DE102004004621A1

DE102004004621A1 - Electrical power inverter circuit uses electro optical circuit board for transmission of signals

Info

Publication number: DE102004004621A1
Application number: DE200410004621
Authority: DE
Inventors: Manfred Bruckmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-25

Abstract

The electrical power inverter has three phase circuit elements [4,6,8] that each have a pair of semi conductor modules [LM1-LM6]. These are mounted on circuit boards and are coupled to control elements [GU1-GU6]. The circuit board is an electro-optical type that provides voltage free signal transmission.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a power converter according to the preamble of claim 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.A generic power converter is known from German Utility Model 91 07 692. An equivalent circuit diagram of this generic power converter is in the 1 shown in more detail. According to this equivalent circuit diagram, there is the power converter 2 from three phase blocks 4 . 6 and 8th each having two electrically connected in series semiconductor power modules LM1, LM2 and LM3, LM4 and LM5, LM6. The connection points in each case of two semiconductor power modules LM1, LM2 or LM3, LM4 or LM5, LM6 form an output terminal R and S or T. As semiconductor power modules LM1 to LM6 are in this equivalent circuit each turn-off semiconductor switches T1 to T6 , in particular insulated gate bipolar transistors, provided. As turn-off semiconductor switches T1 to T6 and transistors or MOSFETs can be used. According to the utility model 91 07 692 these individual semiconductor power modules LM1 to LM6 are arranged in two spaced rows on a heat sink.

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 U_ZW zu generieren, die vom Zwischenkreiskondensator 12 gepuffert wird. In Abhängigkeit der anstehenden Netzspannung variiert diese Zwischenkreis-Gleichspannung U_ZW beispielsweise zwischen 155V und 920V.Each turn-off semiconductor switch T1 to T6 is assigned a drive unit GU1 to GU6, also referred to as a gate unit. Each of these drive units GU1 to GU6 is electrically conductively connected to two control terminals G1, E1 to G6, E6 of a corresponding semiconductor switch T1 to T6. At the control input of each drive unit GU1 to GU6 is a control signal S1 to S6, which is controlled by a control and regulating device 10 of the power converter 2 be supplied. DC voltage side is a DC link capacitor 12 provided, the electrically parallel a feed circuit 14 is switched. As a feed circuit 14 may be provided an uncontrolled rectifier, a grid-connected Stromrich ter or a self-commutated pulse converter. Task of the feed circuit 14 is, from an existing mains voltage, which may be one or three-phase, to generate a DC voltage U _ZW , that of the DC _link capacitor 12 is buffered. Depending on the applied mains voltage, this intermediate circuit DC voltage U _ZW varies, for example, between 155V and 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.According to said Utility models are the six control units GU1 to GU6 on one Circuit board arranged, in addition a clocked power supply and a contact unit. Also, this circuit board has two opposing component-free Edge areas, which are provided with mounting holes. The Location of these mounting holes are from the control terminals G1, E1 to G6, E6 of the used semiconductor power modules LM1 to LM6 dependent. This printed circuit board is so on the control terminals G1, E1 to G6, E6 of the two-row semiconductor power modules LM1 to LM6 arranged and screwed with this, that their component protrude into space formed between the two rows, which the power converter receives a very compact design.

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 U_ZW 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.The control terminals E1 to E6 of the semiconductor power modules LM1 to LM6 each form a reference potential of a corresponding drive unit GU1 to GU6. The reference potential of the three lower drive units GU2, GU4 and GU6 is the potential of the negative rail of a DC link capacitor 12 whereas the reference potential of the three upper drive units GU1, GU3 and GU5 respectively represents the output potential of a phase component 4 . 6 and 8th is. With a DC link voltage U _ZW of, for example, 1000V, the reference potential of the lower drive units GU2, GU4 and GU6 is -500V, whereas the reference potential of the upper drive units GU1, GU3 and GU5 is + 500V and -500V, respectively. In contrast, there is the reference potential of the control and regulating device 10 at ground potential.

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.Since the reference potentials of the drive units GU1 to GU6 are not equal to the reference potential of the control and regulating device 10 is, the generated control signals S1 to S6 must be electrically isolated to the corresponding drive units GU1 to GU6 transferred. This potential-free transmission should have a low transit time, a high insulation capacity, a high immunity to interference and a high speed. These requirements can currently only be met by optical fibers. A disadvantage of this optical waveguide is the cost and installation costs. The high costs arise from the fact that for the coupling and decoupling of optical signals at the ends of each optical fiber precise and expensive connectors must be provided.

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.From the publication "Backplanes for electrons and photons" by Bernd Eifer, published in DE magazine "Electronics", 2003, No. 9, pages 86 to 89, an electro-optical backplane printed circuit board for high-speed applications is known. Such an electro-optical backplane printed circuit board, also referred to as backplane, is provided for secure signal transmission at a high data rate of 10 Gbit / s. In the interior of this electro-optical circuit board optical fibers are included, each having at the ends of a micromirror. In addition, this electro-optical backplane in Be rich each of the micromirror on a lens system, of which a lens is arranged on the backplane. The use of this lens system gives a higher tolerance in the adjustment of the coupling components, this compound is much less sensitive to contamination. The surfaces of these electro-optical Bachplane can be equipped with components.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisherigen Lösung zur potentialfreien Übertragung von Signalen zu beheben.Of the Invention is now the object of the disadvantages of the previous solution for potential-free transmission to fix signals.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.These Task is according to the invention with the characterizing part of claim 1.

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.Thereby, that the drive circuit board is an electro-optical circuit board is, reduces the assembly effort significantly. There too no precise and expensive optical connectors are needed more, is the cost share been significantly reduced. Thus, the invention consists in the Use of a known electro-optical backplane as a drive circuit board for the Semiconductor power modules of a power converter, each lens system this known electro-optical backplane with the receiving side a signal input of a drive unit and the transmitter side with a Contact unit of the drive circuit board are linked.

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.Opposite one Control circuit board with opto-couplers as potential-free transmission system transmitters and receivers are no longer close together, but you can arbitrarily positioned one another on the drive circuit board become. Their optical connection is made by an inside of the electro-optical Backplane laid fiber optic cables taken over. The length of this Fiber optic cable depends on a required insulation capacity. There the length is primarily determined by constructive conditions and this Measure essential is larger as the measure of Length in terms of the insulation capacity, The requirement for the insulation capacity is always met. In order to one is also freer in the design of the power converter.

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.Opposite one Control circuit board with fiber optic cable as potential-free transmission system are their transmitting and receiving parts no longer spatially separated, but arranged together on the drive circuit board. In the conventional transmission system the receiver is located on the drive PCB, whereas the transmission parts integrated in the control and regulating device of the converter device are. The optical connection is used during assembly of the optical fibers produced. To do this the ends of each optical fiber with a precise and optical Be equipped connector.

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.The Use of the known electro-optical backplanes as drive circuit board combines the common placement of transmitting and receiving parts of the potential-free transmission system as with optocouplers with the high insulation resistance as in the use of optical fibers.

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.This electro-optical backplane, like the known drive circuit board, can be equipped with components of the plurality of drive units GU1 to GU6 and electrically connected to one another. The assembly effort is limited in that this drive circuit board according to the invention as usual with the control terminals G1, E1 to G6, E6 of the semiconductor power modules LM1, ..., LM6 of the power converter 2 is screwed.

Claims

Power converter ( 2 ) with at least two semiconductor power modules (LM1, ..., LM6) per phase component ( 4 . 6 . 8th ) and with a drive circuit board which has drive units (GU1,..., GU6) corresponding to the semiconductor power modules (LM1,..., LM6) and a potential-free transmission system whose receiving units are each connected on the input side to a drive unit (GU1, ..., GU6) are linked, characterized in that the drive circuit board is an electro-optical circuit board.