CN108702097A - 转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种转换器，用于将在两个输入接头(101，102)之间施加的输入电压(U1)转换为具有预定的幅值和频率的交流电压，用于控制单相或多相负载，所述转换器具有至少两个彼此串联连接的逆变器臂子模块(SM；SM1，…，SM8)。在此，每个子模块(SM；SM1，…，SM8)包括电路载体(11)以及在电路载体(11)上彼此电气连接的至少两个可控开关元件(S1，S2)。此外，每个子模块具有第一子模块接头(X1)和第二子模块接头(X2)。在所述转换器中，至少两个子模块(SM；SM1，…，SM8)的可控开关元件(S1，S2)的第一主接头(D)与冷却体(12)的冷却表面热连接。此外，至少两个子模块(SM；SM1，…，SM8)中的第一子模块的第二子模块接头(X2)与至少两个子模块(SM；SM1，…，SM8)中的第二子模块的第一子模块接头(X1)连接。所述转换器的特征在于，第一子模块(SM；SM1，…，SM8)的第二子模块接头(X2)与第二子模块的第一子模块接头(X1)的连接通过安装在所述冷却表面上的导电层(16)、例如金属导轨来实现。

Description

转换器
技术领域
本发明涉及一种转换器，其用于将在两个输入接头之间施加的输入电压转换为具有预定的幅值和频率的交流电压，用于控制单相或多相负载，所述转换器具有至少两个彼此串联连接的逆变器臂子模块。
背景技术
现代的具有多电平特性的模块化转换器拓扑由相同地构造的功能单元组成，这些功能单元称为子模块并且作为半桥子模块或者全桥子模块构造。其为了提供逆变器相而彼此串联连接。多个半桥子模块串联连接占用很多结构空间。这导致转换器的成本高。
在低压范围内，通常模块化拓扑由一般基于电路板的、具有分立功率半导体开关元件的子模块构建。由于使用电路板，由于电路板有限的电流承载能力以及与功率半导体开关元件直接安装在载体上(所谓的直接铜接合(DCB，Direct Copper Bonding))的功率模块相比更差的冷却条件，产生另外的问题。在连接线缆以及连接线缆和电路板之间的接触位置中产生必须被导出的巨大的电流热损耗。
分立功率半导体开关元件和线缆的螺丝接点或夹紧接点之间的电气连接通过电路载体上的铜路径来实现。为了能够保证需要的电流承载能力，使用昂贵的大电流电路载体。其作为厚铜板或者嵌入铜型材的板已知。
基于电路板的转换器中的散热直接在主接头(通常是功率半导体开关元件的漏极或者集电极接头)上进行。为此，功率半导体开关元件直接以其大面积的连接触点按压到冷却体上。为了避免连接触点和冷却体之间的电气连接，在这两个表面之间布置绝缘体。
通过使用更大的线缆横截面和更大的触点，连接线缆中以及接触位置中的电流热损耗由此可以最小化并且被导出。然而，这又导致结构和连接技术设备非常大且重。
尽管如此，转换器的基于电路板的实现相对于基于DCB的转换器经常是优选的，因为这种转换器具有更好的电气性能。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种在结构上和/或在功能上改进的转换器。
上述技术问题通过根据权利要求1的特征的转换器来解决。从属权利要求给出有利的实施方式。
提出了一种转换器，其用于将在两个输入接头之间施加的输入电压转换为具有预定的幅值和频率的交流电压，用于控制单相或多相负载，所述转换器具有至少两个彼此串联连接的逆变器臂子模块，其中，每个子模块包括如下部件：电路载体；至少两个可控开关元件，其在电路载体上彼此电气连接；第一子模块接头；第二子模块接头。至少两个子模块的可控开关元件的第一主接头与冷却体的冷却表面热连接。至少两个子模块中的第一子模块的第二子模块接头与至少两个半桥子模块中的第二子模块的第一子模块接头连接。
转换器的特征在于，第一子模块的第二子模块接头与第二子模块的第一子模块接头的连接通过安装在冷却表面上的导电层来实现。
由此可以提供子模块以基于电路板的方式构建的转换器。由此能够提供子模块以及整个转换器的良好的电气性能。同时，通过经由安装在冷却表面上的导电层的子模块接头的连接，能够实现在半导体开关元件中在运行中累积的热的良好的散热。特别是使得这种结构能够直接对电气触点进行冷却。
通过子模块仅经由两个开关元件的第一主接头进行接触，可以非常紧凑地构建子模块的串联电路。特别是，使固定开销最小。此外，实现了对电气触点和导电层的直接冷却。
另一个优点在于，与传统的子模块相比，在子模块的电路载体上出现减小的电流，因为电流直接经由开关元件的第一主接头引出。由此使得电路载体的热负荷有利地更小。
根据一个适宜的实施方式，开关元件的第一主接头是安装在导电层的整个表面上的表面触点。由此，不仅仅保证大的电流承载能力。而且还可以经由第一主接头实现在开关元件中产生的热向导电层和冷却体的热传递。此外，由于第一主接头可以以简单的方式经由导电层与冷却体连接，所以便于制造。要强调的是，在此在市场上常见的分立的功率半导体开关元件可以用作子模块的开关元件。
根据另一个适宜的实施方式，开关元件的第一主接头以力合(kraftschlüssig)和/或材料配合(Stoffschlüssig)的方式与导电层连接。由此，经由导电层在相邻的子模块的开关元件的第一主接头之间保证良好的电流承载能力。同时保证到冷却体的良好的热传递。
根据另一个适宜的实施方式，导电层是金属导轨，其经由绝缘层与冷却体连接。
另一个适宜的实施方式设置为，相应的子模块的第一开关元件的第二主接头和第二开关元件的第一主接头之间的电气连接、即节点，经由子模块的电路载体的一个或多个导体路径来实现。为此，电路载体例如可以具有所谓的厚导体路径(即导体路径厚度大于400μm)。
另一个实施方式设置为，在两个输入接头之间，对于每一相串联连接两个逆变器臂，其中，两个逆变器臂之间的节点与逆变器相的输出接头耦合。特别是，转换器的每个逆变器臂和每一相包括至少两个子模块。
根据另一个适宜的实施方式，相应的子模块包括具有串联连接的两个可控开关元件的半桥。第一子模块接头与至少两个开关元件中的第一开关元件(高端开关元件)的第一主接头电气连接。第二子模块接头与第一开关元件的第二主接头和至少两个开关元件中的第二开关元件(低端开关元件)的第一主接头的节点电气连接。
根据另一个适宜的实施方式，子模块包括具有两个并联连接的半桥的全桥，其中，在半桥中的第一半桥中串联连接第一和第二开关元件，并且在半桥中的第二半桥中串联连接第三和第四开关元件。第一子模块接头与第一开关元件的第二主接头和第二开关元件的第一主接头的节点电气连接。第二子模块接头与第三开关元件的第二主接头和第四开关元件的第一主接头的节点电气连接。第一和第三开关元件的第一主接头经由另一个导电层在所述冷却表面上彼此电气连接。
在这种变形中，该另一个导电层布置在冷却体上的第一和第二子模块接头的导电层之间是适宜的。
附图说明
下面，参考附图中的实施例更详细地解释本发明。
图1示出了用于在输入接头和输出接头之间提供逆变器相的一些子模块的串联连接；
图2示出了半桥子模块的等效电路图；
图3示出了传统结构变形中的布置在冷却体上的两个半桥子模块的示意图；以及
图4示出了根据本发明的实施方式中的冷却体上的多个半桥子模块的示意图。
具体实施方式
图1示出了所谓的多电平拓扑中的转换器的逆变器相。其中，在输入接头101和输入接头102之间，示例性地将相同地构建的八个子模块SM1，...，SM8彼此连接。半桥子模块SM4和SM5之间的节点103与逆变器相的输出接头104连接。在此，对上逆变器臂分配连接在输入接头101和节点103之间的子模块SM1，...，SM4。对下逆变器臂分配在节点103和输入接头102之间串联连接的子模块SM1，...，SM8。在输入接头101和102之间施加直流电压U1。输入接头101，102是在此未详细示出的直流电压中间回路的接头。通过同样未示出的控制电路，可以在输出接头104上获得交流电压，控制电路控制包含在各个子模块SM1，...，SM8中的开关元件并且以合适的方式将其切换为导通和截止。
图2示出了半桥子模块的形式的相同地构造的子模块SM1，...，SM8的等效电路图。每个半桥子模块SM包括两个串联连接的开关元件S1，S2。开关元件S1，S2例如是MOSFET或者其它可控半导体开关元件。开关元件S1的称为漏极D的第一主接头与第一子模块接头X1连接。开关元件S1的称为源极S的第二主接头与第二开关元件S2的漏极接头D连接。开关元件S1的源极接头S和开关元件S2的漏极接头之间的节点形成第二子模块接头X2。第二开关元件S2的源极接头经由电容器CSM与第一开关元件S1的漏极接头连接。可以与电容器CSM并联地在用附图标记P和N表示的节点上连接可选的输出网络NW。
为了提供如图1所示的具有多电平特性的逆变器相，将各个半桥子模块的子模块接头X1，X2彼此串联连接。因此，如从图1中可以容易地看到的，子模块SM1的第一子模块接头X1与输入接头101连接。子模块SM1的第二子模块接头X2与子模块SM2的第一子模块接头X1连接。子模块SM2的第二子模块接头X2又与子模块SM3的第一子模块接头连接，等等。子模块SM8的第二子模块接头X2最后与输入接头102连接。如同样可以从图1中容易地看到的，转换器1的逆变器相的输出接头104经由节点103与子模块SM4的第二子模块接头X2连接，并且与子模块SM5的第一子模块接头X1连接。
这种连接在转换器1中占用很多结构空间。图3示出了布置在冷却体12上的、两个相邻的基于电路板的子模块SM1，SM2的可能的结构变形。在这种结构变形中，每个子模块SM1，SM2通过使用分立的功率半导体开关元件和电路载体来构建。由此产生与从现有技术中已知的直接铜接合(DCB)相比更好的电气性能
子模块SM1，SM2(这当然也以相应的方式适用于在图3中未示出的其它子模块SM3，...，SM8)分别包括电路载体11。在电路载体11上分别安装两个功率半导体开关元件10。每个功率半导体开关元件包括三个触针，其通过相应的、在图3中未详细示出的电路载体11的开口或者钻孔插入或者焊接。这三个触针是漏极接头D(第一主接头)、源极接头S(第二主接头)和栅极接头G(控制接头)。用S1表示的功率半导体开关元件10的源极接头和用S2表示的功率半导体开关元件10的漏极接头之间的电气连接经由导体路径14来进行。在此，由于流过的电流大，导体路径14可以构建为厚铜导体路径。S1的源极接头S和S2的漏极接头D之间的电气连接形成结合图2解释的第二子模块接头X2。第一子模块接头X1是用S1表示的功率半导体开关元件10的漏极接头D。
功率半导体开关元件10的散热直接在其漏极接头D上通过直接将在分立的功率半导体开关元件10的背面构造的漏极接头D压紧在已经提及的冷却体12上进行。为了避免漏极接头D经由冷却体12短路，在冷却体12的面向观察者的一侧安装良好地导热的绝缘层13。为了保证功率半导体开关元件10的背面触点(漏极接头)和冷却体12之间的紧密接触，例如可以将功率半导体开关元件拧在冷却体12上。
为了在子模块SM1的第二子模块接头X2和子模块SM2的第一子模块接头X1之间建立电气连接，在根据图3的布置中使用线缆15。这例如在电路载体11的相应的接触表面之间电气地以图3所示的方式用螺栓连接。由于在线缆15和半桥子模块SM1，SM2的相关电路载体11之间在接触位置处出现的电流热损耗，使用大的线缆横截面和大的触点。然而，这导致结构和连接技术设备非常大且重。
图4示出了根据本发明的结构变形。在此，在图4的图示中，部分地示出了开关模块SM1以及与其串联连接的开关模块SM2和SM3。在图3中用附图标记15表示的电气连接在根据本发明的结构变形中分别用导电层16来代替，导电层16布置在分立的功率半导体开关元件10和冷却体12上的绝缘层13之间。在此，半桥子模块(例如SM1)的第二开关元件S2的漏极接头和相邻的半桥子模块(例如SM2)的第一开关元件S1的漏极接头安装在导电层16上，并且与其以导电的方式连接。以相应的方式，半桥子模块SM2的第二开关元件S2的漏极接头和相邻的半桥子模块(在此：SM3)的第一开关元件S1的漏极接头D安装在另一个导电层上。因此，在相应的导电层16上分别成对地安装相邻的半桥子模块的开关元件的漏极接头。
通过仅分立的功率半导体开关元件的半桥子模块SM的漏极接头D进行接触，可以非常紧凑地构建半桥子模块的串联电路。特别是以最小的固定开销产生紧凑的串联电路。可以直接对电气触点和电气层进行冷却。电气层例如以金属导轨的形式实现。
节点或输出接头可以借助导电层来实现。因此，导电层例如可以具有背对电路载体的连接板(未示出)，从而在连接板的表面区域中可以进行与输出接头的螺栓连接或者插接连接。
在半桥子模块的各个电路载体上产生减小的电流，因为大部分电流直接在功率半导体开关元件的漏极接头上被引出。由此使得各个电路载体的热负荷更小。
通过所有接触位置(即功率半导体开关元件的漏极接头)同时是导出功率半导体开关元件的热的位置，能够实现根据本发明提出的结构变形。由此消除了迄今为止电气路径和热路径之间的分离。更确切地说，现在它们一致了。
半导体开关元件到冷却体12的散热仅受到导电层16最小的影响，因为可以对其提供非常高的导热系数。优选导电层16由铜或者铝或者其合金制成。
在本实施例中，在图2至图4中根据逆变器相的半桥子模块描述了本发明。根据本发明的原理也可以容易地转用于全桥子模。全桥子模块包括两个并联路径中的四个开关元件，其中，在每个路径中，两个开关元件彼此串联连接。在这种全桥子模块中，两个高端开关元件的漏极接头在共同的导电层上连接。与此相对，低端开关元件经由导电层与相应地相邻的两个全桥子模块的开关元件连接。

Claims (10)

1.一种转换器，用于将在两个输入接头(101，102)之间施加的输入电压(U1)转换为具有预定的幅值和频率的交流电压，用于控制单相或多相负载，所述转换器具有至少两个彼此串联连接的逆变器臂子模块(SM；SM1，…，SM8)，其中，每个子模块(SM；SM1，…，SM8)包括如下部件：
-电路载体(11)；
-至少两个可控开关元件(S1，S2)，其在电路载体(11)上彼此电气连接；
-第一子模块接头(X1)；
-第二子模块接头(X2)；
其中，
-至少两个子模块(SM；SM1，…，SM8)的可控开关元件(S1，S2)的第一主接头(D)以表面与冷却体(12)的冷却表面热连接；
-至少两个子模块(SM；SM1，…，SM8)中的第一子模块的第二子模块接头(X2)与至少两个子模块(SM；SM1，…，SM8)中的第二子模块的第一子模块接头(X1)连接，
其特征在于，
第一子模块(SM；SM2，…，SM8)的第二子模块接头(X2)与第二子模块(SM；SM1，…，SM7)的第一子模块接头(X1)的连接通过安装在所述冷却表面上的导电层(16)来实现。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，开关元件(S1，S2)的第一主接头(D)是安装在导电层(16)的整个表面上的表面触点。
3.根据权利要求1或2所述的转换器，其特征在于，开关元件(S1，S2)的第一主接头(D)以力合和/或材料配合的方式与导电层(16)连接。
4.根据上述权利要求中任一项所述的转换器，其特征在于，导电层(16)是金属导轨，其经由绝缘层(13)与冷却体(12)连接。
5.根据上述权利要求中任一项所述的转换器，其特征在于，相应的半桥子模块(SM；SM1，…，SM8)的第一开关元件(S1)的第二主接头(S)和第二开关元件(S2)的第一主接头(D)之间的电气连接经由半桥子模块的电路载体(11)的一个或多个导体路径来实现。
6.根据上述权利要求中任一项所述的转换器，其特征在于，在两个输入接头之间，对于每一相串联连接两个逆变器臂，其中，两个逆变器臂之间的节点与逆变器相的输出接头耦合。
7.根据权利要求6所述的转换器，其特征在于，转换器的每个逆变器臂和每一相包括至少两个子模块(SM；SM1，…，SM8)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的转换器，其特征在于，
-相应的子模块(SM；SM1，…，SM8)包括具有串联连接的两个可控开关元件(S1，S2)的半桥；
-第一子模块接头(X1)与至少两个开关元件(S1，S2)中的第一开关元件的第一主接头(D)电气连接；
-第二子模块接头(X2)与第一开关元件(S1)的第二主接头(S)和至少两个开关元件(S2)中的第二开关元件的第一主接头(D)的节点电气连接。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的转换器，其特征在于，
-子模块(SM；SM1，…，SM8)包括具有两个并联连接的半桥的全桥，其中，在半桥中的第一半桥中串联连接第一和第二开关元件，并且在半桥中的第二半桥中串联连接第三和第四开关元件；
-第一子模块接头(X1)与第一开关元件的第二主接头(S)和第二开关元件的第一主接头(D)的节点电气连接；
-第二子模块接头(X2)与第三开关元件的第二主接头(S)和第四开关元件的第一主接头(D)的节点电气连接；
-第一和第三开关元件的第一主接头(D)经由另一个导电层在所述冷却表面上彼此电气连接。
10.根据权利要求9所述的转换器，其特征在于，所述另一个导电层布置在冷却体的第一和第二子模块接头(X1，X2)的导电层之间。
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