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Applikationsbericht

Motorsteuerung für Kühlgebläse integriert Power und Logik

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Dichtes Hochstromnetz kombiniert Steuerelektronik

Die Steuereinheit für das Laubgebläse hat zwei Power-Blöcke und einen Logik-Block. Die Power-Blöcke werden mit je 10 bis 32 V und 60 A versorgt. Jeder Block hat vier Halbbrücken vom Typ BTN8962TA von Infineon, die je 15 A im High- oder Low-Modus treiben. Da die Konfiguration in jedem Anwendungsfall unterschiedlich sein kann, muss sowohl der GND- als auch der VCC-Anschluss der vollen Last gewachsen sein.

Mit einer HSMtec-Leiterplatte war es möglich, die SMD-Leistungsbauteile mit dem Kühlkörper und der Versorgung zu verbinden und zusätzlich die Temperatur des Treibers zu messen. Außerdem ließ der enge Bauraum nur eine dreidimensionale Lösung zu.

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Die 3D-Verformbarkeit ist ein weiterer Vorteil von HSMtec, den die technosert-Entwickler nutzen. Die Kupferprofile, die im FR4-Material des Multilayers verpresst sind, lassen sich biegen. Für den Biegeprozess wird an den Biegekanten das FR4 mit Kerbfräsungen abgetragen. An diesen Sollbiegestellen lassen sich einzelne Segmente mit einem Neigungswinkel bis ±90° ausrichten. Die Besonderheit: Die Kupferdrähte und Kupferprofile erlauben eine selbsttragende Konstruktion und führen hohe Ströme oder Wärme über die Biegekante ab.

Die 3D-Konstruktion ist prädestiniert für Einmalbiegungen, z.B. für Anwendungen, in denen der flexible Bereich nur für den Einbau der Baugruppe gebogen wird. Die Leiterplatte ist nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A qualifiziert sowie für Luftfahrt und Automotive auditiert. Ein weiterer Vorteil: Durch die niedrige Feuchtigkeitsaufnahme im Gegensatz zu Flexfolien bei den Biegeanwendungen entfallen zumeist thermische Vorbehandlungen beim Löten. Außerdem sind alle weiteren Prozesse vollständig kompatibel zum Standard-Fertigungsprozess.

Typisch und vorteilhaft ist, dass die Leiterplatte als zweidimensionale Leiterplatte layoutet, im Nutzen gefertigt und bestückt wird. Nach dem Bestücken, bzw. zur Montage der Baugruppe, erhält die Leiterplatte durch das Biegen die dreidimensionale Form.

In der Steuereinheit müssen acht Halbbrücken mit 3 x 15-A-Leitungen zu den Steckern angeschlossen sein. Im Betrieb darf die Umgebungstemperatur maximal 80 °C erreichen. Das thermische Management der Motorsteuerung haben die Entwickler über eine dreidimensionale Konstruktion gelöst: Die Entwärmung der Halbbrücken erfolgt über zwei Biegekanten zu Leiterplattenlaschen, die im Gehäuse mit einem Aluminium-Kühlkörper verklebt werden.

Die Laschen befinden sich an zwei gegenüberliegenden Seiten und werden nach dem Bestücken der Leiterplatte um 90° nach oben gebogen. Die integrierten Kupferprofile verteilen die Wärme der Leistungshalbleiter und führen sie über die Biegekanten und PCB-Laschen zur Gehäusewand auf einen Aluminium-Kühlkörper. Häusermann fertigt die nur 1,7 mm dicke Leiterplatte für die Motorsteuerung mit Hochstrom-Profilen und integriertem Entwärmungskonzept.

Basismaterial ist FR4 R1566W von Panasonic; die Lötoberfläche ist chemisch Nickel-Gold. Auf der 197,35 mm x 152,40 mm großen Grundfläche befinden sich 12 mm breite Profile auf Lage 1 über Biegekanten zum Entwärmen der Halbbrücken; ferner gibt es 2, 4 und 8 mm breite Profile auf Lage 1 für Ströme von 15 und 60 A sowie 2 und 4 mm breite Kupferprofile auf Bottom für Ströme 15 und 60 A. Zur Auswahl der nötigen Breiten und Querschnitte der Kupferprofile gibt es Design-Regeln und einen Online-Hochstrom-Kalkulator.

* Johann Hackl arbeitet im Team der Anwendungsentwicklung bei Häusermann in Gars am Kamp/Österreich.

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