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Die Erfindung betrifft einen Stromrichter, der zum Übertragen einer elektrischen Leistung von mehr als 3 Kilowatt ausgestaltet ist. Ein solcher Stromrichter wird hier als Leistungsstromrichter bezeichnet. Der Stromrichter weist Halbbrückenschaltungen oder kurz Halbbrücken auf, die jeweils Parallelschaltungen aus mehreren Halbleiterschaltern aufweisen. Des Weiteren ist eine Steuereinrichtung zum Schalten der Halbbrücken bereitgestellt.
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Leistungsstromrichter erfordern spezielle Halbleiterschalter, also beispielsweise Transistoren, die eine ausreichend große Stromtragfähigkeit und Sperrspannung aufweisen, damit die elektrische Leistung von mehr als 3 Kilowatt mit einer möglichst geringen Anzahl an Halbleiterschaltern geschaltet werden kann. Diese Halbleiterschalter sind in der Regel in sogenannten Leistungshalbleitermodulen zusammengefasst. Es handelt sich hierbei um ein elektronisches Bauteil, in welchem die Halbleiterschalter dicht nebeneinander auf einem gemeinsamen wärmeleitfähigen Träger angeordnet sind. Über Bondingdrähte sind die einzelnen Halbleiterschalter mit Anschlüssen verdrahtet, über welche das Leistungshalbleitermodul mit der Peripherie verschaltet wird. Zum Betrieb eines solchen Leistungshalbleitermoduls muss z.B. eine Schaltungsplatine angeschlossen werden, auf welcher für jeden Halbleiterschalter eine Gate-Treiberschaltung zum Schalten des Halbleiterschalters bereitgestellt ist. Des Weiteren muss das Leistungshalbleitermodul auf einem Kühlkörper montiert werden, um die im beschriebenen Träger gesammelte Wärme aus dem Leistungshalbleitermodul abzuführen.
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Durch die kompakte, blockförmige Bauform und die Notwendigkeit der externen Beschaltung mit Gate-Treiberschaltungen ist es schwierig, ein Leistungshalbleitermodul an gegebene Leistungs- und Bauraumdaten anzupassen. Durch die Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten für moderne Umrichtertechnik ergeben sich aber je nach Anwendungsfall verschiedene Anforderungen an Leistungs- und Bauraumdaten. Dem gegenüber steht aber nur eine begrenzte Auswahl an erhältlichen Leistungshalbleitermodulen. So wird bei der begrenzten Anzahl von verfügbaren Leistungshalbleitermodulen das annähernd passende ausgewählt und verwendet werden. Ist kein passendes Leistungshalbleitermodul für eine Anwendung vorhanden, so muss auf ein nichtoptimales überdimensioniertes Leistungshalbleitermodul zurückgegriffen werden, was eine unerwünscht kostenaufwendige Lösung darstellt.
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Grund für die Bereitstellung von Leistungshalbleitermodulen ist, dass der Betrieb der Halbleiterschalter in einem Leistungsstromrichter aufgrund der großen Ströme und/oder Spannungen besondere Anforderungen an Kriechstrecken und Schaltinduktivitäten stellt. Hierzu erfolgt innerhalb der Leistungshalbleitermodule eine Optimierung. Allerdings sind in Bezug auf Halbleiterschalter auf Basis der Wide-Bandgap-Halbleitertechnologie auch innerhalb eines Leistungshalbleitermoduls die Optimierungsgrenzen erreicht. Wide-Bandgap-Transistoren ermöglichen besonders hohe Schaltfrequenzen, die aber voraussetzen, dass auch die modulinternen Induktivitäten gering sind. Aufgrund der Distanzen, die mittels der Bonding-Drähte zu überwinden sind, sind hier bei der Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls Grenzen gesetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsstromrichter bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch den Stromrichter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Stromrichters sind durch die Merkmale der Unteransprüche gegeben.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter ist ein Leistungsstromrichter, das heißt er ist zum Übertragen einer elektrischen Leistung von mehr als 3 Kilowatt Nennleistung ausgestaltet. Insbesondere ist eine Übertragung von mehr als 50 Kilowatt Nennleistung vorgesehen. Der Stromrichter weist in der bekannten Weise Halbbrücken mit jeweils mindestens zwei Parallelschaltungen aus mehreren Halbleitern auf. Eine Steuereinrichtung ist zum Schalten der Halbbrücken ausgelegt. Jede Halbbrücke weist mindestens zwei Parallelschaltungen auf, wobei eine Parallelschaltung als sogenannte High-Side-Schaltung und die zweite Parallelschaltung als Low-Side-Schaltung bereitgestellt ist. Die High-Side-Schaltung verbindet eine Plus-Leitung einer Gleichstromseite des Stromrichters mit einem Wechselspannungs-Phasenleiter. Die Low-Side-Schaltung verbindet eine Minus-Leitung der Gleichspannungsseite mit demselben Wechselspannungs-Phasenleiter. Durch die Parallelschaltungen wird die Stromtragfähigkeit der Halbbrücke im Vergleich zu einem einzelnen Halbleiterschalter gesteigert. Die Steuereinrichtung ist in an sich bekannter Weise dazu ausgelegt, den Stromrichter als Gleichrichter und/oder Wechselrichter zu betreiben. Die High-Side-Schaltung und die Low-Side-Schaltung können jeweils auch mehrere Parallelschaltungen aufweisen, die dann bei jeder der beiden Schaltungen in Serie geschaltet sind, um hierdurch höhere Sperrspannungen als mit einer einzelnen Parallelschaltung zu ermöglichen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Stromrichter ist man nun nicht auf ein Leistungshalbleitermodul angewiesen. Stattdessen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in jeder Parallelschaltung jeweils die Halbleiterschalter als diskrete Elektronikbausteine bereitgestellt sind, also als jeweils einzelner Elektronikbaustein. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist unter einem Halbleiterschalter insbesondere ein Transistor zu verstehen. Bevorzugt wird durch jeden Elektronikbaustein jeweils ein Transistor bereitgestellt, insbesondere ein MOSFET (Metal Oxide Semicoductor Field Effect Transistor) oder ein IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Die Elektronikbausteine sind jeweils über eine Lotschicht drahtfrei auf einer Leiterplatte befestigt. Die Lotschicht kann beispielsweise mittels Lötzinn gebildet sein, über welchen Kontaktflächen des Elektronikbausteins mit den jeweiligen Leiterbahnen verlötet sind. Zum Bilden jeder Parallelschaltung sind die jeweiligen Elektronikbausteine der Parallelschaltung ausschließlich über Leiterbahnen der Leiterplatte zu der Parallelschaltung verschaltet. Bei dem erfindungsgemäßen Stromrichter sind also die Halbleiterschalter nicht über ein Bonding, das heißt nicht über Bonding-Drähte, verschaltet. Sie liegen stattdessen direkt auf einer Leiterplatte auf, mit welcher sie über die jeweilige Lotschicht elektrisch kontaktiert sind. Das Zu- und Abführen des zu schaltenden Stromes wird durch die Leiterbahnen der Leiterplatte realisiert. Jede Parallelschaltung kann eine eigene Leiterplatte aufweisen oder es können auch eine oder mehrere Parallelschaltungen auf einer gemeinsamen Leiterplatte bereitgestellt sein.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Stromrichter an die geforderten Leistungsdaten, insbesondere die Stromtragfähigkeit, gezielt dadurch angepasst werden kann, dass die entsprechende Anzahl an diskreten Elektronikbausteinen in jeder Parallelschaltung gewählt werden kann. Dennoch ergibt sich hierbei kein Problem durch eine modulinterne Induktivität aufgrund einer Bonding-Verdrahtung. Die Elektronikbausteine sind über Lotschichten an die Leiterbahnen drahtfrei angelötet, so dass die Anbindung anders als bei einem Bonding einen sehr kurzen Weg oder eine sehr kurze Leitungslänge aufweist und hierdurch kein signifikanter Beitrag an der Induktivität des Stromrichters entsteht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, durch die einzeln bereitgestellten Elektronikbausteine ein optimales Leiterplattenlayout in Bezug auf die Anpassung bezüglich Topologie, Schaltfrequenzen und Entwärmung angeht, so dass eine Form des Stromrichter an einen vorgegebenen Bauraum angepasst werden kann.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine Weiterbildung betrifft das Problem, dass bei jeder Parallelschaltung deren Elektronikbausteine und die Leiterbahnen der Parallelschaltung eine elektrisch schwingungsfähige Anordnung bilden. Mit anderen Worten weist diese Anordnung eine Eigenfrequenz auf, bei welcher Spannungsschwankungen und/oder Stromstärkeschwankungen entstehen, wenn die Anordnung mit dieser Eigenfrequenz wiederholt geschaltet wird. Bei der Weiterbildung ist durch eine Geometrie der Leiterbahnen und/oder durch eine Position der Elektronikbausteine die Eigenfrequenz der Anordnung außerhalb eines Intervalls von zugelassenen Schaltfrequenzen der Parallelschaltung eingestellt. Es handelt sich bei den zulässigen Schaltfrequenzen um diejenigen Schaltfrequenzen, die durch die Steuereinrichtung des Stromrichters für den Betrieb des Stromrichters vorgesehen sind. Mit anderen Worten kann die Steuereinrichtung der Stromrichter bei allen vorgesehenen Schaltfrequenzen betreiben, ohne dass hierdurch die Anordnung zur Eigenschwingung angeregt wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Schwingungen in den Parallelschaltungen gedämpft sind.
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Insbesondere ist es hierdurch gemäß einer Weiterbildung möglich, dass eine oder mehrere oder jede der zugelassenen Schaltfrequenzen, also das gesamte Intervall vorgesehener Schaltfrequenzen, größer als 30 Kilohertz ist. Ein solcher schnellschaltender Stromrichter ist auf der Grundlage eines Leistungshalbleitermoduls nur mit großem technischem Aufwand realisierbar. Die Werte für die Schaltfrequenzen ergeben sich insbesondere bei eine pulsmodulierten Steuerung der Parallelschaltungen.
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Eine Weiterbildung begünstigt den Betrieb des Stromrichters bei hohen Schaltfrequenzen. Bei dieser Weiterbildung ist für jeden Elektronikbaustein jeweils eine Gate-Treiberschaltung bereitgestellt. Gate-Treiberschaltungen sind im Stand der Technik auch als Gate-Treiber bekannt. Durch sie wird die Gate-Elektrode des in dem Elektronikbaustein enthaltenen Halbleiterschalters angesteuert. Hierbei muss zum Wechseln des Schaltzustands des Halbleiterschalters eine Gate-Kapazität der Gate-Elektrode umgeladen werden. Hierzu ist bei leistungselektronischen Halbleiterschaltern der Gate-Treiber vorgesehen. Bei der Weiterbildung ist nun die Gate-Treiberschaltung über eine Leiterbahn der Leiterplatte mit einem Gate-Eingang des Elektronikbausteins verschaltet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch die Gate-Treiberschaltung ohne einen Bonding-Draht mit dem Gate des Halbleiterbauschalters verschaltet ist. Dies verhindert eine Beeinträchtigung der Schaltfrequenz oder eine Begrenzung der Schaltfrequenz aufgrund von induktiven Einflüssen zwischen Gate-Treiberschaltung und Gate.
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Eine Weiterbildung hierzu sieht vor, dass ein Abstand der Gate-Treiberschaltung von dem zugehörigen oder jeweiligen Elektronikbaustein kleiner als 2 Zentimeter, insbesondere kleiner als 1 Zentimeter, ist. Hierdurch ist die durch die Leiterbahn gebildete Induktivität derart gering, dass sie keinen signifikanten Einfluss auf die Schaltfrequenz hat.
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Besonders bevorzugt ist, dass die Gate-Treiberschaltung über SMD-Technologie (SMD – Surface-Mounted Device) auf der Leiterplatte gehalten ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Gate-Treiberschaltung auf die Leiterplatte maschinell aufgetragen oder aufgebracht werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung sind paarweise Abstände der Elektronikbausteine, also alle jeweiligen Abstände zwischen jeweils zwei Elektronikbausteinen, alle oder sämtlich größer als 3 Zentimeter. Mit anderen Worten sind die Elektronikbausteine nicht derart dicht gepackt, wie in einem Leistungshalbleitermodul. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine in dem Elektronikbaustein entstehende Wärme abgeführt werden kann, ohne dass hierdurch über den Wärmeabfuhrpfad ein anderer Elektronikbaustein erwärmt wird. Mit anderen Worten sind die Elektronikbausteine thermisch voneinander besser entkoppelt als bei einem Stromrichter, bei welchem die Halbleiterbausteine aneinander angrenzend angeordnet sind.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Leiterplatte für jede Parallelschaltung ein Substrat aus Metall aufweist. Eine Leiterplatte dieser Bauart wird als IMS (Insulated Metal Substrate) bezeichnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Abwärme der Elektronikbausteine über das Substrat der Leiterplatte abgeführt werden kann. Dies ergibt einen besonders effizienten Kühlungseffekt.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Steuereinrichtung zum Schalten der Halbbrücken zumindest teilweise durch eine Schaltung aus Bauelementen gebildet ist, die auf einer Leiterplatte aufgelötet und über die Leiterplatte verschaltet sind. Es handelt sich dabei um eine Leiterplatte, auf welcher auch zumindest eine der Parallelschaltungen angeordnet ist. Mit anderen Worten ist auch die Steuereinrichtung über Leiterbahnen mit der zumindest einen Parallelschaltung auf derselben Leiterplatte verschaltet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Stromrichter insgesamt als Schaltung auf einer Leiterplatine bereitgestellt werden kann. Bedarfsweise kann sogar ein Zwischenkreiskondensator für einen Gleichspannungs-Zwischenkreis der Gleichspannungsseite auf der Leiterplatte aufgelötet sein.
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Die Größe der Parallelschaltungen kann aber auch bei dieser Technologie Grenzen aufweisen, das heißt eine Anzahl von Halbleiterschalter in jeder Parallelschaltung kann aufgrund beispielsweise der beschriebenen Schwingungen begrenzt sein. Der erfindungsgemäße Stromrichter weist bevorzugt Parallelschaltungen auf, in denen sich jeweils Halbleiterschalter in einer Anzahl befinden, die in einem Bereich zwischen 3 und 40 liegt. Falls mehr Halbleiterschalter nötig sind, sieht eine Weiterbildung vor, dass eine weitere Leiterplatte mit mindestens zwei weiteren Parallelschaltungen aus mehreren Halbleiterschaltern bereitgestellt ist. Jeweils eine der weiteren Parallelschaltungen ist mit jeweils einer der bereit beschriebenen Parallelschaltungen einer der Halbbrücken verschaltet. Mit anderen Worten werden bei einer Halbbrücke deren Parallelschaltungen jeweils dadurch vergrößert oder verlängert, dass die weiteren Halbleiterschalter parallel zu den bereits vorhandenen Halbleiterschaltern verschaltet oder geschaltet werden. Die Verschaltung erfolgt dabei nicht durch verlängern der Leiterbahnen beispielsweise auf der Grundlage von Drähten. Dies würde zu einer Beeinflussung der Eigenfrequenz führen. Stattdessen kann vorgesehen sein, dass die Gate-Treiberschaltungen mit einem gemeinsamen Schaltsignal gesteuert werden, so dass jeweils eine Parallelschaltung und eine weitere Parallelschaltung gleichzeitig schalten.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Umrichters, welcher als Wechselrichter und als Gleichrichter jeweils eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromrichters aufweist,
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2 eine schematische Darstellung einer Halbbrücke eines der Stromrichter,
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3 eine schematische Darstellung eines Halbleiterschalters, der auf einer Leiterplatte des Stromrichters von 2 befestigt ist.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Umrichter 1 mit einem Gleichrichter 2, einem Gleichspannungs-Zwischenkreis oder kurz Zwischenkreis 3, einem Wechselrichter 4 und einer Steuereinrichtung 5. Der Gleichrichter 2 und der Wechselrichter 4 stellen jeweils einen Stromrichter dar. Der Gleichrichter 2 und der Wechselrichter 4 können jeweils Halbbrücken 6 aufweisen, über welche Wechselspannungs-Phasenleitungen oder kurz Phasenleitungen 7, 8 des Umrichters 1 in bekannter Weise mit sowohl einer Plus-Leitung 9 als auch einer Minus-Leitung 10 des Zwischenkreises 3 verschaltet sind. Durch den Gleichrichter 2 kann aus den Wechselspannungen der Phasenleitungen 7 mittels der Halbbrücken 6 in an sich bekannter Weise in dem Zwischenkreis 3 eine Gleichspannung 11 erzeugt werden, die in einem Zwischenkreiskondensator 12 gepuffert werden kann. Durch den Wechselrichter 4 können aus der Gleichspannung 11 in den Phasenleitern 8 jeweils Wechselspannungen mittels der Halbbrücken 6 erzeugt werden.
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Der Umrichter 1 kann beispielsweise zum Betreiben einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer Synchronmaschine, vorgesehen sein. Der Umrichter 1 kann hierzu über die Phasenleitungen 7 mit einem elektrischen Versorgungsnetz und über die Phasenleitungen 8 mit der elektrischen Maschine verschaltet sein.
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Bei dem Umrichter 1 werden die Halbbrücken 6 durch die Steuereinrichtung 5 geschaltet oder angesteuert. Die Schaltungseinrichtung 5 kann beispielsweise durch elektrische und elektronische Bauelemente gebildet sein. Es kann auch jeweils eine separate Steuereinrichtung für den Gleichrichter 2 und den Wechselrichter 4 vorgesehen sein. Die Schaltungseinrichtung 5 kann beispielsweise durch einen Mikroprozessor oder einen ASIC (application specific integrated circuit) gebildet sein.
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Die Halbbrücken weisen jeweils eine sogenannte High-Side-Schaltung 13 und eine Low-Side-Schaltung 14 auf, von denen in der 1 der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Schaltungen 13, 14 stellen dabei jeweils eine Parallelschaltung aus mehreren Halbleiterschaltern dar.
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In 2 ist eine Halbbrücke 6 noch einmal genauer dargestellt. Die High-Side-Schaltung 13 und die Low-Side-Schaltung 14 weist jeweils parallel geschaltete Schalteinheiten 15 auf. Jede Schalteinheit 15 weist einen Halbleiterschalter 16 und eine Gate-Treiberschaltung oder kurz Treiberschaltung 17 für den jeweiligen Halbleiterschalter 16 auf. Zur Veranschaulichung sind von den Halbleiterschaltern 16 jeweils die Anschlüsse Drain D, Source S und Gate G dargestellt. Bei dem Halbleiterschalter 16 kann es sich beispielsweise jeweils um einen IGBT oder MOSFET handeln. Die Halbleiterschalter 16 sind insbesondere auf einer Wide-Bandgap-Halbleitertechnologie basierend ausgestaltet, insbesondere handelt es sich um Siliziumcarbid- und/oder Galliumnitrid-basierte Transistoren.
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Bei den Treiberschaltungen 17 kann es sich jeweils um eine Schaltung handeln, wie sie an sich aus dem Stand der Technik als Gate-Treiber bekannt ist. Durch die Treiberschaltung 17 wird beim Schalten des jeweiligen Halbleiterschalters 16 eine Gate-Kapazität des Gates G umgeladen. Bei den Halbbrücken 6 des Umrichters 1 ist dies mit einer besonders hohen Schaltfrequenz und/oder Schaltgeschwindigkeit möglich. Insbesondere ist eine Schaltfrequenz größer als 30 Kilohertz ermöglicht.
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Hierzu ist ein Abstand 18 zwischen den Treiberschaltungen 17 und dem zugehörigen Halbleiterschalter 16 derart gering, dass eine Steuerleitung 19, durch welche die Treiberschaltung 17 mit dem Gate G verbunden ist, kurz ausgeschaltet ist und hierdurch eine geringe Verdrahtungsinduktivität ausbildet. Insbesondere beträgt der Abstand 18 weniger als 2 Zentimeter.
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Um diese niederinduktive Anordnung aus Treiberschaltung 17 und Halbleiterschalter 16 zu ermöglichen, ist in dem in 2 gezeigten Beispiel die Halbbrücke 6 als eine Schaltungsanordnung 20 ausgestaltet, die dadurch gekennzeichnet ist, dass bei jeder Schalteinheit 15 die Treiberschaltung 17 und der Halbleiterschalter 16 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 21 angeordnet sind. In dem in 2 gezeigten Beispiel sind sämtliche Schalteinheiten 15 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 21 angeordnet. Die Leiterplatte 21 ist z.B. eine Platte, die beispielsweise als PCB (printed circuit board) ausgestaltet sein kann. Die Leiterplatte 21 kann insbesondere als IMS ausgestaltet sein.
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Auf der Leiterplatte 21 können Leiterbahnen 22 aus Kupfer oder Aluminium angeordnet sein, durch welche eine Verbindung der Schalteinheiten 15 mit der Plus-Leitung 9, der Minus-Leitung 10 und den jeweiligen Phasenleitern 7, 8 bereitgestellt sein kann. Bei der Schaltungsanordnung 8 ist insbesondere auch die Steuerleitung 19 durch eine Leiterbahn 23 auf der Leiterplatte 21 gebildet.
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Zum gleichzeitigen Schalten der jeweils parallel geschalteten Halbleiterschalter 16 über deren Treiberschaltung 17 kann bei der Schaltungsanordnung 20 jeweils eine Treiberlogik oder Logikschaltung 24 bereitgestellt sein, welche ein Steuersignal 25 der Steuereinheit 5 an die Treiberschaltungen 17 der parallel geschalteten Schalteinheiten 15 weiterleitet. Die Logikschaltung 24 kann einen Steuerschaltkreis zum Koordinieren der Schaltzeitpunkte der Schalteinheiten 15 aufweisen.
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Zu den parallel geschalteten Halbleiterschaltern 16 kann des Weiteren optional eine Snubber-Schaltung 26 parallel geschaltet sein. Es kann jeweils eine Snubber-Schaltung 26 für jeden Halbleiterschalter 16 oder eine gemeinsame Snubber-Schaltung 26 vorgesehen sein. Eine Snubber-Schaltung 26 kann beispielsweise durch einen an sich bekannten Snubber-Kondensator oder ein RC-Glied oder durch einen Kondensator allein gebildet sein.
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Die Schaltungsanordnung 20 kann dazu ausgestaltet sein, einen Strom mit einer Stromstärke in einem Bereich von mehr als 50 Ampere, insbesondere mehr als 100 Ampere, zu führen. Durch die gezeigte Parallelschaltung ist es hierbei möglich, dass jeder Halbleiterschalter 16 nur dazu ausgelegt ist, einen Teilstrom als Nennstrom zu führen, so dass der Nennstrom jedes Halbleiterschalters 16 kleiner ist als der Nennstrom der Schaltungsanordnung 25. Eine Sperrspannung der Halbleiterschalter 16 kann größer als 100 Volt sein.
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Die Treiberschaltungen 17 können jeweils mit der Steuereinrichtung 5 über eine galvanische Trenneinrichtung, z.B. einen Optokoppler, gekoppelt sein. Hierdurch ist auch bei hohen Sperrspannungen an der Drain-Source-Schaltstrecke der Halbleiterschalter 16 trotz der Nähe der Treiberschaltung 17 ein Übertreten der Sperrspannung auf die Steuereinrichtung 5 verhindert.
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3 zeigt, wie ein einzelner Halbleiterschalter 16 auf der Leiterplatte 21 befestigt und mit den Leiterbahnen 22, 23 verschaltet sein kann.
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Jeder Halbleiterschalter 16 kann als diskreter Elektronikbaustein 27 ausgestaltet sein, bei welchem die Halbleiterschichten in einem Gehäuse 28 angeordnet sein können. In 3 ist veranschaulicht, wie in dem Gehäuse 28 elektrisch leitfähige Kontaktflächen 29 für die drei Kontakte Drain D, Source S und Gate G ausgestaltet sein können. Zwischen den Kontaktflächen 29 und den Leiterbahnen 22, 23 ist eine Lotschicht 30 angeordnet, die durch Lötzinn gebildet sein kann. Die Lotschicht 30 kann beispielsweise mittels eines Schwelllötverfahrens an den Leiterbahnen 22, 23 oder an den Kontaktflächen 29 angeordnet worden sein, und der Elektronikbaustein 27 mit den Leiterplatten 22, 23 verlötet worden sein.
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In 3 ist des Weiteren dargestellt, wie die Leiterplatte 21 als IMS mit einem metallischen Substrat 31 und einer elektrisch isolierenden Schicht 32 zwischen dem Substrat 31 und den Leiterbahnen 22, 23 ausgestaltet sein kann. Das Substrat 31 kann beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer gebildet sein. Die Isolierschicht 32 kann beispielsweise eine Keramikschicht oder ein Lack sein.
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Indem die Halbleiterschalter als einzelne Elektronikbausteine 27 bereitgestellt sind, können sie auf der Leiterplatte 21 derart angeordnet sein, dass ein jeweiliger Abstand 33 zwischen zwei der Elektronikbausteine 27 größer als 3 Zentimeter ist. Hierdurch ist eine zuverlässige Kühlung der Elektronikbausteine 27 gewährleistet. Die Anordnung der Elektronikbausteine 27 auf der Leiterblatte 21 kann in der Weise erfolgen, dass eine Eigenfrequenz der Schaltungsanordnung 20 ungleich der Schaltfrequenzen ist, mittels welchen die Steuerschaltung 5 die Halbbrücken 6 betreibt.
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Es kann auch vorgesehen sein, den gesamten Umrichter auf einer einzigen Leiterplatte 21 bereitzustellen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der gesamte Umrichter durch ein automatisiertes Fertigungsverfahren beispielsweise mittels Schwelllöten montiert oder hergestellt werden kann. Der Kondensator 12 des Zwischenkreises 3 kann hierbei ebenfalls als aufgelötetes Bauteil oder separat über Kabel oder Stromschienen mit den Leitungen 9, 10 verbunden sein.
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Um die Parallelschaltungen der High-Side-Schaltung 13 und der Low-Side-Schaltung 14 zu erweitern oder zu vergrößern, kann eine zweite Leiterplatte 21 bereitgestellt sein, die in derselben Weise wie in 2 gezeigt, ausgestaltet sein kann. Die Parallelschaltungen können dann beispielsweise über die Logikschaltung 24 gekoppelt sein, indem entsprechende Treiberschaltungen der weiteren Leiterplatte ebenfalls mit einer der Logikschaltungen 24 verschaltet werden.
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Durch den Einsatz von diskreten Leistungshalbleiterschaltern oder Halbleiterschaltern mit direkter Lötverbindung an die Leiterbahnen können somit Leistungsdaten durch entsprechendes Verschalten parallel und serielle auf einer Leiterplatte erreicht werden. Es ergibt sich eine Vielzahl von Vorteilen. Eine flexible Anordnung auf der Leiterplatte ermöglicht eine optimale Anpassung an den vorgegebenen Bauraum zum Beispiel einer runden elektrischen Maschine. Der Fertigungsprozess wird wesentlich durch ausschließliches Verwenden von SMD-Technologie vereinfacht. Eine aufwendige Montage von einzelnen, unterschiedlich bedrahteten Bauteilen und Modulen mit unterschiedlicher Anschlusstechnologie entfällt. Außerdem ist ein optimales Leiterplattenlayout bezüglich Topologie, Schaltfrequenzen und Entwärmung möglich.
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Somit wird es möglich, auch in der Leistungsklasse größer als 3 Kilowatt nicht wie bisher nur Modultechnik von Leistungshalbleitermodulen zu verwenden, sondern einzelne diskrete Elektronikbausteine als Halbleiterschalter zu verwenden und diese nach Bedarf zu verschalten. Weiterhin lassen sich für modulare Systeme Grundelemente kostengünstig fertigen und miteinander kombinieren, um zu einem Gesamtsystem höherer Leistung verschaltet zu werden. Mit dieser Art der Verschaltung von diskreten Bauelementen ergibt sich eine Vielzahl von Vorteilen für die Umrichtertechnologie. Insgesamt können Umrichter kostengünstiger hergestellt werden. Ein optimales Design für entsprechende Leistungs- und Bauraumdaten ist möglich. Durch optimales Leiterplattenlayout können auch Eigenschwingungen im Betrieb verhindert beziehungsweise gedämpft werden.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein leiterplattenbasierter Inverter bereitgestellt werden kann.
