DE102019100071B4 - High performance capacitor module - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Hochleistungskondensatormodul mit einer Vielzahl von niederinduktiv elektrisch verschalteten Einzelkondensatoren sowie Anschlussterminals für weitere elektronische Komponenten, insbesondere Halbleiterschalter, wobei die Einzelkondensatoren als dichte Packung auf einer Trägerplatte angeordnet und die elektrische Verschaltung über Busbarplatten ausgeführt ist. Erfindungsgemäß ist eine kastenförmige, mediendichte Modulumhausung ausgebildet, welche einen Moduldeckel besitzt, wobei der Moduldeckel vorzugsweise im Bereich räumlich konzentrierter Anschlussterminals in einen Dom übergeht. Weiterhin ist in die Modulumhausung mit Ausnahme des Domes eine Verguss- oder Verfüllmasse eingebracht, wobei sich im Volumen des Domes ein Gasraum bildet, dessen Gasdruck zur Überwachung des Zustandes der Vielzahl von Einzelkondensatoren herangezogen wird.The invention relates to a high-performance capacitor module with a large number of low-inductance, electrically interconnected individual capacitors and connection terminals for further electronic components, in particular semiconductor switches, the individual capacitors being arranged as a tight packing on a carrier plate and the electrical interconnection being implemented via bus bar plates. According to the invention, a box-shaped, media-tight module housing is formed which has a module cover, the module cover preferably merging into a dome in the area of spatially concentrated connection terminals. Furthermore, with the exception of the dome, a potting or filling compound is introduced into the module housing, a gas space being formed in the volume of the dome, the gas pressure of which is used to monitor the state of the large number of individual capacitors.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Hochleistungskondensatormodul mit einer Vielzahl von niederinduktiv elektrisch verschalteten Einzelkondensatoren sowie Anschlussterminals für weitere elektronische Komponenten, nämlich Halbleiterschalter, wobei die Einzelkondensatoren als dichte Packung auf einer Trägerplatte angeordnet sind, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.The invention is based on a high-performance capacitor module with a large number of low-inductively electrically interconnected individual capacitors and connection terminals for further electronic components, namely semiconductor switches, the individual capacitors being arranged as a tight package on a carrier plate, according to the preamble of claim 1.
Aus der
Die Leistungshalbleitermodule sind so angeordnet, dass deren Leistungsanschlüsse in eine definierte Richtung weisen. Die Anschlüsse der Kondensatormodule sind so ausgeführt, dass selbige zu Hauptoberflächen von Außenanschlüssen orientiert werden. Entsprechende Sammelschienen sind so angepasst, dass einerseits die Leistungshalbleitermodule und andererseits die Kondensatormodule elektrisch angeschlossen werden. Der eigentliche Anschluss erfolgt durch Schweißverbindungen oder aber durch mechanische Klemmung. Die Kondensatormodule einerseits und die Leistungshalbleitermodule andererseits sind benachbart auf einer Trägerplatte fixiert, welche auch die erwähnten Sammelschienen aufnimmt. Durch die benachbarte Anordnung zwischen den Kondensatormodulen und den Leistungshalbleitermodulen ohne Zwischenschaltung einer thermischen Entkopplung besteht die Gefahr, dass Verlustwärme der Leistungshalbleitermodule zu einer dauerhaften Schädigung der Kondensatormodule und letztendlich zu deren Ausfall führt.The power semiconductor modules are arranged in such a way that their power connections point in a defined direction. The connections of the capacitor modules are designed in such a way that they are oriented towards the main surfaces of external connections. Corresponding busbars are adapted so that on the one hand the power semiconductor modules and on the other hand the capacitor modules are electrically connected. The actual connection is made by welding connections or by mechanical clamping. The capacitor modules, on the one hand, and the power semiconductor modules, on the other hand, are fixed adjacently on a carrier plate which also accommodates the busbars mentioned. Due to the adjacent arrangement between the capacitor modules and the power semiconductor modules without the interposition of thermal decoupling, there is a risk that heat loss from the power semiconductor modules will lead to permanent damage to the capacitor modules and ultimately to their failure.
Bei dem Leistungselektronikmodul nach
Bei der
Weiterhin ist eine Trägerplatte vorhanden, welche eine Gruppe von Einzelkondensatoren aufnimmt.There is also a carrier plate which holds a group of individual capacitors.
Die Einzelkondensatoren sind als dichte Packung in beliebiger Anzahl und geometrischer Anordnung auf der Trägerplatte befindlich. Die Busbar-Verbindungen sind als mehrlagige Busbarplatte mit isolierender Zwischenschicht ausgeführt.The individual capacitors are tightly packed in any number and in any geometric arrangement on the carrier plate. The busbar connections are designed as a multi-layer busbar plate with an insulating intermediate layer.
Die Einzelkondensatoren werden zwischen der Trägerplatte und der Busbarplatte fixiert, wobei die Busbarplatte sich über bolzenartige Verbindungsmittel gegenüber der Trägerplatte abstützt.The individual capacitors are fixed between the carrier plate and the bus bar plate, the bus bar plate being supported against the carrier plate via bolt-like connecting means.
Die Einzelkondensatoren befinden sich derart im Abstandsraum zwischen der Trägerplatte und der Busbarplatte, dass die auf der zur Busbarplatte gerichteten Becherseite befindlichen Anschlussterminals mit einer jeweiligen leitfähigen Lage der Busbarplatte verbindbar sind.The individual capacitors are located in the space between the carrier plate and the bus bar plate in such a way that the connection terminals located on the cup side facing the bus bar plate can be connected to a respective conductive layer of the bus bar plate.
Mit einer solchen Lösung sind niederinduktive, kurze Verbindungen zwischen einem Kondensatormodul und Halbleiterschaltungen realisierbar. Außerdem wird verhindert, dass die aufgrund Verlustleistung der IGBTs entstehende Wärme sich nachteilig auf die Lebensdauer und das Verhalten benachbarter Kondensatoren auswirkt.With such a solution, short, low-inductance connections between a capacitor module and semiconductor circuits can be implemented. In addition, it prevents the heat generated due to the power loss of the IGBTs from adversely affecting the service life and behavior of neighboring capacitors.
Bei einer Ausführungsform nach
Aus der
Weiterhin ist eine kastenförmige mediendichte Modulumhausung ausgebildet, welche einen Moduldeckel besitzt. In die Modulumhausung ist eine Verguss- oder Verfüllmasse eingebracht, wobei sich im Volumen ein Gasraum bildet, dessen Gasdruck zur Überwachung des Zustandes der Vielzahl von Einzelkondensatoren herangezogen wird.Furthermore, a box-shaped, media-tight module housing is formed which has a module cover. A potting or filling compound is introduced into the module housing, with a gas space being formed in the volume, the gas pressure of which is used to monitor the state of the large number of individual capacitors.
Die
Die
Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Hochleistungskondensatormodul mit einer Vielzahl von niederinduktiv elektrisch verschalteten Einzelkondensatoren sowie Anschlussterminals für weitere elektronische Komponenten, insbesondere Halbleiterschalter, zu schaffen, welches die Einzelkondensatoren auf engem Bauraum mechanisch stabil und gegen Umwelteinflüsse geschützt trägt, wobei gleichzeitig die in einer Gehäuseanordnung entstehende Wärme abgeführt werden kann und dafür gesorgt ist, dass Verlustwärme von in baulicher Nähe befindlichen Halbleiterbauelementen sich nicht nachteilig auf die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der eingesetzten Kondensatoren auswirkt. Letztendlich soll in einfacher Weise eine Überwachung der Funktionalität der Kondensatoren gewährleistet werden, um im Falle auftretender Störungen Schäden, insbesondere durch Auswirkungen auf benachbarte Baugruppen, Bauteile oder sonstige Gerätschaften zu vermeiden.Based on the prior art described, the object of the invention is to create a further developed high-performance capacitor module with a large number of low-inductance, electrically connected individual capacitors and connection terminals for further electronic components, in particular semiconductor switches, which carries the individual capacitors in a mechanically stable manner and is protected against environmental influences in a tight installation space At the same time, the heat generated in a housing arrangement can be dissipated and it is ensured that heat loss from semiconductor components located in structural proximity does not adversely affect the service life and reliability of the capacitors used. Ultimately, the functionality of the capacitors should be monitored in a simple manner in order to avoid damage in the event of malfunctions, in particular through effects on neighboring assemblies, components or other equipment.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch ein Hochleistungskondensatormodul gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The object of the invention is achieved by a high-performance capacitor module according to the combination of features according to claim 1, the subclaims representing expedient refinements and developments.
Es wird demnach von einem Hochleistungskondensatormodul mit einer Vielzahl von niederinduktiv elektrisch verschalteten Einzelkondensatoren ausgegangen. Bei den Einzelkondensatoren kann es sich um in einem Becher befindliche Wickelkondensatorelemente mit entsprechenden Anschlüssen handeln.A high-performance capacitor module with a large number of low-inductance, electrically interconnected individual capacitors is therefore assumed. The individual capacitors can be wound capacitor elements with corresponding connections located in a cup.
Weiterhin umfasst das Hochleistungskondensatormodul Anschlussterminals für weitere elektrische oder elektronische Komponenten, Halbleiterschalter, hier insbesondere IGBTs.Furthermore, the high-performance capacitor module comprises connection terminals for further electrical or electronic components, semiconductor switches, here in particular IGBTs.
Die Einzelkondensatoren sind als dichte Packung auf einer Trägerplatte angeordnet. Die elektrische Verschaltung der einzelnen Kondensatoren erfolgt über gegeneinander isolierte Busbarplatten.The individual capacitors are arranged as a tight packing on a carrier plate. The electrical interconnection of the individual capacitors takes place via bus bar plates that are isolated from one another.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einzelkondensatoren stehend nebeneinander so angeordnet, dass eine Parallelschaltung der Kondensatoren in einfacher Weise realisierbar ist.In a preferred embodiment, the individual capacitors are arranged standing next to one another in such a way that the capacitors can be connected in parallel in a simple manner.
Darüber hinaus ist eine kastenförmige, mediendichte Modulumhausung ausgebildet, welche einen Moduldeckel besitzt.In addition, a box-shaped, media-tight module housing is formed which has a module cover.
Der Moduldeckel geht in einen Dom über.The module cover merges into a dome.
Dieser Dom kann sich vorzugsweise im Bereich räumlich konzentrierter Anschlussterminals befinden. Die Anschlussterminals durchdringen hierbei unter Nutzung einer Isolationsdurchführung den Dom.This dome can preferably be located in the area of spatially concentrated connection terminals. The connection terminals penetrate the dome using an insulation duct.
In die Modulumhausung ist mit Ausnahme des Domes eine elektrisch isolierende Verguss- oder Verfüllmasse eingebracht, wobei sich im Volumen des Doms ein Gasraum bildet.With the exception of the dome, an electrically insulating potting or filling compound is introduced into the module housing, a gas space being formed in the volume of the dome.
Der Druck im Gasraum wird zur Überwachung des Zustandes der Vielzahl von Einzelkondensatoren herangezogen.The pressure in the gas space is used to monitor the state of the large number of individual capacitors.
Diesbezüglich ist ausgestaltend ein in den Gasraum hineinreichender Drucksensor, insbesondere ein Druckschalter, angeordnet.In this regard, a pressure sensor reaching into the gas space, in particular a pressure switch, is arranged.
Wenn der Innendruck innerhalb des Domes einen Grenzwert überschreitet, kann über den Druckschalter eine automatische Abschaltung des Moduls vorgenommen werden. Darüber hinaus kann unter Einsatz eines Drucksensors ein laufendes Monitoring der Druckverhältnisse vorgenommen werden, um eine Schadensfrüherkennung zu ermöglichen bzw. abzuleiten, ob eine turnusmäßige Wartung ansteht.If the internal pressure inside the dome exceeds a limit value, the module can be switched off automatically using the pressure switch. In addition, the pressure conditions can be continuously monitored using a pressure sensor in order to enable early detection of damage or to determine whether regular maintenance is due.
Der Drucksensor bzw. der Druckschalter kann auch in Verbindung mit einem Überdruckventil ausgeführt oder Bestandteil eines solchen Überdruckventils sein.The pressure sensor or the pressure switch can also be designed in connection with a pressure relief valve or be part of such a pressure relief valve.
Im Dom sind isolierte Anschlussterminal-Durchführungen befindlich. Der erwähnte Drucksensor bzw. der Druckschalter kann an einer solchen Seitenfläche des Domes befestigt werden, die bezogen auf den elektrischen Anschluss im Hinblick auf die dort vorhandenen Terminals nicht einschränkend ist.There are isolated connection terminal bushings in the dome. The mentioned pressure sensor or the pressure switch can be attached to such a side surface of the dome which, with respect to the electrical connection, is not restrictive with regard to the terminals present there.
Der Moduldeckel weist eine Vielzahl von Befestigungselementen, zum Beispiel ausgebildet als Befestigungsbolzen, auf, wobei diese Befestigungselemente bzw. Befestigungsbolzen dem Fixieren einer plattenförmigen Wärmesenke dienen.The module cover has a plurality of fastening elements, for example designed as fastening bolts, these fastening elements or fastening bolts serving to fix a plate-shaped heat sink.
Diese kühlplattenartige Wärmesenke erhöht die mechanische Festigkeit der Modulumhausung und kann unter Nutzung eines entsprechenden seitlichen Überstandes zum Befestigen des Hochleistungskondensatormoduls, zum Beispiel in einem Gestell, einem Schaltschrank oder dergleichen genutzt werden.This cooling plate-like heat sink increases the mechanical strength of the module housing and can be used by using a corresponding lateral protrusion to fasten the high-performance capacitor module, for example in a frame, a switch cabinet or the like.
Auf der dem Moduldeckel abgewandten Seite der plattenförmige Wärmesenke sind Halbleiterschalter angeordnet, welche dann mit den Anschlussterminals im Bereich des Domes verbindbar sind.On the side of the plate-shaped heat sink facing away from the module cover, semiconductor switches are arranged, which can then be connected to the connection terminals in the region of the dome.
Die plattenförmige Wärmesenke dient der Wärmeabführung einerseits aus der Modulumhausung und andererseits der Ableitung von Verlustwärme der eingesetzten sonstigen elektronischen Bauelemente, insbesondere der Halbleiterschalter.The plate-shaped heat sink serves to dissipate heat, on the one hand, from the module housing and, on the other hand, to dissipate heat losses from the other electronic components used, in particular the semiconductor switches.
Durch die Sandwichstruktur zwischen Moduldeckel, plattenförmige Wärmesenke und oberseitig der plattenförmigen Wärmesenke befindlichen Verlustleistung erzeugenden Bauelementen wird auch dafür gesorgt, dass die von den insbesondere aktiven elektronischen Bauelementen erzeugte Verlustwärme nicht in das Innere der Modulumhausung eindringt und dort womöglich zu einer Beschädigung der Kondensatoren führt.The sandwich structure between the module cover, plate-shaped heat sink and components generating power loss located on the top of the plate-shaped heat sink also ensures that the heat loss generated by the electronic components in particular does not penetrate the inside of the module housing and possibly damage the capacitors there.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Trägerplatte Bestandteil der Modulumhausung sein. Hier kann die Trägerplatte die Bodenplatte der Modulumhausung bilden.In a further development of the invention, the carrier plate can be part of the module housing. Here the carrier plate can form the base plate of the module housing.
Der Dom kann mit dem Moduldeckel einstückig ausgebildet oder aber auch als ein die Öffnung im Moduldeckel verschließendes Bauteil ausgeführt werden.The dome can be designed in one piece with the module cover or it can also be designed as a component that closes the opening in the module cover.
Die eingesetzte elektrisch isolierende Verguss- bzw. Verfüllmasse ist bevorzugt aushärtend ausgeführt. Diesbezüglich können ein oder mehrere Vergussöffnungen, welche verschließbar sind, im Moduldeckel angeordnet werden.The electrically insulating potting or filling compound used is preferably designed to be hardening. In this regard, one or more potting openings, which can be closed, can be arranged in the module cover.
Die Modulumhausung besteht bevorzugt aus einem metallischen Material, insbesondere Aluminium oder Stahl, und weist an der Innenseite eine elektrische Isolation auf.The module housing is preferably made of a metallic material, in particular aluminum or steel, and has electrical insulation on the inside.
Die Busbarplatten bestehen aus einem lötfähigen Material, insbesondere Kupfer. Im Bereich von Lötinseln sind Einschnitte oder Aussparungen zur thermischen Entkopplung der jeweiligen Lötinsel von der übrigen Busbarplatte ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, die Vielzahl der notwendigen Lötverbindungen mit geringer thermischer Energie auszuführen, so dass ein unerwünschter Wärmeeintrag in die Kondensatorelemente bereits bei der Herstellung der elektrischen Verbindungen vermeidbar ist.The bus bar plates consist of a solderable material, in particular copper. In the area of the soldering islands, incisions or cutouts are formed for thermal decoupling of the respective soldering island from the rest of the busbar plate. This makes it possible to carry out the large number of necessary soldered connections with low thermal energy, so that an undesired introduction of heat into the capacitor elements can already be avoided during the production of the electrical connections.
Das vorgestellte Hochleistungskondensatormodul ist für den Einsatz in Mittel- oder Hochspannungsumrichtern mit Leistungshalbleitern, insbesondere IGBT-Baugruppen, vorgesehen, ohne dass die Verwendung auf den vorgenannten technischen Aspekt beschränkt ist.The presented high-performance capacitor module is intended for use in medium or high-voltage converters with power semiconductors, in particular IGBT assemblies, without the use being restricted to the aforementioned technical aspect.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment and with the aid of figures.
Hierbei zeigen:
-
1 eine perspektivische Darstellung einer kastenförmigen Modulumhausung noch ohne Moduldeckel, jedoch bereits mit Busbarplatte, Teilen der Anschlussterminals sowie Lötinseln, die über Einschnitte zur übrigen Busbarplatte thermisch entkoppelt sind, und -
2 eine perspektivische Darstellung des Hochleistungskondensatormoduls mit geschlossener, das heißt mediendichter Modulumhausung, auf dem Moduldeckel befindlichen Bolzen zur Aufnahme einer nicht gezeigten Kühlplatte sowie einem oberhalb des Moduldeckels befindlichen, mit diesem verbundenen Dom, welcher einen Gasraum bildet nebst Druckschalter zur Überwachung des Gasdruckes sowie zum elektrischen Abtrennen im Falle auftretender Störungen.
-
1 a perspective view of a box-shaped module housing still without a module cover, but already with a bus bar plate, parts of the connection terminals and soldering islands that are thermally decoupled from the rest of the bus bar plate via incisions, and -
2 a perspective view of the high-performance capacitor module with a closed, i.e. media-tight module housing, bolts located on the module cover to accommodate a cooling plate (not shown) and a dome connected to the module cover above the module cover, which forms a gas space along with a pressure switch for monitoring the gas pressure and for electrical disconnection in the event of malfunctions.
Bei den Figuren wird von einer z. B. kastenförmigen Modulumhausung ausgegangen, welche aus vier Seitenwänden
In dem von der Modulumhausung umfassten Innenvolumen ist eine Vielzahl von Kondensatorwickeln bzw. Einzelkondensatoren befindlich.A large number of capacitor windings or individual capacitors are located in the interior volume enclosed by the module housing.
Die Einzelkondensatoren sind beispielhaft nebeneinander, bezogen auf ihre Längsachse stehend, in der Modulumhausung untergebracht. Ein abgebogener Wickelanschluss
Eine zweite, elektrisch isolierende Busbarplatte ist jeweils mit dem zweiten Kondensatorwickelanschluss verbunden. Die Terminals
Innenwandseitig weist die Modulumhausung noch eine isolierende Platte
Öffnungen
Die entsprechenden Öffnungen im Moduldeckel
Am Moduldeckel
Der Moduldeckel
Der Dom
An einer der
Eine Füllung des kastenförmigen Volumens über die Öffnungen
Hierbei bildet sich im Dom
Alternativ kann auch über die Öffnungen für den Druckschalter
Aus der Darstellung nach der
Die nicht gezeigte Kühlplatte dient weiterhin der Aufnahme von elektronischen Bauelementen, insbesondere IGBTs, die wiederum entsprechend der notwendigen Verschaltung mit den Terminals
Der Boden
Die kastenförmige Modulumhausung mit Dom bildet quasi einen Druckbehälter, wobei der sich im Störungsfall verändernde Druck des Gasvolumens im Bereich des Domes überwacht wird.The box-shaped module housing with dome virtually forms a pressure vessel, whereby the pressure of the gas volume in the area of the dome, which changes in the event of a malfunction, is monitored.
Durch die flache, kastenförmige Ausbildung der Modulumhausung mit Dom wird genügend Bauraum zur aus Verschaltungsgründen bevorzugten engen Nachbarschaft hinsichtlich der notwendigen Leistungselektronik geschaffen. Die Anordnung der Polaritäten der Anschlussterminals einschließlich deren Lage erfolgt mit dem Ziel der induktivitätsarmen Verbindung zu benachbarten Leistungsbauelementen und ist entsprechend dem jeweiligen Anwendungs- und Einsatzfall variierbar.The flat, box-shaped design of the module housing with dome creates enough space for the close proximity, which is preferred for reasons of interconnection, with regard to the necessary power electronics. The polarities of the connection terminals, including their position, are arranged with the aim of establishing a low-inductance connection to neighboring power components and can be varied according to the particular application.
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