DE102017209456B4

DE102017209456B4 - Modulare Zwischenkreisschaltung eines Umrichters, Umrichterschaltung, Energiewandler und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102017209456B4
Application number: DE102017209456.7A
Authority: DE
Inventors: Roland Manser; Dominik Reinhard; Reinhard Reichelt
Original assignee: Bombardier Transportation GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-06-03
Also published as: DE102017209456A1; CN110720173B; US20200169186A1; RU2740789C1; CN110720173A; US11159101B2; EP3631967A1; WO2018220212A1

Abstract

Es wird eine modulare Zwischenkreisschaltung für einen Leistungsumrichter vorgeschlagen mit mindestens zwei oder mehreren parallel in einer Kette geschalteten Zwischenkreiskondensatormodulen, wobei jedes Zwischenkreiskondensatormodul einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und mindestens einen ersten Zwischenkreiskondensator aufweist, der mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss elektrisch verbunden ist, die ersten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule jeweils über eine erste niederohmige, hochinduktive Verbindung und eine dazu parallel geschaltete erste hochohmige, niederinduktive Verbindung verbunden sind, und die zweiten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule jeweils über eine zweite niederohmige, hochinduktive Verbindung und eine dazu parallel geschaltete zweite hochohmige, niederinduktive Verbindung verbunden sind. Weiterhin werden eine Umrichterschaltung, ein Energiewandler und ein Fahrzeug vorgeschlagen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Leistungselektronik, insbesondere der Leistungsumrichter, und betrifft den Aufbau eines Phasenmoduls für Leistungsumrichter und einen Umrichter. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Umrichter.
Vorbekannter Stand der Technik
Umrichter dienen zur Umwandlung von Wechselspannung und Wechselstrom, wobei die charakteristischen Eigenschaften wie Spannungsamplitude und Frequenz dabei angepasst werden. Ein Umrichter kann einen Zwischenkreis aufweisen. Er dient als Zwischenspeicher und als elektrischer Puffer. Spannung und Strom werden bei Leistungsumrichtern gleichermaßen umgewandelt.
Verwendet werden Umrichter beispielsweise für Antriebe von drehzahlveränderlichen Elektromotoren. Diese kommen in Fahrzeugen, insbesondere in Schienenfahrzeugen, wie Straßenbahnen, elektrischen Lokomotiven oder Hochgeschwindigkeitszügen vor. Das Fahrzeug greift die Spannung über beispielsweise eine Oberleitung oder eine Stromschiene ab. Diese wird dann im Umrichter für den elektrischen Antrieb angepasst.
Elektromotoren werden ebenso als Dynamo zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Bewegungsenergie, beispielsweise beim Bremsvorgang eines Elektrofahrzeuges, genutzt. Der Umrichter wirkt typischerweise in beide Richtungen.
Umrichter können Phasenmodule mit steuerbaren Halbleiterbauelementen, zum Beispiel IGBTs (insulated-gate bipolar transistor) aufweisen. Durch eine frequentierte Steuerung wird in dem Phasenmodul ein Phasenstrom generiert. Dieser kann dann beispielsweise einen Elektromotor antreiben.
US 2010 / 0034 001 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Umrichten eines elektrischen Stromes, wobei die Vorrichtung Halbleitermodule aufweist, die parallel zueinander geschaltete Halbleitergruppen vorsehen, wobei jede Halbleitergruppe des Halbleitermoduls über einen eigenen separaten Halbleitergruppenstrompfad mit wenigstens einem der Energiespeicher verbunden ist.
DE 10 2013 109 940 A1 beschreibt eine Kondensatorbank, umfassend eine laminierte Busschiene mit einer Hochpotentialleiterlage und einer Niedrigpotentialleiterlage. Die Kondensatorbank enthält überdies eine Mehrzahl an Buskondensatoren, die elektrisch mit der laminierten Busschiene verbunden sind, wobei die laminierte Busschiene und die Buskondensatoren eine kombinierte Induktivität aufweisen, die ausreichend niedrig ist, dass die Buskondensatoren elektrisch wirksam zu der laminierten Busschiene parallelgeschaltet sind.
US 2002 / 0 041 504 A1 beschreibt ein Stromrichtersystem mit einer Mehrzahl von einzelnen Stromrichtermodulen die über einen Gleichspannungszwischenkreis miteinander in Verbindung stehen, wobei jedes Stromrichtermodul einen Teil der Gleichspannungszwischenkreiskapazität aufweist.
Nachteile des Standes der Technik
Stromrichtermodule bestehen aus großen Anordnungen von Stromrichtereinheiten, wobei jede Stromrichtereinheit an den Zwischenkreis angeschlossen ist. Lange Verbindungen zum Zwischenkreis erzeugen eine hohe Induktivität und einen damit verbundenen Leistungsverlust.
Problemstellung
Die Aufgabe besteht darin, den Aufbau des Umrichters zu verbessern.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird durch eine modulare Zwischenkreisschaltung für einen Leistungsumrichter gelöst. Weiterhin wird diese Aufgabe durch eine Umrichterschaltung, einen Energiewandler und ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, gelöst.
Es wird eine modulare Zwischenkreisschaltung für einen Leistungsumrichter vorgeschlagen mit mindestens zwei oder mehreren parallel in einer Kette geschalteten Zwischenkreiskondensatormodulen, wobei jedes Zwischenkreiskondensatormodul einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und mindestens einen ersten Zwischenkreiskondensator aufweist, der mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss elektrisch verbunden ist, die ersten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule jeweils über eine erste niederohmige, hochinduktive Verbindung und eine dazu parallel geschaltete erste hochohmige, niederinduktive Verbindung verbunden sind, und die zweiten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule jeweils über eine zweite niederohmige, hochinduktive Verbindung und eine dazu parallel geschaltete zweite hochohmige, niederinduktive Verbindung verbunden sind. Dabei weisen die erste niederohmige, hochinduktive Verbindung und die zweite niederohmige, hochinduktive Verbindung jeweils einen kleineren Ohm'schen Widerstand und eine größere Induktivität als jeweils die erste hochohmige, niederinduktive Verbindung und die zweite hochohmige, niederinduktive Verbindung auf.
Modular bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Zwischenkreisschaltung des Leistungsumrichters mehrerer einzelne Komponenten aufweist, wobei es sich bei den Komponenten insbesondere um Zwischenkreiskondensatoren, Zwischenkreiskondensatormodule und entsprechende Verbindungen handelt, die zu einem gemeinsamen Zwischenkreis zusammengeführt werden.
Unter einer niederohmigen Verbindung wird insbesondere eine Verbindung verstanden, die im Gegensatz zu einer hochohmigen Verbindung einen kleineren Widerstandwert aufweist. Vorzugsweise weist die niederohmige Verbindung jedoch einen Widerstandswert zwischen 10µΩ und 1Ω auf, wohingegen die hochohmigen Verbindung vorzugsweise einen Widerstandswert zwischen 100Ω und 10MΩ aufweist.
Unter einer niederinduktiven Verbindung wird insbesondere eine Verbindung verstanden, die im Gegensatz zu einer hochinduktiven Verbindung einen kleineren Induktivitätswert aufweist. Vorzugsweise weist die niederinduktive Verbindung jedoch einen Induktivitätswert zwischen 1nH und 100µH auf, wohingegen die hochinduktive Verbindung vorzugsweise einen Induktivitätswert zwischen 10mH und 10H aufweist.
In Zwischenkreisen von Umrichtern werden üblicherweise elektrische Kondensatoren verbaut. Bei hohen Strömen bzw. hoher Leistungsdichte des Umrichters kann eine hohe Strombelastbarkeit bei gleichzeitiger geringer Eigeninduktivität des Zwischenkreiskondensators vorteilhaft für die Effizienz sein. Ein geringer effektiver Serienwiderstand (ESR) und eine geringe effektive Serieninduktivität (ESL) sind Anforderungen für einen guten Wirkungsgrad. Ein niederinduktiver Anschluss des Zwischenkreiskondensators an die Schaltvorrichtung kann ebenso zu einer Erhöhung der Effizienz führen.
Da die modulare Zwischenkreisschaltung für große Ströme von mehreren hundert bis über ein tausend Ampere ausgelegt sein kann, entstehen Induktivitäten in den elektrischen Leitern, die von der magnetischen Permeabilität des Leitermaterials, dem Leitungsquerschnitt und der Größe der Leiterschleife abhängen. Diese Induktivitäten sind parasitär und vorteilhaft minimiert. Insbesondere sind die Induktivitäten nicht gewollt durch zum Beispiel eine Spule oder ähnlichem in die Zwischenkreisschaltung eingebaut.
Gemäß einer Ausführungsform ist jeweils eine Schaltvorrichtung parallel zum Zwischenkreiskondensatormodul geschaltet oder mit diesem verbindbar. Vorteilhaft sind die Schaltvorrichtungen jeweils einem Zwischenkreiskondensatormodul zugeordnet und unmittelbar mit diesem parallel geschaltet. Schaltvorrichtungen können mindestens einen ersten und einen zweiten DC-Anschluss aufweisen, sodass diese parallel zum ersten und zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensatormodules geschaltet werden können.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung mindestens einen oder mehrere AC-Anschlüsse auf. Die Schaltvorrichtung wird derart betrieben, dass eine Gleichspannung zwischen ihren DC-Anschlüssen in eine Wechselspannung an ihrem oder ihren AC-Schlüssen erzeugt wird. Die Schaltvorrichtung kann gemäß einer Ausführungsform in beide Richtungen betrieben werden, das heißt, dass auch eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt werden kann.
Jedes Zwischenkreiskondensatormodul weist mindestens einen Kondensator auf. Der Kondensator wirkt als Zwischenkreiskondensator zu einer Schaltvorrichtung. Während eines Schaltvorganges der Schaltvorrichtung ändert sich der Strom in dem Kondensator. Er ist daher Teil des Kommutierungskreises. Der Zwischenkreiskondensator wird auch Kommutierungskondensator genannt.
In einem Betriebszustand eines Leistungsumrichters mit einer modularen Zwischenkreisschaltung kann zwischen der ersten niederohmigen, hochinduktiven Verbindung und der zweiten niederohmigen, hochinduktiven Verbindung eine Gleichspannung anliegen, die jeweils die Schaltvorrichtungen speist. Typischerweise weisen die Schaltvorrichtungen einen AC-Ausgang auf, wobei durch eine entsprechende Steuerung der Schaltvorrichtungen aus der Gleichspannung am AC-Ausgang eine Wechselspannung erzeugt wird.
In einem anderen Betriebszustand eines Leistungsumrichters mit einer modularen Zwischenkreisschaltung kann zwischen der ersten niederohmigen, hochinduktiven Verbindung und der zweiten niederohmigen, hochinduktiven Verbindung eine Gleichspannung erzeugt werden, indem die Schaltvorrichtungen einen AC-Eingang aufweist und durch eine entsprechende Steuerung der Schaltvorrichtungen aus der Wechselspannung am AC-Eingang die Gleichspannung erzeugt wird.
In einem dieser Betriebszustände wirkt die Zwischenkreisschaltung, die der jeweiligen Schaltvorrichtung zugeordnet ist, als elektrischer Puffer und insbesondere der Zwischenkreiskondensator als elektrischer Zwischenspeicher. Die Kapazität und die Spannungsklasse des Zwischenkreiskondensatormodules, beziehungsweise des Zwischenkreiskondensators müssen daher an die möglichen Spannungen und Ströme in einem Betriebszustand des Leistungsrichters angepasst sein.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Spannung zwischen dem ersten Anschluss eines Zwischenkreiskondensatormoduls und dem zweiten Anschluss eines Zwischenkreiskondensatormoduls in einem Betriebszustand mindestens 1kV oder mindestens 3kV. Die Zwischenkreisschaltung ist daher für Spannungen zwischen dem ersten Anschluss eines Zwischenkreiskondensatormoduls und dem zweiten Anschluss eines Zwischenkreiskondensatormoduls von mindestens 1kV oder mindestens 3kV ausgelegt.
Jedes Zwischenkreiskondensatormodul weist mindestens einen Zwischenkreiskondensator auf. Zusätzlich kann das Zwischenkreiskondensatormodul weitere, typischerweise zum ersten Zwischenkreiskondensator parallel geschaltete, Kondensatoren aufweisen. Typische Kapazitäten des Zwischenkreiskondensatormoduls liegen im Bereich von einigen hundert Mikrofarad bis mehr als 1000 Mikrofarad und können abhängig von der Spannung im Zwischenkreis gewählt werden. Beispielsweise kann die Kapazität bei 400µF für 3,6kV, bei 700µF für 2.8kV, bei 1600µF für 1.8kV oder bei 9000µF bei 750V liegen. Diese diskreten Werte sind lediglich durch die typischen Zielwerte bei der Herstellung der Kondensatoren gegeben und nicht darauf beschränkt. Die Gesamtkapazität ist durch einen oder mehrere parallel geschaltete Kondensatoren im Zwischenkreiskondensatormodul gegeben.
Gemäß einer Ausführungsform weist mindestens eines der Zwischenkreiskondensatormodule zusätzlich einen zweiten Zwischenkreiskondensator auf, der parallel zum ersten Zwischenkreiskondensator geschaltet ist. Insbesondere können mehrere oder alle Zwischenkreiskondensatormodule zusätzlich einen zweiten Zwischenkreiskondensator aufweisen. Unterschiedliche Zwischenkreiskondensatoren können verwendet und in der Schaltung kombiniert werden.
Gemäß einer Ausführungsform besitzt das Zwischenkreiskondensatormodul eine Eigeninduktivität (ESL) von weniger als 100nH oder weniger als 50nH.
Die Induktivitäten der jeweils ersten Anschlüsse und zweiten Anschlüsse der Zwischenkreiskondensatormodule, die vorgesehen sind, parallel zu jeweils einer Schaltvorrichtung geschaltet zu werden, werden unter anderem durch die Längen der elektrischen Leitungen bzw. die Größen der entstehenden Leiterschleifen bestimmt. Je größer die Leiterschleifen, desto größer die Induktivitäten. Die Zwischenkreiskondensatormodule sollte daher räumlich möglichst nah an die jeweilige Schaltvorrichtung angeschlossen werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist für jedes Zwischenkreiskondensatormodul mindestens eine Schaltvorrichtung vorgesehen, die parallel zu den Anschlüssen des jeweiligen Zwischenkreiskondensatormoduls geschaltet werden kann. Insbesondere können auch Gruppen von parallel geschalteten Schaltvorrichtungen parallel zu den Anschlüssen des jeweiligen Zwischenkreiskondensatormoduls geschaltet werden. Die Gruppen von Schaltvorrichtungen können beispielsweise als Vollbrücke oder als Halbbrücke geschaltet sein.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Gruppen von Schaltvorrichtungen in einem Leistungsphasenmodul angeordnet. Das Leistungsphasenmodul kann in einem modular aufgebauten Umrichter zum Umrichten von Gleichstrom in Wechselstrom oder von Wechselstrom in Gleichstrom genutzt werden. In dem Umrichter können mehrere Leistungsphasenmodule parallel, unabhängig oder abhängig voneinander betrieben werden. Die Leistungsphasenmodule sind kompakt aufgebaut und können im modularen Umrichter platzsparend nebeneinander angeordnet sein. Vorteilhaft ist das Leistungsphasenmodul austauschbar.
Gemäß einer Ausführungsform ist jedes Leistungsphasenmodul genau einem Zwischenkreiskondensatormodul zugeordnet und umgekehrt. Das heißt auch, dass jede Schaltvorrichtung genau einem Zwischenkreiskondensatormodul zugeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung mindestens eines der folgenden elektronischen Bauteile auf: Diode, Leistungs-MOSFET, und IGBT. Insbesondere können Gruppen von Schaltvorrichtungen mehrere Dioden- oder IGBT-Halbbrücken oder -Vollbrücken aufweisen.
Bei der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung erzeugt die Schaltvorrichtung gemäß einer Ausführungsform eine Frequenz oder gibt eine Frequenz vor, mit der der Gleichstrom in einen Wechselstrom mit eben dieser Frequenz umgewandelt wird. Die Schaltvorrichtung kann dazu eine Steuerung, insbesondere eine Gatesteuerung, aufweisen oder mit einer Steuerung verbunden sein. Gemäß einer Ausführungsform weist das Leistungsphasenmodul, insbesondere die Schaltvorrichtung, ein oder mehrere Anschlüsse einer Steuerung zum Steuern der einen oder mehreren Schaltvorrichtungen auf. Die Steuerung kann über elektrische Signale, zum Beispiel über Kupferleitungen, oder über optische Signale, zum Beispiel über Lichtwellenleiter, erfolgen.
Die niederohmige, hochinduktive Verbindung, weisen eine höhere Induktivität auf als die hochohmige, niederinduktive Verbindung. Gemäß einer Ausführungsform ist die Induktivität im Wesentlichen durch die Größe der Leiterschleife bei hohen Spannungen und Strömen und durch die Leitfähigkeit und den Querschnitt des Leiters bestimmt. Die Größe der Leiterschleife ist durch die mechanische Umsetzung der modularen Zwischenkreisschaltung vorgegeben.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die ersten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen und die zweiten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen eine mindestens um den Faktor 2 oder mindestens um den Faktor 5 höhere Induktivität auf als die ersten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen und die zweiten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Induktivitäten und Ohm'schen Widerstände der ersten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen und der die zweiten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen im Wesentlichen identisch. Ebenso sind die Induktivitäten und Ohm'schen Widerstände der ersten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen und der zweiten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen im Wesentlichen identisch. Vorteilhaft weist die modulare Zwischenkreisschaltung daher eine Symmetrie auf.
Durch den modularen Aufbau der modularen Zwischenkreisschaltung sind weitere identische oder nahezu identische Zwischenkreiskondensatormodule, parallel und zueinander in einer Kette geschaltet, anschließbar. Gemäß einer Ausführungsform weist die modulare Zwischenkreisschaltung drei Zwischenkreiskondensatormodule auf und die drei Zwischenkreiskondensatormodule sind parallel und in einer Kette geschaltet sind. Die modulare Zwischenkreisschaltung kann zusätzlich um weitere Zwischenkreiskondensatormodule erweiterbar sein.
Gemäß einer Ausführungsform bildet die modulare Zwischenkreisschaltung einen Kettenleiter. Dabei ist der Kettenleiter aus in einer Kette geschalteten identischen Vierpolen zusammengesetzt und ein Vierpol entspricht einem Modul der Zwischenkreisschaltung. Ein mögliches Ersatzschaltbild des Vierpoles wird durch ein zum Vierpol in Reihe geschaltetes niederohmiges, hochinduktives R-L-Glied und ein dazu parallel geschaltetes hochohmiges, niederinduktives R-L-Glied, sowie ein zum Vierpol parallel geschaltetes C-Glied gebildet. Das C-Glied wird durch das Zwischenkreiskondensatormodul gebildet. Das niederohmige, hochinduktive R-L-Glied wird durch die erste und die zweite niederohmige, hochinduktive Verbindung; und das hochohmige, niederinduktive R-L-Glied wird durch die erste und die zweite hochohmige, niederinduktive Verbindungen gebildet.
Alternativ können die Module zwar im Ihrer Struktur identisch sein aber die einzelnen Bestandteile können unterschiedliche jeweilige Impedanzen aufweisen.
Das Ersatzschaltbild des Vierpoles kann auch als passiver Tiefpass 2. Ordnung aus einem ersten zum Vierpol in Reihe geschaltetem R-L-Glied und einem zum Vierpol parallel geschaltetem C-Glied mit einem zusätzlichen zweiten R-L-Glied, das parallel zum ersten R-L-Glied geschaltet ist, beschrieben werden. Gleichstrom und der niederfrequente Stromanteile fließen über das niederohmige, hochinduktive R-L-Glied und hochfrequente Stromanteile fließen über das hochohmige, niederinduktive R-L-Glied. Durch den Ohm'schen Widerstand werden die hochfrequenten Stromanteile vorteilhaft gedämpft.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Widerstand der niederohmigen, hochinduktiven Verbindung vernachlässigt werden. Das Ersatzschaltbild des Vierpols entspricht dann einem L-C-Schwingkreis mit einem zum L-Glied parallel geschalteten zusätzlichen R-L-Glied. Durch die eingeprägten Ströme der Schaltvorrichtungen, die parallel zum C-Glied (also zum Zwischenkreiskondensatormodul) geschaltet sind, werden Schwingströme angeregt. Durch diese Schwingströme erhöht sich der Effektivwert des Stroms in den Zwischenkreiskondensatoren. Durch ein Parallelschalten der ersten hochohmigen, niederinduktiven Verbindung und der zweiten hochohmigen, niederinduktiven Verbindung ist ein R-L-Glied mit erhöhtem Ohm'schen Widerstand zusätzlich parallel zum L-Glied des L-C-Schwingkreises geschaltet. Die Schwingung wird dadurch gedämpft.
Ein Modul der Zwischenkreisschaltung stellt einen L-C-Schwingkreis mit einem parallel geschalteten R-L-Glied zum L-Glied da, wenn der Ohm'sche Widerstand der niederohmigen, hochinduktiven Verbindung vernachlässigbar ist. Optimal würde ein L-C-Schwingkreis mit einem R-Glied parallel zum L-Glied gedämpft werden. Dies ist in der Praxis nicht möglich, weil jedes R-Glied in der Realität auch noch eine nicht zu vernachlässigende Induktivität L wegen der mechanischen Abstände und der damit verbundenen Leiterschleife bei hohen Strömen aufweist. Die Dämpfung eines L-C-Schwingkreises mit einem zusätzlichen Ohm'schen Widerstand parallel zum L-Glied hat ein flaches Optimum bei $R_{opt} = \sqrt{L / C} .$
Während Gleichstrom und der niederfrequentierte AC-Anteil durch die niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen fließen, werden höher frequentierte AC-Anteile durch die mit weniger Induktivität aber mit höheren Ohm'schen Widerstand behafteten niederinduktiven, hochohmigen Verbindungen zwischen den Zwischenkreiskondensatormodulen geleitet und dabei gedämpft. Dadurch verringern sich vorteilhaft die ungenutzten Effektivströme in den niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen und in den Zwischenkreiskondensatoren.
Da die Zwischenkreisschaltung für sehr hohe Ströme ausgelegt ist, würde die Anordnung ohne das zweite R-L-Glied einen sehr schwach gedämpften C-L-C-L-Kettenleiter aus L-C-Schwingkreisen darstellen. Durch die eingeprägten Ströme der Schaltvorrichtungen werden Schwingströme angeregt und der Effektivwert des Stroms in den Zwischenkreiskondensatoren erhöht sich. Durch ein Parallelschalten des zweiten R-L-Gliedes werden hochfrequente Schwingströme gedämpft. Die Dämpfung ist frequenzabhängig und ergibt sich aus den Werten der Induktivität und der Kapazität des L-C-Schwingkreises.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Ohm'sche Widerstand der niederinduktiven, hochohmigen Verbindung auf das Optimum der Dämpfung, also bei $R_{opt} = \sqrt{L / C}$
mit der Induktivität L der niederohmigen, hochinduktiven Verbindung und der Kapazität C des Zwischenkreiskondensatormodules angepasst, insbesondere liegt der Ohm'sche Widerstand der niederinduktiven, hochohmigen Verbindung im Bereich von 0,1 · R_opt bis 10 · R_opt.
Beispielsweise liegt bei einer Kapazität des Zwischenkreiskondensatormodules von 1000µF und einer Induktivität der niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen von 25nH das Optimum des Ohm'schen Widerstandes R_opt bei 5mΩ für eine optimale Dämpfung. Der gewählte Ohm'sche Widerstand kann dann vorteilhaft im Bereich von 0,5mΩ bis 50mΩ liegen. Bei diesen Kapazitäten liegen die zu dämpfenden Frequenzen etwa im Bereich zwischen 5 kHz und 25 kHz.
Im Falle eines Kurzschlusses in einem Leistungsphasenmodul, insbesondere in einer der Schaltvorrichtungen, wird der oder werden die Kondensatoren des dazugehörigen Zwischenkreiskondensatormodules sehr schnell entladen. Die anderen Kondensatoren umliegender Zwischenkreiskondensatormodule speisen über die niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen und die niederinduktiven, hochohmigen Verbindungen auf den Kurzschluss ein. Die niederinduktiven, hochohmigen Verbindungen zwischen den Zwischenkreiskondensatormodulen bewirken durch ihren Ohm'schen Widerstand ein rasches Abklingen der durch den Kurzschluss verursachten Schwingungen. Ein Großteil der Kurzschlussenergie wird in den niederinduktiven, hochohmigen Verbindungen in Wärme umgesetzt und dadurch unschädlich gemacht. Die anderen Leistungsphasenmodule, insbesondere die anderen Schaltvorrichtungen, und Zwischenkreiskondensatormodule können dadurch vor Zerstörung geschützt werden. Vorteilhaft ist die modulare Zwischenkreisschaltung daher stoßstromfest.
Gemäß einer Ausführungsform der modularen Zwischenkreisschaltung sind die ersten Anschlüsse benachbarter Zwischenkreiskondensatormodule über jeweils eine dritte niederohmige, hochinduktive Verbindung verbunden, und die zweiten Anschlüsse benachbarter Zwischenkreiskondensatormodule über jeweils eine vierte niederohmige, hochinduktive Verbindung verbunden. Der Strom fließt dann in der ersten und der dritten niederohmige, hochinduktive Verbindung in dieselbe Richtung. Analog fließt der Strom in der zweiten und der vierten niederohmige, hochinduktive Verbindung in dieselbe Richtung. Damit die Induktivität der Leiterschleife verringert werden kann, müssen zwei entgegengesetzte Stromrichtungen nah aneinander geführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die modulare Zwischenkreisschaltung so ausgeführt sein, dass jeweils zu jeder niederohmigen, hochinduktiven Verbindung eine andere dazugehörige niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen mit entgegengesetzter Stromrichtung geführt wird. Durch das räumlich nahe aneinander Führen der beiden Stromrichtungen werden effektiv dir Größe der Leiterschleifen minimiert. Dadurch nimmt die Induktivität ab und der Umrichter wird effizienter.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste und die zweite niederohmige, hochinduktive Verbindung, sowie die dritte und die vierte niederohmige, hochinduktive Verbindung räumlich nah und streckenweise parallel geführt. Synonym dazu können die erste und die vierte niederohmige, hochinduktive Verbindung sowie die zweite und die dritte niederohmige, hochinduktive Verbindung räumlich nah und streckenweise parallel geführt werden. Insbesondere bedeutet räumlich nah und streckenweise parallel, dass zwischen den Leitern kein weiterer stromdurchflossener Leiter angeordnet ist.
Bei einer modularen Zwischenkreisschaltung können die ersten Anschlüsse benachbarter Zwischenkreiskondensatormodule über eine dritte hochohmige, niederinduktive Verbindung, und können die zweiten Anschlüsse benachbarter Zwischenkreiskondensatormodule über eine vierte hochohmige, niederinduktive Verbindung verbunden sein. Alternativ können zwei der hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen als gemeinsame Verbindung ausgeführt sein. Dabei weisen sie dann den doppelten Ohm'schen Widerstand der beiden anderen hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen auf.
Damit die Induktivität der Leiter verringert werden kann, müssen zwei entgegengesetzte Stromrichtungen nah aneinander geführt werden. Vorzugsweise sind die hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen streckenweise parallel und mit abwechselnder Stromrichtung angeordnet; beziehungsweise die gemeinsam ausgeführte Verbindung ist räumlich zwischen den beiden anderen angeordnet. Insbesondere ist zwischen den Leitern kein weiterer stromdurchflossener Leiter angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Zwischenkreiskondensatormodul einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss auf. Das Zwischenkreiskondensatormodul kann auch weitere Anschlüsse, beispielsweise als Messerkontakte, aufweisen. Mehrere Anschlüsse können die Anschlussinduktivität verringern. Vorteilhaft sind die Anschlüsse derart ausgebildet, dass sie im Wesentlichen identische Impedanzen aufweisen, sodass ein symmetrischer Stromfluss in das Zwischenkreiskondensatormodul aus allen Anschlüssen ermöglicht wird. Die Kondensatoren im Zwischenkreiskondensatormodul sind dann beispielsweise parallel zu den Anschlusspaaren geschaltet.
Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Zwischenkreiskondensatormodul zusätzlich einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss auf, und die dritten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule sind über jeweils eine dritte niederohmige, hochinduktive Verbindung und die vierten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule sind über jeweils eine vierte niederohmige, hochinduktive Verbindung verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Zwischenkreiskondensatormodul zusätzlich einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss auf, und die dritten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule sind über jeweils dritte hochohmige, niederinduktive Verbindung und die vierten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule sind über jeweils eine vierte hochohmige, niederinduktive Verbindung verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die dritten Anschlüsse und die vierten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule über zwei Parallelschaltungen verbunden, dabei sind nämlich dritten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen parallel zu den dritten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen geschaltet; und die vierten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen sind parallel zu den vierten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen geschaltet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der oben beschriebene Kettenleiter doppelt und derart räumlich ausgeprägt, dass eine Symmetrie so entsteht, dass stromdurchflossene Leiter entgegengesetzter Stromrichtungen unmittelbar nebeneinander verlaufen.
Es wird weiterhin eine Umrichterschaltung mit einer modularen Zwischenkreisschaltung nach den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen. Die Umrichterschaltung weist mindestens zwei oder mehrere Schaltvorrichtungen, mit mindestens jeweils einem DC-Anschlusspaar und mindestens jeweils einem ersten AC-Anschluss auf,wobei jede Schaltvorrichtung genau einem Zwischenkreiskondensatormodul zugeordnet ist und das DC-Anschluss-Paar jeder Schaltvorrichtung parallel zum zugeordneten Zwischenkreiskondensatormodul geschaltet ist.
Die Umrichterschaltung kann eine oder mehrere Gruppen von Schaltvorrichtungen aufweisen. Die Gruppen von Schaltvorrichtungen weisen mindestens einen AC-Ausgang auf und jede Gruppe von Schaltvorrichtungen ist genau einem Zwischenkreiskondensatormodul zugeordnet und zu diesem parallel schaltbar. Die DC-Anschlüsse der Schaltvorrichtungen sind dann beispielsweise zu einem gemeinsamen DC-Anschluss zusammengefasst.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Umrichterschaltung derart ausgelegt, dass ein elektrischer Strom von einem DC-Anschlusspaar zu einem AC-Anschluss einer Schaltvorrichtung in einem Betriebszustand der Umrichterschaltung von mindestens 500A oder mindestens 1000A fließen kann.
Mit dem vom Umrichter erzeugten Wechselstrom kann beispielsweise ein Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeuges angetrieben werden. Ebenso kann die Boardelektronik mit Strom versorgt werden. Die Frequenz und Spannung an dem oder den AC-Ausgängen kann an die Nutzung im Fahrzeug angepasst werden.
Weiterhin wird ein Energiewandler, insbesondere ein elektrischer Motor oder ein Dynamo, verbunden mit einer Umrichterschaltung vorgeschlagen, wobei mindestens ein AC- Anschluss einer Schaltvorrichtung mit dem Energiewandler verbunden ist.
Ein Energiewandler kann als Dynamo wirken, beispielsweise bei einem Bremsvorgang mit einer Nutzbremse. Die elektrische Energie wird dann vom Dynamo aus mechanischer Energie erzeugt und an den Umrichter geleitet. Dieser wandelt den Wechselstrom in einen Gleichstrom.
Weiterhin wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einem Energiewandler, insbesondere einem Traktionsmotor, zum Umwandeln von elektrischer Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt vorgeschlagen. Neben dem Traktionsmotor kann beispielsweise auch eine Nutzbremse als Dynamo verwendet werden. Der Energiewandler ist dabei derart in die Umrichterschaltung geschaltet, dass der Energiewandler mit mindestens einem der ersten AC-Anschlüsse einer der Schaltvorrichtungen verbunden ist.
Als Schienenfahrzeuge werden insbesondere Züge, U-Bahnen, Metros, Straßenbahnen, Hochgeschwindigkeitszüge oder ähnliche angesehen.
Die modulare Zwischenkreisschaltung kann realisiert werden, indem jeweils mindestens eine Schaltvorrichtung in einem Leistungsphasenmodul integriert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Leistungsphasenmodul vorgeschlagen, in dem diese Ausführungsformen realisiert werden können.
Figurenliste
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen ähnliche Teile.

1 zeigt ein Leistungsphasenmodul gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt das Leistungsphasenmodul gemäß nach der Ausführungsform der 1, wobei eine Querbrücke entfernt ist.
3 zeigt das Leistungsphasenmodul gemäß nach der Ausführungsform der 1 mit angeschlossenem Zwischenkreiskondensatormodul.
4 zeigt einen Umrichter gemäß einer Ausführungsform.
5 zeigt eine Detailansicht von Stromschienen gemäß einer Ausführungsform.
6 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung des Umrichters.
7 zeigt eine modulare Zwischenkreisschaltung gemäß einer Ausführungsform.
8 zeigt eine vereinfachte modulare Zwischenkreisschaltung gemäß einer Ausführungsform.
9 zeigt eine modulare Zwischenkreisschaltung für einen Umrichter mit 8 Modulen.
10 zeigt ein Schienenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform.

Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Ausführungsform eines Leistungsphasenmoduls 10 dargestellt. Das Leistungsphasenmodul 10 hat in etwa die Form eines abgeflachten Quaders mit zwei großflächigen Seiten und vier kleinflächigen Seiten. Die kleinflächigen Seiten können Stirnseiten des Leistungsphasenmoduls 10 sein. An einer Stirnseite 12 des Leistungsphasenmoduls 10 sind ein erstes DC-Anschlusspaar 14 und ein zweites DC-Anschlusspaar 20 angeordnet. Weiterhin sind ein erstes DC-Kondensator-Anschlusspaar 15 und ein zweites DC-Kondensator-Anschlusspaar 21 an der Stirnseite 12 angeordnet.
An einer anderen Seite, in diesem Fall der gegenüberliegenden Stirnseite 11 des Leistungsphasenmoduls 10 ist ein erster AC-Anschluss 13 angeordnet. Ein zweiter AC-Anschluss 22 ist ebenfalls an der gegenüberliegenden Stirnseite 11 angeordnet.
Eine erste Schaltvorrichtung 16 ist mit dem ersten DC-Anschlusspaar 14 und mit dem ersten AC-Anschluss 13 verbunden. Die Schaltvorrichtung 16 ist auf einer Kühlvorrichtung 17 angeordnet, sodass die Kühlvorrichtung 17 entstehende Wärme aus der Schaltvorrichtung 16 und aus dem Leistungsphasenmodul 10 abführen kann.
Das Leistungsphasenmodul 10 weist weiterhin eine zweite Schaltvorrichtung 23 auf, die mit dem ersten DC-Anschlusspaar 14 und mit einem zweiten AC-Anschluss 22 verbunden ist. Sie ist neben der ersten Schaltvorrichtung 16 auf der Kühlvorrichtung 17 angeordnet. Die beiden Schaltvorrichtungen 16, 23 sind in einer Ebene senkrecht zur Stirnseite angeordnet.
Die DC-Kondensator-Anschlusspaare 15, 21 sind nebeneinander und zwischen den beiden DC-Anschlusspaaren 14, 20 angeordnet. Die DC-Kondensator-Anschlusspaare 15, 21 und die DC-Anschlusspaare 14, 20 sind in einer Ebene und in einer Reihe angeordnet.
Die DC-Kondensator-Anschlusspaare 15, 21 und die DC-Anschlusspaare 14, 20 weisen jeweils einen ersten Anschluss 14a, 15a, 20a, 21a und einen zweiten Anschluss 14b, 15b, 20b, 21b auf. Verbindungelemente sind an in beziehungsweise an den Anschlüssen angeordnet. Die ersten Anschlüsse 14a, 15a, 20a, 21a sind über eine erste Querbrücke 18 miteinander verbunden. Die zweiten Anschlüsse 14b, 15b, 20b, 21b sind über eine zweite Querbrücke 19 miteinander verbunden. Details der zweiten Querbrücke 19 werden in 1 verdeckt. Diese sind in 2 illustriert, die eine Ausführungsform des Leistungsphasenmoduls 10 zeigt, bei der keine zweite Querbrücke 19 dargestellt ist.
Die ersten Anschlüsse 14a, 15a, 20a, 21a sind einstückig mit der ersten Querbrücke 18 geformt. Die erste Querbrücke 18 weist ein Metallblech auf. Abgewinkelte Bereiche der Metallbleche bilden die ersten Anschlüssen 14a, 15a, 20a, 21a zum Anschließen an Stromschienen. Die Verbindungselemente sind als Bohrlöcher für beispielsweise eine Schraubverbindung ausgeführt. Die ersten Anschlüsse 14a, 15a, 20a, 21a können auch mehrstückig, d.h. aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Analog aber nicht zwangsweise identisch in einer Ausführungsform gilt das für die zweite Querbrücke 19 und die zweiten Anschlüsse 14b, 15b, 20b, 21b. Die erste Querbrücke 18 und die zweite Querbrücke 19 können unterschiedlich ausgebildet sein und sich beispielsweise durch eine Einstückigkeit, durch unterschiedliche Materialien oder Beschichtungen unterscheiden.
Die erste Querbrücke 18 verbindet den ersten Anschluss 14a des ersten DC-Anschlusspaares 14 mit der ersten Schaltvorrichtung 16. Die zweite Querbrücke 19 verbindet den zweiten Anschluss 14b des ersten DC-Anschlusspaares 14 mit der ersten Schaltvorrichtung 16. Dadurch fließt der Gleichstrom vom ersten DC-Anschlusspaar 14 über die Querbrücken 18, 19 in die Schaltvorrichtung 16 und wird dort umgewandelt. Der erzeugte Wechselstrom kann am ersten AC-Anschluss 13 abgegriffen werden. Umgekehrt kann auch ein Wechselstrom in einen Gleichstrom umgewandelt werden.
Die erste und zweite Querbrücke 18, 19 verlaufen unmittelbar nebeneinander und abschnittsweise parallel. Sie sind räumlich nah aneinander und elektrisch voneinander isoliert und für hohe Spannungen von über 500V, insbesondere Spannung zwischen etwa 600V und 4500V, und hohe Ströme von mehr als 100A, insbesondere für Ströme von 100A bis 1000A, ausgelegt. Beispielsweise kann der Strom bei einem Dual-Schaltmodul bei 500A und bei einem Einzel-Schaltmodul bei 800A liegen. Durch eine maximale Leistung in einem Betriebszustand kann die angelegte Spannung den Stromfluss begrenzen.
Eine Querbrücke 18, 19 in dieser Ausführungsform hat eine großflächigen Metallblechbereich und mindestens zwei davon abgewinkelte Bereiche. Über die Querbrücken 18, 19 fließt in einem Betriebszustand ein hoher Strom von mehreren hundert Ampere. Das Material und die Dicke der Querbrücken 18, 19 müssen daher entsprechend dieser Strombelastung angepasst sein.
Der großflächige Metallblechbereich der Querbrücken 18, 19 kann im Wesentlichen parallel zu den großflächigen Seiten des Leistungsphasenmoduls. Die Querbrücken 18, 19 können daher quer, also im Wesentlichen senkrecht, zu dem Verlauf angeschlossener Stromschienen angeordnet sein.
Beispielsweise kann die Kühlvorrichtung 17 an oder entlang einer der großflächigen Seiten des Leistungsphasenmoduls angeordnet sein oder diese bilden. Die Schaltvorrichtung 16 kann auf der Kühlvorrichtung 17 angeordnet sein. Die Kühlvorrichtung 17 kann auf einer Seite der Schaltvorrichtung 16 und die Querbrücken 18, 19 auf einer dazu gegenüberliegenden Seite der Schaltvorrichtung 16 angeordnet sein.
Die Schaltvorrichtungen 16, 23 weisen in dieser Ausführungsform ein Dual-Schaltmodul auf und sind daher sowohl mit der ersten Querbrücke 18 als auch mit der zweiten Querbrücke 19 verbunden. Dual-Schaltmodule sind elektrisch als Zweiweg-Gleichrichter aufgebaut und können beide Potentiale der beiden Querbrücken 18, 19 für die Wechselstromphase umwandeln.
In einem Betriebszustand kann jede Schaltvorrichtung 16, 23 unabhängig voneinander durch eine Steuerung 24, insbesondere einer Gatesteuerung, als Zweiweg-Gleichrichter betrieben werden und einen Wechselstrom am jeweiligen AC-Anschluss 13, 22 erzeugen. Die Schaltvorrichtungen weisen insbesondere steuerbare Halbleiterelemente auf. Das können Halbleiterelemente mit steuerbaren Gate-Elektroden sein. Die Steuerung 24 steuert dann die Gatespannungen an den Gateelektroden und dadurch den Stromfluss durch die Halbleiterelemente, bzw. die Schaltvorrichtung 16, 23. Insbesondere können die Halbleiterelemente IGBTs sein und die Steuerung umfasst die Gatesteuerung 24 der Gates der IGBTs.
Die Steuerung 24 kann, gemäß einer Ausführungsform, an einer zu den Anschlusspaaren des Leistungsphasenmoduls gegenüberliegenden Stirnseite angeordnet sein, die auch als zweite oder hintere Stirnseite bezeichnet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuerung 24 mechanisch von der Kühlvorrichtung 17 oder den Schaltvorrichtungen 16, 23 oder beiden getragen werden.
Das Leistungsphasenmodul 10 in 1 weist zwei DC-Kondensator-Anschlusspaare 15, 21 auf. Dabei sind die Anschlüsse 15a, 15b, 21a, 21b so in einer Reihe angeordnet, dass in einem Betriebszustand die beiden zweiten Anschlüsse 15b, 21b auf einem Potential liegen und von außen von den ersten Anschlüssen 15a, 21a auf einem anderen Potential umschlossen sind. Es entsteht eine Spiegelsymmetrie der Anschlüsse und damit der Potentiale. In dieser Ausführungsform erhalten die Anschlüsse der beiden DC-Anschlusspaare 14, 20 die Spiegelsymmetrie ebenso. Die ersten Anschlüsse 14a, 15a, 20a, 21a und zweiten Anschlüsse 14b, 15b, 20b, 21b können auch jeweils mit dem dazugehörigen Anschluss des jeweiligen Paares vertauscht sein. Die Spiegelsymmetrie bleibt dabei erhalten. Die Symmetrie hat den Vorteil, dass die Impedanz an den Anschlüssen für beide Stromrichtungen jeweils identisch oder nahezu identisch ist. Dadurch wird ein gleichmäßiger Stromfluss möglich.
Die DC-Anschlüsse 14a, 15a, 20a, 21a, 14b, 15b, 20b, 21b können zum Anschließen an Stromschienen oder an ein Zwischenkreiskondensatormodul Verbindungselemente zum elektrischen Verbinden und/oder ein Befestigungsmittel zum mechanischen Befestigen aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel sind Löcher zum Einführen eines korrespondierenden Kontaktelementes und/oder eines Befestigungsmittels vorgesehen.
Die Verbindungselemente der DC-Kondensatoranschlüsse 21, 15 können anders als die Verbindungselemente der DC-Anschlusspaare 14, 20 ausgebildet sein. Beispielsweise können Bohrlochgrößen variieren oder es können komplett unterschiedliche Verbindungselemente verwendet werden. Der Abstand des ersten Anschlusses 14a, 15a, 20a, 21a zum zweiten Anschluss 14b, 15b, 20b, 21b kann bei dem oder den DC-Kondensator-Anschlusspaaren 15, 21 ebenso unterschiedlich groß sein als bei dem oder den DC-Anschlusspaaren 14, 20. Die DC-Kondensator-Anschlusspaaren 15, 21 werden an Verbinder und Zwischenkreiskondensatormodule und die DC-Anschlusspaaren 14, 20 an Stromschienen angeschlossen.
Das Leistungsphasenmodul 10 weißt in 1 eine Gatesteuerung 24 auf. Die Gatesteuerung 24 ist mit den Schaltvorrichtungen 16, 23 verbunden. Sie steuert die Schaltvorrichtungen 16, 23 in derart, dass eine anliegende Gleichspannung an der Schaltvorrichtung 16, 23 in eine Wechselspannung oder umgekehrt umgewandelt wird. Die Schaltvorrichtung kann dabei insbesondere IGBTs mit einem steuerbaren Gate aufweisen.
Die Gatesteuerung 24 gibt eine Frequenz vor, in der die Schaltvorrichtungen 16, 23 so gesteuert werden, dass eine Wechselspannung mit der korrespondierenden Frequenz an den jeweiligen AC-Ausgängen 13, 22 erzeugt wird. Die Frequenzen und/oder der Spannungsverlauf der AC-Ausgänge kann unterschiedlich sein. Insbesondere können die Wechselspannungen aufeinander abgestimmt sein, sodass unterschiedliche Phaseneingänge eines Elektromotors mit unterschiedlichen AC-Ausgängen 13, 22 gespeist werden können.
Die Kühlvorrichtung 17 kann Hydraulikanschlüsse zum Führen von Kühlmittel in die und aus der Kühlvorrichtung 17 aufweisen. Die Hydraulikanschlüsse sind vorteilhaft an der Stirnseite 12 angeordnet, sodass bei einem Anschließen durch ein Aufschieben des Leistungsphasenmodules 10 auf die Stromschienenpaare und das Zwischenkreiskondensatormodul ebenfalls die Kühlvorrichtung mit ihren Hydraulikanschlüssen an ein Kühlmittelführungssystem angeschlossen wird.
2 zeigt die Ausführungsform des Leistungsphasenmodules 10 der 1 ohne die zweite Querbrücke 19 und die zweiten Anschlüsse 14b, 15b, 20b, 21b, der DC-Kondensator-Anschlusspaare 15', 21' und der DC-Anschlusspaare 14', 20'.
In 1 verdeckte die zweite Querbrücke 19 , dass die Schaltvorrichtung 16 mit der ersten Querbrücke 18 verbunden ist. Ebenso ist die Schaltvorrichtung 16 mit ihrem dazugehörigen AC-Anschluss 13 verbunden.
3 zeigt ein Leistungsphasenmodul 10 mit angeschlossenem Zwischenkreiskondensatormodul 30. Das Zwischenkreiskondensatormodul 30 weist vier Anschlüsse auf und ist daher sowohl an das erste DC-Kondensator-Anschlusspaar 15 also auch an das zweite DC-Kondensator-Anschlusspaar 21 angeschlossen.
Die Schaltvorrichtungen 16, 23 sind mit jeweils zwei Kontaktpunkten mit den Querbrücken 18, 19 kontaktiert. Jede Schaltvorrichtung ist als Dual-Schaltmodul ausgebildet und weist zwei Halbbrücken auf, wobei jede Halbbrücke mit einem Kontaktpunkt mit den Querbrücken kontaktiert ist.
Das Zwischenkreiskondensatormodul 30 weist mindestens einen Kondensator auf, der als Zwischenkreiskondensator geeignet ist. Die Querbrücken 18, 19 sind zusammen mit dem Kondensator des Zwischenkreiskondensatormodules 30 Teil des Zwischenkreis in einem Betriebszustand des Leistungsphasenmoduls 10 beziehungsweise des Umrichters. Dabei ist der Zwischenkreiskondensator Teil des Kommutierungskreises, also dem Stromkreis, bei dem sich bei einem Schaltvorgang der Schaltvorrichtung 16, 23 der Strom ändert. Der Zwischenkreiskondensator des Zwischenkreiskondensatormoduls 30 wird daher auch Kommutierungskondensator genannt.
Die elektrische Verbindung zwischen Schaltvorrichtungen 16, 23 und Zwischenkreiskondensatormodul 30 ist niederinduktiv. Dies wird durch den kompakten Aufbau des Leistungsphasenmoduls 10 erreicht. Das Zwischenkreiskondensatormodul 30 ist räumlich nah und damit niederinduktiv an die Schaltvorrichtungen 16, 23 angebunden. Zusätzlich sind die Querbrücken 18, 19 nah aneinander beziehungsweise übereinander angeordnet. Dadurch überlappen sich die Strompfade in den Querbrücken 18, 19 zwischen Schaltvorrichtung 16, 23, Zwischenkreiskondensatormodul 30 und DC-Anschlusspaaren 14, 20 optimal und die Induktivität des Leistungsphasenmoduls 10 wird verringert.
Die 4 zeigt einen Umrichter nach einer Ausführungsform mit zwei Leistungsphasenmodulen 10, 10*. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur zwei Leistungsphasenmodule 10, 10* dargestellt. Es können noch weitere Leistungsphasenmodule entsprechend der Ausrichtung der beiden gezeigten neben den anderen angeordnet werden. Die Leistungsphasenmodule 10, 10* sind nebeneinander so angeordnet, dass ihre Stirnseiten in dieselbe Richtung zeigen.
Die DC-Anschlusspaare sind jeweils an Stromschienenpaare 31, 32 angeschlossen, die hinter den Stirnseiten der Leistungsphasenmodule 10, 10* verlaufen. Die Stromschienenpaare 31, 32 weisen eine erste Stromschiene 31a eine zweite Stromschiene 31b, eine dritte Stromschiene 32a, und eine vierte Stromschiene 32b auf. Eine Detailansicht eines Stromschienenpaares 32 ist in 5 gezeigt.
Jedem Leistungsphasenmodul 10, 10* ist ein Zwischenkreiskondensatormodul 30, 30* zugeordnet und jedes Leistungsphasenmodul 10, 10* ist an seinen DC-Kondensator-Anschlusspaaren mit dem zugeordnetem Zwischenkreiskondensatormodul 30, 30* verbunden. In der Darstellung der 4 ist das zweite Zwischenkreiskondensatormodul 30* nicht sichtbar, da es hinter dem Leistungsphasenmodul 10* an deren Stirnseite angeordnet ist. Die Verbindung wird über Verbindungselemente elektrisch und mechanisch hergestellt. Die Verbindungselemente mit den korrespondierenden Kontaktelementen sind Löcher beziehungsweise Muttern und Schrauben.
Die Stromschienenpaare 31, 32 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander und so voneinander beabstandet, dass das Zwischenkreiskondensatormodul 30 zwischen den Stromschienenpaaren 31, 32 platziert werden kann. Die Anschlüsse der Stromschienenpaare 31, 32 und die Anschlüsse des Zwischenkreiskondensatormoduls 30 sind dann in einer Ebene und in einer Reihe angeordnet, sodass das Leistungsphasenmodul mit seiner Stirnseite voran an diese Ebene geschoben werden und angeschlossen werden kann.
Der Umrichter weist Verbinderpaare 33, 34 auf. Der erste Verbinder 33a, der zweite Verbinder 33b, der dritte Verbinder 34a, und der vierte Verbinder 34b verbinden die Zwischenkreiskondensatormodule 30 mit einander elektrisch. Abhängig von der Anzahl der Anschlüsse der Zwischenkreiskondensatormodule 30 beziehungsweise der Anzahl der DC-Kondensator-Anschlusspaare der Leistungsphasenmodule 10, 10* kann die Anzahl der Verbinder 33a, 33b, 34a, 34b variieren. Vorteilhaft ist die Anzahl der Verbinder 33a, 33b, 34a, 34b identisch mit der Anzahl der Anschlüsse der DC-Kondensator-Anschlusspaare, sodass alle Anschlüsse verbunden werden können. Die Verbinder 33a, 33b, 34a, 34b verbinden die Zwischenkreiskondensatormodule 30, sodass diese parallel geschaltet sind.
Bei einem Umrichter mit Verbindern 33a, 33b, 34a, 34b sind gemäß einer Ausführungsform sowohl die Zwischenkreiskondensatormodule 30, 30* als auch die Schaltvorrichtungen 16, 16* in den Leistungsphasenmodulen 10, 10* parallel geschaltet. Zusätzlich zu der Parallelschaltung durch die Verbinder 33a, 33b, 34a, 34b sind die Schaltvorrichtungen 16, 16* und die Zwischenkreiskondensatormodule 30, 30* durch die Stromschienen 31a, 31b, 32a, 32b und die Querbrücken 18, 19, 18*, 19* parallel geschaltet. Diese zweite Parallelschaltung weist eine höhere Induktivität und einen geringen Ohm'schen Widerstand auf als die der Verbinder 33a, 33b, 34a, 34b. Elektrisch sind die Zwischenkreiskondensatormodule 30, 30* daher über einerseits zwei niederinduktive, hochohmige Verbindungen und anderseits über zwei hochinduktive, niederohmige Verbindungen parallel geschaltet sind.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Material der Verbinder 33a, 33b, 34a, 34b einen größeren spezifischen Widerstand als das Material der Stromschienen 31a, 31b, 32a, 32b auf. Beispielsweise sind die Verbinder 33a, 33b, 34a, 34b im Wesentlichen aus einem Stahl geformt und die Stromschienen 31a, 31b, 32a, 32b sind im Wesentlichen aus Kupfer oder Aluminium geformt.
Die Verbinder 33a, 33b, 34a, 34b sind beispielsweise aus einem Metallblech geformt. Es kann abschnittsweise zusammengesetzt sein, sodass bei einem Ausbau eines Zwischenkreiskondensatormodules 30, 30* die Verbinder 33a, 33b, 34a, 34b nur an den Verbindungsstellen zum Zwischenkreiskondensatormodul 30, 30* ausgebaut werden müssen.
Die 5 zeigt eine Detailansicht eines Stromschienenpaares 32 mit einer ersten Stromschiene 32a und einer zweiten Stromschiene 32b. Die Stromschienen sind durch eine Isolation 35 miteinander mechanisch verbunden und elektrisch voneinander isoliert. Die Isolation kann aus einem festen Material bestehen, beispielsweise aus einem Kunststoff.
Stromschienen können ein korrespondierendes Kontaktelement 36 zum Befestigen an dem Verbindungselement eines DC-Anschlusspaares aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das korrespondierendes Kontaktelement ein Stift mit oder ohne Gewinde zum Befestigen von beispielsweise einer Mutter oder einer Klemme an einem DC-Anschlusspaar 14, 20.
Die 6 zeigt eine vereinfachte, schematische Darstellung des Ausbaus eines modularen Umrichters. Für die Übersichtlichkeit sind nur zwei Leistungsphasenmodule 10, 10* eingezeichnet. Jedes Leistungsphasenmodul 10, 10* weist eine Schaltvorrichtung 16, 16* und eine Kühlvorrichtung 17, 17* auf. AC-Anschlüsse oder Steuervorrichtungen sind in dieser Darstellung nicht gezeigt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Leistungsphasenmodul mindestens eine Steuerung 24 zum Steuern der Schaltvorrichtung 16, 23 auf. Die Steuerung ist vorteilhaft an der anderen Stirnseite 11 angeordnet. Insbesondere kann die Steuerung eine Gatesteuerung 24 sein und das Steuern der Schaltvorrichtung 16, 23 über Gates in den Halbleiterkomponenten ausgeführt sein.
Die Leistungsphasenmodule 10, 10* sind an Stromschienenpaare 31, 32 angeschlossen. Zwischen den Stromschienenpaaren 31, 32 sind Zwischenkreiskondensatormodule (30), 30* angeordnet. Jedem Leistungsphasenmodul 10, 10* ist ein Zwischenkreiskondensatormodul (30), 30* zugeordnet aber in dieser Darstellung ist nur eines der beiden Zwischenkreiskondensatormodule (30), 30* erkennbar. Ein weiteres Zwischenkreiskondensatormodul 30** ist so angeordnet, dass ein weiteres Leistungsphasenmodul mit der gleichen Ausrichtung der beiden anderen Leistungsphasenmodule 10, 10* über ihm platziert werden könnte.
Die Zwischenkreiskondensatormodule sind über Verbinder 33a, 33b, 34a, 34b parallel geschaltet. Zusätzlich sind die Zwischenkreiskondensatormodule über die Querbrücken 18, 19, 18*, 19* und die Stromschienenpaare 31, 32 parallel geschaltet.
Die 7 zeigt eine Ausführungsform der modularen Zwischenkreisschaltung. Es sind drei Zwischenkreiskondensatormodule 30 skizziert. Die Schaltvorrichtungen 16 sind parallel zu jeweils einem Zwischenkreiskondensatormodul 30 geschaltet. Zur Übersicht ist nur eine der Schaltvorrichtungen 16 und nur eines der Zwischenkreiskondensatormodule 30 mit Referenzzeichen versehen. Die drei gezeigten Schaltvorrichtungen 16 und die drei Zwischenkreiskondensatormodule 30 sind in dieser Ausführungsform identisch. Die Zwischenkreiskondensatormodule 30 weisen jeweils einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, wobei die ersten Anschlüsse zwei in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule 30 über eine erste niederohmige, hochinduktive Verbindung VL1 und eine erste hochohmige, niederinduktive Verbindung VR1 verbunden sind, die zweiten Anschlüsse zwei in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule 30 über eine zweite niederohmige, hochinduktive Verbindung VL2 und eine zweite hochohmige, niederinduktive Verbindung VR2 verbunden sind, die erste hochohmige, niederinduktive Verbindung VR1 parallel zu der zweiten hochohmigen, niederinduktiven Verbindung VR2 geschaltet ist, und die erste niederohmige, hochinduktive Verbindung VL1 parallel zu der zweiten niederohmigen, hochinduktiven Verbindung VL2 geschaltet ist.
Durch die erste niederohmige, hochinduktive Verbindung VL1 und die zweite niederohmige, hochinduktive Verbindung VL2 sind die zwei in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule 30 niederohmig und hochinduktiv parallelgeschaltet. Zusätzlich sind durch die erste hochohmige, niederinduktive Verbindung VR1 und die zweite hochohmige, niederinduktive Verbindung VR2 die zwei in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule 30 hochohmig und niederinduktiv parallel geschaltet.
Die Impedanzen der ersten niederohmigen, hochinduktiven Verbindung VL1 und der zweiten niederohmigen, hochinduktiven Verbindung VL2 sind identisch und die Impedanzen der ersten hochohmigen, niederinduktiven Verbindung VR1 und der zweiten hochohmigen, niederinduktiven Verbindung VR2 sind identisch. Die modulare Zwischenkreisschaltung weist daher eine Symmetrie auf, die einen symmetrischen Stromfluss in beide Stromrichtungen ermöglicht.
Die Zwischenkreiskondensatormodule 30 weisen in der Ausführungsform der 7 jeweils einen Zwischenkreiskondensator auf. Die dargestellten Kondensatoren bilden daher jeweils ein Zwischenkreiskondensatormodul 30. Jeder Zwischenkreiskondensator weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf und der erste Anschluss und der zweite Anschluss des Zwischenkreiskondensators bildet gleichzeitig den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensatormodules. Alternativ können auch mehrere Zwischenkreiskondensatoren das Zwischenkreiskondensatormodul 30 bilden.
Realisiert werden können die niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2 beispielsweise durch parallele Stromschienen 30a, 30b und Querbrücken 18. In einem Betriebszustand liegt eine Gleichspannung U_DC zwischen der oberen Stromschiene 30a und der unteren Stromschiene 30b an. Diese Gleichspannung U_DC speist die Schaltvorrichtungen 16, die durch eine Steuervorrichtung eine Wechselspannung generieren. Die dazugehörigen Zwischenkreiskondensatoren in den Zwischenkreiskondensatormodulen 30 dienen als elektrischen Zwischenspeicher und Puffer. Zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Zwischenkreiskondensatormodule 30 liegt eine Spannung $U_{DC}^{*}$
an. Die Schaltung der Zwischenkreiskondensatormodule 30 ist parallel und in einer Kette bezogen auf die zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensatormodules 30 anliegende Gleichspannung $U_{DC}^{*} .$
Die niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2 sind durch gepunktete Linien dargestellt und enthalten jeweils drei Induktivitäten und einen Ohm'schen Widerstand. Die hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2 sind durch gestrichene Linien dargestellt und enthalten jeweils eine Induktivität und einen Ohm'schen Widerstand. Der Ohm'sche Widerstand in den hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2 ist dabei jeweils größer als der Ohm'sche Widerstand in den niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2.
Die eingezeichneten Induktivitäten und die Ohm'schen Widerstände in der 7 sind wesentlich durch die Größen der Leiterschleifen, der Leitfähigkeit der Leiter und den Querschnitt des Leiters bestimmt. Da der Umrichter als Leistungsumrichter mit hohen Strömen ausgebildet ist, müssen die Leiter dementsprechend angepasst sein. Beispielsweise weisen die Leiter, die die niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2 bilden, ein Material mit hoher Leitfähigkeit, insbesondere Kupfer oder Aluminium, auf und die Leiter, die die hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2 bilden, weisen ein Material geringerer Leitfähigkeit, insbesondere Stahl, auf.
Die 8 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Schaltung von 7. Die Ohm'schen Widerstände der niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2 und die Induktivitäten der hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2 sind nicht mehr eingezeichnet. In der Praxis sind Leiter ohne Ohm'schen Widerstand oder ohne Induktivität per se nicht möglich. Die Schaltung ist daher für den Fachmann so zu verstehen, dass die Leiter entweder durch ihre induktiven Eigenschaften oder ihre Ohm'schen Eigenschaften im Wesentlichen ausgezeichnet sind.
Da die Zwischenkreisschaltung für sehr hohe Ströme ausgelegt ist, würde die Anordnung ohne die hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2 einen sehr schwach gedämpften L-C-Kettenleiter darstellen. In der Darstellung der 8 bildet die modulare Zwischenkreisschaltung einen L-C-Kettenleiter mit einem zusätzlichen R-Glied parallel zum L-Glied. Dabei ist die Induktivität der hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2 sowie der Ohm'sche Widerstand der niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2 vernachlässigt. Das L-Glied wird durch die Induktivität L der ersten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1 und der zweiten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL2 und das C-Glied durch die Kapazität C des Zwischenkreiskondensatormodules 30 gebildet, wobei das L-Glied und das C-Glied einen L-C-Schwingkreis bilden und das R-Glied zusätzlich parallel zum L-Glied geschaltet ist. Das R-Glied wird durch die erste hochohmige, niederinduktive Verbindung VR1 und die zweite hochohmige, niederinduktive Verbindung VR2 gebildet. Daher ist der Ohm'sche Widerstand der hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2 derart geschaltet, dass er die Schwingung des L-C-Schwingkreises dämpft.
Zusätzlich zu den Gleichspannungen U_DC und Gleichspannung $U_{DC}^{*}$
werden parasitäre Wechselspannungsanteile durch die Schaltvorrichtung und den L-C-Schwingkreis in dem System erzeugt. Diese Wechselstromanteile verringern die Effizienz des Umrichters und sollen gedämpft werden. Für eine optimale Dämpfung des L-C-Schwingkreises liegt der Ohm'sche Widerstand der ersten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1 und der zweiten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR2 im Bereich von 0,1·R_opt bis 10 · R_opt und $R_{opt} = \sqrt{L / C}$
mit der Induktivität L der niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2 und der Kapazität C des Zwischenkreiskondensatormodules 30.
Die modulare Zwischenkreisschaltung der 7 und 8 können um weitere Zwischenkreiskondensatormodule mit entsprechender Schaltung parallel und in einer Kette mit den anderen Zwischenkreiskondensatormodulen 30 erweitert werden. Insbesondere kann eine modulare Zwischenkreisschaltung beispielsweise 1 bis 6 oder 1 bis 8 Zwischenkreiskondensatormodule 30 aufweisen. Alle Zwischenkreiskondensatormodule 30 innerhalb der Kette sind identisch zu ihren benachbarten Zwischenkreiskondensatormodulen 30 untereinander geschaltet. Davon ausgenommen sind die beiden Zwischenkreiskondensatormodule 30 an den Rändern der Kette, da diese nur einen unmittelbaren Nachbarn haben.
In 8 ist der Teil der Schaltung eingezeichnet, der einem Leistungsphasenmodul 10 entspricht. Dabei sind die Schaltvorrichtung 16 und ein Teil der niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2, nämlich die Querbrücken 18, Teil des Leistungsphasenmodules 10. Die hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2 sind nicht Teil des Leistungsphasenmoduls. Das Leistungsphasenmodul 10 wird auch die Stromschienen 30a, 30b aufgesetzt und bildet so die niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2 mit diesen und den im Leistungsphasenmodul 10 angeordneten Querbrücken 18. Die modulare Zwischenkreisschaltung wird in dieser Ausführungsform dadurch erst mit dem Leistungsphasenmodul 10 erzeugt.
9 zeigt eine Ausführungsform der modularen Zwischenkreisschaltung. Es sind acht Module dargestellt. Zur Übersicht sind keine Schaltvorrichtungen eingezeichnet. Diese sind jeweils parallel zu den Zwischenkreiskondensatormodulen 30 schaltbar. Alle Zwischenkreiskondensatormodule 30 sind parallel und in einer Kette geschaltet. Sie weisen vier Anschlüsse auf. Zur besseren Übersicht sind weiterhin Bezugszeichen nur einmal eingezeichnet. Jedes Modul der Zwischenkreisschaltung weist identische Bestandteile auf.
Analog zur 8 sind in der 9 Ohm'sche Widerstände der niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2, VL3, VL4 sowie Induktivitäten der hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2, VR3, VR4 nicht eingezeichnet.
In der Ausführungsform der 9 weist jedes Zwischenkreiskondensatormodul 30 jeweils zwei Zwischenkreiskondensatoren auf. Die Zwischenkreiskondensatoren sind zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss sowie zwischen einem dritten Anschluss und einem vierten Anschluss des Zwischenkreiskondensatormoduls 30 geschaltet. Der zweite und der dritte Anschluss liegen auf demselben Potential und der erste und der vierte Anschluss liegen auf demselben Potential. Zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss, beziehungsweise zwischen den dritten und dem vierten Anschluss, liegt in einem Betriebszustand eine Gleichspannung $U_{DC}^{*}$
an. Gegenüber dieser Gleichspannung sind die beiden Zwischenkreiskondensatoren parallel geschaltet.
Die vier Anschlüsse der Zwischenkreiskondensatormodule sind jeweils über eine der niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2, VL3, VL4 und eine der hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2, VR3, VR4 verbunden. Dabei sind die erste hochohmige, niederinduktive Verbindung VR1 parallel zu der zweiten hochohmigen, niederinduktiven Verbindung VR2 geschaltet, die erste niederohmige, hochinduktive Verbindung VL1 parallel zu der zweiten niederohmigen, hochinduktiven Verbindung VL2 geschaltet, die dritten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR3 parallel zu den vierten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR4 geschaltet, und die dritten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL3 parallel zu den vierten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL4 geschaltet.
Insbesondere sind die vier niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen VL1, VL2, VL3, VL4 voneinander separat und im Wesentlichen, nämlich anhand der Bauteile, die ihre elektrischen Eigenschaften dominieren, voneinander disjunkt. Ebenso können analog jedoch davon unabhängig die hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen VR1, VR2, VR3, VR4 voneinander separat und im Wesentlichen, nämlich anhand der Bauteile, die ihre elektrischen Eigenschaften dominieren, voneinander disjunkt sein.
Eine Gleichspannung U_DC liegt jeweils zwischen einer der Stromschienen 31a, 31b des ersten Stromschienenpaares 31 und einer der Stromschienen 32a, 32b des zweiten Stromschienenpaares 32 an. Die Gleichspannung U_DC speist in einem Betriebszustand, bei dem die modulare Zwischenkreisschaltung in einer Umrichterschaltung zur Erzeugung einer Wechselspannung genutzt wird, die nicht eingezeichneten Schaltvorrichtungen. An einem AC-Ausgang der Schaltvorrichtung kann eine Wechselspannung abgegriffen werden. In einem anderen Betriebszustand kann die Umrichterschaltung auch umgekehrt eine Gleichspannung aus einer Wechselspannung erzeugen.
Die modulare Zwischenkreisschaltung in der 9 ist derart aufgebaut, dass räumlich neben jedem stromdurchflossenen Leiter ein anderer stromdurchflossener Leiter angeordnet ist, dessen Stromrichtung entgegengesetzt zum ersten Leiter ist. Dadurch wird die Größe von Leiterschleifen minimiert und die Induktivität verringert. Die Umrichterschaltung kann daher auch in einem Umrichter genauso geometrisch umgesetzt werden. Der Teil der Schaltung, der einem Leistungsphasenmodul 10 eines Umrichters entsprechen würde, ist in 9 ebenso skizziert, wobei die Schaltvorrichtung nicht eingezeichnet ist.
10 zeigt ein Schienenfahrzeug 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Umrichterschaltung kann dabei mit einem Energiewandler, insbesondere einem Traktionsmotor, zum Umwandeln von elektrischer Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt, derart verbunden sein, dass der Energiewandler mit mindestens einem der ersten AC-Anschlüsse einer der Schaltvorrichtungen verbunden ist. Neben den Traktionsmotor kann beispielsweise auch die Bordelektronik oder eine Nutzbremse mit der Umrichterschaltung über einen AC-Anschluss einer damit verbundenen Schaltvorrichtung angeschlossen sein.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, beispielsweise können die Zwischenkreiskondensatormodule 30 der 7 und 8 ebenso mehrere Zwischenkreiskondensatoren aufweisen.

Claims

Modulare Zwischenkreisschaltung für einen Leistungsumrichter mit mindestens zwei oder mehreren parallel in einer Kette geschalteten Zwischenkreiskondensatormodulen (30), wobei jedes Zwischenkreiskondensatormodul (30) einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und mindestens einen ersten Zwischenkreiskondensator aufweist, der mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss elektrisch verbunden ist, wobei: - die ersten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule (30) jeweils über eine erste niederohmige, hochinduktive Verbindung (VL1) und eine dazu parallel geschaltete erste hochohmige, niederinduktive Verbindung (VR1) verbunden sind, und - die zweiten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule (30) jeweils über eine zweite niederohmige, hochinduktive Verbindung (VL2) und eine dazu parallel geschaltete zweite hochohmige, niederinduktive Verbindung (VR2) verbunden sind.
Modulare Zwischenkreisschaltung nach Anspruch 1, wobei die modulare Zwischenkreisschaltung mindestens drei parallel und in einer Kette geschaltete Zwischenkreiskondensatormodule (30) aufweist.
Modulare Zwischenkreisschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen (VL1) und die zweiten niederohmigen, hochinduktiven Verbindungen (VL2) eine mindestens um den Faktor 2, insbesondere um den Faktor 5, höhere Induktivität aufweisen als die ersten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen (VR1) und die zweiten hochohmigen, niederinduktiven Verbindungen (VR2).
Modulare Zwischenkreisschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Modul der modularen Zwischenkreisschaltung in einem Ersatzschaltbild als Vierpol beschrieben werden kann, die Module als Kettenleiter geschaltet sind, und das Ersatzschaltbild des Vierpoles durch ein zum Vierpol in Reihe geschaltetes niederohmiges, hochinduktives R-L-Glied und ein dazu parallel geschaltetes hochohmiges, niederinduktives R-L-Glied, sowie ein zum Vierpol parallel geschaltetes C-Glied gebildet wird, wobei das C-Glied durch das Zwischenkreiskondensatormodul; das niederohmige, hochinduktive R-L-Glied durch die erste und die zweite niederohmige, hochinduktive Verbindung; und das hochohmige, niederinduktive R-L-Glied durch die erste und die zweite hochohmige, niederinduktive Verbindung gebildet ist.
Modulare Zwischenkreisschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Ohm'sche Widerstand der ersten hochohmigen, niederinduktiven Verbindung (VR1) und der zweiten hochohmigen, niederinduktiven Verbindung (VR2) im Bereich von 0,1 · R_opt bis 10 · R_opt liegt mit $R_{o p t} = \sqrt{L / C}$
mit der Induktivität L der ersten niederohmigen, hochinduktiven Verbindung (VL1) oder der zweiten niederohmigen, hochinduktiven Verbindung (VL2) und der Kapazität C des Zwischenkreiskondensatormodules.
Modulare Zwischenkreisschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zwischenkreisschaltung für Spannungen zwischen dem ersten Anschluss eines Zwischenkreiskondensatormoduls (30) und dem zweiten Anschluss eines Zwischenkreiskondensatormoduls (30) von mindestens 1kV oder mindestens 3kV ausgelegt ist.
Modulare Zwischenkreisschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens eines der Zwischenkreiskondensatormodule (30) zusätzlich einen zweiten Zwischenkreiskondensator aufweist, der parallel zum ersten Zwischenkreiskondensator geschaltet ist.
Modulare Zwischenkreisschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die ersten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule (30) über jeweils eine dritte niederohmige, hochinduktive Verbindung (VL3) verbunden sind, - die zweiten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule (30) über jeweils eine vierte niederohmige, hochinduktive Verbindung (VL4) verbunden sind.
Modulare Zwischenkreisschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes Zwischenkreiskondensatormodul (30) zusätzlich einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss aufweist, und wobei - die dritten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule (30) über eine dritte hochohmige, niederinduktive Verbindung (VR3) verbunden sind, und - die vierten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule (30) über eine vierte hochohmige, niederinduktive Verbindung (VR4) verbunden sind.
Modulare Zwischenkreisschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes Zwischenkreiskondensatormodul (30) zusätzlich einem dritten Anschluss und einen vierten Anschluss aufweist, und wobei - die dritten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule (30) über jeweils eine dritte niederohmige, hochinduktive Verbindung (VL3) und eine dazu parallel geschaltete dritte hochohmige, niederinduktive Verbindung (VR3) verbunden sind, - die vierten Anschlüsse der in der Kette jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden Zwischenkreiskondensatormodule (30) über jeweils eine vierte niederohmige, hochinduktive Verbindung (VL4) und eine dazu parallel geschaltete vierte hochohmige, niederinduktive Verbindung (VR4) verbunden sind.
Umrichterschaltung mit einer modularen Zwischenkreisschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend mindestens zwei oder mehrere Schaltvorrichtungen (16), mit mindestens jeweils einem DC-Anschlusspaar und mindestens jeweils einem ersten AC-Anschluss, wobei jede Schaltvorrichtung (16) genau einem Zwischenkreiskondensatormodul (30) zugeordnet ist und das DC-Anschluss-Paar jeder Schaltvorrichtung (16) parallel zum zugeordneten Zwischenkreiskondensatormodul (30) geschaltet ist.
Umrichterschaltung nach Anspruch 11, wobei die Umrichterschaltung derart ausgelegt ist, dass ein elektrischer Strom von einem DC-Anschlusspaar zu einem AC-Anschluss einer Schaltvorrichtung (16) in einem Betriebszustand von mindestens 500A oder mindestens 1000A fließen kann.
Energiewandler verbunden mit einer Umrichterschaltung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei mindestens ein AC-Anschluss einer Schaltvorrichtung (16) mit dem Energiewandler verbunden ist.
Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug (100), mit einem Energiewandler, insbesondere einem Traktionsmotor, zum Umwandeln von elektrischer Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt, der in einer Umrichterschaltung nach einem der Ansprüche 11 oder 12 derart geschaltet ist, dass der Energiewandler mit mindestens einem der ersten AC-Anschlüsse einer der Schaltvorrichtungen (16) verbunden ist.