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Die Erfindung betrifft einen Umrichter, der dazu ausgebildet ist, Gleichstrom- und Wechselstrom ineinander umzuwandeln. Ein derartiger Umrichter kann dabei auch dazu ausgebildet sein, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Ferner kann ein solcher Umrichter dazu ausgebildet sein, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Des Weiteren existieren Umrichter, die wahlweise beide Umwandlungsrichtungen verwirklichen. Darüber hinaus kann ein Umrichter dazu ausgebildet sein, über einen Spannungszwischenkreis Wechselspannungen ineinander umzuwandeln.
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Aus der
DE 100 62 075 A1 ist ein Umrichter mit integrierten Zwischenkreiskondensatoren bekannt, der an ein Gleichspannungsnetz in einem Kraftfahrzeug angeschlossen ist. Der Umrichter umfasst drei Halbbrücken, die in einem Modul angeordnet sind und eine Vielzahl an Zwischenkreiskondensatoren aufweisen. Ferner ist eine Halbbrücke mit mehreren High-Side-Schaltern und mehreren Low-Side-Schaltern ausgestattet. Als High-Side- und Low-Side-Schalter werden Halbleiterschalter eingesetzt. Ferner bilden die Kondensatoren auf einer Halbbrücke einen Zwischenkreis. Der auf mehrere Kondensatoren aufgeteilte Ladungsspeicher des Zwischenkreises erlaubt es, parasitäre Leitungsinduktivitäten klein zu halten, so dass Überspannungen, die an den Halbleiterschaltern auftreten können, reduziert werden.
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Die
EP 2 328 392 A2 offenbart einen mehrphasigen Drehstromumrichter, der mindestens einen Leistungshalbleiter und mindestens einen Kondensator aufweist, die einen Gleichspannungszwischenkreis ausbilden. Dabei ist der mindestens eine Leistungshalbleiter auf einer Leiterplatte angebracht, die zu einem Leistungsmodul gehört. Des Weiteren ist der mindestens eine Kondensator auf einer separaten Platine angeordnet, die in einer parallelen Ebene direkt über dem Leistungsmodul angebracht ist. Zwischen der Platine und der Leiterplatte ist mindestens ein Metallkörper angeordnet, der das Leistungsmodul mit der Leiterplatte elektrisch verbindet. Ferner ist zwischen den Leiterbahnen der Platine und der Leiterplatte mittels Lötstiften eine weitere elektrische Kontaktierung ausgebildet. Der Umrichter gemäß der
EP 2 328 392 A2 umfasst insgesamt drei Halbbrücken, wobei jede Halbbrücke mit einem Phasenabgang für Wechselstrom versehen ist.
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Die oben bezeichneten Umrichter haben den Nachteil, dass während des Betriebes Überspannungen auftreten können, die eine Überdimensionierung der Leistungshalbleiter erfordern. Darüber hinaus sind derartige Umrichter verlustbehaftet und erfordern verhältnismäßig viel Bauraum. Derartige Umrichter sind auch gegen Umwelteinflüsse empfindlich und entsprechend störungsanfällig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter bereitzustellen, der die skizzierten Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet und dabei in einfacher und kostenreduzierter Weise hergestellt werden kann.
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Der erfindungsgemäße Umrichter umfasst mindestens eine Halbbrücke, die einen Gleichspannungsanschluss aufweist und einen Phasenanschluss für Wechselstrom. Über den Gleichspannungsanschluss kann der Umrichter mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sein und der Phasenanschluss als Phasenabgang ausgebildet sein. Dabei ist die mindestens eine Halbbrücke mit mindestens einem Kondensator und mindestens einem Paar Leistungshalbleitern versehen, die zusammen mit dem Phasenabgang auf einem Substrat angeordnet sind. Ferner bilden der mindestens eine Kondensator und das mindestens eine Paar Leistungshalbleiter einen Kommutierungskreis, der zur Umwandlung zwischen Gleichspannung und Wechselspannung dient. Dabei ist das mindestens eine Paar Leistungshalbleiter auf einer ersten Seite des Substrats angebracht und der mindestens eine Kondensator auf einer zweiten Seite des Substrats. Diese Anordnung erlaubt es, die Länge der Leitungen, die die Leistungshalbleiter und den mindestens einen Kondensator miteinander verbinden, zu minimieren. Infolge der verringerten Längen der Leitungen, die zum Kommutierungskreis gehören, werden die auftretenden Kommutierungskreisinduktivitäten ebenfalls minimiert. Dadurch werden Überspannungen, die beim Abschalten eines Leistungshalbleiters auftreten können, minimiert, so dass der Leistungshalbleiter für reduzierte Sperrspannungen dimensioniert werden kann. Ferner werden so reduzierte Abschaltverluste gewährleistet, die es erlauben, einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Gleichermaßen erlauben reduzierte Abschaltverluste, Schaltvorgänge mit erhöhter Geschwindigkeit durchzuführen.
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Der erfindungsgemäße Umrichter ist in der Lage, im Vergleich zu bekannten Umrichtern höhere Ströme zu schalten. Eine Parallelschaltung von mehreren Leistungshalbleitern wird ferner durch die gleichmäßigen und reduzierten Induktivitäten in den einzelnen Kommutierungskreisen erleichtert. Hierdurch wird insgesamt eine gleichmäßige Stromaufteilung erzielt.
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Darüber hinaus kann auf zusätzliche Schaltungselemente oder Schutzeinrichtungen, die zur Begrenzung einer Überspannung an einem Leistungshalbleiter dienen, verzichtet werden. Der erfindungsgemäße Umrichter weist ein hohes Maß an Robustheit auf, ist kompakt und kann in kosteneffizienter Weise hergestellt werden. Der erfindungsgemäße Umrichter kann ferner in SMD-Leiterplattentechnik hergestellt werden, wodurch eine kosteneffiziente Herstellung gewährleistet ist. Des Weiteren erlaubt der erfindungsgemäße Umrichter den Einsatz von Keramikkondensatoren mit niedriger Kapazität, die robust sind und eine hohe Lebensdauer aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Substrat als Keramiksubstrat oder als Leiterplatte ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das mindestens eine Paar Leistungshalbleiter und der mindestens eine Kondensator, die den Kommutierungskreis bilden, im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnet. Eine derartige Anordnung erlaubt es, die Länge von einem Strompfad, der das Paar Leistungshalbleiter mit dem Kondensator verbindet, weiter zu minimieren. Infolge der so reduzierten Zwischenkreisinduktivität wird die Robustheit des erfindungsgemäßen Umrichters weiter verbessert, sowie eine noch kompaktere Bauweise ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters kann der mindestens eine Kondensator als Keramikkondensator ausgebildet sein. Keramikkondensatoren können mit einer weiten Spanne an Kapazitäten hergestellt werden, so dass der erfindungsgemäße Umrichter in einfacher Weise an ein breites Spektrum an Einsatzbereichen angepasst werden kann. Ferner weisen derartige Keramikkondensatoren eine geringe Bauhöhe auf, so dass bei einer Halbbrücke eine geringe Bauhöhe erzielt werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der mindestens eine Kondensator als SMD-Keramikkondensator oder als Folienkondensator ausgebildet sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der mindestens eine Kondensator bei einer anliegenden Zwischenkreisspannung von 100 V eine Kapazität von 5 µF bis 30 µF, besonders bevorzugt von 10 µF bis 22 µF auf. Eine hohe Kapazität des mindestens einen Kondensators gewährleistet eine niedrige Anzahl an Bauelementen im erfindungsgemäßen Umrichter. Dadurch wird bei dessen Herstellung die Kosteneffizienz weiter gesteigert.
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Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Umrichter derart ausgebildet sein, dass der Kommutierungskreis eine Induktivität von 5 nH bis 15 nH, besonders bevorzugt von 10nH aufweist. Ein Kommutierungskreis bzw. eine Mehrzahl von Kommutierungskreisen, der eine derartig niedrige Induktivität aufweist, erzeugt, ausgehend von konstanten Betriebsparametern, reduzierte Überspannungen an den Leistungshalbleitern, so dass auf zusätzliche Schaltelemente oder Schutzeinrichtungen für die Leistungshalbleiter verzichtet werden kann. Dies erlaubt eine weiter kosteneffiziente und einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Umrichters.
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Die Erfindung kann ferner mit einem Festkörper versehen sein, der auf der zweiten Seite des Substrats angebracht ist. Dabei steht der Festkörper mit dem mindestens einen Kondensator in einem thermisch leitenden Kontakt. Der thermisch leitende Kontakt zwischen dem mindestens einen Kondensator und dem Festkörper erlaubt eine effiziente Wärmeabfuhr des Kondensators. Ferner wird der mindestens eine Kondensator durch den Festkörper vor Einwirkungen aus der Umgebung abgeschirmt, so dass im erfindungsgemäßen Umrichter auch mechanisch oder chemisch empfindliche Kondensatoren eingesetzt werden können. Der Festkörper stellt somit eine leistungsfähige Wärmeabfuhrfunktion und eine Schutzfunktion zur Verfügung, die es erlaubt auf kostenintensive robuste Kondensatoren zu verzichten.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Festkörper als Kühlkörper, als Grundplatte, als Gehäuseteil oder als ein Motorblock ausgebildet. Der erfindungsgemäße Umrichter kann somit platzsparend in bereits vorhandene mechanische Bauteile integriert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Umrichter über Leistungshalbleiter verfügen, die als IGBT, als Thyristor oder als Feldeffekttransistor ausgebildet sind. Bevorzugterweise sind die Leistungshalbleiter als JFET, MOSFET, SiC-MOSFET, SiC-JFET, GTO oder IGCT ausgebildet. Hierbei handelt es sich um leistungsfähige Halbleiter, die in der Lage sind, hohe Ströme schnell und präzise zu schalten. Ferner erlaubt ein als IGBT ausgebildeter Leistungshalbleiter, erhöhte Sperrspannungen und Ströme zu schalten.
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Der erfindungsgemäße Umrichter kann ferner mit einem unidirektionalen oder bidirektionalen Hochsetzsteller versehen sein, der mindestens einen Zusatzkondensator umfasst. Dabei ist der mindestens eine Zusatzkondensator zusammen mit den Kondensatoren auf dem Substrat auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet. Ein Umrichter mit einem Hochsetzsteller verwirklicht ein Modul einer MHF-Topologie, das in einen Kühlkörper integriert werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt der Umrichter über mindestens zwei Halbbrücken, auf denen jeweils ein Strompfad ausgebildet ist, der von einer Gleichspannungsquelle zum Phasenabgang führt, der auf jeweils einer Halbbrücke angebracht ist. Die auf den jeweiligen Halbbrücken ausgebildeten Strompfade weisen dabei im Wesentlichen die gleiche Impedanz auf. Hierdurch ist es möglich, eine gleichmäßige Stromaufteilung zu erzielen, bei der die Leistungshalbleiter gleichmäßig belastet werden. Dadurch wird die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Umrichters erhöht.
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Der erfindungsgemäße Umrichter kann ferner dazu ausgebildet sein, als Gleichrichter, als Wechselrichter oder als Pulswechselrichter zu dienen. Der erfindungsgemäße Umrichter weist ein breites Einsatzspektrum auf, das eine Vielzahl von Anwendungsbereichen erschließt.
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Die Erfindung, sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen
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1 einen bekannten Umrichter nach dem Stand der Technik,
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2 einen Schaltungsaufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters,
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3 schematisch einen Aufbau einer Halbbrücke eines er findungsgemäßen Umrichters im Querschnitt,
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4 schematisch einen Aufbau einer Halbbrücke einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters.
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In 1 ist ein Umrichter 10 gemäß dem Stand der Technik offenbart. Der Wechselrichter 10 umfasst eine erste, eine zweite und eine dritte Halbbrücke 12, 13, 14, die auf einem Substrat 11 ausgebildet sind. Die Halbbrücken 12, 13, 14 sind jeweils mit einem Kondensator 21, 22, 23 ausgestattet, und verfügen jeweils über Leistungshalbleiter 18, 19. Die Leistungshalbleiter 19, 18 sind in Paaren angeordnet und mit einem Kondensator 21, 22, 23 verbunden, so dass ein Kommutierungskreis 25 ausgebildet ist. Jeder Kommutierungskreis 25, weist eine Kommutierungskreisinduktivität 32 auf, die von dessen jeweiliger Leitungslänge 29 bestimmt ist. Des Weiteren sind die einzelnen Kommutierungskreise 25 elektrisch miteinander verbunden und bilden einen Gesamtkreis 24 mit einer Gesamtinduktivität 33. Der Kommutierungskreis 25 mit der größten Leitungslänge 29 weist die höchste Kommutierungskreisinduktivität 32 auf und definiert dadurch die mit der Halbbrücke 12, 13, 14 erzielbare Schaltgeschwindigkeit und erzielbare Spannungshöhe.
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Des Weiteren ist jede Halbbrücke 12, 13, 14 mit einem Phasenabgang 15, 16, 17 ausgestattet, der als Wechselstromanschluss dient. Ebenso verfügt jede der Halbbrücken 12, 13, 14 über einen nicht näher dargestellten Anschluss an eine Gleichspannungsquelle 36. Die Verbindung zur Gleichspannungsquelle 36 erfolgt über nicht näher dargestellte Pole DC+ und DC–.
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2 offenbart schematisch einen Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen Umrichters 10. Das in 2 abgebildete Schaltbild zeigt einen Aufbau, der auf jeder einzelnen Halbbrücke 12, 13, 14 verwirklicht ist. Der Aufbau umfasst ein Paar Gleichstrompole 26, die mit der Gleichstromquelle 36 verbunden sind. Darüber hinaus weist der Aufbau zwei Leistungshalbleiter 18, 19 auf, die hintereinander geschaltet sind. Zwischen den Leistungshalbleitern 18, 19 zweigt ferner der Phasenabgang 15, 16, 17 ab, über den der erfindungsgemäße Umrichter an ein Wechselstromnetz angeschlossen wird. Parallel zu den Leistungshalbleitern 18, 19 ist ein Kondensator 21, 22, 23 angeordnet, der im Betrieb auf der Halbbrücke 12, 13, 14 als Energiespeicher dient. Im Wechselrichterbetrieb dienen die Leistungshalbleiter 18, 19 jeweils als High-Side- bzw. Low-Side-Schalter, wobei zwischen der Gleichstromquelle 36 und dem Phasenabgang 15, 16, 17 ein Strompfad 35 vorliegt. Darüber hinaus bilden der Kondensator 21, 22, 23 und die Leistungshalbleiter 18, 19 einen Kommutierungskreis 25 mit einer Kommutierungskreisinduktivität 32.
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Aus 3 geht schematisch der Aufbau einer Halbbrücke 12, 13, 14 einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters 10 hervor. Die Halbbrücke 12, 13, 14 umfasst ein Substrat 11, auf deren erster Seite 30 eine Vielzahl von Leistungshalbleitern 18, 19 angebracht ist. Auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite 31 des Substrats 11 ist eine Vielzahl an Kondensatoren 21, 22, 23 angeordnet, die über nicht näher dargestellte elektrische Verbindungen mit den zugehörigen Leistungshalbleitern 18, 19 Kommutierungskreise bilden. Dabei sind jeweils die Kondensatoren 21, 22, 23 mit einem Leistungshalbleiter 18, 19 elektrisch verbunden, die auf dem Substrat 11 zumindest teilweise gegenüberliegend angeordnet sind.
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Ferner ist auf der zweiten Seite 31 des Substrats 11 ein Festkörper 27 angeordnet, der die Kondensatoren 21, 22, 23 teilweise ausschließt. Der Festkörper 27 dient im Aufbau der Halbbrücke 12, 13, 14 zur Wärmeabfuhr und zum Schutz der Kondensatoren 21, 22, 23. Ferner ist der Festkörper 27 auf der dem Substrat 11 zugewandten Seite mit einer Vielzahl von Ausnehmungen 45 versehen, die zur Aufnahme der Kondensatoren 21, 22, 23 dienen. Die Ausnehmungen 45 werden von Stützabschnitten 41 begrenzt, die die Zwischenräume 39 zwischen den Kondensatoren 21, 22, 23 zumindest teilweise füllen. Die Stützabschnitte 41 stehen mit dem Substrat 11 in thermisch leitendem Kontakt und leiten die aus dem Substrat 11 aufgenommene Wärme in den Festkörper 27 ab. Darüber hinaus sind Spalten 49 zwischen den Stützabschnitten 41 und den Kondensatoren 21, 22, 23 mit einer Leitfolie 47 gefüllt, so dass auch ein flächiger Wärmeübergang von den Kondensatoren 21, 22, 23 in den Festkörper 27 erfolgt. Hierdurch wird eine effiziente Wärmeabfuhr aus der Halbbrücke 12, 13, 14 gewährleistet.
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4 offenbart den schematischen Aufbau einer Halbbrücke 12, 13, 14 in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters 10. Dabei ist auf der ersten Seite 30 des Substrats 11 ein Paar 20, Leistungshalbleiter 19 angeordnet, die jeweils über einen Phasenabgang 15, 16, 17 und einen Gleichspannungspol 26 zur Verbindung mit einer Gleichstromquelle 36 verfügen. Auf der zweiten Seite 31 des Substrats 11 ist ein Kondensator 21, 22, 23 angeordnet, der als Keramikkondensator ausgebildet ist.
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In 4 ist ferner der Kommutierungskreis 25 dargestellt, der die Leistungshalbleiter 18, 19 mit dem Kondensator 21, 22, 23 verbindet. Der Kommutierungskreis 25 weist dabei eine Kommutierungskreisinduktivität 32 auf, die aufgrund der kompakten Bauweise niedrig ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10062075 A1 [0002]
- EP 2328392 A2 [0003, 0003]
