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Die
Erfindung betrifft ein Stromrichtermodul der Leistungselektronik
mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche
Stromrichtermodule können beispielsweise in der Antriebstechnik
von Fahrzeugen, wie zum Beispiel Straßenbahnen, Hybridbussen
oder Oberleitungsbussen, eingesetzt werden und dienen im Allgemeinen
der Umrichtung von Gleichspannung in Wechselspannung und umgekehrt,
insbesondere bei Leistungen von einigen Kilowatt bis einigen hundert
Kilowatt. Aus diesem Grund weisen bekannte Stromrichtermodule zwei
Gleichspannungsanschlüsse auf.
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Im
Inneren des häufig gekapselt ausgeführten Stromrichtermoduls
befinden sich zur Umrichtung auf einen Grundkörper angeordnet
mindestens zwei Halbleitermodule, die vorzugsweise schnell schaltende
Leistungshalbleiter, beispielsweise IGBTs, umfassen und als vorgefertigte
Zweigpaarmodule, wie ein Zweigpaarventilsatz, ausgestaltet sein
können. Die Halbleitermodule weisen jeweils zwei Gleichspannungsanschlüsse
auf, die elektrisch mit den Gleichspannungsanschlüssen
des Stromrichtermoduls verbunden sind. Ferner weisen Halbleitermodule
einen Wechselspannungsanschluss sowie Steueranschlüsse
auf. Zudem weisen bekannte Stromrichtermodule, insbesondere sogenannte
Spannungszwischenkreis-Umrichter, mindestens ein Kondensatormodul
auf, welches ebenfalls in der Regel zwei Gleichspannungsanschlüsse
aufweist, die elektrisch mit den Gleichspannungsanschlüssen
des Stromrichtermoduls verbunden sind. Eine Umrichterschaltung mit
Zweigpaaren wird beispielsweise in der
EP 1 450 475 A1 . beschrieben.
Der dort beschriebene Umrichter weist einen Energiespeicher auf,
der nicht ausreichend niederinduktiv mit den Zweigpaaren verbunden
ist, so dass ein Spannungsbegrenzungsnetzwerk erforderlich ist,
welches Schwingungen verursacht, welche wiederum durch ein gewöhnliches Dämpfungsnetzwerk
begrenzt werden.
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Um
sowohl möglichst wenig Schaltüberspannungen als
auch möglichst geringe Schaltverluste zu erzeugen, sind
die bekannten Stromrichtermodule derart ausgeführt, dass
das Kondensatormodul, welches zumeist als Filter- oder Beschaltungskondensator
eingesetzt wird, sehr niederinduktiv mit den Halbleitermodulen verbunden
wird. Niederinduktiv bedeutet hierbei, dass Hin- und Rückleiter
eines Stromkreises vorzugsweise flächig mit minimalem Abstand ausgeführt
werden. Realisiert wird eine solche Verschaltung zumeist durch Leiterplatten
oder Verschienungen.
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Nachteilig
an den bekannten Ausgestaltungen ist, dass aufgrund der Beabstandung
zwischen Kondensatormodul und Halbleitermodul eine längere Verbindung
nötig ist, welche zu einer größeren Induktivität
führt, da die Induktivität mit zunehmender Strecke
ansteigt. Zudem können solche Verbindungen Nachteile hinsichtlich
der Spannungsfestigkeit mitsichbringen, ferner sind Luft- und Kriechstrecken
zu berücksichtigen.
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Aufgrund
der hohen geführten Ströme müssen die
Verbindungen oft aufwändig ausgeführt werden,
um die hohen Leistungen und die resultierende Wärme tragen
zu können.
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Insbesondere
größere Kupferverschienungen führen zu
einem nicht unerheblichen Gewicht, welches insbesondere in der Fahrzeugtechnik
unerwünscht ist. Auch die Kondensatormodule, die häufig ein
Metallgehäuse aufweisen, tragen zu dem hohen Gewicht bei.
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Der
Montageaufwand, der durch die Verbindungen, insbesondere durch die
Verschienungen, entsteht, ist hoch, insbesondere wenn die Verbindungen
um Ecken oder ähnliches geführt werden müssen.
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Die
Verbindungen führen zu erhöhten Herstellungskosten,
wobei insbesondere Verschienungen und die zu berücksichtigende
Spannungsfestigkeit zu höheren Kosten führen.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, ein Stromrichtermodul bereitzustellen,
welches einen kompakten Aufbau aufweist und insbesondere das Kondensatormodul
niederinduktiv verbindet.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil
der abhängigen Ansprüche.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung liegt darin, das Kondensatormodul räumlich
zumindest teilweise über den Halbleitermodulen anzuordnen,
wobei die Gleichspannungsanschlüsse des Kondensatormoduls
mittels insbesondere lösbaren Befestigungsmitteln vorzugsweise
direkt an den Gleichspannungsanschlüssen der Halbleitermodule
befestigt sind. Somit kann vorzugsweise auf Verbindungen zwischen
dem Kondensatormodul und den Halbleitermodulen verzichtet werden.
Dadurch, dass auf die Verschienungen zwischen den Kondensatormodulen
und den Halbleitermodulen weitestgehend verzichtet wird, ist der
Aufbau niederinduktiv.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung stützt sich das Kondensatormodul über
die Halbleitermodule, insbesondere über die Befestigungsmittel,
gegen den Grundkörper ab, wobei zusätzlich Träger
verwendet werden können.
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Eine
weitere Gewichtseinsparung kann dadurch erreicht werden, dass das
Kondensatormodul ein Kunststoffgehäuse aufweist. Bevorzugt
sind die Gleichspannungsanschlüsse des Kondensatormoduls
als seitlich herausragende Laschen ausgestaltet.
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In
vorteilhafter Weise werden die Gleichspannungsanschlüsse
der Halbleitermodule über das Kondensatormodul jeweils
miteinander elektrisch verbunden. Das Kondensatormodul ist aus diesem
Grunde derart eingerichtet, dass die Gleichspannung von einem Ende
des Kondensatormoduls zum anderen Ende durchgeschleift wird. Bevorzugt weist
das Kondensatormodul zu diesem Zweck die Gleichspannungsanschlüsse
zu beiden Seiten auf, wobei insbesondere insgesamt vier Gleichspannungsanschlüsse
vorgesehen sind.
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Der
Freiraum zwischen den Halbleitermodulen und unter dem Kondensatormodul
kann dazu verwendet werden, dass an dieser Stelle mindestens eine Treiberbaugruppe
und/oder ein Dauerentladewiderstand des Stromrichtermoduls angeordnet
ist.
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Um
die Montage des Kondensatormoduls auf den Halbleitermodulen zu vereinfachen,
kann als Befestigungsmittel eine Schraubeinrichtung vorgesehen werden.
Die Montage kann ferner dahingehend vereinfacht werden, dass das
Stromrichtermodul derart ausgestaltet ist, dass sämtliche
Schraubeinrichtungen von einer Seite aus vorzugsweise von oben zugänglich
sind. Als Befestigungsmittel kann jedoch auch eine Klemmverbindung,
Lötverbindung oder ähnliches vorgesehen werden.
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Der
Grundkörper kann Kühlelemente umfassen, die eine
Luft- und/oder Flüssigkeitskühlung bewirken. Der
Grundkörper kann somit Kühlrippen und/oder Wasseranschlüsse
für eine Wasserkühlung aufweisen. Bei Luftkühlung
kann ein Element des Grundkörpers einfach in einen Kühlkanal
eingesetzt werden oder bei Konvektionskühlung aus dem Stromrichtermodul
herausragen. Bei einer Flüssigkeitskühlung besteht
zudem der Vorteil, dass der mit Flüssigkeit gefüllte
Bereich und/oder der Bereich der Wasseranschlüsse räumlich
von den stromführenden Bereichen und der Elektronik getrennt
ist, so dass bei einer möglichen Tropfenbildung die Gefahr
eines Kurzschlusses verringert ist.
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Ein
kompakter Aufbau des Stromrichtermoduls kann dadurch erreicht werden,
dass das Kondensatormodul räumlich zumindest teilweise
zwischen den Halbleitermodulen angeordnet ist.
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Als
Halbleitermodule werden bevorzugt vorgefertigte Zweigpaarmodule
verwendet, die gekapselt ausgeführt sind und an vorgegebenen
Stellen die Gleichspannungsanschlüsse aufweisen.
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Das
erfindungsgemäße Stromrichtermodul weist mindestens
zwei Halbleitermodule und mindestens ein Kondensatormodul auf. Eine
solche Konfiguration kann beispielsweise als H-Brücke verwendet werden.
Darüber hinaus sind selbstverständlich Anordnungen
mit mehr als zwei Halbleitermodulen und mehr als einem Kondensatormodul
möglich. Eine mögliche Anordnung sieht beispielsweise
drei Halbleitermodule und vorzugsweise zwei Kondensatormodule vor,
so dass das Stromrichtermodul als dreiphasiger Wechselrichter eingesetzt
werden kann. Bei einer weiteren Ausgestaltung werden vier Halbleitermodule
und vorzugsweise drei Kondensatormodule verwendet, so dass das Stromrichtermodul
als dreiphasiger Wechselrichter mit Bremssteller verwendet werden
kann. Zudem können die einzelnen Halbleitermodule auch
parallel geschaltet werden.
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Die
Anordnungen mit mehr als zwei Halbleitermodulen und mehr als einem
Kondensatormodul weisen bevorzugt die gleichen Merkmale auf, wie eine
Anordnung mit zwei Halbleitermodulen und einem Kondensatormodul.
Die Halbleitermodule können hierbei insbesondere nebeneinander
auf dem Grundkörper angeordnet sein, wobei die Kondensatormodule
jeweils über den Halbleitermodulen in der beschriebenen
Art und Weise angeordnet sein können. Somit ist das Stromrichtermodul
bevorzugt kaskadenförmig aufgebaut, wobei es für
den Fall, dass N Halbleitermodule vorgesehen sind, es N – 1
Kondensatormodule aufweist, wobei auch weniger oder mehr Kondensatormodule
verwendet werden können.
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Ein
mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
anhand der 1 bis 9 beschrieben. Es
zeigen:
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1 Ein
Stromrichtermodul in einer schematischen Darstellung in der Draufsicht;
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2 das
Stromrichtermodul aus 1 in einer Seitenansicht;
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3 einen
Grundkörper und drei Halbleitermodule eines Stromrichtermoduls;
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4 zwei
Kondensatormodule des Stromrichtermoduls nach 3;
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5 die
Anordnung nach 3 mit zusätzlichen
Elementen;
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6 die
Anordnung nach 5 mit den Kondensatormodulen;
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7 die
Anordnung nach 6 mit zusätzlicher
Steuerplatine;
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8 ein
Prinzip-Ersatzschaltbild der Anordnung nach 1; und
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9 das
Ersatzschaltbild nach 8 in einer anderen Darstellung.
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Die 1 und 2 zeigen
ein erfindungsgemäßes Stromrichtermodul in einer
schematischen Darstellung. Die 3 bis 7 zeigen
den konstruktiven Aufbau eines Stromrichtermoduls.
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Das
Stromrichtermodul weist einen Grundkörper 1 auf,
der als mechanischer Träger wirkt. Der Grundkörper 1 weist
zwei Wasseranschlüsse 13 auf, die eine im Grundkörper
angeordnete Wasserkühlung als Kühlelement versorgen
(s. 3). Auf dem Grundkörper 1 sind
drei Zweigpaarmodule als Halbleitermodule 2 nebeneinander
angeordnet (s. 3). Jedes Halbleitermodul 2 weist
unter anderem drei Anschlüsse auf, nämlich zwei
Gleichspannungsanschlüsse 10a und 10b sowie
einen Wechselspannungsanschluss 15. Die Gleichspannung
wird über die kabelförmigen Verbindungen 5a und 5b des Stromrichtermodules
und über die Klemmen 11a und 11b den
Gleichspannungsanschlüssen 10a und 10b eines
Halbleitermoduls 2 (s. 1, links)
zugeführt, wobei auch Ausführungen ohne kabelförmige
Verbindungen möglich sind.
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Die
drei Anschlüsse eines Halbleitermoduls 2 sind
als Bohrungen ausgeführt, in die jeweils eine Schraube 8a, 8b und 12 als
Befestigungsmittel eingeschraubt werden kann, so dass die Verbindungen 5a, 5b und 7 an
dem Halbleitermodul 2 befestigbar sind.
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Auf
die Halbleitermodule 2 werden zwei Kondensatormodule 3 aufgesetzt
(s. 6). Die Kondensatormodule bestehen aus vorgefertigten
Modulen, die ein Kunststoffgehäuse aufweisen. Die vier
Gleichspannungsanschlüsse 9a und 9b eines
Kondensatormoduls sind als jeweils seitlich herausragende, mit einer
Bohrung versehene Laschen ausgeführt (s. 4).
Die Gleichspannungsanschlüsse 9a, 9b der Kondensatormodule 3 werden
ebenfalls über die Schraubverbindung 8a, 8b mit
den Halbleitermodulen 2 verbunden.
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Die
Kondensatormodule sind zudem intern derart ausgestaltet, dass jeweils
eine Verbindung der Halbleitermodule 2 zwischen den einzelnen
Gleichspannungsanschlüssen 10a und eine weitere
interne Verbindung zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 10b entsteht.
Auf zusätzliche Verschienungen der Gleichspannungsanschlüsse 10a untereinander
bzw. 10b untereinander kann somit verzichtet werden.
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Der
Freiraum zwischen den Halbleitermodulen 2 wird dazu verwendet,
einen Dauerentladewiderstand 14 auf dem Grundkörper 1 anzuordnen
(s. 3). Die Halbleitermodule 2 weisen zudem
Steueranschlüsse 20 auf (s. 3),
die mit den in 5 dargestellten, auf Steuerplatinen
zwischen den Halbleitermodulen 2 angeordneten Treiberbaugruppen 17 verbunden
werden.
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Die
Wechselspannungsanschlüsse 15 der Halbleitermodule 2 werden über
die Verschienungen 16 und die Verbindungen 7 zu
den drei Wechselspannungsanschlüssen 6 des Stromrichtermodules
geführt (s. 5).
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Auf
die Kondensatormodule 3 wird eine Steuerplatine 18 angeordnet,
die Steuerungs- und Regelungsfunktionen wahrnimmt (s. 7).
In nicht dargestellter Weise kann das Stromrichtermodul ein quaderförmiges
Gehäuse aufweisen, so dass es insgesamt vor äußeren
Einflüssen geschützt ist.
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In 8 ist
das prinzipielle Ersatzschaltbild der Anordnung nach 1 dargestellt.
Es zeigt einen bekannten dreiphasigen Wechselrichter mit einem Beschaltungs-/Filterkondensator
sowie drei Zweigpaarmodule 2, an welche ein dreiphasiger
Motor M angeschlossen ist. Die 9 zeigt
das Ersatzschaltbild nach 8, wobei
die einzelnen Elemente anders angeordnet worden sind, so dass die
Anordnung im Ersatzschaltbild nach 9 der Anordnung
der Elemente des Stromrichtermoduls nach 1 mit den
Gleichspannungsanschlüssen 5a und 5b sowie den
beiden Kondensatormodulen 3 entspricht.
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Durch
den dargestellten Aufbau wird eine kompakte Anordnung innerhalb
des Stromrichtermodules erreicht, wobei die einzelnen Elemente das
Volumen praktisch vollständig ausnutzen und gleichzeitig
dennoch einfach zu montieren sind, da insbesondere auch sämtliche
Schraubverbindungen 8a, 8b und 12 von
oben zugänglich sind.
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Im Übrigen
wäre auch eine nicht dargestellte Anordnung denkbar, bei
der die einzelnen Halbleitermodule 2 einen größeren
Abstand voneinander aufweisen, wobei dann die Kondensatormodule 3 tiefer liegen
können und somit zumindest teilweise zwischen den Halbleitermodulen
liegen. Aus diesem Grund können die Laschen 9a und 9b der
Kondensatormodule an einer anderen Stelle des Kondensatormoduls 3 angeordnet
sein. Insgesamt kann somit eine flachere Ausgestaltung des Stromrichtermoduls realisiert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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