DE102015101087A1

DE102015101087A1 - Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102015101087A1
Application number: DE201510101087
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-04-23
Also published as: US20160218524A1; US10374439B2; CN105827104B; CN105827104A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Leistungshalbleiterschaltung (30, 40), einer ersten Ladungsspeichereinheit (10) und einer zweiten Ladungsspeichereinheit (20). Die erste Ladungsspeichereinheit (10) weist einen ersten Anschluss (101) und einen zweiten Anschluss (102) auf, die zweite Ladungsspeichereinheit (20) weist einen ersten Anschluss (201) und einen zweiten Anschluss (202) auf, und die Leistungshalbleiterschaltung (30, 40) weist einen ersten Anschluss (301, 401) und einen zweiten Anschluss (302, 402) auf. Die Leistungshalbleiterschaltung (30, 40) enthält außerdem ein erstes Halbleiterbauelement (61, 71) und ein zweites Halbleiterbauelement (62, 72), deren Laststrecken zwischen dem ersten Anschluss (301, 401) und dem zweiten Anschluss (302, 402) der Leistungshalbleiterschaltung (30, 40) elektrisch in Reihe geschaltet sind, Eine erste Leitungsverbindung (1) verbindet den ersten Anschluss (101) der ersten Ladungsspeichereinheit (10) elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss (201) der zweiten Ladungsspeichereinheit (20), und eine zweite Leitungsverbindung (2) verbindet den zweiten Anschluss (102) der ersten Ladungsspeichereinheit (10) elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss (202) der zweiten Ladungsspeichereinheit (20). Ein Magnetkern (50) ist mit der ersten und/oder der zweiten Leitungsverbindung (1, 2) elektromagnetisch gekoppelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Ladungsspeichereinheit. Ladungsspeichereinheit wie z. B. Kondensatoreinheiten können, beispielsweise in Verbindung mit Hochleistungs-Strom-/Umrichtern, als Energiespeicher eingesetzt werden. Während des Betriebs erwärmen sich derartige Ladungsspeichereinheiten häufig, wodurch sich deren Lebensdauer verkürzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Schaltungsanordnung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Leistungshalbleiterschaltung, einer ersten Ladungsspeichereinheit, einer zweiten Ladungsspeichereinheit, einer ersten Leitungsverbindung und einer zweiten Leitungsverbindung. Die Leistungshalbleiterschaltung weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, sowie ein erstes Halbleiterbauelement und ein zweites Halbleiterbauelement, deren Laststrecken zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Leistungshalbleiterschaltung elektrisch in Reihe geschaltet sind. Außerdem weisen auch die erste Ladungsspeichereinheit und die zweite Ladungsspeichereinheit jeweils einen ersten Anschluss und jeweils einen zweiten Anschluss auf. Die erste Leitungsverbindung verbindet den ersten Anschluss der ersten Ladungsspeichereinheit elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss der zweiten Ladungsspeichereinheit, und die zweite Leitungsverbindung verbindet den zweiten Anschluss der ersten Ladungsspeichereinheit elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss der zweiten Ladungsspeichereinheit. Ein Magnetkern ist mit der ersten Leitungsverbindung elektromagnetisch gekoppelt.
Dieser sowie weitere Aspekte der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einem ersten Beispiel.
2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einem zweiten Beispiel.
3 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einem dritten Beispiel.
4 eine perspektivische Ansicht eines Magnetkerns, der eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die eine erste Leitungsverbindung hindurchgeführt ist.
5 die Anordnung gemäß 4, wobei der Magnetkern zusätzlich mit einer Wicklung versehen ist, die Bestandteil einer ringförmig geschlossenen Stromschleife ist.
6 eine Anordnung entsprechend 5, wobei ein Widerstandsbauelement Bestandteil der ringförmig geschlossenen Stromschleife ist.
7 eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 4 dadurch unterscheidet, dass der Magnetkern einen Spalt aufweist.
8 eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 5 dadurch unterscheidet, dass der Magnetkern einen Spalt aufweist.
9 eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 6 dadurch unterscheidet, dass der Magnetkern einen Spalt aufweist.
10 einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß 6.
11 einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß 9.
12 einen Querschnitt durch eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 10 dadurch unterscheidet, dass der Magnetkern einen U-förmigen Abschnitt aufweist.
13 einen Querschnitt durch eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 11 dadurch unterscheidet, dass der Magnetkern einen U-förmigen Abschnitt aufweist.
14 einen Querschnitt durch eine Anordnung, bei der der Magnetkern einen E-förmigen Abschnitt mit zwei Durchführungen aufweist, und bei der die erste Leitungsverbindung und die zweite Leitungsverbindung durch verschiedene dieser Durchführungen hindurchgeführt sind.
15 einen Querschnitt durch eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 14 dadurch unterscheidet, dass der Magnetkern einen Spalt aufweist.
16 einen Querschnitt durch eine Anordnung, bei der der Magnetkern einen E-förmigen Abschnitt mit zwei Durchführungen aufweist, und bei der eine Teil-Leitungsverbindung der ersten Leitungsverbindung und eine Teil-Leitungsverbindung der zweiten Leitungsverbindung durch verschiedene dieser Durchführungen hindurchgeführt sind.
17 einen Querschnitt durch eine Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß 16 dadurch unterscheidet, dass der Magnetkern einen Spalt aufweist.
18 eine Draufsicht auf die beiden Teil-Leitungsverbindungen der Anordnungen gemäß den 16 und 17.
19 die Ansicht gemäß 16 bei entferntem Magnetkern.
20 ein Schaltbild einer als Kondensatoreinheit ausgebildeten ersten Ladungsspeichereinheit, die mehrere elektrisch zueinander parallel geschaltete Kondensatoren aufweist.
21 ein Schaltbild einer zweiten Ladungsspeichereinheit, die mehrere elektrisch zueinander parallel geschaltete Kondensatoren aufweist.
22 ein Schaltbild einer zweiten Ladungsspeichereinheit, die mehrere elektrisch zueinander parallel geschaltete Akkumulatoren aufweist.
23 ein Schaltbild einer Leistungshalbleiterschaltung, die eine Halbbrücke aufweist.
24 ein Schaltbild einer Leistungshalbleiterschaltung, die zwei Halbbrücken aufweist.
25 ein Schaltbild einer Leistungshalbleiterschaltung, die drei Halbbrücken aufweist.
26 ein Schaltbild einer Leistungshalbleiterschaltung, die als Gleichrichterschaltung ausgebildet ist.
27 einen Querschnitt durch eine Schaltungsanordnung mit einer Leistungshalbleiterschaltung, einer ersten Ladungsspeichereinheit und einer zweiten Ladungsspeichereinheit.
28 eine Draufsicht auf die Schaltungsanordnung gemäß 27.
1 zeigt ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung weist eine als Kondensatoreinheit ausgebildete erste Ladungsspeichereinheit 10 mit einem ersten Anschluss 101 und einem zweiten Anschluss 102 auf. Die Gesamtkapazität der ersten Kondensatoreinheit 10 ist mit C1 bezeichnet. Demgemäß bildet oder enthält die erste Kondensatoreinheit 10 einen Kondensator, der Anschlüsse 101 und 102 sowie eine Kapazität C1 aufweist. Bei einer ersten Kondensatoreinheit 10 kann es sich zum Beispiel um einen Teil eines Zwischenkreiskondensators handeln.
Weiterhin weist die Schaltungsanordnung eine zweite Ladungsspeichereinheit 20 mit einem ersten Anschluss 201 und einem zweiten Anschluss 202 auf. Die zweite Ladungsspeichereinheit 20 kann, wie in 1 lediglich beispielhaft gezeigt ist, als (zweite) Kondensatoreinheit ausgebildet sein. Deren Gesamtkapazität ist mit C2 bezeichnet. Demgemäß bildet oder enthält eine zweite Kondensatoreinheit 20 einen Kondensator, der Anschlüsse 201 und 202 sowie eine Kapazität C2 aufweist. Bei einer zweiten Kondensatoreinheit 20 kann es sich zum Beispiel um einen Zwischenkreiskondensator handeln.
Eine erste Leitungsverbindung 1 verbindet den ersten Anschluss 101 der ersten Kondensatoreinheit 10 elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss 201 der zweiten Ladungsspeichereinheit 20, und eine zweite Leitungsverbindung 2 verbindet den zweiten Anschluss 102 der ersten Kondensatoreinheit 10 elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss 202 der zweiten Ladungsspeichereinheit 20.
Wie weiterhin in 1 gezeigt ist, kann die Schaltungsanordnung eine Leistungshalbleiterschaltung 30 und/oder eine Leistungshalbleiterschaltung 40 aufweisen. Sofern eine Leistungshalbleiterschaltung 30 vorhanden ist, weist diese einen ersten Anschluss 301 auf, der mittels einer dritten Leitungsverbindung 3 elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss 101 der ersten Kondensatoreinheit 10 verbunden ist, sowie einen zweiten Anschluss 302, der mittels einer vierten Leitungsverbindung 4 elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss 102 der ersten Kondensatoreinheit 10 verbunden ist.
Sofern eine Leistungshalbleiterschaltung 40 vorhanden ist, weist diese einen ersten Anschluss 401 auf, der mittels einer fünften Leitungsverbindung 5 elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss 201 der zweiten Ladungsspeichereinheit 20 verbunden ist, sowie einen zweiten Anschluss 402, der mittels einer sechsten Leitungsverbindung 6 elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss 202 der zweiten Ladungsspeichereinheit 20 verbunden ist.
Soweit Leitungsverbindungen 1, 2, 3, 4, 5, 6 vorhanden sind, weisen diese Streuinduktivitäten LS1, LS2, LS3, LS4, LS5 bzw. LS6 auf.
Bei einer Leistungshalbleiterschaltung 30 (oder 40) kann es sich zum Beispiel um eine beliebige Stromrichter-, Umrichter- oder sonstige leistungselektronische Schaltung handeln (z. B. eine Gleichrichterschaltung oder eine Wechselrichterschaltung), um eine Halbbrückenschaltung mit einer, zwei, drei oder mehr als drei Halbbrücken. Jedenfalls nutzt eine Leistungshalbleiterschaltung 30 und/oder 40 Kondensatoren als Energiespeicher. Allgemein enthält eine Leistungshalbleiterschaltung 30 (bzw. 40) wenigstens zwei Halbleiterbauelemente auf, deren Laststrecken zwischen dem ersten Anschluss 301 (bzw. 401) und dem zweiten Anschluss 302 (bzw. 402) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Beispiele für mögliche Ausgestaltungen von Leistungshalbleiterschaltungen werden später noch ausführlich erläutert.
Abgesehen davon kann eine Leistungshalbleiterschaltung 40 auch als Spannungsquelle ausgebildet sein, die zwischen dem ersten Anschluss 401 und dem zweiten Anschluss 402 eine im wesentlichen konstante Gleichspannung bereitstellt, oder eine nicht-konstante Spannung, die einen Gleichspannungsoffset aufweist.
Eine von einer Leistungshalbleiterschaltung 40 zwischen den Anschlüssen 401 und 402 ausgegebene elektrische Spannung kann z. B. dazu genutzt werden, die erste und zweite Ladungsspeichereinheit 10 und 20 elektrisch zu laden. Die geladenen Ladungsspeichereinheiten 10 und 20 können dann als Energiequelle zur Speisung einer Schaltungsanordnung 30 genutzt werden, die eine variable Ausgangsspannung bzw. einen variablen oder auch beliebig geformten Strom ausgibt. Die Variation der Ausgangsspannung und die Formung des Stromes kann beispielsweise durch Pulsweitenmodulation der Schaltzeiten von Leistungshalbleitern erfolgen. Hierzu kann an einem Ausgang 303 der Schaltungsanordnung 30 ein elektrisches Potential bereitgestellt werden. Dabei können die geladenen Ladungsspeichereinheiten 10 und 20 zumindest teilweise wieder entladen werden. Das (teilweise) Laden und (teilweise) Entladen der Ladungsspeichereinheiten 10 und 20 kann beispielsweise fortlaufend im Wechsel erfolgen.
Durch Aufschalten eines elektrischen Potentials auf den Ausgang 303 kann eine beliebige an den Ausgang angeschlossene Last, beispielsweise auch eine induktive Last wie z. B. ein Elektromotor, mit elektrischer Energie versorgt werden. Im Fall eines Elektromotors kann z. B. auch dessen Drehzahl gesteuert oder geregelt werden.
Wenn es während des Betriebs der Schaltungsanordnung 30 zu einem harten Abschalten hoher Ströme oder allgemein zu Stromkommutierungen kommt, können aufgrund unvermeidlicher Streuinduktivitäten hohe Induktionsspannungsspitzen auftreten. Dieses Abschalten oder Kommutierungen bewirken ein Abschalten des Stromes oder eines Teilstromes zumindest in einer der dritten oder vierten Leitungsverbindungen 3 bzw. 4. Im Extremfall können diese Induktionsspannungsspitzen die Schaltungsanordnung 30 und/oder an diese angeschlossene Komponenten zerstören. Die erste Kondensatoranordnung 10 kann nun dazu eingesetzt werden, derartige Induktionsspannungsspitzen zu verringern. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die dritte Leitungsverbindung 3 und die vierte Leitungsverbindung 4 sehr niederinduktiv ausgelegt sind, d. h. ihre Streuinduktivitäten LS3 bzw. LS4 sind sehr gering. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass sie als flächige Metallbänder ausgebildet sind, die in einem geringen Abstand parallel zueinander geführt werden, oder dass eine Vielzahl von Leiterpaaren (die z. B. jeweils paarweise parallel oder koaxial verlaufen können) verwendet wird, wobei jeweils bei einem jeden Leiterpaar ein erster des Paars einen Bestandteil der dritten Leitungsverbindung 3 darstellt und ein zweiter des Paars einen zweiten der Leiter (Die ersten der Leiter sämtlicher Paare sind dann elektrisch parallel geschaltet, und ihre Parallelschaltung kann dann die dritte Leitungsverbindung 3 bilden. Entsprechend sind die zweiten der Leiter sämtlicher Paare dann elektrisch parallel geschaltet, und ihre Parallelschaltung kann dann die vierte Leitungsverbindung 4 bilden). Optional kann zwischen derartigen Metallbändern oder allgemein zwischen den Leitern desselben Paars jeweils eine elektrisch isolierende Feststoffschicht angeordnet sein, um die Metallbänder elektrisch voneinander zu isolieren.
Schaltungsanordnungen 30 können beispielsweise in Form eines Halbleitermoduls ausgebildet sein. Bei derartigen Ausgestaltungen kann die erste Kondensatoranordnung 10 optional auch Bestandteil des Halbleitermoduls sein, wodurch die dritte Leitungsverbindung 3 und die vierte Leitungsverbindung 4 im Modul optimiert und damit besonders niederinduktiv ausgeführt werden kann.
Die erste Kondensatoranordnung 10 dient primär dazu, Induktionsspannungsspitzen zu verringern. Demgegenüber besteht der Zweck der zweiten Ladungsspeichereinheit 20 primär darin, elektrische Energie zu speichern. Damit die zweite Ladungsspeichereinheit 20 zumindest in bestimmten Schaltphasen der Schaltungsanordnung 30 eine ausreichende Menge an Energie bereitstellen kann, muss sie eine ausreichende Speicherkapazität besitzen. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn das Ladungsspeichervermögen der zweiten Ladungsspeichereinheit 20 deutlich größer ist als das Ladungsspeichervermögen der ersten Ladungsspeichereinheit 10. Im Fall von als Kondensatoranordnungen ausgebildeten Ladungsspeichereinheiten 10 und 20 kann die Kapazität C2 der zweiten Kondensatoranordnung 20 z. B. wenigstens das 10-fache der Kapazität C1 der ersten Kondensatoranordnung 10 betragen. Grundsätzlich kann die Kapazität C2 jedoch auch kleiner oder gleich dem 10-fachen der Kapazität C1 sein.
Die zweite Ladungsspeichereinheit C2 muss jedoch nicht zwingend als Kondensatoreinheit ausgebildet sein. Beispielsweise kann sie auch als Akkumulator ausgebildet sein, der entweder über eine als Gleichrichterschaltung ausgebildete Leistungshalbleiterschaltung 40 oder ein Ladegerät geladen wird.
In jedem Fall stellen die erste Ladungsspeichereinheit 10 und die zweite Ladungsspeichereinheit 20 Bestandteile eines Schwingkreises dar, der abhängig vom Ein und Ausschaltverhalten der (soweit vorhanden) Schaltungsanordnungen 30 und/oder 40 ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes Schwingungsverhalten zeigen kann, bei dem durch die erste Leitungsverbindung 1 und die zweite Leitungsverbindung 2 jeweils Ströme fließen, deren Stromflussrichtung sich im Rhythmus der Schwingung ändert. Hierbei wird sowohl die erste Ladungsspeichereinheit 10 als auch die zweite Ladungsspeichereinheit 20 im Rhythmus der Schwingung vielfach ge- und entladen, was zu einer – wie eingangs erläutert – unerwünschten zusätzlichen Erwärmung sowohl der ersten Ladungsspeichereinheit 10 als auch der zweiten Ladungsspeichereinheit 20 führt. Dieser Effekt ist insbesondere auch beim Ein- und Abschalten hoher Ströme durch eine oder mehrere der Leitungsverbindungen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 relevant, da ein hoher Strom durch die betreffende Leitungsverbindung 1, 2, 3, 4, 5 bzw. 6 aufgrund deren Streuinduktivität LS1, LS2, LS3, LS4, LS5 bzw. LS6 ein Magnetfeld erzeugt, in dem Energie gespeichert ist. Wird beispielsweise die Stärke des betreffenden Stroms rapide verringert, wie dies z. B. beim harten Abschalten der Fall ist, so entstehen in den vorhandenen LC-Kreisen (z. B. C1,C2, LS2, LS1) Schwingungen, die durch parasitäre elektrische Widerstände in den Kondensatoren und z. B. in Leitungsverbindungen 1, 2 gedämpft werden. Die parasitären Widerstände der Kondensatoranordnungen überwiegen normalerweise. Am Ende der Schwingung ist die Energie, die unmittelbar vor dem Abschalten in den Induktivitäten gespeichert war, in Verluste (Wärme) in den parasitären Widerständen umgesetzt. Dies führt zu der erläuterten Erwärmung sowohl der ersten Kondensatoranordnung 10 als auch der zweiten Kondensatoranordnung bzw. Ladungsspeichereinheit 20.
Mit der vorliegenden Erfindung wird der Ort der Entstehung eines Großteils der zusätzlichen Wärme, die normalerweise in der ersten Kondensatoranordnung 10 und der Ladungsspeichereinheit 20 entstehen würde, an einen anderen von der Kondensatoranordnung 10 und der Ladungsspeichereinheit 20 entfernten Ort verlagert. Hierzu wird ein Magnetkern 50 eingesetzt, der mit der ersten Leitungsverbindung 1 und/oder der zweiten Leitungsverbindung 2 elektromagnetisch gekoppelt ist. Durch diese Kopplung kommt es bei einem beginnenden Schwingungsverhalten zu einer starken Änderung des Stroms durch die erste Leitungsverbindung 1 und/oder die zweite Leitungsverbindung 2 und damit einhergehend zu Hystereseverlusten im Magnetkern 50, so dass ein großer Teil der Energie, die in dem von dem Strom durch die erste Leitungsverbindung 1 erzeugten Magnetfeld gespeichert ist, im Magnetkern 50 verbraucht wird. Der Magnetkern 50 bewirkt also eine Dämpfung es Schwingungsverhaltens, wenn sich der Strom durch die erste Leitungsverbindung 1 stark ändert. Wenn sich anderenfalls der Strom durch die erste Leitungsverbindung 1 und/oder die zweite Leitungsverbindung 2 nicht oder nur geringfügig ändert, wirkt dem Strom durch die erste Leitungsverbindung 1 und/oder die zweite Leitungsverbindung 2 im Wesentlichen nur der ohmsche Widerstand der ersten Leitungsverbindung 1, der zweiten Leitungsverbindung 2 sowie der ersten Kondensatoreinheit 10 und der Ladungsspeichereinheit 20 entgegen. Der Magnetkern 50 wirkt also dämpfend auf die Schwingungen, die zu der unerwünschten zusätzlichen Erwärmung der ersten Kondensatoranordnung 10 und der Ladungsspeichereinheit 20 führen. Die Stärke dieser Dämpfung kann durch das Material und den Aufbau des Magnetkerns 50 eingestellt werden. Diese Dämpfung steigt mit der Stärke der Hystereseverluste, die das Material des Magnetkerns 50 zeigt. Außerdem ist die Dämpfung umso stärker, je mehr Wirbelströme der Magnetkern 50 zulässt. Ein Magnetkern aus einer Vielzahl paralleler, elektrisch voneinander isolierter Bleche bewirkt beispielsweise eine geringere Dämpfung als ein gleich großer Magnetkern 50, der keine Bleche aufweist sondern einheitlich aus demselben Material besteht wie die Bleche.
Wie 1 zu entnehmen ist, kann der Magnetkern 50 sowohl mit der ersten Leitungsverbindung 1 als auch mit der zweiten Leitungsverbindung 2 gekoppelt sein. Davon abweichend könnte der Magnetkern 50 jedoch auch mit der ersten Leitungsverbindung 1 gekoppelt sein, nicht aber mit der zweiten Leitungsverbindung 2, oder umgekehrt mit der zweiten Leitungsverbindung 2, nicht aber mit der ersten Leitungsverbindung 1.
Wie weiterhin anhand des Schaltbildes gemäß 2 gezeigt ist, kann bei einer Anordnung, wie sie bezugnehmend auf 1 erläutert wurde, der Magnetkern 50 optional mit einer Wicklung 52 versehen sein, die Bestandteil einer ringförmig geschlossenen Stromschleife ist. In diesem Sinn ist eine ringförmig in sich geschlossene Wicklung 52 ebenfalls als ”Bestandteil einer ringförmig geschlossenen Stromschleife” anzusehen.
Wie weiterhin in 3 dargestellt ist, kann bei einer bezugnehmend auf 2 erläuterten Anordnung, bei der eine Wicklung 52 des Magnetkerns 50 als Bestand einer ringförmig geschlossenen Stromschleife ausgebildet ist, auch ein ohmsches Widerstandsbauelement 56 (oder auch eine Reihenschaltung mit zwei oder mehr ohmschen Widerstandsbauelementen 56) Bestandteil dieser ringförmig geschlossenen Stromschleife sein. In dem ohmschen Gesamtwiderstand der ringförmig geschlossenen Stromschleife kann ebenfalls ein großer Teil der Energie, die in dem von dem Strom durch die erste Leitungsverbindung 1 und/oder die zweite Leitungsverbindung 2 erzeugten Magnetfeld gespeichert ist, verbraucht werden. Alternativ oder zusätzlich zu einem Widerstandsbauelement 56 kann beispielsweise die Wicklung 52 aus einem Widerstandsdraht gebildet sein. Das Material eines solchen Widerstandsdrahts kann z. B. eine Leitfähigkeit von weniger als 5E + 6 Siemens/m aufweisen. Als ”ohmscher Gesamtwiderstand einer ringförmig geschlossenen Stromschleife” wird in diesem Zusammenhang der ohmsche Widerstand verstanden, der, wenn man die Stromschleife an einer Stelle auftrennt, zwischen den sich durch das Auftrennen ergebenden Enden vorliegt.
Soweit eine Wicklung 52 vorhanden ist, bildet diese zusammen mit der ersten Leitungsverbindung 1 und/oder der zweiten Leitungsverbindung 2 und dem Magnetkern 50 einen Transformator, und zwar auch bei den Ausgestaltungen, bei denen die erste Leitungsverbindung 1 und/oder die zweite Leitungsverbindung 2 keine Wicklung(en) des Magnetkerns 50 bildet bzw. bilden. Sofern keine Wicklung 52 vorhanden ist, bildet die erste Leitungsverbindung 1 und/oder die zweite Leitungsverbindung 2 zusammen mit dem Magnetkern 50 eine gegenüber der reinen Leitungsinduktivität der ersten und/oder zweiten Leitungsverbindung 1, 2 erhöhte Induktivität.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die erste Leitungsverbindung 1 und/oder die zweite Leitungsverbindung 2 einen geringen ohmschen Widerstand und eine geringe Streuinduktivität LS1 bzw. LS2 aufweisen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Streuinduktivität LS1 nur die Induktivität der ersten Leitungsverbindung 1 als solcher bezeichnet, und dass die Streuinduktivität LS2 nur die Induktivität der zweiten Leitungsverbindung 2 als solcher bezeichnet, d. h. die Induktivitätserhöhung insbesondere durch den Magnetkern 50 und die eventuelle Wicklung 52 sind hierin nicht enthalten. Ein geringer ohmscher Widerstand der ersten Leitungsverbindung 1 lässt sich vor allem dann erreichen, wenn die erste Leitungsverbindung 1 und die zweite Leitungsverbindung 2 kurz und breit ausbildet und nicht oder allenfalls geringfügig gekrümmt sind. Beispielsweise können die erste Leitungsverbindung 1 und/oder die zweite Leitungsverbindung 2 jeweils keine vollständige den Magnetkern 50 umgebende Windung aufweisen.
Um eine gute elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten Leitungsverbindung 1 und/oder der zweiten Leitungsverbindung 2 und dem Magnetkern 50 zu erreichen, kann der Magnetkern 50 (zumindest) eine Durchführung 53 aufweisen, durch die (zumindest) die erste Leitungsverbindung 1 und/oder die zweite Leitungsverbindung 2 hindurchgeführt ist bzw. sind. Ein Beispiel hierfür ist in 4 gezeigt. Der Magnetkern 50 insgesamt oder ein Abschnitt des Magnetkerns 50 ist als geschlossener und – lediglich beispielhaft zylindrischer – Ring ausgebildet. Insoweit entspricht das Beispiel gemäß 4 dem Schaltbild gemäß 1.
Wie weiter in 5 gezeigt ist, kann ein Magnetkern 50 optional mit einer Wicklung 52 versehen sein, die einen Bestandteil einer ringförmig geschlossenen Stromschleife bildet. Insoweit entspricht das Beispiel gemäß 5 dem Schaltbild gemäß 2.
Gemäß einer in 6 beispielhaft dargestellten Abwandlung kann auch ein Widerstandsbauelement 56 Bestandteil der ringförmig geschlossenen Stromschleife sein. Insoweit entspricht das Beispiel gemäß 5 dem Schaltbild gemäß 3.
Sofern ein Magnetkern 50 mit einer Wicklung 52 versehen ist, kann diese eine Anzahl von Windungen aufweisen (beispielsweise wenigstens 5 oder gar wenigstens 10), von denen jede um den Magnetkern 50 herum verläuft.
Außerdem kann der Magnetkern 50 einen Spalt 54 aufweisen, was anhand der 7, 8 und 9 für die ansonsten identischen Anordnungen der 4, 5 bzw. 6 gezeigt ist. Der Spalt 54 ist frei von ferromagnetischem Material, er kann aber beispielsweise mit Luft oder einem nicht-ferromagnetischen Feststoff gefüllt sein. Hierdurch kann das Sättigungsverhalten des Magnetkerns 50 verbessert werden, d. h. die magnetische Sättigung des Magnetkerns 50 tritt erst bei einem höheren äußeren Magnetfeld auf als bei einem ansonsten identischen Magnetkern 50 ohne Spalt. Die 10 und 11 zeigen noch Querschnittsansichten der Anordnungen gemäß den 6 bzw. 9.
Wie weiterhin anhand der 12 und 13 gezeigt ist, kann ein Magnetkern 50 auch aus zwei oder mehr Teil-Magnetkernen 58, 59 zusammengesetzt sein. Der in 12 dargestellte, zusammengesetzte Magnetkern 50 weist keinen Spalt auf, während der zusammengesetzte Magnetkern 50 gemäß 13 einen Spalt besitzt. Ein Teil-Magnetkern 58 kann beispielsweise als U-Kern ausgebildet sein. Andere Formen sind jedoch ebenfalls möglich.
Die erste und zweite Leitungsverbindung 1, 2 können, wie in den 14 und 15 dargestellt ist, auch durch einen gemeinsamen Magnetkern 50 hindurchgeführt sein. Hierzu können die erste und zweite Leitungsverbindung 1, 2 durch dieselbe Öffnung (53) des Magnetkerns 50 hindurchgeführt sein, oder, wie in 14 gezeigt, durch unterschiedliche Öffnungen 53', 53'' des Magnetkerns 50, die durch einen Steg 57 des Magnetkerns 50 voneinander separiert sind. Sofern ein derartiger Steg 57 vorhanden ist, kann die Wicklung 52 auch um diesen Steg 57 gewickelt sein. Alternativ könnte die Wicklung 52 auch um einen Abschnitt des Magnetkerns 50 gewickelt sein, der keinen Steg 57 darstellt. Die Anordnung gemäß 15 unterscheidet sich von der Anordnung gemäß 14 dadurch, dass der Magnetkern 50 einen Spalt 54 aufweist.
Wie anhand der 16 und 17 im Querschnitt, in 18 in Draufsicht und in 19 in Draufsicht, jedoch mit entferntem Magnetkern 50 gezeigt ist, kann die Schaltungsanordnung zur Erzielung eines besonders niedrigen ohmschen Widerstands der ersten und zweiten Leitungsverbindung 1, 2 so ausgebildet sein, dass die erste Leitungsverbindung 1 zwei oder mehr elektrisch parallel geschaltete erste Teil-Leitungsverbindungen 1' aufweist, und dass die die zweite Leitungsverbindung 2 zwei oder mehr elektrisch parallel geschaltete zweite Teil-Leitungsverbindungen 2' aufweist. Jeweils eine der Teil-Leitungsverbindungen 1' und eine der Teil-Leitungsverbindungen 2' können durch einen gemeinsamen Magnetkern 50 hindurchgeführt sein. Die betreffenden beiden Teil-Leitungsverbindungen 1', 2' können dabei durch dieselbe Öffnung (53) des Magnetkerns 50 hindurchgeführt sein, oder, wie in 14 gezeigt, durch unterschiedliche Öffnungen 53', 53'' des Magnetkerns 50, die durch einen Steg 57 des Magnetkerns 50 voneinander separiert sind. Sofern ein derartiger Steg 57 vorhanden ist, kann die Wicklung 52 auch um diesen Steg 57 gewickelt sein. Die Anordnung gemäß den 17 und 19 unterscheidet sich von der Anordnung gemäß den 16 und 18 dadurch, dass der Magnetkern 50 einen Spalt 54 aufweist.
Die Hindurchführung der ersten und zweiten Leitungsverbindung 1, 2 durch einen gemeinsamen Magnetkern 50 oder die Hindurchführung einer Teil-Leitungsverbindung 1' der ersten Leitungsverbindung 1 und einer Teil-Leitungsverbindung 2' der zweiten Leitungsverbindung 2 durch einen gemeinsamen Magnetkern 50 erfolgt bevorzugt so, dass die Ströme in den beiden durch den gemeinsamen Magnetkern 50 hindurch geführten Leitungs- oder Teilleitungsverbindungen 1 und 2 bzw. 1' und 2' einander entgegengerichtet sind, so das Magnetfeld im Magnetkern 50 und die Kopplung zu der Wicklung 56 maximiert werden.
Bei den Ausführungen gemäß den 14 bis 19 weist der Magnetkern 50, lediglich beispielhaft, zwei Teil-Magnetkerne 58, 59 auf. Wie ebenfalls gezeigt ist, kann dabei einer (58) der Teil-Magnetkerne 58, 59 als E-Kern ausgebildet sein. Andere Formen sind jedoch ebenfalls möglich.
Ein als E-Kern ausgebildeter Teil-Magnetkern 58 weist drei parallele Abschnitte auf, wobei der mittlere dieser Abschnitte den Steg 57 bildet. Analog dazu kann ein Teil-Magnetkern 58 auch vier oder mehr parallele Abschnitte und dementsprechend mehr Stege 57 aufweisen, von denen jeder zwei benachbarte Durchgangsöffnungen des Magnetkerns 50 voneinander separiert. Ein Teil-Magnetkern 58 mit drei oder mehr parallelen Abschnitten, von denen jeder ein freies Ende aufweist, kann demgemäß eine kammartige Struktur aufweisen. Aufgrund der kammartigen Struktur kann ein solcher Teil-Magnetkern 58 auf die fertig verlegten zwei oder mehr ersten und zweiten (Teil-)Leitungsverbindungen 1, 2, 1', 2' aufgesetzt werden. Optional kann danach noch ein weiterer Teil-Magnetkern 59 hinzugefügt werden.
Wie den 18 und 19 außerdem zu entnehmen ist, kann eine erste Leitungsverbindung 1, im Fall von zwei oder mehr Teil-Leitungsverbindungen 1' der ersten Leitungsverbindung 1 auch jede der Teil-Leitungsverbindungen 1', mittels einer lösbaren Verbindung (gezeigt sind lediglich beispielhaft Schraubverbindungen) mit dem ersten Anschluss 101 der ersten Kondensatoreinheit 10 und/oder mit dem ersten Anschluss 201 der Ladungsspeichereinheit 20 elektrisch leitend verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine zweite Leitungsverbindung 2, im Fall von zwei oder mehr Teil-Leitungsverbindungen 2' der zweiten Leitungsverbindung 2 auch jede der Teil-Leitungsverbindungen 2', mittels einer lösbaren Verbindung (gezeigt sind lediglich beispielhaft Schraubverbindungen) mit dem zweiten Anschluss 102 der ersten Kondensatoreinheit 10 und/oder mit dem zweiten Anschluss 202 der Ladungsspeichereinheit 20 elektrisch leitend verbunden sein.
Wie außerdem in den 10 bis 17 dargestellt ist, kann eine gute elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten Leitungsverbindung 1 und dem Magnetkern 50 dadurch erreicht werden, dass der Abstand d1 zwischen dem Magnetkern 50 und der ersten Leitungsverbindung 1 oder einer Teil-Leitungsverbindung 1' klein gewählt wird. Beispielsweise kann der Abstand d1 kleiner sein als 5 mm. Analog dazu, kann, alternativ oder zusätzlich, eine gute elektromagnetische Kopplung zwischen der zweiten Leitungsverbindung 2 und dem Magnetkern 50 dadurch erreicht werden, dass der Abstand zwischen dem Magnetkern 50 und der zweiten Leitungsverbindung 1 oder einer Teil-Leitungsverbindung 2' klein, beispielsweise kleiner sein als 5 mm, gewählt wird.
Wie weiterhin in 20 gezeigt ist, kann eine erste Kondensatoranordnung 10 nicht nur genau einen Kondensator aufweisen, sondern auch zwei oder mehr elektrisch zueinander parallel geschaltete Kondensatoren C1₁ bis C1_m. Jeder dieser Kondensatoren C1₁ bis C1_m weist einen ersten Anschluss auf, mit dem er elektrisch an den ersten Anschluss 101 der ersten Kondensatoranordnung 10 angeschlossen ist, sowie einen zweiten Anschluss, mit dem er elektrisch an den zweiten Anschluss 102 der ersten Kondensatoranordnung 10 angeschlossen ist.
Wie weiterhin in 21 gezeigt ist, kann eine als (zweite) Kondensatoranordnung ausgebildete Ladungsspeichereinheit 20 nicht nur genau einen Kondensator aufweisen, sondern auch zwei oder mehr elektrisch zueinander parallel geschaltete Kondensatoren C2₁ bis C2_n. Jeder dieser Kondensatoren C2₁ bis C2_n weist einen ersten Anschluss auf, mit dem er elektrisch an den ersten Anschluss 201 der zweiten Kondensatoranordnung 20 angeschlossen ist, sowie einen zweiten Anschluss, mit dem er elektrisch an den zweiten Anschluss 202 der zweiten Kondensatoranordnung 20 angeschlossen ist.
Wie außerdem in 22 dargestellt ist, kann eine auf Akkumulatoren basierende Ladungsspeichereinheit 20, nicht nur genau einen Akkumulator aufweisen, sondern auch zwei oder mehr Akkumulatoren elektrisch zueinander parallel geschaltete Akkumulatoren B₁ bis B_k. Jeder dieser Akkumulatoren B₁ bis B_k weist einen ersten Anschluss (Anode oder Kathode) auf, mit dem er elektrisch an den ersten Anschluss 201 der zweiten Kondensatoranordnung 20 angeschlossen ist, sowie einen zum ersten Anschluss komplementären zweiten Anschluss (Kathode oder Anode), mit dem er elektrisch an den zweiten Anschluss 202 der zweiten Kondensatoranordnung 20 angeschlossen ist. Dabei sind sämtliche Anoden elektrisch miteinander verbunden, und es sind sämtliche Kathoden elektrisch miteinander verbunden. Bei einer Ladungsspeichereinheit 40 kann es sich insbesondere auch um einen Akkumulator eines Kraftfahrzeugs (Umgangssprachlich auch ”Fahrzeugbatterie”) mit mehreren elektrisch parallel geschalteten Akkumulator-Zellen handeln, die in diesem Fall den erläuterten Akkumulatoren B₁ bis B_k entsprechen.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 23 bis 25 drei Ausführungsbeispiele für mögliche Ausgestaltungen einer Leistungshalbleiterschaltung 30 erläutert.
23 zeigt ein Schaltbild einer als Leistungsteil eines 3-Phasen-Wechselrichters ausgebildeten Leistungshalbleiterschaltung 30. Die Wechselrichterschaltung W weist für jede der drei Phasen einen Halbbrückenzweig HB auf. Die Halbbrücken HB weisen jeweils zwei steuerbare Halbleiterschalter 61 (HS = ”High Side”) und 62 (LS = ”Low Side”) und auf, deren Laststrecken (C–E) jeweils über einen Steueranschluss G (”Gate”) steuerbar sind. Den Steueranschlüssen G kann jeweils ein Gate-Vorwiderstand RG vorgeschaltet sein. Optional kann zu den Laststrecken (C–E) eines jeden der Halbleiterschalter 61, 62 jeweils eine Freilaufdiode FWD (anti-)parallel geschaltet sein. Auch wenn in dem vorliegenden Beispiel n-Kanal IGBTs als Halbleiterschalter 61, 62 gezeigt sind, können stattdessen beliebige andere bipolare oder unipolare Halbleiterschalter 61, 62 eingesetzt werden, beispielsweise MOSFETs (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor), JFETs (Junction Field Effect Transistor), HEMTs (High Electron Mobility Transistor), Thyristoren, etc.
Durch geeignete Ansteuerung der steuerbaren Halbleiterschalter LS, HS der Halbbrücken HB lässt sich bei jeder Halbbrücke HB an einem Schaltungsknoten zwischen den Laststrecken (C–E) der beiden Halbleiterschalter LS und HS dieser Halbbrücke HB ein gewünschter Spannungsverlauf einstellen. Die Ausgangsspannungen der Halbbrücken HB sind mit U1, U2 bzw. U3 bezeichnet. Diese Ausgangsspannungen U1, U2 bzw. U3 sind im Wesentlichen identisch mit den an den Schaltungsknoten der Halbbrücken HB auftretenden Spannungen.
Wie weiterhin in den 24 und 25 gezeigt ist, kann eine Leistungshalbleiterschaltung 30 auch nur einen Teil eines solchen Wechselrichters aufweisen. Zum Beispiel kann eine Leistungshalbleiterschaltung 30 nur eine Halbbrücke HB mit einem Ausgang U1 aufweisen (24), oder zwei Halbbrücken HB (25) mit jeweils einem Ausgang U1 bzw. U2.
Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung einer Leistungshalbleiterschaltung 30 kann diese einen oder mehrere Ausgänge U1, U2, U3 aufweisen, von denen jeder an ein elektrische Last, insbesondere auch aber nicht nur eine induktive Last M (z. B. ein Elektromotor) angeschlossen sein.
Gemäß einem weiteren, in 26 gezeigten Beispiel kann eine optionale Leistungshalbleiterschaltung 40 als Gleichrichterschaltung G ausgebildet sein. Die Gleichrichterschaltung G weist, lediglich beispielhaft, Gleichrichterdioden RD auf, sie könnte aber z. B. auch Thyristoren oder abschaltbare Leistungshalbleiter und PFC-Schaltungen (PCF = Power-Factor-Correcting) enthalten. Aus einer Wechselspannung aus einem Netz N mit beispielhaft drei Phasen erzeugt die Gleichrichterschaltung G eine gleichgerichtete Spannung, die zwischen den Anschlüssen 401 und 402 bereitgestellt wird. Diese Spannung kann zum Laden der Ladungsspeichereinheit 20 verwendet werden.
Die 27 und 28 zeigen eine Schaltungsanordnung mit einer Leistungshalbleiterschaltung 30, einer ersten Kondensatoranordnung 10 und einer Ladungsspeichereinheit 20 im Querschnitt bzw. in Draufsicht.
Eine erste Leiterplatte weist eine erste Metallisierungsschicht 91 und eine zu dieser parallele zweite Metallisierungsschicht 92 auf. Zwischen den Metallisierungsschichten 91, 92 befindet sich eine elektrisch isolierende Schicht 90. Die erste Leiterplatte ist mit einem Leistungshalbleitermodul bestückt, das eine Leistungshalbleiterschaltung 30 enthält (z. B. eine der anhand der 23 bis 25 erläuterten Leistungshalbleiterschaltungen 30). Auf der Oberseite und der Unterseite der ersten Leiterplatte sind jeweils mehrere Kondensatoren C1 angeordnet, die mit Hilfe der Metallisierungsschichten 91 und 92 zu einer Kondensatoranordnung 10 elektrisch parallel geschaltet werden. Durch die gemeinsame Montage der Kondensatoranordnung 10 und des Leistungshalbleitermoduls auf derselben ersten Leiterplatte 90, 91, 92 können die dritte und vierte Leitungsverbindung 3 bzw. 4 mit Hilfe der Metallisierungsschichten 91, 92 realisiert und ihre Streuinduktivitäten LS3 bzw. LS4 gering gehalten werden.
Eine zweite Leiterplatte weist ebenfalls eine erste Metallisierungsschicht 81 und eine zu dieser parallele zweite Metallisierungsschicht 82 auf. Zwischen den Metallisierungsschichten 81, 82 befindet sich eine elektrisch isolierende Schicht 80. Auf der Oberseite und der Unterseite der zweiten Leiterplatte sind jeweils mehrere Kondensatoren C2_y angeordnet, die mit Hilfe der Metallisierungsschichten 81 und 82 zu einer als (zweite) Kondensatoranordnung ausgebildeten zweiten Ladungsspeichereinheit 20 elektrisch parallel geschaltet werden. Anstelle der Kondensatoren C2_y könnten auf diese Weise auch Akkumulatoren B_z parallel geschaltet werden.
Die Metallisierungsschicht 81 enthält (zumindest) einen ersten Anschluss 201 und die Metallisierungsschicht 82 (zumindest) einen zweiten Anschluss 202. Außerdem enthält die Metallisierungsschicht 91 (zumindest) einen ersten Anschluss 101 und die Metallisierungsschicht 92 (zumindest) einen zweiten Anschluss 102. Die Metallisierungsschicht 81 wird durch eine erste Leitungsverbindung 1 elektrisch leitend mit der Metallisierungsschicht 91 verbunden und die Metallisierungsschicht 82 wird durch eine zweite Leitungsverbindung 2 elektrisch leitend mit der Metallisierungsschicht 92 verbunden. Hierzu kann die erste Leitungsverbindung 1 mittels einer lösbaren Verbindung sowohl mit der Metallisierungsschicht 81 als auch mit der Metallisierungsschicht 91 elektrisch leitend verbunden sein, und die zweite Leitungsverbindung 2 kann mittels einer lösbaren Verbindung sowohl mit der Metallisierungsschicht 82 als auch mit der Metallisierungsschicht 92 elektrisch leitend verbunden sein. Anstelle von lösbaren Verbindungen (z. B. Schraub-, Steck- oder Klemmverbindungen) können jedoch auch nicht lösbare, stoffschlüssige Verbindungen (z. B. Löten, Schweißen, elektrisch leitende Klebeverbindungen oder mit gesinterte Verbindungen) eingesetzt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung stellt zumindest der Magnetkern 50, optional auch der Magnetkern 50 zusammen mit der einen Bestandteil einer ringförmig geschlossenen Stromschleife darstellenden (Sekundär-)Wicklung 52 einen dynamisch wirkenden Widerstand dar, der nur bei einer Änderung des die erste bzw. zweite Leitungsverbindung 1, 2 durchfließenden Stroms die Energie aufnimmt, die in dem verbleibenden Feld der zugehörigen Streuinduktivität LS1 bzw. LS2 gespeichert ist, das durch den die erste bzw. zweite Leitungsverbindung 1, 2 durchfließenden Strom hervorgerufen wurde. Schwingungen zwischen der ersten Kondensatoranordnung 10 und der Ladungsspeichereinheit 20 werden dadurch gedämpft. Gleichzeitig kann der dynamisch wirkende ohmsche Widerstand größer als der innere Widerstand (ESR = Electrical Serial Resistance) der Gesamtwiderstand der Kondensatoren C1 und C2 und der ersten und zweiten Leitungsverbindung 1 und 2 gewählt werden, oder größer als der Gesamtwiderstand der Kondensatoren C1 und der Akkumulatoren B und der ersten und zweiten Leitungsverbindung 1, 2. Damit kann die in der verbliebenen Streuinduktivität LS1, LS2 gespeicherte Energie zum größten Teil in dem dynamisch wirkenden Widerstand umgesetzt und die Gesamtverluste in Kondensatoren und Leitungen gering gehalten werden.
Der Kreis mit der ersten Kondensatoranordnung 10 und den Streuinduktivitäten LS3 und LS4 kann beispielsweise dadurch sehr gering gehalten werden, dass die dritte und vierte Leitungsverbindung 3, 4 als zueinander parallele, nahe benachbarte und flächige Metallisierungen (z. B. einer Leiterplatte) oder Metallplatten ausgebildet werden. Beispielsweise kann das Produkt aus der Summe der Streuinduktivitäten LS3 + LS4 der dritten und vierten Leitungsverbindung 3, 4 und dem maximalen beim Betrieb auftretenden Strom durch die dritte Leitungsverbindung 3 kleiner sein als 10 μVs oder gar kleiner als 5 μVs.
Auch die Verdrahtung innerhalb der Ladungsspeichereinheit 20 zur elektrischen Verbindung der Kondensatoren C2₁ bis C2_n oder der Akkumulatoren B₁ bis B_k kann mit Hilfe zueinander parallelen, dünnen und flächigen Metallisierungen oder Leiterplatten ausgebildet werden, von denen die eine mit dem ersten Anschluss 201 der Ladungsspeichereinheit 20 und die andere mit deren zweitem Anschluss 202 verbunden ist. Damit kann die Ladungsspeichereinheit 20 als solche sehr niederinduktiv ausgeführt werden. Die Streuinduktivität solcher parallelen, nahe benachbarten und flächigen Metallisierungen (z. B. einer Leiterplatte) oder Metallplatten kann sehr klein gewählt werden. Beispielsweise kann das Produkt aus ihrer Streuinduktivität (ohne die Streuinduktivität der Kondensatoren C2₁ bis C2_n oder Akkumulatoren B₁ bis B_k) und dem Nennstrom I_nom der Leistungshalbleiterschaltung 30 kleiner sein als 10 μVs oder gar kleiner als 5 μVs.
Die Geometrie der Leitungsverbindungen 1, 2 gemäß den 27 und 28 zwischen den Leiterplatten 80, 81, 82 und 90, 91, 92 – nebeneinander liegende Stege 1, 2 – bewirken eine Streuinduktivität, die wesentlich höher ist als die innerhalb der Bandleitungen (81/82 und 91/92), die die Kondensatoren C2_i oder C1_i untereinander und die erste Kondensatoranordnung C1 mit der Schaltungsanordnung 30 verbinden. Die Streuinduktivitäten LS1, LS2 sind damit im Wesentlichen an diesen Verbindungen lokalisiert. Beispielsweise kann das Verhältnis (LS3 + LS4)/(LS1 + LS2) zwischen der Gesamtstreuinduktivität LS3 + LS4 der dritten und vierten Leitungsverbindung 3, 4 und der Gesamtstreuinduktivität LS1 + LS2 der ersten und zweiten Leitungsverbindung 1, 2 wenigstens 2,5 oder gar wenigstens 5,0 betragen.
Durch Hinzufügen eines Kerns 50 mit einer (Sekundär-)Wicklung 52 entsteht ein Transformator. Die ursprüngliche Streuinduktivität LS1 + LS2 der ersten und/oder zweiten Leitungsverbindungen 1, 2 wird dadurch reduziert, weil aufgrund des Sekundärstroms durch die Sekundärwicklung 52 ein durch die erste bzw. zweite Leitungsverbindung 1, 2 erzeugtes Magnetfeld teilweise kompensiert wird. Aufgrund der einfachen Geometrie des Transformators ist die Kopplung zwischen den ersten und/oder zweiten Leitungsverbindungen 1, 2 und der Wicklung 52 nicht optimal, so dass eine Reststreuinduktivität bestehen bleibt. Durch das bloße Hinzufügen eines Magnetkerns 50 mit verlustreichem Material des Magnetkerns 50 wird zwar ebenfalls eine Dämpfung und eine Verlagerung der zusätzlichen Wärme erreicht, allerdings wird auch die Streuinduktivität der ersten und/oder zweiten Leitungsverbindung 1, 2 erhöht. Deshalb wird die Anordnung mit einer Sekundärwicklung (d. h. die Transformatorlösung der Lösung mit einem Magnetkern 50 ohne Wicklung 52 vorgezogen. Die verbliebene Reststreuinduktivität, ein Bruchteil von LS1 + LS2, führt immer noch zu einer Speicherung von magnetischer Energie, die nach jeweiligen Schaltvorgängen in den Widerständen umgesetzt wird. Je nach Größe des aufgrund des Magnetkerns 50 und der Wicklung 52 (ggf. nebst ohmschem Widerstandsbauelement 56) zusätzlich wirkenden dynamischen Widerstandes können noch unerwünschte Stromschwingungen durch die erste und zweite Leitungsverbindung 1, 2 auftreten, oder der aperiodische Grenzfall, oder der Kriechfall (die Einstellung der Dämpfung kann also beispielsweise so erfolgen, dass die Dämpfung zumindest so groß ist wie beim aperiodischen Grenzfall).
Um die in einem Magnetkern 50 und/oder einer Wicklung 52 und/oder einem Widerstandsbauelement 56 anfallende Wärme abzuführen, können eine, mehrere oder sämtliche dieser Elemente gekühlt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Kühlkörpers, eines Gebläses, einer Flüssigkeitskühlung oder einer beliebigen anderen Kühleinrichtung.
Zwischen den Leiterbahnen 91 und 92 weist die Leistungshalbleiterschaltung 30 als solche eine geringe (Eigen-)-Induktivität auf, beispielsweise ca. 5 nH. Der maximale beim Betrieb auftretende Strom durch die erste Leitungsverbindung 1 kann z. B. 800 A betragen, beispielsweise wenigstens 200 A. Die Streuinduktivität der zweiten Leiterplatte mit den Metallisierungsschichten 91 und 92 und der darauf befindlichen Kondensatoren C1_x beträgt ca. 2,5 nH. In Summe (LS3 + LS4) ergibt sich damit eine Induktivität von 7,5 nH (= Induktivität des Leistungshalbleitermoduls + Induktivität der Kondensatoren C1_x + Streuinduktivitäten der Metallisierungsschichten 91 und 92).
Die Kondensatoren C1_x auf der Unterseite der zweiten Leiterplatte (d. h. die Kondensatoren C1_x, die sich wie die in 27 dargestellten Kondensatoren C1₁₉, C1₂₀, und C1₂₁ auf derselben Seite der zweiten Leiterplatte befinden wie das Leistungshalbleitermodul), besitzen je eine Kapazität von z. B. 1 μF, die Kondensatoren C1₁ bis C1₁₅, die auf der Oberseite der zweiten Leiterplatte angeordnet sind, besitzen jeweils eine Kapazität von z. B. 5 μF. Von den auf der Unterseite der zweiten Leiterplatte angeordneten der Kondensatoren C1_x können einer, mehrere oder alle optional zwischen der zweiten Leiterplatte und einem Kühlkörper 60 angeordnet sein, an dem das Leistungshalbleitermodul zur Kühlung montiert ist. Insgesamt ergibt sich für die Kapazität C1 aller parallel geschalteten Kondensatoren C1_x ein Wert von ca. 23 μF. Dieser Wert reicht aus, um auftretende Überspannungen ausreichend gering zu halten.
Die Kapazität C2 der mittels der ersten Leiterplatte parallel geschalteten Kondensatoren C2_y beträgt ca. 1 mF. Die Induktivität der zweiten Kondensatoranordnung 20 beträgt ca. 5 nH.
Die erste Leitungsverbindung 1 und die zweite Leitungsverbindung 2 zwischen der ersten Leiterplatte (80, 81, 82) und der zweiten Leiterplatte (90, 91, 92) ist durch zwei oder mehr nebeneinander liegende Leiterstege 1' + 2' realisiert realisiert. Insgesamt weisen sämtliche Leiterstege 1' + 2' zusammen eine Streuinduktivität (= LS1 + LS2) von ca. 50 nH auf. Um diese Leiterstege 1' + 2' herum wird der Magnetkern 50 wie erläutert angeordnet.
Die Wicklung 52 weist wenige Windungen (z. B. 10) auf. Die Wicklung 52 ist Bestandteil einer ringförmig geschlossenen Leiterschleife, deren ohmscher Widerstand etwa 9,5 Ω beträgt. Hierdurch ergibt sich in der ersten Leitungsverbindung 1 ein (nur dynamischer wirksamer) ohmscher Zusatzwiderstand von ca. 95 mΩ.
Im Folgenden werden noch Merkmale bzw. Wertegrenzen genannt, die für Schaltungsanordnungen im Hochleistungsbereich sinnvoll sind. Die genannten Merkmale und Wertegrenzen gelten nicht nur für den anhand der 27 und 28 erläuterten Aufbau, sondern allgemein:
Der Abstand d1 zwischen der ersten Leitungsverbindung 1 und dem Magnetkern 50 ist kleiner als 5 mm.
Die Gesamtkapazität C1 der ersten Kondensatoranordnung 10 kann kleiner sein als 25 μF, und/oder wenigstens 2 μF betragen.
Die Gesamtkapazität C2 einer als (zweite) Kondensatoranordnung ausgebildeten Ladungsspeichereinheit 20 kann größer sein als 1 mF.
Die Gesamtkapazität einer als Akkumulator ausgebildeten Ladungsspeichereinheit 20 kann größer sein als 100 Ah.
Der Magnetkern 50 kann bei einer Temperatur von 105°C eine relative magnetische Permeabilität von wenigstens 500 aufweisen.
Eine Wicklung 52 kann wenigstens 2, wenigstens 5 oder wenigstens 10 Windungen aufweisen, die um den Magnetkern 50 herum gewickelt sind.
Die Wicklung 52 ist Bestandteil einer ringförmig geschlossenen Leiterschleife, deren ohmscher Widerstand wenigstens 0,3 Ω beträgt.
Die Gesamt-Streuinduktivität LS1 + LS2 der ersten und zweiten Leitungsverbindung 1, 2 als solche kann kleiner sein als 100 nH.
Die Gesamt-Streuinduktivität LS1 + LS2 der ersten und zweiten Leitungsverbindung 1, 2 einschließlich eines Magnetkerns 50 und – sofern vorhanden – einschließlich sämtlicher Wicklungen 52 des Magnetkerns 50 und – sofern vorhanden – sämtlicher Widerstandsbauelemente 56 kann wenigstens 20 nH betragen, und/oder wenigstens das 2,5-fache oder das 5,0-fache der Gesamtstreuinduktivität LS3 + LS4 der dritten und vierten Leitungsverbindung 3, 4 als solche.
Für den ohmschen Gesamtwiderstand R einer ringförmig geschlossenen Stromschleife, die eine (Sekundär-)Wicklung 52 (optional auch einen oder mehrere Widerstandsbauelemente 56) enthält, kann gelten:
Diese Bedingungen gelten für den Fall, dass in der ersten und zweiten Leitungsverbindung 1, 2 zusammen genau ein Magnetkern 50 mit einer Wicklung 52 mit Widerstand 56 vorhanden ist. Sofern mehrere Magnetkerne 50 und/oder mehrere Wicklungen 52 und/oder mehrere Widerstände 56 vorhanden sind, gelten die genannten Bedingungen (a), (b) oder (c) für einen Effektiv-Widerstand. Dieser Effektiv-Widerstand ist der Widerstand, der dieselbe Dämpfung bewirkt wie die – soweit vorhanden – mehreren Magnetkerne 50, mehreren Wicklungen 52 und mehreren Widerstände 56.
Die erste Leistungshalbleiterschaltung 30 enthält eine Halbbrücke HB oder zwei Halbbrücken HB oder drei Halbbrücken HB oder eine Mehr-Level-Schaltung oder eine Matrixschaltung oder eine Chopperschaltung.
Zwischen dem ersten und zweiten Anschluss 301 bzw. 302 der Leistungshalbleiterschaltung 30 sind die Laststrecken eines ersten Halbleiterbauelements 61, 71 und ein zweites Halbleiterbauelements 62, 72 elektrisch in Reihe geschaltet.
Die genannten Werte und Merkmale können einzeln aber auch in beliebigen Kombinationen miteinander eingesetzt werden.

Claims

Schaltungsanordnung mit einer Leistungshalbleiterschaltung (30, 40), die einen ersten Anschluss (301, 401) und einen zweiten Anschluss (302, 402) aufweist, sowie ein erstes Halbleiterbauelement (61, 71) und ein zweites Halbleiterbauelement (62, 72), deren Laststrecken zwischen dem ersten Anschluss (301, 401) und dem zweiten Anschluss (302, 402) der Leistungshalbleiterschaltung (30, 40) elektrisch in Reihe geschaltet sind; einer ersten Ladungsspeichereinheit (10), die einen ersten Anschluss (101) und einen zweiten Anschluss (102) aufweist; und einer zweiten Ladungsspeichereinheit (20), die einen ersten Anschluss (201) und einen zweiten Anschluss (202) aufweist; einer ersten Leitungsverbindung (1), die den ersten Anschluss (101) der ersten Ladungsspeichereinheit (10) mit dem ersten Anschluss (201) der zweiten Ladungsspeichereinheit (20) elektrisch leitend verbindet; einer zweiten Leitungsverbindung (2), die den zweiten Anschluss (102) der ersten Ladungsspeichereinheit (10) mit dem zweiten Anschluss (202) der zweiten Ladungsspeichereinheit (20) elektrisch leitend verbindet; und einem Magnetkern (50), der mit der ersten und/oder zweiten Leitungsverbindung (1, 2) elektromagnetisch gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der der Abstand (d1) zwischen dem Magnetkern (50) und der ersten Leitungsverbindung (1) kleiner ist als 5 mm.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Magnetkern (50) eine Durchführung (53) aufweist, durch die die erste und/oder zweite Leitungsverbindung (1, 2) hindurchgeführt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der der Magnetkern (50) oder ein Abschnitt des Magnetkerns (50) als geschlossener Ring ausgebildet ist, durch den die erste und/oder zweite Leitungsverbindung (1, 2) hindurchgeführt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Magnetkern (50) oder ein zusammenhängender Abschnitt des Magnetkerns (50) als U-Kern oder als E-Kern ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste und/oder zweite Leitungsverbindung (1, 2) keine vollständige den Magnetkern (50) umgebende Windung aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Magnetkern (50) bei einer Temperatur von 105°C eine relative magnetische Permeabilität von wenigstens 500 aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Ladungsspeichereinheit (10) einen Kondensator aufweist, oder mehrere Kondensatoren (C1₁...C1_m), die elektrisch zueinander parallel geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die zusätzlich zu der ersten und/oder zweiten Leitungsverbindung (1, 2) eine Wicklung (52) des Magnetkerns (50) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, bei der die Wicklung (52) wenigstens zwei oder wenigstens fünf oder wenigstens 10 Windungen aufweist, von denen jede um den Magnetkern (50) gewickelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Wicklung (52) Bestandteil einer ringförmig geschlossenen Stromschleife ist, deren ohmscher Gesamtwiderstand wenigstens 0,3 Ohm beträgt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Wicklung (52) Bestandteil einer ringförmig geschlossenen Stromschleife ist, für deren ohmschen Gesamtwiderstand R eines der folgenden Kriterien gilt:
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die zweite Ladungsspeichereinheit (20) einen Kondensator aufweist, oder mehrere Kondensatoren (C2₁...C2_n), die elektrisch zueinander parallel geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, bei der die zweite Ladungsspeichereinheit (20) eine Kapazität (C2) von wenigstens 500 μF aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der die Kapazität (C2) der zweiten Ladungsspeichereinheit (20) zumindest das 10-fache der Kapazität (C1) der ersten Ladungsspeichereinheit (10) beträgt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die zweite Ladungsspeichereinheit (20) einen Akkumulator aufweist, oder mehrere Akkumulatoren (B₁...B_k), die elektrisch zueinander parallel geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Leitungsverbindung (1) eine erste Streuinduktivität LS1 aufweist; die zweite Leitungsverbindung (2) eine erste Streuinduktivität LS2 aufweist; die Gesamtstreuinduktivität LS1 + LS2 der ersten und zweiten Leitungsverbindung (1, 2) größer ist als das 2,5-fache oder das 5-fache der Streuinduktivität der zweiten Ladungsspeichereinheit (20).
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer dritten Leitungsverbindung (3), die den ersten Anschluss (101) der ersten Ladungsspeichereinheit (10) mit dem ersten Anschluss (301) der Leistungshalbleiterschaltung (30) elektrisch leitend verbindet; und einer vierten Leitungsverbindung (4), die den zweiten Anschluss (102) der ersten Ladungsspeichereinheit (10) mit dem zweiten Anschluss (302) der Leistungshalbleiterschaltung (30) elektrisch leitend verbindet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, bei der die erste Leitungsverbindung (1) eine erste Streuinduktivität LS1 aufweist; die zweite Leitungsverbindung (2) eine erste Streuinduktivität LS2 aufweist; die dritte Leitungsverbindung (3) eine dritte Streuinduktivität LS3 aufweist; die vierte Leitungsverbindung (1) eine vierte Streuinduktivität LS4 aufweist; wobei das Verhältnis (LS3 + LS4)/(LS1 + LS2) zwischen der Gesamtstreuinduktivität LS3 + LS4 der dritten und vierten Leitungsverbindungen (3, 4) und der Gesamtstreuinduktivität LS1 + LS2 der ersten und zweiten Leitungsverbindungen (1, 2) wenigstens 2,5 oder wenigstens 5,0 beträgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 18 oder 19, bei der die erste Leitungsverbindung (1) eine erste Streuinduktivität LS1 aufweist; die zweite Leitungsverbindung (2) eine erste Streuinduktivität LS2 aufweist; die dritte Leitungsverbindung (3) eine dritte Streuinduktivität LS3 aufweist; die vierte Leitungsverbindung (1) eine vierte Streuinduktivität LS4 aufweist; wobei die Gesamtstreuinduktivität LS1 + LS2 der ersten und zweiten Leitungsverbindungen (3, 4) größer ist als das 2,5-fache oder größer als das 5-fache der Summe aus der dritten Streuinduktivität LS3, der vierten Streuinduktivität LS4 und der Streuinduktivität der zweiten Ladungsspeichereinheit (20).