DE102017119368A1

DE102017119368A1 - Multiface-Leistungsmodul

Info

Publication number: DE102017119368A1
Application number: DE102017119368.5A
Authority: DE
Inventors: Jose Saiz; Selim Dagdag
Original assignee: Alstom Transport Technologies SAS
Current assignee: Alstom Transport Technologies SAS
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2018-03-15
Also published as: FR3056018A1; FR3056018B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (10), das aufweist: einen Körper (12), der einen Wärmeträgerfluidkreis (22) aufweist und einen Mantel (18), der den Kreis umschließt; und Halbleitervorrichtungen (50) vom Typ Transistor, die am Mantel des Körpers befestigt und im thermischen Kontakt mit dem Wärmeträgerkreis sind.
Der Mantel des Körpers weist eine Vielzahl von Wänden (24) auf, die etwa eben und parallel zu einer selben Hauptachse (20) angeordnet sind, wobei die Halbleitervorrichtungen an Außenseiten (30) der Wände befestigt sind, wobei Innenseiten (28) der Wände einen zentralen Hohlraum (26) des Körpers definieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul, insbesondere für die Versorgung einer Zugkette eines Schienenfahrzeugs. Genauer betrifft die Erfindung ein Leistungsmodul des Typs, der aufweist: einen Körper, der einen Wärmeträgerkreis aufweist und einen Mantel, der den Kreis umschließt; und Halbleitervorrichtungen vom Typ Transistor, die am Mantel des Körpers befestigt und im thermischen Kontakt mit dem Wärmeträgerkreis sind.
Die Erfindung wird vor allem bei Leistungsmodulen angewendet, die Transistoren vom Typ IGBT (aus dem Englischen „Insulated Gate Bipolar Transistor“) umfassen, die auch als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode bezeichnet werden.
Ein Transistor vom Typ IGBT umfasst drei Klemmen bzw. elektrische Kontakte, nämlich einen Gate, einen Kollektor und einen Emitter. Ein derartiger Transistor ist vor allem als elektrischer Schalter verwendbar. Er definiert nämlich einen Durchlassbetrieb und einen Sperrbetrieb, in welchen der Kollektor jeweils mit dem Emitter elektrisch gekoppelt oder von diesem elektrisch isoliert ist. Die Umschaltung zwischen den zwei Betriebszuständen wird von einer Sollspannung gesteuert, die mittels geeigneter Steuermittel angelegt wird.
Das Dokument US2011/0181105 beschreibt insbesondere ein Leistungsmodul des vorgenannten Typs, umfassend zwei Vorrichtungen vom Typ IGBT, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Kühlkreises angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Leistungsmodul vorzuschlagen, das in Bezug auf eine derartige Konfiguration einen reduzierten Platzbedarf aufweist.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Leistungsmodul des vorgenannten Typs zum Gegenstand, bei dem der Mantel des Körpers eine Vielzahl von Wänden aufweist, die etwa eben und parallel zu einer selben Hauptachse angeordnet sind, wobei die Halbleitervorrichtungen an Außenseiten der Wände befestigt sind, wobei Innenseiten der Wände einen zentralen Hohlraum des Körpers definieren.
Gemäß anderen vorteilhaften Aspekten der Erfindung umfasst das Leistungsmodul ein oder mehrere der folgenden Merkmale, die allein oder gemäß allen technisch möglichen Kombinationen herangezogen werden:

– der Mantel des Körpers weist mindestens vier Wände auf,
– der Mantel des Körpers weist vier Wände auf, wobei der zentrale Hohlraum des Körpers senkrecht zur Hauptachse einen etwa rechteckigen Querschnitt hat,
– das Leistungsmodul umfasst ferner eine Filterkapazität, die in dem zentralen Hohlraum des Körpers untergebracht und im thermischen Kontakt mit dem Wärmeträgerfluidkreis ist,
– das Wärmeträgerfluid des Fluidkreises ist ein Wasser-Glycol-Gemisch,
– die Halbleitervorrichtungen vom Typ Transistor sind Bipolartransistoren mit isoliertem Gate.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Zugkasten, der ein wie oben beschriebenes Leistungsmodul umfasst.
Die Erfindung wird bei der Lektüre der nun folgenden Beschreibung besser verstanden werden, die lediglich als nicht beschränkendes Beispiel gegeben wird und sich auf die Zeichnungen bezieht, von denen:
die 1 eine schematische Schnittansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist,
die 2 eine schematische Seitenansicht eines ersten Elements des Leistungsmoduls der 1 ist, und
die 3 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Elements des Leistungsmoduls der 1 ist.
Die 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Leistungsmoduls 10, insbesondere vom Typ Wechselrichter, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Leistungsmodul 10 ist beispielsweise in einem Zugkasten für die Versorgung einer Zugkette installiert (nicht dargestellt).
Das Leistungsmodul 10 weist einen Körper 12 und Umwandlungseinheiten 14 auf, die am Körper befestigt sind. Das Leistungsmodul 10 weist ferner eine Filterkapazität 16 auf, die mit den Umwandlungseinheiten 14 elektrisch verbunden ist.
In der folgenden Beschreibung wird von einer orthonormierten Basis (X, Y, Z) ausgegangen, wobei die Z-Achse die Vertikale darstellt.
Die 2 ist eine schematische Seitenansicht des Körpers 12. Der Körper 12 weist auf: einen Mantel 18, der gemäß einer Hauptachse 20, die parallel zu X ist, angeordnet ist, und einen Wärmeträgerfluidkreis 22, der in dem Mantel 18 angeordnet ist.
Der Mantel 18 weist eine Vielzahl etwa ebener Wände 24 auf, die parallel zur Hauptachse 20 angeordnet sind. Im Beispiel der 1 und 2 weist der Mantel 18 vier Wände 24 auf, von denen zwei Wände gemäß Ebenen (X, Z) und zwei Wände gemäß Ebenen (X, Y) angeordnet sind. Die Wände 24 sind paarweise benachbart und definieren einen zentralen Hohlraum 26.
Jede Wand 24 weist eine Innenseite 28 und eine Außenseite 30 auf. Die Innenseiten 28 der Wände 24 zeigen zum zentralen Hohlraum 26.
Der Wärmeträgerfluidkreis 22 ist in der Stärke der Wände 24 angeordnet, das heißt, zwischen den Außenseiten 30 und den Innenseiten 28 der Wände. Der Kreis 22 weist Kanäle 32, 34 auf, die parallel zu X angeordnet und in den vier Wänden 24 verteilt sind.
Im Beispiel der 1 und 2 weist der Kreis 22 eine Einlassleitung 36 und eine Auslassleitung 38 auf, die beide an einem ersten Ende des Mantels 18 gemäß X angeordnet sind. Der Kreis 22 weist ferner eine erste Gruppe von Kanälen 32 und eine zweite Gruppe von Kanälen 34 auf. In der ersten und zweiten Gruppe zirkuliert das Fluid jeweils vom ersten Ende des Mantels 18 zu einem zweiten gegenüberliegenden Ende und von zweiten zum ersten Ende.
Im Beispiel der 1 und 2 befinden sich die erste Gruppe von Kanälen 32 und die zweite Gruppe von Kanälen 34 auf der einen und der anderen Seite einer Ebene 40 parallel zu (X, Y) und bildet etwa eine Symmetrieebene des Körpers 12.
Genauer, wie auf der 2 zu sehen, ist die Einlassleitung 36 mit einer Verteilerleitung 42 verbunden, die selbst mit den Kanälen 32 der ersten Gruppe verbunden ist. Im Bereich des zweiten Endes des Mantels 18 sind die Kanäle 32 mit einem Kollektor 44 verbunden, der selbst mit den Kanälen 34 der zweiten Gruppe verbunden ist. Im Bereich des ersten Endes des Mantels 18 sind die Kanäle 34 mit einem Kollektor 46 verbunden, der in die Auslassleitung 38 ausmündet.
Der Kreis 22 erlaubt einen thermischen Kontakt zwischen dem Wärmeträgerfluid, das ihn durchquert, und den Innenseiten 28 und Außenseiten 30 des Mantels 18. Vorzugsweise wird das Wärmeträgerfluid in flüssigem Zustand verwendet, es handelt sich in bevorzugter Weise um ein Wasser-Glycol-Gemisch.
In einer Variante ist das verwendete Wärmeträgerfluid ein Wasser-Öl-Gemisch oder ein Ölgemisch.
Ein Fließen des Wasser-Glycol-Gemischs in dem Kreis 22 zwischen dem Einlass 36 und dem Auslass 38 erlaubt insbesondere, die vier Wände 24 sowie die elektrischen Vorrichtungen im Kontakt mit den Wänden zu kühlen, wie nachfolgend beschrieben:
Die Umwandlungseinheiten 14 des Moduls 10 sind an den Außenseiten 30 der Wände 24 des Mantels 18 befestigt. Damit ist der Wärmeträgerfluidkreis 22 imstande, die Umwandlungseinheiten 14 zu kühlen.
Im Beispiel der 1 und 2 ist die Außenseite 30 jeder Wand 24 an einer Umwandlungseinheit 14 befestigt, wobei die Einheiten identisch sind. Eine derartige Umwandlungseinheit 14 ist einzeln auf der 3 dargestellt.
Die Umwandlungseinheit 14 weist eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen 50 vom Typ Transistor auf, die mittels einer Anschlussvorrichtung 52 verbunden sind. Vorzugsweise sind die Halbleitervorrichtungen 50 Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT). Im Beispiel der 1 und 3 weist die Umwandlungseinheit 14 zwei IGBT 50 auf.
Die IGBT 50 haben etwa eine Plattenform, von denen eine erste Seite im Kontakt mit der Außenseite 30 einer Wand 24 ist und von denen eine zweite gegenüberliegende Seite an der Anschlussvorrichtung 52 befestigt ist.
Die Anschlussvorrichtung 52 weist ein Schienenset 54 oder Busschiene auf, das die zwei IGBT 50 elektrisch verbindet. Die Busschiene 54 hat die Form einer etwa rechteckigen Platte, wobei die zwei IGBT 50 an einer selben ersten Seite der Platte befestigt sind.
Die Busschiene 54 weist zwei Aussparungen 55 auf, die sich gegenüber den IGBT befinden, so dass die Verbindung jedes IGBT 50 mit einem Steuermodul 56, das in der Nähe einer zweiten Seite der Platte gegenüber der ersten Seite angeordnet ist, möglich ist.
Jede Ecke des von der Busschiene 54 gebildeten Rechtecks umfasst eine Klemme 57, 58. Genauer umfasst die Busschiene 54 zwei positive Klemmen 57 und zwei negative Klemmen 58 jeweils entlang einer ersten und einer zweiten Diagonalen des Rechtecks.
Die Anschlussvorrichtung 52 weist ferner eine Phasenschiene 60 auf, die auf der zweiten Seite der Busschiene befestigt und mit den zwei IGBT 50 verbunden ist. Die Phasenschiene 60 erlaubt, die IGBT 50 mit anderen elektrischen Bauteilen wie ein Motor, eine Batterie oder Superkondensatoren zu verbinden.
Die Phasenschiene 60 ist beispielsweise einsteckbar, um die Montage des Leistungsmoduls 10 in einem Zugkasten zu erlauben.
Wie teilweise auf der 1 zu sehen ist, sind die Klemmen 57, 58 der Busschiene 54 der Umwandlungseinheit 14 an jeder Wand 24 mit den Klemmen 57, 58 desselben Vorzeichens der Busschiene 54 der Umwandlungseinheit 14 verbunden, die an jeder anderen Wand 24 befestigt ist.
Die Filterkapazität 16 ist im zentralen Hohlraum 26 des Körpers 12 im thermischen Kontakt mit den Innenseiten 28 der Wände 24 angeordnet. Damit ist der Wärmeträgerfluidkreis 22 imstande, die Filterkapazität 16 zu kühlen.
Die Filterkapazität 16 weist eine positive Klemme und eine negative Klemme auf (die nicht dargestellt sind), die jeweils mit den positiven Klemmen 57 und mit den negativen Klemmen 58 der Busschienen 54 verbunden sind. Die Klemmen der Filterkapazität 16 sind ebenfalls mit der elektrischen Versorgung der Zugkette verbunden.
Die Konfiguration des Moduls 10 erlaubt, von einem reduzierten Volumen für die Funktionen Leistungskonverter und Filterkapazität zu profitieren. Im Übrigen erlaubt sie, sowohl die Umwandlungseinheiten 14 und die Filterkapazität 16 mit derselben Kühlung zu kühlen, die von der Zirkulation eines Wasser-Glycol-Gemischs im Kreis 22 gebildet ist.
Darüber hinaus erlaubt eine derartige Konfiguration, Busschienen 54 und Steuermodule 56 zu verwenden, die für alle Umwandlungseinheiten 14 identisch sind.
Im Beispiel der 1 ist die Hauptachse 20 des Körpers 12 horizontal angeordnet. In einer Variante kann die Hauptachse 20 vertikal angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0181105 [0004]

Claims

Leistungsmodul (10), umfassend: – einen Körper (12), der einen Wärmeträgerfluidkreis (22) aufweist und einen Mantel (18), der den Kreis umschließt, und – Halbleitervorrichtungen (50) vom Typ Transistor, die am Mantel des Körpers befestigt und im thermischen Kontakt mit dem Wärmeträgerkreis sind, wobei der Mantel des Körpers eine Vielzahl von Wänden (24) aufweist, die etwa eben und parallel zu einer selben Hauptachse (20) angeordnet sind, wobei die Halbleitervorrichtungen an Außenseiten (30) der Wände befestigt sind, wobei Innenseiten (28) der Wände einen zentralen Hohlraum (26) des Körpers definieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel des Körpers vier Wänden aufweist, wobei der zentrale Hohlraum (26) des Körpers senkrecht zur Hauptachse (2) einen etwa rechteckigen Querschnitt hat.
Leistungsmodul nach Anspruch 1, umfassend ferner eine Filterkapazität (16), die in dem zentralen Hohlraum des Körpers untergebracht und im thermischen Kontakt mit dem Wärmeträgerfluidkreis (22) ist.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeträgerfluid des Fluidkreises (22) ein Wasser-Glycol-Gemisch ist.
Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbleitervorrichtungen (50) vom Typ Transistor Bipolartransistoren mit isoliertem Gate sind.
Zugkasten, umfassend ein Leistungsmodul (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.