DE19732723A1 - Induktivitätsarme Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung beschreibt eine induktivitätsarme Schaltungsanordnung für Stromumrichter nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Elektronische Schaltungsanordnungen sind mehrfach aus der Literatur bekannt. Die Problematik der parasitären Streuinduktivitäten bei Schaltungsanordnungen gewinnt zunehmend an Bedeutung bei der weiteren Erhöhung der Leistungsdichte und der Schaltgeschwindigkeiten dieser Anordnungen.

Bei Einsatz von Transistorschaltern aus neuer Entwicklung, wie es IGBT und MOSFET darstellen, können die Streuinduktivitäten durch Überspannungen während der Schaltvorgänge zum Ausfall der Schaltungsanordnung führen. Zumindest ist die Höchstleistung von Schaltungsanordnungen gemindert, wenn nicht alle Faktoren zur Reduzierung der bei dem Betrieb von Schaltungsanordnungen auftretenden Streuinduktivitäten konstruktiv so berücksichtigt worden sind, daß ein Minimum der parasitären Induktivitäten angestrebt worden ist. Bei größeren Streuinduktivitäten muß die Ausschaltgeschwindigkeit reduziert reduziert werden, wodurch die Gesamtverluste der Schaltungsanordnung steigen.

Weiterhin beeinflußt das Magnetfeld der Hauptstromführungen bei eng benachbarten. Hauptstrom- und Ansteuerverbindungen in Schaltungsanordnungen hoher Packungsdichte die Funktionssicherheit, insbesondere bei Leistungsschaltern mit hoher Schaltgeschwindigkeit und großen Werten von di/dt (schnelle Schalter), weil sich jede einzelne Leitungsverbindung als parasitäre Induktivität beim Schaltbetrieb verhält, was in der Ansteuerung besonders kritisch ist und deshalb besondere Schutzmaßnahmen erfordert, wie das bereits in DE 196 28 131 dargestellt wurde.

Ein induktivitätsarmer Aufbau ist somit bereits in der kleinsten Zelle, dem vorzugsweise auf DCB-Keramiken (Direct Copper Bonding) gelöteten Kommutierungskreis erforderlich. Dieser besteht aus einem Schalttransistor (MOSFET oder IGBT), einer Freilaufdiode und einer mit Kupferätzstrukturen versehenen DCB-Keramik. Diese Problematik ist beispielhaft Gegenstand der Erfindung in DE 41 05 155.

Ein elektrisch eng benachbartes Anordnen der IGBT-Chips mit den zum Kommutierungskreis gehörenden Freilaufdioden sorgt für die Minimierung der auftretenden parasitären Induktivitäten. Es wird bei der Gestaltung der Ätzstruktur des Kupfers der DCB-Keramik weiterhin darauf wert gelegt, daß in dem Gatestromkreis bei der Verwendung von MOSFET oder IGBT als Schalttransistoren keine Magnetfeldverläufe der gleichstromführenden Zu- und Ableitungen vorhanden sind, wie sich zur Minimierung der Streuinduktivitäten gleichfalls eine Kupferbelegung der DCB-Rückseite, die für den Hauptstromkreis ohnedies von Wichtigkeit ist, durchgesetzt hat, wenn dies auch im übrigen durch die positive Wirkung der Kupferschicht auf die Wärmeleitfähigkeit begründet war.

Wie Erprobungen gezeigt haben, sind wesentliche Gesichtspunkte zur Reduzierung von parasitären Induktivitäten in der äußeren Verschaltung der Gleichstromverbindungen wichtig.

Möglichkeiten zur Verringerung der Induktivität ergaben sich nach DE 42 40 501 erfindungsgemäß dadurch, daß der positive und der negative Stromanschluß für die Schaltungsanordnung nicht nur eng beieinander lagen, sondern aus mehreren Teilanschlüssen gebildet wurden, die ihrerseits möglichst symmetrisch an die einzelnen Schalter herangeführt worden sind.

Beim Aufbau von Leistungsschaltungsanordnungen werden überwiegend mehrere Kommutierungskreise zusammengeschaltet. Die Vermeidung parasitäterer Induktivitäten in allen Gleichstrom führenden Verbindungselementen ist hier Voraussetzung der Erzielung höchster Leistungsfähigkeiten und einer maximalen Zuverlässigkeit, eine gleichmäßige Stromaufteilung in Parallelschaltungen ist nur induktivitätsarm möglich.

In DE 195 19 538 werden ausführlich die Voraussetzungen für die Funktionsfähigkeit und einen stabilen Betrieb beschrieben. Danach ist ein gleichmäßiges Schaltverhalten in Zusammenwirken mit der Gesamteinheit, bei dem Einsatz der dort beispielhaft genannten IGBT, nur dann gewährleistet, wenn die parasitären Induktivitäten und ohmschen Widerstände in den Kollektoren bzw. in den Emittern aller IGBT-Schalter untereinander gleich sind.

Ungleiche Weglängen zu den Kollektoren bzw. Emittern führen zu Unterschieden im Schaltverhalten auch dann, wenn die Summe der Kollektor- und Emitterinduktivitäten jeweils pro IGBT gleich sind. Bei Kurzschlußabschaltung ist dieses unterschiedliche Verhalten am wahrscheinlichsten feststellbar. Die zu vermeidenden Unterschiede führen zu unterschiedlichen Schaltverlusten, was in gleicher Weise für MOSFET- Schalter gilt.

Beim Schaltprozeß sind nicht alle parallel arbeitenden Leistungsschalter exakt gleichartig in ihrer Arbeitsweise. Bedingt durch den geometrischen Aufbau der Schaltungsanordnung und der Leistungsverschienung sind Unterschiede in den parasitären Induktivitäten gegeben, die zu einem zeitlich uneinheitlichen Schaltverhalten einzelner Leistungsschalter führen, was zu Fehl­ verhalten in der gesamten Schaltungsanordnung durch parasitäre Schwingungen führen kann.

Die praktischen Erfahrungen mit Schaltungsanordnungen der Leistungsklasse haben gezeigt, daß ein Aufbau unter Zuhilfenahme eines flächigen Zwischenkreises positive Wirkungen auf die Leistungsfähigkeit der Schaltung besitzt. Als Zwischenkreis wird die schaltungsinterne Verbindungstechnik der Gleichstromanschlüsse aller Einzelschalter zu einer Schaltungseinheit bezeichnet. Der Zwischenkreis bewirkt eine Gleichspannungsglättung (wegen der Netzgleichrichtung und der pulsförmigen Ausgangsströme), dient als Energiespeicher (bei Netzausfall und bei der Rückspeisung in Bremsstellern) und gleichzeitig zur Entstörung (Netzentkopplung und Begrenzung von Überspannungen) der Schaltungsanordnung.

Die flächige Ausführung von Zwischenkreisen ist auch in CH 5676/84 beschrieben. Hier wurden die Erfahrungen, wie sie in DE 34 20 535 aufgeführt sind, ausgebaut. DE 41 10 339 beschreibt eine Wechselrichtereinheit mit verbesserter Stromleiterplattenkonfiguration.

Die dem Stand der Technik zuordenbaren Maßnahmen beinhalten die Verwendung geeigneter paralleler Kupferplatten als Stromschienen, Minimieren der stromdurchflossenen Flächen, Minimieren der Isolationsschichtdicke bei eng benachbarten Platten der gegensätzlichen Pole, Parallelschalten von parasitären Induktivitäten und Zusammenfassen der gleichpoligen Schienen über kurze Wege bei großem Leitungsquerschnitt.

Wie früher in DE 195 19 538 beschrieben, kann der Zwischenkreis als flächige Ausführung bei entsprechender Formgebung einen Teil der Überspannungen reduzieren, durch geeignete Anordnung von Elektrolytkondensatoren ist eine weitere Reduzierung möglich, diesen sind jedoch auch größere interne parasitäre Induktivitäten eigen.

Zusammenfassend wird festgestellt, daß parasitäre Induktivitäten immer größerer Beachtung bei der räumlichen Gestaltung von elektronischen Schaltungsanordnungen der Leistungsklasse finden müssen, es darf keine technologischen Positionen in der räumlichen Gestaltung von Schaltungsanordnungen geben, die nicht auf ein Minimum von parasitären Induktivitäten untersucht sind und wo entsprechende die Induktivität senkende Maßnahmen wirken.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die parasitären Induktivitäten in Schaltungsanordnungen der Leistungsklasse, speziell unter den Bedingungen des Einsatzes von schnellen Leistungsschaltern, wie IGBT und MOSFET, bei schnellen Schaltzeiten auf der Basis des erreichten Standes der Technik durch wirtschaftlich vertretbare Maßnahmen weiter zu reduzieren.

Die Aufgabe wird bei Schaltungsanordnungen der dargestellten Art durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1. gelöst, bevorzugte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch verschiedene schaltungstechnisch realisierbare Maßnahmen ist eine Reduzierung der parasitären Induktivitäten erreichbar, wenn die Maßnahmen gleichartig in allen aufgebauten Schaltungsteilen wirken. Die dem Stand der Technik entsprechenden und oben aufgeführten Schaltungsausführungen schließen nicht alle technologischen Teile in ihre Konzeptionen ein.

Die elektrischen Verbindungen zwischen den Kommutierungskreisen und dem Zwischenkreis der Schaltungsanordnung sind bisher nicht genügend beachtet worden. Gleichgültig ob der Schaltungsaufbau mittels diskreter Module in Form von Halbbrücken bzw. mittels parallelgeschalteter Einzelschalter oder mittels integrierter Bauweise realisiert wird, immer wird die Ebene der induktivitätsarm gestalteten DCB-Keramiken mit den induktivitätsarm aufgebauten Kommutierungskreisen verlassen und eine räumlich davon getrennte andere Ebene des induktivitätsarm gestalteten Zwischenkreises elektrisch mit den Gleichstromverbindungen, senkrecht zu beiden genannten Aufbauebenen liegend, kontaktiert.

Diese zu den beiden Ebenen senkrecht liegende Verbindungsstrecke kann nennenswerte Störinduktivitäten beinhalten und damit zumindest einen Teil aller nach dem Stand der Technik die parasitären Induktivitäten in diesen Ebenen senkenden Maßnahmen negieren. Die Erfindung beschreibt die praktikablen Möglichkeiten der Reduzierung der in dieser senkrechten Verbindungsstrecke auftretenden parasitären Induktivitäten.

Die Erfindungsgedanken werden nachfolgend an Hand von skizzenhaften Darstellungen der Fig. 1 bis 4 näher erläutert:

Fig. 1 stellt einen Ausschnitt eines entsprechenden Aufbaus nach dem Stand der Technik dar.

Fig. 2 zeigt die erfinderische Lösung anhand der Darstellung nach Fig. 1.

Fig. 3 erläutert auf der Grundlage eines Schaltbildes den erfinderischen Effekt.

Fig. 4 skizziert den erfinderischen Effekt in einem entsprechenden Diagramm.

Fig. 1 stellt einen Ausschnitt eines entsprechenden Aufbaus nach dem Stand der Technik dar. Es wird ein diskretes Modul in offener dreidimensionaler Skizze mit einem Kommutierungskreis skizziert. Solch ein Modul wird als Halbbrücke mit Leistungstransistoren, vorzugsweise IGBT oder MOSFET (Tr1 und Tr2), gebildet. Die Freilaufdioden (D1 und D2) liegen in der gleichen Ebene aufgelötet auf einer DCB mit entsprechend schaltungsgerecht strukturierter Kupferbelegung. Die Anschlußwinkel der dargestellten Leistungsanschlüsse sind flächig ausgebildet, diese können jedoch auch andere geometrische Gestaltungsformen (beispielhaft rund) besitzen, alle drei Anschlüsse sind hier beispielhaft seitlich angeordnet.

Gezeichnet sind die 3 Anschlußwinkel aus elektrisch leitendem Material, z. B. Kupfer mit einer entsprechenden Oberflächenveredelung (z. B. Versilberung) für die beiden Gleichstrom- Anschlüsse (Plus-Minuspol) und den Wechselstromanschluß. Die DCB-Keramik ist beidseitig mit einer Kupferbeschichtung versehen, die an der einen Seite, der Aufbauseite, schaltungsgerecht strukturiert ist. Hierauf sind die Leistungsbauelemente (Tr1, Tr2, D1 D2) aufgelötet. Damit dieses Modul möglichst niederinduktiv arbeitete muß die schraffierte Fläche (F1) auf der DCB-Keramik, die gedanklich durch das stromumflossene Gebiet eines jeden Kommutierungskreises gebildet wird, möglichst klein (minimiert) gehalten werden.

Diese Maßnahme der Minimierung der stromumflossenen Fläche ist bei den senkrecht zu dieser Fläche seitlich positionierten Leistungsanschlüsse nicht möglich, weil die Abstände zwischen den Öffnungen für die Schraubanschlüsse (typisch 23 bis 28 mm) fest vorgegeben sind. Es können sich hier somit bei entsprechendem Betrieb nicht zu vernachlässigende Induktivitäten in den Anschlußwinkel oder Anschlußverbindern aufbauen.

Fig. 2. zeigt die erfinderische Lösung anhand der Darstellung nach Fig. 1. Die Induktivitäten werden durch die nachfolgend erläuterten Maßnahmen erfindungsgemäß verringert. Durch eine an die Gleichstrom- Leistungsanschlüsse sehr nahe Positionierung eines nicht magnetisierbaren aber elektrisch leitenden zusätzlichen Metallbleches (F2) an beiden Gleichstrom- Leistungsanschlüssen in der geometrischen Gestalt und Relation, wie das dargestellt ist, wobei das Metallblech (F2) beispielhaft aus 1 mm dickem Kupfer- oder Aluminiumblech geformt wurde, kann die parasitäre Induktivität wirkungsvoll verringert werden.

Das Metallblech (F2) wird durch eine dünne Isolierschicht oder -folie von deutlich weniger als 100 µm Schichtdicke von den Gleichstrom-Leistungsanschlüssen elektrisch getrennt.

Dieses Metallblech (F2) wirkt wie eine kurzgeschlossene Sekundärwindung eines Transformators. Die "Primärwindung dieses Transformators" sind die Gleichstrom- Leistungsanschlüsse. Während der Schaltvorgänge der Leistungsschalter, IGBT oder MOSFET (Tr1 und Tr2), erzeugt das Magnetfeld der Gleichstrom- Leistungsanschlüsse in dem Metallblech (F2) Wirbelströme. Diese Wirbelströme dämpfen das ursprüngliche Magnetfeld der Gleichstrom-Leistungsanschlüsse und reduzieren damit die parasitäre Induktivität dieser Gleichstrom-Leistungsanschlüsse selbst.

Damit dieser Effekt eine maximale Reduzierung der Induktivität der Leistungsanschlüsse zur Folge hat, muß die Isolation zwischen dem zusätzlichen Metallblech (F2) und den Gleichstrom- Leistungsanschlüssen so dünn wie nur technologisch möglich und der Abstand zu den Gleichstrom- Leistungsanschlüssen minimiert sein. Mit einer Kunststoffolie, beispielhaft aus Polyimid von 25 µm Dicke, ist eine ausreichende Isolation vorhanden und der Abstand kann minimal gestaltet werden.

Es ist nicht erforderlich, das Metallblech (F2) zu erden. Es kann alternativ einseitig mit dem einen, dem Plus- Leistungsanschluß, oder dem anderen, dem Minus- Leistungsanschluß, leitend verbunden werden. Je größer die Schaltgeschwindigkeit der Leistungsschalter ist, um so dünner kann das zusätzliche Metallblech (F2) gewählt werden. In der überwiegenden Zahl aller Anwendungen kann das Metallblech (F2) eine Dicke kleiner als 0,5 mm besitzen, in jedem Falle genügt eine Dicke bis 1 mm.

Auch ist es in gleicher Weise praktisch sinnvoll, an beiden Seiten der Gleichstrom-Leistungs­ anschlüsse, d. h. sowohl an der Vorder- als auch an der Hinterseite nach Fig. 2, solche zusätzliche Metallbleche (F2) anzuordnen, dabei kann das eine Blech an den positiven und das andere Blech an den negativen Leistungsanschluß gepolt werden. Die elektrische Verbindung muß jedoch nicht durchgeführt werden, die induktivitätssenkende Wirkungist davon nicht abhängig. Als Material für das Metallblech (F2) wird vorzugsweise Kupfer oder Aluminium gewählt, bei anderer Materialwahl ist auf deren gute elektrische Leitfähigkeit zu achten.

Der Unterschied in der Größe der parasitären Induktivität ist bei Einsatz von Aluminium oder Kupfer kaum meßbar. Bei Experimenten im Labor wurde eine Reduzierung der Induktivität der Gleichstrom-Leistungsanschlüsse von 30% festgestellt. In keinem Fall darf das Metallblech (F2) ein magnetisierbares Material, wie beispielhaft Eisen oder Nickel, sein. Es ist von Vorteil, wenn das zusätzliche Metallblech (F2) über die Ränder der Gleichstrom- Leistungsanschlüsse hinausragt, wie das in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn das Metallblech kleiner als der Außenabstand der Gleichstrom-Leistungsanschlüsse ist, wird der Effekt der Reduzierung der parasitären Induktivitäten geringer.

Bedingt durch die Tatsache, daß im Wechselstromanschluß üblicherweise nur Ströme mit relativ geringen zeitlichen Stromänderungen (di/dt) fließen, ist es wenig sinnvoll, das oben beschriebene Metallblech (F2) seitlich bis über den Wechselstromanschluß hinaus zu vergrößern. Bei größeren Werten von di/dt im Wechselstromanschluß kann eine Metallfläche parallel zu allen Leistungsanschlüsse dennoch sinnvoll sein. In der Praxis würde das eine größere Flächenausdehnung des Metallbleches (F2) über den Wechselstromanschluß hinaus bedeuten.

Fig. 3 erläutert auf der Grundlage eines Schaltbildes den erfinderischen Effekt. In der Darstellung ist der Abgriff für die meßtechnische Erfassung der erfinderischen Effekte erläutert. Eine Halbbrücke mit zwei Kommutierungskreisen, analog zu Fig. 2, ist niederinduktiv (L3+ und L3-) auf einer DCB-Keramik aufgebaut, die magnetische Kopplung wird durch den doppelten Strich zwischen den Punkten L3+ und L3- veranschaulicht.

Der Zwischenkreis mit zwei eingebundenen Elektrolytkondensatoren (Elko's) ist flächig durch ein positiv und ein negativ gepoltes ebenes Blech, die eng benachbart aufgebaut sind, magnetisch gekoppelt, also induktivitätsarm ausgebildet, was analog durch den Doppelstrich zwischen L1+ und L1- veranschaulicht wird.

Mit L2+ und L2- sind die senkrecht zu den beiden vorgenannten anderen Ebenen aufgebauten Gleichstromverbindungen bezeichnet. Die erfinderische magnetische Kopplung ist punktiert angedeutet.

Mit u1 ist der meßtechnische Spannungsabgriff direkt an den Zuleitungen zum Zwischenkreis bezeichnet. u2 ist der Spannungsabgriff direkt auf der DCB-Keramik an den Positionen, in denen die Gleichstromverbindungen aufgelötet worden sind.

Fig. 4 skizziert den erfinderischen Effekt in einem entsprechenden Diagramm. Dargestellt sind die Strom- bzw. Spannungsverläufe in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf des Schaltvorganges eines Kommutierungskreises zu dem Zeitpunkt des Schaltvorganges. Zum Zeitpunkt t₀ öffnet der Leistungsschalter des gemessenen Kommutierungskreises. Mit einem beispielhaft eingestellten di/dt von ca. 1.500 A/µs fällt der Strom ab (Kurvenverläufe 1 und 2). An dem Spannungsabgriff an der DCB-Keramik (u2) baut sich eine Überspannung (Kurvenverläufe 5 und 6) bis zu dem Schaltzeitpunkt t_x auf. An dem Spannungsabgriff u1 baut sich in der gleichen Zeiteinheit gleichfalls eine Überspannung auf
Die Wirkung des erfinderischen Metallbleches (F2) ist in den Kurvenverläufen ablesbar und einer quantitativen Bewertung zugänglich. Durch die magnetische Kopplung mittels Metallblech (F2) verändert sich die Induktivität der senkrecht zur Ebene der Kommutierungskreise aufgebauten Gleichstromverbinder und damit die Gesamtinduktivität. Hiermit verändert sich dann auch die Überspannung u1 von Kurvenverlauf 4 (ohne Blech) zum Kurvenverlauf 3 (mit Blech). An der Spannungsmeßstelle U2 verändert sich die Überspannung von Kurvenverlauf 5 (ohne Blech) zu Kurvenverlauf 6 (mit Blech).

Resultierend aus der geringeren Gesamtkapazität erhöht sich die Geschwindigkeit des Stromabfalles in dem Zeitraum von t₀ bis t_x, was gleichbedeutend mit einem größeren di/dt (Kurvenverlauf 1) ist. Die experimentelle Wirkung der magnetischen Kopplung an den Gleichstromverbindungen konnte durch Verringerung der parasitären Überspannungen um 30% gegenüber den Ausgangswerten bei Aufbauten nach dem Stand der Technik gefunden werden. Durch die Verringerung der parasitären Induktivität in den erfinderischen Positionen kann die Gesamtinduktivität der Schaltungsanordnung wirksam reduziert werden, was sich nachweislich positiv auf eine höhere Schaltgeschwindigkeit und damit auf eine geringere Verlustleistung jeder Schaltungsanordnung auswirkt.

Claims (7)

1. Induktivitätsarme Schaltungsanordnung der Leistungsklasse mit einem oder mehreren induktivitätsarm aufgebauten Kommutierungskreisen, Gleich- und Wechselstrom- Lastanschlüsse sowie mindestens einem induktivitätsarm aufgebauten Zwischenkreis dadurch gekennzeichnet, daß die positiven und die negativen Stromanschlüsse eng benachbart mindestens ein Metallblech (F2) in minimiertem Abstand zugeordnet erhalten.
2. 2. Induktivitätsarme Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallblech (F2) in seiner flächigen Größe mindestens an die Geometrie der beliebigen äußeren Konturen der Gleichstromverbindungen der Schaltungsanordnung angepaßt ist.
3. 3. Induktivitätsarme Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallblech (F2) in seiner Breite beide Gleichstromanschlüsse überdeckt, sich in seiner Höhe von der DCB-Keramik bis zum Zwischenkreis erstreckt und eine Stärke von 35 µm bis 2 mm aufweist.
4. 4. Induktivitätsarme Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallblech (F2) von beiden Gleichstromanschlüssen durch eine Isolationsschicht elektrisch getrennt oder mit einem der Gleichstromanschlüsse elektrisch verbunden direkt an diesen anliegt.
5. 5. Induktivitätsarme Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationschicht eine Folie aus organischen Polymeren mit hoher elektrischer Isolierfähigkeit und einer Temperaturdauerbeständigkeit größer 200°C, wie Polyimid, ist.
6. 6. Induktivitätsarme Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation des Metallbleches (F2) von den Gleichstromanschlüssen durch Beschichten der Gleichstromanschlüsse oder des Metallbleches selbst mit einem elektrisch isolierenden und temperaturbeständigen Überzug erreicht wird.
7. 7. Induktivitätsarme Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallblech (F2) in seiner flächigen Größe mindestens an die Geometrie der beliebigen äußeren Konturen der Gleich- und Wechselstromverbindungen angepaßt ist.