Entwärmungskonzepte

Hohe Ströme auf FR4-Leiterplatten

13. Februar 2017, 10:39 Uhr | Alfred Goldbacher

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Automotive-zertifiziertes Standardgehäuse vorgegeben

Bei einem weiteren Projekt war eine Baugruppe zu entwickeln, bei der für ein Kühlgebläse zwei Power-Blöcke mit acht Halbbrücken und Steuerelektronik in einem Kunststoffgehäuse Platz finden mussten. Das neuartige Gebläse befindet sich bereits im Einsatz, und zwar in Kommunalfahrzeugen namens Muli T10X HybridShift der österreichischen Reform-Werke, die für Straßenreinigung und Mäharbeiten verwendet werden. Der Lüfter muss hier zuverlässig arbeiten, damit die Wärme vom Hydrauliköl abgeleitet wird. Die Schwierigkeit dabei ist, dass die Fahrzeuge im Betrieb Staub und Schmutz aufwirbeln, die vom Lüfter angezogen werden und die Mechanik verstopfen. Bei besonders großer Staubbelastung musste der Lüfter bis dato von Hand gereinigt werden, während dies bei der neu gewählten Lösung durch Lüftungsumkehr vermieden wird. Auf Knopfdruck vom Cockpit durch den Fahrer ausgelöst, blasen die Lüfter den Staub selbst aus. Außerdem warten sich die neuen Lüfter selbst. Bei Problemen – zum Beispiel, wenn der Schmutz bei Regen verklebt und den Lüfter blockiert – meldet sich das System sofort beim Fahrer. Und anstatt den Lüfter ständig im Dauerbetrieb laufen zu lassen, wird die Drehzahl in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt.

Mit der Spezialanfertigung der Steuereinheit für das Gebläse wurde der EMS-Anbieter technosert electronic in Wartberg/Österreich beauftragt. Die Aufgabe des Entwicklungsteams bestand darin, die Hard- und Software-Kombination so zu entwickeln, dass sie die Wärme kontrolliert an die Gehäusewand abführt.

Die Zielvorgabe war klar definiert und hieß „Systemkosten reduzieren“. Auf keinen Fall durften die Serien- und Entwicklungskosten zu hoch sein. Deshalb hat das technosert-Team nach einem Standardgehäuse gesucht, das für Automotive-Applikationen zertifiziert ist, die Ansprüche der Nutzfahrzeugbauer erfüllt und es den Entwicklern ermöglicht, die Baugruppe zu entwärmen. Nach längerer Suche kam nur ein Gehäuse in Frage.

Das gewählte Gehäuse hatte allerdings einen Nachteil: Es bestand fast ausschließlich aus Kunststoff und hatte nur stehend verbaute Kühlkörper. Für die Motorsteuerung bedeutete das eine erhöhte Leistungsdichte im Kunststoffgehäuse. Die Wärme der Leistungsbauteile musste daher an den Rahmen des Gehäuses abgegeben werden. Das dichte Hochstromnetz sollte zudem mit einer Steuerelektronik kombiniert werden. Außerdem mussten Thermosensoren an den Leistungshalbleitern die Temperatur überwachen und die Lüfterdrehzahl regeln.

Dichtes Hochstromnetz kombiniert mit Steuerelektronik

Die letztendlich realisierte 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 enthält vier Halbbrücken vom Typ BTN8982TA von Infineon, die je 15 A im High- oder Low-Modus treiben. Da die Konfiguration in jedem Anwendungsfall unterschiedlich sein kann, muss sowohl die GND- als auch die UCC-Anbindung der vollen Last gewachsen sein. Mit einer HSMtec-Leiterplatte ist es möglich, die SMD-Leistungsbauteile mit dem Kühlkörper und der Versorgung zu verbinden und zusätzlich die Temperatur des Treibers zu messen. Außerdem lässt der enge Bauraum nur eine dreidimensionale Lösung zu.

Ansteuerungs- und Signalverarbeitungstechnik lassen sich mit Leistungshalbleitern auf einer konventionellen Standard-FR4-Leiterplatte sicher bewerkstelligen, nachdem auch hier eine HSMtec-Platine auf Basis eines Standard-Multilayer zum Einsatz kommt. Des Weiteren erübrigt sich die sonst gängige Lösung, Ansteuerelektronik und Leistungselektronik getrennt auf zwei Leiterplatten zu fertigen und dann über einen Stecker zu verbinden.

Motorsteuerung für Gebläse: Die Wärme wird über zwei Biegekanten und hochgeklappte Leiterplattenlaschen an das Gehäuse und einen Kühlkörper abgeleitet.
Bild 4. Motorsteuerung für Gebläse: Die Wärme wird über zwei Biegekanten und hochgeklappte Leiterplattenlaschen an das Gehäuse und einen Kühlkörper abgeleitet.
© technosert

In der Steuereinheit müssen acht Halbbrücken mit 3×15-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 Leiterplattenlaschen zur Gehäusewand auf einen Aluminium-Kühlkörper.

Die Leiterplatte für die Motorsteuerung mit Hochstrom-Profilen und integriertem Entwärmungskonzept ist ein Vier-Lagen-Multilayer und nur 1,7 mm dick. Auf der 197,35 mm × 152,40 mm großen Grundfläche befinden sich 12 mm breite Profile auf Lage 1 über Biegekanten zum Entwärmen der Halbbrücken; des Weiteren 2, 4 und 8 mm breite Profile auf Lage 1 für die Ströme von 15 und 60 A sowie 2 und 4 mm breite Kupferprofile auf Bottom für die Ströme 15 und 60 A (Bild 4).


  1. Hohe Ströme auf FR4-Leiterplatten
  2. 3D-Aufbau nutzt Bauraum sehr gut aus
  3. Automotive-zertifiziertes Standardgehäuse vorgegeben
  4. Hochstromleiterbahnen vor dem Standardlayout designen

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