DE19813365A1 - Stromrichterbaugruppe für ein Stromrichtergerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichterbaugruppe für ein Stromrichtergerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Die erfindungsgemäße Stromrichterbau­ gruppe kann beispielsweise zum Aufbau von Stromrichtern für Straßenbahnen ver­ wendet werden.

Aus der DE 43 33 387 A1 ist ein Stromrichter von kompakter Konstruktion mit aus­ tauschbarem Kühlkörper bekannt, wobei ein Leistungsmodulgehäuse mit eingebau­ ten Hauptschaltkreisbauelemente auf dem Kühlkörper befestigt ist und über dem Leistungsmodulgehäuse eine Leiterplatte mit Kondensatoren sowie darüber Treiber­ schaltung und Schutzschaltung/Leistungsschaltkreis/Steuerschaltkreis angeordnet sind.

Aus der DE 43 38 277 A1 ist ein flüssigkeitsgekühltes Stromrichtermodul mit minde­ stens einem abschaltbaren Leistungshalbleiter und einer aus mehreren Bauelemen­ ten, wie Kondensator, Drossel und Diode bestehenden Beschaltung für den ab­ schaltbaren Leistungshalbleiter (GTO) bekannt. Dabei sind alle wesentlichen Bau­ elemente der Beschaltung auf einem einzigen, als Guß- oder Druckgußteil aus ei­ nem hochwertigen Isoliermaterial, wie Epoxyharz oder Polyesterharz hergestellten Isolierbaugruppenträger angeordnet. Der Isolierbaugruppenträger ist mit einer inte­ grierten elektrischen Leistungsstrompfadverschienung zur elektrischen Verschaltung der Beschaltungsbauelemente und mit elektrischen Anschlüssen zur Kontaktierung der Beschaltungsbauelemente versehen. Zum Aufbau des Stromrichtergerätes ist der Isolierbaugruppenträger in einem Gehäuse einzubinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichterbaugruppe für ein Stromrichtergerät der eingangs genannten Art anzugeben, welche einen wesentli­ chen Teil des Stromrichtergerätes selbst bildet und mit welcher insgesamt eine be­ trächtliche Einsparung an Raumbedarf, Gewicht und Kosten erzielt wird.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs­ gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die angegebene Stromrichterbaugruppe ein Höchstmaß an Baugruppen- und Gerä­ teverdichtung, Materialeinsparung und Kostenreduktion erzielt wird. Das zentrale Multifunktionsgehäuseteil der Stromrichterbaugruppe ist außerordentlich stabil, rüttel- und stoßfest, was insbesondere beim Einsatz des Stromrichtergerätes in Fahrzeu­ gen von Wichtigkeit ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Kondensatorbaugruppe für ein Stromrichterge­ rät,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Stromrichtergerätes,

Fig. 3 eine Stromrichterbaugruppe mit Luftkühler,

Fig. 4 eine Stromrichterbaugruppe mit Wasserkühler,

Fig. 5 ein zentrales Multifunktionsgehäuseteil der Stromrichterbaugruppen gemäß den Fig. 3 und 4.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Kondensatorbaugruppe für ein Stromrichtergerät dargestellt. Diese Kondensatorbaugruppe ist absolut feuchtigkeits- und schmutz­ unempfindlich konzipiert, so daß ein Einsatz unter härtesten Bedingungen möglich ist. Die Kondensatorbaugruppe 1 weist ein in Kunststoff/Metall-Verbundtechnik her­ gestelltes, quaderförmiges, zentrales Multifunktionsgehäuseteil 2 auf. Das Multifunk­ tionsgehäuseteil 2 besteht vorzugsweise aus einem kriechstromfesten Material, wie Gießharz, Polyesterharz, Thermoplast oder einem PU-Schaum, wobei die nachste­ hend angeführten metallenen Baukomponenten (siehe insbesondere die Ziffern 10, 11, 17) im Kunststoff integriert sind, was die Stabilität des Multifunktionsgehäuseteils (Metall/Kunststoff-Armierungs-Technik) begründet.

Der Bodenbereich des Multifunktionsgehäuseteils 2 weist eine großflächige Aus­ nehmung auf, die sich bis auf Randbereiche über die gesamte Länge und Breite des Bodenbereichs des Multifunktionsgehäuseteils erstreckt und zum Eingriff und zur elektrischen wie thermischen Kontaktierung mit einer nicht dargestellten, separaten einen weiteren Teil des Stromrichters bildenden Ventilbaugruppe mit den Stromrich­ terventilen (IGBT) und dem Halbleiterkühler dient. Zur Montage der Ventilbaugruppe am Integralgehäuse 1 ist eine mit Ziffer 3 bezeichnete, umlaufende und abdichtbare Anschlußfläche im bodenseitigen Randbereich des Multifunktionsgehäuseteils vor­ gesehen. Die Anschlußfläche 3 ermöglicht eine hermetisch dichte Montage zwischen Kondensatorbaugruppe und Ventilbaugruppe.

Die der Anschlußfläche 3 entgegengesetzt liegende Oberseite des Multifunktionsge­ häuseteils 2 ist mittels eines Deckels 22 abgedeckt, wobei eine umlaufende Dichtung 5 zur Schaffung einer hermetischen Abdichtung dient. Auf dem Deckel 22 ist eine Abdeckhaube 4 montiert. Mittels schematisch dargestellter Öffnungen 6 in der Ab­ deckhaube 4 ist angedeutet, daß ein Abtransport der Wärmeleistung der im Innen­ raum 7 unter der Abdeckhaube 4 eingebauten elektrischen Geräte, wie Steuer- und Regeleinrichtung 8 und Treiberschaltungen (Gate Units) 9 vorgesehen ist.

Das Multifunktionsgehäuseteil 2 weist einen innerhalb des Kunststoffes integrierten, metallenen Kühlkasten 10 auf, der insbesondere zwei Mulden im Zentralbereich des Multifunktionsgehäuseteils umschließt. Dieser metallene Kühlkasten 10 dient zur Aufnahme und Weiterleitung der Verlustwärme von im Multifunktionsgehäuseteil 2 eingebauten, wärmeproduzierenden Geräten. Die Wärmeableitung vom Kühlkasten 10 erfolgt über Wärmeübertragungsschienen 11 an den Halbleiterkühler der nicht dargestellten, mit der Kondensatorbaugruppe verbundenen Ventilbaugruppe (siehe Fig. 2). Die Wärmeübertragungsschienen 11 sind vorzugsweise mit dem Halbleiter­ kühler verschraubt.

Die vorstehend erwähnten Mulden im Multifunktionsgehäuseteil 2 dienen zur Auf­ nahme von Kondensatoren 12, vorzugsweise Flachwickel-Kondensatoren, inklusive der im Störfall notwendigen Druckentlastungs-Einrichtungen. Zur Herstellung werden beispielsweise die mit den Flachwickel-Kondensatoren bestückten Mulden mit Kon­ densatoröl gefüllt, evakuiert und mit dem Deckel 22 dicht verschlossen. Alternativ können die Flachwickel-Kondensatoren auch mit sogenannten "selbstheilenden" Fo­ lien gewickelt, mit einem elektronegativen Gas behandelt oder eingegossen werden (Gießharz), wobei im letzteren Fall der Deckel 22 und die Sicherung entfallen. Die Kondensatoren sind vorzugsweise von einem Hilfsgehäuse aus einem Kunststoff umgeben, was die Montage erleichtert.

Allgemein können Elektrolytkondensatoren oder Feststoffkondensatoren eingesetzt werden.

Im randseitigen Bodenbereich des Multifunktionsgehäuseteils 2 befinden sich Kam­ mern 13, welche für den Einbau von Meßwandlern 16 (Strom- und Spannungswand­ ler) bestimmt sind und gleichzeitig zur Bildung von Leistungsanschlüssen 15 dienen. Die Leistungsanschlüsse 15 und Meßwandler 16 sind vorzugsweise in den Kammern eingegossen (Gießharz). Alternativ schließen Deckel 14 die Kammern 13 nach au- ßen hin staub- und feuchtigkeitsdicht ab. Separate Anschluß- oder Klemmbretter für das Stromrichtergerät werden durch diese Maßnahme vorteilhaft eingespart, so daß sich insgesamt beträchtliche Gewichts- und Raumeinsparungen ergeben.

Das Multifunktionsgehäuseteil 2 ist mit einem integrierten Stromschienensystem 17 (Multilayer) für die interne Leistungsverschienung und für die elektrischen Anschlüs­ se versehen. Dieses Stromschienensystem 17 verläuft im wesentlichen im Bodenbe­ reich des Multifunktionsgehäuseteils 2 unterhalb der Kondensatoren 12 , sowie seit­ lich neben den Kondensatoren und zwischen den Kondensatoren. Die Konden­ sator-Anschlüsse sind mit Ziffer 18, die den Deckel 22 durchbrechenden Treiberschal­ tungs-Anschlüsse mit 19, die elektrischen Stromrichterventil-Anschlüsse für die Di­ rektkontaktierung (Stecktechnik) zwischen dem Multifunktionsgehäuseteil 2 und den Halbleiterventilen der Ventilbaugruppe (vorzugsweise IGBT-Module) mit 20 und die Meßwandler-Anschlüsse mit 23 bezeichnet.

Die Kondensator-Anschlüsse 18 sind vorzugsweise über Schmelzsicherungen 27 mit den weiteren elektrischen Anschlüssen verbunden. Diese Maßnahme verhindert zu­ verlässig eine Beschädigung der Kondensatorbaugruppe und des Stromrichtergerä­ tes im Fehlerfall (Überstrom).

Steuer- und Regeleinrichtung 8 sowie Treiberschaltungen 9 sind über einen An­ schluß 21 elektrisch miteinander verbunden.

In Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines Stromrichtergerätes dargestellt. Das Strom­ richtergerät 26 ist aus drei Hauptgruppen zusammengesetzt, nämlich der zentralen Ventilbaugruppe 24 mit den Halbleiterbauelementen und dem Kühler, der vorste­ hend im einzelnen beschriebenen Kondensatorbaugruppe 1 und einer Filterdrossel­ baugruppe 25. Sowohl die Filterdrosselbaugruppe 25 als auch die Kondensatorbau­ gruppe 1 verwenden zur Ableitung der in ihren Bauelementen produzierten Wärme­ energie vorteilhaft den Kühler der Ventilbaugruppe 24. Selbstverständlich sind auch aus lediglich zwei Hauptgruppen, nämlich der Ventilbaugruppe 24 und der Konden­ satorbaugruppe gebildete Stromrichtergeräte realisierbar. In jedem Fall kann die Kondensatorbaugruppe in einfacher Weise mit der Ventilbaugruppe verbunden wer­ den.

In Fig. 3 ist eine Stromrichterbaugruppe mit Luftkühler dargestellt. Bei dieser Strom­ richterbaugruppe 28 sind Kondensatorbaugruppe und Ventilbaugruppe zu einer ein­ zigen Baugruppe zusammengefaßt. Als Kondensatoren dienen vorzugsweise kon­ ventionelle Becherkondensatoren 30. Vorteilhaft kann die Kapazität der Kondensato­ ren in einem relativ weiten Bereich durch Variation der Becherlänge verändert wer­ den, ohne daß hierzu die Dimensionierung der Stromrichterbaugruppe verändert werden muß. Die Becherkondensatoren 30 sind mechanisch und wärmetechnisch mit Anschlußfahnen 36 verbunden, welche Abschnitte eines in Fig. 5 gezeigten zen­ tralen Multifunktionsgehäuseteils 29 in Metallausführung (vorzugsweise aus Alumini­ um bestehend) darstellen, welches direkt mit dem Luftkühler 32 verbunden ist.

Oberhalb der Becherkondensatoren 30 befinden sich die Treiberschaltungen 9 in einem Flachgehäuse, wobei die Treiber-Platinen über den IGBTs angeordnet sind. Die darüber angeordneten Steuer- und Regeleinrichtungen sind nicht gezeigt, um einen Einblick in die Stromrichterbaugruppe zu ermöglichen. Von Wichtigkeit ist es, daß die Treiberschaltungen sowie Steuer- und Regeleinrichtungen von wärmepro­ duzierenden Baukomponenten, wie Kondensatoren und Stromschienen, abgekoppelt sind. Halbleiterventile 31 - vorzugsweise IGBT-Module - sind direkt und ohne zusätz­ liche Wärmewiderstände verursachende Zwischenteile auf dem Luftkühler 32 befe­ stigt. Gut sind die Leistungsanschlüsse 15 und die Meßwandler 16 der Stromrichter­ baugruppe zu erkennen.

In Fig. 4 ist eine kompatible Stromrichterbaugruppe mit Wasserkühler dargestellt. Diese Stromrichterbaugruppe 28 entspricht im wesentlichen der unter Fig. 3 erläuter­ ten Stromrichterbaugruppe mit dem Unterschied, daß ein Flüssigkeitskühler 33 an Stelle eines Luftkühlers 32 verwendet wird. Einlauf 34 und Auslauf 35 für die Kühl­ flüssigkeit dieses Flüssigkeitskühlers 33 sind zu erkennen. Steuer- und Regeleinrich­ tungen 8 sowie Treiberschaltungen 9 befinden sich unter der Abdeckhaube 4. Eine Wärmeübertragungsschiene 11 des in Fig. 5 im einzelnen gezeigten zentralen Multi­ funktionsgehäuseteils 29 ist zu erkennen. Diese Wärmeübertragungsschiene 11 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 selbstverständlich ebenfalls vorhanden, je­ doch nicht gezeigt, um den Einblick in die Stromrichterbaugruppe zu ermöglichen.

In Fig. 5 ist das zentrale Multifunktionsgehäuseteil 29 der Stromrichterbaugruppen 28 gemäß den Fig. 3 und 4 dargestellt. Dieses Multifunktionsgehäuseteil 29 dient der Befestigung der vorstehend erwähnten Becherkondensatoren an den Anschlußfah­ nen 36 und zur Ableitung der während des Betriebes von den Kondensatoren pro­ duzierten Wärmeenergie an den Luftkühler 32 oder Flüssigkeitskühler 33 über den Kühlkasten 10 und die Wärmeübertragungsschienen 11, welche sich überverbreiter­ te Kontaktflächen direkt auf dem Kühler abstützen und mit diesem vorzugsweise über Schraubverbindungen verbunden sind. Hierdurch wird eine durchgehende me­ tallische Wärmeverbindung zum Kühler sichergestellt. Da sowohl der Topfboden ei­ nes Becherkondensators 30 als auch die Anschlußfahnen 36 des Multifunktionsge­ häuseteils 29 planeben sind, ist ein intensiver Wärmekontakt und Wärmeübergang sichergestellt. Ferner bildet das Multifunktionsgehäuseteil 29 die Seitenwände der Stromrichterbaugruppe. Des weiteren trägt das Multifunktionsgehäuseteil 29 die Treiberschaltungen und Steuer- und Regeleinrichtungen und ist mit den hierzu erfor­ derlichen Befestigungseinrichtungen versehen.

Bei den vorstehend erläuterten Stromrichterbaugruppen gemäß den Fig. 3 und 4 ist der systematische Aufbau Kühler - Halbleiterventile - Leistungsverschienung - Konden­ satoren - Treiber und Steuer/Regelung in gleicher Weise verwirklicht wie bei der aus Kondensatorbaugruppe 1 und Ventilbaugruppe 24 zusammengesetzten Stromrichterbaugruppe gemäß den Fig. 1 und 2. Beim zentralen Multifunktionsge­ häuseteil 29 ist die Leistungsverschienung jedoch nicht integriert wie beim Multifunk­ tionsgehäuseteil 2 mit integriertem Stromschiensystem 17. Die niederinduktive Lei­ stungsverschienung zwischen den Halbleiterventilen 31 und den Becherkondensato­ ren 30 wird deshalb durch eine eigene, in Schichttechnik mit metallischen Leitern und Isolierstoffen ausgebildete Baukomponente realisiert. Da die Leistungsverschie­ nung direkt mit den elektrischen Anschlüssen der Halbleiterventile und der Konden­ satoren verbunden ist, treten keine Kriechwege auf, was einen Sicherheitsfaktor darstellt, wenn eine Gefahr durch Verschmutzungen besteht.

Claims (11)

1. Stromrichterbaugruppe für ein Stromrichtergerät mit einem Aufbau Kühler (32, 33) - Halbleiterventile (31) - Leistungsverschienung (17) - Kondensatoren (12, 30) - Treiberschaltungen (9) und Steuer- und Regeleinrichtungen (8), gekennzeich­ net durch ein mit dem Kühler (32, 33) der Halbleiterventile (31) unmittelbar verbun­ denes, zentrales Multifunktionsgehäuseteil (2, 29), an das die Kondensatoren (12, 30) thermisch kontaktiert befestigt sind.

2. Stromrichterbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Multifunktionsgehäuseteil (2, 29) in seinem oberen Bereich einen durch eine Ab­ deckhaube (4) geschützten Innenraum (7) zur Aufnahme elektronischer Geräte, wie insbesondere der Steuer- und Regeleinrichtung (8) und Treiberschaltungen (9) auf­ weist.

3. Stromrichterbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Multifunktionsgehäuseteil (2, 29) Kammern (13) zur Integration von Meß- wandlern (16) und zur Bildung von Leistungsanschlüssen (15) vorgesehen sind.

4. Stromrichterbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Multifunktionsgehäuseteil (2) in Kunststoff/Metall-Verbund­ technik ausgebildet ist und eine interne elektrische Leistungsverschienung über ein integriertes Stromschienensystem (17) aufweist.

5. Stromrichterbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeich­ net durch eine Ausbildung der Kondensatoren als Becherkondensatoren (30), wel­ che über ihren Becherboden in Wärmekontakt mit Anschlußfahnen (36) des Multi­ funktionsgehäuseteils (29) stehen.

6. Stromrichterbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Multifunktionsgehäuseteil (2) in seinem Zentrum mindestens eine Mulde zur Integration mindestens eines Kondensators (12) aufweist, wobei die mindestens eine Mulde von einem integrierten, metallenen Kühlkasten (10) umgeben ist, welcher über Wärmeübertragungsschienen (11) thermischen Kontakt zum Kühler hat.

7. Stromrichterbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine mit einem Flachwickel-Kondensator bestückte Mulde mit einem Kondensatoröl gefüllt und mit einem Deckel (22) verschlossen ist.

8. Stromrichterbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine mit einem Flachwickel-Kondensator bestückte Mulde mit einem elektronegativen Gas behandelt und mit einem Deckel (22) verschlossen ist.

9. Stromrichterbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Flachwickel-Kondensator in der Mulde mit einem Gießharz einge­ gossen ist.

10. Stromrichterbaugruppe nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeich­ net durch den Einsatz eines Elektrolytkondensators.

11. Stromrichterbaugruppe nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeich­ net durch den Einsatz eines Feststoffkondensators.