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Hintergrund
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Technisches Gebiet
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein Stromversorgungen. Besondere Ausführungsformen betreffen mittels Halbleitern geschaltete Stromversorgungen.
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Diskussion des Stands der Technik
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Stromversorgungen sind elektronische/elektrische Schaltkreise, die elektrischen Strom an eine oder mehrere elektrische Lasten liefern. Der Begriff ”Stromversorgung” wird meistens auf eine Ansammlung oder Anordnung elektrischer Bauelemente angewendet, die eine Form von elektrischer Energie in eine andere umwandeln, und üblicherweise als ”Stromrichter” bezeichnet werden. Viele Stromversorgungen enthalten einen oder mehrere miteinander verbundene Stromrichter. Typischerweise sind Stromrichter ”schaltende” Stromrichter, in welchen mehrere Halbleiterbauelemente dazu verwendet werden, intermittierend einen Eingangsstrom zu unterbrechen, um somit eine Umwandlung des Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom mit unterschiedlicher Amplitude, Spannung und/oder Frequenz zu bewirken. Beispielsweise empfängt ein ”AC-Stromrichter” einen Gleich- oder Wechseleingangsstrom und erzeugt einen Wechselausgangsstrom bei Auslegungswerten von Spannung, Strom und/oder Frequenz. Im Gegensatz dazu erzeugt ein ”DC-Stromrichter” Ausgangsstrom bei im Wesentlichen konstanter Ausgangsspannung und/oder konstantem Strom.
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Herkömmliche Stromrichter sind im Wesentlichen Gruppierungen mehrerer Halbleiterschalter, die mit AC-Ausgangsanschlüssen von einer DC-Schiene mit hohem Potential oder von einer DC-Schiene mit niedrigerem Potential verbunden sind. Die zwei DC-Schienen sind üblicherweise als ein ”DC-Zwischenkreis” bekannt, während der Begriff ”DC-Zwischenkreisspannung” oft dazu genutzt wird, um eine Potentialdifferenz über diesem DC-Zwischenkreis zu bezeichnen. Typischerweise sind die Halbleiterschalter Transistoren, die geschaltet werden, um einen Wechselstrom aus den DC-Quellenschienen zu erzeugen. Das Schalten der Transistoren induziert Spannungsstöße zwischen den DC-Schienen und den AC-Ausgangsanschlüssen. Demzufolge ist jeder Transistor zusammen mit einer antiparallelen Diode zur Stoßvermeidung verpackt. Zusätzlich sind manchmal Kondensatoren über den Stromanschlüssen einzelner Schalter angeschlossen, um schnelle Spannungs- oder Stromanstiege während Schaltübergängen zu vermeiden. Insbesondere haben ”Dämpfer (Snubber)”-Kondensatoren diese Aufgabe. Ferner benötigt jeder Spannungsquellenstromrichter einen oder mehrere Kondensatoren, die direkt oder in sehr enger Nähe über den DC-Zwischenkreisanschlüssen dieser Stromrichter angeschlossen sind, um des Weiteren induktive Spannungsstöße über den Umrichterschaltern zu vermindern. ”Kommutierungs”-Kondensatoren haben diese Aufgabe.
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Kondensatoren leiten einen Leckstrom während deren Spannungstransienten, haben einen messbaren Widerstand und dissipieren daher jedes Mal Wärme, wenn sie einen Spannungsstoß absorbieren. Jeder Kondensator ist bewusst mit einer Sicherheitsgrenzwert dergestalt spezifiziert, dass elektrische Auslegungsparameter, wie z. B. ein dielektrischer Durchschlag, während des normalen Betriebs nicht erreicht werden sollte. Außerdem ist jeder Kondensator dafür ausgelegt, Auslegungstemperaturtransienten zu widerstehen. Wie man erkennt, tragen diese Merkmale zu Kosten bei der Auslegung, Fertigung und beim Betrieb bei. Beispielsweise erfordern die Kondensatoren zusätzliche Auslegungsarbeiten. Sie erfordern auch zusätzliche Teilebeschaffung, Verfolgung und Montage.
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In Betrieb bewirken die Kondensatoren, dass jeder herkömmliche Stromrichter ein größeres Volumen einnimmt und mehr Wärme dissipiert als andererseits erforderlich wäre, und vermindern dadurch die erzielbare Nettoleistungsdichte. Die Wärmedissipation aus den Kondensatoren erhöht auch eine parasitäre Belastung, die zur Kühlung der Stromumrichter erforderlich ist, und reduziert dadurch die erzielbare Nettoleistungsdichte im eingebauten Zustand. Ferner dient jeder Kondensator nur einem Teilzweck während des normalen Betriebs eines Stromrichters. Somit haben die herkömmlichen Stromrichter, die Kondensatoren enthalten, signifikante Mehrkosten, höhere Kühlanforderungen und eine niedrigere Gewichts- und Volumennettoleistungsdichte als wünschenswert wäre.
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Angesichts des Vorstehenden ist es wünschenswert, die Kosten und die Kühlanforderungen von Stromversorgungen zu reduzieren, während gleichzeitig ihre Leistungsdichte gesteigert wird. Daher ist es wünschenswert, Stromversorgungen bereitzustellen, die zu einem sicheren Betrieb mit kleineren Kondensatoren in der Lage sind.
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Kurzbeschreibung
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In Ausführungsformen enthält eine Kondensatorbank eine laminierte Busschiene mit einer Hochpotentialleiterlage und einer Niedrigpotentialleiterlage, die an gegenüberliegenden Oberflächen einer dazwischenliegenden Isolationslage angeordnet sind. Die Bank enthält auch mehrere Buskondensatoren, die elektrisch mit der laminierten Busschiene verbunden sind. Die laminierte Busschiene und die Buskondensatoren haben eine kombinierte Induktivität, die ausreichend niedrig ist, dass die Buskondensatoren elektrisch wirksam zu der laminierten Busschiene parallelgeschaltet sind.
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Die Hochpotentialleiterschicht kann eine Anordnung von Hochpotentialdurchführungen enthalten; die Niedrigpotentialleiterschicht kann eine Anordnung von Niedrigpotentialdurchführungen enthalten; die mehreren Buskondensatoren können jeweils einen entsprechenden Hochpotentialanschluss haben, welcher an der Hochpotentialleiterschicht der laminierten Busschiene angeschlossen ist und einen entsprechenden Niedrigpotentialanschluss, der an der Niedrigpotentialleiterschicht der laminierten Busschiene angeschlossen ist; und die Buskondensatoren können elektrisch wirksam zu den Hochpotentialdurchführungen und den Niedrigpotentialdurchführungen der laminierten Busschiene parallelgeschaltet sein.
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Jede die vorstehend erwähnte Kondensatorbank aufweisende Stromversorgungsvorrichtung kann ferner aufweisen: wenigstens einen elektrisch mit der Busschiene über wenigstens einen der Hochpotentialdurchführungen und wenigstens einen der Niedrigpotentialdurchführungen wirksam zu Buskondensatoren parallelgeschalteten Stromrichter, wobei der Stromrichter keinen Kommutierungskondensator beherbergt.
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Der wenigstens eine Stromrichter jeder der vorstehend erwähnten Stromversorgungsvorrichtungen kann ein erster Stromrichter von mehreren Stromrichtern sein, welche alle elektrisch wirksam zu den Buskondensatoren parallelgeschaltet sein können und keine internen Kommutierungskondensatoren enthalten.
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Jede vorstehend erwähnte Stromversorgungsvorrichtung kann ferner wenigstens eine elektrisch mit der laminierten Sammelschiene verbundene DC-Stromquelle wirksam parallel zu den Stromrichtern aufweisen.
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Die wenigstens eine DC-Stromquelle jeder der vorstehend erwähnten Stromversorgungsvorrichtungen kann wenigstens eine von einer Batterie, einem Ultra-Kondensator, einer photovoltaischen Zelle oder einem DC-Generator enthalten.
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Der erste Stromrichter jeder der vorstehend erwähnten Stromversorgungsvorrichtungen kann als ein Master-Stromrichter eingerichtet sein und die anderen Stromrichter von den mehreren Stromrichtern können datenparallel mit den Master-Stromrichter verbunden sein.
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Der erste Stromrichter jeder der vorstehend erwähnten Stromversorgungsvorrichtungen kann als ein Master-Stromrichter eingerichtet sein und die anderen Stromrichter von den mehreren Stromrichtern sind datenseriell mit dem Master-Stromrichter verbunden.
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Die Buskondensatoren jede Stromversorgungsvorrichtung können an einen ersten Flügel der laminierten Sammelschiene angeschlossen sein, während die Hochpotentialdurchführungen und die Niedrigpotentialdurchführungen an einem zweiten Flügel der laminierten Sammelschiene ausgebildet sein können, der sich im Wesentlichen rechtwinklig zu dem ersten Flügel erstreckt.
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Jede die vorstehend erwähnte Kondensatorbank aufweisende Stromversorgungsvorrichtung kann ferner aufweisen: wenigstens einen Stromrichter, der elektrisch dergestalt mit der laminierten Sammelschiene verbunden ist, dass er wirksam zu den Buskondensatoren parallelgeschaltet ist, wobei der wenigstens eine Stromrichter keinerlei Kommutierungskondensatoren enthält.
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Jede vorstehend erwähnte Stromversorgungsvorrichtung kann aufweisen: wenigstens eine mit der laminierten Sammelschiene elektrisch verbundene DC-Stromquelle wirksam parallel zu dem wenigstens einen Stromrichter.
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In weiteren Ausführungsformen enthält eine Stromversorgungsvorrichtung eine laminierte Busschiene mit einer Hochpotentialleiterlage und einer Niedrigpotentialleiterlage, die in unmittelbarer Nähe an gegenüberliegenden Oberflächen einer dazwischenliegenden Isolationslage angeordnet sind. Die Hochpotentialleiterlage enthält eine Anordnung von Hochpotentialdurchkontaktierungen und die Niedrigpotentialleiterlage enthält eine Anordnung von Niedrigpotentialdurchkontaktierungen. Die Vorrichtung enthält ferner mehrere Buskondensatoren, wovon jeder einen elektrisch mit der Hochpotentialleiterlage verbundenen Hochpotentialanschluss und einen elektrisch mit der Niedrigpotentialleiterlage der Busschiene verbundenen Niedrigpotentialanschluss hat, und mehrere Stromrichter, wovon jeder zwischen eine von den Hochpotentialdurchkontaktierungen und eine von den Niedrigpotentialkontaktierungen geschaltet ist. Die Stromrichter haben keine Kommutierungskondensatoren.
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Jeder Stromrichter kann nur eine entsprechende Hilfskapazität beherbergen.
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Die Stromrichter jeder vorstehend erwähnten Stromversorgungsvorrichtung können in einem geringeren Abstand als Stromrichter einer Stromversorgungsvorrichtung mit Kommutierungskondensatoren angeordnet sein.
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Jeder Stromrichter kann eine Nettoleistungsdichte von wenigstens ca. 2,6 W/cm3 haben, und die Stromrichter können entlang der Busschiene in nicht mehr als ca. 15 cm Mittelpunktsabstand angeordnet sein.
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Die Stromrichter jeder vorstehend erwähnten Stromversorgungsvorrichtung können wenigstens einen ersten Stromrichter aufweisen, der dafür eingerichtet ist, Strom an die laminierte Busschiene zu liefern und wenigstens einen zweiten Stromrichter, der dafür eingerichtet ist, Strom von der laminierten Busschiene aufzunehmen.
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In weiteren Ausführungsformen hat eine laminierte Busschiene eine Isolationslage, die sich entlang einer Achse erstreckt und im Wesentlichen ein gleichmäßiges Profil rechtwinklig zu der Achse definiert. Das Profil beinhaltet einen ersten Flügel und einen zweiten Flügel, der in einem Winkel von einer Längskante des ersten Flügels vorsteht. Die Busschiene enthält auch eine an einer ersten Oberfläche der Isolationslage angeordnete erste Leiterlage und eine an einer zweiten Oberfläche der Isolationslage gegenüber der ersten Leiterlage angeordnete eine zweite Leiterlage. Mehrere erste und zweite Durchkontaktierungen sind in elektrischem Kontakt mit der ersten Leiterlage durch den ersten Flügel bzw. durch den zweiten Flügel ausgebildet. Mehrere dritte und vierte Durchkontaktierungen sind in elektrischem Kontakt mit der zweiten Leiterlage durch den ersten Flügel bzw. durch den zweiten Flügel ausgebildet.
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Die erste und zweite Lage der Busschiene können sich dergestalt in unmittelbarer Nähe befinden, dass die laminierte Busschiene eine minimale parasitäre Induktivität über den mehreren Durchkontaktierungen darstellt.
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Die mehreren ersten und zweiten Durchkontaktierungen jeder vorstehend erwähnten Busschiene können entlang der Achse der laminierten Busschiene angeordnet sein.
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Die mehreren dritten und vierten Durchkontaktierungen jeder vorstehend erwähnten Busschiene können entlang der Achse der laminierten Busschiene angeordnet sein.
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Das Profil jeder vorstehend erwähnten Busschiene kann im Wesentlichen gleichmäßig sein.
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Jede vorstehend erwähnte Stromversorgungsvorrichtung kann aufweisen: wenigstens eine von den vorstehend erwähnten laminierten Busschienen; mehrere an dem ersten Flügel angebrachte und elektrisch zwischen die erste Leiterlage und die zweite Leiterlage mittels der mehreren ersten und dritten Durchkontaktierungen geschaltete Buskondensatoren; und mehrere an dem zweiten Flügel angebrachte und elektrisch zwischen die erste Leiterlage und die zweite Leiterlage mittels der mehreren zweiten und vierten Durchkontaktierungen geschaltete Buskondensatoren.
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Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird mit dem Lesen der nachstehenden Beschreibung nicht-einschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei nachstehend:
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1 eine elektronische schematische Ansicht einer modularen dämpferlosen Stromversorgung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 in schematischer Schnittansicht die in 1 dargestellte dämpferlose modulare Stromversorgung veranschaulicht;
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3 in perspektivischer Ansicht die in 1 dargestellte dämpferlose modulare Stromversorgung veranschaulicht.
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4 in schematischer Ansicht einen datenparallelen Signalfluss zwischen Master- und Slave-Stromrichtern gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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5 in schematischer Ansicht einen datenseriellen Signalfluss zwischen Master- und Slave-Stromrichtern gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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Detaillierte Beschreibung
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Es wird nun im Detail Bezug auf exemplarische Ausführungsformen der Erfindung genommen, wovon Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Wo immer möglich, werden dieselben Bezugszeichen durchgängig durch die Zeichnungen verwendet, um dieselben oder gleichen Teile ohne doppelte Beschreibung zu bezeichnen. Obwohl exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf eine AC-Stromversorgung beschrieben werden, sind Ausführungsformen der Erfindung auch zur Verwendung mit Stromversorgungen allgemein anwendbar.
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Aspekte der Erfindung betreffen modulare Stromrichter, die ohne Kondensatoren aufgebaut sind. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen auf eine laminierte Busschiene dergestalt gebaute Stromversorgungen, dass die relativ niedrige Induktivität der Busschiene eine wirksame Parallelschaltung zahlreicher Buskondensatoren in einer Bank zum Absorbieren von Spannungsstößen ermöglicht. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen derartige Stromversorgungen, in welchen die kombinierte Induktivität von Busschienen und Buskondensatoren ausreichend niedrig ist, um eine modulare Verbindung von ”dämpferlosen” Stromrichtern zu ermöglichen, die keine Kondensatoren enthalten. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen Stromversorgungen, die mit reduzierter Masse und Volumen in Bezug auf herkömmliche Stromversorgungen aufgebaut sind, in welchen dämpferlose Stromrichter enger beabstandet sind, als es in einer herkömmlichen Stromversorgung möglich ist, um dadurch eine größere Leistungsdichte nach der Herstellung zu ermöglichen. Weitere Aspekt der Erfindung betreffen Stromversorgungen mit verringerten Kühlanforderungen in Bezug auf herkömmliche Stromversorgungen, in welchen dämpferlose Stromrichter weniger Wärme als in einer herkömmlichen Stromversorgung dissipieren, wodurch die verringerten Kühlanforderungen den Bau von Stromversorgungen mit weniger oder niedriger bemessenen Kühlkomponenten ermöglichen, was eine größere Nettoeinbauleistungsdichte ermöglicht. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen auf einer modularen Busschienenarchitektur aufgebaute Stromversorgungen, auf welchen Buskondensatoren und dämpferlose Stromrichter in modularer Weise hinzugefügt oder entfernt werden können (”Plug and Play”).
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So wie hierin verwendet bezeichnen die Begriffe ”im Wesentlichen”, ”im Allgemeinen” und ”ca.” Zustände mit vernünftig erreichbaren Fertigungs- und Montagetoleranzen in Bezug auf ideale gewünschte Bedingungen, die für die Erreichung des funktionalen Zweckes einer Komponente oder Anordnung geeignet sind.
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In einer exemplarischen Ausführungsform gemäß Darstellung in 1 enthält eine modulare Stromversorgung 10 mehrere dämpferlose Stromrichter 12, die über Durchkontaktierungen 14, 16 mit Hoch- und Niedrigpotentiallagen 18, 20 einer laminierten DC-Busschiene 22 parallel zu Buskondensatoren 24 verbunden sind. Beispielsweise sind die Durchkontaktierungen 14, 16 als Buchsen für die Aufnahme von Gewindebefestigungselementen wie z. B. (nicht dargestellten) Kopfschrauben eingerichtet, um Anschlüsse von Stromrichtern 12 elektrisch mit den Busschienenlagen 18, 20 zu verbinden. Jeder Stromrichter 12 enthält mehrere Leistungstransistoren 26 (z. B. IGBTs, MOSFETs, JFETs, BJTs oder andere geeignete Halbleiterschaltelemente), wobei jeder mit einer antiparallelen Diode 28 zwischen einer der Lagen 18 oder 20 und einem von mehreren AC-Ausgangsanschlüssen 30 verbunden ist. (Mit ”antiparallel” ist gemeint, dass die Diodenkathode mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist, während die Diodenanode mit dem Emitter des Transistors verbunden ist). Die Leistungstransistoren 26 und die antiparallelen Dioden 28 sind in einem Stromrichtergehäuse 29 eingebaut. Die Lagen 18, 20 der DC-Busschiene 22 können auch mit dem positiven und negativen Pol einer DC-Stromquelle 31 verbunden sein, welche einen Generator, eine photovoltaische Zelle, einen thermovoltaischen Stapel, eine Energiespeichervorrichtung (z. B. eine Batterie oder ein Schwungrad) und/oder eine andere Quelle von Gleichstrom enthalten kann.
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Gemäß 2 enthält die laminierte DC-Busschiene 22 eine Hochpotentiallage 18 und eine Niedrigpotentiallage 20, welche um eine Isolationslage 32 herum sandwichartig angeordnet (getrennt) sind. ”Hochpotential” und ”Niedrigpotential” sind in Bezug aufeinander relativ mit der Bedeutung, dass sich im Betrieb mit einer mit den Lagen 18, 20 verbundenen DC-Quelle 31 ein Hochpotentialelement (z. B. die Lage 18) auf einem höheren Potential befindet als ein Niedrigpotentialelement (z. B. die Lage 20), welche sich auf einem niedrigeren Potential als das Hochpotentialelement. Die Hochpotential- und Niedrigpotentiallagen 18, 20 sind relativ dünne Lagen mit relativ hoher Leitfähigkeit (z. B. weniger als 3 mm dick; weniger als 2 × 10–8 Ohm/m spezifischer Widerstand). Diese Lagen sind in unmittelbarer Nähe an gegenüberliegenden Oberflächen der Isolationslage 32 angeordnet, welche eine relativ dünne Lage mit relativ hoher dielektrischer Durchschlagfestigkeit ist (z. B. weniger als 2 mm dick; höher als 30 kV/m). Beispielsweise kann die Isolationslage 32 aus PET, Teflon, Melaminharz oder ähnlich hochohmigen Polymeren bestehen. Die Hochpotential- und Niedrigpotentiallagen können aus Kupfer, Aluminium oder ähnlichen hochleitenden Materialien bestehen. Da die Leiterlagen dünn sind, relativ nahe aneinander sind und Strom in im Wesentlichen entgegengesetzten Richtungen an jedem Punkt über der Busschiene 22 leiten, nähert sich die in der laminierten Busschiene 22 gespeicherte magnetische Energie in Gleichstromanwendungen selbst während des Schaltens von Strom an. Somit stellt die laminierte DC-Busschiene 22 eine niedrige Induktivität für die Stromrichter 12 dar. Zusätzlich sind dünne isolierende Lagen 33 ähnlich der Isolationslage 32 auf den Außenoberflächen der Leiterlagen 18, 20 vorgesehen. Jeder einzelne Stromrichter 12 enthält eine ähnliche laminierte Stromversorgungsschiene 35, welche aus dem Stromrichtergehäuse 29 zur Befestigung an der laminierten Busschiene über die Durchkontaktierungen 14, 16 vorsteht.
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Gemäß
1 besteht ein Aspekt der Erfindung darin, dass es die relativ niedrige Induktivität der laminierten Busschiene
22 ermöglicht, zahlreiche Buskondensatoren
24 getrennt von jedem von mehreren dämpferlosen Stromrichtern
12 und ohne signifikante Selbstinduktion der Busschiene
22 zwischen den Buskondensatoren
24 und den verschiednen Stromrichtern
12 zu montieren. Im Gegensatz dient die Induktivität von Busschienen herkömmlichen Stils dazu, jeden Buskondensator von wirksam von seinem Nachbarn und von den Stromwandlern zu isolieren, zu welchem dieser Buskondensator keine direkte mechanische Verbindung hat. Somit können in Ausführungsformen der Erfindung die Buskondensatoren
24 wirksam parallelgeschaltet werden und können lastmäßig zwischen den Stromrichtern
12 verteilt werden, um die gewünschte hohe Arbeitskapazität mit einer relativ niedrigen Nettoinduktivität zu erzielen. In einem Aspekt bedeutet ”wirksam parallelgeschaltet” dass eine kombinierte Induktivität der Busschiene
22 und der Buskondensatoren
24 ausreichend klein ist, dass alle Buskondensatoren
24 im Wesentlichen einen induktiven Stoß über jedem Paar von Hochpotential- und Niedrigpotentialdurchkontaktierungen
14,
16 absorbieren können. Beispielsweise ist:
wobei L
s = die kombinierte Induktivität der Busschiene
22 und der Buskondensatoren
24 ist; U
dc = die DC-Zwischenkreisbetriebsspannung ist; k = (Blockierungsspannung des Transistors
26 – U
dc)/U
dc ist; t
sw = die Zeit ist, die jeder Schalter
26 zum Schalten des Stroms benötigt; und I
ph = der zu schaltende Phasenstrom ist. Beispielsweise sollte wo U
dc = 800 V ist, die Transistorsperrspannung = 1200 V ist, t
sw = 0,1 μs ist und I
ph = 1200 A ist, L
s ca. 33 nH nicht überschreiten, wenn die Kondensatoren
24 wirksam mit den mehreren Stromrichtern
12 parallel zu schalten sind.
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Als ein Vorteil der vorliegenden Erfindung können weniger Buskondensatoren verwendet werden, um die gleiche Kommutation zu erreichen, die früher durch zahlreiche Kondensatoren mit einzelnen Stromrichtern bereitgestellt wurde.
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Beispielsweise sind, wie in den
2 und
3 dargestellt, mehrere Buskondensatoren
24 bei einem ersten Flügel
34 der laminierten Busschiene
22 parallelgeschaltet, während mehrere Stromrichter
12 durch ihre Stromversorgungsschienen
35 bei einem zweiten Flügel
36 parallelgeschaltet sind. Die Buskondensatoren
24 und die Busschiene
22 zusammen stellen eine wirksame niedrige Kommutierungsinduktivität für alle Schenkel von Stromversorgungen bereit, wie sie an den Durchkontaktierungen
14,
16 für jeden Stromrichter
12 zu sehen ist. Die Buskondensatoren
24 stellen zusammen mit der laminierten Busschiene
22 ausreichend Kapazität zur Verfügung, um einen stabilen Betrieb jedes Stromrichters
12 sicherzustellen. Beispielsweise würden fünf jeweils für 60 KW ausgelegte Stromeinheiten einen relativ niedrigen Wert einer Businduktivität (z. B. weniger als ca. 50 nH) sehen und aufgrund der von den Stromrichtern
12 gemeinsam genutzten relativ hohen Buskapazität, die (z. B. ca. 10 mF) ist es möglich, die Leistungstransistoren
26 etwa bis zu wenigen kHz zu betreiben, ohne Spannungsstöße zu bewirken, welche die Blockierungsfähigkeit der einzelnen Schalter überschreiten. Somit ist es möglich, eine Stromversorgungsanordnung
10 mit Stromrichtern
12 bereitzustellen, die keine Kondensatoren innerhalb der Stromversorgungen enthalten. Ferner ist die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingebaute Kapazität räumlich von jedem Stromrichtergehäuse getrennt. Während herkömmliche Konstruktionen den Einbau einer Kapazität in der Größenordnung von
in jedem Stromrichtergehäuse
29 erfordern [hier ist P die Nennleistung des Umrichters in kVA, U
dc die DC-Zwischenkreisspannung in V, und das Ergebnis liegt in F vor], erfordern ausgewählte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Gesamthilfskapazität innerhalb jedes Umrichtergehäuses
29 von nicht mehr als 1/100 dieses Wertes.
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Das Fehlen von Kondensatoren vermindert das für jeden der modularen Wandler 12 erforderliche Gesamtvolumen und vermindert auch den erforderlichen Kühlluftstrom für jeden modularen Stromrichter 12, was bedeutet, dass es möglich ist, jeden Stromrichter 12 sehr nahe an einem nächsten Stromrichter 12 zu montieren. Beispielsweise hat in einer Ausführungsform jeder Stromrichter eine Nennleistung von wenigstens ca. 55 kW und belegt ein Volumen von ca. 500 mm × 290 mm × 140 mm für eine Leistungsdichte von ca. 2,7 W/cm3. Die Stromrichter 12 sind entlang der laminierten Busschiene 22 in einem Mittenabstand von ca. 145 mm angeordnet.
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Tatsächlich strömt die Kühlluft um die Buskondensatoren 24. Da die niedrige Induktivität der laminierten Busschiene 22 die Montage jedes Buskondensators 24 ohne direkte mechanische Verbindung mit jedem einzelnen Stromrichter 12 erlaubt, können die Buskondensatoren für maximale Wärmeübertragung angeordnet werden. Beispielsweise sind die Buskondensatoren 24 von dem ersten Flügel 34 der Busschiene 22 dergestalt vorstehend dargestellt, dass die Kühlluft vertikal um die und entlang den Buskondensatoren für eine vorteilhafte Konvektionswärmeübertragung strömen kann.
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In 4 ist ein weiterer Aspekt der Erfindung unter Bezugnahme auf die Signalflüsse 50 zwischen mehreren Stromrichtern 12 innerhalb der exemplarischen erfindungsgemäßen Stromversorgung 10 dargestellt. Hier ist ein erster Stromrichter 12a als der ”Master”-Umrichter dargestellt. So wie hierin verwendet, bedeutet ”Master” einen einzelnen Stromrichter, der dafür eingerichtet ist, den Zeittakt vorzugeben und anderweitig den Betrieb zusätzlicher ”Slave”-Stromrichter zu steuern, die mit der laminierten DC-Busschiene 22 verbunden sind. Beispielsweise sendet der Master-Stromrichter 12a wenigstens ein Zeittaktsignal 52 sowie ein Frequenzauswahlsignal 54 an mehrere Stromrichter 12b, 12c usw. aus, welche als ”Slave”-Stromrichter dargestellt sind. Jeder von den Slave-Stromrichtern sendet wiederum ein Status- und Fehlersignal 56 an den Master-Stromrichter 12a.
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In 4 sind die Slave-Stromrichter datenparallel verschaltet dargestellt, mit anderen Worten, jeder kommuniziert direkt mit dem Master-Stromrichter. Andererseits zeigt 5 Slave-Stromrichter, die datenseriell verschaltet sind, mit anderen Worten, jeder einzelne ist mit dem nächsten in Richtung zu dem Master-Stromrichter verbunden.
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Somit enthält in Ausführungsformen eine Kondensatorbank (für eine Stromversorgungsvorrichtung) eine laminierte Busschiene und mehrere Buskondensatoren. Die Busschiene hat eine Hochpotentialleiterlage und eine Niedrigpotentialleiterlage, die an gegenüberliegenden Oberflächen einer dazwischenliegenden Isolationslage angeordnet sind. Die Kondensatorbank enthält ferner mehrere Buskondensatoren, die elektrisch mit der laminierten Busschiene verbunden sind. Die laminierte Busschiene und die Buskondensatoren haben eine kombinierte Induktivität, die ausreichend niedrig ist, sodass die Buskondensatoren elektrisch wirksam zu der laminierten Busschiene parallelgeschaltet sind.
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In Ausführungsformen enthält die Hochpotentialleiterlage eine Anordnung von Hochpotentialdurchkontaktierungen und die Niedrigpotentialleiterlage enthält eine Anordnung von Niedrigpotentialdurchkontaktierungen. Jeder Kondensator hat einen an der Hochpotentialleiterlage der laminierten Busschiene angeschlossenen Hochpotentialanschluss und hat einen hat einen an der Niedrigpotentialleiterlage der laminierten Busschiene angeschlossenen Niedrigpotentialanschluss. Die laminierte Busschiene und die Buskondensatoren stellen eine minimale kombinierte oder parasitäre Induktivität dar, welche ausreichend niedrig ist, sodass die Buskondensatoren wirksam elektrisch zu den Hochpotentialdurchkontaktierungen und den Niedrigpotentialdurchkontaktierungen parallelgeschaltet sind. Beispielsweise ist die kombinierte parasitäre Induktivität minimal klein, sodass alle Buskondensatoren im Wesentlichen in gleicher Weise einen induktiven Spannungsstoß über einem beliebigen Paar der Hoch- und Niedrigpotentialdurchkontaktierungen absorbieren können. In bestimmten Ausführungsformen sind wenigstens ein Stromrichter elektrisch mit der Busschiene über wenigstens eine Hochpotentialdurchkontaktierung und wenigstens eine Niedrigpotentialdurchkontaktierung wirksam zu den Buskondensatoren dergestalt parallelgeschaltet, dass der Stromrichter ohne Notwendigkeit, einen Kommutierungskondensator zu beherbergen, arbeiten kann. In derartigen Ausführungsformen kann der wenigstens eine Stromrichter ein erster Stromrichter von mehreren Stromrichtern sein, welche alle elektrisch wirksam zu den Buskondensatoren parallelgeschaltet sind und keine internen Kommutierungskondensatoren enthalten. Ausführungsformen können ferner wenigstens eine DC-Stromquelle enthalten, die mit der Busschiene wirksam parallel zu den Stromrichtern verbunden ist. Die DC-Stromquelle kann eine oder mehrere von einer Batterie, einem Ultrakondensator, einer Photovoltaik-Zelle oder -Anordnung oder einem DC-Generator beinhalten. In Ausführungsformen kann der erste Stromrichter als ein Master-Stromrichter eingerichtet sein, wobei die zusätzlichen Stromrichter datenparallel zu dem Master-Stromrichter geschaltet sind. Oder der erste Stromrichter kann als ein Master-Stromrichter eingerichtet sein, wobei die zusätzlichen Stromrichter datenseriell mit dem Master-Stromrichter verbunden sind. In Ausführungsformen sind die Buskondensatoren an einem ersten Flügel der laminierten Busschiene angeschlossen, während die Hochpotentialdurchkontaktierungen und die Niedrigpotentialdurchkontaktierungen an einem zweiten Flügel der laminierten Busschiene ausgebildet sind, die sich im Wesentlichen rechtwinklig zu dem ersten Flügel erstreckt. Somit ist es möglich, dass die mehreren Stromwandler enger beabstandet sind als es für Stromrichter mit Kommutierungskondensatoren möglich wäre.
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In Ausführungsformen enthält eine Stromversorgungsvorrichtung eine laminierte Busschiene, Buskondensatoren und Stromrichter. Die laminierte Busschiene hat eine Hochpotentialleiterlage und eine Niedrigpotentialleiterlage, die in unmittelbarer Nähe an gegenüberliegenden Oberflächen einer dazwischenliegenden Isolationslage angeordnet sind. Die Hochpotentialleiterlage enthält eine Anordnung von Hochpotentialdurchkontaktierungen. Die Niedrigpotentialleiterlage enthält eine Anordnung von Niedrigpotentialdurchkontaktierungen. Jeder Buskondensator hat einen mit der Hochpotentialleiterlage der laminierten Busschiene verbundenen Hochpotentialanschluss und hat einen hat einen mit der Niedrigpotentialleiterlage der laminierten Busschiene verbundenen Niedrigpotentialanschluss. Jeder Stromrichter ist zwischen einer der Hochpotentialdurchkontaktierungen und mit einer der Niedrigpotentialdurchkontaktierungen angeschlossen. Im Unterschied zum Stand der Technik enthalten die Stromrichtergehäuse keine Kommutierungskondensatoren, sondern beherbergen nur eine Hilfskapazität zur Verringerung von Masseschleifen oder dergleichen. Demzufolge sind in einigen Ausführungsformen die Stromrichter enger zueinander beabstandet als es bei Stromrichtern mit Kommutierungskondensatoren erreicht werden könnte. Beispielsweise können Stromrichter mit einer Nettoleistungsdichte von wenigstens etwa 2,6 W/cm3 und einem Abstand von nicht mehr als ca. 15 cm in den Mittelpunkten bereitgestellt werden. In Ausführungsformen können die Stromrichter wenigstens einen Stromrichter beinhalten, der dafür eingerichtet ist, Strom an die laminierte Busschiene zu liefern und wenigstens einen Stromrichter, der dafür eingerichtet ist, Strom aus der laminierten Busschiene aufzunehmen.
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In Ausführungsformen enthält eine laminierte Busschiene eine Isolationslage, die sich entlang einer Achse erstreckt und ein Profil rechtwinklig zu der Achse definiert. Das Profil enthält einen ersten Flügel und einen zweiten Flügel, der in einem Winkel von einer Längskante des ersten Flügels vorsteht. Die laminierte Busschiene enthält auch eine erste Leiterlage, die an einer ersten Oberfläche der Isolationslage angeordnet ist und eine zweite Leiterlage, die an einer Oberfläche der Isolationslage gegenüber der ersten Leiterlage angeordnet ist. Mehrere erste und zweite Durchkontaktierungen sind in elektrischem Kontakt mit der ersten Leiterlage durch den ersten Flügel bzw. durch den zweiten Flügel hindurch ausgebildet. Mehrere dritte und vierte Durchkontaktierungen sind in elektrischem Kontakt mit der zweiten Leiterlage durch den ersten Flügel bzw. durch den zweiten Flügel hindurch ausgebildet. In bestimmten Ausführungsformen befinden sich die erste und die zweite Leiterlage dergestalt in unmittelbarer Nähe, dass der Gegenstand eine minimale parasitäre Induktivität über den mehreren Durchkontaktierungen darstellt. In bestimmten Ausführungsformen sind die mehreren ersten und zweiten Durchkontaktierungen entlang der Achse des Gegenstandes angeordnet. In derartigen Ausführungsformen können die mehreren dritten und vierten Durchkontaktierungen entlang der Achse an Stellen angeordnet sein, die jeweils den mehreren ersten und zweiten Durchkontaktierungen entsprechen. In bestimmten Ausführungsformen kann das Profil der laminierten Busschiene im Wesentlichen entlang der Achse gleichförmig sein. Einige Ausführungsformen können sich zu einer Stromversorgungsvorrichtung hin erstrecken, welche die laminierte Busschiene zusammen mit mehreren Buskondensatoren enthält, die an dem ersten Flügel angebracht und elektrisch mit der ersten Leiterlage und der zweiten Leiterlage über die mehreren ersten und dritten Durchkontaktierungen verbunden sind, sowie mehrere Stromrichter, die an dem zweiten Flügel befestigt und elektrisch mit der ersten Leiterlage und der zweiten Leiterlage über die mehreren zweiten und vierten Durchkontaktierungen verbunden sind.
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Es dürfte sich verstehen, dass die vorstehende Beschreibung nur als veranschaulichend und nicht einschränkend gedacht ist. Beispielsweise können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen (und/oder Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein Material an die Lehren der Erfindung ohne Abweichung von deren Schutzumfang anzupassen. Obwohl die hierin beschriebenen Abmessungen und Materialarten dafür gedacht sind, die Parameter der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zu definieren, sind sie keineswegs einschränkend und nur exemplarisch. Viele weitere Ausführungsformen werden für den Fachmann nach Durchsicht und Verstehen der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sein. Der Schutzumfang der Erfindung sollte daher unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit dem vollständigen Umfang von Äquivalenten, zu welchem derartige Ansprüche berechtigen, bestimmt sein. In den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe ”enthaltend” und ”in welchen” als die Äquivalente in einfachen Englisch für die entsprechenden Begriffe ”aufweisend” und ”wobei” verwendet. Ferner werden die Begriffe ”erster”, ”zweiter” und ”dritter” usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen keine numerischen Anforderungen oder eine spezielle Positionsreihenfolge bezüglich ihrer Objekte vorgeben. Ferner sind die Einschränkungen der nachstehenden Ansprüche nicht im Format Mittel-plus-Funktion geschrieben und sollen nicht auf der Basis von 35 U.S.C. 112, 6. Absatz interpretiert werden, sofern und soweit derartige Anspruchseinschränkungen ausdrücklich den Ausdruck ”Mittel für” gefolgt von einer Feststellung einer Funktion ohne weitere Struktur verwenden.
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Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart offenzulegen und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
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So wie hierin verwendet, soll ein in der Singularform bezeichnetes Element oder Schritt und dem auch die Worte ”einer, eine, eines” vorangestellt sind, nicht als mehrere Elemente oder Schritte ausschließend betrachtet werden, soweit nicht ein derartiger Ausschluss explizit angegeben wird. Ferner sollen Bezugnahmen auf ”eine Ausführungsform” der vorliegenden Erfindung nicht weitere ebenfalls die angegebenen Merkmale enthaltende Ausführungsformen ausschließen. Ferner können, soweit nicht explizit gegenteilig angegeben, Ausführungsformen, die ein Element oder mehrere Elemente mit einer speziellen Eigenschaft ”aufweisen” oder ”haben”, zusätzliche derartige Elemente beinhalten, die nicht diese Eigenschaft haben.
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Da bestimmte Veränderungen in der vorstehend beschrieben Stromversorgungsvorrichtung vorgenommen werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der hierin betroffenen Erfindung abzuweichen, soll alles von dem Erfindungsgegenstand der vorstehenden Beschreibung oder dem in den beigefügten Zeichnungen Dargestellten lediglich als Beispiele interpretiert werden, die das erfindungsgemäße Konzept hierin veranschaulichen und sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu betrachten.
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Eine Kondensatorbank enthält eine laminierte Busschiene mit einer Hochpotentialleiterlage und einer Niedrigpotentialleiterlage, die an gegenüberliegenden Oberflächen einer dazwischenliegenden Isolationslage angeordnet sind. Die Bank enthält auch mehrere Buskondensatoren, die elektrisch mit der laminierten Busschiene verbunden sind. Die laminierte Busschiene und die Buskondensatoren haben eine kombinierte Induktivität, die ausreichend niedrig ist, dass die Buskondensatoren elektrisch wirksam zu der laminierten Busschiene parallelgeschaltet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- 35 U.S.C. 112, 6. Absatz [0051]
