CN113841325A - 简约电力转换器和具有电力转换器的交通工具 - Google Patents

简约电力转换器和具有电力转换器的交通工具 Download PDF

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Abstract

本发明说明一种具有功率半导体器件（5.1）的电力转换器（1），其中中间电路电容器（2）具有小于3µF的电容以及不构成为分离的电气器件并且时钟频率大于1MHz。同样说明一种具有这种电力转换器的交通工具、尤其飞机。

Description

简约电力转换器和具有电力转换器的交通工具
技术领域
本发明涉及一种具有功率半导体器件的电力转换器（Stromrichter）、尤其变流器，以及一种具有电力转换器的交通工具。
背景技术
在电力转换器中，中间电路电容器在其功能方面作为电容服务于电力转换器以便缓冲每个时钟所需的电能以调节电动机电流。中间电路电容器是无源组件，该无源组件在电力转换器中具有相对高的重量份额（例如在独立变流器的情况下总重量的大约10%至20%，在集成在电动机中的变流器的情况下多于25%），并且因此除了电力转换器外壳、可选的EMV滤波器和通常由铜构成的母线（=馈线）之外属于绝对最重的单个部件。如果需要在给定的功率的情况下以重量最小的方式实施电力转换器，则中间电路电容器可能是主要攻击点之一。
对于中间电路电容器而言，除了可用的几何形状之外，存在两个主要设计标准：第一，在时钟期间的最大电压纹波，和第二，最大电容器芯子温度，该最大电容器芯子温度主要（但不仅仅）由电容器纹波电流产生。
在要在给定的中间电路电压的情况下调节电动机电流时，所要求的电压纹波导致必要的电容，所述电容借助为此所需的电容器绕组确定结构尺寸和因此也确定重量。可能的对策是提高逆变器的时钟频率（例如从10kHz提高到20kHz或40kHz），因为该时钟频率与电压纹波间接地成比例。
在此有问题的是，随着减小的电容和因此所期望的重量损失，中间电路电容器内阻（“ESR”）直接成比例地升高，并且因此损耗和因此在假定为保持不变的冷却的情况下电容器芯子温度升高。但是因为由于尺寸减小而下降的冷却面在同时提高的损耗的情况下同时下降，所以通过进一步提高时钟频率减小电容和因此减小结构空间和重量受到限制。
然而控制中间电路电容器的电容器芯子温度的可能方案是电容器母线的主动冷却或增大表面的其他形状因素。
发明内容
本发明的任务是说明一种用于减少尤其在空中交通工具中的电力转换器的重量的解决方案。
本发明从独立权利要求的特征中得出。有利的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。本发明的其他的特征、应用可能性和优点从以下描述中得出。
本发明的第一方面在于，没有中间电路电容器作为分离的组件安装（尤其没有被接触并且与母线连接的卷绕的薄膜等等）。
在本发明的另一方面中，电力转换器的时钟频率将从通常的10kHz到40kHz以大约100至250的倍数被提高到大约1MHz的数量级。
因此，中间电路电容器的电容与现有技术相比可以下降相同的倍数，即从例如在10 kHz的时钟频率的情况下的250µF下降到1µF至2.5µF。在相对介电常数为3（例如在卡普顿（Kapton）塑料薄膜的情况下）和薄膜厚度为30µm的情况下，虚构理想平板电容器的30cmx25cm的假想的面产生大约 0.67µF的电容，即离根据估计计算要达到的1µF至2.5µF的目标值并不远。
在另一方面中，来自源（例如：HV电池）的馈线在电力转换器处、在功率半导体前不远处被扩展并且扁平地转变为平板电容器形状，在其远端处直接连接功率半导体。平板仅仅被压入有典型的聚丙烯薄膜（如在目前的中间电路电容器中以卷绕形式使用）。
扁平的平板电容器可以最优地被冷却并且可以由非常薄的、那样（da）宽的铜或铝构成，所述铜或铝的电感明显低于在封装的（gehaust）电容器绕组中的接触所需的已知的传统中间电路结构。
对于这种开关频率而言需要快速切换的半导体。GaN功率半导体是合适的。开关频率位于如今在硬切换的DC/DC调节器中所应用的频率上面一点。
在本发明的另一方面中提出一种在不使用陶瓷或其他传统组件的情况下简约地构成的电力转换器。没有陶瓷的简约输出级由如下组件列表的13个组件构成：六片具有单片集成驱动器和保护功能以及具有电流隔离的通信的GaN功率半导体芯片，一条正母线，一条负母线，一块塑料薄膜，各自作为结构化的引线框的三个AC分接头，一个冷却器。如果驱动器不自己计算时钟信号，则可以在输出级中省去电压测量和电流测量（但必须在其他位置处提供）。
根据本发明的解决方案引起极低的中间电路电容<3µF，并且需要极快地定时的（大约或大于1MHz）半导体，这些半导体直接被烧结到中间电路平板电容器的相应平板上，其中芯片例如在2级变流器的情况下以与DC-上的侧（即源极）不同的侧（即漏极）烧结到DC+上。优选地使用垂直构造的GaN晶体管。
本发明要求保护一种具有功率半导体器件的电力转换器，其中中间电路电容器具有小于3µF的电容以及不构成为分离的电气器件并且时钟频率大于1MHz。
在一个改进方案中，电力转换器可以具有与直流电源可连接的第一和第二馈线，所述第一和第二馈线直接在功率半导体器件之前被扩展并且扁平地实施，使得可以形成作为中间电路电容器的平板电容器。
在另一设计方案中，塑料薄膜可以作为平板电容器的电介质布置在馈线之间。
在另一实现形式中，电力转换器可以是变流器。电力转换器称为变流器，也称为逆变器，该电力转换器从交流电压或直流电压产生在频率和幅度方面被改变的交流电压。变流器经常构成为AC/DC-DC/AC变流器或DC/AC变流器，其中从输入交流电压或输入直流电压经由直流电压中间电路和被定时的半导体产生输出交流电压。
在一个改进方案中，根据本发明的电力转换器仅仅包括：
- 第一和第二馈线，
- 塑料薄膜，
- 六个采用GaN技术的功率半导体器件，所述功率半导体器件具有单片集成驱动电路和保护功能以及电流隔离的通信接口，
- 三个交流分接头，和
- 冷却器。
优选地，交流分接头各自构成为结构化的引线框（=连接框）。
如果驱动器不自己计算时钟信号，则可以在输出级中省去电压测量和电流测量。但必须在其他位置处提供。
在另一构成方案中，第一和第二馈线可以平面地构成，并且各三个功率半导体器件可以布置在第一或第二馈线的上侧上。各两个功率半导体器件负责一个换向单元。
在另一实施方式中，第一和第二馈线可以L形地构成并且各三个功率半导体器件可以布置在第一或第二馈线的较短的腿的上侧上。
在本发明的另一方面中，在交通工具、尤其空中交通工具中使用电力转换器。
本发明要求保护一种交通工具，尤其空中交通工具，诸如飞机，其具有根据本发明的电力转换器，用于电驱动或混合电驱动。
交通工具被理解为任何类型的移动或运输工具，无论是有人驾驶的还是无人驾驶的工具。空中交通工具是飞行的交通工具。
在一个改进方案中，交通工具具有通过电力转换器被供应电能的电动机和可以通过电动机被置于旋转的螺旋桨。
附图说明
本发明的其他的特点和优点从实施例借助示意图的以下解释中变得明显。
图1示出根据现有技术的电力转换器的框图，
图2示出没有中间电路电容器的电力转换器的框图，
图3示出电力转换器的第一和第二馈线的侧视图，
图4示出了电力转换器的第一和第二馈线的斜视图，
图5示出简约电力转换器的第一实施方式的侧视图，
图6示出简约电力转换器的第二实施方式的侧视图，和
图7示出具有电推力产生单元的空中运输工具。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的电力转换器1的框图。可以看到一相的换向单元1.1。中间电路电容器2在输入侧与电池8或另一直流电压源连接。中间电路电容器2在输出侧与功率模块5连接，该功率模块包含未示出的可切换的功率半导体器件5.1。不仅中间电路电容器2而且功率模块5通过冷却器7散热。在较高的损耗功率的情况下，冷却器7是液体冷却的。
图2示出没有作为独立的分离的器件的中间电路电容器2的电力转换器1的框图。可以看到一相的换向单元1.1。不存在独立的中间电路电容器2。功率模块5直接经由第一馈线3.1（DC+）和第二馈线3.2（DC-）与电池8或另一直流电源连接。功率模块5包含未示出的可切换的功率半导体器件5.1。第一和第二馈线3.1、3.2形成构成为平板电容器的中间电路电容器2。冷却器7对功率模块5和平板电容器散热。在较高的损耗功率的情况下，冷却器7是液体冷却的。
中间电路电容器2具有大约2µF的电容。功率模块5以大约1 MHz的时钟频率进行切换。
图3示出根据图2的电力转换器1的侧视图。第一和第二馈线3.1、3.2部分地构成为平板电容器并且由此形成中间电路电容器2。第一和第二馈线3.1、3.2与功率模块5电连接。具有高介电强度并且用于提高中间电路电容器2的电容的塑料薄膜4位于彼此平行地布置的馈线3.1、3.2之间。
图4示出根据图3的电力转换器1的第一和第二馈线3.1、3.2的斜视图。第一和第二馈线3.1、3.2部分地被加宽，以便为平板电容器形成足够大的面。
图5示出根据图2至图4的简约电力转换器1的第一实施方式的侧视图。六个功率半导体器件5.1被烧结在由铜构成的第一和第二馈线3.1、3.2上，各三个被烧结在一条馈线3.1、3.2（也称为“母线”）上。只能看到两个功率半导体器件。由聚丙烯构成的塑料薄膜4位于馈线3.1、3.2之间。
冷却器7以夹层结构处于以平板形状构成的馈线3.1、3.2上。所产生的交流电可以经由三个交流分接头6输送给耗电器。只能看到一个交流分接头。功率半导体器件5.1优选地以GaN技术构成。功率半导体器件5.1尤其是场效应晶体管。
图6示出根据图2至图4的简约电力转换器1的第二实施方式的侧视图。第一和第二馈线3.1、3.2构成为L形，分别具有长腿和短腿。六个功率半导体器件5.1被烧结在由铜构成的第一和第二馈线3.1、3.2的短腿上，各三个被烧结在一条馈线3.1、3.2上。只能看到两个功率半导体器件。由聚丙烯构成的塑料薄膜4位于馈线3.1、3.2之间。
冷却器7以夹层结构处于以平板形状构成的馈线3.1、3.2的长腿上。所产生的交流电可以经由三个交流分接头6输送给耗电器。只能看到一个交流分接头。功率半导体器件5.1优选地以GaN技术构成。功率半导体器件5.1尤其是MOSFET、IGBT或IGCT。
中间电路电容器2可以被认为是能量源的直接的、形状因数改变了的馈线3.1、3.2。仅实现理想的平板电容器。必要时，可以将少量并联的绕组在几何上相叠地安置以提高容量。如果选择绕组数1、即理想的平板电容器，则实施为显式组件的中间电路电容器从非常快速地定时的变流器中消失，因为于是所述中间电路电容器是被扩展的第一和第二馈线3.1、3.2的“寄生”组成部分。中间电路电感下降至最小值。
图7示出作为具有根据图2至图6的电力转换器1的空中运输工具的示例的电动或混合电动飞机9，该电力转换器为电动机9.1供应电能。电动机9.1驱动螺旋桨9.2。两者都是电推力产生单元的一部分。电力转换器1还可以被用于其他应用、如车载电网或电池馈电。
尽管详细地通过实施例进一步图示和描述了本发明，但本发明并不受所公开的示例所限制并且其他变型方案可以由本领域技术人员从中导出，而不离开本发明的保护范围。
附图标记列表
1 电力转换器
1.1 换向单元
2 中间电路电容器
3.1 第一馈线
3.2 第二馈线
4 塑料薄膜
5 功率模块
5.1 功率半导体器件
6 交流分接头
7 冷却器
8 电池
9 飞机
9.1 电动机
9.2 螺旋桨。

Claims (11)

1.一种具有功率半导体器件（5.1）的电力转换器（1），
其特征在于，
中间电路电容器（2）具有小于3µF的电容以及不构成为分离的电气器件并且用于切换所述功率半导体器件（5.1）的时钟频率大于1MHz。
2.根据权利要求1所述的电力转换器，
其特征在于：
- 作为到直流电压源（8）上的电连接的第一和第二馈线（3.1、3.2），
- 其中所述第一和第二馈线（3.1、3.2）直接在所述功率半导体器件（5.1）之前被扩展并且扁平地实施，使得能够形成作为中间电路电容器（2）的平板电容器。
3.根据权利要求2所述的电力转换器，
其特征在于：
- 作为所述平板电容器的电介质的塑料薄膜（4）。
4.根据权利要求3所述的电力转换器，
其特征在于,
所述电力转换器（1）是变流器。
5.根据权利要求4所述的电力转换器，包括：
- 所述第一和第二馈线（3.1、3.2），
- 所述塑料薄膜（4），
- 六个采用GaN技术的功率半导体器件（5.1），所述功率半导体器件具有单片集成驱动电路和保护功能以及电流隔离的通信接口，
- 三个交流分接头（6），和
- 冷却器（7）。
6.根据权利要求5所述的电力转换器，
其特征在于,
所述第一和第二馈线（3.1、3.2）平面地构成并且各三个功率半导体器件（5.1）布置在所述第一或第二馈线（3.1、3.2）的上侧上。
7.根据权利要求5所述的电力转换器，
其特征在于,
所述第一和第二馈线（3.1、3.2）构成为L形并且各三个功率半导体器件（5.1）布置在所述第一或第二馈线（3.1、3.2）的较短的腿的上侧上。
8.一种交通工具，具有根据前述权利要求中任一项所述的电力转换器（1），所述电力转换器用于电驱动或混合电驱动。
9.根据权利要求8所述的交通工具，
其特征在于,
所述交通工具是空中交通工具。
10.根据权利要求9所述的交通工具，
其特征在于,
所述空中交通工具是飞机（9）。
11.根据权利要求10所述的交通工具（9），
其特征在于：
- 通过所述电力转换器（1）被供应电能的电动机（9.1），和
- 能够通过所述电动机（9.1）被置于旋转的螺旋桨（9.2）。
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