AT9791U1 - Leistungselektronikvorrichung - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leistungselektronikvorrichtungen, insbesondere Frequenzwandler. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Frequenzwandler mit geringer Leistung, bei denen die Hauptschaltung (Leistungsstufe) und die Steuerschaltungen auf Leiterplatten verschaltet sind und die vorzugsweise durch einen Lüfter gekühlt werden. 5

Ein allgemein angewendetes Verfahren bei der Umsetzung kleiner Frequenzwandler (unter ungefähr 4 kW) besteht darin, den gesamten Frequenzwandler auf derselben Leiterplatte vorzusehen. Hierdurch wird zum Beispiel die Anzahl von Komponenten minimiert, die bei der Endmontage handzuhaben sind. Unterschiedliche Variationen, z.B. ein EMV-Filter, bieten üblicher-io weise Wahlmöglichkeiten für dieselbe Leiterplatte. In der Regel wird die Kühlung von Geräten dieser Leistungskategorie auf der Grundlage natürlicher Luftzirkulation ohne einen Lüfter durchgeführt, so dass die Vorrichtung einen sehr großen Kühlkörper benötigt, der ein Teil des Gehäuses sein kann (Fig. 1). 15 Dass verschiedene Variationen möglich sind, führt dazu, dass für jede Karte mit einer anderen Nennleistung verschiedene Variationen sowohl in der Produktion als auch in den möglichen Speicherplätzen in der Verteilungskette gepflegt werden müssen. Eine natürliche Konsequenz hieraus ist ein höherer Vorratsplatzbedarf, weil an jeder Vorratsstelle jede Version als entsprechender Vorrat vorgehalten werden muss, um die Servicekapazität aufrecht zu erhalten. 20

Das Aufrechterhalten einer Bereitschaft für verschiedene Bestückungsvariationen auf der Leiterplatte bedeutet, dass dieselbe grundlegende Technik auf der ganzen Fläche der Platte angewendet werden muss, selbst wenn ein Teil der Platte unter der Verwendung einer einfache-, ren Technik umgesetzt werden könnte. Zum Beispiel benötigen Steuerungsschaltungen norma-25 lerweise die Verwendung mindestens einer vierschichtigen Platte, im Bereich einer EMV-Option wäre es jedoch möglich, eine billigere Leiterplatte mit einer Kupferschicht auf zwei Seiten oder sogar nur auf einer Seite zu verwenden. Eine Leistungselektronikvorrichtung auf der Grundlage einer natürlichen Luftzirkulation benötigt einen großen und schweren Kühlkörper, der die Größe und das Gewicht der Vorrichtung beträchtlich vergrößert. Zusätzlich werden Komponenten, 30 welche nicht die Leistungskomponenten sind, die an den Kühlkörper angeschlossen sind, z.B. Kondensatoren, nicht optimal gekühlt, was sich negativ auf ihre Nennleistung und ihre Lebensdauer auswirkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwin-35 den und eine neue Art der Lösung für kleine Leistungselektronikvorrichtungen, insbesondere Frequenzwandler, zu erreichen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht ein Frequenzwandler mit geringer Leistung aus mehreren, z.B. drei unterschiedlichen Leiterplatten, bei denen es möglich ist, unterschiedliche 40 Herstellungsverfahren einzusetzen. Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Kühlung der Leistungskomponenten unter der Verwendung eines Lüfters implementiert, wobei die Größe des Kühlkörpers auf diese Weise minimiert wird, während andere Leistungskomponenten als diejenigen, die an den Kühlkörper angeschlossen sind, über einen durch die Platten gebildeten Luftkanal ebenfalls wirkungsvoll gekühlt werden. 45

Der erfindungsgemäße Frequenzwandler hat getrennte Leiterplatten, z.B. wie in Fig. 2 gezeigt, darunter Leistungs- und Filterkarten, die eine Leistungsstufe bilden, sowie eine Anwendungskarte. Unter der Verwendung von Aufteilungen gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein System erhalten werden, das unter der Verwendung der selben grundlegenden Karten sehr so leicht auf verschiedene praktische Anwendungen eingerichtet werden kann, das sehr kosteneffektiv ist, wobei vom Herstellungsvorgang bis zur Verteilungslogistik viele Vorteile erreicht werden können. Die Merkmale des Frequenzwandlers der vorliegenden Erfindung sind im Einzelnen in den beiliegenden Ansprüchen aufgeführt. 55 Es folgt eine Beschreibung der Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf eine Anzahl von 3 AT 009 791 U1

Beispielen und die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 einen bekannten Frequenzwandler,

Fig. 2 eine modulare Kartenkombination in einem Frequenzwandler gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Kühlanordnung, die im erfindungsgemäßen Frequenzwandler verwendet wird, und Fig. 4 eine weitere Kühlanordnung, die im erfindungsgemäßen Frequenzwandler verwendet wird.

Fig. 1 stellt eine allgemein verwendete Lösung zum Implementieren von Leistungselektronikvorrichtungen mit geringer Leistung dar, wobei alle elektronischen Komponenten der Vorrichtung auf derselben Leiterplatte B1 angeordnet sind. Die Leistungshalbleiter V1 der Vorrichtung sind an einen massiven Kühlkörper HS angeschlossen, so dass sie gut gekühlt sind. Die Kühlung der anderen Leistungskomponenten, z.B. des Transformators T1 und des Kondensators C1, sind bei dieser Lösung jedoch manchmal schlecht, wodurch die Notwendigkeit dringender wird, ihre Größe oder die Anzahl parallel geschalteter Komponenten groß auszulegen, damit sie eine entsprechende Lebensdauer erreichen.

Fig. 2 ist eine vereinfachte Darstellung eines spannungsgesteuerten Pulsdauermodulations-Frequenzwandlers, der eine Leistungskarte 1 (Leistung) mit einer Netzbrücke V1 zum Gleichrichten einer Versorgungsnetz-Wechselspannung in eine Zwischenschaltungs-Gleichspannung, einen Kondensator C2 zum Filtern der Gleichspannung und eine Lastbrücke (Wechselrichter) V2 zum Wechselrichten der Zwischenschaltungs-Gleichspannung in eine Drei-Phasen-Wechselspannung mit variabler Frequenz, die zum Speisen eines (nicht gezeigten) Drehstrom-Wechselstrommotors verwendet wird, aufweist. Eine Eingangsschaltung auf einer Filterkarte 2' (Filter) weist eine Drosselspule L1 und einen Kondensator C1 zum Unterdrücken hochfrequenter Interferenz, die in das Versorgungsnetz gelangt, auf. Die Kundenschnittstelle der Vorrichtung, welche die anwendungsspezifischen Schaltungen enthält, ist auf einer Anwendungskarte 3 (Anwendung) angeordnet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht der Frequenzwandler mit geringer Leistung z.B. aus drei unterschiedlichen Leiterplatten (Schaltungskarten), bei denen unterschiedliche Herstellungstechniken verwendet werden können und die auf unterschiedliche Weise vorgesehen werden können. Eine Kartenkombination, die für die Erfindung charakteristisch ist, ist zum Beispiel die folgende: 1. Leistungskarte 1, welche die Leistungsstufe des Frequenzwandlers trägt (Netz- und Lastbrücken und ihre Steuerungsschaltungen, Gleichspannungs-Zwischenschaltung und entsprechende Verbindungselemente). Diese Karte bleibt unabhängig von der Kundenanwendung gleich; ihre Größe und die darauf angebrachten Komponenten hängen lediglich von der an den Motor übertragenen Leistung ab. Diese Karte wird typischerweise mit einer Vier-Schicht-Technik hergestellt. 2. Filterkarte 2, welche die Komponenten (Drosselspule, Kondensatoren) zum Unterdrücken hochfrequenter Interferenz enthält, die in das Versorgungsnetz gelangt. Die Karte kann typischerweise unter der Verwendung einer Leiterplatte hergestellt werden, die nur auf einer Seite mit Kupfer beschichtet ist. Wenn gewünscht, können auf derselben Leiterplatte Vorkehrungen getroffen werden, um für verschiedene Versionen Bestückungsoptionen offen zu halten, z.B. um eine Durchführungskarte, die ohne Filterkomponenten bestückt ist, oder eine Schnittstellenkarte, die mit Schmelzsicherungen bestückt ist (Schnittstellen-/Filter-Leiter-platte), herzustellen. 3. Anwendungskarte 3, welche die Steuerungsschaltungen enthält, die für die Kundenanwendung benötigt werden. Der Inhalt dieser Karte hängt nicht von der Leistung ab, sondern es können je nach den verschiedenen Kundenwünschen verschiedene unterschiedliche Kar-

Claims (9)

1. 4 AT 009 791 U1 tenversionen vorgesehen werden. Die Karte kann z.B. unter der Verwendung einer Leiterplatte hergestellt werden, die auf beiden Seiten mit Kupfer beschichtet ist. Auf diese Weise kann durch Anwenden der modularen Kartenlösung der vorliegenden Erfin-5 düng unter der Verwendung von drei Karten unterschiedlicher Typen eine leicht variierbare Frequenzwandlerserie erhalten werden, die trotz ihrer Vielseitigkeit hinsichtlich der Kosten vorteilhaft ist, weil bei jedem Kartentyp die Leiterplatte, deren Kosten signifikant sind, durch ein Verfahren umgesetzt werden kann, das für den betreffenden Fall ausreichend ist. io Fig. 3 stellt die Kühlanordnung beim erfindungsgemäßen Frequenzwandler dar. Die Kühlung basiert auf einer Zwangsbelüftung, die bekanntermaßen ein viel wirkungsvolleres Kühlverfahren als die natürliche auf der Schwerkraft beruhende Luftzirkulation ist. Lüfter, die bei kleineren Vorrichtungen verwendet werden, werden üblicherweise z.B. bei der Kühlung von Computern eingesetzt, was zur Entwicklung von Lüftern geringer Kosten mit einer entsprechend langen 15 Lebensdauer geführt hat. Der Frequenzwandler von Fig. 3 weist gemäß der oben beschriebenen Kartenkombination eine Leistungskarte 12 (beim vorliegenden Beispiel sind die Leistungs- und die Filterkarte nicht als getrennte Karten gezeigt) und eine Anwendungskarte 3 auf. Ein Leistungsmodul V1, das auf 20 der Leistungskarte angeordnet ist, enthält alle Leistungshalbleiter (Netz- und Lastbrücken) der Hauptschaltung, und es ist auf ihr ein kleiner Kühlkörper HS angebracht. Ein Luftimpeller FAN bläst ständig Kühlluft in den Kühlkörper, weshalb der Kühlwirkungsgrad exzellent ist und ein kleiner Kühlkörper verwendet werden kann. 25 Bei der erfindungsgemäßen Kühllösung bilden die Karten zusammen mit den Seitenwänden des Gehäuses der Vorrichtung einen Luftkanal, der die Kühlluft, nachdem sie den eigentlichen Kühlkörper verlassen hat, führt, so dass sie über die anderen Leistungskomponenten (z.B. Kondensatoren, Transformatoren) auf der Leistungs- und Filterkarte streicht, die einer Kühlung bedürfen. Auf diese Weise werden auch diese Komponenten wirkungsvoll gekühlt, was sich auf 30 ihre Nennleistung und ihre Lebensdauer vorteilhaft auswirkt. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung Einsparungen bei den Isolationskosten, weil der Kühlkörper und der Lüfter vollständig in einem Kunststoffgehäuse (Gehäuse) untergebracht sind, das vollständig gegen einen Kontakt isoliert, so dass sie unisoliert an einem Hauptschaltungspotential angeordnet werden können. 35 Fig. 4 stellt ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Kühllösung dar, die so angeordnet ist, dass sie einen getrennten Ansaugluftkanal (Luft ein), der durch die Anwendungskarte 3, die Seitenwände des Gehäuses und einen Gehäusezwischenteil (Gehäuse 2) begrenzt wird, sowie einen getrennten Abluftkanal (Luft aus) aufweist, der durch die Leistungskarte 12, die Seiten-40 wände des Gehäuses und den Gehäusezwischenteil (Gehäuse 2) begrenzt wird. Einem Fachmann ist offensichtlich, dass unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung nicht ausschließlich auf die oben beschriebenen Beispiele eingeschränkt sind, sondern dass sie im Umfang der nachfolgenden Ansprüche variiert werden können. 45 Ansprüche: 1. Leistungselektronikvorrichtung, insbesondere ein Frequenzwandler, mit einer Netzbrücke so (V1), die an eine Wechselstromquelle anschließbar ist, einer Gleichspannungs-Zwischen schaltung und einer Lastbrücke (V2) zum Erzeugen einer Wechselspannung mit variabler Frequenz, wobei die Hauptschaltung (Leistungsstufe) und die Steuerungsschaltungen auf Leiterplatten verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzwandler aus drei Leiterplatten (1-3) besteht, die miteinander verbunden sind, wobei die Leiterplatten auf. 55 grundlegenden Leiterplatten implementiert sind, die sich hinsichtlich ihrer Herstellungs- 5 AT 009 791 U1 technik voneinander unterscheiden.
2. 2. Leistungselektronikvorrichtung, insbesondere ein Frequenzwandler, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzwandler aus drei unterschiedlichen miteinander verbundenen Leiterplatten (1-3) besteht, von denen eine eine Leistungsleiterplatte, eine zweite eine Schnittstellen-/Filterleiterplatte und eine dritte eine Anwendungsleiterplatte ist.
3. 3. Leistungselektronikvorrichtung, insbesondere ein Frequenzwandler, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsleiterplatte eine Vier-Schicht-Platte ist.
4. 4. Leistungselektronikvorrichtung, insbesondere ein Frequenzwandler, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellen-/Filterleiterplatte eine Ein-Schicht- oder Zwei-Schicht-Platte ist.
5. 5. Leistungselektronikvorrichtung, insbesondere ein Frequenzwandler, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwendungsleiterplatte eine Ein-Schicht- oder Zwei-Schicht-Platte ist.
6. 6. Leistungselektronikvorrichtung nach Anspruch 1, insbesondere ein Frequenzwandler, ganz besonders ein Frequenzwandler mit geringer Leistung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsmodul (VI) und ein Kühlkörper (HS) auf der Komponentenseite der Leistungsleiterplatte angeordnet sind.
7. 7. Leistungselektronikvorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, insbesondere ein Frequenzwandler, ganz besonders ein Frequenzwandler mit geringer Leistung, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Erzielen einer wirkungsvolleren Kühlung insbesondere der Leistungskomponenten einen Luftimpeller (FAN) aufweist, der relativ zum Kühlkörper so angeordnet ist, dass die von ihm ausgeblasene Kühlluft senkrecht auf den Boden des Kühlkörpers auftrifft.
8. 8. Leistungselektronikvorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, insbesondere ein Frequenzwandler, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatten in mindestens zwei Reihen angeordnet sind, so dass zwischen ihnen und den Seitenwänden eine Luftkanalanordnung gebildet wird, durch welche die Kühlluft, nachdem sie die Rippen des Kühlkörpers verlassen hat, ausfließt und gleichzeitig die anderen Komponenten auf der Leistungskarte bestreicht.
9. 9. Leistungselektronikvorrichtung, insbesondere ein Frequenzwandler, nach Anspruch 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper und der Luftimpeller am Potential der Hauptschaltung angeordnet sind. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen