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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.
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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 werden, wodurch die Gesamtverluste der Schaltungsanordnung
steigen.
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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 A1 dargestellt wurde.
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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 A1 .
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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.
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Wie
Erprobungen gezeigt haben, sind wesentliche Gesichtspunkte zur Reduzierung
von parasitären
Induktivitäten
in der äußeren Verschaltung der
Gleichstromverbindungen wichtig.
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Die
DE 39 37 045 A1 offenbart
einen ersten Ansatz zur Verringerung der Induktivitäten im Anschlussbereich
einer Schaltungsanordnung der oben genannten Art. Hierbei bestehen
alle Hauptanschlussleiter, diejenigen des positiven und des negativen
Gleichspannungsanschlusses sowie auch derjenige des Wechselspannungsanschlusses
aus breiten Bändern
und sind in geringen Abstand in Richtung ihrer Flächennormalen
zueinander angeordnet. Nachteilig ist hierbei, daß die beiden
Gleichspannungsanschlüsse
nicht den geringst möglichen
Abstand aufweisen, wie es zur Verringerung der Induktivitäten ideal
wäre, sondern,
durch die mutige Anordnung des Wechselstromanschlussleiters zwischen diesen,
weiterhin voneinander beabstandet sind.
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Möglichkeiten
zur Verringerung der Induktivität
ergaben sich nach
DE
42 40 501 A1 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.
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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.
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In
DE 195 19 538 A1 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.
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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.
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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 Fehlverhalten in der gesamten Schaltungsanordnung durch parasitäre Schwingungen führen kann.
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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.
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Die
flächige
Ausführung
von Zwischenkreisen ist auch in
EP 0 185 181 A1 beschrieben. Hier wurden
die Erfahrungen, wie sie in
DE
34 20 535 C2 aufgeführt
sind, ausgebaut.
DE
41 10 339 C2 beschreibt eine Wechselrichtereinheit mit
verbesserter Stromleiterplattenkonfiguration.
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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.
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Wie
früher
in
DE 195 19 538 A1 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindungsgedanken werden nachfolgend an Hand von skizzenhaften
Darstellungen der 1 bis 4 näher erläutert:
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1 stellt
einen Ausschnitt eines entsprechenden Aufbaus nach dem Stand der
Technik dar.
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2 zeigt
die erfinderische Lösung
anhand der Darstellung nach 1.
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3 erläutert auf
der Grundlage eines Schaltbildes den erfinderischen Effekt.
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4 skizziert
den erfinderischen Effekt in einem entsprechenden Diagramm.
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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.
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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 arbeitet, 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.
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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.
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2 zeigt
die erfinderische Lösung
anhand der Darstellung nach 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.
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Das
Metallblech (F2) wird durch eine dünne Isolierschicht oder -folie
von deutlich weniger als 100 μm
Schichtdicke von den Gleichstrom-Leistungsanschlüssen elektrisch getrennt.
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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.
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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.
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Es
ist nicht erforderlich, das Metallblech (F2) zu erden. 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.
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Auch
ist es in gleicher Weise praktisch sinnvoll, an beiden Seiten der
Gleichstrom-Leistungsanschlüsse, d.h.
sowohl an der Vorder- als auch an der Hinterseite nach 2,
solche zusätzliche
Metallbleche (F2) anzuordnen. Als Material für das Metallblech (F2) wird
vorzugsweise Kupfer oder Aluminium gewählt, bei anderer Materialwahl
ist auf deren gute elektrische Leitfähigkeit zu achten.
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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 2 dargestellt ist. Wenn das
Metallblech kleiner als der Außenabstand
der Gleichstrom-Leistungsanschlüsse
ist, wird der Effekt der Reduzierung der parasitären Induktivitäten geringer.
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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.
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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 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.
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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.
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Mit
L2+ und L2– sind
die senkrecht zu den beiden vorgenannten anderen Ebenen aufgebauten Gleichstromverbindungen
bezeichnet. Die erfinderische magnetische Kopplung ist punktiert
angedeutet.
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Mit
u1 ist der meßtechnische
Spannungsabgriffdirekt 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.
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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 tx auf. An dem Spannungsabgriff
u1 baut sich in der gleichen Zeiteinheit gleichfalls eine Überspannung
auf.
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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).
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Resultierend
aus der geringeren Gesamtkapazität
erhöht
sich die Geschwindigkeit des Stromabfalles in dem Zeitraum von t0 bis tx, 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.