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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Technik zum Bereitstellen eines Spannungswandlers.
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Es ist bekannt, dass im Betrieb eines Spannungswandlers zum Ansteuern beispielsweise eines mit variabler Drehzahl betriebenen Wechselstrommotors elektrische und magnetische Störsignale (nachfolgend als „elektromagnetische Interferenz“ (EMI) bezeichnet) erzeugt werden.
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In der einschlägigen Technik ist es bekannt, dass ein als Störsignalfilter bezeichnetes Filter als elektrisches Schaltelementmontiert wird, wie es in
JP H08 - 308 250 A (beispielsweise S. 5 — 6 und
1), entsprechend der
US 5 752 838 A und
DE 196 18 736 A1 , beschrieben ist.
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Ein konventioneller Spannungswandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in
EP 1 564 875 A1 angegeben.
US 2005 / 0 270 806 A1 offenbart einen Spannungswandler mit Halbleiter-Schaltelementen, die jeweils auf einem separaten Substrat angebracht sind. Die Substrate sind auf einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei einigen Fällen in jüngerer Zeit wurden der Gleichrichterteil und der Wechselrichterteil eines Umrichters kleiner Leistungsfähigkeit auf demselben Metallträger innerhalb eines Einzelspannungsmoduls als Konstruktion (nachfolgend als Modul bezeichnet) zum integralen Halten des Gleichrichterteils und des Wechselrichterteils montiert.
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Metallträger ist ein Sammelname für den Basisträger aus Aluminium, die darauf vorhandene Isolierschicht und das darauf angeordnete Schaltungsmuster.
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In diesem Fall kann durch Metallplatten mit einem Träger, einer unten liegenden Aluminiumbasis (nachfolgend als Aluminiumbasis bezeichnet) und einem Leiter zwischen den Enden (Eingangs- und Ausgangseinheit) der im Spannungsmodul als Schaltungselement zum Verringern von EMI angeordneten Spule eine kapazitive Kopplung entstehen. Aufgrund dieses kapazitiven Effekts kann es selbst dann, wenn die Spule vorhanden ist, zu einem Problem einer verringerten Wirkung des Filters kommen.
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Um dieses Problem zu lösen, ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Spannungswandler zu schaffen, bei dem eine Verringerung des Störsignal-Absenkeffekts soweit wie möglich dann verhindert ist, wenn im Spannungsmodul mit dem Gleichrichterteil und dem Wechselrichterteil eine Spule angebracht ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Spannungswandler nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Die Erfindung löst das oben genannte Problem dadurch, dass ein Spannungswandler geschaffen wird, der über eine Konstruktion mit verringerter Kapazität verfügt, die durch kapazitive Kopplung usw. erzeugt wird.
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Die Isolierschicht und die Aluminiumbasis des Spannungsmoduls, wo die Kapazität erzeugt wird, sind in zwei elektrisch isolierte Teile unterteilt, mit einem Halbleiterchip, der den Gleichrichterteil bildet, und einem Halbleiterchip, der den Wechselrichterteil bildet.
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Der Schnittabschnitt der Unterteilung ist durch Kunststoff abgedeckt, um die Isolierung aufrecht zu erhalten. Als Alternative kann ein Isoliermaterial auf den Kunststoff aufgebracht sein, der bis zur Höhe der Isolierschicht ausgebildet ist.
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Gemäß der Erfindung ist ein Spannungswandler mit höherer Zuverlässigkeit als im Stand der Technik geschaffen.
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Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Spannungswandlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
- 2 ist ein Diagramm zum Erläutern des Spannungsmoduls.
- 3 ist ein Diagramm zum Erläutern einer anderen Ausführungsform.
- 4 ist ein Diagramm zum Erläutern noch einer anderen Ausführungsform.
- 5 ist ein Diagramm zum Erläutern noch einer weiteren Ausführungsform.
- 6 ist ein Diagramm zum Erläutern einer weiteren Ausführungsform.
- 7 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung zur 6 zeigt.
- 8 ist ein Diagramm zum Erläutern der Struktur des Spannungsmoduls gemäß der Erfindung.
- 9A und 9B zeigen das Ergebnis eines gemäß dem Stand der Technik ausgeführten Störsignaltests.
- 10A und 10B zeigen das Ergebnis eines durch ein Verfahren gemäß der Erfindung ausgeführten Störsignaltests.
- 11 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Falls, bei dem eine Spule im Spannungsmodul angeordnet ist.
- 12 ist ein Diagramm zum Erläutern der Struktur des Spannungsmoduls gemäß einer anderen Ausführungsform.
- 13 ist ein Diagramm zum Erläutern der Isolierung dann, wenn eine Spule zwischen der Spännungseingangseinheit und dem Gleichrichterteil angebracht ist.
- 14 ist ein Diagramm zum Erläutern der Isolierung für den Fall, dass eine Spule zwischen dem Gleichrichterteil und dem Wechselrichterteil angebracht ist.
- 15 ist ein Diagramm zum Erläutern der Isolierschicht fur den Fall, dass eine Spule zwischen dem Wechselrichterteil und der Ausgangseinheit eines Induktionsmotors angebracht ist.
- 16 ist ein Diagramm zum Erläutern des Falls, bei dem eine Spule zwischen der Spannungseingangseinheit und dem Gleichrichterteil angebracht ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung der Reihe nach unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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In den Zeichnungen kennzeichnen die Bezugszeichen R(L1), S, T (N) ein drei- oder einphasiges Wechselspannungs-Eingangssignal, und U(T1), V(T2), W(T3) kennzeichnen ein dreiphasiges Wechselspannungs-Ausgangssignal.
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Die 1 ist ein Diagramm zum Erläutern einer Ausführungsform. Bei der in der 1 dargestellten Konfiguration sind ein Spannungswandler 1 und ein angesteuerter Induktionsmotor 5 miteinander verbunden.
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In der 1 wird die drei- oder einphasige Wechselspannung von der Netzspannungsquelle über die Anschlüsse R(L1), S, T(N) des Spannungswandlers 1 eingegeben und durch einen Gleichrichterteil 3 in eine Gleichspannung gewandelt. Das Ausgangssignal des Gleichrichterteils 3 wird, nachdem es durch einen Glättungsteil 18 geglättet wurde, in einen Wechselrichterteil 4 eingegeben. Im Wechselrichterteil 4 wird die Spannung vom Glättungsteil 18 erneut in eine Wechselspannung gewandelt, und sie wird über die Anschlüsse U (T1), V(T2), W(T3) an den Induktionsmotor 5 geliefert.
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Bei diesem Prozess wird der Wechselrichterteil 4 durch einen Steuerungsteil 19 entsprechend dem Impulsbreitenmodulationsschema gesteuert. In der 1 führt der Steuerungsabschnitt 19, wenn er ein Stromsignal vom Spannungsmodul 2 usw. empfängt, eine arithmetische Operation aus, und er gibt das PWM-Steuerungssignal usw. an den Wechselrichterteil 4 aus, um dadurch den Steuerungsvorgang auszuführen.
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Auch sind der Gleichrichterteil 3 und der Wechselrichterteil 4 innerhalb des Spannungsmoduls 2 angeordnet.
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Bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform ist eine Spule 6, die ein Bauteil eines Störsignalfilters bildet, um EMI zu verhindern, mit dem Ausgang des Gleichrichterteils 3 verbunden, und der Ausgang der Spule 6 ist mit dem Glättungsteil 18 verbunden.
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Die 2 ist ein Diagramm zum Erläutern der Konfiguration des Spannungsmoduls 2.
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Das Spannungsmodul 2, an dem ein Leistungs-Halbleiterelement zum Ansteuern des Induktionsmotors 5 angebracht ist, ist in den Spannungswandler 1 eingebaut. Das Spannungsmodul 2 enthält zumindest den Gleichrichterteil 3 zum Gleichrichten der eingegebenen drei- oder einphasigen Spannung sowie den Wechselrichterteil 4 zum Wandeln der gleichgerichteten Spannung erneut in eine Wechselspannung und zum Liefern dieser an den Induktionsmotor 5.
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Wie es in der 1 dargestellt ist, ist die Spule 6, die ein Bauteil des auf EMI-Verhinderung zielenden Störsignalfilters bildet, wenn sie mit dem Spannungswandler verbunden ist, normalerweise zwischen die Spannungseingangseinheit und den Gleichrichterteil 3, zwischen diesen und den Wechselrichterteil 4 oder zwischen diesen und die Ausgangseinheit des Induktionsmotors 5 eingesetzt. Wenn diese Verbindung betrachtet wird, sind die oben beschriebenen Teile im Spannungsmodul elektrisch voneinander isoliert.
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Die 2 zeigt ein Beispiel des Gleichrichterteils 3 und des Wechselrichterteils 4, wie sie dann voneinander isoliert sind, wenn die Spule zwischen ihnen angeordnet ist, wobei der Ausgang des Gleichrichterteils 3 als P1, N1 gekennzeichnet ist und der Eingang in den Wechselrichterteil 4 als P2, N2 gekennzeichnet ist.
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Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der am Spannungsmodul 2 montierte Träger angelötet wird, oder angesichts der Tatsache, dass dann, wenn das Filterteil wie die Spule 6 im Spannungsmodul montiert ist, ein Montagekontaktfleck vorhanden ist, ist ein Zuleitungsstift vorhanden. Daher wird die Form der Eingänge und Ausgänge P1, N1, P2, N2 fallabhängig bestimmt.
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Wenn die bei der Ausführungsform erläuterte Spule als Schaltungsteil im Spannungsmodul angebracht wird, wird der Störsignalfiltereffekt dadurch verbessert; dass für das Spannungsmodul eine geeignete Innenstruktur verwendet wird, und zwar unabhängig davon, ob die tatsächliche Position der Spule innerhalb oder außerhalb des Spannungsmoduls liegt.
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Die 3 zeigt ein Beispiel einer Schaltung, bei dem die Spule 6 zwischen dem Gleichrichterteil 3 und den Wechselrichterteil 4 eingesetzt ist.
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Die 4 zeigt ein Beispiel für den Fall, dass die Spule 6 auf einem gesonderten Träger montiert ist, der bei einer tatsächlichen Montagearbeit durch löten mit dem Spannungsmodul 2 verbunden wird. Die folgende Erläuterung betrifft diesen Fall, wobei der Spannungswandler als Inverter bezeichnet wird.
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Beim herkömmlichen Spannungsmodul wird durch Kopplung zwischen den Enden der Spule 6 eine Kapazität 7 erzeugt, was zu einem schlechteren Effekt als Filter führt.
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Die 5 zeigt ein Beispiel des Schnittaufbaus eines normalen Spannungsmoduls gemäß dem Stand der Technik. In der 5 ist die Spule 6 durch ein Schaltungssymbol gekennzeichnet. Die 5 zeigt, wie die 3, einen Fall, bei dem die Spule 6 zwischen dem Gleichrichterteil 3 und dem Wechselrichterteil 4 im Spannungsmodul 2 angeordnet ist.
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Das Spannungsmodul 2 ist durch einen Kunststoffverguss 8 oder dergleichen abgedeckt, und es enthält Halbleiterchips 9, die den Gleichrichterteil 3 aufbauen, und Halbleiterchips 10, die den Wechselrichterteil 4 aufbauen. Die Halbleiterchips 9, 10 werden durch Löten auf den Schaltkreis bildende Kupferfolien 11 montiert.
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Unter den Kupferfolien 11 ist eine Isolierschicht 12 ausgebildet. Unter der Isolierschicht 12 ist eine Aluminiumbasis 13 ausgebildet, die durch den Kunststoffverguss 8 als körperliches Gehäuse fixiert ist. Tatsächlich kann, was jedoch nicht dargestellt ist, ferner eine Wärmeabfuhreinheit vorhanden sein.
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Die Spule 6 ist durch Leitungen 14a, 14b vom Spannungsmodul 2 aus auf dem Träger 15 montiert. Die Leitung 14a entspricht dem Teil P1 oder N1, und die Leitung 14b entspricht dem Teil P2 oder N2, wie sie in der 2 oder 4 dargestellt sind. Genauer gesagt ist die Spule 6, obwohl sie sich körperlich außerhalb des Spannungsmoduls 2 befindet, als Schaltungselement innerhalb desselben angeordnet.
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Bei diesem Prozess ist es Wünschenswert, dass über die Spule 6 hinweg keine Kapazität erzeugt wird, um den Filtereffekt zu erhöhen. Genauer gesagt, ist es erwünscht, für sichere elektrische Isolierung zwischen den Teilen P1 und P2 sowie den Teilen N1 und N2 zu sorgen. Diese Struktur erzeugt jedoch zwischen der Leitung 14a und der Leitung 14b über die Kupferfolien 11, die Isolierschicht 12 und die Aluminiumbasis 13, die einen Leiter darstellt, die Kapazität 7.
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Auch wird dann, wenn die P1-Kupferfolie und die P2-Kupferfolie im Spannungsmodul benachbart zueinander angeordnet sind, eine Kapazität selbst dann erzeugt, wenn die Kupferfolien mit der dazwischenliegenden Isolierschicht 12 vorliegen. Die 6 zeigt den Pfad und den Ort der Kapazitätserzeugung durch die Isolierschicht 12 und die Aluminiumbasis 13 in vergrößerter Form. Die Kapazität 7 wird in einer in der 7 dargestellten Ersatzschaltung erzeugt.
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Der Grund, weswegen der Filtereffekt durch die Erzeugung der Kapazität 7 beeinträchtigt wird, wird unter Bezugnahme auf die 7 erläutert. Wenn einmal der Induktionsmotor durch den Spannungswandler betrieben wird, werden durch den Wechselrichterteil 4 Schalt-Störsignale hoher Frequenz erzeugt. Die Schalt-Störsignale fließen über die gesondert angeordnete Erdungskapazität des Störsignalfilters vorläufig nach Masse, und dann kehren sie zum Punkt Q in der 7 zurück. Gleichzeitig kehren alle Störsignalkomponenten idealerweise über den Pfad 17a zum Wechselrichterteil (Induktionsmotor) zurück. Dann würde der Störsignalfluss zur Spannungsversorgung unterdrückt werden, um dadurch den Rauschpegel zu senken.
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Wie oben beschrieben, fließen jedoch, bei Erzeugung der Kapazität 7 an der Spule, die Störsignale, die normalerweise durch die Spule unterdrückt werden sollten, in unerwünschter Weise über den Pfad 17b oder 17c aufgrund der Kapazität mit niedriger Impedanz zur Spannungsversorgung, was zu einem geringeren Störsignal-Verringerungseffekt führt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung realisiert eine Konfiguration eines Spannungswandlers, bei der der Störsignal-Verringerungseffekt dann nicht beeinträchtigt ist, wenn eine Spule in einer Schaltungskomponente in einem Einzelspannungsmodul mit sowohl einem Gleichrichterteil als auch einem Wechselrichterteil angeordnet ist.
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Das oben beschriebene Problem ist durch eine Struktur zum Verringern der so erzeugten Kapazität 7 gelöst. Die 8 zeigt eine Struktur zum Minimieren der erzeugten Kapazität 7. Dieses Beispiel repräsentiert auch einen Fall, bei dem die Spule zwischen dem Gleichrichterteil -und dem Wechselrichterteil angeordnet ist.
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Die Isolierschicht 12 und die Aluminiumbasis 13, wo die Kapazität 7 erzeugt wird, sind zur Seite des den Gleichrichterteils aufbauenden Halbleiterchips 9 und zur Seite des den Wechselrichterteil aufbauenden Halbleiterchips 10 gegeneinander isoliert. Anders gesagt, sind die Isolierschicht 12 und die Aluminiumbasis 13, die herkömmlicherweise miteinander integriert sind, voneinander getrennt.
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Obwohl gemäß der obigen Erläuterung Aluminium verwendet wird, kann alternativ eine Metallplatte oder ein Leiter mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, um, durch Wärmeleitung, die im Gleichrichterteil und Wechselrichterteil erzeugte Wärme nach außen freizusetzen. Beispielsweise können Kupfer, Silber oder Gold anstelle von Aluminium verwendet werden.
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Der Abschnitt, durch den die Isolierschicht 12 und die Aluminiumbasis 13 voneinander getrennt sind, ist durch einen Kunststoffverguss 8 abgedeckt, um für Isolierung zu sorgen. Als Alternative ist der Kunststoffverguss bis ungefähr zur Höhe der Isolierschicht aufgebracht, und er ist mit einem isolierenden Material beschichtet.
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Wie es in der 8 dargestellt ist, wurde ein Test ausgeführt, um zu gewährleisten, dass die EMI verringert ist, nachdem eine Unterteilung des Spannungsmoduls erfolgte, und es wurde der Effekt der Aufteilung bestätigt.
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Die 9A, 9B zeigen das Ergebnis einer Messung des Störsignalpegels vor dem Unterteilen des Spannungsmoduls. Die 10A, 10B zeigen andererseits das Ergebnis einer Messung des Störsignalpegels nach dem Unterteilen des Spannungsmoduls. Die Störsignal-Anschlussspannung wurde entsprechend der europäischen Norm EN61800-3 an einem Spannungswandler der 400-V-Klasse mit einer Ausgangsleistung von 3,7 kW an einem universellen Dreiphasen-Induktionsmotor der 400-V-Klasse mit 3,7 kW gemessen.
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Wie es in der 8 dargestellt ist, wurde bestätigt, dass durch vollständiges Unterteilen des Inneren des Spannungsmoduls eine Verbesserung des EMI-Pegels von 15 dB oder mehr hinsichtlich des Quasipeak(QP)-Werts erzielt wurde.
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Diese Ausführungsform repräsentiert einen Fall, bei dem die Spule für das Filter auf dem Träger außerhalb des Spannungsmoduls montiert ist. angesichts der Tatsache, dass die Spule Wärme erzeugt, wird jedoch ein hoher Kühleffekt dadurch erzielt, dass die Spule im Spannungsmodul angeordnet wird und Wärme von der mit ihm in Kontakt stehenden Wärmesenke abgestrahlt wird. Dies zeigt, dass diese Ausführungsform auch dann wirkungsvoll ist, wenn die Spule im Spannungsmodul angeordnet ist, wie es unten unter Bezugnahme auf die 11 erläutert wird.
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Die 11 ist ein Fall, bei dem die Filterspule direkt auf dem Metallträger im Spannungsmodul montiert ist, anstatt dass die Stifte 14a, 14b aufgerichtet würden, um einen externen Träger gemäß der 8 zu montieren. Auch in diesem Fall ist das Spannungsmodul unterteilt, und daher wird der Effekt der Spule nicht beeinträchtigt, da wie im oben genannten Fall keine Kapazität 7 an ihr erzeugt wird.
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Als andere Ausführungsform, wie sie in der 12 dargestellt ist, kann nur die Isolierschicht 12 im Spannungsmodul 2 elektrisch isoliert sein. Durch Beseitigen der Kapazität 7a in den 6, 7 kann daher der Gesamtkapazitätswert verringert werden. Obwohl der Effekt des Filters im Vergleich zum in der in der 8 dargestellten Fall der vollständigen Trennung verringert ist, ist der Effekt größer als beim Vorliegen der Isolierschicht. Diese Konfiguration ist dann wirkungsvoll, wenn die Trennung der Aluminiumbasis hinsichtlich der Montageebenheit des Spannungsmoduls ein Problem darstellt.
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Abgesehen von den oben angegebenen Fällen, bei denen die Spule als Schaltungselement zwischen dem Gleichrichterteil und dem Wechselrichterteil angeordnet ist, kann ein ähnlicher Effekt dadurch erzielt werden, dass sie zwischen der Spannungseingangseinheit und dem Gleichrichterteil oder zwischen dem Wechselrichterteil und der Ausgabeeinheit des Induktionsmotors angeordnet wird. Anders gesagt, ist die Spannungsmodulstruktur wirkungsvoll, solange die Schaltungsteile an den Enden der Spule getrennt und gegeneinander isoliert sind.
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Die 13 zeigt einen Fall, bei dem die Spule zwischen die Spannungseingangseinheit und den Gleichrichterteil eingefügt ist, die 14 zeigt einen Fall, bei dem die Spule zwischen dem Gleichrichterteil und dem Wechselrichterteil angeordnet ist, und die 15 zeigt einen Fall, bei dem die Spule 6 zwischen dem Wechselrichterteil und der Ausgangseinheit des Induktionsmotors angeordnet ist. In allen diesen Fällen kann der Effekt der Spule als Filter dadurch verbessert werden, dass die oben genannte Trenn-/Isolierstruktur zwischen den Teilen A und B in der Zeichnung verwendet wird.
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Die 16 zeigt ein Schaltungsbeispiel, bei dem die Spule 6 als Schältungselement zwischen der Spannungseingangseinheit und dem Gleichrichterteil 3 angeordnet ist.
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Gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen der Erfindung kann die Wirkung des Störsignalfilters dadurch verbessert werden, dass die Struktur des Spannungsmoduls geändert wird.
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Auch ermöglichen es die Strukturen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen, den Filtereffekt selbst dann aufrecht zu erhalten, wenn die Spule als Schaltungselement im Spannungsmodul montiert ist. Die Begriffe „an der Spule“ oder „zwischen den Enden der Spule“ sind unabhängig von der Anzahl der Phasen als „zwischen den Enden der Spulenwicklung“ definiert.
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Auch bedeutet die Angabe „als Schaltungselement im Spannungsmodul“, dass ein vorgegebenes Teil, selbst wenn es körperlich außerhalb des Spannungsmoduls angeordnet ist, mit dem Inneren des Spannungsmoduls als Schaltungselement verbunden ist und dem Effekt der Kapazität unterliegt, die durch die Struktur des Spannungsmoduls erzeugt wird.
