DE102017222114B4

DE102017222114B4 - AC Stromschiene für einen Wechselrichter

Info

Publication number: DE102017222114B4
Application number: DE102017222114.3A
Authority: DE
Inventors: Junsheng Wei
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: DE102017222114A1

Abstract

AC-Stromschiene (1) für einen zumindest einphasigen Wechselrichter,wobei die AC-Stromschiene (1) in zwei voneinander getrennte und in einem Abstand (A) zueinander angeordnete Stromschienenteile (10, 20) geteilt ist, und beide Stromschienenteile (10, 20) jeweils eine Breite (B) und eine Dicke (D) aufweisen,wobei jeder Stromschienenteil (10, 20) mindestens eine in einem vorgegebenen Winkel in Richtung der Dicke (D) oder Richtung der Breite (B) des Stromschienenteils (10, 20) gebogene Kante (11) aufweist, und wobei das Verhältnis zwischen Breite (B) und Dicke (D) jedes Stromschienenteils (10, 20) in Abhängigkeit der Anzahl der Kanten (11) je Stromschienenteil (10, 20) derart ausgewählt ist, dass ein vorgegebener durch den Stromschienenteil (10, 20) fließender Strom an jeder Kante (11) des Stromschienenteils (10, 20) eine zumindest annähernd gleiche Verteilung zeigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine AC-Stromschiene für einen Wechselrichter und einen Wechselrichter mit einer solchen AC-Stromschiene.
Vor allem für elektrisch betriebene Fahrzeuge oder Hybrid-Fahrzeuge ist die Verwendung von Wechselrichtern zur elektrischen Bestromung von E-Maschinen essentiell. Wechselrichter dienen dazu, Gleichspannung bzw. Gleichstrom in Wechselspannung bzw. Wechselstrom umzurichten. Ein Wechselrichter wandelt also beispielsweise den von einer Fahrzeug-Batterie gelieferten Gleichstrom in einen ein- oder mehrphasigen Wechselstrom um, welcher zum Betrieb der E-Maschine nötig ist. Ein klassischer Wechselrichter enthält ein Leistungsmodul mit Halbleiterschaltern, einen Zwischenkreiskondensator, die peripheren Schaltungen wie Treiber und Steuer-Schaltung, sowie optional ein dazu gehörendes Kühlsystem. Außerdem sind sogenannte Stromschienen (auch Busbar genannt) als Bindeglieder zwischen Batterie bzw. Zwischenkreiskondensator und E-Maschine vorgesehen. Diese Stromschienen ermöglichen den Energiefluss von der Batterie zur E-Maschine sowie umgekehrt und haben Einfluss sowohl auf die Kosten als auch auf den Wirkungsgrad des Wechselrichters.
Als Bindeglied zur Batterie bzw. zum Zwischenkreiskondensator werden sogenannte DC-Stromschienen (DC=Gleichstrom) eingesetzt. Diese sind oft als laminierte Stromschienen ausgeführt, wie z.B. beim Stripline Konzept. Beim Stripline-Konzept liegen die beiden DC-Stromschienen für DC+ und DC- sehr nahe aneinander, so dass eine niedrige Induktivität erhalten wird und hohe Überspannungen damit vermieden werden können.
Als Bindeglied zur E-Maschine werden sogenannte AC-Stromschienen (AC=Wechselstrom) eingesetzt. Im Vergleich zur DC-Stromschiene hat die AC-Stromschiene wenig Einfluss auf das Schaltverhältnis, da die in Serie geschaltete Induktivität der E-Maschine in der Regel viel größer ist. Aufgrund des relativ hohen elektrischen Stromes, der in der AC-Stromschiene fließt, ist der elektrische Widerstand in der AC-Stromschiene aber ein zu beachtender Faktor. Das Problem des elektrischen Widerstands und der damit einhergehende AC-Verlust in der AC-Stromschiene kann erheblich sein, wenn die Schaltfrequenz des Wechselrichters erhöht wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der elektrische Widerstand in der AC-Stromschiene mit steigender Schaltfrequenz ansteigt.
Eine typische Struktur einer AC-Stromschiene (Stromschiene 1) ist in 1 gezeigt. Es ist zu sehen, dass die Stromschiene 1 keine gerade Form aufweist, sondern Kanten 11 aufweist. Dies ist nötig, da in der Regel aufgrund des vorhandenen Bauraums keine geraden Verbindungen zwischen den elektrisch zu verbindenden Komponenten möglich sind. Bei einer dreiphasigen E-Maschine verbinden drei solcher Stromschienen 1 die Ausgänge von Leistungsmodulen des Wechselrichters mit dem Eingang der E-Maschine.
Der oben erwähnte steigende elektrische Widerstand von AC-Stromschienen 1 bei steigenden Schaltfrequenzen wurde bereits in verschiedenen Anwendungen beobachtet. Dementsprechend sind bereits verschiedene Konzepte entwickelt worden, um hier Verbesserungen zu erreichen.
Beispielsweise kann eine AC-Stromschiene so geteilt werden, dass zwei Stromschienenteile parallel verwendet werden, wie in der Veröffentlichung „New PrimePack package to lever IGBT5“ der Infineon AG, PCIM 2015, Nürnberg, erschienen im VDE-Verlag, ISBN 978-3-8007-3924-0, beschrieben wird. Durch dieses Konzept wird der Strom in jedem Stromschienenteil im Vergleich zu vorbekannten einteiligen Stromschienen halbiert, wodurch Hotspots vermieden werden. Die beschriebene Auslegung führt zu einem verteilten Verlust in zwei AC-Stromschienen. Ferner kann mit einem größeren Gesamtquerschnitt der beiden Stromschienenteile im Vergleich zur einteiligen AC-Stromschienen auch der DC-Verlust kleiner werden. Allerdings wird hierbei der AC-Verlust nicht verringert, sondern nur aufgeteilt, d.h. die Stromschiene an sich ist nicht optimiert.
Eine hybride Stromschiene wird in der Schrift CN 204304800 U gezeigt. Dort wird eine AC-Stromschiene mit einer DC-Stromschiene zusammen gepresst und auf der mit Löchern versehenen AC-Stromschiene wird der Strom aufgrund des elektromagnetischen Effekts besser verteilt. Zwar wird hier das Problem des elektrischen Widerstands in der AC-Stromschiene adressiert, es wird aber nur der gerade Teil der Stromschiene berücksichtigt. Der elektrische Widerstand und der damit einhergehende Verlust an Kanten der Stromschiene wird nicht berücksichtigt, obwohl dieser signifikant sein kann.
Weiterer Stand der Technik, der elektrische Verbindungen bereitstellt, ist z.B. aus der US 2010/0051342 A1 oder der DE 10 2015 113 123 A1 bekannt.
Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte AC-Stromschiene für einen Wechselrichter bereitzustellen. Insbesondere soll eine optimierte Auslegung der AC-Stromschiene und eine kombinierte Betrachtung sowohl von DC-Verlust, als auch AC-Verlust erfolgen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird eine AC-Stromschiene für einen zumindest einphasigen Wechselrichter, wobei die AC-Stromschiene in zwei voneinander getrennte und in einem Abstand zueinander angeordnete Stromschienenteile geteilt ist. Beide Stromschienenteile weisen jeweils eine Breite und eine Dicke auf. Jeder Stromschienenteil weist mindestens eine in einem vorgegebenen Winkel in Richtung der Dicke oder Richtung der Breite des Stromschienenteils gebogene Kante auf. Das Verhältnis zwischen Breite und Dicke jedes Stromschienenteils ist nun in Abhängigkeit der Anzahl der Kanten je Stromschienenteil ausgewählt.
Erfindungsgemäß ist das Verhältnis zwischen Breite und Dicke derart ausgewählt, dass ein vorgegebener durch den Stromschienenteil fließender Strom an jeder Kante des Stromschienenteils eine zumindest annähernd gleiche Verteilung zeigt. Ob dies der Fall ist, kann einfach anhand von Simulationen des elektrischen Stromflusses in den Stromschienenteilen und der Verteilung des Stromes im Querschnitt der Stromschienenteile an den Kanten festgestellt werden.
Durch Betrachtung des Stromflusses an den in unterschiedliche Richtungen gebogenen Kanten kann eine optimierte AC-Stromschiene bereitgestellt werden, bei der auch eine Reduzierung des DC-Verlusts erreicht wird.
Unter einer solchen Stromschiene bzw. solchen Stromschienenteilen wird insbesondere ein massiver elektrischer Leiter verstanden, der aus einem relativ gut elektrisch leitfähigen Material besteht, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Eine solche Stromschiene bzw. ein solches Stromschienenteil kann beispielsweise ein Stanz- oder Gussteil sein.
Eine AC-Stromschiene bildet eine Stromschiene, welche zum elektrischen Leiten eines Wechselstroms (AC) dient. In einem Wechselrichter befindet sich eine solche AC-Stromschiene im Wechselstromteil des Wechselrichters. Ebenso kann eine solche AC-Stromschiene eine elektrische Verbindung zwischen einem Wechselrichter und einer als Drehfeldmaschine ausgebildeten E-Maschine bilden.
Eine gebogene Kante der Stromschiene bzw. des Stromschienenteils kann auch als Biegung oder Umlenkung der Stromschiene bzw. des Stromschienenteils bezeichnet werden. Die gebogene Kante bewirkt also eine Richtungsänderung des Längsverlaufs der Stromschiene bzw. des Stromschienenteils. Beispielsweise kann eine solche Kante eine 90°-Biegung/Umlenkung der Stromschiene bzw. des jeweiligen Stromschienenteils bilden. Durch die gebogene Kante wird die Stromschiene bzw. das Stromschienenteil insbesondere an den herrschenden Bauraum angepasst. Es ist hierbei nicht zwangsläufig erforderlich, dass die gebogene Kante durch einen Biegeprozess, also eine gezielte plastische oder elastische Umformung, hergestellt ist. Die gebogene Kante kann stattdessen auch von Anfang an in der Stromschiene bzw. den Stromschienenteilen vorgesehen sein, beispielsweise dann, wenn die Stromschiene bzw. das Stromschienenteil durch einen Gussprozess hergestellt ist.
In einer Ausführung ist das Verhältnis zwischen Breite und Dicke jedes Stromschienenteils derart gewählt, dass unten beschriebene Gleichung Gl. 2 erfüllt ist. Durch diese geeignete Wahl des Breite-zu-Dicke-Verhältnisses der Stromschienenteile kann der DC-Verlust weiter gezielt reduziert werden.
In einer Ausführung ist der Abstand der Stromschienenteile in horizontaler Richtung (X-Richtung) und in vertikaler Richtung (Y-Richtung) zueinander in Abhängigkeit der Schaltfrequenz des Wechselrichters und des damit zusammenhängenden Verlusts gewählt. Durch das Wählen des hierfür geeigneten Abstands zwischen den beiden Stromschienenteilen kann auch der AC-Verlust reduziert werden, so dass eine Optimierung der Stromschiene sowohl bezüglich des DC-, als auch des AC-Verlusts möglich ist. Auch dieser Abstand kann einfach anhand von Simulationen des elektrischen Stromflusses in den Stromschienenteilen festgestellt werden, insbesondere unter Berücksichtigung der hierauf wirkenden Effekte, also vor allem des Proximity-Effekts und des Skin-Effekts.
In einer Ausführung sind die Stromschienenteile in eine Leiterplatte integriert. Beispielsweise können die Stromschienenteile in die Leiterplatte eingebettet sein. Insbesondere können die Stromschienenteile zwischen Lagen der Leiterplatte eingebettet sein. In einer Ausführung entspricht die Dicke zumindest eines der Stromschienenteile der Dicke einer Kupferlage der Leiterplatte. Durch Integration der Stromschiene in eine Leiterplatte kann Platz gespart werden.
Ferner wird ein Wechselrichter vorgeschlagen, der zumindest die vorgeschlagene AC-Stromschiene aufweist. Die AC-Stromschiene befindet sich hierbei also in einem Wechselstromteil des Wechselrichters und dient zum elektrischen Leiten eines Wechselstromes. Wie Eingangs erläutert, weist ein solcher Wechselrichter ein Leistungsmodul mit Halbleiterschaltern und einen Zwischenkreiskondensator auf. Des Weiteren kann der Wechselrichter die peripheren Schaltungen wie Treiber und eine Steuer-Schaltung (Steuergerät), sowie optional ein Kühlsystem, aufweisen.
Ferner wird ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Dieses verfügt über eine mit Wechselstrom betreibbare E-Maschine als Traktionsantrieb oder als Stellantrieb sowie den vorgeschlagenen Wechselrichter, der hierbei zur elektrischen Bestromung der E-Maschine dient. Die AC-Stromschiene dient hierbei insbesondere zum Leiten des zum Betrieb der E-Maschine erforderlichen elektrischen Wechselstromes von dem Wechselrichter zur E-Maschine.
In einer Ausführung ist der Wechselrichter ein Halbleiterwechselrichter. Die AC-Stromschiene ist insbesondere für Halbleiterwechselrichter geeignet, da hier deutlich höhere Schaltfrequenzen verwendet werden als bei herkömmlichen Wechselrichtern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt eine AC-Stromschiene gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt einen Querschnitt einer vorgeschlagenen AC-Stromschiene.
3 zeigt einen Ausschnitt einer vorgeschlagenen AC-Stromschiene.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie Eingangs bereits erwähnt kann das Problem des Verlusts in einer AC-Stromschiene erheblich sein, wenn die Schaltfrequenz des Wechselrichters erhöht ist, z.B. durch den Einsatz von breitbandigen Halbleiterschaltern. Der Widerstand und damit der Verlust in der AC-Stromschiene kann dabei in zwei Teile aufgeteilt werden, nämlich in den DC-Widerstand (bestimmt den DC-Verlust) und den AC-Widerstand (bestimmt den AC-Verlust). Der DC-Widerstand hängt nicht von der Frequenz des Stroms ab, wobei der AC-Widerstand erheblich von frequenzabhängigen Effekten wie Skin- und Proximity-Effekten beeinflusst wird. Der AC-Widerstand der Stromschiene kann bei 100 kHz in etwa achtfach so hoch sein wie der DC-Widerstand.
Mit diesen Verlusten in der AC-Stromschiene können thermische Probleme auftreten. Diese Probleme können noch größer werden, wenn neue (breitbandige) Halbleiterschalter, wie z.B. auf GaN und SiC basierende Halbleiterschalter, verwendet werden, die mit einer sehr hohen Schaltfrequenz eingesetzt werden.
Aufgrund dieser Tatsachen wird die Anordnung der AC-Stromschiene optimiert, indem eine AC-Stromschiene 1 in zwei voneinander getrennte Stromschienenteile 10 und 20 geteilt ist. Hierzu wird ein Teil 10 in einem Abstand A benachbart zu dem anderen Teil 20 angeordnet, wie auch in 3 zu sehen.
Nachfolgend wird zuerst eine Optimierung, d.h. Reduzierung, des DC-Verlusts erklärt. Anschließend wird eine Optimierung, d.h. Reduzierung, des AC-Verlusts erklärt. Durch Kombination beider Optimierungen wird eine deutlich verbesserte AC-Stromschiene erhalten, bei der sowohl der AC- als auch der DC-Verlust in Bezug auf deren Wechselwirkung optimiert sind.
Um den DC-Verlust zu reduzieren wird das Breite-zu-Dicke-Verhältnis B/D von beiden Schienenteilen 10 und 20 in Abhängigkeit von der Anzahl der gebogenen Kanten 11 optimiert. In 2 ist ein Querschnitt einer AC-Stromschiene 1 gezeigt, wobei die Dicke D und die Breite B der Stromschiene 1 gezeigt sind.
Die Winkel, in dem die unterschiedlichen Kanten 11 in der Stromschiene 1 in Richtung Breite B oder Dicke D gebogen sind, können für jede Kante 11 unterschiedlich sein.
Da sich der elektrische Strom in den inneren gewölbten Bereich drängen wird, wird das Breite zu Dicke-Verhältnis der Stromschiene 1 so ausgewählt, dass der Strom an den unterschiedlichen Kanten 11 eine zumindest ähnliche Verteilung zeigt. Dabei ist zu beachten, dass der DC-Widerstand die in Gleichung 1 gezeigte Abhängigkeit von der Breite B und der Dicke D der Stromschiene 1 hat: $R = ρ \frac{l}{A} = ρ \frac{l}{B \times D}$
wobei

• R der DC-Widerstand ist,
• A die Fläche der Stromschiene 1 ist, also B × D,
• ρ stellt den spezifischen Widerstand der Stromschiene 1 dar, und
• l stellt die Länge der Stromschiene 1 dar.

Wenn der Querschnittsfläche der Stromschiene 1 gleich bleiben soll, um die Materialkosten gleich zu halten, muss das Verhältnis zwischen Breite B und Dicke D abhängig von der Anzahl der Kanten 11, die in Richtung der Breite B oder der Dicke D gebogen sind, ausgewählt werden, wie die Gleichung 2 gezeigt: $\frac{B}{D} = \frac{N_{D}}{N_{B}}$
wobei

• N_D die Anzahl der in Richtung der Dicke D gebogenen Kanten 11 (in 2 sind dies die in der Horizontalen gebogenen Kanten), und
• N_B die Anzahl der in Richtung der Breite B gebogenen Kanten 11 (in 2 sind dies die in der Vertikalen gebogenen Kanten)

3 zeigt beispielhaft Stromschienenteile 10 20, die im gezeigten Ausschnitt genau eine in der Horizontalen gebogene Kante 11 (in Richtung der Dicke D gebogen) aufweisen und keine in der Vertikalen gebogene Kante (in Richtung der Breite B gebogen) aufweisen.
Wie beschrieben, kann also durch die Wahl des Verhältnisses zwischen Breite B und Dicke D abhängig von der Anzahl der Kanten 11 der DC-Verlust optimiert werden. Welches Breite-zu-Dicke-Verhältnis im Detail gewählt wird hängt von der jeweiligen Anwendung ab und kann vom Fachmann entsprechend gewählt werden.
Um den AC-Verlust zu reduzieren werden die Kopplungseigenschaften zwischen der geteilten Stromschiene, also den Stromschienenteilen 10 oder 20, verwendet. Hierzu werden die wirkenden Effekte, also vor allem der Proximity-Effekt und der Skin-Effekt, betrachtet und bei der Anordnung der Stromschienenteile 10 oder 20, d.h. bei deren Abstand A zueinander, berücksichtigt. Dieser wird vom Fachmann vorteilhafterweise durch Simulation der beschriebenen Effekte auf die Stromschienenteile 10 und 20 ermittelt.
Eine beispielhafte Platzierung der beiden Stromschienenteile 10 oder 20 zeigt 3. Wichtig ist, dass der Abstand A zwischen den beiden Stromschienenteilen 10 und 20 in horizontaler X-Richtung und vertikaler Y-Richtung optimal ausgewählt wird, um einen reduzierten AC-Verlust zu erzielen.
Das Verhältnis zwischen Breite B und Dicke D der Stromschiene wird anhand der Anzahl der in Richtung der Breite B und der Dicke D gebogenen Kanten 11 bestimmt. Ebenso kann der optimale Abstand Ader Stromschienenteile 10 oder 20 in X- und Y-Richtung mit Hilfe der Frequenz des zu reduzierenden Verlusts bestimmt werden. Dabei ist die Wahl des Verhältnisses und des Abstands A abhängig von der Anwendung und wird dementsprechend vom Fachmann gewählt.
Leiterplatten werden immer häufiger als Stromträger in der Leistungselektronik eingesetzt. Eine sinnvolle Variante ist die Auslegung von AC-Stromschienen in einer Leiterplatte nach dem oben genannten Prinzip. Die Stromschiene ist in diesem Fall in die Leiterplatte integriert, wobei die Dicke D der Stromschiene 1 bzw. der Stromschienenteile 10 und 20 gleich der Dicke der Kupferlage ist.
Im Fall eines mehrphasigen Wechselrichters, welcher in Kombination mit einer mehrphasigen E-Maschine verwendet wird, nimmt die Anzahl der Stromschienen dementsprechend zu. Die Anordnung der Stromschienen kann hier ebenso nach dem oben genannten Prinzip ausgelegt werden.
Die Herstellung der AC-Stromschienen wird gemäß den oben genannten Designprinzipien durchgeführt.
Bezugszeichen

1: Stromschiene
10, 20: Stromschienenteil
11: Kanten
D: Dicke
B: Breite
A: Abstand

Claims

AC-Stromschiene (1) für einen zumindest einphasigen Wechselrichter, wobei die AC-Stromschiene (1) in zwei voneinander getrennte und in einem Abstand (A) zueinander angeordnete Stromschienenteile (10, 20) geteilt ist, und beide Stromschienenteile (10, 20) jeweils eine Breite (B) und eine Dicke (D) aufweisen, wobei jeder Stromschienenteil (10, 20) mindestens eine in einem vorgegebenen Winkel in Richtung der Dicke (D) oder Richtung der Breite (B) des Stromschienenteils (10, 20) gebogene Kante (11) aufweist, und wobei das Verhältnis zwischen Breite (B) und Dicke (D) jedes Stromschienenteils (10, 20) in Abhängigkeit der Anzahl der Kanten (11) je Stromschienenteil (10, 20) derart ausgewählt ist, dass ein vorgegebener durch den Stromschienenteil (10, 20) fließender Strom an jeder Kante (11) des Stromschienenteils (10, 20) eine zumindest annähernd gleiche Verteilung zeigt.
AC-Stromschiene (1) nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis zwischen Breite (B) und Dicke (D) jedes Stromschienenteils (10, 20) derart gewählt ist, dass gilt: $\frac{B}{D} = \frac{N_{D}}{N_{B}}$
wobei • N_D die Anzahl der in Richtung der Dicke (D) gebogenen Kanten (11) des Stromschienenteils (10, 20) und • N_B die Anzahl der in Richtung der Breite (B) gebogenen Kanten (11) des Stromschienenteils (10, 20) darstellen.
AC-Stromschiene (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (A) der Stromschienenteile (10, 20) in horizontaler Richtung und in vertikaler Richtung zueinander in Abhängigkeit der Schaltfrequenz des Wechselrichters gewählt ist.
AC-Stromschiene (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromschienenteile (10, 20) in eine Leiterplatte integriert sind.
AC-Stromschiene (1) nach Anspruch 4, wobei die Dicke (D) zumindest eines der Stromschienenteile (10, 20) der Dicke einer Kupferlage der Leiterplatte entspricht.
Wechselrichter, gekennzeichnet durch eine AC-Stromschiene (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer mit Wechselstrom betreibbaren E-Maschine als Traktionsantrieb oder Stellantrieb, gekennzeichnet durch den Wechselrichter nach Anspruch 6 zur elektrischen Bestromung der E-Maschine.