему термического соединения схемы термозащиты для силовой схемы с подложкой для силовой схемы. При этом в качестве проводника тепла используют соединительную клемму, которая ведет от силовой подложки к установленной на ней печатной плате.
В патентном документе DE 102011088969 A1 раскрыт модуль со схемой управления для электрической силовой части привода. Патентный документ рассматривает защиту схемы от рабочей среды привода. Выделяемое в схеме тепло должно отводиться через подложку в медные токоведущие дорожки большой площади на печатной плате.
Патентный документ US 5747875 рассматривает отвод теряемого тепла из блока переключения с силовой частью схемы. При этом теряемое тепло отводят от основной схемы, которая нанесена на силовую подложку, к радиатору. Для этого предусмотрена теплопроводящая пластина, которая находится на нижней поверхности корпуса и состоит в непосредственном контакте с силовой подложкой.
Изобретение основано на силовом электронном модуле, в котором используется гибридная печатная плата, которая содержит две или несколько различных подложек схем, а именно первую подложку схемы по меньшей мере с одним слоем из материала с высокой теплопроводностью - например, по меньшей мере с одним слоем керамики и опционально также по меньшей мере с одним металлическим слоем, - а также вторую подложку схемы со значительно более низкой теплопроводностью - в частности, из органического синтетического материала, например, из армированной стекловолокном эпоксидной смолы FR4. В целом производство таких гибридных печатных плат может быть более экономичным, так как их не требуется изготавливать полностью из керамики. Силовые полупроводниковые приборы при этом, как правило, расположены на керамической подложке схемы, в то время как другие конструктивные элементы, которые служат, в частности, для управления полупроводниковыми переключателями, помещены на обычной подложке схемы из стеклотекстолита FR4. Под этими конструктивными элементами подразумеваются, например, так называемые драйверы для управления полупроводниковыми переключателями. Кроме того, на обычной подложке схемы из стеклотекстолита FR4, как правило, расположен датчик температуры, который служит для регистрации температуры полупроводниковых переключателей. Этот датчик температуры является составной частью устройства термозащиты, которое контролирует температуру полупроводниковых переключателей в процессе эксплуатации и в случае необходимости прерывает цепь тока нагрузки.
Чтобы сделать возможной хорошую теплопередачу между полупроводниковыми переключателями, с одной стороны, и датчиком температуры, с другой стороны, и, таким образом, осуществлять надежную регистрацию температуры в процессе эксплуатации, силовой электронный модуль, как правило, термически присоединяют к радиатору с относительно большим прижимным усилием. Так как гибридная печатная плата имеет невысокую теплопроводность, то здесь теплота передается через радиатор. Однако, если радиатор смонтирован неправильно или если уменьшается прижимное усилие между силовым модулем и радиатором, то датчик температуры регистрирует температуру полупроводниковых переключателей неверно, и защита от превышения температуры больше не может обеспечиваться. В худшем случае это может приводить к разрушению всего электронного модуля.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - указать решение, обеспечивающее возможность в устройстве упомянутого в начале вида особенно надежно защищать силовой электронный модуль от перегрева.
Согласно изобретению эта задача решена устройством, бытовым прибором, а также способом с признаками согласно соответствующим независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения, описания и фигур.
Устройство согласно изобретению предназначено для подачи на электрическую нагрузку бытового прибора, в частности на электрическую машину, электрического напряжения питания, в частности, переменного напряжения. Устройство содержит силовой электронный модуль и устройство термозащиты. Силовой электронный модуль содержит гибридную печатную плату с первой подложкой схемы и второй подложкой схемы. Область перехода между первой и второй подложками схем обладает меньшей по сравнению с первой и/или второй подложками схем теплопроводностью. При этом вторая подложка схемы обладает преимущественно меньшей теплопроводностью по сравнению с первой подложкой схемы. Устройство термозащиты предназначено для термозащиты силового электронного модуля. На первой подложке схемы гибридной печатной платы расположен по меньшей мере один полупроводниковый переключатель, который предназначен для получения напряжения питания для электрической нагрузки. По меньшей мере один полупроводниковый переключатель может представлять собой, например, БТИЗ. На второй подложке схемы, в свою очередь, расположен датчик температуры защитного устройства, предназначенный для регистрации температуры, которую имеет по меньшей мере один полупроводниковый переключатель при эксплуатации устройства. Таким образом, датчик температуры регистрирует температуру по меньшей мере одного полупроводникового переключателя. Согласно изобретению на силовом электронном модуле, в частности на корпусе модуля, размещена теплопроводящая пленка, посредством которой по меньшей мере один полупроводниковый переключатель и датчик температуры термически соединены друг с другом.
Для обеспечения теплопередачи при эксплуатации устройства по меньшей мере между одним полупроводниковым переключателем, с одной стороны, и датчиком температуры, с другой стороны, на силовом электронном модуле помещена теплопроводящая пленка. Испытания показали, что такая теплопроводящая пленка обеспечивает достаточную теплопроводность или теплопередачу между полупроводниковым переключателем и датчиком температуры. Это относится, в частности, также к случаю, когда такая пленка расположена между радиатором и силовым электронным модулем, и радиатор смонтирован неправильно или отпадает во время эксплуатации устройства из-за усталости материала резьбового или скобяного соединения. Таким образом, теплопередача через пленку, по существу, обеспечивается даже без радиатора. Благодаря этой теплопередаче температура полупроводникового переключателя может быть верно зарегистрирована при эксплуатации устройства и соответственно оценена блоком управления. Если, например, фиксируется факт превышения заданного предельного значения температуры, то цепь тока нагрузки может быть разорвана и, таким образом, обеспечивается надежная защита всего силового электронного модуля.
Теплопроводящая пленка предпочтительно проходит по меньшей мере, по существу, по всей поверхности по меньшей мере одной стороны силового электронного модуля и, таким образом, покрывает как датчик температуры, так и по меньшей мере один полупроводниковый переключатель. При этом, в частности, пленка может быть размещена на корпусе силового электронного модуля. Пленка предпочтительно прилегает к металлической области корпуса модуля, контактирующей с первой подложкой схемы, и к следующей области корпуса, выполненной из синтетического материала и контактирующей со второй подложкой схемы.
Если закрытого корпуса модуля нет в наличии, то в качестве альтернативы может быть также предусмотрено, чтобы пленка лежала на датчике температуры, проходила от датчика температуры по меньшей мере до полупроводникового переключателя и лежала также на полупроводниковом переключателе. Тогда теплопередача предпочтительно происходит непосредственно через теплопроводящую пленку.
В одном варианте осуществления предусмотрено, что первая подложка схемы содержит по меньшей мере один слой керамики. Опционально первая подложка схемы может также содержать по меньшей мере один металлический слой. В частности, в сочетании с силовыми полупроводниковыми приборами особенно предпочтительной показывает себя подложка схемы, выполненная из керамики, так как керамика имеет относительно хорошую теплопроводность и, таким образом, обеспечивает хорошее распределение тепла на первой подложке схемы и хорошее тепловое сопряжение с пленкой.
Использование теплопроводящей пленки, в свою очередь, оказывается особенно предпочтительным в тех случаях, когда вторая подложка схемы содержит органический синтетический материал, предпочтительно, выполнена из органического синтетического материала, в частности из материала, содержащего эпоксидную смолу, например, из эпоксидной смолы, армированной стекловолокном, или стеклотекстолита FR4. Органические синтетические материалы имеют как раз относительно низкую теплопроводность, так что здесь пленка обеспечивает надежную эксплуатацию устройства термозащиты.
В одном варианте осуществления предусмотрено, что устройство дополнительно имеет радиатор для отвода тепла от силового электронного модуля. В этом варианте осуществления силовой электронный модуль термически соединен с радиатором посредством пленки. Это означает, что пленка расположена в многослойной конструкции между силовым электронным модулем с одной стороны и радиатором с другой стороны. Преимущество данного варианта осуществления состоит в том, что пленка здесь выполняет еще одну функцию, а именно проводит тепло от силового электронного модуля к радиатору. Таким образом, передача теплоты между силовым электронным модулем и радиатором также надежно обеспечена.
В отношении теплопередачи предпочтительной показала себя пленка, выполненная из материала, содержащего графит и/или медь. Например, может быть использована графитовая или же медная фольга. Было обнаружено, что графитовой фольги толщиной 0,25 мм уже достаточно для того, чтобы обеспечить хорошую теплопередачу между полупроводниковым переключателем, с одной стороны, и датчиком температуры. Испытания показали, что это обеспечивается даже в случае, если радиатор был смонтирован неправильно и, таким образом, не было приложено необходимое прижимное усилие. Достаточная теплопередача имеет место также, если во время эксплуатации радиатор отпадает, например, из-за усталости резьбового или скобяного соединения.
Пленка предпочтительно наклеена на силовой электронный модуль. При этом может быть применена, например, односторонняя или двухсторонняя самоклеящаяся теплопроводящая пленка, которую можно без больших затрат наклеивать на силовой электронный модуль при его изготовлении, не используя дополнительных клеящих веществ. Кроме того, клеевое соединение обеспечивает крепление, защищенное от скольжения и, таким образом, надежное в эксплуатации, и точное размещение пленки на силовом электронном модуле.
Кроме того, изобретение относится к бытовому прибору с электрической нагрузкой, в частности, электрической машиной, и с устройством согласно изобретению, подающим электрическое напряжение питания на электрическую нагрузку.
Способ согласно изобретению служит для изготовления устройства для подачи электрического напряжения питания на электрическую нагрузку бытового прибора. Предоставляют силовой электронный модуль, который содержит гибридную печатную плату с первой подложкой схемы и со второй подложкой схемы, имеющей более низкую теплопроводность, в частности, по сравнению с теплопроводностью первой подложки схемы. Теплопередача между первой и второй подложками схем находится на низком уровне. Также предоставляют устройство термозащиты для термозащиты силового электронного модуля, причем на первой подложке схемы располагают по меньшей мере один полупроводниковый переключатель, который выполнен с возможностью создания напряжения питания, а на второй подложке схемы гибридной печатной платы располагают датчик температуры устройства термозащиты для регистрации температуры полупроводникового переключателя. На силовом электронном модуле располагают теплопроводящую пленку, посредством которой термически соединяют друг с другом по меньшей мере один полупроводниковый переключатель и датчик температуры.
Предпочтительные варианты осуществления и их преимущества, представленные в отношении устройства согласно изобретению, соответствующим образом относятся к бытовому прибору согласно изобретению и к способу согласно изобретению.
Дальнейшие признаки изобретения следуют из пунктов формулы, из фигур и описания фигур. Все признаки и сочетания признаков, указанные выше в описании, а также признаки и сочетания признаков, упомянутые в нижеследующем описании фигур и/или только показанные на фигурах, применимы не только в каждом из указанных сочетаний, но и в других сочетаниях или же по отдельности.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение более подробно разъясняется на основе предпочтительного варианта осуществления, а также со ссылками на прилагаемые чертежи.
Показаны:
фиг. 1 - схематическое изображение разреза устройства согласно варианту осуществления изобретения;
фиг. 2 - схематическое аксонометрическое изображение силового электронного модуля устройства;
фиг. 3 - схематическое изображение вида сверху силового электронного модуля;
фиг. 4 - схематическое изображение вида сверху силового электронного модуля с пленкой и
фиг. 5 - схематическое изображение вида сбоку устройства, причем силовой электронный модуль и радиатор расположены на одной плате.
Осуществление изобретения
Устройство, показанное в упрощенном изображении на фиг. 1 и обозначенное в целом цифрой 1, выполнено с возможностью использования в бытовом приборе и служит для подачи электрического напряжения питания на электрическую нагрузку, в частности на электрическую машину. Устройство 1 содержит силовой электронный модуль 2, который содержит гибридную печатную плату 3 из первой подложки 4 схемы и второй подложки 5 схемы. Первая подложка 4 схемы имеет более высокую теплопроводность по сравнению со второй подложкой 5 схемы. В примере осуществления первая подложка 4 схемы выполнена из керамики и опционально может иметь также несколько слоев керамики. Первая подложка 4 схемы опционально может иметь также по меньшей мере один металлический слой. Вторая подложка 5 схемы в примере осуществления представляет собой обычную плату из стеклотекстолита FR4. Подложки 4, 5 схем соединены друг с другом в области 19 перехода. Вследствие выполнения гибридной печатной платы 3 из двух отдельных подложек 4, 5 схем теплопередача в области 19 перехода недостаточна. Кроме того, материал второй подложки 5 схемы также имеет недостаточную теплопроводность.
На первой подложке 4 схемы - опционально также и в случае технологии многослойных плат - расположены силовые полупроводниковые приборы, а именно несколько полупроводниковых переключателей 6 и не представленных диодов. Полупроводниковые переключатели 6 могут представлять собой БТИЗы. Полупроводниковые переключатели 6 являются составной частью инвертора, который служит для получения переменного напряжения в качестве напряжения питания из постоянного напряжения промежуточного контура. При необходимости также могут быть получены несколько переменных напряжений, если электрическая машина представляет собой многофазную машину.
Для управления полупроводниковыми переключателями 6 используется драйвер 7, расположенный на второй подложке 5 схемы. На второй подложке 5 схемы расположен, кроме того, датчик 8 температуры - например, датчик на основе резистора с отрицательным температурным коэффициентом устройства термозащиты, не показанного более детально. Опционально на второй подложке 5 схемы могут быть расположены дополнительные электронные конструктивные элементы 9.
Датчик 8 температуры служит для регистрации температуры полупроводниковых переключателей 6 в процессе эксплуатации устройства. Измеренные значения температуры передаются в блок управления, который сравнивает измеренные значения с записанным пороговым значением. Если пороговое значение превышено, то блок управления может прервать цепь тока нагрузки полупроводниковых переключателей 6 и защитить устройство 1 или силовой электронный модуль 2 от перегревания.
Силовой электронный модуль 2 имеет корпус 14 модуля, в котором размещена гибридная печатная плата 3. Корпус 14 модуля включает в себя или содержит гибридную печатную плату 3 с электронными конструктивными элементами 6, 7, 8, 9. При этом корпус 14 модуля большей частью выполнен из синтетического материала. Лишь прямоугольная область 15 корпуса выполнена из металла, в частности из меди. Эта металлическая область 15 корпуса непосредственно прилегает к первой подложке 4 схемы, и ее расположение взаимно перекрывается с расположением полупроводниковых переключателей 6.
Такой силовой электронный модуль 2, каким он схематически представлен на фиг. 1, закрепляют на отдельной плате 10, как показано на фиг. 5. При этом плата 10 представляет собой обычную печатную плату из стеклотекстолита FR4. Силовой электронный модуль 2 электрически подключен к плате 10 посредством контактных элементов 11. Соединение здесь реализовано по технологии монтажа в отверстия. Упомянутый блок управления и промежуточный электрический контур с конденсатором промежуточной цепи (не показан) также расположены отдельно от силового электронного модуля 2 на плате 10. Как следует из фиг. 5, на плате 10 дополнительно закреплен также радиатор 12 для отвода тепла от силового электронного модуля 2. В устройствах уровня техники вследствие недостаточной теплопередачи в области 19 перехода между подложками 4, 5 схем теплопередача от полупроводниковых переключателей 6 к датчику 8 температуры происходит посредством радиатора 12. Для этого силовой электронный модуль 2 прикрепляют к радиатору 12 с относительно большим прижимным усилием. Необходимое прижимное усилие реализуется, как правило, посредством привинчивания или скобяного соединения. Однако, если радиатор 12 монтируется неправильно или если в процессе эксплуатации устройства 1 он отпадает из-за усталости материала резьбового или скобяного соединения, то больше не обеспечивается надежная теплопередача между полупроводниковыми переключателями 6 и датчиком 8 температуры. Чтобы обеспечить возможность этой теплопередачи также независимо от радиатора 12, на силовой электронный модуль 2 приклеивают теплопроводящую пленку 13, например самоклеящуюся пленку. Она может быть клейкой с одной стороны или с двух сторон.
Как показано на фиг. 1, пленка 13 наклеена на всю поверхность первой стороны 16 силового электронного модуля 2, на которой находится также металлическая область 15 корпуса. Таким образом, пленка 13 термически соединяет область 15 корпуса со следующей областью 17 корпуса 14 модуля, который выполнен из синтетического материала и прилегает ко второй подложке 5 схемы. Таким образом, термическое сопряжение полупроводниковых переключателей 6 с датчиком 8 температуры осуществляется в обход области 19 перехода через первую подложку 4 схемы с высокой теплопроводностью и металлическую область 15 корпуса, и далее через пленку 13, дальнейшую область 17 корпуса и вторую подложку 5 схемы. При этом пленка 13 проходит по всей поверхности первой стороны 16 силового электронного модуля 2 таким образом, что ее положение взаимно перекрывается или совмещается по меньшей мере и с полупроводниковыми переключателями 6, и с датчиком 8 температуры.
Силовой электронный модуль 2 показан в аксонометрическом изображении на фиг. 2. Здесь показана вторая сторона 18 силового электронного модуля 2 или корпуса 14 модуля, противоположная первой стороне 16. Как следует из фиг. 2, из корпуса 14 модуля выступают электрические контактные элементы 11, посредством которых силовой электронный модуль 2 присоединен к плате 10.
На фиг. 3 показан вид сверху на первую сторону 16 силового электронного модуля 2 без пленки 13. Здесь хорошо видна, в частности, металлическая область 15 корпуса, которая перекрывает первую подложку схемы (см. фиг. 1). На фиг. 4, напротив, показан вид сверху на первую сторону 16 силового электронного модуля 2, включая пленку 13. Как следует из фиг. 4, пленка 13 закрывает как металлическую область 15 корпуса, так и дальнейшую область 17 корпуса и, таким образом, по существу, всю поверхность или всю сторону 16 силового электронного модуля 2.
Согласно фиг. 5 пленка 13 расположена в многослойной конструкции между силовым электронным модулем 2, с одной стороны, и радиатором 12, с другой стороны. Пленка 13 выполняет здесь две различные функции: с одной стороны, функцию теплопередачи между полупроводниковыми переключателями 6 и датчиком 8 температуры и, с другой стороны, функцию теплопередачи от силового электронного модуля 2 к радиатору 12.
Список обозначений
1. Устройство
2. Силовой электронный модуль
3. Гибридная печатная плата
4. Подложка схемы
5. Подложка схемы
6. Полупроводниковый переключатель
7. Драйвер
8. Датчик температуры
9. Конструктивный элемент
10. Плата
11. Контактные элементы
12. Радиатор
13. Пленка
14. Корпус модуля
15. Область корпуса
16. Первая сторона
17. Область корпуса
18. Вторая сторона
19. Область перехода