Leistungselektronik mit feinen Zügen

Hohe Ströme von 100 A und mehr sicher über das Board zu führen ist eine technische Herausforderung, der Entwickler beim Leiterplatten-Layout begegnen müssen. Dabei eine lokale Überhitzung durch Leistungshalbleiter zu vermeiden ist unbedingt nötig. Mit steigenden Anforderungen der Hochstrom- und Hochvolt-Applikationen kommen immer komplexer werdende Leistungshalbleiter zum Einsatz, die hohe Verlustwärme erzeugen. Die gilt es schnell abzuführen. Doch die hohen Ströme und in Folge dessen die größeren Querschnitte der Kupferleiterbahnen benötigen Platz. Und der ist auf miniaturisierten Boards eher Mangelware.

Hinzu kommt, dass mit der fortschreitenden Miniaturisierung von Steuer- und Regelschaltungen auch empfindliche SMT-Bauteile auf die gleiche Leiterplatte verbunden werden müssen, auf der hohe Ströme fließen. Dies stellt die Entwickler vor verschiedene Herausforderungen. Zum einen müssen die Leitungsquerschnitte so großzügig wie möglich dimensioniert sein, damit es nicht zu einer Überhitzung bei den Leitungen mit hohen Strömen kommt. Zum anderen sind Sicherheitsabstände zu sensiblen Leitungen der Regelschaltung einzuhalten.

Intelligentes Wärmemanagement

Die gängigste Lösung ist, die Ansteuerelektronik und Leistungselektronik getrennt auf zwei Leiterplatten zu fertigen und dann über einen Stecker zu verbinden. Günstiger und platzsparender wäre es, beide Funktionseinheiten auf einem Board zu vereinen. Doch auch das geht mit konventionellen Leiterplattentechnologien nicht, denn die klassische Dickkupfertechnik kann zwar hohe Ströme bewältigen, nicht jedoch die feinen Strukturen realisieren, wie sie die Ansteuerung erfordert.

Hier entfaltet die Leiterplattentechnik HSMtec ihr technisches Potenzial. Die Technik, die nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A qualifiziert und für Luftfahrt und Automotive auditiert ist, geht selektiv vor: Nur dort, wo tatsächlich hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, wird das massive Kupfer – sei es als Profil oder in Drahtform – in die Leiterplatte integriert. Derzeit stehen 500 µm hohe Profile mit Breiten von 2,0 mm bis 12 mm in variabler Länge zur Verfügung und bei Drähten hat sich der Durchmesser von 500 µm etabliert. Die 500 µm dicken Kupferelemente werden mittels Ultraschallverbindungstechnik stoffschlüssig mit den geätzten Leiterbildern verbunden. Dies ist in jeder beliebigen Lage eines auf FR4 basierenden Multilayers möglich. Mit HSMtec ist es also möglich, hohe Ströme und die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen zu drosseln. Die integrierten Kupferelemente stemmen Ströme von bis zu 500 A.

HSMtec bringt eScooter in Fahrt

Mit HSMtec lassen sich große Querschnitte für Entwärmungen mit sehr feinen Strukturen kombinieren. Daher ist die Leiterplattentechnik für den Einsatz in der Motorsteuerung eines Gleichstrommotors mit IGBT oder für die Elektromobilität gut geeignet: Die Kombination von Ansteuerungs- und Signalverarbeitungstechnik mit Leistungshalbleitern auf einer Leiterplatte stellt insbesondere in der Elektromobilität eine Herausforderung dar. Neben den Anforderungen an Platz und Gewicht gilt es, hohe Ströme zu bewältigen und gleichzeitig schnell die Wärme abzuleiten.

Eine solche Anwendung ist die Motorsteuerung von Rising-edge GmbH für eine eScooter-Serie. Die rein elektrisch betriebenen Zweikrafträder sollen künftig Postboten in ländlichen Gegenden die Zustellung erleichtern. Um wendig, leicht und flink zu sein, wird der Stromer auf zwei Rädern von einem Permanentmagnet-erregten Dreiphasen-Synchronmotor mit einer Leistung von bis zu 15 kW angetrieben. Dabei liefert der Motorcontroller bis zu 270 A Ausgangsstrom, kontinuierlich fließen 160 A. Ein FPGA stellt die nötige Rechenleistung für die Berechnung der feldorientierten Vektorregelung (FOC) bereit. Die Endstufe bildet ein integriertes Dreiphasen-Vollbrückenmodul mit sechs MOSFETs, das in THT-Technik auf die Leiterplatte bestückt ist. Dies bedingt, dass die Motorenströme über das PCB zum Motor gelangen müssen.

Genau hier greift HSMtec: Waren bislang spezielle Montagen nötig, um große Ströme über die Leiterplatte führen zu können, lässt sich nun das gesamte Motorsteuerungsmodul mit einer Fläche von 228 mm x 75 mm auf einer einzigen Leiterplatte unterbringen. Die eingesetzten massiven Kupferelemente, die im vierlagigen Multilayer eingepasst sind, leiten den Strom zügig weiter und sorgen gleichzeitig für rasche Entwärmung. Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit, da weder Schraubanschlüsse noch die hierfür notwendige Kabelverbindung zwischen Modul und Leiterplatte erforderlich sind. Der Motorencontroller ist nicht nur für die Motorenansteuerung zuständig, sondern regelt auch die Rekuperation, also die Rückgewinnung der Bremsenergie.

(mrc)