DE10043747A1 - Schaltungsmodul - Google Patents

Abstract

Zur Einsparung von Kosten bei Montage- und Lagerhaltung wird bei einem Schaltungsmodul (1) mit einem Gehäuse (2) und einer Schaltungsanordnung (4), welche mindestens eine Invertereinrichtung (6-1) aufweist, vorgeschlagen, eine Mehrzahl von Invertereinrichtungen (6-1, 6-2) in der Schaltungsanordnung (4) vorzusehen, um einen besonders kompakten Aufbau des Schaltungsmoduls (1) zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltungsmodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In vielen Bereichen industrieller Anwendung, gerade im Bereich der Leistungselektronik werden Schaltungsmodule, insbesondere Leistungshalbleitermodule oder dergleichen, verwendet, welche ein Gehäuse oder eine Gehäuseeinrichtung aufweisen, in deren Innerem im Wesentlichen die Schaltungsanordnung des Schaltungsmoduls aus­ gebildet und vorgesehen ist. Bei vielen Anwendungen sind zum An­ steuern und Betreiben entsprechender Maschinen sogenannte Umrich­ tereinrichtungen oder Umrichter notwendig. Diese werden herkömm­ licherweise aus einer Mehrzahl von Schaltungsmodulen aufgebaut, wobei die einzelnen Funktionskomponenten der Schaltungsmodule - insbesondere also die sogenannten Inverter (oder Wechselrichter) und/oder Rectifier (oder Gleichrichter) - jeweils in einem eige­ nen Schaltungsmodul separiert angeordnet sind. Der Konverter (oder Umrichter) insgesamt wird dann durch eine entsprechende Verschaltung der voneinander separierten einzelnen Schaltungsmo­ dule mit der entsprechenden Funktionalität realisiert.

Nachteilhaft bei dieser Ausgestaltungsform ist der hohe Aufwand bei der Montage und bei der Lagerhaltung der entsprechenden Kom­ ponenten, da jedes Bauteil entsprechend seiner Funktionalität in einem eigenen und separaten Schaltungsmodul mit einem entspre­ chenden Gehäuse angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltungsmodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul oder dergleichen, anzu­ geben, bei welchem die Realisierung einer übergeordneten Schal­ tungsanordnung und die entsprechende Montage besonders kostengün­ stig und zeitsparend realisiert werden können.

Die Aufgabe wird mit einem Schaltungsmodul der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Schaltungsmoduls sind Gegenstand der abhängigen Un­ teransprüche. Eine erfindungsgemäße Verwendung des erfindungsge­ mäßen Schaltungsmoduls ist Gegenstand von Anspruch 10.

Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Invertereinrichtungen in der Schaltungsan­ ordnung des Schaltungsmoduls vorgesehen ist. Dadurch werden die Kosten und das Volumen des Aufbaus bei der Anwendung entsprechen­ der Schaltungsmodule verringert, weil eine Mehrzahl der für den Aufbau notwendigen Invertereinrichtungen im Rahmen eines einzigen Schaltungsmoduls in ein und demselben Gehäuse oder derselben Ge­ häuseeinrichtung untergebracht werden. Dies hat also bei der Mon­ tage von Anwendungen mit einer Mehrzahl oder Vielzahl von Inver­ tereinrichtungen den Vorteil, dass nicht eine Mehrzahl von ein­ zelnen Komponenten, nämlich eine Mehrzahl von Schaltungsmodulen mit jeweils nur einer Invertereinrichtung, schaltungstechnisch zusammengeführt werden müssen, sondern dass dies mit einer weit - aus geringeren Anzahl von Schaltungsmodulen, nämlich in Abhängig­ keit von der in jedem Schaltungsmodul enthaltenen Anzahl Inver­ tereinrichtungen, realisierbar ist.

Die Invertereinrichtungen werden vorteilhafterweise als Inverter­ brücken ausgebildet und sind insbesondere im Wesentlichen gleich oder gleichwirkend.

Im Hochlastbereich ist es ferner von Vorteil, wenn die jeweiligen Invertereinrichtungen im Wesentlichen parallel zueinander ge­ schaltet angeordnet sind. Dies kann innerhalb des Gehäuses oder der Gehäuseeinrichtung des Schaltungsmoduls auch gruppenweise realisiert sein.

Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Invertereinrichtungen jeweils mindestens dreiphasig ausgebildet sind und insbesondere dieselbe Anzahl von Phasen besitzen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schal­ tungsmoduls ist es von Vorteil, dass für die Invertereinrichtun­ gen aufgetrennte oder durchgehende, insbesondere gemeinsame, Gleichstromzwischenkreisverbindungen, insbesondere P-/N-Gleich­ stromzwischenkreisverbindungen, vorgesehen sind.

Beim Betrieb entsprechender Inverterbrücken oder Invertereinrich­ tungen ist zur Versorgung ein entsprechender Gleichstromzwischen­ kreis notwendig. Dieser wird häufig in der Form einer Gleichrich­ ter- oder Rectifiereinheit realisiert. Dabei ist es von Vorteil, wenn eine derartige Gleichrichter- oder Rectifiereinheit bereits innerhalb des Schaltungsmoduls, insbesondere im Rahmen des ge­ meinsamen Gehäuses und insbesondere für alle Invertereinrichtun­ gen gemeinsam, vorgesehen ist. Diese ist vorteilhafterweise ein- oder mehrphasig ausgelegt.

Ferner ist für den Betrieb einer entsprechenden Anordnung mit In­ vertereinrichtungen, insbesondere im Bereich der Leistungselek­ tronik zur Steuerung und Überwachung der thermischen Last eine entsprechende Temperatursensoreinrichtung vorteilhaft, die gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltungs­ moduls im gemeinsamen Gehäuse ausgebildet ist. Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltungsmo­ duls ist eine Mehrzahl von Temperatursensoreinrichtungen ausge­ bildet.

Besonders bevorzugt ist ein Schaltungsmodul, welches als Umrich­ tereinrichtung oder dergleichen, insbesondere für Mehrfachan­ triebseinrichtungen, Mehrachsantriebseinrichtungen oder derglei­ chen, ausgebildet ist.

Entsprechend ergibt sich auch die erfindungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Moduls als Umrichter für eine entsprechende Mehrachsantriebseinrichtung.

Die vorliegende Erfindung lässt sich hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Vorteile gegenüber dem Stand der Technik weiter wie folgt zusammenfassen:
Der Einsatz von herkömmlichen Schaltungsmodulen, insbesondere im Bereich von Mehrachsenantrieben und Mehrachsensteuerungen bedeu­ tet einen hohen Kostenaufwand und ein nachteilhaft großes Bauvo­ lumen, um z. B. entsprechende Umrichter mit einem optimalen Auf­ bau und Leistungsverhalten zu realisieren. Dies liegt bei her­ kömmlichen Schaltungsmodulen daran, dass je nach Anzahl der not­ wendigen Invertereinrichtungen eine entsprechende Anzahl von Schaltungsmodulen notwendig ist, wobei noch nicht einmal die ent­ sprechenden Rectifier- oder Gleichrichtereinheiten mit eingerech­ net sind.

Durch die Integration von mehreren, mindestens zwei, vollständi­ gen Inverterbrücken oder Invertereinrichtungen in ein gemeinsames Gehäuse eines einzigen Schaltungsmoduls wird die Anzahl der not­ wendigen Schaltungseinheiten oder Bauteile verringert. Zusätzli­ che Eingangsgleichrichter und Temperatursensoren innerhalb des­ selben Gehäuses reduzieren weiterhin die Bauteilzahl bzw. die Mo­ dulzahl, die zum Aufbau entsprechender Umrichter oder dergleichen notwendig sind.

Der Anwender hat deutlich weniger Einzelteile zu verarbeiten und spart dadurch Zeit und Kosten bei der Montage. Gegebenenfalls notwendige Kühlkörper können kleiner dimensioniert werden, weil die Grundfläche eines gemeinsamen Gehäuses kleiner ist als beim Aufbau aus mehreren separaten Gehäusen. Dies bedeutet einen ge­ ringeren Aufwand an Logistik, an Lagerhaltung und an Einzelteilen und auch eine Einsparung an Montagezeit, weil immer komplette Leistungsbauteile bereitstehen.

Die grundlegende erfinderische Idee besteht darin, mehrere voll­ ständige - drei- oder mehrphasige - Inverterzweige, Inverter­ brücken oder Invertereinrichtungen in einem gemeinsamen Modul zu­ sammenzufassen. Dabei liegen durchgehende und/oder aufgetrennte P- bzw. N-Gleichstromzwischenkreisverbindungen vor. Optional sind, wie oben beschrieben wurde, zusätzlich Gleichrichter - z. B. ein- oder mehrphasige Rectifier - und/oder ein oder mehrere Temperatursensoren im gemeinsamen Modul, also auch im gemeinsamen Gehäuse möglich.

Eine vorteilhafte und erfindungsgemäße Anwendung des erfindungs­ gemäßen Schaltungsmoduls ergibt sich bei Mehrachsenantrieben, wie z. B. Robotersteuerungen oder dergleichen, wo jeweils für eine Achse ein Elektromotor vorgesehen ist. Die Motore werden in der Regel von einem gemeinsamen Umrichter angesteuert. Der Umrichter besteht aus mindestens einem Gleichrichter (Rectifier) und einer der Achsenanzahl entsprechenden Zahl von Inverterbrücken, Invertergliedern oder dergleichen. Die Mehrzahl der heutigen herkömm­ lichen Leistungshalbleitermodule beinhaltet jeweils nur eine die­ ser Funktionen. Das heißt, bei herkömmlichen Schaltungsmodulen ist entweder eine Gleichrichterbrücke oder ein Inverter vorgese­ hen. Zur Ansteuerung mehrerer Achsen sind aber innerhalb eines Umrichters mehrere Invertereinrichtungen notwendig. Folglich ist bei herkömmlichen Anordnungen eine Mehrzahl konventioneller Lei­ stungshalbleitermodule erforderlich. Dies erfordert einen ent­ sprechenden Bauraum und zusätzlichen Aufwand bezüglich der elek­ trischen Verbindung. Das erfindungsgemäße Modulkonzept, welches gleich mehrere Inverter innerhalb eines Gehäuses und somit inner­ halb eines gemeinsamen Moduls vereinigt, führt zu einer signifi­ kanten Reduktion der Kosten, des logistischen und Montageauf­ wands, insbesondere beim Umrichterhersteller.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeich­ nung auf der Grundlage eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls näher erläutert.

In Form eines schematischen Blockdiagramms zeigt die einzige Fi­ gur eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Das in der Figur gezeigte Schaltungsmodul 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dessen Inneren im Wesentlichen eine Schaltungsanordnung 4 vorgesehen ist. Die Schaltungsanordnung 4 wird in der hier ge­ zeigten Ausführungsform von zwei Invertereinrichtungen 6-1 und 6- 2 gebildet. Diese sind über Gleichstromzwischenkreisverbindungen P und N miteinander in Parallelschaltung verbunden und werden von diesen Gleichstromzwischenkreisverbindungen gespeist. Den Inver­ tereinrichtungen 6-1 und 6-2 ist eine Rectifiereinrichtung oder eine Gleichrichtereinrichtung 8 vorgeschaltet, durch welche der Gleichstromzwischenkreis entsprechend versorgt wird.

Ebenfalls im gemeinsamen Gehäuse 2 des erfindungsgemäßen Schal­ tungsmoduls 1 ist im Bereich der Schaltungsanordnung 4 ein ent­ sprechender Temperatursensor 10 vorgesehen, durch welchen die Be­ triebstemperatur überwacht wird, um eine thermische Überlastung des erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls 1 zu vermeiden.

Die Invertereinrichtungen 6-1 und 6-2 sind im Wesentlichen iden­ tisch aufgebaut. Aus den Eingangsanschlüssen P und N werden von den Invertereinrichtungen 6-1 und 6-2 Ausgangsphasen U1, V1, W1 bzw. U2, V2, W2 erzeugt und nach außen hin am Gehäuse 2 des er­ findungemäßen Schaltungsmoduls 1 abgreifbar bereitgestellt.

Die Invertereinrichtungen 6-1, 6-2 haben jeweils den für Inver­ terbrücken typischen Aufbau, bei welchem für jede Phase U1, . . ., W2 zwischen den Gleichstromzwischenkreisverbindungen P und N in Serie zwei Parallelschaltungen jeweils eines IGBTs und einer Diode vorgesehen sind, wobei in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 jeweils ein Emitter des P-seitigen IGBTs mit dem Kollektor des N-seitigen IGBTs verbunden ist.

Bezugszeichenliste

1

Schaltungsmodul

2

Gehäuseeinrichtung, Gehäuse

3

Schaltungsanordnung

6

,

6-1

,

6-2

Invertereinrichtung, Inverterbrücke, Wechselrichter

8

Rectifier-, Gleichrichtereinrichtung, Eingangsbrücke

10

Temperatursensoreinrichtung N, P Gleichstromzwischenkreisverbindungen
U1, U2 Phasen
V1, V2 Phasen
W1, W2 Phasen

Claims (10)

1. Schaltungsmodul, insbesondere Leistungshalbleitermodul oder dergleichen, mit:
einer Gehäuseeinrichtung (2) und
einer Schaltungsanordnung (4), welche im Wesentlichen in der Gehäuseeinrichtung (2) angeordnet ist und welche zumindest eine Invertereinrichtung (6-1) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Mehrzahl von Invertereinrichtungen (6-1, 6-2) in der Schaltungsanordnung (4) vorgesehen ist.

2. Schaltungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Invertereinrichtungen (6-1, 6-2) im Wesentlichen gleich oder gleichwirkend ausgebildet sind.

3. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Invertereinrichtungen (6-1, 6-2) mindestens dreiphasig ausgebildet sind und insbesondere dieselbe Anzahl von Phasen (U, V, W) aufweisen.

4. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Invertereinrichtungen (6-1, 6-2) im Wesentlichen zuein­ ander parallel geschaltet angeordnet sind.

5. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Invertereinrichtungen (6-1, 6-2) aufgetrennte oder durchgehende, insbesondere gemeinsame, P-/N-Gleichstromzwischen­ kreisverbindungen (P, N) vorgesehen sind.

6. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Invertereinrichtungen (6-1, 6-2) mindestens eine vorgeschaltete, insbesondere gemeinsame, Gleichrichtereinrichtung (8) oder Rectifiereinrichtung, insbesondere ein- oder mehrphasig, vorgesehen ist.

7. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine, insbesondere gemeinsame, Temperatursen­ soreinrichtung (10) vorgesehen ist.

8. Schaltungsmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Temperatursensoreinrichtungen (10) vorgesehen ist.

9. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches als Umrichtereinrichtung oder dergleichen, insbesondere für Mehrfachantriebseinrichtungen, Mehrachsantriebseinrichtungen oder dergleichen, ausgebildet ist.

10. Verwendung eines Schaltungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Umrichter für eine Mehrachsenantriebseinrichtung.