DE102013112281A1

DE102013112281A1 - Stromrichtervorrichtung

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Publication number: DE102013112281A1
Application number: DE201310112281
Authority: DE
Inventors: Michael Schmidt; Sven Schmidt; Maik Hohmuth; Thomas Bartsch
Original assignee: BITS ZWICKAU BUEROMAT IT SYSTEME GmbH; Bits Zwickau Bueromat It-Systeme GmbH
Current assignee: BITS ZWICKAU BUEROMAT IT SYSTEME GmbH; Bits Zwickau Bueromat It-Systeme GmbH
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2015-05-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtervorrichtung für eine Drehfeldmaschine, mit einer Stromrichterschaltung, die wenigstens einen in Reihe mit einem Modulenergiespeicher, geschalteten Schaltungsblock aufweist, wobei der Schaltungsblock eine Leistungselektronik mit wenigstens zwei parallel geschalteten, jeweils zwei Leistungsschalter, aufweisenden Schalthalbbrücken aufweist, bei welchen jeweils ein erster Leistungsanschluss eines ersten Leistungsschalters mit einem positiven Spannungspol, ein zweiter Leistungsanschluss eines zweiten Leistungsschalters mit einem negativen Spannungspol und der zweite Leistungsanschluss des ersten Leistungsschalters sowie der erste Leistungsanschluss des zweiten Leistungsschalters mit einem Brückenzweig der Brückenschaltung verbunden sind, parallel zu der Leistungselektronik wenigstens ein Energiespeicherelement geschaltet ist, und der Brückenzweig des Schaltungsblockes mit einer Phase der Drehfeldmaschine elektrisch verbunden ist. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromrichtervorrichtung der oben genannten Gattung derart weiterzubilden, dass eine Versorgung einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer Transversalflussmaschine oder PM-Synchronmaschine, mit hohen Stromstärken hoher Frequenz auf relativ kostengünstige Weise möglich ist, wobei die Leitungsinduktivität der Stromrichtervorrichtung minimierbar sein soll. Diese Aufgabe wird durch eine Stromrichtervorrichtung der oben genannten Gattung gelöst, bei welcher der positive Spannungspol und der negative Spannungspol an einer in einem zentralen Bereich der Stromrichterschaltung vorgesehenen, das wenigstens eine Energiespeicherelement aufweisenden Zwischenkreisversorgung anliegen, und die Stromrichterschaltung wenigstens drei Schaltungsblöcke aufweist, wobei die Leistungselektronik jedes der Schaltungsblöcke zu jeweils einer Leistungselektronikeinheit zusammengefasst ist und die Leistungselektronikeinheiten symmetrisch um die Zwischenkreisversorgung und mit gleichem Abstand zu der Zwischenkreisversorgung angeordnet und zu einem eine Baueinheit bildenden Stromrichtermodul zusammengefasst sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtervorrichtung für eine Drehfeldmaschine, mit einer Stromrichterschaltung, die wenigstens einen in Reihe mit einem Modulenergiespeicher, wie einer Gleichspannungsquelle, geschalteten Schaltungsblock aufweist, wobei der Schaltungsblock eine Leistungselektronik mit wenigstens zwei parallel geschalteten, jeweils zwei Leistungsschalter, wie beispielsweise Feldeffekttransistoren oder IGBT (insulated gate bipolar transistors), aufweisenden Schalthalbbrücken aufweist, bei welchen jeweils ein erster Leistungsanschluss eines ersten Leistungsschalters mit einem positiven Spannungspol, ein zweiter Leistungsanschluss eines zweiten Leistungsschalters mit einem negativen Spannungspol und der zweite Leistungsanschluss des ersten Leistungsschalters sowie der erste Leistungsanschluss des zweiten Leistungsschalters mit einem Brückenzweig der Brückenschaltung verbunden sind, parallel zu der Leistungselektronik wenigstens ein Energiespeicherelement geschaltet ist, und der Brückenzweig des Schaltungsblockes mit einer Phase der Drehfeldmaschine elektrisch verbunden ist.
Vorzugsweise soll die Stromrichtervorrichtung der vorliegenden Erfindung bei Drehfeldmaschinen in Transversalflussbauweise Anwendung finden. Durch die Transversalflussbauweise besteht die Möglichkeit, sehr hochpolige Motoren zu bauen. Damit lässt sich die Kraftdichte des Motors gegenüber klassischen Elektromotoren deutlich steigern.
Durch die hochpolige Bauweise ergeben sich besondere Anforderungen an den Stromrichter und die Steuerung. Soll mit der hochpoligen Maschine eine mit klassischen Maschinen vergleichbare Drehzahl erreicht werden, wird die Grundfrequenz der Bestromung größer. Um bei hoher Grundfrequenz immer noch die notwendigen Stromstärken in die Wicklungen des Motors einbringen zu können, muss die Stranginduktivität, das heißt, die Induktivität der Wicklung, klein gewählt werden. Eine kleine Stranginduktivität wird durch eine geringe Windungszahl erreicht. Durch die geringe Windungszahl muss jedoch der Phasenstrom größer gewählt werden, damit die für das Drehmoment notwendige Durchflutung erhalten bleibt.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 008 978 A1 sind Stromrichterschaltungen für Drehfeldmaschinen bekannt, wobei die Stromrichterschaltungen einen modularen Aufbau besitzen. Die Schaltungen weisen hierbei mehrere baugleiche, in Reihe geschaltete und jeweils mit einer Taktfrequenz getaktete Submodule auf. Die in Reihe geschalteten Submodule sind an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Jedes der Submodule besitzt zwei wechselstromseitige Klemmen, an welche jeweils eine Wicklung der Drehfeldmaschine angeschlossen ist. Jedes der Submodule weist sechs Leistungsschalter sowie einen parallel zu der Transistoranordnung geschalteten Speicherkondensator auf. Vier der Leistungsschalter sind zu einer Brückenschaltung zusammengefasst, deren Brückenzweigpole mit den wechselstromseitigen Klemmen des Submoduls verbunden sind.
Durch die Verwendung von wenigstens drei, in Reihe geschalteten Submodulen wird die Gesamtspannung der verwendeten Gleichspannungsquelle in über den Submodulen abfallende Teilspannungen aufgeteilt. Entsprechend ist es bei der in der Druckschrift DE 10 2010 008 978 A1 verwendeten Schaltung möglich, Leistungsschalter als Schaltelemente einzusetzen, deren Spannungsfestigkeit geringer als die Spannung der Gleichspannungsversorgung ist. Beispielsweise zeichnen sich Leistungsschalter in Form von Feldeffekttransistoren durch eine geringe Sperrspannung verglichen mit der speisenden Gleichspannung sowie durch geringe Durchlassspannungen aus. Daher können in den verwendeten Schaltungen die parasitären, chipinternen pn-Übergänge der Inversdioden bei beliebiger Halbleiterstromrichtung immer gesperrt bleiben, wodurch Schaltverluste der Inversdiode vermieden werden. Hierdurch ergeben sich sehr hohe erzielbare Taktfrequenzen. Desweiteren erlauben Feldeffekttransistoren hohe Einsatztemperaturen.
Um die bekannte Schaltungsanordnung beispielsweise bei einem Transversalflussmotor einsetzen zu können, muss die Stromrichterschaltung sehr hohe Ströme mit einer hohen Grundfrequenz liefern können.
Um Stromrichter für große Phasenströme und hohe Schaltfrequenzen verwirklichen zu können, ist ein besonders induktivitätsarmer und störsicherer Aufbau notwendig. Dieser wird im Stand der Technik typischerweise durch einen Lagenaufbau aus Kupferlagen, welche durch Isolierlagen voneinander getrennt sind, verwirklicht. Die Verbindung der Leistungsschalter mit den Kupferlagen erfolgt beispielsweise mit Kupferrollen. Ferner werden erhöhte Anforderungen an die Stromfestigkeit der verwendeten Bauelemente der Stromrichterschaltung gestellt, wodurch die bisherigen Stromrichterschaltungen für Transversalflussmotoren voluminös und teuer waren.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromrichtervorrichtung der oben genannten Gattung derart weiterzubilden, dass eine Versorgung einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer Transversalflussmaschine oder Permanentmagnet(PM)-Synchronmaschine, mit hohen Stromstärken hoher Frequenz auf relativ kostengünstige Weise möglich ist, wobei die Leitungsinduktivität der Stromrichtervorrichtung minimierbar sein soll.
Diese Aufgabe wird durch eine Stromrichtervorrichtung der oben genannten Gattung gelöst, bei welcher der positive Spannungspol und der negative Spannungspol an einer in einem zentralen Bereich der Stromrichterschaltung vorgesehenen, das wenigstens eine Energiespeicherelement aufweisenden Zwischenkreisversorgung anliegen, und die Stromrichterschaltung wenigstens drei Schaltungsblöcke aufweist, wobei die Leistungselektronik jedes der Schaltungsblöcke zu jeweils einer Leistungselektronikeinheit zusammengefasst ist und die Leistungselektronikeinheiten symmetrisch um die Zwischenkreisversorgung und mit gleichem Abstand zu der Zwischenkreisversorgung angeordnet und zu einem eine Baueinheit bildenden Stromrichtermodul zusammengefasst sind.
Bei der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung wird der Gesamtstrom der Stromrichterschaltung entsprechend der Anzahl der in den Schaltungsblöcken vorgesehenen Schalthalbbrücken in einzelne Teilströme geteilt. Da jeder Schaltungsblock wenigstens zwei solcher parallel geschalteten Schalthalbbrücken aufweist, wird der verwendete Strom, der durch die Leistungsschalter der jeweiligen Schalthalbbrücken fließt, wenigstens halbiert. Entsprechend kann ein hoher Ausgangsstrom auf die einzelnen Schalthalbbrücken verteilt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass für die Leiterzüge der Schalthalbbrücken ein Material und eine Materialdicke gewählt werden kann, das bzw. die nicht für den Gesamtstrom, sondern nur für den jeweilig in der Schalthalbbrücke fließenden Teilstrom ausgelegt ist. Es ist somit grundsätzlich möglich, für die Kontaktierung der Bauelemente der Schaltungsblöcke eine übliche Kupferlage auf einer Leiterplatte, beispielsweise mit einer Kupferschichtdicke von ca. 70 µm, zu verwenden.
Der unerwünschte Einfluss der Leitungsinduktivität steigt mit der Verringerung der Induktivität der Motorwicklung an. Deshalb ist es erstrebenswert, die Leitungsinduktivität als Einflussfaktor möglichst auszuschalten. Dies gelingt am besten, wenn sich die Stromrichtervorrichtung räumlich direkt an der Motorwicklung befindet. Erfindungsgemäß ist dies durch die Ausbildung wenigstens eines Stromrichtermoduls möglich, das nahe an der zu bestromenden Wicklung platziert bzw. direkt mit dieser verbunden werden kann.
Da das erfindungsgemäß ausgebildete Stromrichtermodul wenigstens drei Schaltungsblöcke aufweist, können mit den Schaltungsblöcken wenigstens drei Phasen der Drehfeldmaschine bestromt werden. Dabei sind die Phasen der Drehfeldmaschine typischerweise in Form einer Sternschaltung miteinander gekoppelt. Grundsätzlich können mit der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung ohne Nachteile auch in Dreieckschaltung verbundene Wicklungen bestromt werden.
Dadurch dass erfindungsgemäß die Leistungselektronikeinheiten mit jeweils gleichem Abstand zu der Zwischenkreisversorgung angeordnet sind, treten in allen Schaltungsblöcken die gleichen Leitungseinflüsse auf, wodurch sich eine hohe Gleichmäßigkeit bei der Bestromung der einzelnen Phasen, sowohl hinsichtlich der jeweiligen Stromhöhe als auch hinsichtlich der Frequenz der Bestromung, ergibt.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung der Leistungselektronikeinheiten symmetrisch um die Zwischenkreisversorgung können zudem die Leitungslängen zwischen der Zwischenkreisversorgung und den Leistungsschaltern auf ein Minimum beschränkt werden, wodurch die Leitungsinduktivität der Stromrichtervorrichtung minimiert werden kann.
Im Ganzen ergibt sich ein kompaktes Stromrichtermodul, bei welchem trotz Verwendung eines einfachen Aufbaus und einfacher Bauelemente hohe Ströme für die Bestromung der Wicklungen der Drehfeldmaschine zur Verfügung gestellt werden können. Darüber hinaus können in der erfindungsgemäß verwendeten Stromrichterschaltung schnelle und schaltverlustarme Leistungsschalter, wie beispielsweise Feldeffekttransistoren oder IGBTs, verwendet werden, sodass auch hohe Ströme mit besonders hoher Frequenz zur Verfügung gestellt werden können. An die Leistungsschalter sind zudem keine erhöhten Anforderungen an deren Stromfestigkeit zu stellen, sodass preiswerte Leistungsschalter verwendet werden können, wodurch die erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung kostengünstig herstellbar ist. Hinzu kommt, dass die erfindungsgemäße Anordnung mit nur zwei Dritteln der bei bisherigen Anordnungen benötigten Leistungsschalter auskommt.
Die erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung eignet sich besonders für eine Anwendung bei Drehfeldmaschinen, die als Transversalflussmotor ausgebildet sind.
Bei der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung können an der Drehfeldmaschine mehrere Stromrichtermodule vorgesehen sein, wobei jeder Phase eine Wicklung und jeder der Wicklungen der Drehfeldmaschine eines der Stromrichtermodule zugeordnet ist. Das heißt, eine Stromleitung oder Stromsammelschiene des Stromrichtermoduls ist jeweils mit der Wicklung einer Phase der Drehfeldmaschine elektrisch verbunden.
Besonders variabel ist die Stromrichtervorrichtung, wenn nicht nur mehrere Schaltungsblöcke, sondern mehrere Schaltungsblockgruppen zueinander in Reihe geschaltet werden. Dabei können innerhalb der Schaltungsblockgruppen verschiedene Phasen bzw. Wicklungen der Drehfeldmaschine durch die einzelnen Schaltungsblöcke bestromt werden, während durch die Reihenschaltung der Schaltungsblockgruppen eine geeignete Spannungsaufteilung auf die Schaltungsblockgruppen ermöglicht wird.
Obwohl grundsätzlich bei der vorliegenden Erfindung ein Energiespeicherelement, das parallel zu den Schalthalbbrücken geschaltet ist, ausreichend ist, können die Kosten für die Stromrichtervorrichtung noch gesenkt werden, wenn jeder Schalthalbbrücke jeweils ein Energiespeicherelement in Form eines Kondensators zugeordnet ist. Die Kondensatoren sind dabei zueinander als auch zu den Schalthalbbrücken parallel geschaltet. Somit können besonders einfache und preiswerte Kondensatoren mit vergleichsweise geringer Größe verwendet werden, wodurch nicht nur der Preis, sondern auch die Größe der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung gesenkt werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung ist es möglich, dass die zu bestromende Wicklung der Drehfeldmaschine direkt an einer Stromleitung oder Stromsammelschiene des Stromrichtermoduls montiert ist. Es bedarf somit bei dieser Ausführungsform keiner separaten Zuleitung von dem Stromrichtermodul zu der Wicklung. Der hohe, durch die Stromleitung oder Stromsammelschiene zur Verfügung gestellte Strom kann hierdurch unmittelbar an die Wicklung der Drehfeldmaschine geleitet werden.
In einer favorisierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Stromrichtermodul drei Schaltungsblöcke auf und ist in einer Draufsicht auf das Stromrichtermodul in Form eines Dreieckes ausgebildet, wobei die Energiespeicherelemente in einem Innenbereich des Dreieckes vorgesehen sind und jeweils eine Leistungselektronikeinheit eines Schaltungsblockes an jeweils einer Seite des Dreieckes angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung kann mit besonders geringen Leitungsverlusten und darüber hinaus besonders platzsparend ausgebildet werden, wenn jede Leistungselektronikeinheit aus zwei Leistungselektronikbaugruppen ausgebildet ist, die beidseitig wenigstens einer, in einer Ebene ausgerichteten Trägerleiterplatte vorgesehen sind, wobei auf einer ersten Seite, in einem zentralen Bereich der wenigstens einen Trägerleiterplatte der positive Spannungspol und auf einer zweiten Seite, in dem zentralen Bereich der wenigstens einen Trägerleiterplatte der negative Spannungspol vorgesehen ist, und wobei jeweils eine erste der Leistungselektronikbaugruppen die mit dem positiven Spannungspol verbundenen ersten Leistungsschalter von Schalthalbbrücken und jeweils eine zweite der Leistungselektronikbaugruppen die mit dem negativen Spannungspol verbundenen zweiten Leistungsschalter der jeweiligen Schalthalbbrücken aufweist, und die Leistungsschalter der ersten Leistungselektronikbaugruppe mit den jeweils zugehörigen Leistungsschaltern der zweiten Leistungselektronikbaugruppe mittels Durchkontaktierungen durch die wenigstens eine Trägerleiterplatte elektrisch verbunden sind.
Da die Energiespeichelemente, also die verwendeten Kondensatoren, typischerweise im Vergleich zu den Leistungsschaltern deutlich größer sind, empfiehlt es sich insbesondere aus Platzgründen, das wenigstens eine Energiespeicherelement nur auf einer Seite der wenigstens einen Trägerleiterplatte vorzusehen.
Eine besonders effektive Kühlung der Leistungselektronik kann bei der vorliegenden Erfindung dadurch realisiert werden, dass die Leistungsschalter einer Leistungselektronikeinheit und/oder einer Leitungselektronikbaugruppe jeweils in einer Reihe nebeneinander auf einer mit Kupfer versehenen Oberfläche wenigstens einer Trägerleiterplatte montiert sind und jeweils parallel zu dieser Reihe, direkt an oder in einem Abstand von höchstens 1 mm neben den Leistungsschaltern ein von einem Kühlmedium durchströmbares Kühlrohr auf derselben Oberfläche der wenigstens einen Trägerleiterplatte montiert ist.
Ein besonders guter Wärmetransfer zwischen der Leistungselektronik und dem Kühlrohr wird erreicht, wenn die wenigstens eine Trägerleiterplatte mit der Leistungselektronik der Schaltungsblöcke elektrisch verbundene Leiterbahnen, Leitschienen und/oder leitende Oberflächenbereiche mit einer Kupferdicke von 100 µm bis 3 mm aufweist.
Eine weitere Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Leistungselektronik und Kühlrohr erhält man bei der vorliegenden Erfindung, wenn Kühlfahnen der Leistungsschalter durch Lotkehlen mit dem Kühlrohr verbunden sind.
Wird bei der vorliegenden Erfindung als Kühlrohr ein Vierkantkupferrohr verwendet, kann dieses mit einer seiner Außenflächen gut auf eine Kupferfläche gelötet werden und somit einen besonders guten Wärmetransfer herstellen.
Sollen an der Drehfeldmaschine geteilte Wicklungen vorgesehen werden, kann die erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung auch mehrere in Reihe geschaltete Schaltungsblöcke zur Bestromung der einzelnen Wicklungen aufweisen.
Um dies zu realisieren, können mehrere Stromrichtermodule an der Drehfeldmaschine vorgesehen werden. Aus Platz- und Masseverteilungsgründen ist es dann empfehlenswert, diese Stromrichtermodule gleichmäßig verteilt an der Drehfeldmaschine anzuordnen.
Beispielsweise kann das Stromrichtermodul direkt an einer Außenkontur, im Gehäuse oder in einer Hohlwelle der Drehfeldmaschine montiert sein.
Besonders günstig ist es, wenn die wenigstens eine Trägerleiterplatte auf einem Montageträger montiert ist, wobei die Form des Montageträgers an eine Außen- oder Innenkontur der Drehfeldmaschine angepasst ist. Unter dem Montageträger wird hierbei nicht das Leiterplattensubstrat, sondern eine separate Einheit verstanden, auf welcher die Trägerleiterplatte platzierbar und montierbar ist. Dadurch kann gebräuchliches Leiterplattenmaterial mit einer üblichen Kupferlagendicke von beispielsweise 70 µm für die Ausbildung der Trägerleiterplatte gewählt werden, wobei ein effizienter Wärmetransport von den Leistungsschaltern weg ermöglicht wird.
An dem Montageträger können vorteilhafte Montageeinheiten, wie Verschraubungen oder Klemmeinrichtungen, vorgesehen sein, mithilfe derer die Stromrichtervorrichtung bzw. einzelne Stromrichtermodule der Stromrichtervorrichtung beispielsweise direkt an der Drehfeldmaschine montiert und/oder mit einer Wicklung der Drehfeldmaschine verbunden werden können. Auf diese Weise kann das Stromrichtermodul besonders günstig an einem Außenmantel oder an einem Innenbereich der Drehfeldmaschine angeordnet werden. Dies erspart zusätzliche Stromzuleitungen und entsprechende Verluste. Die Effektivität als auch die Kompaktheit der Drehfeldmaschine können somit erhöht werden.
In einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Lösungsvariante der obigen Aufgabe ist bei der Stromrichtervorrichtung der Schaltungsblock auf einer ersten Leiterplatte angeordnet und kontaktiert, wobei die Stromrichtervorrichtung bis wenigstens 500 A beständige Stromsammelschienen aufweist und eine erste Stromsammelschiene mit dem positiven Spannungspol des Modulenergiespeichers, eine zweite Stromsammelschiene mit den Brückenzweigen der Schalthalbbrücken und eine dritte Stromsammelschiene mit dem negativen Spannungspol des Modulenergiespeichers elektrisch verbunden ist. Hierbei ist das wenigstens eine Energiespeicherelement auf einer der ersten Leiterplatte gegenüber angeordneten zweiten Leiterplatte vorgesehen und auf der zweiten Leiterplatte mit der ersten und der dritten Stromsammelschiene elektrisch verbunden ist. Die erste und die dritte Stromsammelschiene sind jeweils mit den Spannungspolen des Modulenergiespeichers und die zweite Stromsammelschiene mit einer Wicklung der Drehfeldmaschine elektrisch verbindbar oder verbunden, und die Leiterplatten mit den darauf vorgesehenen Bauelementen und den Stromsammelschienen sind unter Ausbildung eines Stromrichtermoduls miteinander verbunden.
Bei dieser Ausgestaltung der Stromrichtervorrichtung ist der Schaltungsblock auf einer herkömmlichen, beispielsweise mit bis zu 100 A beständigen Leiterzügen versehenen ersten Leiterplatte anzuordnen und dort zu kontaktieren. Der hohe Gesamtstrom wird an diese erste Leiterplatte durch die bis wenigstens 500 A beständige erste Stromsammelschiene herangeführt und durch die ebenfalls bis wenigstens 500 A beständige dritte Stromsammelschiene von der ersten Leiterplatte wieder abgeführt. Dabei sind die erste und die dritte Stromsammelschiene mit den Kontakten des Modulenergiespeichers verbunden. Die zweite Stromsammelschiene, über welche der von den Brückenzweigen der Schalthalbbrücken gesammelte Strom an die jeweils angeschlossene Wicklung geleitet wird, ist auch eine bis wenigstens 500 A beständige Stromsammelschiene, sodass die Wicklung mit einem hohen Strom versorgt werden kann.
Bei dieser Ausgestaltung der Stromrichtervorrichtung ist ferner das wenigstens eine Energiespeicherelement, wie beispielsweise wenigstens ein Speicherkondensator, auf der der ersten Leiterplatte gegenüber angeordneten zweiten Leiterplatte vorgesehen. Diese zweite Leiterplatte ist lediglich mit den Gleichspannungsanschlüssen, die durch die erste und die dritte Stromsammelschiene zur Verfügung gestellt werden, verbunden.
Die bei dieser Form der Stromrichtervorrichtung verwendete Stromrichterschaltung kann mehrere in Reihe geschaltete Schaltungsblöcke aufweisen, die nebeneinander auf der ersten Leiterplatte angeordnet sind, wobei ein erster Leistungsanschluss eines ersten Leistungsschalters des ersten Schaltungsblockes der in Reihe geschalteten Schaltungsblöcke mit dem negativen Spannungspol und der ersten Stromsammelschiene verbunden ist, und wobei ein zweiter Leistungsschalter des letzten Schaltungsblockes der in Reihe geschalteten Schaltungsblöcke mit dem positiven Spannungspol und der dritten Stromsammelschiene verbunden ist. Durch die mehreren in Reihe geschalteten Schaltungsblöcke kann die Gesamtgleichspannung über den einzelnen Schaltungsblöcken, die als Spannungsteiler dienen, aufgeteilt werden. Entsprechend fällt über jedem Schaltungsblock nur eine Teilspannung ab, sodass für die Schaltungsblöcke Bauelemente mit relativ geringer Spannungsfestigkeit, das heißt z. B. kostengünstige Feldeffekttransistoren, verwendet werden können. Durch die mehreren zweiten Stromsammelschienen kann jede Phase der Drehfeldmaschine geeignet bestromt werden. Somit stellt diese Variante der Stromvorrichtung eine besonders kompakte Anordnung zur Gesamtbestromung einer Drehfeldmaschine dar.
Ist das wenigstens eine Energiespeicherelement auf einer zweiten Leiterplatte angeordnet, ist es vorzugsweise so vorgesehen, dass es den Leistungsschaltern gegenüber ist und in wenigstens einen der Zwischenräume zwischen erster und zweiter Stromsammelschiene oder zwischen zweiter und dritter Stromsammelschiene ragt. Bei einer solchen Anordnung wird der Platz zwischen den beiden Leiterplatten effektiv für die Anordnung der Bauelemente ausgenutzt, sodass die Stromrichtervorrichtung insgesamt mit geringen Abmessungen zur Verfügung gestellt werden kann.
In einer möglichen Ausgestaltung der Stromrichtervorrichtung sind die Stromsammelschienen als aufrecht auf der ersten Leiterplatte stehende Leisten ausgebildet. Die Leisten können vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet sein. Solche Leisten eignen sich besonders gut, um die auf der Leiterplatte vorgesehenen Bauelementkontakte quer zu verbinden und einen hohen Strom zu leiten. Indem die Stromsammelschienen aufrecht stehen, nehmen sie in der horizontalen Ausrichtung der Leiterplatte kaum Platz ein, sodass auf und zwischen den Leiterplatten genügend Platz für die Bauelemente der Stromrichterschaltung ist.
Vorzugsweise verlaufen die Stromsammelschienen zueinander parallel oder sind sternförmig, mit jeweils gleichem Abstand zueinander vorgesehen. Auf diese Weise kann ein geeigneter, gleichbleibender Abstand zwischen den Stromsammelschienen hergestellt werden, um Kurzschlüsse zwischen den Stromsammelschienen zu vermeiden. Andererseits ist es hierdurch auch möglich, beispielsweise in den Zwischenräumen zwischen den Stromsammelschienen Bauelemente der Stromrichterschaltung anzuordnen.
Besonders vorteilhaft kann es bei der zwei Leiterplatten nutzenden Ausbildung der Stromrichtervorrichtung sein, wenn die ersten und zweiten Stromsammelschienen an einander gegenüber liegenden Rändern der ersten und der zweiten Leiterplatte vorgesehen sind und die zweite Stromsammelschiene etwa über die Mitte der ersten Leiterplatte verläuft. Somit können außen an den Leiterplatten die Gleichspannungskontakte zur Verfügung gestellt werden, während durch die über die Mitte der ersten Leiterplatte verlaufende zweite Stromsammelschiene die Brückenzweige der Schalthalbbrücken der Stromrichterschaltung kontaktiert und der gesammelte Strom an eine Wicklung geleitet werden kann.
Wird die Stromrichtervorrichtung mit mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Schaltungsblöcken und somit mehreren zweiten Stromsammelschienen verwendet, können die zweiten Stromsammelschienen direkt nebeneinander, aber voneinander elektrisch isoliert verlaufen. So können die zweiten Stromsammelschienen beispielsweise platzsparend direkt nebeneinander mit dazwischen vorgesehenen Isolationsschichten im Wesentlichen über die Mitte der ersten Leiterplatte verlaufen und am Ende der Leiterplatte nach außen geführt werden. In dem Bereich, in dem die zweiten Stromsammelschienen nach außen geführt werden, ist es von Vorteil, die Kontaktbereiche der zweiten Stromsammelschienen wieder voneinander abzuzweigen, um Kurzschlüsse zwischen den bestromten Wicklungen ausschließen zu können.
Bei einer solchen Ausführungsform der Stromrichtervorrichtung mit mehreren Schaltungsblöcken und somit mehreren zweiten Stromsammelschienen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die zweiten Stromsammelschienen unterschiedliche Längen aufweisen, wobei die Längen an die Position des durch die jeweilige zweite Stromsammelschiene zu kontaktierenden Schaltungsblockes auf der ersten Leiterplatte angepasst ist. Das heißt, bei dieser Ausführungsform sind die zweiten Stromsammelschienen versetzt zueinander beispielsweise entlang der Mitte der ersten Leiterplatte vorgesehen. Diese Anordnung ermöglicht es, die zweiten Stromsammelschienen geeignet seitlich kontaktieren zu können, obwohl alle zweiten Stromsammelschienen nebeneinander mittig über die erste Leiterplatte verlaufen.
Es hat sich ferner gezeigt, dass es praktisch ist, wenn die erste und die dritte Stromsammelschiene wenigstens auf ihrer der zweiten Leiterplatte zugewandten Seite L-förmig ausgebildet, wie z. B. gebogen, sind. An den L-förmigen Biegeabschnitten lässt sich auf einfache Weise die Leiterplatte, beispielsweise mit Hilfe einer Schraubverbindung, montieren. Außerdem wird durch die L-förmigen Abschnitte ein vorteilhafter Kontaktbereich zwischen den jeweiligen Stromsammelschienen und den Spannungsanschlüssen auf der zweiten Leiterplatte realisiert.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
1 schematisch eine Ausführungsform einer Stromrichterschaltung der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung zeigt;
2 schematisch eine Variante eines Schaltungsblockes einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung zeigt;
3 schematisch eine Draufsicht auf ein gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildetes Stromrichtermodul zeigt;
4 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnittes eines gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Stromrichtermoduls zeigt;
5 schematisch eine Möglichkeit der Bestromung von drei Wicklungen einer Drehfeldmaschine mit Hilfe einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung zeigt;
6 schematisch eine weitere Möglichkeit der Bestromung von drei Phasen einer Drehfeldmaschine mit Hilfe einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung zeigt, wobei jeder Phase der bestromten Drehfeldmaschine zwei Wicklungen zugeordnet sind (Wicklungsaufteilung);
7 schematisch in einer perspektivischen Ansicht ein Beispiel eines Transversalflussmotors zeigt, an dessen Außenkontur Stromrichtermodule einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung angeschlossen sind, wobei jedes Stromrichtermodul einer einer Phase des Transversalflussmotors zugeordneten Wicklung zugeordnet ist;
8 die Ausführungsform von 7 in einem Querschnitt durch den Transversalflussmotor und die daran vorgesehenen Stromrichtermodule zeigt; und
9 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer weiteren möglichen Ausbildung einer Stromrichtervorrichtung in einer perspektivischen Ansicht zeigt, wobei ein Stromrichtermodul der Stromrichtervorrichtung an einer Außenkontur einer Drehfeldmaschine montiert ist; und
10 schematisch Elemente eines Stromrichtermoduls der Stromrichtervorrichtung von 9 in einer perspektivischen Ansicht zeigt.
1 zeigt schematisch eine Stromrichterschaltung 3 einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung, wie beispielsweise der Stromrichtervorrichtung 1 aus 7. Die Stromrichterschaltung 3 weist neun Schaltungsblöcke 5 auf. Bei den Schaltungsblöcken 5 bilden die jeweils ersten drei zueinander parallel geschalteten Schaltungsblöcke 5 eine Schaltungsblockgruppe 5a, die nächsten drei zueinander parallel geschalteten Schaltungsblöcke 5 eine Schaltungsblockgruppe 5b und die letzten drei zueinander parallel geschalteten Schaltungsblöcke 5 eine Schaltungsblockgruppe 5c. Die Schaltungsblockgruppen 5a, 5b und 5c sind zueinander in Reihe geschaltet.
Jeder der Schaltungsblöcke 5 besteht aus einer Parallelschaltung von Energiespeicherelementen 7 und wenigstens zwei aus jeweils zwei Leistungsschaltern 61, 62 ausgebildeten Schalthalbbrücken 6. Die Strichlinien in den einzelnen Schaltungsblöcken 5 sollen verdeutlichen, dass auch mehr als zwei Schalthalbbrücken 6 und auch mehr als der gezeigten drei Energiespeicherelemente 7 in einem Schaltungsblock 5 zueinander parallel geschaltet werden können. Die verwendeten Leistungsschalter 61, 62 sind in dem Beispiel von 1 MOSFET’S (metal oxide semiconductor field effect transistors), die jeweils zwei Leistungsanschlüsse (Source und Drain), einen mit einem der Leistungsanschlüsse verbundenen Volumen- bzw. Bulkanschluss sowie eine Steuerelektrode (Gate) aufweisen.
Die Schaltungsblockgruppen 5a, 5b, 5c, das heißt, drei Parallelschaltungen der jeweils drei Schaltungsblöcke 5, sind in Reihe an einen Modulenergiespeicher 4 in Form einer Gleichspannungsquelle angeschlossen. Dabei sind die ersten Leistungsanschlüsse 611 der ersten Leistungsschalter 61 der ersten in der Reihe angeordneten Schaltungsblöcke 5 der Schaltungsblockgruppe 5a mit einem positiven Spannungspol 41 des Modulenergiespeichers 4 verbunden, während jeweils zweite Leistungsanschlüsse 622 und das Bulk 623 von zweiten Leistungsschaltern 62 der letzten in der Reihe befindlichen Schaltungsblöcke 5 der Schaltungsblockgruppe 5c mit einem negativen Spannungspol 42 des Modulenergiespeichers 4 verbunden sind.
Die Brückenzweige 60 der Schalthalbbrücken 6 jedes Schaltungsblockes 5 sind jeweils miteinander verbunden und jeweils mit einer Wicklung A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3 einer in 1 nicht dargestellten Drehfeldmaschine 2 elektrisch verbunden.
Über den Schaltungsblockgruppen 5a, 5b, 5c teilt sich die Gleichspannung U_DC des Modulenergiespeichers 4, wie es beispielhaft durch die angegebenen Spannungsbeträge U_DC/3 veranschaulicht ist, gleichmäßig auf. Das heißt, in dem Beispiel von 1 liegt über jeder Schaltungsblockgruppe 5a, 5b, 5c nur ein Drittel der Gesamtgleichspannung U_DC der Stromrichterschaltung 3 an. Entsprechend können für die einzelnen Schaltungsblöcke 5 Schaltelemente mit einer geringen Spannungsfestigkeit, wie die in 1 verwendeten Leistungsschalter 61, 62, eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann bei der Stromrichterschaltung 3 aus 1 ein relativ hoher Gesamtstrom I verwendet werden, da sich dieser in den Parallelzweigen der Schaltungsblöcke 5a, 5b, 5c jeweils verzweigt. So teilt sich in jedem Schaltungsblock 5a, 5b, 5c der Gesamtstrom I derart auf, dass ein Teil über den jeweiligen Energiespeicherelementen 7 und weitere Teile über die jeweiligen Schalthalbbrücken 6 fließen. Bedingt durch die verwendeten wenigstens zwei Schalthalbbrücken 6 pro Schaltungsblock 5 sind die Teilströme, die durch jede der Schalthalbbrücken 6 fließen, im Vergleich zu dem Gesamtstrom I relativ gering. Dies schafft die Möglichkeit, für die Ausbildung der Leiterbahnen der Schaltungsblöcke 5 herkömmliche Leiterplattenmaterialien mit einer herkömmlichen Stromfestigkeit einzusetzen. So kann jeder der Schaltungsblöcke 5 auf einer Leiterplatte mit einer Kupferschichtdicke von beispielsweise 70 µm kontaktiert werden.
Unter einer Leiterplatte bzw. einer Trägerleiterplatte wird erfindungsgemäß ein mit Leitbahnen, leitenden Flächen und Kontaktanschlüssen für Bauelemente oder Anschlussleitungen versehenes Leiterplattensubstrat verstanden. Auf der Leiterplatte bzw. der Trägerleiterplatte können auch leitende Schienen vorgesehen sein. Das Leiterplattensubstrat der Leiterplatte bzw. der Trägerleiterplatte besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. Es ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, eine flache Platte. Die Leitbahnen und die Kontaktanschlüsse sind aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise aus Kupfer, ausgebildet. Die Leitbahnen können beispielsweise geätzte linienförmige Leitbahnen sein.
Je mehr Schalthalbbrücken 6 bei der Stromrichterschaltung 3 der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1 pro Schaltungsblock 5 verwendet werden, umso geringer sind die Anforderungen an die Stromfestigkeit der verwendbaren Leiterplatten.
2 zeigt beispielsweise eine Variante eines Schaltungsblockes 5' einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1 mit wenigstens fünf parallel geschalteten Schalthalbbrücken 6. Durch die zusätzlich vorgesehenen Schalthalbbrücken 6 ergeben sich hier besonders geringere Teilströme in den einzelnen Leiterzügen der Schaltungsblöcke 5‘. Somit kann bei Verwendung des Schaltungsblockes 5' aus 2 in einer Stromrichterschaltung 3, wie sie in 1 gezeigt ist, besonders günstiges Leiterplattenmaterial zum Einsatz kommen und dennoch mit einem hohen Gesamtstrom I gearbeitet werden. Der Gesamtstrom I wird hierbei, wie es bereits in 1 schematisch dargestellt ist, an erste Leistungsanschlüsse 611 von ersten Leistungsschaltern 61 der jeweils ersten in Reihe befindlichen Schaltungsblöcke 5 bzw. 5‘ der Schaltungsblockgruppe 5a herangeführt und von zweiten Leistungsanschlüssen 622 von zweiten Leistungsschaltern 62 der letzten Schaltungsblöcke 5 bzw. 5‘ der Schaltungsblockgruppe 5c der jeweils verwendeten Reihenschaltung von Schaltungsblöcken 5 bzw. 5' wieder abgeführt. Die jeweils zweiten Leistungsanschlüsse 612 der ersten Leistungsschalter 61 und die jeweils ersten Leistungsanschlüsse 621 der zweiten Leistungsschalter 62 der jeweiligen Schaltungsblöcke 5 bzw. 5' sind mit den Brückenzweigen 60 der Schalthalbbrücken 6 verbunden. Über den Brückenzweigpolen wird der Strom gesammelt und an die jeweils zugehörige Wicklung A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3, wie in 1 gezeigt, geleitet.
Die Stromzu- und -ableitung zu bzw. von der Stromrichterschaltung 3 erfolgt, wie es ebenfalls in 2 schematisch dargestellt ist, über mit den jeweiligen Spannungspolen 41, 42‘ bzw. Brückenzweigen 60 gekoppelte Stromsammelschienen 11, 12, 13. Die Stromsammelschienen 11, 12, 13 sind vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet. Die Stromsammelschienen 11, 12, 13 können beispielsweise auf der Leiterplatte oder der Trägerleiterplatte, auf der die Leistungsschalter 61, 62 angeordnet sind, senkrecht aufstehen. Eine erste Stromsammelschiene 11 ist dabei mit dem positiven Spannungspol (Pluspol P) 41 verbunden, mit welchem auch die ersten Leistungsanschlüsse 611 der ersten Leistungsschalter 61 der ersten, in der Reihenschaltung befindlichen Schaltungsblöcke 5, 5‘ der Schaltungsblockgruppe 5a verbunden sind. Eine dritte Stromsammelschiene 13 ist mit dem negativen Spannungspol (Minuspol M) 42 des Modulenergiespeichers 4 elektrisch verbunden, mit welchem auch die zweiten Leistungsanschlüsse 622 der zweiten Leistungsschalter 62 der letzten, in der Reihenschaltung befindlichen Schaltungsblöcke 5, 5‘ der Schaltungsblockgruppe 5c verbunden sind.
Ferner ist für jeden der verwendeten Schaltungsblöcke 5, 5' eine zweite Stromsammelschiene (L) 12 vorgesehen, die die jeweiligen Brückenzweige 60 der Schalthalbbrücken 6 des jeweiligen Schaltungsblockes 5, 5' miteinander elektrisch verbindet und deren Strom gesammelt zu der zugehörigen Wicklung A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3 führt.
In der Ausführungsform von 2 ist zu jeder Schalthalbbrücke 6 ein Energiespeicherelement 7 parallel geschaltet. Durch die Verwendung einer Mehrzahl von Energiespeicherelementen 7, beispielsweise in Form von Speicherkondensatoren, können Speicherkondensatoren mit verringerter Stromfestigkeit verwendet werden. Es kann jedoch auch zu mehreren Schalthalbbrücken 6 nur ein Energiespeicherelement parallel geschaltet werden.
3 zeigt schematisch ein Beispiel für ein Stromrichtermodul 101 einer Stromrichtervorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht auf das Stromrichtermodul 101. Das Stromrichtermodul 101 basiert auf einer Stromrichterschaltung 3, wie sie in den 1 und 2 gezeigt und oben erläutert ist.
Die Bauelemente des Stromrichtermoduls 101 sind auf einer Trägerleiterplatte 9 oder mehreren, im Wesentlichen in einer Ebene ausgerichteten, miteinander verbundenen Trägerleiterplattenteilen montiert. Die Trägerleiterplatte 9 weist einen zentralen Bereich auf, welcher eine Zwischenkreisversorgung 90, also die Spannungsversorgung, für die Stromrichterschaltung 3 des Stromrichtermoduls 101 ausbildet. Die Spannungsversorgung wird durch wenigstens ein in dem zentralen Bereich befindliches Energiespeicherelement 7, wobei in der Ausführungsform von 3 mehrere Speicherkondensatoren als Energiespeicherelemente 7 verwendet werden, abgepuffert. Die Energiespeicherelemente 7, von welchen in der Darstellung von 3 beispielhaft zehn dargestellt sind, sind zueinander parallel geschaltet. Die Energiespeicherelemente 7 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur auf einer Seite der Trägerleiterplatte 9 angeordnet, können jedoch grundsätzlich auch auf beiden Seiten der Trägerleiterplatte 9 vorgesehen sein.
In dem Ausführungsbeispiel von 3 befindet sich auf der in der Draufsicht sichtbaren Oberseite des zentralen Bereiches der Trägerleiterplatte 9 der positive Spannungspol 41, während sich ebenfalls im zentralen Bereich, auf der nicht sichtbaren Rückseite der Trägerleiterplatte 9 der negative Spannungspol 42 befindet. Der Strom verteilt sich innerhalb einer Leistungselektronikeinheit 601, 602, 603 auf die aus den Leistungsschaltern 61, 62 zusammengesetzten Schalthalbbrücken 6, wie es oben im Hinblick auf 1 und 2 erläutert ist, auf.
Um die Zwischenkreisversorgung 90 sind symmetrisch, mit jeweils gleichem Abstand zu der Zwischenkreisversorgung 90, Leistungselektronikeinheiten 601, 602, 603 der Stromrichterschaltung 3 vorgesehen. Die Leistungselektronikeinheiten 601, 602, 603 beinhalten die Leistungsschalter 61, 62 von Schaltungsblöcken 5 der Stromrichterschaltung 3 sowie deren Verbindungen. Die Energiespeicherelemente 7 sind nicht Bestandteil der Leistungselektronikeinheiten 601, 602, 603, sondern sind, wie oben bereits erwähnt, ausschließlich im zentralen Bereich der Trägerleiterplatte 9 vorgesehen.
In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist jede Leistungselektronikeinheit 601, 602, 603 jeweils acht Leistungsschalter 61, 62, die hier MOSFETs sind, auf beiden Seiten der Trägerleiterplatte 9 auf. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann auch eine andere Anzahl von Leistungsschaltern 61, 62 gewählt werden. Hierbei sind die jeweils einander gegenüber auf den Trägerleiterplattenseiten befindlichen Leistungsschalter 61, 62 jeweils einer Schalthalbbrücke 6, wie oben im Hinblick auf 1 erläutert, zugehörig. Vorzugsweise ist jeder Schalthalbbrücke 6 wenigstens eines der Energiespeicherelemente 7 zugeordnet.
Erste, auf der in 3 sichtbaren Oberfläche der Trägerleiterplatte 9 montierte Leistungsschalter 61, die sogenannten High-Side-Transistoren, sind mit dem positiven Spannungsanschluss 41 der Zwischenkreisversorgung 40 verbinden. Zweite, auf der Rückseite der Trägerleiterplatte 9 montierte Leistungsschalter 62, die sogenannten Low-Side-Transistoren, sind mit dem negativen Spannungsanschluss 42 der Zwischenkreisversorgung 40 verbunden. Dabei bilden die ersten Leistungsschalter 61 eine erste, auf der Oberseite der Trägerleiterplatte 9 montierte Leistungselektronikbaugruppe 641 der jeweiligen Leistungselektronikeinheit 601, 602, 603 aus, während die zweiten Leistungsschalter 61 eine zweite, auf der Unterseite der Trägerleiterplatte 9 montierte Leistungselektronikbaugruppe 641 der jeweiligen Leistungselektronikeinheit 601, 602, 603 ausbilden.
In dem Ausführungsbeispiel von 3 weist das Stromrichtermodul 101 drei Schaltungsblöcke 5 auf, deren Leistungselektronikeinheiten 601, 602, 603 an den drei Seiten der dreieckförmigen Zwischenkreisversorgung 40 vorgesehen sind. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der Erfindung kann das Stromrichtermodul 101 auch eine andere geometrische Grundform, wie beispielsweise die Form eines Kreises oder eines Sechseckes, aufweisen. Die Anzahl der verwendeten Schaltungsblöcke 5 ist von der Anzahl der zu bestromenden Phasen der Drehfeldmaschine 2 abhängig. Unabhängig von der gewählten Grundform und der Anzahl der verwendeten Schaltungsblöcke 5 sind jedoch erfindungsgemäß die zu einem Schaltungsblock 5 zugehörigen Leistungsschalter 61, 62 erfindungsgemäß zu einer Leistungselektronikeinheit 601, 602, 603 zusammengefasst, wobei die Leistungsschalter 61, 62 der Leistungselektronikeinheiten 601, 602, 603 auch auf nur einer Seite der Trägerleiterplatte 9 montiert sein können, und wobei die Leistungselektronikeinheiten mit jeweils gleichem Abstand zu dem Mittelpunkt der Zwischenkreisversorgung 40 angeordnet sind. Dabei können durchaus einzelne Leistungsschalter 61, 62 innerhalb einer Leistungselektronikeinheit 601, 602, 603 unterschiedliche Abstände zu dem Mittelpunkt der Zwischenkreisversorgung 40 aufweisen.
In dem Beispiel von 3 sind die Leistungsschalter 61, 62 einer Leistungselektronikeinheit 601, 602, 603 nebeneinander in einer Reihe angeordnet, könnten jedoch in anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der Erfindung auch anders, wie beispielsweise mehrreihig, winkel- oder halbkreisförmig, angeordnet sein.
4 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Ausschnittes des Stromrichtermoduls 101 aus 3. Die Leistungsschalter 61 der Leistungselektronikbaugruppe 641 sind über Anschlussdrähte mit den Leitbahnen bzw. den Zwischenkreislagen 91 der Trägerleiterplatte 9 verbunden, während die Leistungsschalter 62 der Leistungselektronikbaugruppe 642 sind über Anschlussdrähte mit den Leitbahnen bzw. Zwischenkreislagen 92 der Trägerleiterplatte 9 verbunden sind. Die Leistungselektronikbaugruppen 641 und 642 sind spiegelsymmetrisch zueinander auf den Flachseiten, das heißt, der Ober- und der Unterseite der Trägerleiterplatte aufgelötet und durch metallisierte Durchkontaktierungen 93 in der Trägerleiterplatte 9 miteinander elektrisch verbunden. Dadurch ist die elektrische Verbindung zwischen den Leistungsschaltern 61, 62 einer Schalthalbbrücke 6 sehr kurz. Um geeignete elektrischen Kontaktierungen zwischen den Leistungsschaltern 61, 62 einer Schalthalbbrücke 6 zu ermöglichen, kann es aufgrund der Höhe der verwendeten Ströme notwendig sein, mehrere Durchkontaktierungen 93 pro elektrischer Verbindung vorzusehen.
Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Leitbahnen der Trägerleiterplatte 9 eine herkömmliche Dicke von beispielsweise 70 µm Kupfer, wie es bei Standardleiterplatten üblich ist, aufweisen. Es ist jedoch in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Trägerleiterplatte 9 eine Kupferschichtdicke oder Kupferschienen mit einer Dicke von 100 µm bis 3 mm, vorzugsweise von 120 µm bis 2 mm, besonders bevorzugt von 140 µm bis 300 µm aufweist. Es wird also vorzugsweise zur Ausbildung der Trägerleiterplatte 9 Hochstromleiterplattenmaterial verwendet.
Die Leistungsschalter 61, 62 sind in der Ausführungsform von 4 flächig auf die elektrisch leitende und damit auch gut Wärme leitende Beschichtung der Trägerleiterplatte 9 aufgelötet. Die Kühlfahnen 651, 652 der Leistungsschalter 61, 62 sind in dem gezeigten Beispiel mittels Lötkehlen 83 mit unmittelbar neben den Reihen der Leistungsschalter 61, 62 verlaufenden Kühlrohren 81, 82 verbunden. Die Lötkehlen 83 sind jedoch nicht unbedingt vorzusehen. Die Beschreibung „unmittelbar neben“ heißt hierbei, dass die Kühlrohre 81, 82 direkt angrenzend an die Leistungsschalter 61, 62 vorgesehen sein können oder die Kühlrohre 81, 82 in einen geringen Abstand von ca. 0,5 mm bis 1 mm neben den Leistungsschaltern 61, 62 verlaufen.
Die Kühlrohre 81, 82 sind in der Ausführungsform von 4 mit einem Kühlmedium, wie Wasser, durchströmbare Vierkantkupferrohre. Die Kühlrohre 81, 82 sind auf die mit der elektrisch leitenden und damit auch gut Wärme leitenden Beschichtung der Trägerleiterplatte 9 derart aufgelötet, dass die von den Leistungsschaltern 61, 62 abgeführte Wärme direkt an die Kühlrohre 81, 82 übertragen wird.
5 zeigt schematisch eine Möglichkeit der Bestromung von drei Wicklungen A1, A2, A3 einer Drehfeldmaschine 2 mit Hilfe einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1.
In dem Ausführungsbeispiel von 5 kommen drei Schaltungsblöcke 5 oder 5‘ zum Einsatz. Jeder der Schaltungsblöcke 5 ist mit einer Wicklung A1, B1, C1 gekoppelt. Die Schaltungsblöcke 5 sind hierzu parallel geschaltet. Die Schaltungsblöcke 5 sind ferner parallel zu einem Modulenergiespeicher 4 geschaltet. Die Wicklungen A1, B1, C1 sind in Sternschaltung miteinander verbunden.
6 zeigt schematisch eine weitere Möglichkeit der Bestromung von drei Phasen einer Drehfeldmaschine 2 mit Hilfe einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1, wobei jeder Phase der bestromten Drehfeldmaschine 2 jeweils zwei Wicklungen A1, A2; B1, B2; C1, C2 zugeordnet sind. In dem Beispiel von 6 kommen jeweils zwei Schaltungsblockgruppen 5a, 5b von drei parallel geschalteten Schaltungsblöcken 5 oder 5‘ zum Einsatz. Dabei ist die Schaltungsblockgruppe 5 zu der Schaltungsblockgruppe 5b sowie zu einem Modulenergiespeicher 4 in Reihe geschaltet. Jedem der Schaltungsblöcke 5 ist je eine Wicklung A1, B1, C1, A2, B2, C2 zugeordnet. Die Wicklungen A1, B1 und C1 sowie die Wicklungen A2, B2 und C2 sind jeweils in Sternschaltung miteinander verbunden.
7 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht ein Beispiel einer Drehfeldmaschine 2 in Form einer Transversalflussmaschine, an deren Außenkontur Stromrichtermodule 101, 102, 103 einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung 1 angeschlossen sind. Die Stromrichtermodule 101, 102, 103 können hierbei beispielsweise wie in 3 gezeigt und oben ausgeführt ausgebildet sein. Jedes der Stromrichtermodule 101, 102, 103 weist wenigstens einen Lastausgang (L), das heißt, eine zweite Stromsammelschiene 12 auf, die mit einer Wicklung verbunden ist.
So kann bei der in 7 dargestellten Transversalflussmaschine eine Kaskadenanordnung aus beispielsweise drei Stator-Rotor-Stator-Anordnungen verwendet werden, wobei jede Wicklung jeder Stator-Rotor-Stator-Anordnung separat durch ein Stromrichtermodul 101, 102, 103 bestromt werden kann.
8 zeigt die Ausführungsform der Stromrichtervorrichtung 1 von 7 in einem Querschnitt durch die Transversalflussmaschine und die darin vorgesehenen Stromrichtermodule 101, 102, 103.
9 zeigt schematisch eine weitere mögliche Ausbildung eines Stromrichtermoduls 101a für eine Stromrichtervorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht. Das Stromrichtermodul 101a ist an einer Außenkontur einer Drehfeldmaschine 2 montiert.
Das Stromrichtermodul 101a weist eine Leiterplatte 9 auf, auf welcher Leistungsschalter, 61, 62, wie beispielsweise Feldeffekttransistoren oder IGBTs, montiert und elektrisch kontaktiert sind. Im Ausführungsbeispiel von 9 finden in dem Stromrichtermodul 101a jeweils fünf Leistungsschalter 61 und fünf Leistungsschalter 62 Anwendung, wobei jeweils ein Leistungsschalter 61 und ein weiterer Leistungsschalter 62 in Form einer Schalthalbbrücke 6 miteinander verbunden sind und jeweils fünf solcher Schalthalbbrücken 6 zueinander parallel geschaltet sind, wie es beispielsweise aus 1 und 2 ersichtlich ist.
Die Leistungsschalter 61, 62 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel herkömmliche, preiswerte Feldeffekttransistoren. Die verwendete Leiterplatte 9 ist ebenfalls eine Standardleiterplatte, auf welcher Leiterzüge ausgebildet sind, die bis zu 100 A beständig sind. Beispielsweise können die Leiterzüge der Leiterplatte 9 eine Kupferschichtdicke von 70 µm aufweisen.
Die Brückenzweige 60 der Schalthalbbrücken 6 sind mittels einer zweiten Stromsammelschiene 12 elektrisch miteinander verbunden. Die zweite Stromsammelschiene 12 ist direkt mit einer Wicklung A1 zur Bestromung einer Phase der Drehfeldmaschine 2 verbunden.
Darüber hinaus sind erste Leistungsanschlüsse der Leistungsschalter 61 mit einem positiven Spannungspol 41 eines beispielsweise in 1 dargestellten Modulenergiespeichers 4 verbunden, während zweite Leistungsanschlüsse der Leistungsschalter 62 mit einem negativen Spannungspol 42 des Modulenergiespeichers 4 verbunden sind. Die positiven Spannungspole 41 sind über eine erste Stromsammelschiene 11 miteinander elektrisch verbunden, während die negativen Spannungspole 42 über eine dritte Stromsammelschiene 13 miteinander elektrisch verbunden sind.
Die ersten und dritten Stromsammelschienen 11, 13 sind in dem Ausführungsbeispiel von 9 als winkelförmige Aluminiumplatten ausgebildet. Dabei weisen die Stromsammelschienen 11, 13 auf ihrer der Leiterplatte 9 weggewandten Seite L-förmige Biegungen 111, 131 auf. In dem Beispiel von 9 liegt auf den L-förmigen Biegungen 111, 131 eine zweite Leiterplatte 10 auf. Auf der Leiterplatte 10 sind die Energiespeicherelemente 7, vorliegend Speicherkondensatoren, montiert und elektrisch kontaktiert. Die Energiespeicherelemente 7 sind derart auf der Leiterplatte 10 elektrisch kontaktiert, dass sie parallel zu den parallel geschalteten Schalthalbbrücken 6 auf der ersten Leiterplatte 9 geschaltet sind. Die Schalthalbbrücken 6 sowie die dazu parallel geschalteten Energiespeicherelemente 7 bilden gemeinsam einen Schaltungsblock 5 aus.
Innerhalb des Schaltungsblockes 5 wird der Gesamtstrom, der durch das Stromrichtermodul 101a fließt, auf die parallel geschalteten Schalthalbbrücken 6 und die ebenfalls dazu parallel geschalteten Energiespeicherelemente 7 aufgeteilt. Somit erfährt jede Schalthalbbrücke 6 nur eine entsprechend der Anzahl der Parallelzweige verringerte Strombelastung. In der Summe können jedoch dem Stromrichtermodul 101a über die strombeständigen Stromsammelschienen 11, 13 geeignet hohe Gesamtströme zu- und wieder abgeführt werden. Ferner können über die zweite Stromsammelschiene 12 geeignet hohe Wicklungsströme an die mit der zweiten Stromsammelschiene 12 verbundene Wicklung A1 geleitet werden.
10 zeigt schematisch Elemente eines Stromrichtermoduls 101a‘ in einer perspektivischen Ansicht. Das Stromrichtermodul 101a‘ weist im Wesentlichen ähnliche Elemente wie das Stromrichtermodul 101a aus 9 auf, weshalb an dieser Stelle auf obige Ausführungen zu dem Stromrichtermodul 101a verwiesen wird. Es sind allerdings in der Darstellung von 10 insbesondere die Bauelemente der Stromrichterschaltung 3 der Übersichtlichkeit halber weggelassen, um den mechanischen Grundaufbau des Stromrichtermodules 101a‘ besser erläutern zu können.
Das Stromrichtermodul 101a‘ weist eine erste Leiterplatte 9 und eine zweite Leiterplatte 10 auf, wobei sich die ersten und dritten Stromsammelschienen 11, 13 senkrecht aufstehend auf der ersten Leiterplatte 9 bis hin zu der zweiten Leiterplatte 10 erstrecken. Entsprechend sind zwischen den Leiterplatten 9 und 10 Zwischenräume vorhanden, in welchen geeignet die hier nicht dargestellten Leistungsschalter 61, 62 und Energiespeicherelemente 7 eingebracht werden können. Dabei sind die Energiespeicherelemente 7 so auf der zweiten Leiterplatte 10 vorgesehen, dass sie den Leistungsschaltern 61, 62 auf der ersten Leiterplatte 9 gegenüber sind. Somit können die Zwischenräume zwischen den Leiterplatten 9, 10 effektiv zur Unterbringung der Bauelemente der Stromrichterschaltung 3 verwendet werden. Insbesondere können durch den relativ großen Zwischenraum zwischen den Leiterplatten 9, 10 preisgünstige Energiespeicherelemente 7 mit relativ großen Abmessungen im Vergleich zu den Leistungsschaltern 61, 62 untergebracht werden.
Das Stromrichtermodul 101a‘ ist im Vergleich zu dem Stromrichtermodul 101 aus 9 für eine Unterbringung von drei zueinander parallel geschalteten Schaltungsblöcken 5 vorgesehen. Wie es auch aus 1 hervorgeht, werden hierbei jeweils die Brückenzweige 60 der einzelnen Schaltungsblöcke 5 elektrisch über jeweils eine zweite Stromsammelschiene 12a, 12b, 12c miteinander verbunden. Die Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c sind hierfür als etwa mittig und senkrecht auf der ersten Leiterplatte 9 aufstehende metallische Leisten ausgebildet. Die Länge dieser Leisten ist an die Position der jeweils zu kontaktierenden Leistungsschalter 61, 62 auf der Leiterplatte 9 angepasst, das heißt, die Leisten der Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c sind unterschiedlich lang, sodass das jeweilige offene Ende der Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c elektrisch kontaktiert werden kann.
Wie es ferner aus 10 ersichtlich ist, verzweigen sich die Enden der zweiten Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c an einer Endseite des Stromrichtermoduls 101a‘, sodass an den herausgeführten Endkontakten 121a, 121b, 121c der zweiten Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c die jeweiligen, jeweils einer Phase zugeordneten Wicklungen A1, B1, C1 der Drehfeldmaschine 2 angeschlossen werden können.
Um die zweiten Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c direkt aneinander anliegend zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte 9, 10 führen zu können, sind zwischen den zweiten Stromsammelschienen 12a und 12b sowie zwischen den zweiten Stromsammelschienen 12b und 12c Isolatoren bzw. isolierende Schichten 122, 123 vorgesehen, um Kurzschlüsse zwischen den zweiten Stromsammelschienen 12a, 12b, 12c ausschließen zu können.
Die erste Leiterplatte 9 ist auf einem Montageträger 14 angeordnet. Der Montageträger 14 kann beispielsweise an die Form einer Außenkontur der zu bestromenden Drehfeldmaschine 2 oder auch an eine Innenkontur einer solchen Drehfeldmaschine 2 angepasst sein. An dem Montageträger 14 sind Montageelemente 141 vorgesehen, mithilfe welcher der Montageträger 14 beispielsweise an einer Drehfeldmaschine 2 montiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010008978 A1 [0004, 0005]

Claims

Stromrichtervorrichtung (1) für eine Drehfeldmaschine (2), mit einer Stromrichterschaltung (3), die wenigstens einen in Reihe mit einem Modulenergiespeicher (4) geschalteten Schaltungsblock (5, 5‘) aufweist, wobei der Schaltungsblock (5, 5‘) eine Leistungselektronik mit wenigstens zwei parallel geschalteten, jeweils zwei Leistungsschalter (61, 62) aufweisenden Schalthalbbrücken (6) aufweist, bei welchen jeweils ein erster Leistungsanschluss (611) eines ersten Leistungsschalters (61) mit einem positiven Spannungspol (41), ein zweiter Leistungsanschluss (622) eines zweiten Leistungsschalters (6) mit einem negativen Spannungspol (42) und der zweite Leistungsanschluss (612) des ersten Leistungsschalters (61) sowie der erste Leistungsanschluss (621) des zweiten Leistungsschalters (62) mit einem Brückenzweig (60) der Schalthalbbrücken (6) verbunden sind, parallel zu der Leistungselektronik wenigstens ein Energiespeicherelement (7) geschaltet ist, und der Brückenzweig (60) des Schaltungsblockes (5) mit einer Phase (A1, B1, C1, A2, B2, C2, A3, B3, C3) der Drehfeldmaschine (2) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Spannungspol (41) und der negative Spannungspol (42) an einer in einem zentralen Bereich der Stromrichterschaltung (3) vorgesehenen, das wenigstens eine Energiespeicherelement (7) aufweisenden Zwischenkreisversorgung (40) anliegen, und die Stromrichterschaltung (3) wenigstens drei Schaltungsblöcke (5, 5‘) aufweist, wobei die Leistungselektronik jedes der Schaltungsblöcke (5, 5‘) zu jeweils einer Leistungselektronikeinheit (601, 602, 603) zusammengefasst ist und die Leistungselektronikeinheiten (601, 602, 603) symmetrisch um die Zwischenkreisversorgung (90) und mit gleichem Abstand zu der Zwischenkreisversorgung (90) angeordnet und zu einem eine Baueinheit bildenden Stromrichtermodul (101, 102, 103) zusammengefasst sind.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromrichtermodul (101, 102, 103) drei Schaltungsblöcke (5, 5‘) aufweist und in einer Draufsicht auf das Stromrichtermodul (101, 102, 103) in Form eines Dreieckes ausgebildet ist, wobei die Energiespeicherelemente (7) in einem Innenbereich des Dreieckes vorgesehen sind und jeweils eine Leistungselektronikeinheit (601, 602, 603) eines Schaltungsblockes (5, 5‘) an jeweils einer Seite des Dreieckes angeordnet ist.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leistungselektronikeinheit (601, 602, 603) aus zwei Leistungselektronikbaugruppen (641, 642) ausgebildet ist, die beidseitig wenigstens einer, in einer Ebene ausgerichteten Trägerleiterplatte (9) vorgesehen sind, wobei auf einer ersten Seite, in einem zentralen Bereich der wenigstens einen Trägerleiterplatte (9) der positive Spannungspol (41) und auf einer zweiten Seite, in dem zentralen Bereich der wenigstens einen Trägerleiterplatte (9) der negative Spannungspol (42) vorgesehen ist, und wobei jeweils eine erste der Leistungselektronikbaugruppen (641) die mit dem positiven Spannungspol (41) verbundenen ersten Leistungsschalter (61) von Schalthalbbrücken (6) und jeweils eine zweite der Leistungselektronikbaugruppen (42) die mit dem negativen Spannungspol (42) verbundenen zweiten Leistungsschalter (62) der jeweiligen Schalthalbbrücken (6) aufweist, und die Leistungsschalter (61, 62) der ersten Leistungselektronikbaugruppe (641) mit den jeweils zugehörigen Leistungsschaltern (61, 62) der zweiten Leistungselektronikbaugruppe (642) mittels Durchkontaktierungen (93) durch die wenigstens eine Trägerleiterplatte (9) elektrisch verbunden sind.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Energiespeicherelement (7) nur auf einer Seite der wenigstens einen Trägerleiterplatte (9) vorgesehen sind.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter (61, 62) einer Leistungselektronikeinheit (601, 602, 603) und/oder einer Leitungselektronikbaugruppe (641, 642) jeweils in einer Reihe nebeneinander auf einer mit Kupfer versehenen Oberfläche wenigstens einer Trägerleiterplatte (9) montiert sind und jeweils parallel zu dieser Reihe, direkt an oder in einem Abstand von höchstens 1 mm neben den Leistungsschaltern (61, 62) ein von einem Kühlmedium durchströmbares Kühlrohr (81, 82) auf derselben Oberfläche der wenigstens einen Trägerleiterplatte (9) montiert ist.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Trägerleiterplatte (9) mit der Leistungselektronik der Schaltungsblöcke (5, 5‘) elektrisch verbundene Leiterbahnen, Leitschienen und/oder leitende Oberflächenbereiche mit einer Kupferdicke von 100 µm bis 3 mm aufweist.
Stromrichtervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlfahnen (651, 652) der Leistungsschalter (61, 62) durch Lotkehlen (83) mit dem Kühlrohr (81, 82) verbunden sind.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (81, 82) ein Vierkantkupferrohr ist.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichterschaltung (3) wenigstens zwei in Reihe geschaltete Schaltungsblöcke (5, 5‘) aufweist.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Drehfeldmaschine (2) mehrere Stromrichtermodule (101, 102, 103) vorgesehen sind, die gleichmäßig verteilt an der Drehfeldmaschine (2) angeordnet sind.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromrichtermodul oder die Stromrichtermodule (101, 102, 103) direkt an einer Außenkontur, im Gehäuse oder in einer Hohlwelle der Drehfeldmaschine (2) montiert ist bzw. sind.
Stromrichtervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Trägerleiterplatte (9) auf einem Montageträger (14) montiert ist, dessen Form an eine Außen- oder Innenkontur der Drehfeldmaschine (2) angepasst ist.