DE19512679C1

DE19512679C1 - Stromleiteranordnung

Info

Publication number: DE19512679C1
Application number: DE19512679A
Authority: DE
Inventors: Markus Keller; Jochen Rees; Alexander Dr Stoev
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1995-04-07
Publication date: 1996-11-21
Anticipated expiration: 2015-04-08
Also published as: FR2732825A1; FR2732825B1; US5835362A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Stromleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch Verwendungen dieser Stromleiteranordnung.

STAND DER TECHNIK

Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE 36 09 065 A1 bekannt ist. Dort sind niederinduktive Doppelschienen für einen Phasenbaustein eines Wechselrichters mit jeweils einem GTO-Thyristor zwischen einem Potential- und einem Lastanschluß angegeben. Die Bauelemente für die Abschaltung der GTO- Thyristoren sind über eine Stichleitung mit 4 elektrischen Stromschienen an diese Doppelschienen angeschlossen. Eine niederinduktive Reihenschaltung für mehrere steuerbare Halbleiterbauelemente zwischen einem Potential- und einem Lastanschluß ist dort nicht offenbart.

In der DE 41 05 155 A1 ist eine Stromrichterschaltungsanordnung mit 2 in Reihe geschalteten schaltbaren Bauelementen angegeben, zwischen welchen sich ein Wechselstrom-Lastanschluß befindet. Dabei enthält jeder Brückenzweig des Stromrichters nur 1 schaltbares Bauelement. Das schaltbare Bauelement und eine Freilaufdiode des Kommutierungszweiges sind eng benachbart zueinander vorgesehen, um die Induktivitäten und demzufolge die induzierten Überspannungen zu minimieren. Als schaltbare Bauelemente kommen bipolare Transistoren,

Feldeffekttransistoren, IGBTs oder GTOs zur Anwendung. Für Betriebsspannungen, die größer sind als sie ein einzelnes Halbleiterbauelement verträgt, ist diese Stromrichterschaltung nicht geeignet.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Stromleiteranordnung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß bei mehreren zwischen einem Potential- und einem Lastanschluß elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbaren Halbleiterbauelementen eine geringere Streuinduktivität resultiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die niedrigere Streuinduktivität die elektrischen Verluste geringer werden.

Die niederinduktive Stromleiteranordnung ermöglicht einen modularen Aufbau und eine gute Kompensation von mechanischen Kräften, welche durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen hervorgerufen werden. Auf anzuschließende Halbleiterbauelemente werden keine starken mechanischen Kräfte und Drehmomente ausgeübt. In der Isolierung der bandförmigen Doppelleiter sind keine Bohrungen oder Durchführungen erforderlich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist, bei Verwendung von Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) als steuerbaren Halbleiterbauelementen weniger Beschaltungsaufwand für die steuerbaren Halbleiterbauelemente erforderlich. Dadurch lassen sich die Stromrichterkosten reduzieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Umrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis, dessen Wechselrichter je Wechselstromphase 2 Brückenzweige mit in Reihe geschalteten steuerbaren Halbleiterbauelementen aufweist,

Fig. 2 2 Wechselrichter-Brückenzweige gemäß Fig. 1 mit einem Lastanschluß, benachbart und direkt gegenüber von Gleichspannungszuleitungen, und

Fig. 3 2 Wechselrichter-Ventilzweige gemäß Fig. 1, bei denen der Lastanschluß an einem Ende und die Gleichspannungszuleitungen am anderen Ende von Hauptbandleitungen angeordnet sind.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild einen Umrichter, bestehend aus einem Gleichrichter (1), einem Gleichspannungszwischenkreis (2) und einem Wechselrichter (3), der wechselstromseitig über einen Lastanschluß (A) an eine Wechselstromlast bzw. an eine Asynchronmaschine (4) angeschlossen ist. Der Gleichspannungszwischenkreis (2) besteht aus einem Kondensator (C), welcher einerseits mit einem positiven Anschluß (P) und andererseits mit einem negativen Anschluß (N) des Gleichrichters (1) elektrisch verbunden ist.

Der Wechselrichter (3) weist je Wechselstromphase (R, S, T) 2 gleich aufgebaute niederinduktive Brückenzweige auf, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Brückenzweige (V_R1, V_R2) zur Wechselstromphase (R) dargestellt sind. Der Brückenzweig (V_R1) weist 3 in Reihe geschaltete steuerbare Halbleiterbauelemente (V1, V2, V3) und der Brückenzweig (V_R2) 3 in Reihe geschaltete steuerbare Halbleiterbauelemente (V4, V5, V6) auf. Als steuerbare Halbleiterbauelemente (V1-V6) sind z. B. bipolare Transistoren, Feldeffekttransistoren, abschaltbare Thyristoren (GTOs) und vorzugsweise bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) verwendbar. Antiparallel zu jedem steuerbaren Halbleiterbauelement (V1-V6) ist eine Freilaufdiode geschaltet.

Fig. 2 zeigt eine induktionsarme Schaltungsanordnung der Brückenzweige (V_R1, V_R2) gemäß Fig. 1, wobei als steuerbare Halbleiterbauelemente (V1-V6) bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) verwendet sind. Ein ebenflächiger 1. Bandleiter bzw. Hauptbandleiter (5) ist einerseits an den positiven Anschluß (P) und andererseits an den Lastanschluß (A) angeschlossen. Ein ebenflächiger 2. Bandleiter bzw. Hauptbandleiter (5′) ist einerseits an den negativen Anschluß (N) und andererseits ebenfalls an den Lastanschluß (A) angeschlossen. Beide 1. und 2. Hauptbandleiter (5, 5′) weisen einen rechteckigen Querschnitt auf, dessen Breite viel größer als dessen Dicke ist; mit ihren Breitseiten liegen sie sich, nur durch eine möglichst dünne Isolierschicht (7) von z. B. 2 mm Dicke getrennt, gegenüber und bilden zusammen mit der Isolierschicht (7) eine Hauptdoppelbandleitung (5, 5′). Von der ebenen Hauptdoppelbandleitung (5, 5′) zweigen nach oben und unten je 3 Stichdoppelbandleitungen (6, 6′) aus 2 gegenseitig durch die Isolierschicht (7) isolierten bandförmigen Stichleitern (6, 6′) im wesentlichen orthogonal ab. Jeder Stichleiter (6, 6′) weist endseitig gewinkelt ein Bauelement- Anschlußende (9) zum elektrischen Anschluß an je ein Modul (10) auf, in welchem ein steuerbares Halbleiterbauelement (V1, V2, V3) mit integrierter Freilaufdiode untergebracht ist. Entsprechendes gilt für die an den 2. Hauptbandleiter (5′) nach unten angeschlossenen steuerbare Halbleiterbauelemente (V4-V6), welche auf diese Weise elektrisch in Reihe geschaltet sind, ebenso wie die steuerbaren Halbleiterbauelemente (V1-V3). Am gemeinsamen Lastanschluß (A) der beiden 1. und 2. Hauptbandleiter (5, 5′) ist im Betrieb ein Laststrom von z. B. 600 A abgreifbar. Parallel und beidseitig zur Hauptdoppelbandleitung (5, 5′) sind Kühlelemente (8) in gut wärmeleitendem Kontakt zu den steuerbaren Halbleiterbauelementen (V1-V6) und Freilaufdioden angeordnet, welche die Verlustwärme der Halbleiter abführen.

Fig. 3 zeigt eine induktionsarme Stromleiteranordnung der Brückenzweige (V_R1, V_R2) gemäß Fig. 1 in Abwandlung der Fig. 2. Anstelle einer einzigen, nicht gewinkelten Hauptdoppelbandleitung (5, 5′), wie in Fig. 2, ist hier für jeden Brückenzweig (V_R1, V_R2) eine gewinkelte, bandförmige Doppelleitung bzw. Hauptdoppelbandleitung (11, 12; 11′, 12′) mit mehreren Abzweigungen (13) für bandförmige Doppelleitungen (6, 6′; 14; A) vorgesehen. Die gekühlten Module (10) sind über Stichdoppelbandleitungen (6, 6′) in gleicher Weise angeschlossen wie bei Fig. 2. Die Hauptbandleiter (12, 12′) sind im Lastanschluß (A) kurzgeschlossen, welcher sich zwischen den Brückenzweigen (V_R1, V_R2) befindet. Die bandförmige Doppelleitung (14) ist einerseits mit dem positiven Anschluß (P) und dem negativen Anschluß (N) und andererseits mit den Hauptdoppelbandleitern (11, 11′) verbunden.

Statt bezüglich der Hauptdoppelbandleitungen (11, 12; 11′, 12′) nach innen, wie in Fig. 3 dargestellt, können die Stichleiter (6, 6′) mit angeschlossenen steuerbaren Halbleiterbauelementen (V1-V6) z. B. um 180° gedreht nach außen angeordnet sein, wobei dann die Stichleiter (6, 6′) an die Hauptbandleiter (11) bzw. (11′) angeschlossen sind (nicht dargestellt).

Statt in Winkeln (15) abgewinkelt, können die Hauptdoppelbandleitungen (11, 12; 11′, 12′) auch gestreckt in einer Ebene ausgeführt sein (nicht dargestellt). Die Doppelleitung (14) muß nicht gegenüber dem Lastanschluß (A) angeordnet sein.

Wichtig ist, daß die vom Laststrom eingeschlossene Stromfläche möglichst gering ist, um eine möglichst niedrige Induktivität der Stromleiteranordnung zu erreichen. Die steuerbaren Halbleiterbauelemente (V1-V6) sollen möglichst eng benachbart zu den dazugehörigen Freilaufdioden angeordnet sein. Ferner soll der Abstand zwischen benachbarten Modulen (10) sowie zwischen den Modulen (10) und den Stromanschlüssen (P, N) einerseits und dem Lastanschluß (A) andererseits möglichst gering sein.

Auf die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Art lassen sich im Prinzip beliebig viele Module (10) mit steuerbaren Halbleiterbauelementen (V1-V3; V4-V6) anordnen bzw. in Reihe schalten.

Ein vorgebbarer Abstand (a) zwischen einem Modul (10) und einer Hauptebene eines Hauptbandleiters (5, 5′; 12, 12′) bzw. die Länge der 1. und 2. Ventilbandleiter (6, 6′), siehe Fig. 2, sollte im Bereich von 3 cm-10 cm, vorzugsweise im Bereich von 5 cm-7 cm liegen, um etwaige Unterschiede in der thermischen Ausdehnung bei verschiedenen Modulen (10) kompensieren zu können.

Es versteht sich, daß der Umrichter (1-3) statt für die oben angegebenen Stromwerte auch für andere Bemessungen ausgelegt sein kann. Anstelle eines 2 Punkt-Stromrichters (3), wie er in Fig. 1 dargestellt ist, könnte selbstverständlich ein 3 Punkt- Stromrichter vorgesehen sein (nicht dargestellt). Zusätzlich könnten nicht dargestellte Schutzeinrichtungen und Halbleiterbauelementbeschaltungen vorgesehen sein, wie sie in Verbindung mit Stromrichtern üblich sind.

Bezugszeichenliste

1 Gleichrichter
2 Gleichspannungszwischenkreis
3 Wechselrichter
4 Asynchronmaschine, Wechselstromlast
5 1. Bandleiter, Hauptbandleiter
5′ 2. Bandleiter, Hauptbandleiter
6, 6′ Stichleiter
7 Isolierung, Isolationsschicht
8 Kühlelement, Halbleiterkühlkörper
9 Bauelement-Anschlußende
10 Modul mit steuerbarem Halbleiterbauelement V1 (V2 . . .) und Freilaufdiode
11, 11′; 12, 12′ Hauptbandleiter
13 Abzweigungen
14 Doppelleitung
15 Winkel
a Abstand
A Lastanschluß
C Zwischenkreiskondensator
N negativer Anschluß
P positiver Anschluß
R, S, T Wechselstromphasen
V1-V6 steuerbare Halbleiterbauelemente
V_R1, V_R2 Brückenzweige von R

Claims

1. Stromleiteranordnung, insbesondere für steuerbare elektrische Halbleiterbauelemente,

a) mit mindestens 1. und 2. bandförmigen Hauptleitern (5, 5′; 11, 12, 11′, 12′) für Stromzu- und -ableitungen (P, N; A),
b) welche durch eine elektrische Isolierung oder Isolierschicht (7) voneinander getrennt sind, derart, daß jeweils 2 bandförmige Hauptleiter eine Hauptdoppelbandleitung (5, 5′; 14; 11, 12; 11′, 12′) bilden,
c) welche 1. und 2. Hauptleiter über mindestens 2 bandförmige Stichleiter (6, 6′) mit Bauelement- Anschlußenden (9) elektrisch verbunden sind,
d) welche Stichleiter durch eine elektrische Isolierung oder Isolierschicht (7) voneinander getrennt sind, derart, daß jeweils 2 bandförmige Stichleiter eine Stichdoppelbandleitung (6, 6′) bilden, dadurch gekennzeichnet,
e) daß mindestens 2 benachbarte Stichdoppelbandleitungen (6, 6′) an derselben Potentialseite (P, N) der Hauptdoppelbandleitung (5, 5′; 14; 11, 12; 11′, 12′) nicht direkt mit einem Lastanschluß (A) in Verbindung stehen.

2. Stromleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Stichdoppelbandleitungen (6, 6′) an gegenüberliegenden Potentialseiten (P, N) einer einzigen, gestreckten Hauptdoppelbandleitung (5, 5′) angeschlossen sind und
b) daß die Hauptdoppelbandleitung (5, 5′) einen endseitigen Lastanschluß (A) aufweist (Fig. 2).

3. Stromleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß 1. und 2. Stromanschlußbänder (11, 11′) für 1. und 2. Spannungspotentiale (P, N) der Hauptdoppelbandleitung (14; 11, 12; 11′, 12′) in einer Abzweigung (13) aufgetrennt sind und
b) daß die Stichdoppelbandleitungen (6, 6′) an 2 Lastanschlußbänder (12, 12′) angeschlossen sind, welche mit dem Lastanschluß (A) elektrisch verbunden sind (Fig. 3).

4. Stromleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je 2 Stichdoppelbandleitungen (6, 6′) im wesentlichen gegenüberliegend zueinander angeordnet sind.

5. Stromleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichdoppelbandleitungen (6, 6′) eine vorgebbare Länge (a) im Bereich 5 cm-7 cm aufweisen, derart, daß die Bauelement-Anschlußenden (9) einen Abstand von einer Hauptebene der 1. und 2. Hauptleiter (5, 5′; 11, 12; 11′, 12′) haben, der mindestens so groß ist, wie diese vorgebbare Länge (a).

6. Stromleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichdoppelbandleitungen (6, 6′) im wesentlichen orthogonal zu einer bzw. der Hauptebene der Hauptleiter (5, 5′, 11, 12; 11′, 12′) angeordnet sind.

7. Verwendung einer Stromleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Stromrichter (1, 3), dessen Gleichspannung größer ist als die zulässige Betriebsspannung eines steuerbaren Halbleiterbauelements (V1-V6) des Stromrichters.

8. Verwendung einer Stromleiteranordnung nach Anspruch 7 in mindestens einem Brückenzweig (V_R1, V_R2) mindestens eines Stromrichters (1, 3) eines Umrichters (1-3) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (2), wobei je Brückenzweig (V_R1, V_R2) mindestens 2 steuerbare Halbleiterbauelemente (V1-V6) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

9. Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente (V1-V6) bipolare Transistoren mit isoliertem Gate sind.