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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine übereinander angeordnete Struktur eines Leistungswandlers, der durch Parallelschalten von Leistungshalbleitermodulen konfiguriert ist.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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6 zeigt einen Hauptschaltplan eines Wechselrichters als ein typischer Leistungswandler.
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In 6 bezeichnet 11 eine Gleichstromquelle (Gleichstromquellen-Stromkreis), 12 eine Last, wie etwa einen Motor (Mo), und 13 eine Leistungswandeleinheit (Wechselrichter), die aus Leistungshalbleiterelementen besteht, die eine Wechselstrom-Ausgabe mit einer variablen Spannung und Frequenz bereitstellen können. Die Gleichstromquelle (Gleichstromquellen-Stromkreis) 11 besteht in der Regel aus einem elektrolytischen Kondensator mit einer großen Kapazität durch eine Wechselstromquelle und einen Diodengleichrichter.
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In dem Wechselrichter 13 steht das Bezugssymbol 14 für einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) als ein Schaltelement, und 15 steht für eine Diode, die antiparallel zu dem IGBT geschaltet ist, und sechs Schaltkreise, die jeweils diese Elemente aufweisen, bilden den Wechselrichter. Im Allgemeinen besteht ein Leistungshalbleitermodul (IGBT-Modul) aus einem Paar von zwei Elementen, und zwar einem oberen und einem unteren Element, oder aus einer Gruppe von sechs Elementen. Ein Wechselachter, der ein Ausgangssignal in drei Phasen bereitstellt und eine Kapazität hat, die größer als ein bestimmter Wert ist, besteht im Allgemeinen aus IGBT-Modulen, die jeweils zwei Elemente enthalten, wobei die Anzahl der Module ein Vielfaches von drei ist.
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Wenn die Kapazität eines Leistungswandlers erhöht werden soll, muss der Stromstandard der Elemente erhöht werden. Zu diesem Zweck muss eventuell ein IGBT-Modul mit einem hohen Stromstandard verwendet werden oder IGBT-Module müssen eventuell parallel geschaltet werden. 7 zeigt ein Beispiel, bei dem drei IGBT-Module M, die jeweils zwei Elemente enthalten, in jeder Phase parallel geschaltet sind. 8 zeigt die äußere Erscheinung eines IGBT-Moduls M, das zwei Elemente enthält. Wie in 8 gezeigt ist, weist das Modul M zum Beispiel Folgendes auf: einen Anschluss 16 (P) als einen positiven Anschluss, einen Anschluss 17 (N) als einen negativen Anschluss, einen Ausgangsanschluss 18 (U) und dergleichen.
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IGBT-Module erfordern in der Regel eine Wärmesenke zum Kühlen der Wärme durch Erzeugungsverlust. Eine typische Aluminium-Wärmesenke ist in 9 gezeigt. Sie hat meistens die Form eines Quaders, besteht aus einem Wärme-Aufnahmeteil 19 und einem Kühlrippenteil 20 und bewirkt eine Kühlung durch Ventilieren des Kühlrippenteils 20. Bei dem in 7 gezeigten Beispiel sind drei parallel geschaltete IGBT-Module in dem Wärme-Aufnahmeteil als neun Module mit allen Phasen oder als einzelne Phasen angeordnet, die jeweils drei Module enthalten, wie in den 10 bzw. 11 gezeigt ist.
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Die Konfiguration von IGBT-Modulen, die zwei Elemente enthalten, und Beispiele für drei gering beabstandete, parallel geschaltete IGBT-Module sind zum Beispiel in der
japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2005-117783 beschrieben.
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Wie vorstehend dargelegt worden ist, müssen zur Herstellung eines Gleichgewichts des Stroms zwischen IGBT-Modulen, bei einem Leistungswandler, bei dem die IGBT-Module parallel geschaltet sind, die IGBT-Module in einem geringen Abstand von einem Wärme-Aufnahmeteil angeordnet werden, wie es in 10 gezeigt ist, wo alle neun Module an nur einer Wärmesenke angeordnet sind, oder wie es in 11 gezeigt ist, wo jede Phase, die drei Module enthält, an einer Wärmesenke angeordnet ist.
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Wenn jedoch die Anzahl der parallel geschalteten Module erhöht wird (zum Beispiel auf fünf in dem Fall von 12), wird die Gesamtgröße eines Wandlers möglicherweise nicht verringert, wie es in 13 gezeigt ist, wo drei Phasen längs in der X-Richtung (seitlich) angeordnet sind.
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Wenn die Module hingegen in zwei Reihen in Bezug auf die Ventilationsrichtung angeordnet werden, kann die Länge in der X-Richtung (seitlich) verkürzt werden, wie es in den folgenden Figuren gezeigt ist: 14(a), in der drei Phasen von drei parallel geschalteten IGBT-Modulen an nur einer Wärmesenke angeordnet sind; 14(b), in der jede Phase von drei parallel geschalteten IGBT-Modulen an jeder Wärmesenke angeordnet ist; 15(a), in der drei Phasen von fünf parallel geschalteten IGBT-Modulen an nur einer Wärmesenke angeordnet sind; und 15(b), in der jede Phase von fünf parallel geschalteten IGBT-Modulen an jeder Wärmesenke angeordnet ist.
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Wenn jedoch die Anzahl von parallel geschalteten Modulen ungerade ist, entsteht im Gegensatz zu dem Fall, dass die Anzahl gerade ist, ein ungenutzter Raum, wie es in den 14 und 15 durch die punktierte Linie 21 dargestellt ist (nur teilweise dargestellt; das Gleiche gilt für den Rest), was eine effektive Nutzung der Wärmesenke weniger fördert.
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Wenn fünf Module auf der Luvseite und vier Module auf der Leeseite angeordnet sind, wie es in 16 (für drei parallel geschaltete IGBT-Modulen) gezeigt ist, kann der ungenutzte Raum gegenüber den in den 14 und 15 gezeigten Fällen reduziert werden. Da jedoch zwei IGBT-Module in der V-Phase auf der Leeseite angeordnet sind, haben diese beiden Module eine höhere thermische Belastung als die IGBT-Module in den anderen Phasen, was dazu führt, dass die thermische Konfiguration auf der Grundlage der V-Phase erfolgen muss.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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17 zeigt ein Beispiel, in dem fünf parallel geschaltete IGBT-Module an zwei Wärmesenken angeordnet sind.
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In diesem Fall enthalten die Wärmesenken 1A und 1B daran angeordnete IGBT-Module in unterschiedlicher Anzahl, sodass eine thermische Konfiguration auf der Grundlage der Wärmesenke 1A, die mehr IGBT-Module hat, erforderlich ist. Dadurch werden eine Wärmesenke und ein Gebläse mit einer höheren Strahlungsleistung benötigt.
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Somit ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, Wärmesenken effektiv zu nutzen, um sie zu verkleinern, die Kosten zu senken und die benötigte Gebläseleistung zu verringern.
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Um die vorstehenden Probleme zu lösen, ist die Erfindung nach Anspruch 1 eine übereinander angeordnete Struktur eines Leistungswandlers mit: einer Leistungswandlungsschaltung, die eine Ausgabe oder Eingabe eines Wechselstroms in drei Phasen bereitstellt und aus parallel geschalteten Leistungshalbleiterelement-Modulen in einer grundsätzlich ungeraden Anzahl für jede Phase besteht; und einer Wärmesenke zum Kühlen der Leistungshalbleiterelement-Module, wobei die parallel geschalteten Leistungshalbleiterelement-Module in der ungeraden Anzahl in einer ersten Phase und einer dritten Phase und parallel geschaltete Leistungshalbleiterelement-Module in einer geraden Anzahl in einer zweiten Phase jeweils in zwei Reihen an der Wärmesenke in Bezug auf eine Ventilationsrichtung von Luft zum Kühlen der Wärmesenke angeordnet sind.
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Die Erfindung nach Anspruch 2 ist eine übereinander angeordnete Struktur eines Leistungswandlers mit: einer Leistungswandlungsschaltung, die eine Ausgabe oder Eingabe eines Wechselstroms in drei Phasen bereitstellt und für jede Phase aus parallel geschalteten Leistungshalbleiterelement-Modulen in einer grundsätzlich ungeraden Anzahl besteht; und einer Wärmesenke zum Kühlen der Leistungshalbleiterelement-Module, wobei fünf der parallel geschalteten Leistungshalbleiterelement-Module so in einer ersten Phase und einer dritten Phase und sechs der parallel geschalteten Leistungshalbleiterelement-Module in einer zweiten Phase jeweils in zwei Reihen an zwei Wärmesenken in Bezug auf die Ventilationsrichtung von Luft zum Kühlen der Wärmesenken so angeordnet sind, dass die fünf Module in der ersten Phase und die drei Module in der zweiten Phase an der einen Wärmesenke angeordnet sind und die drei Module in der zweiten Phase und die fünf Module in der dritten Phase an der anderen Wärmesenke angeordnet sind.
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Bei der Erfindung nach Anspruch 1 oder 2 kann die Phase, in der die Module in der geraden Anzahl angeordnet sind, in einem mittleren Teil der Wärmesenke angeordnet sein (die Erfindung nach Anspruch 3). In der Erfindung nach den Ansprüchen 1 bis 3 können die zwei Reihen der Leistungshalbleiterelement-Module an der Wärmesenke so angeordnet werden, dass sie sich in zwei getrennten Reihen in Bezug auf die Ventilationsrichtung befinden (die Erfindung nach Anspruch 4).
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Erfindungsgemäß können die Wärmesenken effektiv genutzt werden, sodass sie verkleinert werden und außerdem die Kosten gesenkt werden und die erforderliche Gebläseleistung verringert wird. Dadurch können Stapel von Leistungswandlern und die Gesamtgröße eines Leistungswandlers reduziert werden, und ihre Kosten können gesenkt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Anordnung, die einen Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist eine Anordnung, die einen Aspekt mit einer anderen Anzahl von parallel geschalteten Modulen als in 1 zeigt.
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3 ist eine Anordnung, die einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 ist eine Anordnung, die eine Variante des Aspekts von 3 zeigt.
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5 ist eine Anordnung, die eine Variante des Aspekts von 3 zeigt.
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6 ist ein Schaltplan eines allgemeinen Beispiels für einen Wechselrichter.
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7 ist eine Anordnung, die eine Wechselrichterschaltung mit drei parallel geschalteten Leistungshalbleitermodulen zeigt.
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8 ist eine Außenansicht eines Leistungshalbleitermoduls, das zwei Elemente enthält.
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9 ist eine Außenansicht einer Aluminium-Wärmesenke.
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10 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, in dem Leistungshalbleitermodule mit drei Phasen an nur einer Wärmesenke angeordnet sind.
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11 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, in dem Leistungshalbleitermodule mit drei Phasen an drei Wärmesenken angeordnet sind.
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12 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, in dem Leistungshalbleitermodule mit einer Phase an nur einer Wärmesenke angeordnet sind.
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13 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, in dem Leistungshalbleitermodule mit drei Phasen an drei Wärmesenken angeordnet sind.
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14 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, in dem drei parallel geschaltete Leistungshalbleitermodule an einer oder mehreren Wärmesenken angeordnet sind.
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15 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, in dem fünf parallel geschaltete Leistungshalbleitermodule an einer oder mehreren Wärmesenken angeordnet sind.
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16 ist eine Draufsicht, die eine Variante von 14(a) zeigt.
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17 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel zeigt, in dem fünf parallel geschaltete Leistungshalbleitermodule an zwei Wärmesenken angeordnet sind.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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1 ist eine Anordnung, die einen Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind fünf IGBT-Module M in den Phasen U und W parallel geschaltet und sechs IGBT-Module M sind in der V-Phase parallel geschaltet. Bei dieser Konfiguration gibt es keinen ungenutzten Raum an dem Wärme-Aufnahmeteil der Wärmesenke 1, was eine effektive Nutzung der Wärmesenke 1 ermöglicht. Die thermische Belastung an der Phase V, die größer als die an den anderen Phasen in 17 ist, kann hier durch ein Modul mehr als in den anderen Phasen verringert werden.
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In 2 sind drei IGBT-Module M in den Phasen U und W parallel geschaltet und vier IGBT-Module M sind in der Phase V parallel geschaltet, und mit Ausnahme der Anzahl der parallel geschalteten Module sind die Einzelheiten die Gleichen wie die in 1, sodass eine detaillierte Erläuterung entfällt.
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3 zeigt einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Aspekt sind ähnlich wie in 1 fünf IGBT-Module M in den Phasen U und W parallel geschaltet und sechs IGBT-Module M sind in der V-Phase parallel geschaltet, mit der Ausnahme, dass zwei Wärmesenken 1A und 1B vorgesehen sind. Bei dieser Konfiguration werden die thermischen Belastungen (gesamter Erzeugungsverlust der IGBT-Module) an den Wärmesenken 1A und 1B ausgeglichen und der Erzeugungsverlust je Modul in der Phase V wird gegenüber dem von 17 um 5/6 verringert. Dadurch wird die thermische Belastung (gesamter Erzeugungsverlust der IGBT-Module) an der gesamten Wärmesenke verringert, sodass die Wärmesenke verkleinert werden kann und die erforderliche Gebläseleistung verringert werden kann.
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4 zeigt Varianten der 1 und 2. Bei dieser Ausführungsform ist die Wärmesenke 1, die zwei Reihen hat, in einen oberen und einen unteren Teil unterteilt, und die Module M in der ersten und der zweiten Reihe sind an der Wärmesenke 1A bzw. 1B angeordnet. Bei dieser Konfiguration kann die thermische Belastung an den Wärmesenken 1A und 1B ausgeglichen werden.
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5 zeigt eine Variante von 3, bei der die Module M in der ersten und der zweiten Reihe von 3 an den Wärmesenken 1A und 1B bzw. 1C und 1D angeordnet sind. Bei dieser Konfiguration kann die thermische Belastung an den Wärmesenken 1A bis 1D ausgeglichen werden.
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Vorstehend sind Ausführungsformen dargestellt worden, bei denen drei oder fünf IGBT-Module parallel geschaltet sind, aber die vorliegende Erfindung kann im Allgemeinen für solche Ausführungsformen verwendet werden, bei denen die Anzahl von parallel geschalteten Modulen grundsätzlich ungerade ist, wie etwa sieben (in diesem Fall sind in der Phase V acht Module parallel geschaltet) und neun (in diesem Fall sind in der Phase V zehn Module parallel geschaltet). Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung ebenso für Ausführungsformen verwendet werden, bei denen die Elemente nicht nur IGBTs sind, sondern auch Leistungshalbleitermodule, wie etwa MOSFETs und Dioden, und bei denen der Wandler eine Wechselstrom-Eingabe bereitstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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