CN105281544B

CN105281544B - 变流器

Info

Publication number: CN105281544B
Application number: CN201510417124.4A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·科普夫; 马塞尔·卢策; 米丽娅姆·曼特尔; 于尔根·席默尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2019-04-30
Anticipated expiration: 2035-07-15
Also published as: DE102014213784A1; CN105281544A

Abstract

本发明涉及一种包括至少一个半桥(12，13，14)的变流器(10)，半桥分别带有至少一个电容器(21，22，23)、至少一对(20)功率半导体(18，19)和布置在基板(11)上的相分支(15，16，17)，其中至少一个电容器(21，22，23)与至少一对(20)功率半导体(18，19)形成换向电路(25)。在此，至少一对(20)功率半导体(18，19)安装在基板(11)的第一侧(30)上并且至少一个电容器(21，22，23)安装在基板(11)的第二侧(31)上。

Description

变流器

技术领域

本发明涉及一种变流器，其构造用于使直流电和交流电相互转换。这类变流器在此也能够构造用于将直电流转换成交流电。此外，这样的变流器也能够构造用于将交流电转换成直流电。此外存在一种变流器，其选择性地实现了这两个转换方向。此外，变流器能够构造用于通过电压中间电路使交流电压相互转换。

背景技术

由DE 10062075A1公知了一种具有集成的中间电路电容器的变流器，其在机动车中连接到直流电压网处。该变流器包括三个半桥，这些半桥布置在一个模块中并且具有多个中间电路电容器。此外，半桥配备有多个高压侧开关和多个低压侧开关。半导体开关用作高压侧和低压侧开关。此外，电容器在半桥上形成中间电路。中间电路的分布到多个电容器上的电荷存储器使得能够保持很小的寄生导线电感，从而降低了能够在半导体开关处出现的过压。

EP 2328392A2公开了一种多相位交流电变流器，其具有至少一个功率半导体和至少一个电容器，其形成直流中间电路。在此，至少一个功率半导体安装在印刷电路板上，该印刷电路板属于功率模块。此外，至少一个电容器布置在单独的电路板上，该电路板安装在直接位于功率模块上方的平行面中。在电路板和印刷电路板之间布置有至少一个金属体，该金属体使功率模块与印刷电路板电连接。此外，在电路板的电路和印刷电路板的印刷电路之间借助焊棒(Loetstiften)形成另外的电连接。根据EP 2328392A2的变流器包括总共三个半桥，其中每个半桥都配备有一个用于交流电的相分支。

以上描述的变流器具有缺点，即在运行期间能够出现过压，该过压需要超尺寸的功率半导体开关。此外，这种类型的变流器是有损耗的并且需要较多的构造空间。这种类型的变流器也对环境影响是敏感的并且相应地易受干扰。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种变流器，其能够克服现有技术中的上述缺点并且在此能够以较简单的和降低成本的方法进行生产。

根据本发明的变流器包括至少一个半桥，该半桥具有直流电压接口和用于交流电的相接口。变流器能够通过直流电压接口与直流电源连接，并且相接口设计成相分支。在此，至少一个半桥配备有至少一个电容器和至少一对功率半导体，其与相分支共同布置在基板上。此外，至少一个电容器和至少一对功率半导体形成换向电路，其用于在直流电压和交流电压之间进行转换。在此，至少一对功率半导体安装在基板的第一侧上并且至少一个电容器安装在基板的第二侧上。该布置使得将功率半导体和至少一个电容器彼此连接的电线的长度能够最小化。由于属于换向电路的电线的长度减小，所出现的换向电路电感同样被最小化。由此，在断开功率半导体时能够出现的过压被最小化，从而功率半导体能够对于降低的阻断电压来设定规格。此外，如此确保了降低的断开损耗，这使得能够实现更高的效率。同样，降低的断开损耗使得能够以提高了的速度来执行开关过程。

与公知的变流器相比，根据本发明的变流器能够接通更高的电流。此外，多个功率半导体的并联连接通过在各个换向电路中的均匀的和降低了的电感而变得更容易。由此总体上实现了均匀的电流分配。

此外，能够省弃附加的电路元件或者保护装置，其用于限制在功率半导体处的过压。根据本发明的变流器具有高度的鲁棒性，并且是紧凑的且能够以成本低廉的方式来制造。根据本发明的变流器还能够以SMD印刷电路板技术来制造，由此确保了成本低廉的制造。此外，根据本发明的变流器允许了使用具有较低的电容的陶瓷电容器，其是鲁棒的并且具有高寿命。

在本发明的优选的实施方式中，基板能够构造成陶瓷基板或者印刷电路板。

在本发明的优选的实施方式中，形成了换向电路的至少一对功率半导体和至少一个电容器基本上相对地布置。这样的布置使得能够进一步减小使一对功率半导体与电容器相连的电流路径的长度。由于因此降低了的中间电路电感，进一步改善了根据本发明的变流器的鲁棒性，以及实现了更加紧凑的构造方式。

在根据本发明的变流器的另外的实施方式中，至少一个电容器能够构造成陶瓷电容器。陶瓷电容器能够制造成具有宽幅度的电容，从而使得根据本发明的变流器能够以简单的方式匹配于宽泛的应用领域范畴。此外，这样的陶瓷电容器具有很小的构造高度，从而在半桥的情况中能够实现很小的构造高度。在本发明的另外的优选的实施方式中，至少一个电容器能够构造成SMD陶瓷电容器或者薄膜电容器。

在本发明的特别优选的实施方式中，至少一个电容器在施加100V的中间电路电压时具有从5μF至30μF的、特别优选是从10μF至22μF的电容。至少一个电容器的高电容确保了在根据本发明的变流器中很小的组件数量。由此在制造该变流器时进一步提高了成本效率。

此外，根据本发明的变流器能够如下地构造，即换向电路具有从5nH至15nH，特别优选的是10nH的电感。从恒定的运行参数出发，具有这种很低电感的一个换向电路或者多个换向电路产生了在功率半导体处的降低了的过压，从而能够放弃用于功率半导体的附加的开关件或者保护装置。这使得能够进一步成本低廉地和简单地制造根据本发明的变流器。

本发明还能够配备有固体，其安装在基板的第二侧上。在此，固体与至少一个电容器导热地接触。在至少一个电容器和固体之间的导热接触实现了电容器的高效排热。此外，至少一个电容器通过固体来屏蔽周围环境的影响，从而在根据本发明的变流器中还能够使用对机械或者化学敏感的电容器。因此，固体提供了有效的散热功能以及保护功能，其使得能够放弃成本高昂的鲁棒的电容器。

在本发明的特别优选的实施方式中，固体设计为冷却体，底板，壳体部件或者发动机缸体。根据本发明的变流器因此能够节省空间地集成在现有的机械部件中。

在另一个优选的实施方式中，根据本发明的变流器具有功率半导体，其构造成IGBTs、晶闸管或者场效应晶体管。优选地，功率半导体构造成JFET，MOSFET，SiC-MOSFET，GTO或者IGCT。在此，涉及一种起作用的半导体，其能够快速和精确地接通高电流。此外，构造成IGBT的功率半导体使得能够接通升高了的截止电压和电流。

此外，根据本发明的变流器能够配备有单向的或者双向的升压变流器，其包括至少一个辅助电容器。在此，至少一个辅助电容器与在基板上的电容器一起布置在基板的第二侧上。具有升压变流器的变流器实现了具有MHF拓扑的模块，其能够集成到冷却体中。

在本发明的另一个优选的实施方式中，变流器具有至少两个半桥，在该半桥上分别构造有电流路径，其从直流电源引导至相分支，该相分支安装在相应的半桥上。构造在相应的半桥上的电流路径在此具有基本上相同的阻抗。由此能够实现均匀的电流分布，其中，功率半导体被均匀地加载。由此提高了根据本发明的变流器的寿命。

此外，根据本发明的变流器能够构造用于作为整流器、逆变器或者脉冲逆变器。根据本发明的变流器具有广泛的应用范围，其包括多个应用领域。

附图说明

下面根据图1至4中的实施例详细描述本发明以及本发明的其他有利的设计方案。其示出：

图1是根据现有技术公知的变流器，

图2是根据本发明的变流器的实施方式的电路构造，

图3以横截面示意性示出了根据本发明的变流器的半桥的构造，

图4示意性示出了根据本发明的变流器的其他实施方式的半桥的构造。

具体实施方式

图1中公开了根据现有技术的变流器10。逆变器10包括第一、第二和第三半桥12，13，14，其构造在基板11上。半桥12，13，14分别配备有电容器21，22，23，并且分别具有功率半导体18，19。功率半导体18，19成对地布置并且与电容器21，22，23连接，从而构造了换向电路25。每个换向电路25都具有换向电路电感32，其由换向电路的相应的电线长度29来确定。此外，各个换向电路25彼此电连接并且形成了具有总电感33的总电路24。具有最大的电线长度29的换向电路25具有最高的换向电路电感32并且由此定义了利用半桥12，13，14能实现的开关速度和能实现的电压高度。

此外，每个半桥12，13，14配备有相分支15，16，17，其用作交流电接口。同样，半桥12，13，14中的每个都具有未详细示出的至直流电源36的接口。至直流电源36的连接通过未详细示出的极DC+和DC-实现。

图2示意性公开了根据本发明的变流器10的电路构造。图2中绘出的电路图示出了一种构造，其在每个单独的半桥12，13，14上实现。该构造包括一对直流电极26，其与直流电源36连接。此外，该构造具有两个功率半导体18，19，其依次地连接。此外，在功率半导体18，19之间还分支出相分支15，16，17，根据本发明的变流器通过该相分支连接至交流电网。电容器21，22，23与功率半导体18，19并联地布置，电容器在运行中在半桥12，13，14上用作蓄能器。在逆变器运行中，功率半导体18，19分别用作高压侧或者低压侧开关，其中在直流电源36和相分支15，16，17之间存在电流路径35。此外，电容器21，22，23和功率半导体18，19形成了具有换向电路电感32的换向电路25。

由图3示意性地表明了根据本发明的变流器10的一个实施方式的半桥12，13，14的构造。半桥12，13，14包括基板11，在该基板的第一侧30上安装有多个功率开关18，19。在基板11的相对置的第二侧31上布置有多个电容器21，22，23，这些电容器通过未详细示出的电连接与相对应的功率半导体18，19形成换向电路。在此，电容器21，22，23分别与一个功率半导体18，19电连接，这些在基板11上至少部分彼此相对地布置。

此外，在基板11的第二侧31上布置有固体27，其部分地包围了电容器21，22，23。该固体27在半桥12，13，14的构造中用于散热和保护电容器21，22，23。此外，固体27在朝向基板11的一侧上配备有多个空隙45，该空隙用于容纳电容器21，22，23。空隙45由支承部段41界定，这些支承部段至少部分地填充了在电容器21，22，23之间的中间腔39。支承部段41与基板11导热地接触并且将从基板11吸收的热量导出到固体27中。此外，在支承部段41和电容器21，22，23之间的间隙49利用传到薄膜47填充，从而也实现了从电容器21，22，23到固体27中的平面的热量传输。由此确保了从半桥12，13，14的高效排热。

图4公开了在根据本发明的变流器10的另一个实施方式中的半桥12，13，14的示意性构造。在此，在基板11的第一侧30上布置有一对20的功率半导体19，其分别具有相分支15，16，17和用于与直流电源36连接的直流电压极26。在基板11的第二侧31上布置有电容器21，22，23，其构造成陶瓷电容器。

在图4中还示出了换向电路25，其将功率半导体18，19与电容器21，22，23连接。换向电路25在此具有换向电路电感32，该电感由于紧凑的构造方式而很小。

Claims

1.一种包括至少一个半桥(12，13，14)的变流器(10)，该半桥分别带有至少一个电容器(21，22，23)、至少一对(20)功率半导体(18，19)、和布置在基板(11)上的相分支(15，16，17)，其中至少一个所述电容器(21，22，23)与至少一对(20)所述功率半导体(18，19)形成换向电路(25)，其特征在于，至少一对(20)所述功率半导体(18，19)安装在所述基板(11)的第一侧(30)上并且所述半桥的至少一个所述电容器(21，22，23)安装在所述基板(11)的第二侧(31)上。

2.根据权利要求1所述的变流器(10)，其特征在于，所述基板(11)构造成陶瓷基板或者构造成印刷电路板。

3.根据权利要求1所述的变流器(10)，其特征在于，形成了所述换向电路(25)的至少一对(20)所述功率半导体(18，19)和所述至少一个电容器(21，22，23)相关于所述基板(11)至少部分地彼此相对地布置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器(10)，其特征在于，至少一个所述电容器(21，22，23)构造成陶瓷电容器或者薄膜电容器。

5.根据权利要求4所述的变流器(10)，其特征在于，至少一个所述电容器(21，22，23)构造成SMD陶瓷电容器。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器(10)，其特征在于，至少一个所述电容器(21，22，23)具有从5μF至30μF的电容。

7.根据权利要求5所述的变流器(10)，其特征在于，至少一个所述电容器(21，22，23)具有从5μF至30μF的电容。

8.根据权利要求7所述的变流器(10)，其特征在于，至少一个所述电容器(21，22，23)具有从10μF至22μF的电容。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器(10)，其特征在于，所述换向电路(25)具有从5nH至15nH的电感。

10.根据权利要求8所述的变流器(10)，其特征在于，所述换向电路(25)具有从5nH至15nH的电感。

11.根据权利要求10所述的变流器(10)，其特征在于，所述换向电路(25)具有10nH的电感。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器(10)，其特征在于，在所述基板(11)的所述第二侧(31)上设置有固体(27)，该固体与至少一个所述电容器(21，22，23)导热地接触。

13.根据权利要求11所述的变流器(10)，其特征在于，在所述基板(11)的所述第二侧(31)上设置有固体(27)，该固体与至少一个所述电容器(21，22，23)导热地接触。

14.根据权利要求13所述的变流器(10)，其特征在于，所述固体(27)与所述基板(11)导热地接触。

15.根据权利要求12所述的变流器(10)，其特征在于，所述固体(27)是冷却体、底板、壳体部件或者发动机缸体。

16.根据权利要求14所述的变流器(10)，其特征在于，所述固体(27)是冷却体、底板、壳体部件或者发动机缸体。

17.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器(10)，其特征在于，所述功率半导体(18，19)构造成IGBT，晶闸管或者场效应晶体管。

18.根据权利要求16所述的变流器(10)，其特征在于，所述功率半导体(18，19)构造成IGBT、晶闸管或者场效应晶体管。

19.根据权利要求18所述的变流器(10)，其特征在于，所述功率半导体(18，19)构造成JFET、MOSFET、GTO或者IGCT。

20.根据权利要求19所述的变流器(10)，其特征在于，所述功率半导体(18，19)构造成SiC-JFET或者SiC-MOSFET。

21.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器(10)，其特征在于，所述变流器(10)配备有升压变流器，该升压变流器包括至少一个附加电容器，其中，所述至少一个附加电容器布置在所述基板(11)的所述第二侧(31)上。

22.根据权利要求20所述的变流器(10)，其特征在于，所述变流器(10)配备有升压变流器，该升压变流器包括至少一个附加电容器，其中，所述至少一个附加电容器布置在所述基板(11)的所述第二侧(31)上。

23.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器(10)，其特征在于，所述变流器(10)包括至少两个半桥(12，13，14)，该至少两个半桥分别具有从直流电源(36)至所述相分支(15，16，17)的电流路径(35)，其中，所述至少两个半桥(12，13，14)中的所述电流路径(35)具有相同的阻抗。

24.根据权利要求22所述的变流器(10)，其特征在于，所述变流器(10)包括至少两个半桥(12，13，14)，该至少两个半桥分别具有从直流电源(36)至所述相分支(15，16，17)的电流路径(35)，其中，所述至少两个半桥(12，13，14)中的所述电流路径(35)具有相同的阻抗。

25.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器(10)，其特征在于，所述变流器(10)构造成整流器或者逆变器。

26.根据权利要求24所述的变流器(10)，其特征在于，所述变流器(10)构造成整流器或者逆变器。

27.根据权利要求25所述的变流器(10)，其特征在于，所述变流器(10)构造成脉冲逆变器。

28.根据权利要求26所述的变流器(10)，其特征在于，所述变流器(10)构造成脉冲逆变器。