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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein 3-Pegel-Leistungsmodul mit einer Grundplatte, einer 3-Pegel-Inverterschaltung, wobei die 3-Pegel-Inverterschaltung auf der Grundplatte angeordnet ist, und einem Phasenausgangsanschluss.
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Mehrphasige Leistungsmodule sind gut bekannt und werden weitgehend verwendet, wo die Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung erforderlich ist. Beispiele umfassen die Verwendung als ein Inverter, um Gleichstrom, der von einem Solarpanel geliefert wird, in einen Wechselstrom zu wandeln, der geeignet ist, in ein Versorgungsnetz eingespeist zu werden. Mehrphasige Inverter werden auch in Motorsteuerungen, Windgeneratoren und aktiven Filtern eingesetzt und in jedem dieser Fälle werden Inverterschaltungen für die Umwandlung von Leistung aus Gleichstromstufen in Wechselstrom oder umgekehrt verwendet. 3-Phasen-Systeme sind insbesondere bekannt in Verbindung mit Leistungsverteilungsnetzen, und Systeme mit mehr als drei Phasen sind ebenfalls bekannt in Spezialbereichen, wie Motorsteuerung. Inverter, die +/-Gleichspannungen in Wechselspannung wandeln, bekannt als 2-Pegel-Inverter, sind auch im Stand der Technik gut bekannt. Sowohl 2-Pegel als auch 3-Pegel-Inverter funktionieren durch Schalten der Spannung, die am Eingang anliegt, in einer gesteuerten Weise, um eine Wechselspannungsleistungsversorgung an dem Ausgang zu schaffen, die die erforderliche Wellenform hat. Ein 3-Pegel-Inverter ist in der Lage, die erforderliche Wellenform effizienter wieder zu erstellen als ein 2-Pegel-Inverter.
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Das 3-Pegel-Leistungsmodul, wie oben beschrieben, kann beispielsweise eine Einzelphasenwechselspannung aus drei Gleichspannungspegeln erzeugen. Wenn beabsichtigt ist, ein Mehrphasensystem zu konstruieren, sind zwei oder mehr derartiger Einphasenschaltungen erforderlich. Für einen 3-Phasen-Inverter sind beispielsweise 3-Einzelphasen-Leistungsmodule erforderlich.
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Im Allgemeinen ist es üblich, mehrere getrennte Leistungsmodule bereit zu stellen, von denen jedes mit 3-Pegel-Gleichspannungseingängen gespeist wird und einen Einzelphasenausgang aus gibt. Für Mehrphaseninverteranwendungen müssen zwei oder mehr dieser Module verwendet werden. Dies erfordert Raum, da jeder der individuellen Leistungsmodule Verpackungs- und Befestigungsmerkmale hat, die Platz beanspruchen. Es ist deswegen unmöglich, derartige getrennte Leistungsmodule sehr nah beieinander zu montieren. Zusätzlich ist die Tatsache, dass die Notwendigkeit, dass sie getrennt gekühlt werden müssen, dafür verantwortlich, dass sie zu übermäßig komplexen Kühlsystemen und/oder zwei oder mehr getrennten gekühlten Bereichen mit entsprechend abgedichteten Umfängen führen. Da derartige abgedichtete Umfänge anfällig für eine Leckage von Kühlmittel sind, ist die Minimierung der abgedichteten Umfangslängen von großem Vorteil.
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Es ist deswegen die Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes 3-Pegel-Multiphasenleistungsmodul bereit zu stellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch das 3-Pegel-Leistungsmodul, wie eingangs beschrieben, in dem das 3-Pegel-Leistungsmodul weiterhin ein oder mehrere 3-Pegel-Inverterschaltungen aufweist, von denen jede auf der Grundplatte angeordnet ist und von denen jede mit einem entsprechenden weiteren Phasenausgangverbinder des 3-Pegel-Leistungsmoduls verbunden ist.
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Mit anderen Worten weist die erfindungsgemäße Lösung die Verwendung einer einzelnen Grundplattenkonstruktion für 3-Pegel-Multiphasenleistungsmodul auf. Dies bedeutet, dass alle Schaltungen, somit alle elektrischen Schaltungselemente der 3-Pegel-Inverterschaltungen des Multiphasenleistungsmoduls in einem einzelnen Paket eingebaut sind, das eine einzelne monolithische Grundplatte umfasst, die geeignet ist, gekühlt zu werden. Auf diese Weise wird der Raum, der im Stand der Technik für das Packen von einzelnen Phasenmodulen und für Befestigungslöcher usw. benötigt wird, vermindert und das 3-Pegel-Multiphasenleistungsmodul kann in einer kompakteren Weise hergestellt werden. Dies kann von großem Vorteil sein, wenn Größen- und/oder Gewichtsbetrachtungen wichtig sind.
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In Ausführungsformen weist das 3-Pegel-Leistungsmodul ein oder mehrere Substrate auf, die auf der Grundplatte angeordnet sind, wobei jedes Substrat elektrische Schaltungselemente von einem oder mehr der 3-Pegel-Inverterschaltungen aufweist. In Ausführungsformen gibt es genau ein Substrat. In anderen Ausführungsformen ist die Anzahl der Substrate gleich der Anzahl der 3-Pegel-Inverterschaltungen. In noch weiteren Ausführungsformen ist die Anzahl der Substrate gleich dem doppelten der Anzahl der 3-Pegel-Inverterschaltungen. In Ausführungsformen ist das Substrat ein direct bonded copper (DBC)-Substrat. Das Substrat kann einen keramischen Kern mit Kupferschichten auf jeder Seite des keramischen Kerns aufweisen. Eine der Kupferschichten kann an der Grundplatte befestigt sein. Die andere Kupferschicht auf der Oberfläche entgegengesetzt zu der, die auf der Grundplatte befestigt ist, kann in getrennte Spuren unterteilt sein, um die Schaltung aufzuweisen, die für die Komponenten erforderlich ist, die auf der Oberfläche montiert sind. Solche Komponenten, die auch als elektrische Schaltungselemente bekannt sind, können Leistungshalbleiter, die zum Schalten verwendet werden, und Nebenkomponenten, wie Widerstände, Kondensatoren, Steuerelektroniken und Leiter zum Verbinden dieser einzelnen Komponenten und der Spuren umfassen. Es können jedoch andere Substrate in weiteren Ausführungsformen verwendet werden. In Ausführungsformen ist die Grundplatte eine massive Kupfergrundplatte. Dies verleiht dem 3-Pegel-Multiphasenleistungsmodul Steifigkeit. Jedoch kann in einigen Ausführungsformen die Grundplatte aufweisen oder bestehen aus Aluminium oder einem anderen Metall mit guter thermischer Leitfähigkeit. Alternativ kann eine nicht-metallische Grundplatte verwendet werden, beispielsweise die Grundplatte, die aus keramischen Materialien oder Laminaten aufgebaut ist. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass die elektrischen Schaltungselemente, wie gesteuerte Halbleiter, die in den hier beschriebenen Schaltungen verwendet werden, im Betrieb zum Erzeugen von Wärme neigen. Es ist deswegen wichtig, dass die Grundplatte eine hohe thermische Leitfähigkeit hat, um zu ermöglichen, dass die Wärme von den elektrischen Schaltungselementen abgeführt wird, insbesondere von den gesteuerten Halbleitern. In einigen Ausführungsformen gibt es zwei oder mehr Substrate, wobei jedes Substrat elektrische Schaltungselemente von zwei oder mehr der 3-Pegel-Inverterschaltungen trägt.
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In Ausführungsformen sind elektrische Schaltungselemente von zwei oder mehr der 3-Pegel-Inverterschaltungen auf demselben Substrat angeordnet. Somit können alle die 3-Pegel-Inverterschaltungen auf einem einzelnen Substrat angeordnet sein, das seinerseits an der einzelnen Grundplatte befestigt ist. Die Packung kann in dieser Ausführungsform sehr kompakt sein.
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In Ausführungsformen sind elektrische Schaltungselemente von einem oder mehr der 3-Pegel-Inverterschaltungen über zwei oder mehr Substrate verteilt. In Ausführungsformen bedeutet dies, dass einige gesteuerte Halbleiter der 3-Pegel-Inverterschaltung auf einem Substrat angeordnet sein können, während die verbleibenden elektrischen Schaltungselemente der 3-Pegel-Inverterschaltung auf einem oder zwei weiteren Substraten angeordnet sein können. Dies kann die Qualität des Phasenausgangssignals verbessern. Beispielsweise kann die Induktivität reduziert werden. In Ausführungsformen ist jede der 3-Pegel-Inverterschaltungen jeweils über zwei Substrate verteilt. Somit kann bei diesen Ausführungsformen die Anzahl der Substrate das Zweifache der Anzahl der 3-Pegel-Inverterschaltungen sein.
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In Ausführungsformen sind die 3-Pegel-Inverterschaltungen Seite an Seite mit einer linearen Anordnung angeordnet, wobei das 3-Pegel-Leistungsmodul 3-Phasen-Ausgangsanschlüsse bereitstellt. Dies kann zu einem sehr kompakten 3-Pegel-Leistungsmodul führen. In Ausführungsformen gibt es genau drei 3-Pegel-Inverterschaltungen, wobei jede der drei 3-Pegel-Inverterschaltungen jeweils mit einem entsprechenden Phasenausgangsanschluss des Moduls verbunden ist. 3-Pegel-Inverterschaltungen können von NPC1-Topologie oder NPC2-Topologie sein. Das 3-Pegel-Leistungsmodul kann einen positiven Eingangsspannungsanschluss, einen negativen Eingangsspannungsanschluss und einen Zwischenspannungsanschluss pro 3-Pegel-Inverterschaltung aufweisen. Der Zwischenspannungsanschluss ist geeignet, eine Spannung eines Werts zwischen einer positiven Eingangsspannung und einer negativen Eingangsspannung zu empfangen. In einigen Ausführungsformen kann der Zwischeneingangsspannungsanschluss, der auch als Mittelabgriff oder Nullpunkt bekannt ist, geeignet sein, eine Nullspannung zu empfangen. Die Wechselspannung, die an jedem Phasenausgangsanschluss vorzusehen ist, kann dann erzeugt werden durch gesteuertes Schalten der Steuerhalbleiterelemente, die elektrisch zwischen den entsprechenden Eingangsspannungsanschlüssen und dem Phasenausgangsanschluss geschaltet sind. In Ausführungsformen gibt es zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr 3-Pegel-Inverterschaltungen, wovon jede jeweils mit einem entsprechenden weiteren Phasenausgangsanschluss verbunden ist. Somit kann die Anzahl der Phasenausgangsanschlüsse des Moduls gleich sein der Anzahl von 3-Pegel-Inverterschaltungen, die in dem 3-Pegel-Leistungsmodul vorhanden sind. Deswegen kann in Abhängigkeit von der Anzahl der Phasenausgangsanschlüsse eine entsprechende Anzahl von Phasen an der Ausgangsseite durch das 3-Pegel-Leistungsmodul vorgesehen sein.
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In Ausführungsformen sind die Phasenausgangsanschlüsse auf einer Seite der Grundplatte angeordnet und Gleichstromeingangsanschlüsse sind auf einer gegenüberliegenden Seite der Grundplatte angeordnet. Jeder Gleichstromeingangsanschluss kann mit genau einer der 3-Pegel-Inverterschaltugnen verbunden sein. Das 3-Pegel-Leistungsmodul kann drei Gleichstromeingangsanschlüsse pro 3-Pegel-Inverterschaltungen vorsehen. Somit kann die Anzahl von Gleichstromeingangsanschlüssen das Dreifache der Anzahl der Phasenausgangsanschlüsse sein. Die Grundplatte kann eine rechteckige Grundplatte sein. Die Phasenausgangsanschlüsse können an einer langen Seite der Grundplatte angeordnet sein und die Gleichstromeingangsanschlüsse jeder der 3-Pegel-Inverterschaltungen können auf der gegenüberliegenden langen Seite der Grundplatte angeordnet sein. In Ausführungsformen können jedoch die Phasenausgangsanschlüsse auf einer kurzen Seite der Grundplatte angeordnet sein und die Gleichstromeingangsanschlüsse sind auf der gegenüberliegenden kurzen Seite der Grundplatte angeordnet. In jeder Weise bedeutet das angeordnet sein auf einer Seite der Grundplatte, das angeordnet sein nahe derselben Kante der Grundplatte. Im Allgemeinen erstrecken sich die Phasenausgangsanschlüsse und die Gleichstromeingangsanschlüsse in dieselbe Richtung weg von der Grundplatte, in Ausführungsformen senkrecht weg von der Grundplatte.
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In Ausführungsformen sind die Phasenausgangsanschlüsse und die Gleichstromeingangsanschlüsse jeweils in einer linearen Anordnung und/oder in einer gruppierten Konfiguration angeordnet. Somit werden in Ausführungsformen die Phasenausgangsanschlüsse, wobei jeder der Phasenausgangsanschlüsse mit einer entsprechenden der 3-Pegel-Inverterschaltungen verbunden ist, in einer linearen Anordnung und/oder in einer gruppierten Konfiguration angeordnet. In Ausführungsformen sind die Gleichstromeingangsanschlüsse, wobei jeder der Gleichstromeingangsanschlüsse mit einer entsprechenden der 3-Pegel-Inverterschaltungen verbunden ist, in einer linearen Anordnung und/oder in einer gruppierten Konfiguration angeordnet. In Ausführungsformen sind die Gleichstromeingangsanschlüsse des 3-Pegel-Leistungsmoduls in der linearen Anordnung angeordnet und bilden somit eine einzelne Reihe von Anschlüssen. Das Aufreihen von jeder Art der Verbinder kann eine kompakte Anschlussgestaltung ermöglichen. Gruppieren der Anschlüsse kann eine einfache Identifikation der Anschlüsse derselben 3-Pegel-Inverterschaltung erlauben. Gruppierung kann bedeuten, dass die Gleichstromanschlüsse, die mit einer der 3-Pegel-Inverterschaltungen verbunden sind, einen kleineren Abstand zueinander haben als die Gleichstromeingangsanschlüsse derselben 3-Pegel-Inverterschaltung von einem Gleichstromeingangsanschluss einer weiteren 3-Pegel-Inverterschaltung haben. Der Phasenausgangsanschluss der mit der 3-Pegel-Inverterschaltung verbunden ist, kann auf der gegenüberliegenden Seite der Grundplatte angeordnet sein verglichen mit den Gleichstromeingangsanschlüssen derselben 3-Pegel-Inverterschaltung.
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In Ausführungsformen weisen ein oder mehrere der 3-Pegel-Inverterschaltungen einen oberen Brückenzweig auf, der zwischen einem positiven Eingangsanschluss und einem Mittelabgriff angeordnet ist, und einen unteren Brückenzweig, der zwischen dem negativen Eingangsanschluss und dem Mittelabgriff angeordnet ist, wobei der obere Brückenzweig zwei oder mehr gesteuerte obere Halbleiterelemente und der untere Brückenzweig zwei oder mehr gesteuerte untere Halbleiterelemente aufweist. Dies kann durch Verwendung von NPC1-Topologie oder NPC2-Topologie in Ausführungsformen realisiert werden.
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In Ausführungsformen weist der obere Brückenzweig zwei oder mehr Gruppen von gesteuerten oberen Halbleiterelementen auf, die parallel zueinander geschaltet sind, und der untere Brückenzweig weist zwei oder mehr Gruppen von gesteuerten unteren Halbleiterelementen auf, die parallel zueinander geschaltet sind.
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Nach einigen Ausführungsformen sind mindestens zwei Gruppen eines jeden Brückenzweigs über zwei oder mehr Substrate verteilt. Wie zuvor diskutiert, kann dies positive Effekte auf die elektrischen Eigenschaften des 3-Pegel-Leistungsmoduls haben, genauer gesagt auf die Qualität des Phasenausgangs.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, worin:
- 1a bis 1c eine erste Topographie einer 3-Pegel-Inverterschaltung zeigen, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird;
- 2a bis 2c eine zweite Topographie einer 3-Pegel-Inverterschaltung zeigen, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird;
- 3 eine erste Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht zeigt;
- 4 Details der ersten Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht zeigt;
- 5 eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht zeigt;
- 6 eine dritte Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht zeigt;
- 7 eine Unteransicht der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 8 drei 3-Pegel-Leistungsmodul zeigt, die einen 3-Phasenausgang nach dem Stand der Technik bilden;
- 9 eine perspektivische Ansicht der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt und;
- 10 einen Querschnitt durch die in 9 dargestellte Ausführungsform zeigt.
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In der folgenden detaillierten Beschreibung sind Bezugszeichen hinzugefügt, um die Lesbarkeit zu verbessern. Sie sind keineswegs beschränkend gemeint. Ferner ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist. Zusätzlich ist jede Kombination von Merkmalen, die oben oder im Folgenden beschrieben worden sind, möglich und können von Bedeutung sein für die vorliegende Erfindung, solange die kombinierten Merkmale nicht im Konflikt miteinander stehen.
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1 zeigt schematisch eine erste Topologie, somit eine Schaltungsanordnung einer 3-Pegel-Inverterschaltung 1, die in einer Ausführungsform eines 3-Pegel-Leistungsmoduls nach der Erfindung verwendet wird. Diese Schaltungsanordnung, die in 1a bis 1c dargestellt ist, ist als NPC1-Topologie bekannt. Andere Bezeichnungen sind „I-Type“ oder „NPC“. Die Schaltungsanordnung weist einen oberen Brückenzweig 2 auf, der zwischen einem positiven Eingangsanschluss + und einem Mittenabgriff 0 angeordnet ist, und einen unteren Brückenzweig 3, der zwischen einem negativen Eingangsanschluss - und dem Mittelabgriff 0 angeordnet ist.
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Wie in 1 gezeigt, hat der obere Brückenzweig 2 ein erstes gesteuertes oberes Halbleiterelement T1 und ein zweites gesteuertes oberes Halbleiterelement T2. Der untere Brückenzweig 3 hat ein erstes gesteuertes unteres Halbleiterelement T4 und ein zweites gesteuertes Halbleiterelement T3. Die gesteuerten Halbleiterelemente T1 bis T4 können als Transistoren, als IGBTs, als MOSFETs oder dergleichen ausgebildet sein. Die gesteuerten Halbleiterelemente T1 bis T4 sollten in der Lage sein, Ströme zu handhaben, die eine Größenordnung von 100 A oder mehr haben.
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Nach der ersten Topologie ist eine Diode D1 antiparallel zu dem ersten gesteuerten oberen Halbleiterelement T1 angeordnet und eine Diode D2 ist antiparallel zu dem zweiten gesteuerten oberen Halbleiterelement D2 angeordnet. Eine Diode D5 ist zwischen dem Mittelabgriff 0 und einem Punkt 4 zwischen den zwei oberen gesteuerten Halbleiterelementen T1, T2 angeordnet, wobei die Durchlassrichtung dieser Diode von dem Mittelabgriff 0 weg zeigt. In dem unteren Brückenzweig 5 sind ein erstes gesteuertes unteres Halbleiterelement T4 und ein zweites gesteuertes unteres Halbleiterelement T3 zwischen dem Wechselstromausgang AC und dem negativen Eingangsanschluss - angeordnet. Eine Diode T4 ist antiparallel zu dem ersten unteren gesteuerten Halbleiterelement T4 geschaltet. Eine Diode D3 ist antiparallel zu einem zweiten gesteuerten Halbleiterelement T3 geschaltet. Eine Diode D6 ist zwischen einem Punkt 5 zwischen den beiden gesteuerten unteren Halbleiterelementen T3, T4 und dem Mittelabgriff 0 angeordnet, wobei die Durchlassrichtung dieser Diode D6 in Richtung auf den Mittelabgriff 0 gerichtet ist.
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Die gesteuerten Halbleiterelemente T1 bis T4, die in der ersten Topologie gezeigt sind, werden als elektronische Schalter betrieben. Es sind Vorkehrungen getroffen, um den oberen Brückenzweig 2 und den unteren Brückenzweig 3 voneinander zu trennen und auch, um die jeweiligen Halbleiterelemente der beiden Brückenzweige 2, 3 physikalisch getrennt anzuordnen, wie es weiter unten beschrieben werden wird. Diese Aufteilung ist in 1b und 1c dargestellt. 1b zeigt den unteren Brückenzweig 3, während 1c den oberen Brückenzweig 2 zeigt. Der obere Brückenzweig 2 und der untere Brückenzweig 3 teilen sich den Mittelabgriff 0 und den Wechselstromausgang AC, auch als Phasenausgang bekannt. Mit anderen Worten wird es deutlich, dass der obere Brückenzweig 2 zwei oder mehr Gruppen von gesteuerten oberen Halbleiterelementen, die parallel zueinander geschaltet sind, aufweist und der untere Brückenzweig 3 zwei oder mehr Gruppen von gesteuerten unteren Halbleiterelementen, die parallel zueinander geschaltet sind, aufweist. Mindestens zwei Gruppen eines jeden Brückenzweigs können über zwei oder mehr Substrate verteilt sein, wie es im Hinblick auf Ausführungsformen der Erfindung, die später beschrieben werden, deutlicher wird.
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2 zeigt eine andere Topologie, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann, die als „NPC2“-Topologie bezeichnet wird. Andere Bezeichnungen für diese Topologie, oder Schaltungsanordnung, sind T-Typ, MPC, „gemischte Spannung NPC“ oder „bi-direktionale Schalter NPC“. Diese Topologie weist einen oberen Brückenzweig 2 auf, in dem ein erstes oberes gesteuertes Halbleiterelement T1 und ein zweites gesteuertes Halbleiterelement T2 in Reihe zwischen einem positiven Eingangsanschluss + und einem Wechselstromausgang AC geschaltet sind. In dem oberen Brückenzweig 2 ist eine Diode D1 antiparallel zu dem ersten gesteuerten oberen Halbleiterelement T1 angeordnet. Eine Diode D2 ist in Reihe mit den zweiten gesteuerten unteren Halbleiterelement T2 angeordnet. In ähnlicher Weise ist in dem unteren Brückenzweig 3 eine Diode D4 antiparallel zu einem ersten gesteuerten unteren Halbleiterelement T4 angeordnet und eine Diode D3 ist in Reihe mit dem zweiten unteren gesteuerten Halbleiterelement T3 angeordnet. Nach dieser zweiten Topologie kann eine Aufteilung in den unteren Brückenzweig (2b) und in den oberen Brückenzweig (2c) durchgeführt werden und die beiden Brückenzweige können ebenfalls physikalisch getrennt voneinander sein, wie in der ersten in 1 dargestellten Topologie.
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3 zeigt nun eine erste Ausführungsform eines 3-Pegel-Multiphasenleistungsmoduls 6 nach der Erfindung, in der alle Komponenten der Schaltung, somit die elektrischen Schaltungselemente des 3-Pegel-3-Phasen-Leistungsmoduls auf einem einzelnen Substrat 7 angeordnet sind. Das 3-Pegel-Leistungsmodul 6 weist eine Grundplatte 8 sowie eine 3-Pegel-Inverterschaltung 1a auf, wobei die 3-Pegel-Inverterschaltung auf der Grundplatte angeordnet ist und mit einem Phasenausgangsanschluss 9a des Moduls 6 verbunden ist. Das 3-Pegel-Leistungsmodul 6 weist weiterhin zwei 3-Pegel-Inverterschaltungen 1b und 1c auf, von denen jede auf derselben Grundplatte angeordnet ist und jede mit einem entsprechenden weiteren Phasenausgangsanschluss 9b bzw. 9c verbunden ist. Der Phasenausgangsanschluss 9a wie auch die weiteren Phasenausgangsanschlüsse 9b, 9c können direkt auf der Grundplatte 8 und/oder dem Substrat 7 montiert sein. Die drei 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c können vom NPC1-Typ, wie in 1 gezeigt, oder vom NPC2-Typ, wie in 2 gezeigt, sein. Entsprechend ist jede der 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c verbunden mit einem positiven Gleichstrom-Eingangsanschluss 10a bis 10c, einem Mittelabgriff 11a bis 11c beziehungsweise einem negativen Gleichstrom-Eingangsanschluss 12a bis 12c des Moduls 6. Somit weist das 3-Pegel-Leistungsmodul 6 jeweils drei Gleichstromeingangsanschlüsse 10a bis 12c pro 3-Pegel-Inverterschaltung 1a bis 1e auf. Dementsprechend weist das 3-Pegel-Leistungsmodul 6 neun Gleichstromeingangsanschlüsse 10a bis 12c und drei-Phasen-Ausgangsanschlüsse 9a bis 9c insgesamt auf. Die elektrischen Schaltungselemente der Schaltungen 1a bis 1c, die jeweils die Gleichstromeingangsanschlüsse 10a bis 12c mit den Phasenausgangsanschlüssen 9a bis 9c verbinden, sind in dieser Zeichnung aus Gründen der Vereinfachung weg gelassen.
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Wie in 3 gezeigt, trägt das einzelne Substrat 7 die elektrischen Schaltungselemente von einer der drei 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c. Dementsprechend sind die elektrischen Schaltungselemente aller drei 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c auf demselben Substrat 7 angeordnet.
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Somit ist das Substrat 7 zwischen den drei 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c angeordnet, wobei die drei 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c auf derselben Grundplatte 8 montiert sind. Wie gezeigt, sind die 3-Pegel-Inverterschaltungen nebeneinander in einer linearen Anordnung angeordnet. In ähnlicher Weise sind die Phasenausgangsanschlüsse 9a bis 9c einer jeden der 3-Pegel-Inverterschaltung 1a bis 1c in einer linearen Anordnung angeordnet. Darüber hinaus sind die Gleichstromeingangsanschlüsse einer jeden der 3-Pegel-Inverterschaltung 1a bis 1c in einer linearen Anordnung angeordnet. Ebenso sind die Gleichstromeingangsanschlüsse einer jeden der 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c in einer linearen Anordnung angeordnet. Darüber hinaus sind die Gleichstromeingangsanschlüsse 10a bis 12c in einer gruppierten Konfiguration angeordnet. Wie gezeigt, sind die Phasenausgangsschlüsse 9a bis 9c auf einer Seite der Grundplatte angeordnet und die Gleichstromeingangsanschlüsse 10a bis 12c sind auf einer gegenüberliegenden Seite der Grundplatte 8 angeordnet. Insbesondere sind, da die Grundplatte eine rechteckige Grundplatte aus massivem Kupfer ist, die Phasenausgangsanschlüsse 9a bis 9c entlang einer Kante der Grundplatte 8 angeordnet gegenüberliegend der Kante, entlang der die Gleichstromeingangsanschlüsse 10a bis 12c angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist das Substrat 7 ein direct bonded cooper (DBC)-Substrat, das einen keramischen Kern mit Kupferschichten auf jeder Seite des keramischen Kerns aufweist. Die Kupferschicht auf einer Seite der Keramik ist an der Grundplatte 8 des Moduls 6 befestigt und die Kupferschicht auf der Oberfläche gegenüberliegend zu der, die der Grundplatte 8 gegenübersteht, kann in verschiedene Spuren geteilt werden, um die Schaltung zu umfassen, die für die elektrischen Schaltungselemente, die auf dieser Oberfläche montiert sind, erforderlich ist. Montagelöcher 13 sind entlang der Kanten der Grundplatte 8 angeordnet. Es gibt acht Montagelöcher 13 in der vorliegenden Ausführungsform, vier auf jeder langen Seite der Grundplatte 8. Zwischen jeweils zwei benachbarten Montagelöchern 13 entlang einer Kante ist einer der Phasenausgangsanschlüsse 9a bis 9c angeordnet. Entlang der gegenüberliegenden Kante, zwischen zwei benachbarten der Montagelöcher 13, sind die drei Gleichstromeingangsanschlüsse, die zu einer entsprechenden 3-Pegel-Inverterschaltung 1a bis 1c führen, in einer gruppierten Weise angeordnet. Somit sind die drei jeweiligen Gleichstromeingangsanschlüsse 10a bis 12c einer jeden 3-Pegel-Inverterschaltung 1a bis 1c in einer gruppierten Weise zwischen zwei benachbarten Montagelöchern 13 angeordnet.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht des fertigen Leistungsmoduls 6 nach der in 3 schematisch dargestellten Ausführungsform. Das Leistungsmodul 6 weist einen Rahmen 14 auf, der Ausnehmungen für die Montagelöcher 13 aufweist. Daher umgibt der Rahmen 14 teilweise jedes Montageloch 13 radial. Der Rahmen 14 ist aus einem Kunststoffmaterial gebildet. Die Phasenausgangsanschlüsse 9a bis 9c und die Gleichstromeingangsanschlüsse 10a bis 12c sind in dem Rahmen 14 eingekapselt. Der Deckel 15 deckt die drei 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c ab. Anschlüsse 16a bis 16c zum Steuern und Überwachen erstrecken sich von jeder 3-Pegel-Inverterschaltugen 1a bis 1c durch den Deckel 15. Die Montagelöcher 13 können verwendet werden, um zu ermöglichen, dass die Grundplatte 8 an anderer Ausrüstung fixiert wird. Eine derartige andere Ausrüstung kann ein Kühlsystem (nicht gezeigt) aufweisen, das den Boden der Grundplatte 8 (in 4 nicht zu sehen) durch Zirkulation beispielsweise eines Kühlfluids, beispielsweise Luft oder Wasser, kühlt.
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5 zeigt eine Variation der in 3 und 4 gezeigten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform sind die einzelnen Phasenabschnitte, somit die 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c, des Moduls 6 auf getrennten Substraten 7a bis 7c aufgebaut. Dementsprechend trägt jedes Substrat 7a bis 7c elektrische Schaltungselemente jeweils von einer der 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c. Insbesondere ist jede der drei 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c jeweils auf einem getrennten Substrat 7a bis 7c montiert. Jedes der Substrate 7a bis 7c ist auf derselben Grundplatte 8 montiert. Wiederum können die Substrate 7a bis 7c aus DBC-Strukturen gebildet sein. Es ist manchmal ein Vorteil, mehrere Substrate 7a bis 7c zu verwenden, anstelle eines einzelnen Substrats 7, wie in der Ausführungsform der 3 und 4, weil temperaturinduzierte Spannungen in kleineren Substraten 7a bis 7c eher abgeführt werden. In der gegebenen Ausführungsform kann die komplette Schaltung 1, die in 1a oder 2a gezeigt ist, auf jedem der drei Substrate 7a bis 7c aufgebaut sein. Einzelheiten in Bezug auf die Montagelöcher 13 und die Anordnung der Phasenausgangsanschlüsse 9a bis 9c und der Gleichstromeingangsanschlüsse 12a bis 12c sind die gleichen, wie in der in 3 und 4 gezeigten ersten Ausführungsform.
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6 zeigt eine weitere Variation der in 3 und 4 dargestellten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform ist jeder der einzelnen Phasenabschnitte, somit die 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c, auf zwei getrennten Substraten 7a bis 7f gebildet. Somit werden insgesamt sechs Substrate für dieses 3-Phasen-Invertermodul verwendet. Jedes der Substrate 7a bis 7f in dieser Ausführungsform weist entweder eine Teilschaltung 2, 3 nach 1b oder 1c (für den Fall einer NPC1-Topologie) oder Teilschaltung, wie in 2b oder 2c gezeigt (für den Fall der NPC2-Topologie) auf. Deswegen kann beispielsweise die 3-Pegel-Inverterschaltung 1a den oberen Brückenzweig 2 auf Substrate 7a und den unteren Brückenzweig 3 auf Substrat 7b aufweisen. Die beiden weiteren 3-Pegel-Inverterschaltungen 1b, 1c können entsprechend gestaltet sein.
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7 zeigt einen Bereich auf der Rückseite der Grundplatte 8. Somit sind in dieser Ausführungsform die drei 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c aufgrund der Blickrichtung durch die Grundplatte 8 abgedeckt. Die schraffierte Fläche benötigt im Gebrauch Kühlung. Ein bekanntes Verfahren zum Kühlen ist es, ein zirkulierendes Kühlmittel an die Rückseite der Grundplatte 8 anzulegen. Ein derartiges Kühlmittel können Fluide sein, beispielsweise Wasser, was zusätzliche Probleme verursachen kann, wenn sie nicht innerhalb des Kühlsystems zurück gehalten werden. Solche Probleme können unerwünschtes Kurzschließen umfassen, wenn elektrisch leitendes Kühlmittel in ungeeigneten Teilen des Moduls vorhanden ist, oder langfristige Korrosionseffekte. Aus diesem Grund wird oft eine Dichtung 17 verwendet, um den Bereich des Kühlmittelkontakts mit der Grundplatte 8 zu begrenzen. Dies ist durch die dicke Linie um den schraffierten Bereich in 7 dargestellt. Eine derartige Dichtung 17 kann eine O-Ringstruktur sein, die einen Gummi oder irgendein anderes elastisches Material aufweist, das eine gute Dichtung mit einer flachen Grundplatte 8 aufweist.
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8 zeigt Leistungsmodule 18a bis 18c nach dem Stand der Technik. Drei getrennte Leistungsmodule 18a bis 18c werden verwendet, um 3-Pegel-3-Phasen-Inverter zu bilden. Beispielsweise kann jedes der drei Leistungsmodule 18a bis 18c nach dem Stand der Technik eine einzelne 3-Pegel-Inverterschaltung 1 aufweisen. Somit weist jedes der 3-Pegel-Leistungsmodule 18a bis 18c nach dem Stand der Technik einen Phasenausgangsanschluss (in 8 nicht gezeigt) auf. Wie in dieser Darstellung gezeigt, ist die Gesamtfläche, die verwendet wird, um den Inverter zu montieren, wesentlich größer als die Lösung mit der einzelnen Grundplatte nach der vorliegenden Erfindung, wie im Vergleich von 8 mit 7 zu sehen ist. Hier ebenfalls dargestellt ist die Tatsache, dass die drei getrennten Module 18a bis 18c nach dem Stand der Technik drei getrennte Kühlbereiche und drei getrennte periphere Dichtungen 17a bis 17c benötigen. Die Gesamtlänge der peripheren Dichtungen 17a bis 17c, beispielsweise eine O-Ringstruktur, ist wesentlich größer als die in 7 benötigte.
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9 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 6, in der die Substrate 7a bis 7f der in 6 gezeigten Ausführungsform zu sehen sind. Die durchbrochenen Linien zeigen die Ausdehnung eines jeden der sechs Substrate 7a bis 7f. Somit sind mindestens zwei Gruppen eines jeden Brückenzweiges 2, 3 über zwei Substrate 7a bis 7f verteilt. Somit kann beispielsweise der obere Brückenzweig 2, wie in Fig. 1c oder 2c dargestellt, auf Substrat 7a angeordnet sein, während der untere Brückenzweig 3, der in Fig. 1b oder 2b gezeigt ist, auf Substrat 7b angeordnet sein kann, wobei die beiden Brückenzweige 2, 3 zusammen die 3-Pegel-Inverterschaltung 1a bilden. Wie aus 9 klar wird, sind alle drei 3-Pegel-Inverterschaltungen 1a bis 1c nebeneinander in einer linearen Anordnung angeordnet. Drei Phasen-Ausgangsanschlüsse 9a bis 9c werden durch das 3-Pegel-Leistungsmodul 6 bereitgestellt, wobei jede mit einer entsprechenden der Inverterschaltungen 1a bis 1c verbunden ist.
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10 ist schließlich ein Querschnitt durch das erfindungsgemäße Modul 6, das in 9 gezeigt ist. Der Querschnitt ist in der Ebene X-X in 9 dargestellt. 10 zeigt, wie das Modul 6 aufgebaut ist. Zusätzlich zu der Grundplatte 8 und dem DBC-Substrat 7, das an der Grundplatte 8 befestigt ist, sind der Phasenausgangsanschluss 9c und die Gleichstromeingangsanschlüsse 11c, 12c gezeigt. Anschlüsse 16a bis 16c zum Steuern und/oder Überwachen sind gezeigt, die sich von der oberen Oberfläche des DBC-Substrats 7e zu der Außenseite des Moduls erstrecken. Die Oberseite des Moduls 6 ist mit dem Deckel 15 geschlossen.
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Wie oben beschrieben wird das 3-Pegel-Leistungsmodul 6, das die Grundplatte 8, die 3-Pegel-Inverterschaltung 1a, wobei die 3-Pegel-Inverterschaltung 1a auf der Grundplatte 8 angeordnet ist, und einen Phasenausgangsanschluss 9 aufweist, sehr kompakt, wenn das 3-Pegel-Leistungsmodul 6 weiterhin eine oder mehrere 3-Pegel-Inverterschaltungen 1b, 1c aufweist, von denen jede auf der Grundplatte 8 angeordnet und mit einem entsprechenden weiteren Phasenausgangsanschluss 9b, 9c des Moduls 6 verbunden ist.
