DE19720695A1 - DC/AC converter - Google Patents

DC/AC converter

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Abstract

The converter has a busbar system carrying semiconductor valves (FETs, MOSFETs, IGBTs, etc.) and a condenser battery, connected to the valves, which can be connected to a DC source. The valves are driven to generate a multiphase output voltage in the branches of a bridge. The phase voltages can be tapped off a busbar for each branch. All the valves of parallel half-branches of the bridge are located on a first busbar. The valves of the other half-branches of the bridge, per phase, are located on a separate busbar; where the respective phase voltage can be tapped off. If the valves are MOSFETs, the drain terminal is connected to a metal lug of the transistor housing and all the valves are located not only on the first busbar, but also on the separate busbars, with their lugs directly on them.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen modular aufgebauten elektrischen Umformer nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.The present invention relates to a modular electrical Converter according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger Umformer ist aus der EP 0 720 787 B1 bekannt. Dort sind die Halbleiterventile beider Zweige einer pro Phase zwischen der Gleichspannung vorgesehenen Drehstrom-Brückenschaftung jeweils auf einer Stromschiene angeordnet, so daß die Anzahl der Stromschienen der Anzahl der Phasen entspricht, und die Phasen- Wechselspannung an den Stromschienen abnehmbar ist. Da die Halbleiterventile, wobei hier als Halbleiterventile insbesondere MOSFET- oder IGBT-Transistoren zur Anwendung gelangen, pro Halbzweig der Brücke einerseits mit ihren Drain-Anschlüssen an das positive Potential und andererseits mit ihren Source-Anschlüssen an das negative Potential angeschlossen sind, kann nur ein Transistor unmittelbar, d. h. ohne Isolierung auf der metallischen Stromschiene angeordnet werden, während der jeweils andere Transistor gegenüber der Stromschiene isoliert werden muß. Bei den niedrigen Spannungen in batteriebetriebenen Anwendungen müssen hohe Ströme fließen, um die gewünschten Ausgangsleistungen, beispielsweise bei der Ansteuerung eines Motors zu erzielen. Da es keine entsprechenden Hochstromtransistoren gibt, werden üblicherweise mehrere Transistoren pro Brücken-Halbzweig parallelgeschaltet. Die Transistoren müssen hierbei thermisch in gutem Kontakt mit einer wärmeleitenden Fläche sein, damit die beim Schalten im Gehäuse des Transistors entstehende Wärme abgeführt werden kann. Für einen kostengünstigen Umformer ist es daher notwendig, einfache Formen der Montage zu finden.Such a converter is known from EP 0 720 787 B1. There they are Semiconductor valves of both branches one per phase between the DC voltage provided three-phase bridge shaft arranged on a power rail, so that the number of busbars corresponds to the number of phases, and the phase AC voltage on the power rails is removable. Because the semiconductor valves, being here as semiconductor valves in particular MOSFET or IGBT transistors for use get, per half branch of the bridge on the one hand with its drain connections to the positive potential and on the other hand with their source connections to the negative potential only one transistor can be connected directly, i.e. H. without insulation on the metallic busbar can be arranged while the other transistor must be insulated from the power rail. At the low voltages in Battery powered applications need high currents to flow to the desired one To achieve output powers, for example when driving a motor. Because it there are no corresponding high current transistors, usually several Transistors connected in parallel per bridge half branch. The transistors must do this be in good thermal contact with a heat-conducting surface, so that when Switching heat generated in the transistor housing can be dissipated. For an inexpensive converter, it is therefore necessary to simple forms of assembly Find.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Umformers sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.The present invention solves this problem by the characterizing features of Claim 1. Further advantageous embodiments of the invention Transformers can be found in the dependent claims.

Anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel des Umformers gemäß der Erfindung beschrieben. Es zeigen: Based on the figures of the accompanying drawing, an embodiment is shown below of the converter according to the invention. Show it:  

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer bekannten Antriebssteuerung, bei der der erfindungsgemäße Umformer Anwendung findet; Fig. 1 shows the principle circuit diagram of a known drive control in which the transducer according to the invention is applied;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer bekannten Drehstrom-Brückenschaltung; Fig. 2 is a schematic diagram of a known three-phase bridge circuit;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Drehstrom-Brückenschaltung; Fig. 3 is a schematic diagram of an inventive three-phase bridge circuit;

Fig. 4 die Ausgestaltung eines in der Drehstrom-Brückenschaltung verwendeten Transistors; FIG. 4 shows the configuration of a transistor used in the three-phase bridge circuit;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des konstruktiven Umformer-Aufbaues; Fig. 5 is a perspective view of the structural transducer structure;

Fig. 6 eine Ansicht des Umformers gemäß Fig. 5 in Pfeilrichtung A; und FIG. 6 is a view of the converter according to FIG. 5 in the direction of arrow A; and

Fig. 7 eine Ansicht des Umformers gemäß Fig. 5 in Pfeilrichtung B. Fig. 7 is a view of the transducer of FIG 5 in the direction of arrow B..

Gemäß Fig. 1 umfaßt die bekannte Antriebssteuerung 10 einen aus einer Batteriespannung UB gespeisten Modul-Netzteil 12, der einen Steuermodul 14 und eine Ansteuerung 16 mit einer geregelten Netzspannung versorgt. Der Steuermodul 14 weist einen Mikroprozessor mit verschiedenen analogen und digitalen Eingängen, einer seriellen Schnittstelle und einem Programmspeicher auf, deren Funktion für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung ist und daher nicht näher beschrieben wird. In jedem Fall gibt der Steuermodul 14 ein in seiner Impulsweite moduliertes Signal aus, das über Leistungstreiber in der Ansteuerung 16 auf die Gate-Anschlüsse G von MOSFET- Transistoren T1, T2, T3, T1', T2', T3' eines Leistungsmoduls 18 geschaltet wird. Der Leistungsmodul 18 weist die Form einer Drehstrom-Brückenschaltung auf, an deren drei Phasen U, V, W die Wechselspannung für den Betrieb eines Drei-Phasen- Standard- Asynchronmotors 20 abgenommen wird. Die Drehstrom-Brückenschaltung 18 ist an die Batteriespannung UB angeschlossen, wobei ein Ladungspuffer 22 in Form einer Kondensatorbatterie die Gleichspannung puffert.Referring to FIG. 1, the known drive controller 10 comprises a powered from a battery voltage U B module power supply 12 which supplies a control module 14 and a driver 16 with a regulated power supply voltage. The control module 14 has a microprocessor with various analog and digital inputs, a serial interface and a program memory, the function of which is not important for the present invention and is therefore not described in more detail. In any case, the control module 14 outputs a modulated in its pulse width signal which is connected across power driver in the driver 16 to the gate terminals G of MOSFET transistors T1, T2, T3, T1 ', T2', T3 'of a power module 18 becomes. The power module 18 has the form of a three-phase bridge circuit, on the three phases U, V, W of which the AC voltage for operating a three-phase standard asynchronous motor 20 is taken. The three-phase bridge circuit 18 is connected to the battery voltage U B , a charge buffer 22 in the form of a capacitor bank buffering the DC voltage.

Fig. 2 zeigt den MOSFET-Leistungsteil 18 nochmals in getrennter Darstellung. Durch gestrichelte Umrandung der Transistoren T1, T1'; T2, T2' und T3, T3' in jedem Brückenzweig sind Stromschienen S1, S2, S3 angedeutet, auf denen die Transistoren T1, T1' usw. jeweils angeordnet sind. Wie bereits eingangs erwähnt, müssen wegen der geforderten hohen Ströme diese Transistoren T1, T1' usw. mehrfach parallel angeordnet sein, d. h. die Stromschienen erstrecken sich in die Zeichenebene, wobei jeweils mehrere Transistoren T1 und T1' nebeneinander auf der Stromschiene angeordnet sind. Fig. 2 shows the MOSFET power section 18 again in a separate representation. By dashed borders of the transistors T1, T1 '; T2, T2 'and T3, T3' in each bridge branch indicate busbars S1, S2, S3, on which the transistors T1, T1 'etc. are arranged. As already mentioned at the beginning, because of the high currents required, these transistors T1, T1 'etc. must be arranged in parallel several times, ie the busbars extend into the plane of the drawing, with a plurality of transistors T1 and T1' being arranged next to one another on the busbar.

Wie in Fig. 4 gezeigt, weisen MOSFETs üblicher Bauart eine metallische Fahne auf, die mit dem Drain-Anschluß des Transistors elektrisch verbunden ist. Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 können sich nur die Drain-Anschlüsse D der Transistoren T1', T2', T3' unmittelbar mit den Stromschienen S1, S2, S3 in metallischem Kontakt befinden. Die Drain-Anschlüsse D der Transistoren T1, T2, T3 müssen jeweils isoliert auf den Stromschienen S1, S2, S3 angeordnet werden. Dies erhöht die Montagekosten und die Zwischenfügung einer Isolierschicht vermindert zusätzlich die Wärmeableitung zur Stromschiene.As shown in Fig. 4, conventional type MOSFETs have a metallic tab which is electrically connected to the drain of the transistor. In the arrangement according to FIG. 2, only the drain connections D of the transistors T1 ', T2', T3 'can be in metallic contact directly with the busbars S1, S2, S3. The drain connections D of the transistors T1, T2, T3 must each be arranged in isolation on the busbars S1, S2, S3. This increases the assembly costs and the interposition of an insulating layer also reduces heat dissipation to the busbar.

Um dieses Problem zu umgehen, sieht die vorliegende Erfindung die Anordnung des MOSFET-Leistungsteils gemäß Fig. 3 vor, bei der alle Transistoren T1, T2, T3 der ersten Halbzweige der Drehstrom-Brückenschaltung auf einer ersten Stromschiene S1 angeordnet sind und bei der pro zweitem Halbzweig der Drehstrom-Brückenschaltung jeweils eine gesonderte Stromschiene S2, S3, S4 für die Transistoren T1', T2', T3' angeordnet ist. Hierdurch können alle Drain-Anschlüsse D der Transistoren T1, T2, T3 unmittelbar über die Stromschiene S1 an das positive Potential angeschlossen werden, und die Drain- Anschlüsse der Transistoren T1', T2', T3' können jeweils über die gesonderten Stromschienen S2, S3, S3 die drei Phasen des Drehstromes vorgeben. Somit ist es möglich, alle Drain-Anschlüsse D ohne Zwischenisolierung auf entsprechenden Stromschienen unmittelbar anzuordnen. Da alle Transistoren T1-T3' mehrfach parallel angeordnet sind, führt dies zu einem erheblich verminderten Montageaufwand.To avoid this problem, the present invention provides the arrangement of the MOSFET power section according to FIG. 3, in which all transistors T1, T2, T3 of the first half branches of the three-phase bridge circuit are arranged on a first busbar S1 and in the second A separate busbar S2, S3, S4 for the transistors T1 ', T2', T3 'is arranged in each half-branch of the three-phase bridge circuit. As a result, all drain connections D of the transistors T1, T2, T3 can be connected directly to the positive potential via the busbar S1, and the drain connections of the transistors T1 ', T2', T3 'can each be connected via the separate busbars S2, S3 , S3 specify the three phases of the three-phase current. It is thus possible to arrange all drain connections D directly on corresponding busbars without intermediate insulation. Since all transistors T1-T3 'are arranged several times in parallel, this leads to a considerably reduced assembly effort.

Fig. 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht den konstruktiven Aufbau des Umformers. Hierbei sind auf einer metallischen Grundplatte 22 unter Zwischenfügung einer nicht näher dargestellten Isolierschicht eine lange durchgehende T-förmige Stromschiene S1 und parallel hierzu drei voneinander beabstandete T-förmige Stromschienen S2, S3, S4 in einer Reihe angeordnet. An den Stromschienen S1-S4 sind Gewindelöcher 24 erkennbar, über die mit entsprechenden Schrauben, die Transistoren gemäß Fig. 4 montiert werden. Aus der Anzahl der Gewindelöcher 24 entnimmt der Fachmann, daß eine größere Anzahl von Transistoren an jeder Stromschiene montiert wird. Insbesondere befindet sich auf der Stromschiene S1 eine Anzahl von Transistoren, die der Summe der Transistoren auf den Stromschienen S2-S4 entspricht, wobei jede Anzahl von Transistoren auf den Stromschienen S2-S4 mit einer entsprechenden Anzahl von Transistoren auf der Stromschiene S1 in einem Brückenzweig der Drehstrombrücke betrieben wird. Weiterhin weisen die Stromschienen S1-S4 Befestigungslöcher 26 auf, mit denen Anschlußfahnen 28 und 30-34 für das positive Potential bzw. für die Abnahme der Phasenspannungen befestigt werden. Eine Platine 36 liegt auf dem freien Ende der T-förmigen Stromschienen S1-S4 auf und dient der Zuführung des negativen Potentials an die Source-Anschlüsse S der Transistoren T1', T2', T3' auf den Stromschienen S2-S4, wobei dieses negative Potential über eine Potentalschiene 38 angelegt wird. Parallel und im Abstand zu der Platine 36 befindet sich eine Steuerplatine 40, die im wesentlichen die Elemente des Steuermoduls 14 von Fig. 1 trägt, was hier nicht dargestellt ist. Seitlich von der Stromschiene S1 ist der erforderliche Platz für eine Kondensatorbatterie 42 zwischen der Grundplatte 22 und der Platine 36 vorhanden, wie dies aus Fig. 6 entnehmbar ist. Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht des Umformers in seinem konstruktiven Aufbau, wobei dieser Aufbau unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 ohne nähere Erläuterung verständlich ist. Fig. 5 shows a perspective view of the structural design of the converter. Here, a long continuous T-shaped busbar S1 and three spaced-apart T-shaped busbars S2, S3, S4 are arranged in a row on a metallic base plate 22 with the interposition of an insulating layer, not shown. Threaded holes 24 can be seen on the busbars S1-S4, by means of which the transistors according to FIG. 4 are mounted with corresponding screws. From the number of threaded holes 24, the person skilled in the art can see that a larger number of transistors are mounted on each busbar. In particular, there is a number of transistors on the busbar S1 which corresponds to the sum of the transistors on the busbars S2-S4, each number of transistors on the busbars S2-S4 with a corresponding number of transistors on the busbar S1 in a bridge branch Three-phase bridge is operated. Furthermore, the busbars S1-S4 have fastening holes 26 with which connecting lugs 28 and 30-34 are fastened for the positive potential or for the decrease in the phase voltages. A circuit board 36 rests on the free end of the T-shaped busbars S1-S4 and serves to supply the negative potential to the source connections S of the transistors T1 ', T2', T3 'on the busbars S2-S4, this being negative Potential is applied via a potential rail 38 . In parallel and at a distance from the board 36 is a control board 40 which essentially carries the elements of the control module 14 of FIG. 1, which is not shown here. The required space for a capacitor bank 42 is present on the side of the busbar S1 between the base plate 22 and the circuit board 36 , as can be seen in FIG. 6. FIG. 7 shows a side view of the converter in its structural design, this design being understandable without further explanation with reference to FIGS. 5 and 6.

Claims (7)

1. Modular aufgebauter elektrischer Umformer mit einem Halbleiterventile (FETs, MOSFETs, IGBTs, usw.) tragenden Stromschienensystem und einer mit den Halbleiterventilen verbundenen Kondensatorbatterie, die an eine Gleichspannung anschließbar ist, wobei die Halbleiterventile zur Erzeugung einer mehrphasigen Ausgangs-Wechselspannung jeweils in den Zweigen einer Brücke zwischen der positiven und der negativen Spannung betrieben werden und die Phasen- Wechselspannungen an jeweils einer Stromschiene abnehmbar sind, da­ durch gekennzeichnet, daß alle Halbleiterventile (T1, T2, T3) parallelgeschalteter Halbzweige der Brücke auf einer ersten Stromschiene (S1) angeordnet sind und die Halbleiterventile (T1', T2', T3') des jeweils anderen Halbzweiges der Brücke pro Phase auf einer gesonderten Stromschiene (S2, S3, S4) angeordnet sind, an der die jeweilige Phasenspannung abgenommen wird.1. Modular electrical converter with a semiconductor valve (FETs, MOSFETs, IGBTs, etc.) carrying busbar system and a capacitor battery connected to the semiconductor valves, which can be connected to a DC voltage, the semiconductor valves for generating a multi-phase AC output voltage in each of the branches a bridge between the positive and the negative voltage are operated and the phase alternating voltages can be taken off in each case from a busbar, characterized in that all semiconductor valves (T1, T2, T3) of half branches of the bridge connected in parallel are arranged on a first busbar (S1) and the semiconductor valves (T1 ', T2', T3 ') of the respective other half branch of the bridge are arranged per phase on a separate busbar (S2, S3, S4) on which the respective phase voltage is taken off. 2. Umformer nach Anspruch 1 mit MOSFETs als Halbleiterventilen, bei denen der Drain-Anschluß mit einer metallischen Fahne des Transistorgehäuses verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,daß alle MOSFETs (T1, T2, T3, T1', T2', T3') sowohl auf der ersten Stromschiene (S1) als auch auf den gesonderten Stromschienen (S2, S3, S4) jeweils mit ihrer metallischen Fahne unmittelbar auf den Stromschienen angeordnet sind.2. Converter according to claim 1 with MOSFETs as semiconductor valves, in which the Drain connection is connected to a metallic lug of the transistor housing, characterized in that all MOSFETs (T1, T2, T3, T1 ', T2', T3 ') both on the first busbar (S1) and on the separate busbars (S2, S3, S4) each with their metallic flag directly on the conductor rails are arranged. 3. Umformer nach Anspruch 2 zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß zu der ersten Stromschiene (S1) drei Stromschienen (S2, S3, S4) parallel angeordnet sind, wobei die Anzahl der MOSFETs auf der ersten Stromschiene (S1) der Gesamtanzahl der MOSFETs auf den drei Stromschienen (S2, S3, S4) entspricht.3. Converter according to claim 2 for generating a three-phase AC voltage, characterized in that three to the first busbar (S1) Busbars (S2, S3, S4) are arranged in parallel, the number of MOSFETs on the first bus bar (S1) the total number of MOSFETs on the three Corresponds to busbars (S2, S3, S4). 4. Umformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle MOSFETs (T1, T2, T3) auf der ersten Stromschiene (S1) mit ihren Drain-Anschlüssen (D) an der positiven Gleichspannung (+UB) liegen und daß die MOSFETs (T1', T2', T3') auf den drei gesonderten Stromschienen (S2, S3, S4) gruppenweise mit ihren Drain-Anschlüssen (D) die Phasenanschlüsse (U, V, W) bilden. 4. Converter according to claim 3, characterized in that all the MOSFETs (T1, T2, T3) on the first busbar (S1) with their drain connections (D) to the positive DC voltage (+ U B ) and that the MOSFETs ( T1 ', T2', T3 ') on the three separate busbars (S2, S3, S4) form the phase connections (U, V, W) in groups with their drain connections (D). 5. Umformer nach Anspruch 4 mit T-förmigen Stromschienen, die unter Zwischenfügung einer Isolierschicht auf einer metallischen Grundplatte angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Leiterplatte (36) auf den freien Enden der Längsstege der Stromschienen (S1-S4), die der Zuführung der negativen Gleichspannung zu den Source-Anschlüssen (S) der MOSFETs (T1', T2', T3') auf den gesonderten Stromschienen (S2, S3, S4) dient.5. A converter according to claim 4 with T-shaped busbars, which are arranged with the interposition of an insulating layer on a metallic base plate, characterized by a printed circuit board ( 36 ) on the free ends of the longitudinal webs of the busbars (S1-S4), the supply of the negative DC voltage to the source connections (S) of the MOSFETs (T1 ', T2', T3 ') on the separate busbars (S2, S3, S4) is used. 6. Umformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromschiene (S1) unmittelbar an die positive Gleichspannung (+UB) angeschlossen ist.6. Converter according to claim 5, characterized in that the first busbar (S1) is connected directly to the positive DC voltage (+ U B ). 7. Umformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorbatterie (42) zwischen der Grundplatte (22) und der Platine (36) parallel zu der ersten Stromschiene (S1) angeordnet ist.7. Converter according to claim 6, characterized in that the capacitor bank ( 42 ) between the base plate ( 22 ) and the circuit board ( 36 ) is arranged parallel to the first busbar (S1).
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