DE19628549A1 - Baukastensystem zur Bildung von Stromrichtergeräten unterschiedlicher Leistung und Kühlungsart - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Baukastensystem zur Bildung von Stromrichterge­ räten unterschiedlicher Leistung und Kühlungsart. Ein bevorzugtes Anwendungsge­ biet sind elektrische Schienenfahrzeuge.

Ein Stromrichtergerät mit flüssigkeits- oder luftgekühlten Leistungshalbleitern, insbe­ sondere IGBT-Modulen ist aus der DE 44 12 990 A1 bekannt. Dort wird eine Strom­ richteranlage mit flüssigkeits- oder luftgekühlten Leistungshalbleitern und Gleich­ spannungszwischenkreis vorgeschlagen, wobei die Kondensatorbatterie des Gleich­ spannungszwischenkreises in zwei Teil-Kondensatorbatterien aufgeteilt ist. Die Lei­ stungshalbleiter sind auf beiden Hauptoberflächen einer Kühlschiene angeordnet. Eine erste Längsverschienung ist mit elektrischen Anschlüssen der ersten Teil-Kon­ densatorbatterie und den elektrischen Anschlüssen der auf der ersten Hauptoberflä­ chen der Kühlschienen angeordneten ersten Leistungshalbleiter verbunden. Eine zweite Längsverschienung ist mit den elektrischen Anschlüssen der zweiten Teil- Kondensatorbatterie und den elektrischen Anschlüssen der auf der zweiten Haupto­ berfläche der Kühlschiene angeordneten zweiten Leistungshalbleiter verbunden. Eine Querverschienung verbindet die Gleichspannungspotentiale beider Längsver­ schienungen, wobei das aus den beiden Längsverschienungen und der Querver­ schienung bestehende Verbindungsschienensystem sowie die beiden Teil-Kondensa­ torbatterien jeweils parallel zur Kühlschiene verlaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System anzugeben, das in einfacher und preiswerter Art und Weise die Schaffung von Stromrichtergeräten unterschiedli­ cher Leistung und Kühlungsart ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Baukastensystem zur Bildung von Stromrichtergeräten unterschiedlicher Leistungen und Kühlungsarten gelöst, mit Luftkühlern verschiedener Höhe für Ein-Ebenen-Bestückung oder Duplex-Be­ stückung mit Leistungshalbleitern, vorzugsweise IGBT-Halbleitern, mit Flüssigkeits­ kühlern verschiedener Höhe für Ein-Ebenen-Bestückung oder Duplex-Bestückung mit Leistungshalbleitern, mit innerhalb der gleichen Leistungsklasse gleichen Multi­ layer-Stromschienen, die sowohl zur Kontaktierung der Leistungshalbleiter unter­ schiedlicher Kühlungsart als auch für Ein-Ebenen-Bestückung oder Duplex-Be­ stückung mit Leistungshalbleitern geeignet sind, mit in Abhängigkeit der Höhe der Halbleiterkühler unterschiedlichen Multi layer-Querschienen, welche bei Duplex-Be­ stückung mit Leistungshalbleitern die Multilayer-Stromschienen verbinden, wobei die Multilayer-Stromschienen Anschlüsse aufweisen, die sowohl zum Anschluß mit der Querschiene als auch zum Anschluß einer Sensorgruppe geeignet sind, mit inner­ halb der gleichen Leistungsklasse gleichen Sensorgruppen für die Strom- und Spannungsmessung, die sowohl zur Kontaktierung der Multilayer-Stromschienen bei unterschiedlicher Kühlungsart als auch für Ein-Ebenen-Bestückung oder Duplex- Bestückung geeignet sind und mit einer gleichen Ansteuergruppe für unterschiedli­ che Kühlungsarten, für Ein-Ebenen-Bestückung und Duplex-Bestückung.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit dem vorgeschlagenen Baukastensystem Stromrichtergeräte mit gestaffelter Kühlleistung für Flüssigkeitskühlung oder Luftkühlung geschaffen werden. Die Leistungs­ halbleiter können in einer, in zwei oder in drei Reihen auf der Hauptoberfläche des Halbleiterkühlers angeordnet sein. Es kann je nach geforderter Leistung eine einsei­ tige oder doppelseitige Bestückung des Halbleiterkühlers erfolgen. Innerhalb einer Leistungsklasse sind die Multilayer-Stromschienen zum Kontaktieren der Leistungs­ halbleiter für unterschiedliche Leistungen, Bestückungsanordnungen und Kühlungs­ arten universell geeignet, genauso wie die Sensorgruppen und die Ansteuergruppe.

Das vorgeschlagene Baukastensystem ermöglicht die preiswerte Realisierung von Stromrichtergeräten unterschiedlicher Leistung und Kühlungsart unter Einsatz von standardisierten Baukomponenten. Auf diese Weise können beispielsweise Strom­ richtergeräte für Schienenfahrzeuge in einem breiten Leistungsbereich (von der Straßenbahn bis zum Triebkopf eines Hochgeschwindigkeitszuges) und unter­ schiedlicher Stromrichter-Kühlungsart geschaffen werden. Unterschiedliche Kon­ struktionskonzepte - bezogen auf die Leistungsklasse und die Anwendungsart (welche die erforderliche Stromrichter-Kühlungsart bestimmt) - sind nicht mehr erfor­ derlich.

Insgesamt wird als Folge der verstärkt möglichen Serienfertigung von Baukompo­ nenten eine hohe Rationalisierungsrate bei der Schaffung von Stromrichtergeräten erzielt. Der zur Schaffung von Stromrichtergeräten für ein sehr breites Leistungs­ spektrum und unterschiedliche Kühlungsarten erforderliche Entwicklungsaufwand wird stark reduziert.

Die zur Ersatzteilbevorratung notwendige Anzahl an unterschiedlichen Baukompo­ nenten wird beträchtlich herabgesetzt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1, 2 den prinzipiellen Aufbau eines Stromrichtergerätes des Baukasten­ systems,

Fig. 3 ein Stromrichtergerät mit Flüssigkeitskühler in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4 bis 6 Baukomponenten für Stromrichtergeräte unterschiedlicher Lei­ stungsklassen,

Fig. 7 eine Sicht auf die Stirnseite eines Stromrichtergerätes mit einem Luftkühler,

Fig. 8 ein Stromrichtergerät mit Luftkühler in perspektivischer Darstellung.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Stromrichtergerätes des Baukastensy­ stems, wobei die einzelnen Baukomponenten im Sinne einer Explosionszeichnung mit Abstand voneinander dargestellt sind. Zentrale Baukomponente des Stromrich­ tergerätes ist ein wahlweise als Luftkühler oder als Flüssigkeitskühler (vorzugsweise unter Verwendung von Brauchwasser) ausgebildeter Halbleiterkühler 1a, dessen Hauptoberflächen beidseitig (Duplex-Technik) mit Leistungshalbleitern 2, vorzugs­ weise IGBT-Modulen bestückt sind. Die elektrische Verbindung der Leistungsan­ schlüsse der Leistungshalbleiter 2 erfolgt über Multilayer-Stromschienen 3, 4, wel­ che parallel zu den beiden zur Kühlung herangezogenen Hauptoberflächen des Halbleiterkühlers angeordnet sind und Leistungshalbleiter-Anschlüsse 5 aufweisen. Die Verbindung beider Stromschienen 3, 4 untereinander zu einem Verbindungs­ schienensystem erfolgt über eine Multilayer-Querschiene 8, welche mit Anschlüssen 7 der Multilayer-Stromschienen 3, 4 kontaktiert ist.

Seitlich neben den Multilayer-Stromschienen 3, 4 sind Sensorgruppen 9, 10 ange­ ordnet, deren elektrische Anschlüsse mit Sensor-Anschlüssen 6 der Multilayer- Stromschienen 3, 4 kontaktiert sind. Vorzugsweise enthält eine der Sensorgruppen die zur Strommessung und die andere Sensorgruppe die zur Spannungsmessung erforderlichen Baukomponenten (Stromwandler, Spannungswandler). Oberhalb der Multilayer-Querschiene 8 befindet sich eine Ansteuer-Gruppe 11 für die Ansteue­ rung der Leistungshalbleiter - vorzugsweise Gate-Unit-Gruppe - wobei die elektri­ schen Anschlüssen zu den Leistungshalbleitern vorzugsweise über flexible Leitun­ gen und Kabelsteckkontakte erfolgen.

In Fig. 2 ist ein Stromrichtergerät gezeigt, dessen Halbleiterkühler 1b lediglich halb so hoch ausgebildet ist wie der Halbleiterkühler 1a gemäß Fig. 1. Dementsprechend ist der Halbleiterkühler 1b lediglich einseitig (Ein-Ebenen-Technik) mit Leistungs­ halbleitern 2 bestückt und die abführbare Wärmeleistung ist lediglich halb so groß wie diejenige des Stromrichtergerätes nach Fig. 1. Für die elektrische Kontaktierung der Leistungshalbleiter und zur Bildung des Verbindungsschienensystems ist ledig­ lich eine Multilayer-Schiene 4 mit Leistungshalbleiter-Anschlüssen 5 erforderlich, die weitere Multilayer-Schiene 3 und die Multilayer-Querschiene 8 entfallen. Der An­ schluß der Sensorgruppe 10 erfolgt wie auch beim Stromrichtergerät gemäß Fig. 1 über den Sensor-Anschluß 6. Die weitere Sensorgruppe 9 ist im Unterschied zur Variante nach Fig. 1 mit dem Anschluß 7 kontaktiert. Die Ansteuer-Gruppe 11 ist parallel zur Hauptoberfläche des Kühlers angeordnet.

In Fig. 3 ist das vorgeschlagene Stromrichtergerät in Duplex-Technik in perspektivi­ scher Darstellung und teilweise als Explosionszeichnung mit Abstand der Baukom­ ponenten voneinander gezeigt. Es sind der Halbleiterkühler 1a mit Leistungshalblei­ tern 2, das Verbindungsschienensystem mit Multilayer-Stromschienen 3, 4 sowie Multilayer-Querschiene 8, die Anschlüsse 6, die Sensorgruppen 9, 10 und die An­ steuergruppe 11 zu erkennen. Der Halbleiterkühler 1a ist unter Einsatz einer Küh­ ler-Halterung 12 montiert, welche Anschlußstutzen für die Kühlflüssigkeitszufuhr und -rückleitung oder für die Luftzufuhr und -abfuhr aufweist, je nachdem, ob es sich um einen Flüssigkeits- oder Luftkühler handelt (im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 handelt es sich um einen Flüssigkeitskühler). Beidseitig des Halbleiterkühlers 1a sind Kondensator-Gruppen 13 angeordnet. Eine Abdeckplatte 14 schließt das Stromrichtergerät oberhalb der Ansteuer-Gruppe 11 nach außen hin ab.

In den Fig. 4 bis 6 sind Baukomponenten für Stromrichtergeräte unterschiedlicher Leistungsklassen sowie die entsprechenden Leistungshalbleiter-Anordnungen (Anschlußbelegung) dargestellt. Jede der Fig. 4 bzw. 5 bzw. 6 ist zeilenweise in sieben Abschnitte aufgeteilt, wobei im ersten zeilenweisen Abschnitt Luftkühler 15 bzw. 16 bzw. 17 für die Ein-Ebenen-Bestückung mit Leistungshalbleitern, in der zweiten Zeile Luftkühler 18 bzw. 19 bzw. 20 für die Duplex-Bestückung mit Lei­ stungshalbleitern, in der dritten Zeile Flüssigkeitskühler 21 bzw. 22 bzw. 23 für die Duplex-Bestückung mit Leistungshalbleitern, in der vierten Zeile Flüssigkeitskühler 24 bzw. 25 bzw. 26 für die Ein-Ebenen-Bestückung mit Leistungshalbleitern, in der fünften Zeile die Anordnung der Leistungshalbleiter bei Duplex-Bestückung bei Sicht auf die Stirnseite der Leistungshalbleiter (die Lage der Halbleiterkühler ist strich­ punktiert angedeutet), in der sechsten Zeile die Anordnung der Leistungshalbleiter bei Ein-Ebenen-Bestückung bei Sicht auf die Stirnseite der Leistungshalbleiter und in der siebten Zeile die Anordnung der Leistungshalbleiter bei Sicht auf die elektri­ sche Anschlußebene der Leistungshalbleiter 2 (Anschlußbelegung) zu erkennen sind.

In jeder Leistungsklasse ist die Halbleiteranordnung (Abstände zwischen den Modu­ len, Anschlußmuster der elektrischen Anschlüsse) für Luft- oder Flüssigkeitskühlung, für Ein-Ebenen-Anordnung und für Duplex-Anordnung gleich. Es werden stets die gleichen Sensorgruppen 9, 10 und die Ansteuergruppe 11 verwendet. Beim Strom­ richtergerät gemäß Fig. 4 sind bei der Ein-Ebenen-Anordnung vier Leistungshalblei­ ter und bei der Duplex-Anordnung acht Leistungshalbleiter notwendig. Das Strom­ richtergerät gemäß Fig. 5 erfordert acht Leistungshalbleiter bei der Ein-Ebenen-An­ ordnung (zwei Reihen mit je vier Leistungshalbleitern) und sechzehn Leistungshalb­ leiter bei der Duplex-Anordnung. Beim Stromrichtergerät gemäß Fig. 6 sind bei der Ein-Ebenen-Anordnung zwölf Leistungshalbleiter (drei Reihen mit je vier Leistungs­ halbleitern) und bei der Duplex-Anordnung vierundzwanzig Leistungshalbleiter not­ wendig.

Die Luftkühler 18 . . . 20 für die Duplex-Anordnungen bestehen vorzugsweise aus zwei spiegelbildlich zusammengesetzten, innere Kühlkanäle aufweisenden Luftkühlern 15 . . . 17 für die Ein-Ebenen-Anordnungen (siehe die gestrichelt angedeuteten Ver­ bindungs/Trennungsebenen). In gleicher Art und Weise können auch die Flüssig­ keitskühler 21 . . . 23 für Duplex-Anordnungen aus zwei Flüssigkeitskühlern 24 . . . 26 für die Ein-Ebenen-Anordnungen zusammengesetzt sein, wobei die Flüssigkeitskühler vorzugsweise in Gegenstromtechnik von der Kühlflüssigkeit durchströmt werden.

Die Flüssigkeitskühler 22, 23, 25, 26 der höheren Leistungsklassen sind vorzugs­ weise aus zwei oder drei Flüssigkeitskühlern 21, 24 der unteren Leistungsklasse zusammengesetzt. So besteht der Flüssigkeitskühler 22 aus zwei Flüssigkeitsküh­ lern 21 bzw. vier Flüssigkeitskühlern 24, der Flüssigkeitskühler 23 aus drei Flüssig­ keitskühlern 21 bzw. sechs Flüssigkeitskühlern 24, der Flüssigkeitskühler 25 aus zwei Flüssigkeitskühlern 24 und der Flüssigkeitskühler 26 aus drei Flüssigkeitsküh­ lern 24, wie aus den Fig. 4 bis 6 zu erkennen ist. Wird die Breite der Flüssig­ keitskühler 21, 24 mit b₁ bezeichnet, so weisen die Flüssigkeitskühler 22, 25 die Breite b₂ = 2 b₁ und die Flüssigkeitskühler 23, 26 die Breite b₃ = 3 b₁ auf.

Die Höhe der Luftkühler 15 . . . 17 ist mit a₁, die Höhe der Luftkühler 18 . . . 20 ist mit a₂ (a₂ = 2 a₁), die Höhe der Flüssigkeitskühler 21 . . . 23 ist mit a₃ und die Höhe der Flüssigkeitskühler 24 . . . 26 ist mit a₄ (a₃ = 2 a₄) bezeichnet. Die durch die unter­ schiedlichen Höhen a₁ . . . a₄ der Kühler bedingten unterschiedlichen Breiten des Verbindungsschienensystems bei den Duplex-Anordnungen werden durch Multilay­ er-Querschienen 8 unterschiedlicher Abmessungen realisiert, so daß trotz unter­ schiedlicher Leistungen der Stromrichtergeräte und unterschiedlicher Kühlungsart (Luft- oder Flüssigkeitskühlung) innerhalb einer Leistungsklasse stets die gleichen Multilayer-Stromschienen 3, 4 verwendet werden können.

In Fig. 7 ist eine Sicht auf die Stirnseite eines Stromrichtergerätes mit einem Luftküh­ ler dargestellt. Das Stromrichtergerät weist einen Luftkühler 16 in Ein-Ebenen- Technik (siehe erste Zeile der Fig. 5) auf. Es sind die Leistungshalbleiter 2, die Multilayer-Stromschiene 4 mit Leistungshalbleiter-Anschlüssen 5 und Sensor- Anschlüssen 6, 7, die Sensorgruppen 9, 10, die Ansteuer-Gruppe 11 sowie die Kon­ densator-Gruppe 13 zu erkennen.

In Fig. 8 ist ein Stromrichtergerät mit Luftkühler und Duplex-Technik in perspektivi­ scher Darstellung gezeigt. Es sind der Luftkühler 19 (siehe auch Fig. 5, zweite Zeile) mit Kühler-Halterung 12, die Sensor-Anschlüsse 6 für die Sensorgruppe 9, die An­ steuer-Gruppe 11 mit Abdeckplatte 14 und die Kondensator-Gruppe 13 zu erkennen. Bei Vergleich mit dem in Fig. 3 dargestellten Stromrichtergerät fällt die gleichartige Ausbildung der Stromrichtergeräte sowohl für Luftkühlung als auch für Flüssigkeits­ kühlung auf. Ein wesentlicher Unterschied besteht lediglich bei den Anschlußstutzen der Kühler-Halterungen 12, welche beispielsweise entweder als Anschlußstutzen für die Flüssigkeitsheizung eines Schienenfahrzeuges oder als Anschlußstutzen für die Luftheizung eines Schienenfahrzeuges ausgebildet sind.

Claims (3)

1. Baukastensystem zur Bildung von Stromrichtergeräten unterschiedlicher Leistungen und Kühlungsarten, mit Luftkühlern (15 bis 20) verschiedener Höhen (a₁, a₂) für Ein-Ebenen-Bestückung oder Duplex-Bestückung mit Leistungshalbleitern (2), vorzugsweise IGBT-Halbleitern, mit Flüssigkeitskühlern (21 bis 26) verschiedener Höhen (a₃, a₄) für Ein-Ebenen-Bestückung oder Duplex-Bestückung mit Leistungs­ halbleitern, mit innerhalb der gleichen Leistungsklasse gleichen Multilayer-Strom­ schienen (3, 4), die universell sowohl zur Kontaktierung der Leistungshalbleiter un­ terschiedlicher Kühlungsart als auch für Ein-Ebenen-Bestückung oder Duplex- Bestückung mit Leistungshalbleitern geeignet sind, mit in Abhängigkeit der Höhe (a₁, a₂, a₃, a₄) der Halbleiterkühler unterschiedlichen Multilayer-Querschienen (8), welche bei Duplex-Bestückung mit Leistungshalbleitern die Multilayer- Stromschienen (3, 4) verbinden, wobei die Multilayer-Stromschienen (3, 4) An­ schlüsse (7) aufweisen, die wahlweise zum Anschluß mit der Querschiene (8) als auch zum Anschluß einer Sensorgruppe (9) geeignet sind, mit innerhalb der glei­ chen Leistungsklasse gleichen Sensorgruppen (9, 10) für die Strom- und Span­ nungsmessung, die universell sowohl zur Kontaktierung der Multilayer- Stromschienen (3, 4) bei unterschiedlicher Kühlungsart als auch für Ein-Ebenen- Bestückung oder Duplex-Bestückung geeignet sind und mit einer gleichen Ansteu­ ergruppe (11) für unterschiedliche Kühlungsarten, für Ein-Ebenen-Bestückung und Duplex-Bestückung.

2. Baukastensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkühler (18 bis 20) bzw. Flüssigkeitskühler (21 bis 23) für doppelseitige Bestüc­ kung mit Leistungshalbleitern aus zwei spiegelbildlich zusammengesetzten Luftküh­ lern (15 bis 17) bzw. Flüssigkeitskühlern (24 bis 26) für einseitige Bestückung mit Leistungshalbleitern derart zusammengefügt sind, daß sich eine doppelte Höhe die­ ser Kühler ergibt.

3 Baukastensystem nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitskühler (22, 23, 25, 26) der höheren Leistungsklassen aus min­ destens zwei Flüssigkeitskühlern (21, 24) der unteren Leistungsklasse derart zu­ sammengesetzt sind, daß sich mehrfache Breiten dieser Flüssigkeitskühler ergeben.