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Die vorliegende Erfindung betrifft einen getakteten Energiewandler mit einem ersten Anschluss zum Anschließen an eine elektrische Energiequelle, einem zweiten Anschluss zum Anschließen an eine elektrische Energiesenke, einer Umrichtereinheit sowie einem einen Aufnahmeschacht für die Umrichtereinheit bereitstellenden Rahmen. Ferner betrifft die Erfindung eine Umrichtereinheit für den getakteten Energiewandler.
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Gattungsgemäße getaktete Energiewandler sind dem Grunde nach bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Energiewandler der gattungsgemäßen Art werden in vielfältiger Weise eingesetzt, um elektrische Energie in gewünschter Weise zu wandeln, beispielsweise um elektrische Energieversorgungsnetze unterschiedlicher Art energietechnisch zu koppeln, die über ein elektrisches Energieversorgungsnetz bereitgestellte Energie in eine für einen Verbraucher geeignete Energieform zu wandeln, sodass dieser in bestimmungsgemäßer Weise mit elektrischer Energie versorgt werden kann, oder dergleichen. Getaktete Energiewandler der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise Wechselrichter, mittels denen elektrische Energie einer Gleichspannung in elektrische Energie einer Wechselspannung, insbesondere einer einphasigen oder auch einer dreiphasigen Wechselspannung, gewandelt werden kann. Darüber hinaus können getaktete Energiewandler auch in Form eines Umrichters ausgebildet sein, mittels dem elektrische Energie einer ersten Wechselspannung in elektrische Energie einer zweiten Wechselspannung, insbesondere einer einphasigen oder auch einer dreiphasigen Wechselspannung gewandelt werden kann. Getaktete Energiewandler können auch zum Wandeln einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung genutzt werden. Darüber hinaus sind weitere Formen getakteter Energiewandler, insbesondere auch Mischformen oder Kombinationen hiervon, beispielsweise gebildet durch Wechselrichter, Umrichter oder dergleichen möglich.
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Getaktete Energiewandler werden heutzutage in Form sogenannter statischer Energiewandler eingesetzt, das heißt, dass sie anders als dynamische Energiewandler keine mechanisch bewegbaren, insbesondere rotierbaren Teile für den Zweck der Energiewandlung aufweisen. Getaktete Energiewandler der gattungsgemäßen Art als statische Energiewandler weisen oftmals wenigstens ein, häufig auch mehrere Halbbrückenmodule auf, mittels welchen eine durch die Energiequelle bereitgestellte elektrische Spannung in eine für die Energiesenke geeignete elektrische Spannung umgewandelt werden kann. Daneben sind ferner Schaltungstopologien bekannt, bei denen anstelle oder ergänzend zu Halbbrückenmodulen einzelne oder mehrere Halbleiterschalter zum Einsatz kommen, um die gewünschte Energiewandlung realisieren zu können.
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Energiewandler der gattungsgemäßen Art können auch durch Gleichspannungswandler gebildet sein, mittels denen eine erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung gewandelt werden kann. Solche Energiewandler benötigen nicht zwingend ein Halbbrückenmodul, um die gewünschte Wandlung der elektrischen Energie vornehmen zu können.
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Mit dem getakteten Energiewandler wird die Möglichkeit geschaffen, eine elektrische Leistung von der Energiequelle zur Energiesenke zu übertragen. Die zu übertragende Leistung ist in der Regel die Leistung, die der Energiewandler der Energiequelle entnimmt und der Energiesenke, beispielsweise einem Verbraucher, bereitstellt. Ein solcher Energiewandler kann beispielsweise durch einen Tiefsetzsteller, einen Hochsetzsteller, einen Resonanzumrichter, Kombinationen hiervon oder dergleichen gebildet sein. Zum Zwecke der Energiewandlung ist in der Regel wenigstens ein elektrischer Energiespeicher, beispielsweise in Form einer elektronischen Induktivität und/oder einer elektronischen Kapazität vorgesehen.
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Das Halbbrückenmodul weist in der Regel zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter auf, mittels denen eine an einem Zwischenkreis bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine elektrische Wechselspannung oder auch eine zweite elektrische Gleichspannung gewandelt werden kann. Eine solche Schaltungstopologie wird auch Halbbrückenschaltung genannt. Es kann vorgesehen sein, dass mehrere Halbbrückenmodule parallelgeschaltet an die elektrische Gleichspannung angeschlossen sind, um unterschiedliche Wechselspannungsphasen zu erzeugen.
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Im Bereich großer Leistungen kommen häufig Wechselrichter als getaktete Energiewandler in Betracht, die zur Erzeugung eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes ausgebildet sind. Zum Erzeugen des Wechselspannungsnetzes ist für jede der Wechselspannungsphasen wenigstens ein Halbbrückenmodul vorgesehen. Eine solche Schaltung wird Halbbrückenschaltung genannt. Darüber hinaus kann ein solcher Wechselrichter natürlich auch für jede Wechselspannungsphase ein paar von Halbbrückenmodulen aufweisen, die entgegengesetzt gesteuert werden, um für jede Wechselspannungsphase die Schaltungstopologie einer Vollbrückenschaltung bereitstellen zu können.
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Getaktete Energiewandler des Stands der Technik weisen neben einem großen Bauvolumen und einem großen Gewicht begrenzte Leistungsdichten auf. Darüber hinaus sind energiewandlerspezifische Gehäusekonstruktionen erforderlich, sodass getaktete Energiewandler im Rahmen einer Einzelfertigung oder einer Kleinserienfertigung hergestellt werden. Dies ist aufwendig und kostenintensiv. Darüber hinaus erweist es sich als problematisch, im Störungsfall einen Energiewandler auszutauschen und/oder zu reparieren. Schließlich führt der bekannte Aufbau zu einer geringen Robustheit und einer begrenzten Kurzschussfestigkeit im bestimmungsgemäßen Betrieb. Unzureichend sind ferner Risiken bezüglich Kontaminationen während einer Montage von Standardmodulen als getaktete Energiewandler, eine geringe thermomechanische Stabilität sowie eine geringe Flexibilität beziehungsweise Skalierbarkeit. Daraus ergibt sich ferner eine unzureichende Zuverlässigkeit.
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Bekannte Konstruktionen erweisen sich ferner dahingehend als nachteilig, dass realisierte Abstände der Halbleiterschalter zu Kühlstrukturen vergleichsweise groß ausgebildet sind und auf diese Weise zu einer ungünstigen Wärmeableitung führen. Daraus ergibt sich auch, dass für unterschiedliche Leistungsklassen unterschiedliche leistungselektronische Systeme erforderlich sind. Geometrische Standards für Leistungsmodule lassen sich somit nicht realisieren. Insbesondere erfordert eine Aufrüstung in Bezug auf eine zu wandelnde Leistung einen Austausch des getakteten Energiewandlers insgesamt.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau für einen getakteten Energiewandler bereitzustellen, der in hochflexibler Weise an die gewünschte zu wandelnde Leistung angepasst werden kann und zugleich hinsichtlich des Aufbaus und der Herstellung vereinfacht ist.
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Als Lösung schlägt die Erfindung einen getakteten Energiewandler gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vor. Weiterhin schlägt die Erfindung eine Umrichtereinheit gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 9 vor. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand von Merkmalen und Eigenschaften der abhängigen Ansprüche.
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Energiewandlerseitig wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass der Aufnahmeschacht zum Einführen der Umrichtereinheit in den Aufnahmeschacht an geometrische Abmessungen der Umrichtereinheit angepasst ausgebildet ist, wobei der getaktete Energiewandler eine die Umrichtereinheit kontaktierende Kontaktierungseinheit aufweist, die zum lösbaren, elektrischen und thermischen Kontaktieren der Umrichtereinheit im Aufnahmeschacht ausgebildet ist.
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Umrichtereinheitsseitig wird insbesondere mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Umrichtereinheit eine Schaltungsträgerplatte aufweist, welche Schaltungsträgerplatte gegenüberliegend zueinander ausgebildete große Oberflächen zum Bilden einer Ober- und Unterseite aufweist, deren Flächeninhalt größer als ein Flächeninhalt von Schmalseiten der Schaltungsträgerplatte ist, wobei Bauelemente der Umrichtereinheit auf wenigstens einer der großen Oberflächen der Schaltungsträgerplatte angeordnet sind und wobei auf wenigstens einer der beiden großen Oberflächen Kontaktflächen zum Kontaktieren mittels einer Kontaktierungseinheit eines getakteten Energiewandlers angeordnet sind.
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Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, getaktete Energiewandler in hochflexibler Weise nach dem Baukastenprinzip zu erstellen. Dazu ist der getaktete Energiewandler mit einem Rahmen versehen, der den Aufnahmeschacht bereitstellt. Der Aufnahmeschacht ist derart ausgebildet, dass die Umrichtereinheit in den Aufnahmeschacht eingeführt werden kann. Zu diesem Zweck weist der Aufnahmeschacht geometrische Abmessungen auf, die an geometrische, Abmessungen der Umrichtereinheit angepasst ausgebildet sind. Dadurch ist es möglich, die Umrichtereinheit in den Aufnahmeschacht einzustecken beziehungsweise einzuschieben, sodass ein Öffnen eines Gehäuses und damit verbundene Montagearbeiten im Wesentlichen immer eingespart werden können. Dadurch ist es möglich, den Energiewandler bedarfsgerecht mit Standardumrichtereinheiten auszurüsten, um eine gewünschte zu wandelnde Leistung erreichen beziehungsweise ihn daran anpassen zu können.
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Um die Umrichtereinheit in gewünschter Weise betreiben zu können, weist der getaktete Energiewandler ferner die Kontaktierungseinheit auf, die nicht nur elektrisch lösbare Verbindungen zum elektrischen kontaktieren der Umrichtereinheit, insbesondere von Kontaktflächen der Umrichtereinheit, bereitstellt, sondern zugleich auch eine thermische Kontaktierung der Umrichtereinheit ermöglicht, sodass durch die Umrichtereinheit erzeugte Verlustwärme im bestimmungsgemäßen Betrieb zuverlässig zu einer Wärmesenke abgeführt werden kann. Zu diesem Zweck kann die Kontaktierungseinheit beispielsweise eine von einem Kühlmittel durchströmte Kühleinheit aufweisen, die beim Einführen der Umrichtereinheit in den Aufnahmeschacht durch die Umrichtereinheit kontaktiert wird. Zu diesem Zweck kann eine Bewegung der Umrichtereinheit und/oder der Kühleinheit der Kontaktierungseinheit quer zu einer der großen Oberflächen in geeigneter Weise realisiert sein, sodass eine thermische Kontaktierung der Kühleinheit mit der Umrichtereinheit ausgebildet werden kann. Vorzugsweise erfolgt diese Bewegung zugleich im Rahmen einer Einführbewegung der Umrichtereinheit in den Aufnahmeschacht. In entsprechender Weise kann auch eine elektrische Kontaktierung mittels der Kontaktierungseinheit hergestellt werden. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, dass die Kontaktierungseinheit entsprechende Schleifkontakte bereitstellt, die die Umrichtereinheit während eines Einführens der Umrichtereinheit in Aufnahmeschacht schleifend kontaktieren. Zu diesem Zweck können elastische Kontaktierungsmittel vorgesehen sein.
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Die elektrische Energiequelle ist eine Einrichtung, die zumindest zeitweise elektrische Energie für den getakteten Energiewandler bereitstellt. Die Energiequelle kann beispielsweise durch ein öffentliches Energieversorgungsnetz, eine Batterie, insbesondere einen Akkumulator, einen elektrischen Generator, einen elektrochemischen Energiewandler wie eine Brennstoffzelle, Kombinationen hiervon oder dergleichen gebildet sein.
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Die Energiesenke ist in der Regel durch einen elektrischen Verbraucher gebildet, der beispielsweise ein Leuchtmittel, eine elektrische Heizung, eine elektrische Maschine im Motorbetrieb, Kombination hiervon oder dergleichen sein kann. Ein elektrischer Verbraucher kann beispielsweise eine Heizung, eine Klimaanlage, ein Ventilator, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen sein. Darüber hinaus kann die Energiesenke aber auch durch einen elektrochemischen Energiewandler gebildet sein, der in seiner Funktion als Energiesenke elektrische Energie aufnimmt und in chemischer Form speichert, beispielsweise ein Akkumulator, eine Elektrolyseeinheit, Kombinationen hiervon oder dergleichen. Während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Energiewandlers kann die Funktion der Energiequelle und der Energiesenke wechseln, sodass ein Energiefluss die Richtung umkehrt.
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Der Aufnahmeschacht weist vorzugsweise Abmessungen auf, die äußere Abmessungen der Umrichtereinheit nur geringfügig überschreiten, sodass die Umrichtereinheit vorzugsweise lediglich in einer einzigen Orientierung in den Aufnahmeschacht eingeführt werden kann. Dadurch kann eine Kodierung erreicht werden, die ein versehentlich fälschliches Einführen der Umrichtereinheit in den Aufnahmeschacht vermeidet, sodass hierdurch möglicherweise verursache Störungen weitgehend vermieden werden können. Zu diesem Zweck kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Umrichtereinheit eine im Wesentlichen rechteckförmige Grundfläche aufweist, sodass die Umrichtereinheit lediglich in einer Vorzugsrichtung in den Aufnahmeschacht eingeführt werden kann.
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Der Aufnahmeschacht kann durch die Kontaktierungseinheit begrenzt sein. Vorzugsweise umgibt die Kontaktierungseinheit den Aufnahmeschacht, insbesondere stellt sie den Aufnahmeschacht bereit.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Aufnahmeschacht für die Aufnahme einer Umrichtereinheit im Chipkartenformat ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann die Umrichtereinheit entsprechend ausgebildet sein, wie im Folgenden unten noch ausgeführt werden wird. Dadurch können neuartige Systemlösungen erreicht werden, wie sie vergleichbar mit Geldautomaten bereitgestellt werden. Lediglich durch Austausch einer Umrichtereinheit können die technischen Daten des Energiewandlers, beispielsweise die zu wandelnde Leistung oder dergleichen, angepasst werden. Ohne großen Aufwand kann somit ein getakteter Energiewandler in der gewünschten Leistungsklasse hergestellt beziehungsweise angepasst oder auch nachgerüstet werden. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass die Umrichtereinheit selbst kein eigenes vollständiges Kühlsystem benötigt, sondern an ein Kühlsystem des getakteten Umrichters angekoppelt wird. Diese Verbindung ermöglicht es, eine hohe Flexibilität erreichen zu können.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Energiewandler wenigstens einen weiteren, zum Einführen einer weiteren Umrichtereinheit an geometrische Abmessungen der weiteren Umrichtereinheit angepasst ausgebildeten Aufnahmeschacht aufweist, wobei die Kontaktierungseinheit zum lösbaren elektrischen und thermischen Kontaktieren der weiteren Umrichtereinheit im weiteren Aufnahmeschacht ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann die Kontaktierungseinheit beispielsweise zweiteilig ausgebildet sein, wobei jeweils ein Teil der Kontaktierungseinheit für den ersten und ein Teil der Kontaktierungseinheit für den zweiten Aufnahmeschacht bestimmt ist. Die Kontaktierungseinheit auch mehrteilig ausgebildet sein, um Aufnahmeschächte für entsprechend mehrere Umrichtereinheiten bereitstellen zu können. Darüber hinaus kann auch eine einteilige Kontaktierungseinheit vorgesehen sein, die zwei oder auch mehrere Aufnahmeschächte bereitstellt. Vorzugsweise sind die geometrischen Abmessungen der Umrichtereinheiten standardisiert, sodass sie beliebig in die Aufnahmeschächte eingeführt werden können. Dies ermöglicht es, Umrichtereinheiten nach Belieben in den Aufnahmeschächten anzuordnen. Natürlich ist die Erfindung nicht auf die Anwendung auf zwei Umrichtereinheiten beschränkt. Dem Grunde nach kann der Energiewandler eine beliebige, geeignete Anzahl von Aufnahmeschächten für entsprechende Umrichtereinheiten aufweisen. Vorzugsweise sind sämtliche Aufnahmeschächte mit den gleichen mechanischen Eigenschaften versehen, sodass Umrichtereinheiten in beliebiger Weise in die Aufnahmeschächte eingeführt werden können. Natürlich braucht nicht jeder der Aufnahmeschächte mit einer Umrichtereinheit bestückt zu sein. Je nach gewünschten Anforderungen an den Energiewandler, können Umrichtereinheiten bestückt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Energiewandler eine Betriebseinheit zum Betreiben der Umrichtereinheiten in einem bestimmungsgemäßen Betrieb auf. Vorzugsweise ist die Betriebseinheit dazu ausgebildet, sämtliche Umrichtereinheiten, die in Aufnahmeschächten des getakteten Energiewandlers angeordnet sind, insbesondere gemeinsam, zu betreiben. Es kann vorgesehen sein, das die Betriebseinheit die Umrichtereinheiten unabhängig voneinander betreibt. Beispielsweise kann der Energiewandler derart betrieben werden, dass eine Umrichtereinheit jeweils eine ihr zugeordnete Energiesenke mit elektrischer Energie versorgt.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Betriebseinheit eine Synchronisationseinheit zum Synchronisieren eines parallelen Betriebs der ersten und der zweiten Umrichtereinheit umfasst. Dies ermöglicht es, den Energiewandler für eine zu wandelnde Leistung auszubilden, die vorzugsweise im Wesentlichen durch die zu wandelnden Leistungen der jeweiligen Umrichtereinheiten bereitgestellt sind. Beispielsweise können sämtliche Umrichtereinheiten gemeinsam eine, vorzugsweise eine einzige, Energiesenke mit Energie versorgen. Dem Grunde nach ist diese Ausgestaltung nicht auf den Betrieb zweier Umrichtereinheiten beschränkt, sondern kann darüber hinaus auf sämtliche Umrichtereinheiten des Energiewandlers angewendet werden, oder auch nur auf eine vorgebbare Anzahl hiervon. Diese Ausgestaltung erlaubt es, die Leistung der Umrichtereinheiten des Energiewandlers in vorgebbarer Weise zu kaskadieren, sodass der Energiewandler bedarfsgerecht auf einfache Weise hinsichtlich seiner Leistungswandlung angepasst werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kontaktierungseinheiten einen Kontaktierungseinheit einen Kontaktstift und/oder eine Kontaktfeder zum elektrischen Kontaktieren der Umrichtereinheit aufweist. Der Kontaktstift bzw. die Kontaktfeder ist in der Kontaktierungseinheit vorzugsweise derart angeordnet, dass sie eine vorgegebene Kontaktfläche der Umrichtereinheit, die in den entsprechenden Aufnahmeschacht eingeführt ist, kontaktiert. So lässt sich auf einfache Weise der elektrische Kontakt herstellen. Der Kontaktstift beziehungsweise die Kontaktfeder sind für die entsprechende elektrische Belastung angepasst ausgelegt. Die Kontaktierungseinheit kann insbesondere auch parallel geschaltete Kontaktstifte und/oder Kontaktfedern aufweisen, um beispielsweise eine Strombeanspruchung berücksichtigen zu können. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Kontaktierungseinheit den Kontaktstift beziehungsweise die Kontaktfeder erst dann elektrisch koppelt, wenn die Umrichtereinheit in den entsprechenden Aufnahmeschacht eine Betriebsstellung erreicht hat, in der die Umrichtereinheit in den bestimmungsgemäßen Betrieb zuverlässig gebracht werden kann.
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Weiterhin kann die Kontaktierungseinheit eine Umrichtereinheit kontaktierende Wärmesenke aufweisen. die Wärmesenke kann beispielsweise durch eine Kühleinheit, insbesondere eine Kühlplatte gebildet sein, die von einem Kühlmittel, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit, wie Wasser, Alkohol oder dergleichen oder auch von einem Kühlgas durchströmt sein kann. Die Kühleinheit ist vorzugsweise aus einem thermisch gut leitfähigen Werkstoff gebildet, wie zum Beispiel Metall, insbesondere Aluminium, Kupfer, Legierungen hiervon, oder dergleichen, einem Keramikwerkstoff wie Aluminiumoxid oder dergleichen, einem Verbundwerkstoff Kombinationen hiervon oder dergleichen. Die Kühleinheit kann als Kühlkörper, insbesondere als Kühlplatte ausgebildet sein und Öffnungen zum Durchströmen des Kühlmittels aufweisen. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Wärmesenke vorzugsweise in Form der Kühlplatte eine Wand des Aufnahmeschachtes bildet, die wenigstens eine der großen Oberflächen der Umrichtereinheit kontaktiert, um auf diese Weise über eine große Kontaktfläche durch die Umrichtereinheit erzeugte Wärme im bestimmungsgemäßen Betrieb zuverlässig abführen zu können. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass die Wärmesenke erst dann die Umrichtereinheit kontaktiert, wenn diese die Betriebsstellung im Aufnahmeschacht erreicht hat. Dadurch kann erreicht werden, dass die Umrichtereinheit leicht in den Aufnahmeschacht eingeführt werden kann, beispielsweise aufgrund manueller Einwirkung.
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Ferner wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass der Aufnahmeschacht eine Rasteinheit zum Verrasten der in den Aufnahmeschacht eingeführten Umrichtereinheit aufweist. Vorzugsweise erfolgt das Verrasten in der Betriebsstellung der Umrichtereinheit im Aufnahmeschacht. Zu diesem Zweck kann die Rasteinheit Rastmittel wie Rastnasen, Rastnuten, Kombinationen hiervon oder dergleichen aufweisen, mit denen die Umrichtereinheit vorzugsweise in der Betriebsstellung im Aufnahmeschacht verrastet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Rasteinheit während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Umrichtereinheit nicht zum Entrasten betätigt werden kann. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Umrichtereinheit nicht in unerwünschter Weise während eines bestimmungsgemäßen Betriebs aus dem Aufnahmeschacht und damit aus dem Energiewandler entfernt wird. Vorteilhaft ist dies insbesondere auch, wenn zwei oder mehrere Umrichtereinheiten in entsprechenden Aufnahmeschächten angeordnet sind und lediglich eine der Umrichtereinheiten aus dem sie aufnehmenden Aufnahmeschacht entfernt werden soll. Dadurch können gefährliche Zustände vermieden werden. Darüber hinaus kann sichergestellt werden, dass nur außer Betrieb genommene Umrichtereinheiten aus den sie aufnehmenden Aufnahmeschächten entfernt werden können. Der zuverlässige bestimmungsgemäße Betrieb des Energiewandlers kann dadurch verbessert beziehungsweise aufrechterhalten werden.
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Mit der Erfindung wird ferner für eine gattungsgemäße Umrichtereinheit vorgeschlagen, dass insbesondere die Umrichtereinheit eine Schaltungsträgerplatte aufweist, welche Schaltungsträgerplatte zwei gegenüberliegend zueinander ausgebildete große Oberflächen zum Bilden einer Ober- und einer Unterseite aufweist, deren Flächeninhalt größer als ein Flächeninhalt von Schmalseiten der Schaltungsträgerplatte ist, wobei Bauelemente der Umrichtereinheit auf wenigstens einer der großen Oberflächen der Schaltungsträgerplatte angeordnet sind und wobei auf wenigstens einer der beiden großen Oberflächen Kontaktflächen zum Kontaktieren mittels einer Kontaktierungseinheit eines getakteten Energiewandlers angeordnet sind. Diese Ausgestaltung erlaubt es, eine sehr flache Bauform für die Umrichtereinheit bereitzustellen, insbesondere in Form einer Chipkarte, vorzugsweise mit den standardmäßigen Abmessungen einer Chipkarte, wie beispielsweise eine Länge von 85,6 mm, eine Breite von 53,98 mm sowie eine Dicke von 0,76 mm.
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Um diese Abmessungen erreichen zu können, ist die Umrichtereinheit mit Technologien der Oberflächenmontage hergestellt. Auf diese Weise können Chipkarten-Leistungseinheiten als Umrichtereinheiten erstellt werden, die die Chipkarten im bargeldlosen Zahlungsverkehr benutzt werden können. Darüber hinaus lassen sich durch Mehrfacheinsatz in getakteten Energiewandlern gemäß der Erfindung unterschiedliche Leistungsklassen für die Energiewandler erreichen.
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Besonders vorteilhaft nutzt die Erfindung eine planare Verbindungstechnologie mit direkt auf einem Substrat angeordneten Halbleiterkristallen, die die entsprechenden Halbleiterschalter bilden. Besonders vorteilhaft wird diese Technik mit einer planaren Verbindungstechnik kombiniert, wie zum Beispiel SiPLIT®, die eine besonders flache und zuverlässige Verbindungstechnik bereitstellt. Dadurch kann auf ungünstige Bondverdrahtung im Wesentlichen verzichtet werden, wodurch nicht nur reduzierte Durchlassverluste und reduzierte thermische Widerstände, sondern auch eine höhere Leistungsdichte, eine reduzierte Streuinduktivität, höhere Lastwechselfestigkeit, ein verbesserter Stoßstromgrenzwert, eine optimierte Kühlung sowie eine Sensorintegration erreicht werden kann. Insbesondere kann hierdurch eine auch silikonfreie Umrichtereinheit geschaffen werden. Eine Montagetechnik kann beispielsweise auch auf Direct Copper Bonding(DCB)-Substraten basieren.
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Insbesondere kann die Umrichtereinheit beispielsweise gemäß der der
WO 2004/077 548 A2 hergestellt sein. Dadurch lässt sich eine besonders flache Bauweise der Umrichtereinheit erreichen, wobei zugleich eine sehr hohe Zuverlässigkeit bei großer Beanspruchung erreicht werden kann. Die Umrichtereinheit enthält vorzugsweise auch die nötigen Steuerelemente, die zum bestimmungsgemäßen Betrieb der Halbleiterschalter erforderlich sind. Dies sind beispielsweise Treibereinheiten für die Halbleiterschalter, weitere Peripherieeinheiten, beispielsweise um die Treibereinheiten mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder dergleichen. Insbesondere kann die ungünstige Anwendung von Bonddrähten vermieden werden, wodurch zugleich auch die hiermit verbundenen Nachteile reduziert werden können.
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Ein Substrat zur Bereitstellung der Schaltungsträgerplatte kann beispielsweise ein keramisches Substrat, eine Leiterplatte, eine Folie, insbesondere eine hochisolierende organische Folie, oder dergleichen sein, auf welches die Bauteile, insbesondere Halbleiterschalter in Form von Kristallen bestückt sind. Diese können beispielsweise auf das Substrat aufgeklebt, aufgelötet oder dergleichen sein. Die Kristalle für die Halbleiterschalter können auch gesintert auf dem Substrat befestigt sein. Insbesondere kann hierdurch eine homogene, hohlraumfreie Isolationsschicht erreicht werden, so dass insgesamt eine hohe Spannungsfestigkeit erreicht werden kann. Für eine Kontaktierung der Umrichtereinheit sind an wenigstens einer der großen Oberflächen elektrische Anschlussbereiche zur Kontaktierung durch die Kontaktierungseinheit in Form von Kontaktflächen vorgesehen. Diese können mit Anschlüssen der Halbleiterschalter, beispielsweise über substrateigene Leiterbahnen oder dergleichen, verbunden sein.
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Zugleich erlaubt es eine solche Verbindungstechnik, eine große Oberfläche zur Kontaktierung durch eine Wärmesenke bereitzustellen. Dadurch kann ein großflächiger Kontakt zur effektiven Wärmeableitung erreicht werden. Insbesondere kann natürlich vorgesehen sein, dass eine thermische Kopplung der Wärmesenke nicht nur an einer der beiden großen Oberflächen thermisch erfolgt, sondern an beiden großen Oberflächen. Dadurch lässt sich die thermische Belastbarkeit der Umrichtereinheit weiter verbessern.
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Auch wenn bisher eine Bestückung der Schaltungsträgerplatte lediglich auf einer der großen Oberflächen beschrieben worden ist, ist es gleichfalls möglich, die Bestückung ergänzend auch auf der gegenüberliegenden großen Oberfläche vorzusehen. Vorteilhaft ist dies insbesondere dann, wenn die Umrichtereinheiten beispielsweise Vollbrückenschaltungen bereit stellen, wobei jeweils eine Halbbrückenschaltung einer Vollbrücke jeweils auf einer der beiden großen Oberflächen gegenüberliegend angeordnet ist.
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Insbesondere lässt sich hierdurch eine planare Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) erreichen. Zudem können hochkompakte, standardisierte und kostengünstige Umrichtereinheiten hergestellt werden, die insbesondere die Standard-Chipkarten-Abmessungen einhalten können. Durch multiplen Einsatz der Umrichtereinheiten lassen sich unterschiedliche Leistungsklassen für getaktete Energiewandler erzielen, wodurch eine Skalierbarkeit erreicht werden kann. Die erforderliche Kühlung für die Umrichtereinheit kann durch die Anordnung in der Umrichtereinheit selbst oder besonders vorteilhaft durch die Kontaktierungseinheit des getakteten Energiewandlers erreicht werden.
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Die Umrichtereinheit der Erfindung benötigt insbesondere kein eigenes Gehäuse. Neben den bereits beschriebenen Vorteilen kann deshalb eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Robustheit bei erheblicher Volumen- und Gewichtsreduzierung gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden. Durch die ultraflache AVT kann eine Kühlung in im Aufnahmeschacht eingeführten Zustand mittels der Kontaktierungseinheit, insbesondere der Kühleinheit der Kontaktierungseinheit, erreicht werden.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Umrichtereinheit weitere Bauteile beziehungsweise Baugruppen aufweist, die weitere Funktionen, wie beispielsweise eine Temperatur-, eine Spannungs-, eine Stromüberwachung, Kombinationen hiervon oder dergleichen aufweisen kann.
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Mit der Umrichtereinheit gemäß der Erfindung kann eine besonders einfache Montage und Austauschbarkeit erreicht werden.
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Gemäß einem Vorschlag der Erfindung sind die Bauelemente ausschließlich auf einer der großen Oberflächen angeordnet und die gegenüberliegende große Oberfläche ist zum Kontaktieren einer Wärmesenke ausgebildet. Dadurch kann eine besonders einfache kostengünstige Umrichtereinheit erreicht werden. Die großen Oberflächen können entsprechend ihrer vorgesehenen Funktion optimiert ausgestaltet sein. So kann beispielsweise die Wärmesenke kontaktierende große Oberfläche mit einer einen Wärmeübergang reduzierenden Beschichtung versehen sein.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Bauelemente zum Kontaktieren einer Wärmesenkung ausgebildet sind. Damit ist es möglich, auch die große Oberfläche mittels der Wärmesenke zu kontaktieren, die mit Bauelementen bestückt ist. Besonders vorteilhaft erweist es sich hierbei, wenn die Umrichtereinheit entsprechend einer hochplanen AVT hergestellt ist. Insbesondere kann hierdurch erreicht werden, dass die Umrichtereinheit an beiden großen Oberflächen durch die Wärmesenke kontaktiert wird. Das Abführen von Verlustwärme kann dadurch verbessert werden.
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Vorzugsweise weist die Umrichtereinheit eine Speichereinheit auf, die umrichtereinheitsbezogene Daten auslesbar enthält. Solche Daten können beispielsweise eine maximale Umrichterleistung, eine maximale Strombeanspruchung, eine maximale Spannungsbeanspruchung, eine maximale Temperaturbeanspruchung, weitere Daten bezüglich der Halbleiterschalter und des bestimmungsgemäßen Betriebs und/oder dergleichen sein.
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Dadurch ist es möglich, dass die Umrichtereinheit, die für ihren bestimmungsgemäßen zuverlässigen Betrieb erforderlichen Daten selbst bereitstellt. Die Detektionseinheit des Energiewandlers kann diese Daten auslesen und die Betriebseinheit kann sich aufgrund dieser Daten entsprechend einstellen, sodass ein möglichst optimaler Betrieb der Umrichtereinheit im in den Aufnahmeschacht eingeführten Zustand gewährleistet werden kann. Darüber hinaus kann natürlich vorgesehen sein, dass die umrichtereinheitsbezogenen Daten Identitätsdaten, Zugriffsdaten, Kombinationen hiervon oder dergleichen aufweisen. Dadurch kann erreicht werden, dass eine Umrichtereinheit nicht mit beliebigen Energiewandlern kombiniert werden kann. Zudem kann gewährleistet werden, dass nur berechtigtes Personal die Umrichtereinheiten aus dem Aufnahmeschacht entnehmen beziehungsweise auf den bestimmungsgemäßen Betrieb der Umrichtereinheit einwirken kann. Darüber hinaus kann hierdurch erreicht werden, dass bei Austausch einer Umrichtereinheit gegen eine andere Umrichtereinheit eine automatische Anpassung des bestimmungsgemäßen Betriebs durch die Betriebseinheit erreicht werden kann. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass nach einem Austausch der bestimmungsgemäße Betrieb nur dann wieder aufgenommen wird, wenn die ausgetauschte Umrichtereinheit hinsichtlich der relevanten Daten der ausgetauschten Umrichtereinheit entspricht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Schaltungsträgerplatte einen einem Einsteckbereich gegenüberliegend ausgebildeten Griffbereich auf. Der Einsteckbereich ist vorzugsweise der Bereich, der in Einführrichtung in den Aufnahmeschacht eine durch den Aufnahmeschacht bereitgestellte Aufnahmeöffnung zuerst passiert. Dadurch kann die Umrichtereinheit manuell oder auch mittels eines Werkzeugs vollständig in den Aufnahmeschacht ohne Unterbrechung vollständig eingeführt werden. Der Griffbereich kann ausgelegt sein, manuell von einem Nutzer ergriffen zu werden. Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass der Griffbereich von einem Werkzeug, beispielsweise einem Roboterarm oder dergleichen, ergriffen wird, um die Umrichtereinheit in den Aufnahmeschacht einführen zu können, beziehungsweise, um eine in den Aufnahmeschacht eingeführte Umrichtereinheit aus diesem entfernen zu können.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Griffbereich ausgebildet ist, im in der Aufnahmeöffnung eingeführten Zustand der Umrichtereinheit aus der Aufnahmeöffnung herauszuragen. Dadurch kann die Umrichtereinheit jederzeit auf einfache Weise aus dem getakteten Energiewandler wieder entfernt werden. Es sind keine weiteren mechanischen Betätigungen, insbesondere ein Öffnen eines Gehäuses, erforderlich.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Umrichtereinheit eine Verriegelung aufweist. Die Verriegelung kann beispielsweise durch eine Verriegelungsnut, eine Rastnase und/oder dergleichen ausgebildet sein, mittels der die Umrichtereinheit im in den Aufnahmeschacht eingeführten Zustand verriegelt werden kann. So kann unerwünschtes oder unberechtigtes Entfernen der Umrichtereinheit aus dem Aufnahmeschacht weitgehend vermieden werden. Die Verriegelung kann auch mit der Rasteinheit des getakteten Energiewandlers zusammenwirken, um eine Fixierung der Umrichtereinheit im Aufnahmeschacht gewährleisten zu können. Zum Lösen der Fixierung kann vorgesehen sein, dass mittels eines Betätigungselements eine Verrastung beziehungsweise Verriegelung aufgehoben wird. Die Betätigung des Betätigungselements kann zugleich vorsehen, dass der bestimmungsgemäße Betrieb der entsprechenden Umrichtereinheit unterbrochen wird. Vorzugsweise wird die Umrichtereinheit elektrisch abgeschaltet und/oder eine Ankopplung der Wärmesenke gelöst. Das Betätigungselement kann beispielsweise durch einen Bolzen, einen Druckknopf oder dergleichen gebildet sein, der auf die Verriegelung beziehungsweise die Rasteinheit einwirkt.
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Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Funktionen und Bauteile.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausgestaltung einer Umrichtereinheit gemäß der Erfindung in Form eines Chipkarten-Moduls,
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2 eine schematische Schnittansicht entlang eines Querschnittes II-II gemäß 1,
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3 eine schematisch vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes III in 2,
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4 einen weiteren Ausschnitt in schematisch vergrößerter Darstellung aus 2,
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5 eine Kontaktierungseinheit in einer schematischen Schnittansicht zur Aufnahme einer Umrichtereinheit gemäß der Erfindung,
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6 eine schematische Darstellung einer Umrichtereinheit gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht,
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7 eine schematische Schnittansicht der Umrichtereinheit gemäß 5 eingeführt in einen Aufnahmeschacht der Kontaktierungseinheit gemäß 6,
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8 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters als getakteten Energiewandler mit einer Mehrzahl von Kontaktierungseinheiten gemäß 5 in gestapelter Bauweise und mit jeweils einem in den jeweiligen Aufnahmeschacht der Kontaktierungseinheit eingeführten Umrichtereinheit gemäß 6,
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9 eine weitere Ausgestaltung für eine Umrichtereinheit gemäß der Erfindung in einer schematischen Draufsicht in Form eines Chipkarten-Moduls, wobei im Unterschied zur Umrichtereinheit gemäß 1 zusätzliche Bauteile vorgesehen sind, und
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10 eine schematische Querschnittsansicht an einem Schnitt X-X gemäß 9.
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1 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine erste Ausgestaltung einer Umrichtereinheit 20 gemäß der Erfindung für einen getakteten Energiewandler 10 (8). Die Umrichtereinheit 20 weist ein keramisches Substrat 42 als Schaltungsträgerplatte auf, welches Substrat 42 zwei gegenüberliegend zueinander ausgebildete große Oberflächen 44, 46 zum Bilden einer Ober- und Unterseite aufweist. Der Flächeninhalt der beiden großen Oberflächen jeweils für sich genommen ist größer als ein Flächeninhalt von Schmalseiten 48, 50 des Substrats 42. Das Substrat 42 bildet somit im Wesentlichen einen Quader. Auf der Oberseite 44 sind Bauelemente 52 in Form von Halbleiterschaltern aufgebracht (4). Insgesamt sind die Abmessungen der Umrichtereinheit 20 gemäß der vorliegenden Ausgestaltung an Abmessungen einer üblichen Chipkarte orientiert. Eine Längsabmessung der Umrichtereinheit 20 beträgt somit etwa 85,6 mm, wohingegen eine Querabmessung etwa 53,98 mm beträgt. Eine Dicke der Umrichtereinheit 20 beträgt etwa 0,76 mm.
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Die Umrichtereinheit
20 ist auf Basis eines Direct-Copper-Bonding(DCB)-Verfahrens hergestellt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise durch die
WO 2004/077568 A2 offenbart, deren Offenbarungsgehalt als von dieser Anmeldung umfasst zu betrachten ist.
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2 zeigt einen Schnitt durch die Umrichtereinheit 20 entlang einer Linie II-II in einer schematischen Darstellung. Die 3 und 4 zeigen vergrößerte Darstellungen, insbesondere eines Bereichs III in 2. Aus den 3 und 4 ist ersichtlich, dass die Bauelemente 52 ausschließlich auf einer der großen Oberflächen, nämlich der Oberseite 44 angeordnet sind. Die gegenüberliegende große Oberfläche, nämlich die Unterseite 46 ist zum Kontaktieren einer Wärmesenke 40 ausgebildet. Zu diesem Zweck weist die Keramikplatte 42 unterseitig eine Kupferbeschichtung 70 auf, die ein Thermal Interconnect Material (TIM) bildet. Diese Schicht 70 ermöglicht es, einen günstigen thermischen Übergangswiderstand zur Wärmesenke 40 (7) herzustellen. Vorliegend kann sie eine Dicke von etwa 100 bis 2000 µm aufweisen.
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Die Bauelemente 52 sind vorliegend mittels Löten oder Sintern oberseitig an der Umrichtereinheit 20 befestigt. Dadurch kann ein äußerst flacher Aufbau erreicht werden.
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Aus den 3 und 4 ergibt sich in der vorliegenden Ausgestaltung ein Schichtenaufbau wie folgt:
Die Schaltungsträgerplatte 42 ist hier durch einen DCB-Keramiksubstrat gebildet, der beispielsweise aus Aluminiumnitrit gebildet sein kann. Auf dem Schaltungsträger 42 ist eine DCB-Kupferschicht 82 aufgebracht, die beispielsweise eine Dicke im Bereich von 100 bis 300 µm aufweist. Die Schaltungsträgerplatte 42 weist beispielsweise eine Dicke von 100 bis etwa 600 µm auf.
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Auf der DCB-Kupferschicht 82 sind die Halbleiter-Chips, die die Halbleiterschalter bilden, sowie Freilaufdioden 52 mittels einer Lotschicht 80 auf der DCB-Kupferschicht 82 befestigt. Vorliegend wird dies durch Löten erreicht. Diese Befestigungsschicht kann beispielsweise eine Schichtdicke von 20 bis 100 µm aufweisen. Die Halbleiter-Chips, die die Bauelemente 52 bilden, können beispielsweise eine Dicke von 5 bis 500 µm aufweisen.
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Die Bauelemente 52 sowie auch die Lotschichten 80 sind durch eine auf die DCB-Kupferschicht 82 sowie gegebenenfalls direkt auf die Schaltungsträgerplatte 42 aufgebrachte dritte Isolationsschicht 78 gegeneinander isoliert. Zum Ausbilden von Kontaktierungen und Leiterbahnen ist eine planare Kupferschicht 76 vorgesehen. Die dritte Isolationsschicht 78 kann beispielsweise eine Schichtdicke von 5 bis 500 µm aufweisen. Die planare Kupferschicht 76 kann beispielsweise eine Schichtdicke von 5 bis 500 µm aufweisen. Bedarfsweise kann auf der planaren Kupferschicht 76 sowie auch auf der dritten Isolationsschicht 78 eine zweite Isolationsschicht 74 aufgebracht sein, die eine Schichtdicke im Bereich von etwa 5 bis 500 µm aufweisen kann.
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Zur Herstellung einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche der Oberseite 44 ist vorliegend eine erste Isolationsschicht 72 vorgesehen, die durch eine Vergussmasse ausgebildet sein kann. Die erste Isolationsschicht 72 kann beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von etwa 50 bis 3000 µm aufweisen.
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9 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer Umrichtereinheit 22 gemäß der Erfindung. Die Ausgestaltung nach 9 basiert auf der Ausgestaltung 1 und unterscheidet sich im Wesentlichen von der Ausgestaltung gemäß 1 dadurch, dass neben den Halbleiter-Chips zusätzliche Bauteile 52 zur Ansteuerung der durch die Halbleiter-Chips gebildeten Halbleiterschalter vorgesehen sind. Hierbei handelt es sich neben einigen passiven Bauelementen wie elektronischen Widerständen und Kondensatoren um integrierte Schaltungen, die Treiberbausteine für den jeweiligen Halbleiter-Schalter bereitstellen. Insgesamt kann die elektronische Schaltung der Umrichtereinheit 22 ebenso wie die der Umrichtereinheit 20 steuerungsseitig über ein Steueranschlussfeld kontaktiert werden. Hierüber kann die Umrichtereinheit 20, 22 in gewünschter Weise gesteuert werden. 10 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt entlang einer Linie X-X in 9.
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Die Umrichtereinheit 22 weist dem Grunde nach die gleichen äußeren Abmessungen wie die Umrichtereinheit 20 gemäß 1 auf.
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Sowohl die Umrichtereinheit 20 als auch die Umrichtereinheit 22 weisen zwei Gleichspannungsanschlüsse 66 als Kontaktflächen 86 auf, über die die Umrichtereinheiten 20, 22 mittels der Kontaktierungseinheit 30 an eine Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises des Wechselrichters 10 angeschlossen werden können. Weitere Kontaktflächen 86 bilden Wechselspannungsanschlüsse 62, vorliegend für drei Phasen eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes, welches mittels der Umrichtereinheiten 20, 22 bereit gestellt wird. Der Wechselrichter 10 bildet somit einen getakteten Energiewandler, mittels dem elektrische Energie eines Zwischenkreises als Energiequelle in ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz überführt werden kann.
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8 zeigt den Wechselrichter 10 in einer schematischen Schnittansicht mit einem ersten Anschluss 12 zum Anschließen an eine elektrische Energiequelle 14, hier ein öffentliches Energieversorgungsnetz, sowie einem zweiten Anschluss 16 zum Anschließen an eine elektrische Energiesenke 18, die hier durch eine elektrische Maschine gebildet ist. Die elektrische Maschine 18 dient zum Antrieb einer nicht weiter bezeichneten Vorrichtung.
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Der Wechselrichter 10 weist einen Rahmen 28 auf, der eine Mehrzahl von Aufnahmeschächten 24, 26 bereitstellt. In der vorliegenden Ausgestaltung gemäß 8 ist vorgesehen, dass in jedem der Aufnahmeschächte 24, 26 jeweils eine Umrichtereinheit 20 oder auch eine Umrichtereinheit 22 angeordnet ist.
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Der erste Aufnahmeschacht ist zum Einführen der ersten Umrichtereinheit 20 in den ersten Aufnahmeschacht an geometrische Abmessungen der ersten Umrichtereinheit 20 angepasst ausgebildet, das heißt, vorliegend weist er Abmessungen auf, wie sie auch bei einem Aufnahmeschacht für eine als Zahlungsmittel verwendete Geldkarte genutzt werden. Dabei sind die Abmessungen des Aufnahmeschachtes 24 derart gewählt, dass ein einem Einführbereich 56 der ersten Umrichtereinheit 20 gegenüberliegender Griffbereich 58 im vollständig eingeführten Zustand der Umrichtereinheit 20 in den ersten Aufnahmeschacht 24 aus dem Aufnahmeschacht 24 herausragt. Der Griffbereich 58 dient somit als Handhabe zum Einführen beziehungsweise zum Herausziehen der Umrichtereinheit 20 beziehungsweise der Umrichtereinheit 22.
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Der Wechselrichter 10 umfasst eine die erste Umrichtereinheit 20 kontaktierende Kontaktierungseinheit 30, die zum lösbaren elektrischen und thermischen Kontaktieren der ersten Umrichtereinheit 20 im ersten Aufnahmeschacht 24 ausgebildet ist. Die Kontaktierungseinheit 30 stellt zu diesem Zweck für jede aufzunehmende Umrichtereinheit 20 beziehungsweise 22 ein Kontaktierungsmodul 60 bereit, wobei die Kontaktierungsmodule 60 in gestapelter Bauweise miteinander den Rahmen 28 bildend verbunden sind (5). 6 zeigt entsprechend in einer schematischen Seitenansicht eine Umrichtereinheit 20 beziehungsweise 22, wie sie zum Einführen in den Aufnahmeschacht 24 des Kontaktierungsmoduls 60 vorgesehen ist.
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7 zeigt die in den Aufnahmeschacht 24 des Kontaktierungsmoduls 60 eingeführte Umrichtereinheit 20 beziehungsweise 22. In dieser Stellung ist die Umrichtereinheit 20 beziehungsweise 22 in den Aufnahmeschacht 24 des Kontaktierungsmoduls 60 eingeführt. Zu erkennen ist, dass das Kontaktierungsmodul 60 eine elektrische Kontaktierungsbaugruppe 68 aufweist, die ihrerseits mit Kontaktstiften 36 sowie Kontaktfedern 38 bestückt ist. Im in 7 dargestellten Zustand kontaktieren die Kontaktstifte 36 Kontaktflächen 84 der Umrichtereinheit 20 beziehungsweise 22, über die entsprechend Steuersignale geführt werden können. Darüber hinaus kontaktieren die Kontaktfedern 38 die Kontaktflächen 86 der Umrichtereinheiten 20 beziehungsweise 22, über die die zu wandelnde elektrische Leistung geführt wird. Entsprechend sind diese Kontaktfedern 38 sowie auch die Kontaktflächen 86 für entsprechend hohe Belastung ausgelegt.
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Die Kontaktstifte 36 sind federbelastet, sodass sie im in 7 dargestellten Zustand einen zuverlässigen sicheren elektrischen Kontakt zu den entsprechenden Kontaktflächen 84 der Umrichtereinheit 20 beziehungsweise 22 herstellen können. Zugleich wird durch eine Kraftbeaufschlagung der Umrichtereinheit 20 beziehungsweise 22 durch die Kontaktfedern 38 und vorzugsweise in Verbindung mit den Kontaktstiften 36 eine Kraft auf die Oberseite 44 ausgeübt, so dass die Unterseite 46 gegen eine Kühleinheit 40 gepresst wird. Dadurch wird ein guter thermischer Kontakt zur Kühleinheit 40 hergestellt, über die Wärme, die während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Umrichtereinheit 20 beziehungsweise 22 erzeugt wird, abgeführt werden kann. Zu diesem Zweck ist die Kühleinheit 40 mit Bohrungen 88 versehen, durch die ein Kühlmittel strömt. Vorliegend ist das Kühlmittel Wasser. In alternativen Ausgestaltungen kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Kühlmittel durch eine andere Flüssigkeit oder ein Gas gebildet ist.
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Aus 8 ist ferner ersichtlich, dass der Wechselrichter 10 eine Betriebseinheit 32 aufweist, die kommunikationstechnisch mit jedem der Kontaktierungsmodule 60 und hier insbesondere mit der elektrischen Kontaktierungsbaugruppe 68 in Verbindung steht. Die Betriebseinheit 32 ist ausgebildet, über die elektrischen Kontaktierungsbaugruppen 68 die in den zugeordneten Kontaktierungsmodulen 60 angeordneten Umrichtereinheiten 20 beziehungsweise 22 derart zu steuern, dass ein paralleler Energiewandlungsprozess durchgeführt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, durch die Anzahl der eingesteckten Umrichtereinheiten 20 beziehungsweise 22 die Gesamtleistung des Wechselrichters 10 in gewünschter Weise einstellen zu können. Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung, einzelne Umrichtereinheiten 20 beziehungsweise 22 nach Belieben auf einfache Weise auszutauschen, ohne dass größere mechanische Eingriffe in den Wechselrichter 10 erforderlich wären.
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In den Figuren nicht dargestellt ist ein Identifikationsmechanismus, mittels dem sichergestellt werden kann, dass nur autorisiertes Personal eine Umrichtereinheit 20 beziehungsweise 22 aus dem Wechselrichter 10 entfernen beziehungsweise ihn entsprechender Weise hinzufügen kann. Zu diesem Zweck ist eine Eingabeeinheit vorgesehen, über die sich das Personal identifiziert, um die Berechtigung für ein Einfügung einer Umrichtereinheit 20 beziehungsweise 22 beziehungsweise eine Entnahme nachzuweisen.
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9 zeigt ferner, dass die Umrichtereinheit 22 einen Datenspeicherchip 54 aufweist, in dem umrichtereinheitsbezogene Daten, hier insbesondere technische Daten, in Bezug auf den bestimmungsgemäßen Betrieb gespeichert sind. Diese können über das Kontaktierungsmodul 60 von der Betriebseinheit 32 ausgelesen werden, sodass die entsprechende Umrichtereinheit 22 in gewünschter Weise für einen optimalen bestimmungsgemäßen Betrieb angesteuert werden kann.
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Mit der Erfindung ist es somit möglich, ein kompaktes Leistungsmodul im Chipkartenformat bereitzustellen. Dabei kommt vorteilhaft eine planare, hochintegrierte AVT zum Einsatz. Ein übliches Gehäuse für Leistungsmodule kann eingespart werden. Zugleich ist es möglich, hohe Leistungsdichten zu erreichen.
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Die Erfindung ermöglicht es ferner, eine Standardisierung zu realisieren und zugleich eine hohe Flexibilität beziehungsweise Skalierbarkeit erreichen zu können. Insgesamt kann Bauvolumen und Gewicht reduziert werden. Gleichzeitig erreicht die Erfindung eine hohe Robustheit.
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Die Erfindung ermöglicht es, ebene, insbesondere auch hermetisch abgedichtete, äußerst flache Bauweisen zu erreichen. Eine Kühlung kann durch ein Kühlaggregat des Energiewandlers erreicht werden, wobei die Umrichtereinheiten selbst keine eigene Kühleinrichtung aufzuweisen brauchen. Die Kühlung kann auf einfache Weise durch Kontakt der Kühleinheit zumindest einseitig oder auch gegebenenfalls zweiseitig hoch effizient erreicht werden.
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Natürlich ist es auch möglich, eine Ausführung in hochintegrierter, „Embedded Technology“ (Intelligent Power Modul, IPM) zu realisieren, um weitere Funktionen wie Temperatur-, Spannungs-, Strom-Überwachung und dergleichen realisieren zu können. Zugleich können auch Treiber-Schaltungen für die Halbleiterschalter in die Umrichtereinheit integriert sein, wie in dem Ausführungsbeispiel zu den 9, 10 dargestellt.
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Die Erfindung erlaubt eine vereinfachte Montage und Austauschbarkeit im Schadensfall. Darüber hinaus können Leistungsklassen von Wechselrichtern im Bereich von zum Beispiel 2 Ampere bis 2000 Ampere realisiert werden. Die Erfindung ermöglicht es darüber hinaus auch, eine PIN-geschützte Ausführung bereitzustellen, beispielsweise um einen Kopierschutz, eine Benutzeridentifikation oder dergleichen bereitstellen zu können.
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Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. So können natürlich Funktionen und Montagetechniken beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
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Die für den erfindungsgemäßen Energiewandler sowie für die erfindungsgemäßen Umrichtereinheiten beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für entsprechende Verfahren. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale auch entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/077548 A2 [0030]
- WO 2004/077568 A2 [0058]
