-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Erfindung betrifft ein Gerät, welches Leistungshalbleiter sowie die zugehörigen Treiberschaltungen und zumindest eine zugehörige Steuerschaltung umfasst.
-
HINTERGRUND
-
Steuerbare Leistungshalbleiter werden häufig einzeln oder zu mehreren in meist in Kunststoff gekapselte Leistungshalbleitermodule eingebettet, um gegen Schmutz, mechanische Belastung und sonstigen Umwelteinflüssen geschützt zu sein. Solche Leistungshalbleitermodule werden häufig als schnelle elektronische Schalter für hohe Ströme und/oder Spannungen eingesetzt, wie beispielsweise bei Frequenzumrichtern, die aus einem Wechselspannungsnetz mit konstanter Spannung und konstanter Frequenz Wechselspannungen von beliebiger Höhe und Frequenz für entsprechende Verbraucher wie etwa Asynchronmotore oder Synchronmotore erzeugen.
-
Die Leistungshalbleiter werden dabei durch mindestens eine Steuerschaltung (Controller, Regelung etc.) in Verbindung mit entsprechenden Treiberschaltungen für die einzelnen oder in Gruppen zusammengefassten Leistungshalbleiter angesteuert. Zweck der im Folgenden nur als „Treiber” bezeichneten Treiberschaltungen ist es, die von der Steuerschaltung ausgegebenen Signale von meistens nur geringer Leistung bzw. ungeeigneter Spannung in passende Treibersignale für die Leistungshalbleiter umzusetzen. Häufig werden durch die Treiber auch weitere Funktionen wahrgenommen. So können sie auch Temperatur, Strom und Spannung an den Leistungshalbleitern detektieren und zur Bewertung an die Steuereinheit zurück melden, damit bei unzulässigen Betriebszuständen die Leistungshalbleiter sofort abgeschaltet werden können. Da sich die bei der Steuerung verwendeten Spannungen, Potentiale und Ströme jedoch sehr deutlich von den zu schaltenden Spannungen, Potentialen und Strömen unterscheiden, ist es zweckmäßig zumindest die diesbezüglichen Potentiale voneinander zu trennen. Soll darüber hinaus nicht nur eine Signalübertragung in eine Richtung (unidirektionale Übertragung), nämlich die Übertragung der Steuersignale von der Steuereinheit zu den Treibern, sondern auch eine Rückmeldung wie oben dargelegt erfolgen, muss auch eine Signalübertragung in beide Richtung (bidirektionale Übertragung) möglich sein.
-
Bei üblichen intelligenten Leistungshalbleitermodulen (IPM) sind die Leistungshalbleiter, weitere integrierte Elektronik für Treiber und Schutzfunktionen sowie Optokoppler zur potentialfreien Übertragung der Steuersignale auf einer Leiterplatte bzw. einem Substrat zu einer Baueinheit wie etwa einem Modul zusammengefasst. Die Spannung zur Versorgung der Elektronik muss extern bereitgestellt werden. Dabei treten thermische Probleme auf. Naturgemäß entsteht an Leistungshalbleitern in nicht unerheblichem Maße Abwärme. Die Leistungshalbleiter selbst halten dabei auch relativ hohen Temperaturen (in Zukunft bis 200°C oder sogar darüber) stand. Damit zusammenwirkende andere Schaltungsteile, wie vor allem die Steuerungselektronik, erlauben nur Maximaltemperaturen im Bereich von knapp über 100°C. Deswegen werden bekannte Module oft bei niedrigeren Maximaltemperaturen und damit bei niedrigeren Dauerleistungen betrieben als es durch die Leistungshalbleiter selbst bedingt ist und/oder es werden aufwändige Maßnahmen zur besseren Kühlung ergriffen.
-
Die Druckschrift
DE 101 47 472 A1 betrifft einen Stromrichter, welcher ein Leistungsteil und ein Elektronikteil aufweist, wobei das Leistungsteil und das Elektronikteil in getrennten Gehäusen untergebracht sind und die beiden Teile mittels einer Vorrichtung signaltechnisch verbunden sind. Somit erhält man einen Stromrichter, bei dem das Leistungsteil und das Elektronikteil räumlich getrennt voneinander aufstellbar sind, so dass eine thermische Trennung vorliegt. Die Druckschrift
US 2007/0216377 A1 betrifft eine Leistungselektronische Schaltung, bei der zwischen den Leistungshalbleiterschaltern und den korrespondierenden Treiberschaltungen zur galvanischen Trennung Transformatoren geschaltet sind.
-
Gemäß beispielsweise der
DE 10 2005 036 116 A1 können Leistungshalbleiter und sie unmittelbar begleitende Schaltungen wie insbesondere Treiber, deren potentialfreie Spannungsversorgung und Elemente zur Signalübertragung von der Steuerelektronik an die Treiber, in möglichst ähnlicher bis identischer Technologie aufgebaut werden. Sie können ferner ohne Verwendung einer verbindenden Leiterplatte direkt auf dem gleichen Substrat wie der Leistungshalbleiter selbst angeordnet werden. Die damit gebildete Baueinheit ist an Kompaktheit und Temperaturbeständigkeit den handelsüblichen Baueinheiten mit vergleichbaren Funktionen überlegen. Jedoch werden unvorteilhafter Weise über die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen Steuerelektronik und Treibern erhebliche Wärmemengen zur Steuerelektronik übertragen. Die Steuerelektronik ist wiederum zu komplex aufgebaut, um mit vernünftigem Auf wand in einer vergleichbaren, jedoch temperaturbeständigen Ausführung realisiert zu werden. Um die Steuerelektronik nicht zu überhitzten, können damit die Leistungshalbleiter wiederum nicht ganz bis an deren obere Temperaturgrenze betrieben werden.
-
Es besteht daher der Wunsch, die Leistungshalbleiter eines Leistungshalbleitermoduls bis an deren Grenzen dauerhaft zu betreiben. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht folglich darin, eine entsprechende Schaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen.
-
ÜBERSICHT
-
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es wird eine Schaltungsanordnung mit einem in Kunststoff gekapselten Leistungshalbleitermodul und einer außerhalb dessen angeordneten Steuerschaltung vorgestellt, bei der das Leistungshalbleitermodul zumindest einen steuerbaren Leistungshalbleiter, zumindest einen den Leistungshalbleiter ansteuernden Treiber und eine Spannungsversorgung für den Treiber aufweist, Steuerschaltung und Leistungshalbleitermodul jeweils eine Sende- und Empfangseinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Steuersignale zwischen der Steuerschaltung und dem Leistungshalbleitermodul über eine elektromagnetische Übertragungsstrecke unidirektional oder bidirektional zu übertragen wobei das Leistungshalbleitermodul und die Steuerschaltung beabstandet zueinander auf einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet sind.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Es zeigt:
-
1 in einem Schaltbild ein Beispiel eines hierin vorgestellten leistungselektronischen Gerätes;
-
2 in einer Seitenansicht den Aufbau eines solchen leistungselektronischen Gerätes;
-
3 in einer Seitenansicht den Aufbau eines weiteren beispielhaften leistungselektronischen Gerätes;
-
4 eine Variante der Kommunikation zwischen einer Steuereinheit und Leistungshalbleitermodul mittels Rechteckimpulsen bei einem leistungselektronischen Gerät;
-
5 eine andere Variante einer solchen Kommunikation zwischen Steuereinheit und Leistungshalbleitermodul;
-
6 in perspektivischer Ansicht den Aufbau eines dritten Beispiels eines beispielhaften leistungselektronischen Gerätes; und
-
7 in perspektivischer Ansicht den Aufbau eines vierten Beispiels eines leistungselektronischen Gerätes.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Nachfolgend wird der Begriff „Treiber” für jenen Schaltungsteil verwendet, welcher zwischen einer Potentialtrennung und einem Leistungshalbleiter liegt. Der Begriff „Steuerschaltung” wird für den Schaltungsteil verwendet, der auf der dem Leistungshalbleiter abgewandten Seite dieser Potentialtrennung liegt.
-
Bei der in 1 beispielhaft dargestellten Umrichterschaltung wird aus einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz 1 mit konstanter Wechselspannung und konstanter Frequenz durch die Gleichrichterbrücke 2.1 und einen Glättungskondensator 2.2 ein Gleichspannungs-Zwischenkreis 3 versorgt, aus welchem durch eine Wechselrichterbrücke, die aus sechs Leistungshalbleitern 5 besteht, die in drei Halbbrücken mit jeweils zwei Leistungshalbleitern angeordnet sind, ausgangsseitig eine dreiphasige Spannungsversorgung 4 für einen – nicht dargestellten – Abnehmer bereitgestellt. Beispielsweise werden die Pulse der Ausgangsspannung so gesteuert, dass bei zeitlicher Mittelung eine Drehspannung erzeugt wird, deren Effektivwert und Frequenz beliebig eingestellt werden kann.
-
An den Steueranschlüssen der einzelnen Leistungshalbleiter 5 liegt die Ausgangsspannung jeweils eines Treibers 6 an durch welche festgelegt wird, ob der betreffende Leistungshalbleiter durchgeschaltet oder gesperrt wird. Die Treiber 6 werden dazu von einem an eine potentialfreie Signalübertragungsstrecke 77 angeschlossenen Sender-Empfänger-Baustein 7 gesteuert.
-
Der beispielsweise in einem Leistungshalbleitermodul 10 befindliche, wenig komplex aufgebaute, temperaturfeste Sender-Empfänger-Baustein 7 erzeugt aus Befehlen, die er von einer Steuerung 9 erhält, Steuersignale für die Treiber 6. Anstelle nur einer Einheit 7 könnten jedoch auch sechs Empfängerbausteine für sechs separate Kanäle verwendet werden, die dann jeden der Leistungshalbleiter 5 einzeln schalten könnten. Des Weiteren überwacht er in Zusammenwirkung mit einer Messeinheit 8, welche ausgangsseitig elektrische Größen detektiert, andere Parameter des Leistungshalbleitermoduls 10. Er bildet mit dem Sender-Empfänger-Baustein 7 die zentrale Kommunikationsschnittsstelle mit der Steuerschaltung 9, die dazu beispielsweise eine entsprechende Sende-Empfangseinrichtung 7' aufweist. Messeinheit, Steuerbaustein, Treiber und Leistungshalbleiter sind als kompakte Baugruppe in dem Leistungshalbleitermodul 10 zusammengefasst, wobei alle Teile beispielsweise auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
-
Die Steuerschaltung 9 ist von diesem Leistungshalbleitermodul getrennt angeordnet und stellt die Verbindung zu Schaltungen dar, die wiederum die Steuerschaltung 9 entsprechend anweisen und steuern können. Die Datenverbindung und somit der Austausch von Steuersignalen zwischen dem Sender-Empfänger-Baustein 7 und der Steuerung 9 erfolgt nicht über einen elektrischen Leiter, sondern über elektromagnetische Wellen. Damit wird die Informationsübertragung von der Wärmeübertragung entkoppelt. Die erforderliche Datenkommunikation der Steuerung 9 mit weiteren Teilen kann über einen Bus 100 erfolgen.
-
2 zeigt in einer Seitenansicht den mechanischen Aufbau des in 1 als Schaltbild gezeigten leistungselektronischen Gerätes. Das Leistungshalbleitermodul 10 umfasst die Leistungshalbleiter 5 einschließlich deren Freilaufdioden, die Treiber 6, den Sender-Empfänger-Baustein 7 und die Messeinheit 8. Zudem kann sie auch die Gleichrichterbrücke 2.1 enthalten. Das Leistungshalbleitermodul 10 ist auf einem Kühlkörper 12 montiert. Die Steuerung 9 ist über einem Eckbereich des Leistungshalbleitermoduls 10 an dessen dem Kühlkörper abgewandten Seite in einem kleinen Abstand zum Leistungshalbleitermodul angeordnet.
-
Mit dem Sender-Empfänger-Baustein 7 kommuniziert die Steuerung 9 über eine kurze Funkstrecke, die die Übertragungsstrecke auf Basis von elektromagnetischen Wellen bildet. Dazu kann am Leistungshalbleitermodul 10 ein Hohlleiter 13 angeordnet sein, mit Hilfe dessen die elektromagnetische Funkstrahlung gegenüber einer ”freien” Übertragung mit stark verringerten Verlusten geleitet wird. Zur Funkübertragung wird im jeweiligen Sender der Sender-Empfänger-Bausteine 7 und 7' auf eine Trägerfrequenz ein Signal aufmoduliert (durch Amplituden-, Frequenz-, oder Phasenmodulation) und abgestrahlt. Der Empfänger empfängt dieses und demoduliert daraus wieder das zu übertragene Steuersignal. Damit können auch Entfernungen im Zentimeter- und Dezimeterbereich gut überbrückt werden, womit sich eine große Gestaltungsfreiheit ergibt. Aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit kann ein zumindest die ganze Funkstrecke umgebendes Gehäuse vor allem bei der Trägerfrequenz der Funkstrecke eine möglichst gute Abschirmung aufweisen. Annähernd die gesamte Fläche der vom Kühlkörper 12 abgewandten Seite des Leistungshalbleitermoduls 10 steht als Platz für die Lastanschlüsse 14 zur Verfügung.
-
3 zeigt in einer Seitenansicht ein weiteres beispielhaftes leistungselektronisches Gerät. Gegenüber 2 ist hier die Steuerung 9 am Kühlkörper 12 angeordnet und die Kommunikation zwischen dieser und dem Sender-Empfänger-Baustein 7 erfolgt über gekoppelte Spulen, beispielsweise einen luftgekoppelten Transformator 15 auf. Der Transformator 15 weist auf Seiten der Steuerung 9 einen ferromagnetischen Kern mit aufgewickelter Spule auf, um damit das magnetische Feld in gebündelter Form und damit konzentrierter an die Spule auf Seiten des Sender-Empfänger-Bausteins 7 zu übertragen. Die Spulen können dabei nur wenige Windungen aufweisen.
-
In den 4 und 5 ist skizziert, dass bei Signalübertragung zwischen Steuereinheit 9 und Sender-Empfänger-Baustein 7 mittels gekoppelter Induktivitäten bei Anlegen eines rechteckigen Spannungsimpulses auf einer Seite, zum Zeitpunkt der Flanken des Impulses auf der anderen Seite ein kurzer Spannungsimpuls auftritt, welcher nach einer e-Funktion abklingt. Diese Spannungsimpulse können von dem jeweiligen Empfänger als entsprechende Information ausgewertet werden. Im einfachsten Fall kann schon allein durch das Vorzeichen des Spannungsimpulses die entsprechende Information für ”aus” oder ”ein” übertragen werden. Dabei kann beispielsweise jedem einzelnen Leistungshalbleiter genau ein Informationskanal zugeordnet sein.
-
Höhere Sicherheit gegen äußere Beeinflussungen kann erreicht werden, indem beispielsweise jeweils zwei, insbesondere differentiell betriebene Übertragungsstrecken verwendet werden, zwischen denen die Signale in einer vordefinierten Beziehung stehen müssen um als ”gültige Information” anerkannt zu werden (4), oder es wird nur eine Übertragungsstrecke verwendet bei der gültige Informationen durch bestimmte, vorherdefinierte zeitliche Abfolgemuster von mehreren, zeitlich aufeinanderfolgenden Spannungsimpulsen gebildet werden (5).
-
Bei den in 6 und 7 gezeigten Anordnungen wird zur Kommunikation zwischen der Steuereinheit 9 und dem im Leistungshalbleitermodul 10 enthaltenen Steuerbaustein eine Funkstrecke verwendet, welche auch über einen im Leistungshalbleitermodul 10 führenden Hohlleiter 13 verläuft. Die Steuereinheit 9 ist jeweils neben dem Leistungshalbleitermodul 10 auf dem Kühlkörper 12 angeordnet, womit an dessen Deckfläche komfortabel Platz für die Lastanschlüsse 14.1 vom versorgenden Netz, 14.2 zum Glättungskondensator und 14.3 zur wegführenden Seite besteht. Die so gewonnene größere Gestaltungsfreiheit kann dazu genutzt werden, kompaktere Module mit geringem Zuleitungswiderstand und erniedrigter Streu-Induktivität zu realisieren.
-
Der Glättungskondensator 2.2 (1) kann auf Grund seiner erforderlichen großen Kapazität und der damit einhergehenden großen geometrischen Abmessungen nicht in das Leistungshalbleitermodul 10 integriert werden. Deshalb sind bei einem Leistungshalbleitermodul, welches einen Gleichrichter und einen Wechselrichter enthält, aus dem Gleichstromzwischenkreis heraus Lastanschlüsse 14.2 für den Anschluss des Glättungskondensators 2.2 vorzusehen. Aus Gründen der Verbindung zu allen einzelnen steuerbaren Leistungshalbleitern und um den in Pulsen auftretenden sehr hohen Strom zwischen Kondensator und Halbleitern verlustfrei und möglichst ohne induktive Behinderung führen zu können, sind diese Anschlüsse 14.2 als längliche Flächen ausgeführt an denen streifenförmige Leiter angeschlossen werden können.
-
Gemäß 7 ist einer der beiden Gleichspannungsanschlüsse 14.2 an einem abgesenkten Randbereich des Leistungshalbleitermoduls 10 angeordnet. Neben jenem großen Kühlkörper 12, welcher auch als Montageplatte dient, findet damit auch auf der diesem Kühlkörper 12 gegenüber liegenden Fläche des Leistungshalbleitermoduls 10 ein weiter Kühlkörper 12.1 Platz.
-
Die oben beschrieben leistungselektronischen Geräte bilden somit Schaltungsanordnungen mit einem Leistungshalbleitermodul und einer außerhalb dessen angeordneten Steuerschaltung. Im Leistungshalbleitermodul sind die steuerbaren Leistungshalbleiter und die Treiber einschließlich deren Spannungsversorgung sowie Teile der potentialfreien Signalversorgung untergebracht. Das Leistungshalbleitermodul weist somit keine als galvanische Verbindung herausgeführten Steueranschlüsse auf. Die Steuerschaltung ist in einem zumindest kleinen Abstand vom Leistungshalbleitermodul entfernt angeordnet. Steuersignale werden zwischen Steuerschaltung und Leistungshalbleitermodul mittels einer elektromagnetischen Übertragungsstrecke übertragen. Dazu sind die beiden Teile mit jeweils einer Sende- und Empfangseinrichtung und mit Schaltungsteilen zur Ansteuerung dieser Einrichtungen und zum Dekodieren der damit empfangenen Signale ausgestattet. Auf der Seite des Leistungshalbleitermoduls ist den Treibern ein Sender-Empfänger-Baustein vorgeschaltet, welcher die von der Steuerschaltung gesendeten Signale dekodiert und die damit erhaltenen Befehle an die betroffenen Treiber weiterleitet.
-
Dadurch, dass die Übertragung der Steuersignale von der Steuerschaltung an das Leistungshalbleitermodul nicht über eine materielle Leitungsverbindung erfolgt, sondern durch Elektromagnetismus, welcher kein materielles Medium erfordert, werden Signalübertragung und Wärmeübertragung voneinander wirksam entkoppelt. Darüber hinaus wird durch Wegfall der Steueranschlüsse Platz für die Anordnung der Lastkontakte gewonnen. Damit können die Laststrom führenden Leitungen so dimensioniert und geführt werden, dass sie sehr geringen ohmschen und induktiven Widerstand aufweisen.
-
Störsicherheit wird beispielsweise erreicht, indem je Kommunikantenpaar zwei Übertragungskanäle verwendet werden, wobei zur Übertragung einer Information in einem vorgegebenen zeitlichen Zusammenhang auf beiden Übertragungskanälen gesendet wird und wobei empfängerseitig nur die dementsprechend möglichen Empfangssignale als gültige Information akzeptiert werden. Störsicherheit kann auch erreicht werden, indem auf einer einzelnen Übertragungsstrecke übertragen wird, wobei möglichen zu übertragenden Informationen jeweils ein Abfolgemuster von einzelnen Impulsen zugeordnet ist und wobei Empfängerseitig als gültige Informationen nur derartige Abfolgemuster akzeptiert werden.
-
Die Luftstrecke bei der Übertragung kann zwischen 0,1 und 1 mm betragen. Damit ist einerseits in einfachster Weise gute Kopplung für die Informationsübertragung bei sehr geringer Streuwirkung der Wellen in die Umgebung möglich, andererseits ist durch diesen Abstand aber doch die Wärmeübertragung gegenüber einem direkten Kontakt stark reduziert. Die Übertragungsstrecke kann beispielsweise im HF-Bereich arbeiten. Damit können auch Entfernungen im Zentimeter- und Dezimeterbereich gut überbrückt werden, womit sich eine große Freiheit für die Anordnung der Kommunikationspartner im gemeinsam gebildeten Gerät ergibt.
-
Das Leistungshalbleitermodul kann an zwei seiner gegenüberliegenden Flächen mit jeweils einem Kühlkörper verbunden sein. Die für die Kühlung besonders vorteilhafte Bauweise ist möglich, weil durch die separate Anordnung der Steuerschaltung am Leistungshalbleitermodul Platz frei wird.
-
In einer beispielhaften Ausführung der Erfindung ist ein Leistungshalbleitermodul aus mehreren Segmenten (6 und 7) aufgebaut, wobei jedes Segment eine Teilmenge von Leistungshalbleitern, beispielsweise eine Halbbrücke, einschließlich deren Treiber und einen diesen zugeordneten Empfänger-Baustein enthält. Eine Steuerschaltung enthält dann für jeden Empfänger-Baustein eine separate Kommunikationsstrecke. Diese Bauweise ist besonders gut skalierbar.
-
Die mit den neuen Anordnungen erlangte Gestaltungsfreiheit gestattet auf einfache Weise, wie zum Beispiel in 6 gezeigt und strichpunktiert angedeutet ist, auch eine spezielle Anordnung der Anschlussleiterbahnen 14.4 zum Anschluss an einen Versorgungs- bzw. Lastbus, wobei es auch möglich ist übereinanderliegende, durch Luft oder einem festen Isolator voneinander elektrisch getrennte Leiterbahnen 14.5 und 14.6 anzuschließen.
-
Neben den beschriebenen Anordnungen gibt es noch eine Vielzahl weiterer möglicher Anordnungen. Besonders sei darauf hingewiesen, dass es auch möglich ist, ein Leistungshalbleitermodul aus mehreren Segmenten aufzubauen, wobei jedes Segment beispielsweise eine Halbbrücke einschließlich deren Treiber und einem diesen zugeordneten Empfänger-Baustein enthält. Eine Steuerschaltung enthält dann für jeden Empfänger-Baustein eine separate Kommunikationsstrecke. Darüber hinaus kann vorgesehen werden, dass eine einzige Steuerschaltung mehrere, auch voneinander unabhängige Module über jeweils separate drahtlose Verbindungen steuert.
