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Die Erfindung betrifft eine modulare Zwischenkreiskondensatoranordnung für einen Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, der zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs dient. Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Stromrichter sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.
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Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise eine Leistungselektronik mit einem sog. Wechselrichter geschaltet.
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Derartige Wechselrichter umfassen üblicherweise eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen, die typischerweise aus Transistoren, etwa MOSFETs oder IGBTs, gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente als sogenannte Halbbrücken auszugestalten, die über eine Highside-Einrichtung und eine Lowside-Einrichtung verfügen. Diese Highside- bzw. Lowside-Einrichtung umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, die im Betrieb des Wechselrichters gezielt gesteuert werden, um aus einem eingangsseitig der Halbbrücken eingespeisten DC-Strom mehrere voneinander zeitlich versetzte Phasenströme eines AC-Stroms zu erzeugen, wobei die Phasenströme jeweils für sich zeitlich veränderlich sind und in der Regel einen sinusförmigen Verlauf annehmen.
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Es ist bekannt, dass in Stromrichtern bzw. Wechselrichtern eigens entwickelte Zwischenkreiskondensatoren benötigt werden. Die Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren erfolgt projektspezifisch und die Stückzahlen der Zwischenkreiskondensatoren sind durch das jeweilige Projekt vorgegeben. So sind in der Regel alle Wickel (Folienkondensatoren) der Zwischenkreiskondensatoren in einem Gehäuse vergossen, wobei die Größe an den Bauraum angepasst ist. Die Stromschienen werden an die angrenzenden Bauteile angepasst.
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In Folge ergeben sich lange Entwicklungszeiten, eine damit einhergehende lange Zeitspanne bis zur Bereitstellung des A-Musters, hohe Entwicklungskosten und ferner eine hohe Abhängigkeit von Lieferanten und deren Zeitplanung, welche darüber hinaus die Kosten maßgeblich gestalten. Weitere Nachteile bestehen darin, dass keine Synergien zwischen verschiedenen Projekten auftreten und die Produktionsanlagen beim Lieferanten entsprechend des zu produzierenden Zwischenkreiskondensator konfiguriert sind und nicht ohne weiteres auf Zwischenkreiskondensatoren für ein anderes Projekt umgestellt werden können. Verfügbare diskrete Lösungen von Zwischenkreiskondensatoren weisen den Nachteil auf, dass diese aufgrund einer hohen Streuinduktivität, eines hohen Bauraumbedarfs und einer unzureichenden thermischen Anbindung des Zwischenkreiskondensator an Kühlkörper nicht ausreichend leistungsfähig sind.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Zwischenkreiskondensator bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die modulare Zwischenkreiskondensatoranordnung, den Stromrichter, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft eine Zwischenkreiskondensatoranordnung für einen Stromrichter zum Bestromen eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Die Zwischenkreiskondensatoranordnung umfasst hierfür mehrere Zwischenkreiskondensatormodule mit einander entsprechender Kapazität. Jedes der Zwischenkreiskondensatormodule weist hierfür einen Kondensatoreingang zum Anschließen einer Spannungsquelle und einen Kondensatorausgang auf. Weiterhin umfasst die Zwischenkreiskondensatoranordnung eine erste Stromschienenanordnung, die den Kondensatorausgang jeder der Zwischenkreiskondensatormodule mit Leistungsanschlüssen zum Einspeisen des Eingangsstroms in eine Leistungselektronik elektrisch verbindet. Die Leistungselektronik ist dazu ausgebildet, den Eingangsstrom mittels Schaltens mehrerer in der Leistungselektronik enthaltenen Halbleiterschaltelemente in einen Ausgangsstrom umzuwandeln. Darüber hinaus umfasst die erste Stromschienenanordnung eine erste pluspolige Stromschiene und eine erste minuspolige Stromschiene. Im Fall, dass der Stromrichter als DC/AC-Wechselrichter ausgebildet ist, sind die ersten Stromschienen als DC-Stromschienen zum Leiten des DC-Eingangsstroms ausgelegt. Die erste pluspolige Stromschiene und die erste minuspolige Stromschiene sind flächig ausgebildet und überlappen einander. Dabei überlappen die erste pluspolige Stromschiene und die erste minuspolige Stromschiene einander in Richtung einer Flächennormalen der ersten Stromschienen. Mithin liegen die beiden ersten Stromschienen parallel zueinander vor und sind, mit Blickrichtung senkrecht auf die Flächen, voneinander versetzt.
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Auf diese Weise kann ein Zwischenkreiskondensator für ein (reines) Elektrofahrzeug (battery electric vehicle, BEV) oder Hybridelektrokraftfahrzeug (hybrid electric vehicle, HEV) aus einzelnen, diskreten Bauteilen aufgebaut werden. Viele Kombinationsmöglichkeiten ergeben sich aus der Verwendung verschiedener Modulgrößen (die Kapazität des Zwischenkreiskondensatormodule) und Anzahl an Modulen. Dadurch sind verschiedene Gesamtkapazitäten im Zwischenkreis, bspw. mittels Auswahltabellen, erreichbar und die Anpassung an verschiedene Baumraumanforderungen wird ermöglicht.
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Die flächige und einander überlappende Ausbildung der Stromschienen ermöglicht ferner die elektrische Anbindung einer beliebigen Anzahl von identisch ausgebildeten Zwischenkreiskondensatormodulen mit gleicher Kapazität. So können die flächigen und einander überlappenden Stromschienen bspw. gegeneinander versetzt angeordnet werden, um damit die jeweiligen Kondensatorausgänge elektrisch zu kontaktieren. Auf verschieden ausgebildete pluspolige und minuspolige Stromschienen kann somit verzichtet werden, wodurch die Herstellung des Stromrichters weiter vereinfacht wird.
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Die flächige Ausgestaltung der Stromschienen erleichtert dabei deren versetzte Anordnung dicht nebeneinander, wodurch sowohl Platz eingespart werden kann als auch eine niederinduktive Ausgestaltung ermöglicht wird. Weiterhin werden verschiedene Verbindungsgeometrien der Stromschienen möglich, bspw. hochstehende, und/oder über einen (elektrisch nichtleitenden) Steg verbundene Stromschienen. Die flächige und einander überlappende Ausgestaltung der Stromschienen erleichtert bzw. ermöglicht die symmetrische Stromschienenführung und dadurch eine gleichmäßige Stromverteilung mit einhergehender optimierter elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und Wärmeverteilung.
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Weitere Vorteile bestehen darin, dass der Zwischenkreiskondensator von drei Seiten kontaktiert werden kann, die Stromschienen zur Verbindung der Bauteile an verschiedene Wechselrichter angepasst werden können, die Bauteile, bspw. durch Laserschweißen, stoffschlüssig mit den Stromschienen verbunden werden können, die Kühleranbindung über die Stromschienen ermöglicht wird, zusätzlich wärmeleitende Elemente, bspw. Gappads, angebracht werden können, um bspw. einen Kühler daran anzubinden die Kühlung ggf. weiter zu verbessern, die Bauteile optional umspritzt oder im Gehäuse vergossen werden können, die Bauteile optional mit Befestigungspunkten ausgestattet werden können, die Zwischenkreiskondensatoren mit Niederhaltern befestigt werden können, und in die Bauteile Vorbereitungen für die Verbindung mit einem Netzfilter und/oder einem Entstörkondensator, bspw. X- oder Y-Kondensatoren, vorgesehen werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform weist jeder der mehreren Zwischenkreiskondensatormodule eine pluspolige Kondensatorstromschiene und eine minuspolige Kondensatorstromschiene zum Leiten eines mittels der Spannungsquelle erzeugten Eingangsstroms, und einen Wickel auf, der an einer Oberseite von mindestens einer der Kondensatorstromschienen elektrisch angebunden ist. Der Wickel (Folienkondensator) kann dabei an der Oberseite der pluspoligen (DC-)Kondensatorstromschiene und/oder der minuspoligen (DC-)Kondensatorstromschiene elektrisch angebunden sein. Dies ermöglich die thermische Kopplung der pluspolige (DC-)Kondensatorstromschiene und der minuspoligem (DC-)Kondensatorstromschiene auf ihrer von dem zumindest einen Wickel abgewandten Unterseite mit einem wärmeleitenden Element, bspw. einem Gappad, und/oder einem Kühler. Die Oberseite und die Unterseite sind an einem Bodenabschnitt der (DC-)Kondensatorstromschienen ausgebildet, der sich zum Kühler, insbesondere zu einer Kühlplatte, parallel erstreckt. Der Wickel ist vorzugsweise quaderförmig ausgebildet, wobei die Ecken der Quaderform Abrundungen aufweisen können. Der Kondensatoreingang und der Kondensatorausgang sind bevorzugt an einer Vorderseite bzw. einer Rückseite der Quaderform, mehr bevorzugt angrenzend an die Unterseite der Quaderform, angeordnet, wobei die (DC-)Kondensatorstromschienen an der Unterseite der Quaderform angeordnet sind. Die pluspolige Stromschiene und die minuspolige Stromschiene können parallel nebeneinander zwischen dem zumindest einen Wickel und dem Kühler verlaufen, um die mit dem Kühler thermisch verbundene Kühlfläche zu vergrößern und dadurch die Kühlleistung zu erhöhen. Der Zwischenkreiskondensator kann eine stromisolierende Verkleidung umfassen, die auf einer Oberfläche des zumindest einen Wickels aufgebracht ist. Die stromisolierende Verkleidung ist vorzugsweise eine Spritzschicht bzw. -gehäuse, die/das mittels Umspritzens des zumindest einen Wickels sowie der (DC-)Kondensatorstromschienenanordnung gebildet ist. In diesem Fall weist die stromisolierende Verkleidung in einem Bereich der Unterseite der (DC-)Kondensatorstromschienen eine Aussparung auf. Im Fall einer Spritzschicht kann die Aussparung durch Freilegen der Unterseite der (DC-)Kondensatorstromschienen während des Spritzgussverfahrens bewerkstelligt werden. Dies ermöglicht eine bessere thermische Kopplung der (DC-)Kondensatorstromschienen mit dem Kühler. Zusätzlich kann zwischen der Unterseite der (DC-)Kondensatorstromschienen und dem Kühler eine Wärmeleitschicht oder ein wärmeleitendes Element, bspw. aus Metall gebildet, angeordnet sein. In diesem Fall verbindet vorzugsweise eine Isolationsfolie die Unterseite der Stromschienen und die Metallschicht miteinander, um in Kombination mit der Wärmeleitschicht eine Potentialtrennung bei gleichzeitiger Wärmeleitung sicherzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste pluspolige Kondensatorstromschiene und die erste minuspolige Kondensatorstromschiene im Wesentlichen deckungsgleich ausgebildet und bedecken jeweils eine Unterseite des Wickels im Wesentlichen vollständig. Vorzugsweise sind die erste pluspolige Stromschiene und die erste minuspolige Stromschiene im Wesentliche deckungsgleich in Richtung einer Flächennormalen der ersten Stromschienen ausgebildet. Mehr bevorzugt entspricht eine Fläche der ersten pluspoligen Stromschiene einer Fläche der minuspoligen Stromschiene, wobei die Dicke der Stromschienen deren Breite und deren Länge jeweils unterschreiten. Alternativ ist die erste pluspolige Kondensatorstromschiene auf einer ersten Seite des Wickels und die erste minuspolige Kondensatorstromschiene auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Wickels angeordnet. Die Anordnung der beiden Kondensatorstromschienen auf gegenüberliegenden Seiten des Wickels betrifft die Seiten eines vorzugsweise quaderförmig ausgebildeten Wickels. Gegenüberliegende Seiten sind die Oberseite und Unterseite, die Seitenwände, und die Vorder- und Rückseite, wie hierin verwendet. Diese beiden Konfigurationen der Kondensatorstromschienen ermöglichen die symmetrische Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen, wobei die erste Konfiguration, wonach die Kondensatorstromschienen im Wesentlichen deckungsgleich ausgebildet sind und jeweils eine Unterseite des Wickels im Wesentlichen vollständig bedecken, den weiteren Vorteil aufweist, dass eine effektive Kühlung über die gesamte Unterseite des Zwischenkreiskondensators erfolgen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die erste pluspolige Kondensatorstromschiene oder die erste minuspolige Kondensatorstromschiene ferner mindestens zwei Abschnitte auf, die sich entlang zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Wickels in Richtung einer Oberseite des Wickels erstrecken und symmetrisch zueinander angeordnet sind, vorzugsweise wobei sich die mindestens zwei Abschnitte sich zumindest teilweise entlang der Oberseite des Wickels erstrecken. Vorzugsweise sind vier Abschnitte derart angeordnet, dass sie sich entlang den zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Wickels in Richtung einer Oberseite des Wickels erstrecken und symmetrisch zueinander angeordnet sind. Die Abschnitte sind durch die oben bereits beschriebene unterseitige Verbindung mit einem wärmeleitenden Element und/oder einem Kühler thermisch gekoppelt. Dadurch wird eine seitliche Abkühlung, ggf. auch auf der Oberseite, des Wickels ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Kondensatorausgang im Wesentlichen parallel oder im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite der ersten Stromschienen ausgerichtet, vorzugsweise ist der Kondensatorausgang symmetrisch zu dem Kondensatoreingang ausgebildet. Die im Wesentlichen parallele oder im Wesentlichen senkrechte Ausrichtung des, vorzugsweise flächigen, Kondensatorausgangs ermöglicht eine platzsparende Anordnung mit den ersten Stromschienen. Bei der symmetrischen Ausbildung des Kondensatoreingangs und des Kondensatorausgangs, vorzugsweise an der vorstehend erwähnten Vorderseite bzw. einer Rückseite, mehr bevorzugt angrenzend an die Unterseite, der Quaderform, liegt vorzugsweise eine Symmetrieebene parallel zu den Seitenwänden der Quaderform vor und verläuft durch die Seitenmitten der Vorderseite bzw. Rückseite der Quaderform. Auf diese Weise ist die gesamte (DC-)Kondensatorstromschienenanordnung des Zwischenkreiskondensators besonders wirksam abkühlbar. Außerdem wird das EMV Verhalten weiter optimiert.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Zwischenkreiskondensatoranordnung ferner eine zweite Stromschienenanordnung auf, die den Kondensatoreingang mit der Spannungsquelle elektrisch verbindet, wobei die zweite Stromschienenanordnung eine zweite pluspolige Stromschiene und eine zweite minuspolige Stromschiene aufweist. Dadurch wird der Aufbau der Zwischenkreiskondensatoranordnung und deren Implementierung in einen Stromrichter weiter vereinfacht. Insbesondere im Fall eines symmetrisch vorliegenden Kondensatoreingangs und Kondensatorausgangs können optional die zweite pluspolige Stromschiene und die zweite minuspolige Stromschiene deckungsgleich ausgebildet werden, wodurch der Aufbau der Zwischenkreiskondensatoranordnung weiter vereinfacht wird. Mehr bevorzugt können sogar die erste pluspolige Stromschiene, die erste minuspolige Stromschiene, die zweite pluspolige Stromschiene und die zweite minuspolige Stromschiene deckungsgleich ausgebildet sein. Mithin können identisch ausgebildete Stromschienen zur elektrischen Verbindung des Kondensatoreingangs und des Kondensatorausgangs verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind zwischen der Spannungsquelle und der zweiten Stromschienenanordnung ein Netzfilter und/oder ein Entstörkondensator angeordnet sind, vorzugsweise ist ein wärmeleitendes Element an einer Unterseite des Netzfilters und/oder einer Unterseite des Entstörkondensators angeordnet. Dadurch wird dem modularen Aufbau der Zwischenkreiskondensatoranordnung Rechnung getragen, wonach der optionale Netzfilter bzw. Entstörkondensator getrennt von dem Zwischenkreiskondensatormodul zwischen der Spannungsquelle und der zweiten Stromschienenanordnung vorliegen. Dadurch wird der Aufbau weiter vereinfacht und die Zwischenkreiskondensatormodule sind vielseitiger einsetzbar. Damit einhergehend weist das Zwischenkreiskondensatormodul als solches vorzugsweise keinen Netzfilter und/oder Entstörkondensator, bzw. einen Anschluss für einen Netzfilter und/oder Entstörkondensator, auf. Der modulare Aufbau ermöglicht ferner die Bereitstellung zusätzlicher Flächen, über welche die Kühlung, bspw. über ein wärmeleitendes Element, der Zwischenkreiskondensatoranordnung weiter verbessert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein wärmeleitendes Element an einer Unterseite der ersten Stromschienenanordnung angeordnet. Der erfindungsgemäße modulare Aufbau ermöglicht damit die Bereitstellung einer weiteren Fläche, über welche die Kühlung, bspw. über ein wärmeleitendes Element, der Zwischenkreiskondensatoranordnung weiter verbessert werden kann.
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Vorzugsweise weisen die erste pluspolige Stromschiene und die erste minuspolige Stromschiene der ersten Stromschienenanordnung erste Abschnitte zur elektrischen Verbindung mit dem Kondensatorausgang jedes der mehreren Zwischenkreiskondensatormodule und/oder den Leistungsanschlüssen auf. Mehr bevorzugt sind diese ersten Abschnitte als erste Vorsprünge ausgestaltet. Die zweite Stromschienenanordnung kann entsprechend ausgebildet sein. So weisen vorzugsweise die zweite pluspolige Stromschiene und die zweite minuspolige Stromschiene der zweiten Stromschienenanordnung zweite Abschnitte zur elektrischen Verbindung mit dem Kondensatoreingang jedes der mehreren Zwischenkreiskondensatormodule und/oder den Leitungen der Spannungsquelle auf. Mehr bevorzugt sind diese zweiten Abschnitte als zweite Vorsprünge ausgestaltet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stromrichter. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter zum Umwandeln einer DC-Spannung in eine AC-Spannung. Alternativ kann der Stromrichter als DC/DC-Gleichrichter zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine von dieser verschiedene DC-Ausgangsspannung ausgebildet sein. Der Stromrichter umfasst eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Der Stromrichter kann mehrere (beispielsweise drei) Phaseneinheiten aufweisen, die jeweils einem Phasenstrom des Eingangsstroms oder des Ausgangsstroms zugeordnet sind. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen handelt. Im Fall eines Gleichrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle (etwa einer Ladestation oder einer Fahrzeugbatterie/Brennstoffzelle) bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Ausgangsstrom (etwa einen Ladestrom zum Aufladen einer Hochvolt-Fahrzeugbatterie) handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dieser zugeführt wird.
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Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs und/oder IGBTs, wobei die Halbleiterschaltelemente zusätzlich eine oder mehrere Dioden umfassen können. Das den Halbleiterschaltelementen zugrunde liegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke (Engl.: Wide bandgap semiconductors, WBS), etwa Siliziumcarbid oder Galliumnitrid. Die Halbleiterschaltelemente sind auf einem Substrat angebracht. Das Substrat kann einen mehrschichtigen Aufbau mit einer ersten Metalllage, einer zweiten Metalllage und einer dazwischen befindlichen Isolationslage aufweisen. Die Halbleiterschaltelemente sind in diesem Fall bevorzugt an eine Oberseite der ersten Metalllage angebunden, wobei an eine Unterseite der zweiten Metalllage ein Kühlkörper angebunden ist.
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Die Leistungselektronik weist mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente und zum Abgreifen bzw. Abgeben des Ausgangsstroms, auf. Im Fall des Wechselrichters umfassen die Leistungsanschlüsse DC-Leistungsanschlüsse und AC-Leistungsanschlüsse. Die DC-Leistungsanschlüsse umfassen wiederum einen oder mehrere pluspolige und minuspolige DC-Leistungsanschlüsse. Die AC-Leistungsanschlüsse sind einem gemeinsamen AC-Phasenstrom oder jeweils einem von mehreren AC-Phasenströmen des gesamten AC-Stroms zugeordnet. Die Leistungsanschlüsse erstrecken sich vorzugsweise über eine Seitenfläche einer Vergussmasse, mittels derer die Halbleiterschaltelemente vergossen sind, nach außen hinaus. Weiter vorzugsweise erstrecken sich die Leistungsanschlüsse außerhalb der Vergussmasse senkrecht zur Oberseite des Substrats nach oben, sodass sie von oben kontaktierbar sind. Die Leistungselektronik umfasst mehrere Signalpins zum Übertragen von Steuersignalen, die von einer Steuereinrichtung des Stromrichters erzeugt sind und zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente an die Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode) gesendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Stromrichter ferner die Leistungselektronik auf, wobei an einer Unterseite der Leistungselektronik ein wärmeleitendes Element angeordnet ist. Der erfindungsgemäße modulare Aufbau ermöglicht damit die Bereitstellung einer weiteren Fläche, über welche die Kühlung, bspw. über ein wärmeleitendes Element, der Zwischenkreiskondensatoranordnung weiter verbessert werden kann.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stromrichter beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Der Ausdruck „im Wesentlichen deckungsgleich“ wie hierin verwendet beschreibt, dass die größte Fläche eines ersten Bauteils, bspw. einer pluspoligen Stromschiene, die größte Fläche eines zweiten Bauteils, bspw. einer minuspoligen Stromschiene, um weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, mehr bevorzugt weniger als 1 % unterschreitet, noch mehr bevorzugt weisen beide Bauteile identische größte Flächen auf. Der Ausdruck „im Wesentlichen vollständig bedecken“ beschreibt, dass die größte Fläche eines ersten Bauteils, bspw. einer pluspoligen Stromschiene, die größte Fläche eines zweiten Bauteils, bspw. einer minuspoligen Stromschiene zu 90% bis 100%, bspw. 95% bis 99% bedeckt. Der Ausdruck „im Wesentlichen parallel“ oder „im Wesentlichen senkrecht“ beschreibt Abweichungen von ±10°, vorzugsweise ±5°, mehr bevorzugt ±1°, von der genannten Richtung. Der Begriff „Oberseite“, „Unterseite“, „Seitenwände“, „Vorderseite“ und „Rückseite“ eines Wickels betreffen die Seiten eines vorzugsweise quaderförmig ausgebildeten Wickels. „Vorderseite“ und „Rückseite“, „Oberseite“ und „Unterseite“, sowie die Seitenwände betreffen hierbei gegenüberliegende Seiten der Quaderform. An der „Vorderseite“ bzw. „Rückseite“, vorzugsweise jeweils angrenzend an die „Unterseite“, der Quaderform ist dabei der Kondensatoreingang bzw. Kondensatorausgang vorgesehen. Der Ausdruck „flächig ausgebildet“ wie hierin verwendet betrifft ein Bauteil dessen Längenverhältnis von der kürzesten Seite zu einer der längeren Seiten von 1:2 oder mehr, bspw. 1:3 oder mehr, bspw. 1:5 bis 1:20 aufweist. Der Begriff „symmetrische Ausgestaltung“ betrifft die Ausgestaltung eines Bauteils, insbesondere der dem Zwischenkreiskondensatormodul zugrundeliegende Quaderform derart, dass mindestens eine Symmetrieebene durch das Bauteil verläuft.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Stromrichters, insbesondere Wechselrichters, in Perspektivansicht umfassend die erfindungsgemäße Zwischenkreiskondensatoranordnung;
- 2a-b schematische Darstellungen des Stromrichters aus 1 in Perspektivansicht mit geänderter Konfiguration:
- 3a-f eine erste schematische Darstellung eines Zwischenkreiskondensatormoduls in den in 3a und 3d, durch die Pfeile A bzw. B gezeigten Richtungen, wobei 3b bzw. 3e eine gewöhnliche Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen und die 3c bzw. 3f eine bevorzugte niederinduktive Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen zeigen;
- 4a-f eine zweite schematische Darstellung eines Zwischenkreiskondensatormoduls in den in 4a und 4d, durch die Pfeile A bzw. B gezeigten Richtungen, wobei 4b bzw. 4e eine gewöhnliche Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen und die 4c bzw. 4f eine bevorzugte niederinduktive Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen zeigen;
- 5a-f eine dritte schematische Darstellung eines Zwischenkreiskondensatormoduls in den in 5a und 5d, durch die Pfeile A bzw. B gezeigten Richtungen, wobei 5b bzw. 5e eine gewöhnliche Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen und die 5c bzw. 5f eine bevorzugte niederinduktive Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen zeigen;
- 6a-f eine vierte schematische Darstellung eines Zwischenkreiskondensatormoduls in den in 6a und 6d, durch die Pfeile A bzw. B gezeigten Richtungen, wobei 6b bzw. 6e eine gewöhnliche Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen und die 6c bzw. 6f eine bevorzugte niederinduktive Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen zeigen;
- 7a-b eine weitere schematische Darstellung eines Stromrichters, insbesondere Wechselrichters, in Seitenansicht und Perspektivansicht, umfassend die erfindungsgemäße Zwischenkreiskondensatoranordnung.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt einen beispielhaft als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter 100 gemäß einer Ausführungsform jeweils in einer schematischen Darstellung. Der Wechselrichter 100 dient dazu, einen elektrischen Achsantrieb (hier nicht gezeigt) für ein Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug zu bestromen. Der Wechselrichter 100 ist auf einem mehrschichtigen Substrat 104 angeordnet und umfasst eine Leistungselektronik 40 mit mehreren (hier beispielhaft drei) Phaseneinheiten 102, die jeweils ein beispielhaft als Halbbrückenmodul ausgebildetes Leistungsmodul 42a-c aufweisen. Jedes der drei Halbbrückenmodule 42a-c umfasst eine Modulhighside und eine Modullowside (hier nicht gezeigt), die jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente (hier nicht gezeigt) aufweisen. Somit stellt jedes Halbbrückenmodul 42a-c eine vollständige Halbbrückenschaltung bereit. Alternativ können pro Phaseneinheit mehrere Halbbrückenmodule 42a-c vorgesehen sein. In diesem Fall können alle Modulhighsides der Halbbrückenmodule 42a-c miteinander in Parallelschaltung stehen und eine Highside der gesamten Phaseneinheit bilden. Gleichzeitig können alle Modullowsides der Halbbrückenmodule 42a-c miteinander in Parallelschaltung stehen und eine Lowside der gesamten Phaseneinheit bilden.
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Die Halbleiterschaltelemente in den jeweiligen Halbbrückenmodulen 42a-c werden gezielt geschaltet, um einen von einer DC-Spannungsquelle (hier nicht gezeigt) bereitgestellten DC-Strom in einen AC-Strom mit mehreren Phasenströmen umzuwandeln. Dazu sind in jedem Halbbrückenmodul 42a-c mehrere Leistungsanschlüsse 44 sowie mehrere Signalpins (nicht gezeigt) enthalten. Die Leistungsanschlüsse 44 umfassen zwei pluspolige DC-Leistungsanschlüsse und einen minuspoligen DC-Leistungsanschluss, um den DC-Strom, der von einer Zwischenkreiskondensatoranordnung 10 des Wechselrichters 100 zugeführt wird, in das Halbbrückenmodul 42a-c einzuspeisen.
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Die Zwischenkreiskondensatoranordnung 10 ist zwischen den Halbbrückenmodulen 42a-c und der DC-Spannungsquelle angeordnet und umfasst mehrere, im vorliegenden Fall drei, Zwischenkreiskondensatormodule 12a-c jeweils mit Kondensatoreingang 14a, 14b und Kondensatorausgang 20a, 20b. Die Zwischenkreiskondensatoranordnung 10 umfasst ferner eine erste Stromschienenanordnung 30 mit einer ersten pluspoligen Stromschiene 32a und einer ersten minuspoligen Stromschiene 32b. Die ersten Stromschienen 32a, 32b sind, wie in 1 gezeigt, flächig ausgebildet und überlappen einander in Richtung der Flächennormalen der ersten Stromschienen 32a, 32b. Die dadurch erzielten parallelen Stromflüsse tragen zu einer Verringerung der Streuinduktivität des als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichters 100 bei. Der Kondensatorausgang 14a, 14b des jeweiligen Zwischenkreiskondensatormoduls 12a-c ist entsprechend der Polarität mit der ersten pluspoligen Stromschiene 32a und der ersten minuspoligen Stromschiene 32b elektrisch verbunden, die wiederum die elektrische Verbindung mit den Leistungsanschlüssen 44 der Leistungselektronik 40 bereitstellen. Stromaufwärts des Kondensatoreingangs 14a, 14b ist eine zweite Stromschienenanordnung 50 mit einer zweiten pluspoligen Stromschiene 52a und einer zweiten minuspoligen Stromschiene 52b entsprechend der Polarität angeordnet und verbindet die Kondensatoreingänge 14a, 14b mit der Spannungsquelle über Leitungen 80. Im vorliegenden beispielhaften Fall sind zwischen der Spannungsquelle und der zweiten Stromschienenanordnung 50 ein Netzfilter 60 und Y-Kondensatoren als Entstörkondensatoren 62 angeordnet.
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Die Halbbrückenmodule 42a-c sind durch Niederhalter 90 auf dem mehrschichtigen Substrat 104 angebracht. Die Niederhalter 90 können dabei bspw. über Schraub- oder Steckverbindungen oder durch Schweißen an dem Substrat 104 befestigt werden. Das Substrat 104 weist vorzugsweise eine erste Metalllage, eine zweite Metalllage und eine dazwischen angeordnete Isolationslage auf. Auf der ersten Metalllage sind die Halbleiterschaltelemente angeordnet. Vorzugsweise sind die Halbleiterschaltelemente in den jeweiligen Halbbrückenmodulen 42a-c mit einem stromisolierenden Material zwecks Schutz vor Umwelteinflüssen verkleidet. Die Verkleidung erfolgt weiter vorzugsweise mittels Umspritzens der Halbbrückenmodule 42a-c mit einem stromisolierenden Spritzgussmaterial. Die daraus resultierende Vergussmasse weist beispielhaft einen rechteckigen Querschnitt auf.
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2a und 2b zeigt einen beispielhaft als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter 100 gemäß einer Ausführungsform jeweils in einer schematischen Darstellung in Perspektivansicht, wobei aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit nicht alle Bestandteile nummeriert wurden. Die Stromrichter 100 der 2a und 2b unterscheiden sich von dem in 1 gezeigten Stromrichter 100 lediglich durch die Zahl der Zwischenkreiskondensatormodule 12a-e und der daraus resultierenden Notwendigkeit längere Stromschienen 32a, 32b, 52a, 52b zu verwenden. So sind in 2a vier Zwischenkreiskondensatormodule 12a-d und in der 2b sechs Zwischenkreiskondensatormodule 12a-e auf dem mehrschichtigen Substrat 104 durch Niederhalter 90 befestigt, die über eine erste Stromschienenanordnung 30 mit den Leistungsanschlüssen 44 der Leistungselektronik 40 elektrisch verbunden sind.
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Aus 1, sowie 2a und 2b kann insbesondere der modulare Charakter der erfindungsgemäßen Zwischenkreiskondensatoranordnung 10 entnommen werden. Da lediglich die Anzahl der (baulich einander entsprechenden) Zwischenkreiskondensatormodule 12a-e verändert wird, müssen lediglich längere Stromschienenanordnungen 30, 50 verwendet werden, wobei der Abstand der an den Stromschienen 32a, 32b, 52a, 52b vorgesehenen Anschlüssen für den Kondensatoreingang 14b, 14b bzw. Kondensatorausgang 20a, 20b konstant sind. Da die Stromschienen 32a, 32b, 52a, 52b ferner jeweils flächig und zumindest paarweise (32a und 32b, bzw. 52a und 52b) einander überlappend vorliegen, können längere Stromschienen (nicht gezeigt), die bspw. für zehn Zwischenkreiskondensatormodule vorgesehen sind, auf die erforderliche Länge gekürzt werden. Eine gewünschte Gesamtkapazität für den Zwischenkreis kann durch die Anzahl identischer Zwischenkreiskondensatormodule mit jeweils gleicher, vorbestimmter Kapazität erhalten werden. Es ist ferner klar, dass in den 1, 2a, 2b die jeweiligen Bestanteile des Stromrichters 100 bzw. der erfindungsgemäßen Zwischenkreiskondensatoranordnung 10 anders angeordnet werden können. Bspw. können die Zwischenkreiskondensatormodule in Form eines Halbkreises oder Kreises, oder auch beliebig dreidimensional angeordnet werden.
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Die 3a-f, 4a-f, 5a-f und 6a-f eine erste, zweite, dritte bzw. vierte schematische Darstellung eines Zwischenkreiskondensatormoduls 12a-f in den in 3a, 4a, 5a, 6a und 3d, 4d, 5d, 6d durch die Pfeile A bzw. B gezeigten Richtungen. 3b, 4b, 5b, 6b bzw. 3e, 4e, 5e, 6e zeigen dabei eine gewöhnliche Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen 16a, 16b und die 3c, 4c, 5c, 6c bzw. 3f, 4f, 5f, 6f eine bevorzugte niederinduktive Ausgestaltung der Kondensatorstromschienen 16a, 16b.
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Das gezeigte Zwischenkreiskondensatormodul 12a-f umfasst jeweils einen Wickel 18 (auch als Folienkondensator bezeichnet) sowie eine pluspolige Kondensatorstromschiene 16a und eine minuspolige Kondensatorstromschiene 16b. Der Wickel 18 ist, wie hier beispielhaft gezeigt, bevorzugt quaderförmig, und ggf. mit abgerundeten Ecken, ausgebildet.
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Aus dem in 3a, 3b, 3d und 3e gezeigten beispielhaften Aufbau eines gewöhnlichen Zwischenkreiskondensatormoduls 12a-f kann entnommen werden, dass eine Oberseite 160 der beiden Kondensatorstromschienen 16a, 16b an einer Vorderwand 188a und einer Rückwand 188b des Wickels entlang einer Unterseite 180 des Wickels 18 derart verlaufen, dass auch der Kondensatoreingang 14a, 14b und Kondensatorausgang 20a, 20b im Wesentlichen parallel zu der Unterseite 180 des Wickels 18 verlaufen. Die minuspolige Kondensatorstromschiene ist ferner an der Unterseite 180 des Wickels 18 flächig derart angebunden sind, dass diese im Wesentlichen vollständig bedeckt wird. Die pluspolige Kondensatorstromschiene 16a verläuft entlang einer Vorderwand des 188a, einer Oberseite 186 und einer Rückwand 188b des Wickels 18 und bedeckt die genannten Flächen im Wesentlichen vollständig.
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Aus der in 3a, 3b, 3c und 3f gezeigten beispielhaften Aufbau eines bevorzugten niederinduktiven Zwischenkreiskondensatormoduls 12a-f kann entnommen werden, dass die minuspolige Kondensatorstromschiene 16b an der Unterseite 180 des Wickels 18 flächig derart angebunden ist, dass diese im Wesentlichen vollständig bedeckt wird. Die pluspolige Kondensatorstromschiene 16a verläuft entlang einer Unterseite der minuspoligen Kondensatorstromschiene 16b, bedeckt diese im Wesentlichen vollständig und ist von dieser durch eine elektrisch nichtleitende Schicht (nicht gezeigt) getrennt. Im vorliegenden Fall sind vier Stromschienenabschnitte 34a-d an die pluspolige Kondensatorstromschiene 16a angebunden und erstrecken sich entlang der Seitenwände182, 184 aufwärts und in Teilen einer Oberseite 186 des Wickels 18.
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Das in 4a-f gezeigte Zwischenkreiskondensatormodul 12a-f entspricht dem in 3a-f gezeigten Zwischenkreiskondensatormodul 12a-f mit Ausnahme, dass den 4b, 4c, 4e und 4f entnommen werden kann, dass das Zwischenkreiskondensatormodul 12a-f ein Gappad als beispielhaftes wärmeleitendes Element 70 aufweist. So kann dem in 4a, 4b, 4d und 4e gezeigten beispielhaften Aufbau eines gewöhnlichen Zwischenkreiskondensatormoduls 12a-f entnommen werden, dass das wärmeleitende Element 70 an einer Unterseite der minuspoligen Kondensatorstromschiene 16b vorgesehen ist und diese im Wesentlichen vollständig bedeckt. Mithin liegt die minuspolige Kondensatorstromschiene 16b zwischen der Unterseite 180 des Wickels 18 und dem wärmeleitendem Element 70 vor. Aus dem in 4a, 4b, 4c und 4f gezeigten beispielhaften Aufbau eines bevorzugten niederinduktiven Zwischenkreiskondensatormoduls 12a-f kann entnommen werden, dass das wärmeleitende Element 70 an einer Unterseite der pluspoligen Kondensatorstromschiene 16a vorgesehen ist und diese im Wesentlichen vollständig bedeckt. Mithin liegt die pluspolige Kondensatorstromschiene 16a zwischen der minuspoligen Kondensatorstromschiene 16b und dem wärmeleitendem Element 70 vor.
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Das in 5a-f gezeigte Zwischenkreiskondensatormodul 12a-f entspricht dem in 3a-f gezeigten Zwischenkreiskondensatormodul 12a-f mit Ausnahme, dass bei dem gezeigten Zwischenkreiskondensatormodul 12a-f der Kondensatoreingang 14a, 14b und Kondensatorausgang 20a, 20b im Wesentlichen senkrecht zu der Unterseite 180 des Wickels 18 verlaufen. Dadurch kann eine andere Geometrie der daran angebundenen ersten und zweiten Stromschienenanordnungen 32a, 32b, 52a, 52b erfolgen.
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Dem in 6a, 6b, 6d und 6e gezeigten beispielhaften Aufbau eines gewöhnlichen Zwischenkreiskondensatormoduls 12a-f kann entnommen werden, dass die beiden Kondensatorstromschienen 16a, 16b jeweils entlang gegenüberliegenden Seitenwänden 182, 184 des Wickels 18 bis teilweise, im gezeigten Fall im Wesentlichen bis zur halben Höhe des Wickels 18, verlaufen und mithin jeweils eine Seitenwand 182, 184 im Wesentlichen zur Hälfte bedecken. Kondensatoreingang 14a, 14b bzw. Kondensatorausgang 20a, 20b liegen hierbei vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu den Seitenwänden 182, 184 des Wickels 18 vor, d.h. im Wesentlichen senkrecht zu der Unterseite 180 des Wickels 18.
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Dem in 6a, 6b, 6c und 6f gezeigten beispielhaften Aufbau eines bevorzugten niederinduktiven Zwischenkreiskondensatormoduls 12a-f kann entnommen werden, dass vier Stromschienenabschnitte 34a-d an die pluspolige Kondensatorstromschiene 16a angebunden sind, die sich entlang der Seitenwändel 82, 184 in Richtung der Oberseite 186 bis im Wesentlichen zur halben Höhe des Wickels 18 erstrecken. Kondensatoreingang 14a, 14b bzw. Kondensatorausgang 20a, 20b liegen hierbei ebenfalls vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu den Seitenwänden 182, 184 des Wickels 18 vor, d.h. im Wesentlichen senkrecht zu der Unterseite 180 des Wickels 18.
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7a und 7b zeigen einen beispielhaft als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform jeweils in einer schematischen Darstellung in Seitenansicht (7a) und Perspektivansicht (7a). Die Bauteile des Stromrichters 100 sind im Gegensatz zu der in 1, 2a, 2b gezeigten Ansicht nicht auf einem Substrat 104 angeordnet, sondern liegen jeweils unabhängig voneinander vor und sind lediglich durch die erste und zweite Stromschienenanordnungen 30, 50 bzw. die erste pluspolige Stromschiene 32a, erste minuspolige Stromschiene 32b, zweite pluspolige Stromschiene 32a und zweite minuspolige Stromschiene 32b miteinander elektrisch verbunden. Gappads als beispielhafte wärmeleitende Elemente 70 sind an den Unterseiten des Netzfilters 60, Entstörkondensators 62 und der Halbleiterschaltelemente 42a-f vor. Es wurde gefunden, dass auf die Kühlung der Zwischenkreiskondensatormodule 12a-e verzichtet werden kann, sofern Gappads als beispielhafte wärmeleitende Elemente 70 an den vorstehend aufgeführten Bauteilen angebracht sind.
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Bezugszeichen
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- 10
- Zwischenkreiskondensatoranordnung
- 12a-e
- Zwischenkreiskondensatormodule
- 14a, 14b
- Kondensatoreingang
- 16a
- pluspolige Kondensatorstromschiene
- 16b
- minuspolige Kondensatorstromschiene
- 18
- Wickel
- 20a, 20b
- Kondensatorausgang
- 30
- erste Stromschienenanordnung
- 32a
- erste pluspolige Stromschiene
- 32b
- erste minuspolige Stromschiene
- 34a-d
- Stromschienenabschnitte
- 40
- Leistungselektronik
- 42a-f
- Halbleiterschaltelemente
- 44
- Leistungsanschlüsse
- 50
- zweite Stromschienenanordnung
- 52a
- zweite pluspolige Stromschiene
- 52b
- zweite minuspolige Stromschiene
- 60
- Netzfilter
- 62
- Entstörkondensator
- 70
- wärmeleitendes Element
- 80
- Leitungen
- 90
- Niederhalter
- 100
- Stromrichter
- 102
- Phaseneinheiten
- 160
- Oberseite der ersten Stromschienen
- 180
- Unterseite des Wickels
- 182, 184
- Seitenwände des Wickels
- 186
- Oberseite des Wickels
- 188a
- Vorderwand des Wickels
- 186b
- Rückwand des Wickels
