CN106899220B - 整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种整流电路。本发明涉及一种用于利用彼此平行地取向的板22、23a、b来提供电流的功率构件，所述板22、23a、b与被嵌入到构件载体21中的功率半导体25的电流输入端和电流输出端相连。因此，可以控制例如用于电阻焊接的高电流，而过多的损耗热量不导致整个装置的温度提高并且因此不导致预期使用寿命的减少。

Description

整流电路
技术领域
本发明涉及一种用于提供强电流、尤其是如在工业过程中或者在有生产能力的机器中所需的电流的整流电路。
背景技术
在EP 1 921 908 B1中示出了一种用于提供强电流的装置。这里，图1以侧视图示意性地阐明要将在这种装置中出现的热损耗排出花费有多高。在其中使用多个功率半导体的更复杂的电路的情况下，花费相应地提高。在此，除了材料花费之外，也还要注意针对安装、维护和修理的花费。
这里所示出的装置的附加的缺点是：从功率模块的角度来看，散热仅仅向下进行。此外，该装置的结构高度被构建得对于热传输不利，因为层厚度越高，从功率模块的散热就表现得越难。因而，总体上，特别在使用高电流时不应推荐所示出的装置。压力接触的使用同样是不利的，因为所述压力接触在接合该装置时需要很高的机械拉力，这在该装置的环境下需要相应的花费高的机械设备而且需要结构空间。如下装置会是值得期望的，所述装置在可比较的功率的情况下总体上更紧凑地来构造，在没有外部的夹具的情况下也够用并且适合于强电流。
发明内容
按照本发明，提出了一种按照专利独立权利要求所述的整流电路装置。有利的构建方案是从属权利要求以及随后的说明书的主题。
整流电路装置被设计用于强电流。强电流被理解为如例如在电阻焊接中出现的、为了驱动伺服电机、为了驱动有生产能力的机器或者在驱动电动车辆中出现的电流。一般涉及在一位的千安培范围内或者在多位的千安培范围内的、优选地来自于三相电网的电流。尤其是适合于如下应用，在所述应用中，电路从中间电路电压出发借助于逆变器来馈电。该装置尤其是用于工业的电阻焊接，在那里能够出现例如至20kA或者更高的电流。
可控制的第一和第二开关机构优选地是功率半导体。每个功率半导体都包括至少一个电流输入端、电流输出端和控制端子。例如可以是金属氧化物场效应晶体管和诸如此类的，或者也可以是IGBT。
为了容纳功率半导体，设置有具有印制导线的构件载体。该构件载体是具有导通的连接的电绝缘材料。纤维增强的材料可以被用作绝缘材料、尤其是柔软的材料也可以被用作绝缘材料、尤其是薄膜状的材料也可以被用作绝缘材料。功率半导体完全或者部分地被嵌入到构件载体中，优选地，所述功率半导体全面地或者逐段地由构件载体的材料包围。在特别优选地将所述功率半导体完全嵌入到构件载体中的情况下，所述功率半导体不再是可见的，因为它们处在构件载体的内部中并且在那里与至少一个印制导线层相连。
为了实现整流电路，所述功率半导体借助于印制导线彼此接线。该整流电路例如可以被实现为中点电路、桥电路或者变路电路（Wechselwegschaltung）。优选地，该整流电路被设置用于逆变或者整流或者用于变流。优选地，该整流电路被设置用于将交流整流成直流。
本发明的优点
基于按照本发明的结构，可以显著降低在运行整流器期间形成的损耗功率。
基于按照本发明的结构而得到紧凑的整流器，所述整流器可以轻易地被集成到壳体中并且借此可以在现场轻易地被安装或者被更换。优选地，壳体根据盘单元（Scheibenzelle）的类型来实现，整流器完全被集成到该盘单元中。这样的盘单元可以轻易地被操作、被存放或者被嵌入。然而，壳体也可以得到每个其它的对应于应用情况的形状，优选地其平坦地来构造并且配备有圆形或者长方形。
借助于将功率半导体和/或印刷导线嵌入到构件载体中，可以补偿和减小在运行期间由于损耗热量而形成的构件的和/或构件载体的热变形。整个装置在运行期间遭受的机械负载与此相应地是更小的。优选地，具有独立的壳体、优选地具有CAN壳体的半导体被用作功率半导体。
因此，按照本发明的整流器可以利用较少花费的用于约束或者锁住整流器的机械设计被布置在其使用位置处，并且替换基于单个构件的、诸如整流二极管的整流电路，所述单个构件一般伴随有高的损耗功率并且它们的安装花费由于必要的复杂的机械压力接触技术而是高的并且需要很多空间。
优选地，构件载体包括多个重叠地布置的构件载体层或者印制导线层。为了该目的，构件载体可以多层地来构造、即该构件载体可以包括多个印制导线层，所述多个印制导线层可以借助于通孔接触彼此相连。优选地，电流输入端与第一层相连并且电流输出端与第二层相连。控制输入端可以与第三层相连，其中所述第三层优选地被布置在第一与第二层之间。每个控制输入端也可以与自己的印制导线层相连，所述印制导线层优选地被布置在第一层与第二层之间。然而，原则上，其它的连接也能够是可实现的。因此，例如可以将控制输入端与第一或者第二层相连，并且可以将电流输入端/电流输出端或功率半导体端子与分别其它的层相连。也可以设置多于或少于三层。
构件载体的材料厚度被设计为，使得所述材料厚度还在足够的稳定性的情况下具有尽可能小的热阻。由此，该构件载体也变得机械上略微柔韧的、几乎不存储热量并且可以补偿由于放热而出现的机械应力。
有利地，控制端子被布置成，使得用于操控构件载体上的控制端子的功率半导体的控制线路基本上是同样的或是彼此对称的。这尤其是至少关于印制导线方位、印制导线规格和印制导线形状适用。为了例如将焊接电流与特定的焊接任务最优地适配，可以制订在焊接开始时的电流升高或者也可以制订在焊接任务结束时的电流下降。为此，快速地开关电流是必要的，以便焊接电流脉冲可以尽可能如预先给定的那样来实现。借助于按照本发明的关于控制线路的提议，可以确保借助于被优化的印制导线方位对功率半导体的快速开关。
优选地，整流器包括用于在输入侧将整流电路连接到变压器绕组上并且用于在输出侧将整流电路连接到负载上的机构。借此，整流器例如可以轻易地被集成到现有的应用（诸如电阻焊接应用）中。
优选地，整流电路被实现为中点电路。因此，也可以将在输出侧的负载连接到在次级侧的变压器绕组的中间接头上。于是，利用仅仅两个功率半导体就足够。
特别优选地，用于操控功率半导体的操控装置至少部分地被嵌入到构件载体中，或者被布置在构件载体上，并且借助于印制导线与控制端子相连以及尤其是被布置在导电板之间（机械保护）。该操控装置生成操控脉冲，借助于所述操控脉冲可接通功率半导体。该操控装置也还可以承担更复杂的任务、诸如整流器的状态监控。优选地，构件载体包括数据接口（例如现场总线接口或者无线电接口），这样，附加地存在如下可能性：操控装置可以与上级的装置进行通信并且得到针对操控的指令。在电阻焊接的情况下，例如借助于脉冲来进行焊接。因此，为了实现具有相应的电流值的预热时间或者后热时间，并且为了实现焊接脉冲，该操控装置例如可以自给自足地或者与上级的焊接控制互相配合地承担对功率半导体的操控。为了将例如焊接电流与特定的焊接任务最优地适配，可以制订在焊接开始时的电流升高或者也可以制订在焊接任务结束时的电流下降。因此，总焊接时间可以通过输入脉冲数目多次地由操控装置来重复。
优选地，构件载体被布置在至少一个导电的电流输入板（第一或者第二导电板）与至少一个导电的电流输出板（第二或者第一导电板）之间，并且基本上平行于两个导电板地来取向。两个功率半导体的电流输入端优选地与电流输入板导电相连，或两个功率半导体的电流输出端优选地与电流输出板导电相连。优选地，或者两个功率半导体的电流输入端分别与共同的或者单独的电流输入板导电相连，和/或两个功率半导体的电流输出端分别与共同的或者单独的电流输出板导电相连。由此，之前所提及的盘单元壳体或者与此很类似的平坦的壳体可以轻易地被实现。
该装置的优点是：借助于两个导电板实现导热并且同时实现导电。因此，电流输入板和电流输出板满足双重功能、也就是一方面将电流输送到功率半导体/将电流从功率半导体导出，并且由于三明治形状的装置也同时满足在电流输入侧和/或在电流输出侧对半导体的冷却。关于结构高度被优化的装置造成针对电流和热量的短的路径。由此得出快速的热传输和在该装置本身之内的小的损耗。材料中的温度下降几乎不出现。
装置的按照本发明的结构优选地被浇铸，这也保证了部件的机械牢固性，并且因此不需要压力接触。因此，会克服与压力接触相关的缺点。彼此对置地布置的电流输入端和/或电流输出端简化了将按照本发明的功率构件嵌入到相应的构件固定装置中，如所述构件固定装置例如被用于盘单元的那样。例如铜或者钼被考虑作为板材料。之前所提及的在功率半导体与板之间的连接可以借助于焊接和/或烧结和/或借助于机械连接元件来实现。
提出：在至少一个导电板上设置适当的机构，使得热量可以轻易地从导电板排出。这例如可以借助于具有集成的冷却通道的导电板来实现，所述冷却通道用于在该装置运行期间实现水冷却。然而，也可以使用附加的单独的具有到导电板的冷却通道的冷却板，所述冷却板优选地附在电流输入板和/或电流输出板上。所述附加的冷却板也可以是整流电路装置的固定装置的组成部分，其中所述装置在两个冷却板之间是可夹紧的，使得确保在固定装置的端子与所有板之间的最优的热过渡和电流过渡。
优选地，所述板（冷却板和/或导电板）在其边缘区域中借助于不导电的连接机构彼此相连，其中板和连接机构构成壳体。浇铸材料（诸如树脂）被考虑作为连接机构。由硬质材料或者软质材料构成的材料同样被考虑。设置：控制端子此外还保持可接入的。
理想地，借助于整流器来实现用于焊接设备的整流器。在此，整流器承担已知的电阻焊接二极管的功能。焊接变压器优选地与之前所提到的整流器构成一个结构单元。因此，用于电阻焊接的具有相应的变压器的焊接设备是可轻易地实现的。
总体上，本发明在强烈减小的热损耗、较小的结构尺寸和强烈减小的重量的情况下通过省去重的和畸形的机械夹紧装置引起了较高的功率密度。
易于理解的是：上面所提到的和随后还要解释的特征不仅可以以分别说明的组合出现，而且可以以其它的、这里没有明确提到的组合或者单独地或者独立地出现，而不离开本发明的范围。
附图说明
本发明借助实施例在随后的附图中示意性地被示出，而且在下文参考附图详细地被描述。在图中，只要不另作说明，相同的或者功能相同的特征就配备有相同的附图标记。
图1粗略地示意性地示出了作为一种优选的实施方式的中点电路；
图2粗略地示意性地示出了第一优选的结构形状；
图3粗略地示意性地示出了作为优选的电路的半桥。
具体实施方式
在图1中示出了中点电路。在图的左边示出了全桥。所述全桥包括第一桥臂和第二桥臂。两个桥臂平行地在（中间）直流电压L（+）和L（-）上。每个桥臂都包括例如IGBT形式的两个开关QA、QB和QC、QD。开关对QA、QB被分配给第一桥臂，并且开关对QC、QD被分配给第二桥臂。焊接变压器18的初级绕组18a被布置在桥支路中。
在图的右边示出了按照本发明的整流器。该整流器被布置在焊接变压器18的两个次级绕组18b上。两个次级绕组18b串联并且在该串联电路的接触点上形成中间接头17。因此，形成第一次级支路和第二次级支路。在中间接头17上连接有电阻焊钳的第一焊接电极13，所述第一焊接电极13在焊接过程期间不仅可具有正电位而且可具有负电位。第二焊接电极13与功率半导体11（Q1）和12（Q2）相连。第一功率半导体11被布置在第一次级支路中，并且第二功率半导体12被布置在第二次级支路中。在所述支路中的每个支路中都设置有针对支路电流IQ1、IQ2的电流测量设备14、15。在图1中所示出的电路装置的构件、尤其是Q1和Q2，和优选地也有电流测量设备14、15以及所述构件之间的连接线路至少部分地并且优选地完全地被嵌入到构件载体（未示出，参见图2，附图标记21）中。
次级侧的功率半导体11、12用于借助于焊接电极13给工件加载焊接电流。功率半导体11、12优选地配备有作为过压保护（未示出）的续流二极管。所述续流二极管也可以被集成到功率半导体11、12中。
优选地，磁场传感器（未示出）被布置在焊接变压器18上。该磁场传感器的信号优选地由操控设备（未示出，参见图2，附图标记26）来分析，使得功率半导体11、12也可以在使用传感器信号的分析结果的情况下被开关。借助于磁场传感器可以记下对系统性能的影响。
功率半导体11、12优选地对称地被布置在构件载体上。所述对称的构造能够实现均匀的电流分布，这有利地对系统性能产生作用。
图2示出了针对整流器以三明治结构方式的结构实现的第一优选的实施方式。示出了多个被嵌入到电路板21中的功率半导体25，所述多个被嵌入到电路板21中的功率半导体25如在图1中所示出的那样（参见附图标记11和12）彼此接线。这里，在图1中所示出的功率半导体11和12在该例子中分别借助于两个功率半导体组11和12来实现，其中每个功率半导体组11、12都包括多个彼此并行地运行的单个功率半导体，所述多个彼此并行地运行的单个功率半导体的数目在理论上可以是任意的并且取决于要提供的电流。因此，应该仅仅示例性地看待所使用的功率半导体25的这里在图中所示出的数目。优选地，每个功率半导体组11和12都包括n个功率半导体，其中n可以是除零之外的正整数。
两个铜板23a、23b被设置为导电的电流输入板23a、23b，并且铜板22同样被设置为导电的电流输出板22，所述铜板优选地具有集成的冷却措施24、27，诸如冷却通道，通过所述冷却通道可以在运行期间输送和排出冷却剂（如水）。替代地，对于所述板22、23a、23b，钼也会被考虑作为材料。
所述板23a/b、22的材料厚度（厚度）例如可以在毫米范围内（例如2mm）。那些代表图1中的Q1（例如MOSFET）的功率半导体25的电流端子（例如源极或者漏极）优选地与电流输入板23a相连，并且那些代表图1中的Q2的半导体25的电流端子（例如漏极或者源极）优选地与电流输入板23b相连。两个铜板23a、23b优选地是彼此电绝缘的并且与对置的电流输出板22平行地来取向。那些代表Q1和Q2的功率半导体25的其它电流端子（例如漏极或者源极）优选地借助于一体化的电流输出板24彼此相连。电流输入板23a和电流输入板23b优选地被构造用于将按照本发明的整流器连接到次级绕组18b（图1）上。
根据所希望的应用，对此也可以设想替代的电路装置（未示出）。替代地，那些代表图1中的Q1（例如MOSFET）的半导体25的电流端子（例如漏极或者源极）与第一电流输出板（未示出）相连，并且那些代表图1中的Q2的半导体25的电流端子（例如漏极或者源极）与第二电流输出板（未示出）相连。接着，两个电流输出板（未示出）是彼此绝缘的并且与唯一的对置的电流输入板（未示出）平行地来取向。那些代表Q1和Q2的功率半导体25的电流端子（例如源极或者漏极）在所述替代的解决方案中借助于一件式的电流输入板彼此相连。
在另一优选的实施方式中，不仅电流输入板而且电流输出板都多件式地来构造，而且彼此平行地和对置地来布置，以便包围如下功率半导体，所述功率半导体的输入端和/或输出端在电路技术上没有彼此相连，并且可以借助于在两个板之间可自由地接入的控制端子来操控。
彼此平行地并且在其边缘区域彼此齐平地布置的铜板23a、b和22至少在其边缘区域借助于不导电的连接机构（未示出）彼此相连，使得所述铜板23a、b和22连同所述连接机构形成壳体。该连接机构可以是浇铸材料，然而替代地，该连接机构也可以借助于如硬质塑料或者软质塑料那样的材料来实现。根据应用，借助于该连接机构可以实现如下壳体，所述壳体也满足IP保护方式。
在两个铜板23a、b和22的边缘处，可以设置形状决定地咬合的接触机构用于安装连接机构，所述接触机构确保了在连接机构与铜板23a、b和22之间的牢固的接触。
电路板21的厚度可以在微米范围内（例如100微米）。功率半导体25的控制端子同样被该电路板21包括，并且可以借助于用于功率半导体11、12的同样被电路板21包括的或者被集成到该电路板中的操控装置26来连接。
如在图中所示出的那样，所标记的电流（I，箭头方向作为标准）可以借助于控制端子来控制，并且采取可预先给定的从电流输入板23a、23b到电流输出板22的方向。在该装置运行期间出现的废热（损耗热量）可以借助于电流输入板23a、23b和电流输出板22同时在两个方向上被排出，尤其是，如果在所有板22、23a、23b中都设置有冷却通道23、27或者在所述板22、23a、23b中的至少一个板中设置有冷却通道23、27，那么加速。
在图3中示意性地示出了所嵌入的半桥电路。所述桥在第一电位31与第二电位36之间，并且借助于两个MOS-FET开关32、35来实现，所述两个MOS-FET开关32、35的控制端子（断开地示出）可由操控装置26（参见图2）来操控。焊钳34的第一电极被电连接在两个MOS-FET开关32、35之间。焊钳的第二电极在该例子中与电位36相连。两个电位31、36优选地由在图1中示出的次级绕组来提供。
附图标记列表
11、12 在输出侧的功率开关、MOSFET
13 负载、焊钳
14、15 电流测量电路
16 初级侧的变压器连接
17 变压器中间接头
18 变压器
18a 变压器初级绕组
18b 变压器次级绕组
QA、QB、QC、QD 在输入侧的功率开关、MOSFET
IQ1、IQ2 焊接电流
L（+）、L（-） 焊接变流器的中间电路直流电压
21 电路板
22 电流输入板、铜板
23a、23b 电流输出板、铜板
24 集成的水冷却
25 电路板中的嵌入半导体、整流电路
26 用于功率开关的控制端子的操控机构
27 集成的水冷却
I 焊接电流
31、36 电压供应
32、35 控制机构
33 针对电流的测量机构
34 焊钳。

Claims (20)

1.针对强电流（I）的整流电路装置，所述整流电路装置具有构件载体（21）并且具有针对强电流（I）的分别具有自己的控制端子的可控制的第一和第二开关机构（11、12、25），其中所述开关机构（11、12、25）至少部分地被嵌入到构件载体（21）中，其中所述构件载体（21）在导电的第一导电板（22）与导电的第二导电板（23a、23b）之间基本上与两个导电板（22，23a、23b）平行地来布置，其中两个开关机构（11、12、25）都彼此接线到整流电路并且与导电板（22，23a、23b）相连，使得整流电路的输出端借助于所述第一或者第二导电板（22，23a、23b）来实现，并且整流电路的输入端借助于所述第二或者第一导电板（23a、23b，22）来实现，其中所述构件载体是具有印制导线的电绝缘材料，所述印制导线作为所述开关机构（11、12、25）的导通的连接，并且其中第一和第二导电板（22，23a、23b）与在其边缘区域中不导电的连接机构一起构成所述整流电路装置的壳体。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述强电流（I）是用于工业的电阻焊接的强电流（I）。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述开关机构（11、12、25）完全地被嵌入到构件载体（21）中。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述构件载体（21）包括多个线路层，其中所述整流电路的输入端与第一线路层相连，并且所述整流电路的输出端和与所述第一线路层分开的第二线路层相连，并且其中控制端子与至少一个其它的线路层相连，所述至少一个其它的线路层被布置在所述第一线路层与所述第二线路层之间，使得所述控制端子能够借助于所述其它的线路层来操控。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述控制端子能够彼此分开地借助于所述其它的线路层来操控。
6.根据上述权利要求之一所述的装置，其中基本上同样地布置的控制线路被设置用于在所述构件载体（21）上操控所述控制端子。
7.根据权利要求1至5之一所述的装置，其中彼此对称地布置的控制线路被设置用于在所述构件载体（21）上操控所述控制端子。
8.根据权利要求1至5之一所述的装置，其中包括用于在整流电路的输入侧连接到变压器绕组（18b）上和用于在整流电路的输出侧连接到负载（13）上的机械接触机构。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述整流电路被实现为中点电路，并且设置附加的机械接触机构，使得所述负载（13）能够附加地在整流电路的输出侧也被连接到变压器绕组的中间接头（17）上。
10.根据权利要求6所述的装置，其中附加地，用于操控两个控制端子的操控装置（26）至少部分地被嵌入到所述构件载体（21）中，并且借助于印制导线与所述控制线路相连。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述操控装置（26）完全地被嵌入到所述构件载体（21）中。
12.根据权利要求1至5之一所述的装置，其中负载电流测量电路（14、15）被设置用于每个开关机构（11、12、25），并且至少部分地被嵌入到所述构件载体（21）中。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述负载电流测量电路（14、15）完全地被嵌入到所述构件载体（21）中。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一和/或所述第二导电板（22，23a、23b）多件式地来构造，其中所述第一开关机构（11、12、25）被电地加装到所述导电板（22、23a、23b）的第一部分上，并且所述第二开关机构（11、12、25）被电地加装到所述导电板（22、23a、23b）的第二部分上。
15.根据权利要求14所述的装置，其中在整流电路的输入侧的导电板（22，23a、23b）也多件式地来构造。
16.根据权利要求14所述的装置，其中所述第一和/或所述第二导电板（22，23a、23b）两件式地来构造。
17.根据权利要求15所述的装置，其中所述在整流电路的输入侧的导电板（22，23a、23b）两件式地来构造。
18.用于电阻焊接的变压器，所述变压器具有根据上述权利要求之一所述的装置，其中所述整流电路在输入侧被连接到所述变压器的次级绕组（18b）上并且被布置在所述变压器上。
19.根据权利要求18所述的变压器，其中所述变压器是中频变压器（18、18a、18b）。
20.具有全桥电路（QA、QB、QC、QD）的电阻焊接装置，所述全桥被连到中间电路直流电压（L+、L-）上，并且其中根据权利要求18或19所述的变压器（18）在初级侧被连接在所述全桥电路（QA、QB、QC、QD）的输出端（16）上，其中所述整流电路在输出侧被连接到焊接电极（13）上，所述焊接电极（13）由焊钳来保持住。
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