电流检测系统和具有逆变器的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种电流检测系统（20），具有：金属轨道（18），该金属轨道通过第一金属盘（34）连接在印刷电路板（12）上并且在那里与多个和中心轴线（35）间隔开的金属化通孔（38）接触；布置在印刷电路板的相对的侧面上的并且在那里与金属化通孔（38）接触的分流器（47），该分流器通过两个彼此间隔开的、并且设置在中心轴线（35）和金属化通孔（38）之间的区域中的、用于分接分流器电压（USh）的接触面（42，44）与印刷电路板（12）接触；和与分流器（47）这样接触的第二金属盘（48），即通过第一金属盘（34）和金属化通孔（38）引导的电流（i）通过分流器（47）在中心轴线（35）的方向上导出。本实用新型还涉及一种具有逆变器（2）的装置。
【专利说明】电流检测系统和具有逆变器的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种具有印刷电路板的电流检测系统和一种具有逆变器的装置。【背景技术】
[0002]这种电流检测系统通常应用在具有达到例如250Aeff的高压和高电流强度的装置和设备的逆变器中、特别是机床驱动装置或工业驱动装置中、电动车辆和/或太阳能设备以及光伏设备中。这种逆变器通常包括壳体、用于直流(DC)-高压源和用于相应的装置以及相应的设备以及用于通信的连接装置、传感器和执行器、半导体开关元件、也可能包括用于检测物理量(例如电流、电压或温度)的驱动调整装置和控制单元以及其它的用于控制半导体开关元件的电子装置。半导体开关元件通常设计为具有多个集成的晶体管和空程二极管的IGBT (绝缘栅双极型晶体管)-模块(逆变器)。
[0003]控制单元典型地包括印刷电路板，该印刷电路板适宜地直接布置在IGBT-模块的上方，从而能够不受干扰地通过相应的电子装置使晶体管运行。为此在IGBT-模块上设置有多个连接-针，这些连接-针通过特殊的印刷电路板插座确保与控制单元的导电的接触。
[0004]在作为电流检测系统的该种逆变器中通常应用具有集成的分流-电阻器(分流材料)的导电轨。电流检测能够借助于在布置在导电轨的两个轨部段之间的分流-电阻器上的电压测量进行，该导电轨在材料和尺寸的方面设计具有很高的电流承载能力。导电轨可以是冲压件或冲压弯曲件，借助于特殊的技术、例如电子束焊接将分流器布置在该冲压件或冲压弯曲件中。分流器电压能够通过导电轨方面的、例如为了进行机械的选择性焊接而与印刷电路板焊接在一起的接触板或接触针来分接。然而这种电阻系统的制造投入大并且成本高昂。
[0005]用于提供必要的电流承载能力的印刷电路板的导电轨必须可替换地设计具有相应大的面积，然而这同样必须使用投入大的连接技术。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于，提出一种特别合适的电流检测系统，该电流检测系统的构造特别简单并且成本低廉。本实用新型的目的还在于，提出一种具有逆变器的装置，该逆变器包括电流检测系统。
[0007]根据本实用新型，该目的通过权利要求1所述的特征实现。有利的设计方案和改进方案在从属权利要求中说明。
[0008]为此，电流检测系统具有用于引导电流的金属轨道，该金属轨道通过第一金属盘连接在印刷电路板的电路板侧面上并且在那里与多个设置在其中的金属化通孔(Durchkontakt i erungen )接触或者与中心轴线间隔开的通孔接触。优选地为盘状的分流器布置在印刷电路板的相对的电路板侧面上并且在那里与金属化通孔接触。分流器通过两个彼此间隔开的、并且设置在中心轴线和金属化通孔之间的区域中的、用于分接分流器电压的接触面与印刷电路板接触。第二金属盘与分流器在其背对印刷电路板的分流器侧面上这样接触，即通过第一金属盘和通过金属化通孔引导的电流通过分流器在中心轴线的方向上引导。
[0009]优选地设计为盘式分流器的分流器的电阻材料具有特定的、定义的、特别的电阻值，该电阻值特别地大于印刷电路板的印刷导线以及接触面的电阻值。印刷电路板的两个借助于分流器以及分流材料桥接的接触面之间的电阻值适宜地在20 μ Ohm到70 μ Ohm之间。
[0010]本实用新型从这一考虑出发，S卩如果通过印刷电路板中的金属化通孔向与其接触的分流材料进行电流引导，便能够避免投入大的、用于将分流材料集成在具有足够的电流承载能力的导电轨的、包括投入大的、在印刷电路板上以及印刷电路板上的面积具有不同大小的导电轨上进行分流分接的应用技术在内的制造方法。电流引导便能够通过常见的导电轨从印刷电路板的电路板侧面通过金属化通孔导向印刷电路板另一个侧面的分流材料。
[0011]其中已知的是，如果首先以中心轴线为中心地朝外向与该中心轴线间隔开的、并且优选地与该中心轴线同心地布置的通孔以及在相对的印刷电路板侧面通过分流器或者说通过分流材料的某一特定的部段有目的地朝内引导电流，便会形成一种特别合适的电流引导。有目的的、从导电轨至金属化通孔-相关于中心轴线-的电流引导首先向外适当地通过第一金属盘进行。其尺寸或直径相应地与金属化通孔彼此之间的以及金属化通孔至中心轴线的距离相适应。
[0012]适宜的在印刷电路板的相对的侧面上的通过分流材料朝内导向中心轴线的电流引导适当地通过设置在那里的第二金属盘进行，其尺寸或直径相应地小于分流材料的尺寸以及直径。从该第二金属盘起，电流能够优选地通过电缆接头套管分接并且被导向符合规定的驱动装置或类似装置。
[0013]借助于表示中心轴线的连接部件、优选地借助于设计为压入螺栓的、具有相对于电缆接头套管拧紧的螺母的螺栓使根据本实用新型的电流检测系统的、以堆叠的方式构造的整体结构适当地集中并固定在一起。必要的电绝缘随后则适当地借助于围绕螺栓的绝缘套筒进行。
[0014]因此，在一种特别合适的实施方式中，不仅金属化通孔、而且印刷电路板方面的用于接触分流材料的接触面均设计为圆形的、以中心轴线为圆心的导电轨环的形式。通过这种方式能够通过相应数量的、在圆周方向以及在径向方向上并列布置的金属化通孔(英:Vias)产生必要的电流承载能力。
[0015]由于不仅使分流器或分流材料连接在印刷电路板上的接触面、而且在相应的印刷电路板侧面上的金属化通孔至少稍微地、例如以约100 μ m的层厚度隆起，优选地在印刷电路板的两侧均同样地设有圆形的或者说圆环形的支承面，以避免邻接的系统部件的变形并且保证可靠的接触。其中，支承面自身是不带电的。
[0016]分析电子装置与这两个由分流器桥接的并且直接地位于印刷电路板上的接触面连接，优选地是通过印刷电路板内部的连接路径连接，该分析电子装置同样地至少部分地布置在印刷电路板上。布置在印刷电路板上的电容器或电阻器例如与两个接触面中的至少一个接触面连接。根据在接触面之间检测到的分流电压能够基于分流材料的已知的电阻值而确定在两个接触面之间流动的电流的强度。这例如借助于优选地同样安装在印刷电路板上的微型控制器进行。[0017]对于位于中心轴线和金属化通孔之间的内部的接触面的接触而言，通过这种方式实现的分流器无需用于将其连接在印刷电路板上的特别的连接技术和特别的连接元件。相反，导电的连接例如仅通过焊接并且在此优选地以SMD (表面贴装元件)技术实现。由此有利地使在制造电流检测系统时能够应用简单并且成本低廉的标准技术。
[0018]印刷电路板布置在例如电动车辆的电动机的、或机床驱动装置或工业设备驱动装置的逆变器中。在运行期间，电流从逆变器通过优选地设计为铜轨道的金属轨道和通过金属化通孔流向分流器以及通过该分流器流向相应的电流分接装置。其中，电流检测系统的印刷电路板布置在逆变器中，该逆变器在交流电侧借助于以优选地为电缆接头套管的形式的电流分接装置直接与电动机的电机绕组(电机相位绕组)连接。其中，主散热至少基本上通过金属轨道或者说铜轨道进行。
[0019]根据本实用新型的电流检测系统的集成也能够类似地在太阳能设备以及光伏设备或类似装置的逆变器中进行。
[0020]本实用新型还包括一种装置，特别是电动车辆、机床驱动装置或工业驱动装置或太阳能设备以及光伏设备，所述装置具有连接在DC高压源后面的逆变器，所述逆变器包括前述类型电流检测系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面根据附图详细地说明本实用新型的实施例。图中示出:
[0022]图1在示意图中示出电动车辆的高伏电池、行车控制装置、与电动机连接的并具有电流检测装置的逆变器，
[0023]图2在截面图中示出根据本实用新型的电流检测系统，
[0024]图3在透视的底侧视图中示出具有铜轨道和印刷电路板的部段的电流检测系统的一种实施方式，
[0025]图4在根据图3的视图中示出不具有铜轨道的电流检测系统，
[0026]图5在透视的、电缆接头套管的俯视图中示出根据图4的电流检测系统，和
[0027]图6示出根据图5的电流检测系统且能够看到印刷电路板。
[0028]彼此相应的部件和参数在所有附图中具有相同的参考标号。
【具体实施方式】
[0029]图1示意性地示出用于电动车辆的、或用于机床或类似装置的驱动装置的电动机4的逆变器2。该逆变器2包括壳体6、作为逆变器电路的IGBT-模块8、中间电路电容器10、设置在印刷电路板12上的控制单元14、驱动控制装置16、三个由铜制成的、用于将IGBT-模块8分别和用于检测通过电缆接头套管22流入电动机4的三个相位绕组24中的某个相位绕组中的电流i的电流检测系统20电连接的金属轨道18。其中，电流检测系统20同样设置在印刷电路板12上。
[0030]IGBT-模块8包括六个未详细示出的、具有空程二极管的IGBT-晶体管。这些晶体管这样并联和串联，即IGBT-模块8将DC-高压源26的直流电压转化为三相的交流电压以使电动机4运转。基本上，对于交流电流的任一相位而言，为了分别与连接线24连接，使铜轨道18中的一条铜轨道、电流检测系统20和电缆接头套管22相连接，其中，在图中分别仅一个部件具有参考标号。
[0031]为了避免中间电路电压的例如基于寄生感应而形成的波动或峰值，在高伏电池和IGBT-模块8之间接入中间电路电容器10。该IGBT-模块8在运行期间借助于未详细示出的水冷却装置来冷却。
[0032]驱动调节装置16和印刷电路板12的控制单元14基本上分别是一种微型控制器，在其上分别实施了相应的控制程序。也能够可替换地例如使用专用集成电路(ASIC)或所谓的现场可编程门阵列(FPGA)以控制逆变器2。
[0033]在运行中，由控制装置28将用于电动机4的额定-转矩-信号M发送至驱动调节装置16，该驱动调节装置将相应的信号发送至用于调节IGBT-模块8的所产生的交流电压的控制单元14。在运行期间，该控制单元14以未详细示出的方法检测流经中间电容器10的电流Izk和施加在该中间电容器上的电压UZK。控制单元14分析在电动机4运行期间流经导电轨16的三相的交流电流i，该交流电流是借助于电流检测系统20来确定的。此外还由与电动机4以信号技术连接的编码器30接收与电动机4的转速和/或位置成比例的电机信号P并传输至控制单元14。在借助于控制单元14对IGBT-模块8进行控制时考虑这些数据。
[0034]在图2至图6中详细地示出了印刷电路板12的被分配给电流检测系统20的印刷电路板部段与相应的电缆接头管套22的信号技术上的连接。由环氧化合物制成的印刷电路板12借助于铜轨道18电连接于IGBT-模块8的逆变器装置。其中，铜轨道18具有面积在60mm2至IOOmm2之间的横截面。有利的是，基本为矩形的横截面的尺寸为20_x4mm。
[0035]正如在图2中示意性地示出的，电流检测系统20具有用于引导电流的铜轨道18，其通过铜环32和在其后面的(第一)铜盘34连接在印刷电路板12的电路板侧面(电路板底面)上。该第一铜盘34在那里与多个设置在印刷电路板12中的并且与中心轴线35间隔开的金属化通孔38接触。
[0036]在印刷电路板12的相对设置的电路板侧面(电路板上侧)上布置有优选地设计为盘式分流器的分流器47并且其与金属化通孔38接触。分流器47通过两个彼此间隔开的并且设置在中心轴线35和金属化通孔38之间的区域中的、用于分接分流器电压Ush的接触面42，44与印刷电路板12接触。第二铜盘48在分流器的背对印刷电路板12的分流器侧面上与分流器47接触。该第二铜盘的尺寸或直径小于分流器47的尺寸或直径。
[0037]在运行中，来自IGBT-模块8的电流-正如通过图2中的箭头所说明的-流经铜轨道18并且通过铜环32以及通过铜盘34同心地(径向地)朝外流向金属化通孔38。如在图3中示出的，金属化通孔38优选地布置在圆环面上并且由此在印刷电路板12的电路板底面上形成相应为环形的铜表面。
[0038]在一定程度上轴向地通过金属化通孔38引导的电流i基于第二铜盘48的相对较小的径向的尺寸被通过分流器47 (径向地)同心地朝内在中心轴线35的方向上引导。金属化通孔38在印刷电路板12的电路板上侧上又优选地布置在圆环面上并且由此也在那里形成相应为环形的铜表面。电流i通过该第二铜盘48和与其接触的电缆接头套管22流入发动机-或相位绕组24中。
[0039]由于为了将分流器47连接在印刷电路板12上，特别是金属化通孔38、然而接触面42，44也至少稍微地隆起、例如隆起100 μ m，在印刷电路板12的电路板底面上在该印刷电路板和第一铜盘34之间以及在电路板上侧上在该印刷电路板和分流器47之间分别设置有优选地又为环形的铜表面36以及46，这些铜表面是不带电的并且仅承担支承功能。
[0040]图3至6在具有部分选取的系统组件的不同的视图中示出了电流检测系统20的一种优选的、具体的结构。正如能够从图3和4中清楚看到的，在电路板底面上的(第一)铜盘34优选地借助于SMD-过程焊接在铜表面36和与此同心的、由金属化通孔38形成的铜表面上。该(第一)铜盘34确保，系统20具有足够的电流承载能力。同样也能够识别出同心的、位于内部的支承面36。
[0041]在图6的范围中详细地示出了印刷电路板12的电缆接头套管侧的电路板侧面。在由金属化通孔38形成的电路板上侧上的、同心的金属-或铜表面的内部以递减的距离布置有其它的同心的、金属-或者说铜表面、即分流器-接触面42，44和支承面46。
[0042]在由铜制成的金属化通孔-和接触面38以及42，44和46上同样地以SMD-过程技术焊接能够在图6中识别出的、基本为圆形的、薄壁的、导电的分流器47。分流器或者说分流材料47的径向的尺寸基本上等于第一铜盘34的尺寸，然而却也可以与该尺寸不同。
[0043]通过接触面42和44，借助于印刷电路板12的其它的(未示出的)电子组件进行对根据欧姆定律(U=R.I)用作为用于流动的电流的标准的分流器电压Ush的分接。与控制单元14的信号处理电子装置在信号技术上的连接借助于印刷电路板12的导电的内层或借助于印刷导线进行。通过中间的印刷导线对，在运行期间通过布置在印刷电路板上的分析电子装置进行对分流器上的电压的测量。
[0044]电缆接头套管22借助于型号为M6，M8或MlO的压入螺栓50、相应的螺母52、弹簧环或盘形弹簧54和印刷电路板12上的垫片56和铜轨道18固定。为了避免电流直接通过压入螺栓50流向电缆接头套管22，围绕着压入螺栓50布置有由不导电的材料制成的绝缘体58。
[0045]该绝缘体58是基本为T-形的空心圆柱体，其中，水平的T-支脚作为帽檐状的隆起在空心圆柱体上模制成形。绝缘体58使压入螺栓50与第一铜轨道18、铜环32、铜盘34和印刷电路板12、分流器47、第二铜盘48和电缆接头套管22电绝缘。
[0046]在一种合适的尺寸中，(第一)铜盘34具有在30mm至50mm之间的外直径和在0.4mm至0.6mm之间的厚度。特别优选的是,夕卜直径等于40mm和/或厚度等于0.5mm。铜环32基本上用作为在铜轨道18和印刷电路板12之间的间隔垫片，从而使得在运行期间不会出现印刷电路板12和控制单元14的电子部件的不必要的发热现象。
[0047]盘式分流器20也合适地具有约为40mm的外直径和约为0.5mm的厚度。铜轨道18长约20mm并且宽约4mm。压入螺栓50优选地是M8-螺栓。逆变器2的交流电侧的部分和因此也包括电流检测系统20都合适地设计用于至少250Aeff的情况和优选地直至300Aeff的情况。
[0048]本实用新型不局限于前面说明的实施例。相反也能够在不脱离本实用新型的主题的前提下由专业技术人员从中推导出本实用新型的其它变体。
【权利要求】
1.一种电流检测系统(20)，具有: -用于引导电流的金属轨道(18)，所述金属轨道通过第一金属盘(34)连接在印刷电路板(12)的电路板侧面上并且在那里与多个设置在所述印刷电路板(12)中的并且和中心轴线(35)间隔开的金属化通孔(38)接触， -布置在所述印刷电路板(12)的相对的电路板侧面上的并且在那里与所述金属化通孔(38)接触的、优选地为盘状的分流器(47)，所述分流器通过两个彼此间隔开的、并且设置在所述中心轴线(35)和所述金属化通孔(38)之间的区域中的、用于分接分流器电压(Ush)的接触面(42，44)与所述印刷电路板(12)接触，和 -与所述分流器(47)在所述分流器的、背对所述印刷电路板的分流器侧面上这样接触的第二金属盘(48)，即通过所述第一金属盘(34)和所述金属化通孔(38)引导的电流(i)通过所述分流器(47 )在所述中心轴线(35 )的方向上导出。
2.根据权利要求1所述的电流检测系统(20)，其特征在于，所述金属化通孔(38)与所述中心轴线(35)同心地、特别是圆形地布置。
3.根据权利要求1或2所述的电流检测系统(20)，其特征在于，所述用于分接所述分流器电压(Ush)的接触面(42，44)与所述中心轴线(35)同心地布置。
4.根据权利要求3所述的电流检测系统(20)，其特征在于，所述用于分接所述分流器电压(Ush)的接触面(42，44)圆形地布置。
5.根据权利要求1或2所述的电流检测系统(20)，其特征在于，在所述金属轨道(18)和所述第一金属盘(34)之间布置有金属环(32)。
6.根据权利要求3所述的`电流检测系统(20)，其特征在于，在所述金属轨道(18)和所述第一金属盘(34)之间布置有金属环(32)。
7.根据权利要求1或2所述的电流检测系统(20)，其特征在于，电缆接头套管(22)与所述第二金属盘(48)在所述第二金属盘的背对所述分流器(47)的分流侧面上接触。
8.根据权利要求6所述的电流检测系统(20)，其特征在于，电缆接头套管(22)与所述第二金属盘(48)在所述第二金属盘的背对所述分流器(47)的分流侧面上接触。
9.根据权利要求1或2所述的电流检测系统(20)，其特征在于，在所述第一金属盘(34)和所述印刷电路板(12)之间，在所述印刷电路板的所述金属化通孔(38)之间的区域中设置有第一支承面(36)。
10.根据权利要求8所述的电流检测系统(20)，其特征在于，在所述第一金属盘(34)和所述印刷电路板(12)之间，在所述印刷电路板的所述金属化通孔(38)之间的区域中设置有第一支承面(36)。
11.根据权利要求1或2所述的电流检测系统(20)，其特征在于，在所述分流器(47)和所述印刷电路板(12)之间，在所述印刷电路板的所述金属化通孔(38)之间的区域中设置有第二支承面(46)。
12.根据权利要求10所述的电流检测系统(20)，其特征在于，在所述分流器(47)和所述印刷电路板(12)之间，在所述印刷电路板的所述金属化通孔(38)之间的区域中设置有第二支承面(46)。
13.根据权利要求1或2所述的电流检测系统(20)，其特征在于，所述分流器(47)借助于SMD技术安装在所述印刷电路板(12)上。
14.根据权利要求12所述的电流检测系统(20)，其特征在于，所述分流器(47)借助于SMD技术安装在所述印刷电路板(12)上。
15.根据权利要求1或2所述的电流检测系统(20)，其特征在于，设有与所述中心轴线(35)同心的绝缘体(58)，所述绝缘体由螺栓(50)穿过，以用于固定系统部件。
16.根据权利要求14所述的电流检测系统(20)，其特征在于，设有与所述中心轴线(35)同心的绝缘体(58)，所述绝缘体由螺栓(50)穿过，以用于固定系统部件。
17.根据权利要求15所述的电流检测系统(20)，其特征在于，所述螺栓(50)是具有外螺纹和螺母(52)的压入螺栓。
18.根据权利要求16所述的电流检测系统(20)，其特征在于，所述螺栓(50)是具有外螺纹和螺母(52)的压入螺栓。
19.一种具有逆变器(2)的装置，所述逆变器连接在DC高压源(26)后面，所述逆变器包括根据权利要求1至18中任一项所述的电流检测系统(20)。
20.根据权利要求19所述的具有逆变器(2)的装置，其特征在于，所述装置为电动车辆、机床驱动装置或工业驱动装`置或太阳能设备以及光伏设备。
【文档编号】G01R15/00GK203519693SQ201320335717
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年6月9日 优先权日:2012年7月24日
【发明者】汉斯-乔治·克普肯, 京特·施韦西希 申请人:西门子公司