DE202006008138U1 - Leistungselektronikbaugruppe sowie Schaltschrank mit Leistungselektronikbaugruppe - Google Patents

Leistungselektronikbaugruppe sowie Schaltschrank mit Leistungselektronikbaugruppe Download PDF

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Abstract

Leistungselektronikbaugruppe (1), insbesondere zum Einbau in einen Schaltschrank, wobei der Schaltschrank Schranksammelschienen zur elektrischen Kontaktierung der Leistungselektronikbaugruppe aufweist,
wobei die Leistungselektronikbaugruppe (1) mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement (2) und ein Verbindungselement (6a, 6b, 10, 11, 12) aufweist und wobei die Leistungselektronikbaugruppe (1) und/oder das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement (2) mittels des Verbindungselements (6a, 6b, 10, 11, 12) elektrisch kontaktiert ist bzw. sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verbindungselement als Aluminiumschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikbaugruppe, beispielsweise Strom- oder Umrichter, insbesondere zum Einbau in einen Schaltschrank, wobei der Schaltschrank Schranksammelschienen zur elektrischen Kontaktierung der Leistungselektronikbaugruppe aufweist, wobei die Leistungselektronikbaugruppe mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement und ein Verbindungselement aufweist und wobei die Leistungselektronikbaugruppe und/oder das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement mittels des Verbindungselements elektrisch kontaktiert ist bzw. sind, sowie einen Schaltschrank mit der Leistungselektronikbaugruppe.
  • Der Bau von Schaltschränken für Niederspannungsanlagen hat sich in den letzten Jahrzehnten von einer individuellen Konfektionierung für die jeweilige Anwendung zu einer Modulbauweise unter Verwendung von verfügbaren Funktionsbaugruppen gewandelt. So ist es in der Zwischenzeit üblich, in vorgefertigte Schaltschränke die benötigten Funktionsmodule mit wenigen Handgriffen einzusetzen oder gegebenenfalls zu tauschen. Die Schaltschränke weisen für diesen Zweck zum einen mechanische Schnittstellen zur Aufnahme der Funktionsmodule und zum anderen elektrische Schnittstellen zur elektrischen Kontaktierung der Funktionsmodule auf. Die elektrischen Schnittstellen der Schaltschränke sind hierbei üblicherweise als Schranksammelschienen ausgebildet und fest in den Schaltschränken integriert.
  • Beispielsweise offenbart die Druckschrift DE 3502864 A1 eine Vorrichtung zur stumpfen elektrischen Verbindung von Stromschienen eines Sammelschienensystems, wie es in üblichen Schaltschränken Verwendung findet. In dieser Druckschrift wird auch erwähnt, dass derartige Stromschienen als Aluminium-Stromschienen ausgebildet sein können.
  • Diese Idee, für Stromschienen in Niederspannungs-Schaltschränken den Werkstoff Aluminium bzw. entsprechende Legierungen zu verwenden, wird in der oben genannten Druckschrift nicht erstmalig geäußert. So werden bereits in dem Artikel von H. Kock: "Stromschienen in Niederspannungs-Verteilungen aus Aluminium" in DE-Z: "Der Elektromeister" 18/70, S. 973–975 die Vor- und Nachteile bei der Verwendung des Werkstoffs Aluminium bei Stromschienen für Niederspannungs-Schaltschränken ausführlich diskutiert und u.a. vorgeschlagen, die Aluminium-Stromschienen bei Steckverbindungen galvanisch zu verzinnen.
  • Als für den Einbau in die Schaltschränke geeignete Funktionsmodule sind unter anderem Stromrichter üblich, die meist eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen aufweisen, die mittels Kupferverbindungen miteinander verschaltet sind. Derartige Stromrichter bilden wohl den nächstkommenden Stand der Technik.
  • Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem ist es, bekannte Leistungselektronikbaugruppen bzw. Schaltschränke so weiterzubilden, dass die Herstellungskosten gesenkt werden. Dieses Problem wird durch eine Leistungselektronikbaugruppe mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 sowie mit einem Schaltschrank mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 11 gelöst, die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
  • Die Leistungselektronikbaugruppe ist bevorzugt als modulare Einheit ausgebildet, die insbesondere im zusammengebauten Zustand in ihrer Gesamtheit montierbar und/oder demontierbar ist. Die Leistungselektronikbaugruppe ist für den Einbau oder die Montage in einem Schaltschrank, insbesondere in einen Niederspannungsschaltschrank, geeignet und/oder ausgebildet. Der Schaltschrank umfasst Schranksammelschienen zur elektrischen Kontaktierung der Leistungselektronikbaugruppe und stellt bevorzugt mechanische Schnittstellen zur Aufnahme der Leistungselektronikbaugruppe und/oder elektrische Schnittstellen zur Kontaktierung der Leistungselektronikbaugruppe zur Verfügung. Die Schranksammelschienen bilden somit ein Verteilungssystem, welches dem Schaltschrank zugeordnet ist.
  • Die Leistungselektronikbaugruppe umfasst mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement, wobei bevorzugt das oder die Leistungshalbleiterbauelemente zum Schalten und/oder Richten von Niederspannungen von bis zu 600 V, vorzugsweise bis zu 1.000 V, insbesondere bis zu 3.000 V und/oder von Strömen von bis zu 500 A, vorzugsweise bis zu 1300 A, insbesondere bis zu 6000 A ausgebildet sind. Zudem ist mindestens ein Verbindungselement in der Leistungselektronikbaugruppe vorgesehen, welches das Leistungshalbleiterbauelement und/oder die Leistungselektronikbaugruppe elektrisch kontaktiert.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verbindungselement als Aluminiumschiene ausgebildet ist. Unter dem Begriff Aluminiumschiene ist dabei bevorzugt eine Schiene aus technischen Reinaluminium und/oder aus einer Aluminiumlegierung zu verstehen, wobei der prozentuale Massenanteil des Aluminiums in der Legierung mindestens 30 Prozent, vorzugsweise mindestens 50 Prozent, insbesondere mindestens 80 Prozent und/oder in dem technischen Reinaluminium mehr als 95% beträgt.
  • Wesentliche Vorteile der Erfindung liegen dabei in dem Preisvorteil von Aluminiumschienen gegenüber Kupferschienen sowie in der einfacheren und preisgünstigeren Bearbeitung der Aluminiumschienen. Ein weiterer Vorteil ist die Gewichtsreduktion, da die spezifische Dichte des Werkstoffs bei Aluminiumschienen deutlich geringer ist als bei Kupferschienen. Überraschenderweise wurde auch festgestellt, dass die im Stand der Technik diskutierten Nachteile wie das Fließen des Aluminiums oder die Notwendigkeit des Einfettens der Kontaktstellen gegenüber den erzielten wirtschaftlichen und technischen Vorteilen in den Hintergrund treten.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Aluminiumschiene verzinnt, insbesondere galvanisch verzinnt, feuerverzinnt, wischverzinnt oder elektrolytisch verzinnt. Diese Ausführungsform führt zu den Vorteilen, dass zum einen der elektrische Übergangswiderstand zu Anschlussstellen bei der Kontaktierung der Aluminiumschiene geringer und definierter als bei den bisher verwendeten Kupferschienen ist und zum zweiten die auftretenden Toleranzen des elektrischen Übergangswiderstandes gegenüber der Kupferschienenvariante reduziert sind. Durch diese bevorzugte Ausführungsform wird somit eine Leistungselektronikbaugruppe mit Verbindungselementen geschaffen, die höherwertiger als die aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungselemente sind. Bei weniger bevorzugten Ausführungsformen weist die Aluminiumschiene eine andere zusätzlich aufgebrachte Deckschicht aus einem beliebigen metallischen Material auf und ist beispielsweise verzinkt.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in der Leistungselektronikbaugruppe mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente vorgesehen, die mittels einer vorzugsweise einstückigen Sammelschiene elektrisch leitend miteinander verbunden und/oder durch diese elektrisch gebrückt und/oder parallel geschaltet sind, wobei die Sammelschiene als die erfindungsgemäße Aluminiumschiene ausgebildet ist. Insbesondere bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die genannte Sammelschiene und/oder das Verbindungselement mit einer der Schranksammelschienen elektrisch verbindbar und/oder verbunden. Diese Ausbildungen unterstreichen nochmals die erfinderischen Idee, Aluminiumschienen in einer Leistungselektronikbaugruppe integriert zu verwenden und somit deren Einsatz nicht auf die Schaltschränke zu begrenzen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Anschlussplatte mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement oder einen dem Leistungshalbleiterbauelement zugeordneten Kühlkörper direkt und/oder unmittelbar, das heißt insbesondere ohne Zwischenschaltung von weiteren elektrischen Funktionsteilen und/oder Leitungselementen, mechanisch und/oder elektrisch kontaktiert und dass die Anschlussplatte als Aluminiumschiene ausgebildet ist. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass in der Leistungselektronikbaugruppe für mehrere, auch unterschiedliche Verbindungselemente eine erfindungsgemäße Aluminiumschiene eingesetzt wird. Bevorzugt ist die Anschlussplatte über eine beliebige oder die als Aluminiumschiene ausgebildete Sammelschiene mit einer der Schranksammelschienen verbindbar und/oder verbunden.
  • In der körperlichen Ausgestaltung ist die Aluminiumschiene bevorzugt als insbesondere gebogenes und/oder gewinkeltes Blechprofil, vorzugsweise mit einer Dicke von bis zu bis zu 3 mm, insbesondere von bis zu 6 mm, und/oder als massive Schiene, bevorzugt mit einer Dicke von bis zu 10 mm und/oder von bis zu 15 mm ausgebildet.
  • Bevorzugt ist die Aluminiumschiene vollflächig und/oder im wesentlichen vollflächig verzinnt und zwar insbesondere auf der oder den Oberseite bzw. Oberseiten, die die im Betrieb genutzten elektrischen Kontaktflächen umfassen. Alternativ ist die Aluminiumschiene nur lokal verzinnt und zwar vorzugsweise an den genutzten Kontaktflächen.
  • Die Leistungselektronikbaugruppe ist bevorzugt als Stromrichter, insbesondere als Gleichrichter, Wechselrichter oder Umrichter ausgebildet. Insbesondere bei der Ausbildung als Stromrichter umfasst die Leistungselektronikbaugruppe eine oder mehrere Wechselstromsammelschienen und/oder eine oder mehrere Gleichstromsammelschienen, wobei eine, einige oder alle der genannten Schienen als erfindungsgemäße Aluminiumschiene ausgebildet ist bzw. sind. Die genannten Schiene sind jeweils angeordnet und/oder ausgebildet, so dass eine Mehrzahl der Leistungshalbleiterbauelemente innerhalb der Leistungselektronikbaugruppe elektrisch zusammengeschlossen und/oder gebrückt und/oder parallel geschaltet sind.
  • Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Schaltschrank, insbesondere eine Schaltanlage vorzugsweise für eine Druckmaschine, mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Hierbei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die weiter oben beschriebene Leistungselektronikbaugruppe in ihrer Gesamtheit als Modul in dem Schaltschrank, der vorzugsweise ebenfalls wie weiter oben beschrieben realisiert ist, montierbar und/oder demontierbar ausgebildet ist.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
  • 1 einen Stromrichter in schematischer 3D-Darstellung als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 den Stromrichter in 1 in schematischer 3D-Darstellung mit einer alternativen Ausführung der Sammelschienen.
  • Gleiche Bezugszeichen sind in den Figuren jeweils gleichen oder einander entsprechenden Bauteilen zugeordnet.
  • Die 1 zeigt eine Leistungselektronikbaugruppe in Form eines Stromrichters 1, der für einen Strom von ca. 2000 bis 5.000 A ausgelegt ist. Bevorzugt ist der Stromrichter 1 zum Einbau in einen Schaltschrank, insbesondere eine Schaltanlage für Druckmaschinen ausgebildet, in die der Stromrichter 1 als Modul in seiner Gesamtheit montierbar und demontierbar ist. Der Stromrichter 1 umfasst eine Mehrzahl von verdeckten Thyristoren 2, die abwechselnd mit Kühlkörpern 3 in zwei Türmen 4a und 4b angeordnet sind, wobei die Thyristoren 2 als Scheibenthyristoren ausgebildet sind. Zur Sicherstellung eines ausreichenden elektrischen Kontakts zwischen den Kühlkörpern 3 und den Thyristoren 2 ist für jeden Turm 4a bzw. 4b jeweils eine Spannvorrichtung 5a bzw. 5b vorgesehen, die den Turm 4a bzw. 4b in Längserstreckung zusammenpresst.
  • Zur elektrischen Parallelschaltung der gleichstromseitigen Kontakte der Thyristoren 2 eines Turms 4a, b ist für jeden Turm 4a bzw. 4b jeweils eine Gleichstromsammelschiene 6a bzw. 6b vorgesehen. Die Gleichstromsammelschiene 6a bzw. 6b ist jeweils als verzinnte Aluminiumschiene ausgebildet, die in diesem Ausführungsbeispiel abwechselnd ebene Bereiche 7a bzw. b und bogenförmige Bereiche 8a bzw. 8b aufweist und parallel zur Längserstreckung der Türme 4a und 4b verläuft. Die ebenen Bereiche 7a bzw. 7b weisen Durchgangsbohrungen 9a bzw. 9b auf, mit Hilfe derer die Gleichstromsammelschiene 6a bzw. 6b über eine Schraubverbindung mit nicht dargestellten Anschlussplatten mechanisch und elektrisch leitend verbunden werden können, wobei insbesondere die Unterseiten der ebenen Bereiche 7a bzw. b als elektrische Kontaktflächen zu den Anschlussplatten ausgebildet sind. Die nicht dargestellten Anschlussplatten dienen zur elektrischen Kontaktierung der Thyristoren 2 mit der Gleichstromsammelschiene 6a bzw. 6b und können ebenfalls als Aluminiumschienen und/oder verzinnte Aluminiumschienen ausgebildet sein. Die Anschlussplatten sind dabei vorzugsweise in direktem mechanischen Kontakt mit den Thyristoren 2, alternativ ist jeweils zwischen Anschlussplatte und Thyristor 2 ein Kühlkörper 3 als elektrisch leitendes Element zwischengeschaltet.
  • Senkrecht zur Längserstreckung der Türme 4a und 4b und parallel zueinander versetzt sind drei Wechselstromsammelschienen 10, 11 und 12 angeordnet. Die Wechselstromsammelschienen 10, 11 und 12 sind als L-förmig gebogene, verzinnte Aluminiumwinkel ausgebildet, wobei jeweils der kurze Schenkel der Wechselstromsammelschiene 10, 11 oder 12 zur Kontaktierung mit einer Schranksammelschiene oder einem anderen schrankseitigen Kontaktelement ausgebildet und auskragend angeordnet ist. Der jeweils lange Schenkel der Wechselstromsammelschiene 10, 11 oder 12 verbindet und/oder brückt zwei Sicherungselemente F11-F14, F13-F16 bzw. F15-F12, wobei über die Sicherungselemente F11, F12, F13, F14, F15 und F16 die Wechselstromsammelschienen 10, 11 oder 12 mit wechselstromseitigen Kontakten der Thyristoren 2 verschaltet sind. Die Wechselstromsammelschienen 10, 11 und 12 sind über Schraubverbindungen mit den jeweiligen Sicherungselementen F11, F12, F13, F14, F15 oder F16 mechanisch und elektrisch leitend verbunden.
  • Die 2 zeigt den gleichen Stromrichter 1 wie in 1 mit dem Unterschied, dass die Wechselstromsammelschienen 10, 11 und 12 so angebaut sind, dass die kurzen Schenkel nicht wie in 1 nach rechts sondern nach links ausgerichtet sind.
  • 1
    Stromrichter
    2
    Thyristor
    3
    Kühkörper
    4a, b
    Türme
    5a, b
    Spannvorrichtungen
    6a, b
    Gleichstromsammelschienen
    7a, b
    ebene Bereiche der Gleichstromsammelschienen
    8a, b
    bogenförmige Bereiche der Gleichstromsammelschienen
    9a, b
    Durchgangsbohrungen
    10, 11,
    12
    Wechselstromsammelschienen

Claims (14)

  1. Leistungselektronikbaugruppe (1), insbesondere zum Einbau in einen Schaltschrank, wobei der Schaltschrank Schranksammelschienen zur elektrischen Kontaktierung der Leistungselektronikbaugruppe aufweist, wobei die Leistungselektronikbaugruppe (1) mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement (2) und ein Verbindungselement (6a, 6b, 10, 11, 12) aufweist und wobei die Leistungselektronikbaugruppe (1) und/oder das mindestens eine Leistungshalbleiterbauelement (2) mittels des Verbindungselements (6a, 6b, 10, 11, 12) elektrisch kontaktiert ist bzw. sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement als Aluminiumschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) ausgebildet ist.
  2. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) verzinnt ist.
  3. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) verzinkt ist.
  4. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente (2), die mittels einer Sammelschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei die Sammelschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) als die Aluminiumschiene ausgebildet ist.
  5. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Aluminiumschiene ausgebildete Sammelschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) und/oder das Verbindungselement (6a, 6b, 10, 11, 12) mit einer der Schranksammelschienen verbindbar und/oder verbunden ist.
  6. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anschlussplatte, welche das Leistungshalbleiterbauelement (2) und/oder einen dem Leistungshalbleiterbauelement (2) zugeordneten Kühlkörper (3) direkt und/oder unmittelbar elektrisch kontaktiert, wobei die Anschlussplatte als die oder eine weitere Aluminiumschiene ausgebildet ist.
  7. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als Aluminiumschiene ausgebildete Anschlussplatte über eine oder die als Aluminiumschiene ausgebildete Sammelschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) mit einer der Schranksammelschienen verbindbar und/oder verbunden ist.
  8. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) als gebogenes Blechprofil oder massive Schiene ausgebildet ist.
  9. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) vollflächig oder lokal verzinnt und/oder verzinkt ist.
  10. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Verzinnung oder Verzinkung nur im Überlappungs- und/oder Übergangsbereich der Aluminiumschiene mit beziehungsweise zu weiteren Stromschienen oder Strom-Anschlusselementen.
  11. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Um- oder Stromrichter (1).
  12. Leistungselektronikbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wechselstromsammelschiene (10, 11, 12) und/oder eine Gleichstromsammelschiene (6a, b) als Aluminiumschiene ausgebildet ist bzw. sind, die eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (2) innerhalb der Leistungselektronikbaugruppe (1) elektrisch zusammenschließt.
  13. Leistungselektronikbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschiene (6a, 6b, 10, 11, 12) in Wirkungsverbindung mit einer Parallelschaltung von Leistungselektronik-Halbleiterbauelementen steht.
  14. Schaltschrank gekennzeichnet durch eine Leistungselektronikbaugruppe (1) mit den Merkmalen einer der Ansprüche 1 bis 10.
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