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Die Erfindung beschreibt eine Anordnung mit einer ersten und einer zweiten Gleichspannungsteilverschienung, die die Gleichspannungsverschienung ausbilden, mit einer Kühleinrichtung und mit einem ersten und einem zweiten Leistungshalbleitermodul, wobei jedes Leistungshalbleitermodul ein Gehäuse, ein Wechselspannungsanschlusselement sowie ein erstes und ein zweites Gleichspannungsanschlusselement aufweist. Derartige Anordnungen finden in Fahrzeugen hoher Leistung, insbesondere in Wasser- oder Schienenfahrzeugen oder im Bereich der regenerativen Energien und hier insbesondere in Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, Anwendung.
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Die
EP 3 404 818 A1 offenbart eine gattungsgemäße Halbleiterschaltanordnung mit mindestens zwei Halbbrückenmodulen, die jeweils einen Wechselspannungsanschluss aufweisen, und einer positiven Gleichspannungsverschienung, einer negativen Gleichspannungsverschienung und mindestens einer Wechselspannungsverschienung, wobei die Wechselspannungsanschlüsse elektrisch mittels der Wechselspannungsverschienung miteinander verbunden sind. Zur Verbesserung der Stromaufteilung auf diese elektrisch parallel angeordneten Halbbrückenmodule wird vorgeschlagen, dass sich zumindest im Bereich der Wechselspannungsanschlüsse die positive Gleichspannungsverschienung und die negative Gleichspannungsverschienung über einen Bereich erstrecken, in der die Wechselspannungsverschienung angeordnet ist, wobei zwei der mindestens zwei Halbbrückenmodule derart nebeneinander angeordnet sind, dass die Wechselspannungsflächen der mindestens zwei Halbbrückenmodule benachbart zueinander angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung einen Stromrichter mit mindestens einer derartigen Halbleiterschaltanordnung. Weiter betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit mindestens einer solchen Halbleiterschaltanordnung oder einem solchen Stromrichter.
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In Kenntnis des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde die Anordnung derart weiterzubilden, dass die parasitären Induktivitäten im Betrieb möglichst gering sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit einer ersten und einer zweiten Gleichspannungsteilverschienung, mit einer Kühleinrichtung und mit einem ersten und einem zweiten Leistungshalbleitermodul, wobei jedes Leistungshalbleitermodul ein rechteckförmiges Gehäuse, ein Wechselspannungsanschlusselement sowie ein erstes und ein zweites Gleichspannungsanschlusselement aufweist, wobei das Wechselspannungsanschlusselement im Bereich einer ersten Seite und die Gleichspannungsanschlusselemente im Bereich einer zweiten Seite des Gehäuses angeordnet sind, wobei das erste und das zweite Leistungshalbleitermodul auf der Kühleinrichtung angeordnet sind, und hierbei deren jeweiligen zweiten Seiten entlang einer Längsachse der Anordnung einander gegenüberliegen, und wobei eine erste Gleichspannungsteilverschienung die beiden ersten Gleichspannungsanschlusselemente verbindet und eine zweite Gleichspannungsteilverschienung die beiden zweiten Gleichspannungsanschlusselemente verbindet.
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Hierbei soll unter einem rechteckförmigen Gehäuse ein Gehäuse mit oder ohne Grundplatte und mit einer nicht nur in streng mathematischem Sinn rechteckförmigen Grundfläche verstanden werden. Weiterhin soll unter dem Begriff Seite nicht die Seitenfläche als solche, sondern der jeweilige seitliche Bereich des Gehäuses, verstanden werden.
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Im Grunde ist es sehr vorteilhaft, wenn das erste und zweite Leistungshalbleitermodul bezüglich mechanischer und elektrischer Parameter identisch ausgebildet sind.
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Vorteilhafterweise können das erste und das zweite Gleichspannungsanschlusselement an einer Oberseite des Gehäuses angeordnet sein oder aus der Seitenfläche der zweiten Seite des Gehäuses herausragen.
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Es kann besonders bevorzugt sein, wenn das erste und das zweite Gleichspannungsanschlusselement jeweils als zwei Gleichspannungsteilanschlusselemente ausgebildet sind und diese in den Ecken eines insbesondere virtuellen Rechtecks angeordnet sind.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn eine Mehrzahl von ersten und zweiten Leistungshalbleitermodulen jeweils in Reihen angeordnet sind und hierbei die weiteren Seiten einander zugewandt sind, wodurch die Normalen dieser weiteren Seiten in Richtung der Längsachse zeigen. Es bildet sich somit eine Reihe erster und eine Reihe zweiter Leistungshalbleitermodule aus. Hierbei kann es zudem vorteilhaft sein, wenn die erste Gleichspannungsteilverschienung alle ersten Gleichspannungsanschlusselemente verbindet und die zweite Gleichspannungsteilverschienung alle zweiten Gleichspannungsanschlusselemente verbindet.
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Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn Kondensatoren einer Kondensatoreinrichtung auf der den Leistungshalbleitermodulen abgewandten Seite der Gleichspannungsteilverschienungen angeordnet sind und hierbei erste Kondensatoranschlusselemente mit der ersten Gleichspannungsteilverschienung sowie zweite Kondensatoranschlusselemente mit der zweiten Gleichspannungsteilverschienung elektrisch leitend und, vorzugsweise unmittelbar, verbunden sind. Eine unmittelbare Verbindung ist insbesondere dann gegeben, wenn die Kondensatoren direkt polaritätsgerecht mit den Gleichspannungsteilverschienung verbunden sind und somit keine eigene, von den Gleichspannungsteilverschienung unterschiedliche, Verschienung der Kondensatoren vorliegt.
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Es kann bevorzugt sein, wenn zumindest die erste oder zweite, vorzugsweise beide, Gleichspannungsteilverschienungen bezüglich der Längsachse der Anordnung symmetrisch ausgebildet sind.
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Zudem ist es bevorzugt, wenn eine Wechselspannungsverschienung die Wechselspannungsanschlusselemente des jeweils gegenüberliegenden ersten und zweiten Leistungshalbleitermoduls miteinander verbindet. Hierbei kann es zudem bevorzugt sein, wenn ein Verbindungsabschnitt der Wechselspannungsverschienung seitlich entlang und vorzugsweise auf Höhe einer weiteren Seite der Leistungshalbleitermodule verläuft, da hierdurch der Platz oberhalb der Gleichspannungsanschlusselemente frei bleibt für die Gleichspannungsteilverschienungen.
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Es kann auch vorteilhaft sein, wenn zwei erste und zwei zweite Leistungshalbleitermodule rechteckförmig zueinander angeordnet sind und eine gemeinsame Wechselspannungsverschienung aufweisen, die die Wechselspannungsanschlusselemente der ersten und zweiten gegenüberliegenden Leistungshalbleitermodule miteinander verbindet und wobei diese Wechselspannungsverschienung vorzugsweise in Längsrichtung der Anordnung oder in Querrichtung hierzu symmetrisch ausgebildet ist.
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Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn die erste und zweite Gleichspannungsteilverschienung und die Wechselspannungsverschienung abschnittsweise einen Stapel ausbilden und hierbei vorzugsweise ein Abschnitt der Wechselspannungsverschienung oberhalb des oder der Abschnitte der Gleichspannungsteilverschienung angeordnet ist.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 12 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung oder von jeweiligen Teilen hiervon.
- 1 und 2 zeigen zwei Ausgestaltungen von Leistungshalbleitermodulen.
- 3 bis 6 zeigen unterschiedliche Ansichten einer erfindungsgemäßen Anordnung.
- 7, 8 und 10 zeigen erfindungsgemäße Anordnungen, jeweils in Ausgestaltung einer Drei-Phasen-Brückenschaltung.
- 9 zeigt eine seitliche Ansicht einer Drei-Phasen-Brückenschaltung.
- 11 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer Kondensatoreinrichtung.
- 12 zeigt eine Anordnung mit alternativer Ausgestaltung der Leistungshalbleitermodule.
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1 und 2 zeigen zwei Ausgestaltungen von Leistungshalbleitermodulen 2,2a,2b in Draufsicht. Das jeweilige Leistungshalbleitermodul 2,2a,2b weist eine Grundplatte mit Befestigungseinrichtungen 210, zur kraftschlüssigen Verbindung mit einer Kühleinrichtung, vgl. 4, auf. Diese Befestigungseinrichtungen 210 sind in den Eckbereichen des Gehäuses 20, das eine rechteckige Grundform aufweist, angeordnet. An der sichtbaren Oberseite 200 des Gehäuses 20 sind die Anschlusseinrichtungen des Leistungshalbleitermoduls 2,2a,2b angeordnet. Seitlich an die Oberseite 200 anschließend weist das Gehäuse 20 eine erste Seite 206, eine dieser gegenüberliegende zweite Seite 202 und zwei weitere diese beiden verbindenden Seiten 204,208 auf.
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Jedes der beiden Leistungshalbleitermodule 2,2a,2b weist rein beispielhaft drei Wechselspannungsanschlusselemente 26 auf, die hier jeweils gleiches Potential aufweisen, wobei das Leistungshalbleitermodul damit als Halbbrückenmodul ausgebildet ist. Grundsätzlich können diese drei Wechselspannungsanschlusselemente 26 aber auch verschiedenes Wechselpotential aufweisen, wobei das Leistungshalbleitermodul dann als Drei-Phasen-Wechselrichtermodul ausgebildet ist.
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Die Wechselspannungsanschlusselemente 26 sind im Bereich der ersten Seite 206 des Gehäuses 20 auf dessen Oberseite 200 angeordnet. Die Gleichspannungsanschlusselemente 22,24 sind im Bereich der zweiten Seite 202 des Gehäuses 20 ebenfalls auf dessen Oberseite 200 angeordnet.
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Das jeweilige Leistungshalbleitermodul 2,2a,2b weist jeweils zwei Gleichspannungsteilanschlusselemente 220,240 auf, die paarweise das jeweilige erste und zweite Gleichspannungsanschlusselement 22,24 ausbilden. Alle Gleichspannungsteilanschlusselemente 220,240 liegen auf den Ecken eines virtuellen Rechtecks auf der Oberseite 200 des Gehäuses 20.
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Bei dem Leistungshalbleitermodul 2 gemäß 1 liegt jeweils ein Gleichspannungsteilanschlusselement 220,240 des ersten und zweiten Gleichspannungsanschlusselements 22,24 im Bereich einer zweiten Seite 202 des Gehäuses 20. Bei dem Leistungshalbleitermodul gemäß Figur
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liegen die beiden Gleichspannungsteilanschlusselemente 220 des ersten Gleichspannungsanschlusselements 22 im Bereich einer zweiten Seite 202 des Gehäuses 20. Die beiden Gleichspannungsteilanschlusselemente 240 des zweiten Gleichspannungsanschlusselements 24 schließen sich unmittelbar an, wobei hierbei natürlich der zur Einhaltung von Luft- und Kriechstrecken notwenige Abstand gegeben ist.
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Weiterhin weisen beide Leistungshalbleitermodule 2,2a,2b Hilfsanschlusselemente 28 auf, die ebenfalls an der Oberseite 200 des Gehäuses 20 angeordnet sind.
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3 bis 6 zeigen unterschiedliche Ansichten einer erfindungsgemäßen Anordnung 1. Hierbei sind jeweils drei erste und drei zweite Leistungshalbleitermodule 2a,2b gemäß 2 derart angeordnet, dass die zweiten Seiten 202 der Leistungshalbleitermodule 2a,2b jeweils paarweise einander zugewandt sind. Somit entstehen drei Paare von ersten und zweiten Leistungshalbleitermodulen 2a,2b, wobei deren zweite Seiten 202 entlang einer Längsachse 100 der Anordnung 1 angeordnet sind. Hierbei sind weiterhin die jeweils weiteren Seiten 204,208 benachbarter Leistungshalbleitermodule 2a,2b einander zugewandt, wodurch die Normalen aller weiteren Seiten 204,208 in positive oder negative Richtung der Längsachse 100 zeigen.
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In 3 ist eine Draufsicht auf die Oberseiten 200 der Gehäuse 20 der Leistungshalbleitermodule 2a,2b dargestellt, in 5 ist zusätzlich die erste Gleichspannungsteilverschienung 4 und in 6 die zweite Gleichspannungsteilverschienung 5 dargestellt. 4 zeigt die Anordnung 1, deren Kühleinrichtung 3, hier als Flüssigkeitskühleinrichtung ausgebildet, und zwei mit ihrer zweiten Seiten 202 gegenüberliegende Leistungshalbleitermodule 2a,2b in partieller Explosionsdarstellung in seitliche Ansicht in Richtung der Längsachse 100 der Anordnung 1. Die Leistungshalbleitermodule sind auf einer Oberfläche der Kühleinrichtung thermisch leitend mit dieser angeordnet. Weiterhin dargestellt ist die erste Gleichspannungsteilverschienung 4, die die ersten Gleichspannungsanschlusselemente 22 der beiden Leistungshalbleitermodule 2a,2b verbindet. Zudem dargestellt ist die zweite Gleichspannungsteilverschienung 5, die die zweiten Gleichspannungsanschlusselemente 24 der beiden Leistungshalbleitermodule 2a,2b verbindet. Die beiden Gleichspannungsteilverschienungen 4,5 bilden partiell einen Stapel und auch eine Gleichspannungsverschienung als solche aus.
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In 5 ist die erste Gleichspannungsteilverschienung 4 dargestellt, die alle ersten Gleichspannungsanschlusselemente 22 verbindet. In 6 ist die zweite Gleichspannungsteilverschienung 5 dargestellt, die alle zweiten Gleichspannungsanschlusselemente 24 verbindet.
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Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung 1 sind die beiden Gleichspannungsteilverschienungen 4,5 bezüglich der Längsachse 100 der Anordnung 1 im Bereich oberhalb der Leistungshalbleitermodule 2a,2b vollständig symmetrisch ausgebildet.
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7, 8 und 10 zeigen erfindungsgemäße Anordnungen 1, jeweils in Ausgestaltung einer Drei-Phasen-Brückenschaltung. Der Übersichtlichkeit halber wurde hier auf die Darstellung der Gleichspannungsteilverschienungen verzichtet. Diese kann hier bevorzugt gleichartig derjenigen gemäß den 5 und 6 ausgebildet sein.
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Dargestellt sind je Paar voneinander gegenüberliegend angeordnete erste und zweite Leistungshalbleitermodule 2a,2b und jeweils eine Wechselspannungsverschienung 6, die die Wechselspannungsanschlusselemente 26 der Leistungshalbleitermodule 2a,2b miteinander verbindet. Die Wechselspannungsverschienung 6 weist hier einen Verbindungsabschnitt 60 senkrecht zur Längsachse 100 der Anordnung 1 auf, der seitlich entlang und auf Höhe einer weiteren Seite der Leistungshalbleitermodule 2a,2b verläuft. Somit können die erste und zweite Gleichspannungsteilverschienung 4,5, wie in den 4 bis 6 dargestellt, sehr nahe der Oberseite 200 der Gehäuse 20 der Leistungshalbleitermodule 2a,2b angeordnet sein. Somit entsteht eine äußerst kompakte und gleichzeitig im Betrieb niederinduktiv bezüglich parasitärer Induktivitäten ausgebildete Anordnung 1.
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Die Ausgestaltung der Anordnung 1 gemäß 8 weist drei Gruppen von jeweils zwei ersten und zwei zweiten Leistungshalbleitermodulen 2a,2b auf, die jeweils rechteckförmig zueinander angeordnet sind und eine gemeinsame Wechselspannungsverschienung 6 aufweisen, wodurch wiederum eine Drei-Phasen-Brückenschaltung ausgebildet wird. Die jeweilige Wechselspannungsverschienung 6 verbindet die Wechselspannungsanschlusselemente 26 der ersten und zweiten Leistungshalbleitermodule 2a,2b jeder Gruppe miteinander. In vorteilhafter Weise sind hier die Wechselspannungsverschienungen 6 jeweils orthogonal zur Längsachse 100 symmetrisch ausgebildet.
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Besonders vorteilhaft bezüglich eines kompakten Aufbaus ist es, wenn, wie in 9 dargestellt, die jeweiligen Verbindungsabschnitte 60 zwischen den jeweils benachbarten ersten und benachbarten zweiten Leistungshalbleitermodulen 2a,2b verlaufen und somit Platz für die Gleichspannungsteilverschienungen geschaffen wird. 9 zeigt somit eine seitliche Ansicht aus x-Richtung, also orthogonal zur Längsachse der Anordnung, einer Drei-Phasen-Brückenschaltung.
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10 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Drei-Phasen-Brückenschaltung, wobei jeweils eine Halbbrückenschaltung aus zwei ersten und zwei zweiten Leistungshalbleitermodulen 2a,2b ausgebildet ist, wobei jeweils ein Paar aus einem ersten und zweiten Leistungshalbleitermodul 2a,2b gebildet wird, die sich einander mit ihren jeweiligen zweiten Seiten 202 entlang einer Längsachse 100 der Anordnung 1 gegenüberliegen. Die beiden Paare, die eine Halbbrückenschaltung ausbilden sind hier allerdings nicht benachbart zueinander angeordnet, vielmehr bilden die jeweiligen Paare der jeweiligen Halbbrücken eine alternierende Anordnung aus. Auf das erste Paar der ersten Halbbrückenschaltung folgt das erste Paar der zweiten Halbbrückenschaltung und hierauf das erste Paar der dritten Halbbrückenschaltung. Hieran schließen sich in gleicher Weise die zweiten Paare an. Nicht dargestellt, aber grundsätzlich möglich, kann diese Anordnung auch für dritte und vierte Paare analog weitergebildet werden.
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Bei dieser Ausgestaltung der Anordnung 1 bilden die erste und zweite Gleichspannungsteilverschienung 4,5 und die Wechselspannungsverschienung 6 abschnittsweise einen Stapel aus, wobei der jeweilige Abschnitt der Wechselspannungsverschienung 6 oberhalb des oder der Abschnitte der Gleichspannungsteilverschienung 4,5 angeordnet ist.
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11 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer zusätzlichen Kondensatoreinrichtung 8 mit einer Mehrzahl einzelner Kondensatoren 80. Diese Kondensatoren 80 sind auf der den Leistungshalbleitermodulen 2a,2b abgewandten Seite der Gleichspannungsteilverschienung 4,5 angeordnet. Diese Gleichspannungsteilverschienungen bildet hier gleichzeitig eine Kondensatorverschienung aus. Somit sind erste Kondensatoranschlusselemente direkt mit der ersten Gleichspannungsteilverschienung 4 sowie zweite Kondensatoranschlusselemente direkt mit der zweiten Gleichspannungsteilverschienung 5 elektrisch leitend verbunden.
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12 zeigt eine Anordnung mit alternativer Ausgestaltung der Leistungshalbleitermodule 2a,2b. Hierbei sind die Wechselspannungsanschlusselemente 26 nicht auf der Oberseite des Gehäuses 20 angeordnet, sondern ragen direkt aus der Seitenfläche der ersten Seite 206 des Gehäuses heraus. Weiterhin sind die Gleichspannungsanschlusselemente 22,24 ebenfalls nicht auf der Oberseite des Gehäuses 20 angeordnet, sondern ragen direkt aus der Seitenfläche der zweiten Seite 202 des Gehäuses 20 heraus. Die erste und zweite Gleichspannungsteilverschienung 4,5 ist somit im Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Leistungshalbleitermodul 2a,2b angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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