DE102004004621A1 - Stromrichter - Google Patents

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Manfred Bruckmann
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Siemens AG
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • HELECTRICITY
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    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/78Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled
    • H03K17/785Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled controlling field-effect transistor switches
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter (2) mit wenigstens zwei Halbleiter-Leistungsmodulen (LM1, ..., LM6) je Phasenbaustein (4, 6, 8) und mit einer Ansteuer-Leiterplatte, die zu den Halbleiter-Leistungsmodulen (LM1, ..., LM6) korrespondierende Ansteuereinheiten (GU1, ..., Gu6) und ein potentialfreies Übertragungssystem aufweist, deren Empfangseinheiten jeweils eingangsseitig mit einer Ansteuereinheit (GU1, ..., GU6) verknüpft sind. Erfindungsgemäß ist die Ansteuer-Leiterplatte eine elektro-optische Leiterplatte. Somit erhält man eine Ansteuer-Leiterplatte mit integriertem potentialfreiem Übertragungssystem, das hohe Anforderungen erfüllt, jedoch gegenüber einem herkömmlichen Übertragungssystem einen geringeren Montageaufwand aufweist und kostengünstiger ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein gattungsgemäßer Stromrichter ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster 91 07 692 bekannt. Ein Ersatzschaltbild dieses gattungsgemäßen Stromrichters ist in der 1 näher dargestellt. Gemäß diesem Ersatzschaltbild besteht der Stromrichter 2 aus drei Phasenbausteinen 4, 6 und 8 die jeweils zwei elektrisch in Reihe geschaltete Halbleiter-Leistungsmodule LM1, LM2 bzw. LM3, LM4 bzw. LM5, LM6 aufweisen. Die Verknüpfungspunkten jeweils zweier Halbleiter-Leistungsmodule LM1, LM2 bzw. LM3, LM4 bzw. LM5, LM6 bilden einen Ausgangs-Anschluss R bzw. S bzw. T. Als Halbleiter-Leistungsmodule LM1 bis LM6 sind in diesem Ersatzschaltbild jeweils abschaltbare Halbleiterschalter T1 bis T6, insbesondere Insulated-Gate-Bipolare-Transistoren, vorgesehen. Als abschaltbare Halbleiterschalter T1 bis T6 können auch Transistoren oder MOSFETs verwendet werden. Gemäß dem Gebrauchsmuster 91 07 692 sind diese einzelne Halbleiter-Leistungsmodule LM1 bis LM6 in zwei beabstandeten Reihen auf einen Kühlkörper angeordnet.
  • Jedem abschaltbaren Halbleiterschalter T1 bis T6 ist eine Ansteuereinheit GU1 bis GU6, auch als Gate Unit bezeichnet, zugeordnet. Jede dieser Ansteuereinheiten GU1 bis GU6 ist mit zwei Steueranschlüssen G1, E1 bis G6, E6 eines korrespondierenden Halbleiterschalters T1 bis T6 elektrisch leitend verbunden. Am Steuereingang einer jeden Ansteuereinheit GU1 bis GU6 steht ein Steuersignal S1 bis S6 an, die von einer Steuer- und Regeleinrichtung 10 des Stromrichters 2 zugeführt werden. Gleichspannungsseitig ist ein Zwischenkreis-Kondensator 12 vorgesehen, dem elektrisch parallel eine Einspeiseschaltung 14 geschaltet ist. Als Einspeiseschaltung 14 kann ein ungesteuerter Gleichrichter, ein netzgeführter Stromrich ter oder ein selbstgeführter Pulsstromrichter vorgesehen sein. Aufgabe der Einspeiseschaltung 14 ist, aus einer vorhandenen Netzspannung, die ein- oder dreiphasig sein kann, eine Gleichspannung UZW zu generieren, die vom Zwischenkreiskondensator 12 gepuffert wird. In Abhängigkeit der anstehenden Netzspannung variiert diese Zwischenkreis-Gleichspannung UZW beispielsweise zwischen 155V und 920V.
  • Gemäß dem genannten Gebrauchsmuster sind die sechs Ansteuereinheiten GU1 bis GU6 auf einer Leiterplatte angeordnet, die außerdem eine getaktete Stromversorgung und eine Kontakteinheit aufweist. Ebenfalls weist diese Leiterplatte zwei gegenüberliegende bauelementefreie Randbereiche auf, die mit Befestigungsbohrungen versehen sind. Die Lage dieser Befestigungsbohrungen sind von den Steueranschlüssen G1, E1 bis G6, E6 der verwendeten Halbleiter-Leistungsmodulen LM1 bis LM6 abhängig. Diese Leiterplatte wird derart auf die Steueranschlüsse G1, E1 bis G6, E6 der in zwei Reihen angeordneten Halbleiter-Leistungsmodulen LM1 bis LM6 angeordnet und mit diesem verschraubt, dass deren Bauteil in zwischen den beiden Reihen gebildeten Raum hineinragen, wodurch der Stromrichter einen sehr kompakten Aufbau erhält.
  • Die Steueranschlüsse E1 bis E6 der Halbleiter-Leistungsmodulen LM1 bis LM6 bilden jeweils ein Bezugspotential einer korrespondierenden Ansteuereinheit GU1 bis GU6. Das Bezugspotential der drei unteren Ansteuereinheiten GU2, GU4 und GU6 ist das Potential der Minusschiene eines den Zwischenkreis-Kondensator 12 umfassenden Gleichspannungs-Zwischenkreises, wogegen das Bezugspotential der drei oberen Ansteuereinheiten GU1, GU3 und GU5 jeweils das Ausgangspotential eines Phasenbausteins 4, 6 und 8 ist. Bei einer Zwischenkreis-Gleichspannung UZW von beispielsweise 1000V liegt das Bezugspotential der unteren Ansteuereinheiten GU2, GU4 und GU6 auf –500V, wogegen das Bezugspotential der oberen Ansteuereinheiten GU1, GU3 und GU5 auf +500V bzw. –500V liegt. Demgegenüber befindet sich das Bezugspotential der Steuer- und Regeleinrichtung 10 auf Erdpotential.
  • Da die Bezugspotentiale der Ansteuereinheiten GU1 bis GU6 nicht gleich dem Bezugspotential der Steuer- und Regeleinrichtung 10 ist, müssen die generierten Steuersignale S1 bis S6 potentialgetrennt zu den korrespondierenden Ansteuereinheiten GU1 bis GU6 übertragen werden. Diese potentialfreie Übertragung sollte eine geringe Laufzeit, ein hohes Isolationsvermögen, eine hohe Störfestigkeit und eine hohe Schnelligkeit aufweisen. Diese Anforderungen können zur Zeit nur von Lichtwellenleitern erfüllt werden. Ein Nachteil dieser Lichtwellenleiter sind die Kosten und der Montageaufwand. Die hohen Kosten entstehen dadurch, dass zur Ein- und Auskopplung optischer Signale an den Enden eines jeden Lichtwellenleiters präzise und teure Steckverbinder vorgesehen sein müssen.
  • Aus der Veröffentlichung "Backplanes für Elektronen und Photonen" von Bernd Eifer, abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Elektronik", 2003, Heft 9, Seiten 86 bis 89, ist eine elektro-optische Rückwand-Leiterplatte für Hochgeschwindigkeitsanwendungen bekannt. Eine derartige elektro-optische Rückwand-Leiterplatte, auch als Backplane bezeichnet, ist für eine sichere Signalübertragung mit einer hohen Datenrate jeweils von 10 Gbit/s vorgesehen. Im Innern dieser elektrooptischen Leiterplatte sind Lichtwellenleiter eingeschlossen, die jeweils an den Enden jeweils einen Mikrospiegel aufweisen. Außerdem weist dieser elektro-optische Backplane im Bereich der Mikrospiegel jeweils ein Linsensystem auf, von dem eine Linse auf der Backplane angeordnet ist. Durch die Verwendung dieses Linsensystems erhält man eine höhere Toleranz bei der Justierung der koppelnden Bauelementen, wobei diese Verbindung sich deutlich unempfindlicher gegenüber Verschmutzungen erweist. Die Oberflächen dieser elektro-optischen Bachplane können mit Bauelementen bestückt werden.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisherigen Lösung zur potentialfreien Übertragung von Signalen zu beheben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass die Ansteuer-Leiterplatte eine elektro-optische Leiterplatte ist, verringert sich der Montageaufwand erheblich. Da ebenfalls keine präzisen und teueren optischen Steckverbinder mehr benötigt werden, ist der Kostenanteil erheblich verringert worden. Somit besteht die Erfindung in der Verwendung einer bekannten elektro-optischen Backplane als Ansteuer-Leiterplatte für die Halbleiter-Leistungsmodule eines Stromrichters, wobei jedes Linsensystem dieser bekannten elektro-optischen Backplane empfangsseitig mit einem Signaleingang einer Ansteuereinheit und sendeseitig mit einer Kontakteinheit der Ansteuer-Leiterplatte verknüpft sind.
  • Gegenüber einer Ansteuer-Leiterplatte mit Opto-Kopplern als potentialfreies Übertragungssystems liegen Sende- und Empfangsteile nicht mehr eng benachbart zusammen, sondern können beliebig voneinander auf der Ansteuer-Leiterplatte positioniert werden. Deren optische Verbindung wird von einem im Innern der elektro-optischen Backplane verlegten Lichtwellenleiter übernommen. Die Länge dieses Lichtwellenleiters richtet sich nach einem geforderten Isolationsvermögen. Da die Länge vorrangig durch konstruktive Gegebenheiten festgelegt wird und dieses Maß wesentlich größer ist als das Maß der Länge hinsichtlich des Isolationsvermögens, wird die Forderung nach dem Isolationsvermögen immer erfüllt. Damit ist man auch freier bei der Konstruktion des Stromrichters.
  • Gegenüber einer Ansteuer-Leiterplatte mit Lichtwellenleiter als potentialfreies Übertragungssystems sind deren Sende- und Empfangsteile nicht mehr räumlich voneinander getrennt, sondern gemeinsam auf der Ansteuer-Leiterplatte angeordnet. Beim herkömmlichen Übertragungssystem befindet sich die Empfangsteile auf der Ansteuer-Leiterplatte, wogegen die Sendeteile in der Steuer- und Regeleinrichtung des Stromrichtergerätes integriert sind. Die optische Verbindung wird bei der Montage der Lichtwellenleiter hergestellt. Dazu müssen die Enden eines jeden Lichtwellenleiters mit einem präzisen und optischen Steckverbinder ausgestattet sein.
  • Die Verwendung der bekannten elektro-optischen Backplanes als Ansteuer-Leiterplatte verbindet die gemeinsame Platzierung von Sende- und Empfangsteilen des potentialfreien Übertragungssystems wie bei Optokopplern mit der hohen Isolationsfestigkeit wie bei der Verwendung von Lichtwellenleitern.
  • Diese elektro-optische Backplane kann ebenso wie die bekannte Ansteuer-Leiterplatte mit Bauelementen der mehreren Ansteuereinheiten GU1 bis GU6 bestückt und untereinander elektrisch verbunden werden. Der Montageaufwand beschränkt sich darin, dass diese erfindungsgemäße Ansteuer-Leiterplatte wie gehabt mit den Steueranschlüssen G1, E1 bis G6, E6 der Halbleiter-Leistungsmodulen LM1, ..., LM6 des Stromrichters 2 verschraubt wird.

Claims (1)

  1. Stromrichter (2) mit wenigstens zwei Halbleiter-Leistungsmodulen (LM1, ..., LM6) je Phasenbaustein (4, 6, 8) und mit einer Ansteuer-Leiterplatte, die zu den Halbleiter-Leistungsmodulen (LM1, ..., LM6) korrespondierende Ansteuereinheiten (GU1, ..., GU6) und ein potentialfreies Übertragungssystem aufweist, deren Empfangseinheiten jeweils eingangsseitig mit einer Ansteuereinheit (GU1, ..., GU6) verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer-Leiterplatte eine elektrooptische Leiterplatte ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2515453A1 (de) 2011-04-19 2012-10-24 ABB Research Ltd. Kommunikationssystem für elektronische Stromwandler
WO2012143222A1 (en) 2011-04-19 2012-10-26 Abb Research Ltd Communication system for power electronic converters

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