CN104426332B - 电容器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于脉冲换流器的中间回路的电容器装置(1)，特别是用在电动车辆的驱动系中。电容器装置(1)包括至少两个彼此分开的电容器板叠(2，3)，以及至少一个汇流排(5，6)，其具有至少一个半导体接头(11‑13)和至少两个用于分别接触电容器板叠(2，3)的每一个的接触结构(15，16)。接触结构(15，16)彼此相对地、以相对于半导体接头(11‑13)不同的距离来布置，进而构成靠近接头的接触结构(15)和远离接头的接触结构(16)。为了以简单的装置改善电容器装置(1)的负载能力，远离接头的接触结构(16)和靠近接头的接触结构(15)为了至少部分地适应相应的接触结构(15，16)和半导体接头(11‑13)之间的引线阻抗而被不同地构造。

Description

电容器装置
技术领域
本发明涉及一种用于脉冲换流器的中间回路的电容器装置，特别是使用在电动车辆的驱动系中。
背景技术
电动车辆的(电)驱动系通常由高压蓄电池、连接在高压蓄电池下游的脉冲换流器以及电动车辆的电驱动电机构成。
脉冲换流器通过(直流电压的)中间回路与高压蓄电池相连，高压蓄电池向中间回路馈入电压值通常为大约400伏的直流电压。脉冲换流器(PWR)将直流电压转换成通常是多相的交流电压，这种交流电压被输送给驱动电机作为驱动电压。作为承受短暂的功率波动的缓冲件，通常在中间回路中接入中间回路电容。
作为中间回路电容，通常在电动车辆中使用电容器装置，在其框架内，多个单个的电容器板叠通过一对汇流排并联连接。电容器板叠在大部分情况下都是薄膜电容器，也就是分别为由金属化的塑料薄膜或者由中间交替地设置有金属薄膜的塑料薄膜制成的卷或堆叠。
一方面，这种电容器装置的汇流排(也称为“Busbars”母线)包括一定数量的半导体接头，汇流排通过这些半导体接头分别与脉冲换流器的功率半导体模块接触。在常见的三相脉冲换流器中，每个汇流排包括三个半导体接头，它们大部分都并排地布置在汇流排的纵向侧面上。
另一方面，每个汇流排包含一定数量的接触结构，在这些接触结构上，汇流排通常通过钎焊或者熔焊分别与电容器板叠的一个对应的连接面(Schoop-Schicht)接触。这些接触结构通常由各个汇流排的舌式的或桥式的区域构成，它们部分地从汇流排的周围的基面中被自由切削，并且因此仅通过一定数量的不明显的过渡位置与这个基面衔接。通常这些接触结构对称地分布在汇流排上，其中，这些接触结构为了在对应的汇流排内实现尽可能短的电流路径总是以如下方式被自由切削，即，这个或者所有让接触结构与汇流排的基面衔接的过渡位置都朝向半导体接头。
在连接着的脉冲换流器运行时，在电流轨道的半导体接头和电容器板叠之间有以快速的频率变化的强电流。这就导致电容器板叠内产生大量的损耗，这种损耗又会让电容器板叠剧烈升温。
因为在汇流排内形成的、位于半导体接头和单个的接触结构之间的电流路径的长度和形状不同，所以常见的电容器装置的不同的电容器板叠却暴露给通常有区别的引线阻抗。“引线阻抗”在这里是指一般的交流电电阻，在通常的运行条件下，可以在给定的半导体接头和给定的接触结构之间测出这个电阻，其中，引线阻抗可以拆分为欧姆电阻部分、电感部分以及(通常可忽略的)电容部分。
由于存在不同的引线阻抗，“靠近接头的”电容器板叠(即那些接触结构比较靠近半导体接头的电容器板叠)的负载量比“远离接头的”电容器板叠(它们对应的接触结构离半导体接头更远一些)更大。不同的电容器板叠具有不同的负载量可能导致负载量最大的电容器板叠提前老化或者甚至损坏。这在实际中会在很大程度上阻碍机动车的电力驱动件的功率提升。
发明内容
本发明的基本目的是，利用简单的装置提升前述类型的电容器装置的负载能力。
据此，根据本发明的电容器装置包括至少两个相互分隔的电容器板叠以及至少一个汇流排。这个或者所有的电流轨道都包括至少一个用于分别与需要连接的脉冲换流器的功率半导体模块进行接触的半导体接头。这个或者这些汇流排还包括至少两个接触结构，其中的每一个都分别与至少两个电容器板叠的其中一个接触，特别是钎焊连接或熔焊连接。以本身常见的方式，每个接触结构都部分地从汇流排的材料中自由切削，使得接触结构仅通过特定数量的不明显的过渡位置与汇流排的周围的基面连接。
至少有其中两个接触结构在这里彼此相对地、以相对于汇流排的这个或者所有的半导体接头不同的距离来布置。根据这个距离大小，这些接触结构在下面被称为“靠近接头的”接触结构或“远离接头的”接触结构。相应地，分别与这些接触结构接触的电容器板叠也被称为靠近接头的或远离接头的电容器板叠。
根据本发明，靠近接头的接触结构和远离接头的接触结构被不同地构造以至少部分地适应分别配属于接触结构的引线阻抗。
正如前面提过的那样，接触结构的引线阻抗是指一般化的交流电电阻Z(Z＝U(t)/I(t))，在电容器装置按规定运行时经常出现的交流电负载下，可以为这个接触结构和半导体接头之间的电流路径测量这个电阻。只要这个汇流排具有多个半导体接头，那么对应这个接触结构的引线阻抗很大程度上由通往下一个半导体接头的电流路径所决定。
引线阻抗在此可以由欧姆电阻分量、电感分量、(如果不可忽略的话)、电容分量给定。
于是，有区别地构造靠近接头的或远离接头的接触结构，使得各个引线阻抗的区别被至少部分地平衡，对于不同的接触结构在构造相同的情况下由于它们与半导体接头具有不同的间距预计会出现这种区别。再换句话说，远离接头的电容器板叠通过对应的接触结构的构造方式在引线阻抗方面有目的性地被优选，而靠近接头的电容器板叠通过对应的接触结构的构造方式在引线阻抗方面有目的性地被忽略。
通过这种针对接触结构的构造原则实现的是，使电容器装置的靠近接头的和远离接头的电容器板叠的负载几乎相同。由此使得电容器装置总体上能够承受更高的负载，而不必担心个别电容器板叠会过早老化或者甚至损坏。
为了适应各个引线阻抗，可以通过不同的措施实现靠近接头的和远离接头的接触结构的不同的构造，可以单独地，却也可以相互组合地有利采用这些措施。
在电容器装置的一种优选的实施方式中，为了这个目的以如下方式从接触导轨中自由切削远离接头的接触结构，即，让接触结构过渡到汇流排的基面的这个或者这些过渡位置朝向半导体接头。相反地，靠近接头的接触结构以如下方式从汇流排中自由切削，即，使该接触结构的这个或者所有的过渡位置背离这个或者所有的半导体接头。通过这种构造方式至少部分地平衡这个或者所有的半导体接头和远离接头或靠近接头的接触结构之间的电流路径的长度。这个或者所有的半导体接头和远离接头的接触结构之间的电流路径至少几乎直线延伸，而电流一开始必须围绕着靠近接头的接触结构流动，才能到达这个接触结构，或者从这个接触结构流向半导体接头。
根据电容器装置的另一种有利的构造方式，远离接头的接触结构和靠近接头的接触结构横向于主电流方向在汇流排内彼此错开地布置。通过错开地布置远离接头的接触结构和靠近接头的接触结构实现的是，流向远离接头的接触结构的或者从远离接头的接触结构流走的电流不必或者仅仅在比较少的程度上围绕着靠近接头的接触结构流动。由此特别是减少了远离接头的接触结构的引线阻抗的电感部分，特别是电流能够在比较直的路径上流动。
在这种工作原理的进一步的改进方案中，远离接头的接触结构在这里优选地在主电流方向上与这一个或者所有的半导体接头对齐，从而特别是让远离接头的这个或者所有的过渡位置都在主电流方向上直接位于下一个半导体接头的对面。相反地，靠近接头的接触结构却横向朝向电流路径的主电流方向与这个或者所有的半导体接头错开地布置，使得该接触结构通过弯曲的电流路径与这个或者所有的半导体接头连接。
“主电流方向”在这里是指在汇流排的基面上计算出来的电流方向的平均值。主电流方向也就是这个或者所有的半导体接头和接触结构之间的电流平均优先流动的方向。主电流方向通常垂直于汇流排的布置了这个或者所有的半导体接头的棱边的延长线。
根据另一种用于适应引线阻抗的措施，远离接头的接触结构在电容器装置的符合目的的构造方案中以如下方式构造而成，即，相比靠近接头的接触结构，它通过更多数量的过渡位置与汇流排的基面相连接。作为附加或者作为代替，远离接头的接触结构在本发明的框架内也可以构造得比靠近接头的接触结构更强硬。使得远离接头的接触结构的这一个或者所有的过渡位置相比靠近接头的接触结构的这一个或所有的过渡位置具有更大的导体横截面。
优选地，电容器板叠分别由薄膜电容器构成。因此，每电容器板叠中的每一个都包括由金属化的塑料薄膜或者由中间交替地中间覆层有金属薄膜的塑料薄膜制成的薄膜卷或者薄膜堆叠。
附图说明
下面借助附图更详尽地阐述本发明的实施例。图中示出：
图1用透视图示出了用于电动车辆的驱动系中的脉冲换流器的中间回路的电容器装置，其具有两个相互分隔的电容器板叠、高电势侧的汇流排(正汇流排)以及低电势侧的汇流排(负汇流排)，其中，每一个汇流排都具有三个用于分别连接在一个脉冲换流器的功率半导体模块上的半导体接头以及两个用于使汇流排分别与其中一个电容器板叠接触的接触结构，
图2用朝向正汇流排的俯视图示出了传统的电容器装置，其中，这两个接触结构的构造相同，特别是以相同的方式朝向半导体接头，
图3用图2的放大细节示图III示出了那里的接触结构的子结构，
图4用根据图2的示图示出了根据本发明的电容器装置的一种实施方式，其中，两个接触结构就其对于半导体接头的朝向而言相互镜面对称，
图5用根据图2的示图示出了根据本发明的电容器装置的另一种实施方式，其中，这些接触结构此外还彼此错开地布置，以及
图6用朝向负汇流排的示意性俯视图示出了根据图5的电容器装置。
相同的部件和参量在所有的附图中总是配有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了一种用于电动车辆的驱动系内的脉冲换流器的(直流电)中间回路的电容器装置1。
该电容器装置1包括两个电容器板叠2和3。电容器板叠2和3分别是一个本身常见的薄膜电容器。每一个电容器板叠2和3都相应地由金属化的塑料薄膜制成的卷构成，其中，这个卷分别在两个端侧上(在根据图1的示图中位于上方和下方)为了构成连接面(下面称为Schoob面(Schoob-Flaechen)4)而被金属化。
电容器装置1还包括两个用于连接到中间回路上的汇流排，也就是高电势侧的汇流排5(正汇流排)以及低电势侧的汇流排6(负汇流排)。每个汇流排5，6分别由镀锡的铜片制成的冲压件构成。
正如能够从图1中看出的那样，每个汇流排5和6在电容器装置1的纵侧10上具有三个并排布置的突起部。每个突起部都用于使各个的汇流排5或6与需要连接的脉冲换流器的对应的功率半导体模块接触。因此，下面将这些突起部称为半导体接头11，12和13。此外，每个汇流排5和6在窄侧上具有另一个突起部，它用于与直流电中间回路的电势分支(也就是正的或负的)接触，因此被称为直流电接头14。此外，每个汇流排5、6还包括两个接触结构15和16，各个汇流排5，6在这两个接触结构上电接触地与电容器板叠2或电容器板叠3的朝向这边的schoob面4钎焊连接。
其中，接触结构15相比接触结构16离半导体接头11，12和13的距离更近。因此，下面也将接触结构15称为“靠近接头的”接触结构，而将接触结构16称为“远离接头的”接触结构。相应地，电容器板叠2和3也被称为靠近接头的电容器板叠或远离接头的电容器板叠。
在图2中更详尽地示出了在根据图1的示图中仅简单表示的接触结构15和16的一种传统的实施方式。
在根据图2所示的电容器装置1的传统构造方案中，(不可见的)低电势一侧的汇流排6与高电势一侧的汇流排5构造成具有相同的覆盖范围。由图2中能够看出，特别是接触结构15和16也具有相同的构造。尤其是每个接触结构15，16被划分成三个相同的子结构17，在图3中放大示出了其中一个。
由图3中可以看出，每个子结构17都由两个分别大致类似于字母“U”的形状的、同心地相互嵌套的接触弓18构成，它们是从汇流排5，6的材料中自由切削的，使得每个接触弓18仅仅通过两个布置在U分支的端部上的过渡位置19(一体地)与汇流排5，6的周围的基面20相连。
在根据图2所示的传统的实施方式中，分别有接触结构15子结构17以及接触结构16的子结构17在主电流方向21上相互对齐以及与其中一个半导体结构11，12或13对齐。
主电流方向21在这里由电流在电容器装置1运行时在接触结构15，16和半导体接头11，12，13之间平均在汇流排5和6的基面20上流动的方向决定。主电流方向21垂直于半导体接头11，12，13依次排列的方向。因此，主电流方向21垂直于相应的汇流排5，6的纵延展方向延伸。
此外，接触结构15、16以相同的方式以如下方式确定方向，即，使保持弓18过渡到基面20的过渡位置19朝向半导体接头11，12和13。在通常的电容器装置中，接触结构15，16的朝向是有意地选择的，为的是最小化半导体接头11，12和13和接触结构15，16之间构成的电流路径22的纵长。
在根据本发明的电容器装置1的在图4中所示的实施方式中，有意地不同于接触结构15和16的前述构造原理，为此在这里让接触结构15的子结构17与接触结构16的子结构17的朝向镜面对称。由于接触结构15和16的构造镜面对称，所以保持弓18过渡到基面20的过渡位置19在接触结构15的情况下背离半导体接头11，12和13，而这些过渡位置19在接触结构16的情况下还是朝向半导体接头11，12和13。
这就导致，尽管接触结构15和16与各个半导体接头11，12和13具有不同的间距，但是各个接触结构15，16的过渡位置19用来与下一个半导体接头11，12，13相连的电流路径22还是具有差不多的长度和弧度。这又导致，这两个接触结构15和16被分配差不多的引线阻抗，由此又让电容器板叠2和3在运行时承受差不多相同的负载。
只要没有指出有区别，根据本发明的根据图4所示的电容器装置1与传统的根据图2所示的实施方式相同。特别是在根据图4所示的实施方式中，两个汇流排5和6被构造成具有相同的覆盖范围。
图5和6示出了根据本发明的电容器装置1的另一种实施方式。与根据图4所示的实施方式不同地，这里的接触结构15和16(更准确地说是接触结构15和16的子结构17)横向于主电流方向21彼此错开地布置。通过错开地布置接触结构15和16实现的是，使在远离接头的接触结构16和对应的下一个半导体接头11，12或13之间的电流能够几乎直线地流动，由此进一步减少了对应的引线阻抗的电感部分。
此外，电势汇流排5的靠近接头的接触结构15仅具有其中两个子结构17，并且因此比接触结构16少一个子结构17。由此使得汇流排5的接触结构15也比远离接头的接触结构16具有更少的过渡位置19通往基面20，这又相比根据图4所示的实施方式提高了接触结构15的引线阻抗。
根据图5所示的实施方式的第三种有利的效果在于，在汇流排5的接触结构15的仅仅两个子结构17之间形成相比在根据图4所示的实施例中更宽的间距，并且因此构成更大的导体横截面，由此进一步降低了通往远离接头的接触结构16的引线阻抗。
为了在根据图5和6所示的实施例中不过度补偿接触结构15和16的引线阻抗之间因为距离造成的差别，在低电势一侧的汇流排6中，接触结构15和16的子结构17的数量比例关系调换，为此在这里为接触结构15配置了三个子结构17，并且为接触结构16仅配置了两个子结构17。
利用前述实施例使得本发明变得特别清晰明了。尽管如此，本发明却不局限于这些实施例。而是可以从说明书中推导出本发明的更多实施例。特别是可以让前述实施例的单个特征减少、增加或者以其他的方式相互组合，而不偏离本发明。
特别是还可以直接在具有两个以上的电容器板叠和/或具有不同形状的接触结构的电容器装置中运用本发明。

Claims (11)

1.一种用于脉冲换流器的中间回路的电容器装置(1)，
-具有至少两个彼此分开的电容器板叠(2，3)，并且
-具有至少一个汇流排(5，6)，所述汇流排包括至少一个用于与所述脉冲换流器的功率半导体模块接触的半导体接头(11-13)，
-以及至少两个接触结构(15，16)，所述接触结构中的每一个都分别与所述电容器板叠(2，3)中的一个接触，其中，每个接触结构(15，16)都部分地从所述汇流排(5，6)的材料自由切削出来，使得所述接触结构(15，16)仅仅通过限定数量的分立的过渡位置(19)与所述汇流排(5，6)的周围的基面(20)相连，
其中，所述接触结构(15，16)彼此相对地、以相对于所述半导体接头(11-13)不同的距离来布置，并且根据这个距离的标准形成靠近接头的接触结构(15)和远离接头的接触结构(16)，并且其中所述远离接头的接触结构(16)和所述靠近接头的接触结构(15)为了至少部分地适应相应的所述接触结构(15，16)和所述半导体接头(11-13)之间的引线阻抗来不同地构造。
2.根据权利要求1所述的电容器装置(1)，其中，所述远离接头的接触结构(16)的过渡位置或者每个过渡位置朝向所述半导体接头(11-13)，而所述靠近接头的接触结构(15)的过渡位置或每个过渡位置都背向所述半导体接头(11-13)。
3.根据权利要求1或2所述的电容器装置(1)，其中，所述远离接头的接触结构(16)和所述靠近接头的接触结构(15)横向于所述汇流排(5，6)的主电流方向(21)彼此错开地布置。
4.根据权利要求3所述的电容器装置(1)，其中，所述远离接头的接触结构(16)在主电流方向(21)上与所述半导体接头(11-13)对齐地布置，并且其中所述靠近接头的接触结构(15)在主电流方向(21)上与所述半导体接头(11-13)错开地布置。
5.根据权利要求1或2所述的电容器装置(1)，其中，所述远离接头的接触结构(16)通过比所述靠近接头的接触结构(15)更多数量的过渡位置与所述汇流排(5，6)的所述基面(20)连接。
6.根据权利要求4所述的电容器装置(1)，其中，所述远离接头的接触结构(16)通过比所述靠近接头的接触结构(15)更多数量的过渡位置与所述汇流排(5，6)的所述基面(20)连接。
7.根据权利要求1或2所述的电容器装置(1)，其中，所述远离接头的接触结构(16)的过渡位置(19)相比所述靠近接头的接触结构(15)的过渡位置具有更大的导体横截面。
8.根据权利要求6所述的电容器装置(1)，其中，所述远离接头的接触结构(16)的过渡位置(19)相比所述靠近接头的接触结构(15)的过渡位置具有更大的导体横截面。
9.根据权利要求1或2所述的电容器装置(1)，其中，所述电容器板叠(2，3)中的每一个通过薄膜卷或薄膜堆叠构成，所述薄膜卷或薄膜堆叠由金属化的塑料薄膜或具有交替地中间覆层有金属薄膜的塑料薄膜制成。
10.根据权利要求8所述的电容器装置(1)，其中，所述电容器板叠(2，3)中的每一个通过薄膜卷或薄膜堆叠构成，所述薄膜卷或薄膜堆叠由金属化的塑料薄膜或具有交替地中间覆层有金属薄膜的塑料薄膜制成。
11.根据权利要求1所述的电容器装置(1)，其特征在于，所述电容器装置用在电动车辆的驱动系中。
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