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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft die Isolation von elektrischen und elektronischen Komponenten in einem Gehäuse. Insbesondere betrifft die Erfindung ein modulares elektrisches und/oder elektronisches System mit Komponenten, die sich in einem Gehäuse befinden, wobei insbesondere die Module dafür ausgelegt werden können, mit anderen Modulen in einem Schrank angeordnet zu werden.
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STAND DER TECHNIK
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Leistungselektronik-Baublöcke (PEBB) werden in vielfältigen Anwendungen verwendet, zum Beispiel bei der Spannungsumwandlung. Dabei ist es insbesondere im Mittel- bis Hochspannungsbereich eine schwierige Aufgabe, die beteiligten auf Halbleitern basierenden Schaltkreise in einem ökonomischen Platz zu integrieren und gleichzeitig die Anforderungen in Bezug auf Wärmeableitung, d. h. Kühlung, und Sicherheit sowohl vor dem Risiko von elektrischen Schocks als auch dem Problem von Teilentladungen zu erfüllen.
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Es erfolgten einige Versuche, solche PEBB durch feste Materialien, z. B. durch Verwendung von dielektrischen Gehäusen, zu isolieren. Beispiele für solche Konzepte finden sich in
Berth M.: "New Main Circuits, HV-Design of Submodules", ABB-Report, HIP49/ATP5-3, und in Steiner M., Reinold, H.: "Medium Frequency Topology in Railway Applications", European Railway Review (EPE), 2007, Aalborg, Dänemark. Keiner dieser Ansätze hat jedoch bisher zu einer Anwendung in vermarktbaren PEBB-Produkten geführt, was teilweise auf andauernde Probleme mit Teilentladungen zurückzuführen ist.
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Angesichts des Obigen werden Leistungselektronikmodule benötigt, die die Nachteile der bekannten Lösungen vermeiden.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die oben erwähnten Probleme werden durch ein Gehäuse nach Anspruch 1 und eine elektronische Einrichtung nach Anspruch 9 mindestens teilweise gelöst.
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In einem ersten Aspekt wird ein Gehäuse für eine elektronische Einrichtung bereitgestellt. Es umfasst eine Gehäusewand mit einem festen dielektrischen Material, eine erste leitfähige Schicht, die an einer inneren Seite der Gehäusewand angrenzt und eine zweite leitfähige Schicht, die an einer äußeren Seite der Gehäusewand angrenzt, wobei die erste und zweite leitfähige Schicht voneinander elektrisch isoliert sind und elektrisch mit vordefinierten elektrischen Potentialen verbindbar sind, so dass das elektrische Feld in der Gehäusewand in einem Betriebszustand des Gehäuses homogenisiert werden kann.
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In einem zweiten Aspekt wird eine elektronische Einrichtung bereitgestellt. Sie umfasst eine elektronische Schaltung und ein Gehäuse mit einer Wand aus einem dielektrischen Material, einer ersten leitfähigen Schicht, die an einer inneren Seite der Gehäusewand angrenzt, und einer zweiten leitfähigen Schicht, die an der äußeren Seite der Gehäusewand angrenzt, wobei die erste und zweite Schicht elektrisch voneinander isoliert sind und wobei die erste leitfähige Schicht mit einem ersten elektrischen Potential der elektronischen Schaltung verbunden ist und die zweite leitfähige Schicht mit einem zweiten elektrischen Potential der elektronischen Schaltung verbunden ist.
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Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im Rest der Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eine volle und befähigende Offenbarung einschließlich der besten Art davon für Durchschnittsfachleute genauer dargelegt. Es zeigen:
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1 schematisch eine teilweise Querschnittsansicht eines Gehäuses gemäß Ausführungsformen;
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2 schematisch eine perspektivische Vorderansicht eines Elektronikmoduls gemäß Ausführungsformen;
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3 zeigt schematisch eine Vorderansicht eines elektronischen Systems gemäß Ausführungsformen;
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4 zeigt schematisch eine perspektivische Vorderansicht des in 3 gezeigten Systems.
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5 zeigt schematisch eine Querschnitts-Seitenansicht eines Systems gemäß Ausführungsformen.
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6 zeigt schematisch eine Simulation des elektrischen Felds in einem beispielhaften modularen Elektroniksystem.
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7 zeigt schematisch eine Simulation des elektrischen Felds in einem modularen Elektroniksystem gemäß Ausführungsformen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nun im Einzelnen auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, wofür ein oder mehrere Beispiele in jeder Figur dargestellt sind. Jedes Beispiel wird zur Erläuterung angegeben und ist nicht als Beschränkung gedacht. Zum Beispiel können als Teil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale auf oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um noch weitere Ausführungsformen zu ergeben. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung solche Modifikationen und Abwandlungen einschließt.
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Innerhalb der folgenden Beschreibung der Zeichnungen beziehen sich dieselben Bezugszahlen auf dieselben Komponenten. Im Allgemeinen werden nur die Unterschiede mit Bezug auf die einzelnen Ausführungsformen beschrieben. Wenn in einer Figur mehrere identische Posten oder Teile erscheinen, tragen nicht alle der Teile Bezugszahlen, um das Erscheinungsbild zu vereinfachen.
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Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren sind nicht auf die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können Komponenten der Systeme und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und getrennt von anderen Komponenten und/oder Schritten, die hier beschrieben werden, benutzt werden. Stattdessen kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Anwendungen implementiert und verwendet werden.
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Obwohl in bestimmten Zeichnungen und nicht in anderen spezifische Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sein können, dient dies lediglich der Zweckmäßigkeit. Gemäß den Prinzipien der Erfindung kann ein beliebiges Merkmal einer Zeichnung in Kombination mit einem beliebigen Merkmal irgendeiner anderen Zeichnung erwähnt und/oder beansprucht werden.
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Im Allgemeinen betreffen Ausführungsformen der Erfindung ein Gehäuse für elektronische Mittel- bis Hochspannungsschaltungen, d. h. Leistungsschalter, die zusammen ein Elektronikmodul, z. B. ein PEBB, bilden. Jedes Gehäuse umfasst ein dielektrisches Material, das sowohl auf der Innenseite als auch der Außenseite eine leitfähige Schicht aufweist. Es können mehrere Gehäuse in einem Array, zum Beispiel einer m×n-Matrix (d. h. einer m-mal-n-Matrix) angeordnet werden. Dabei können die Gehäuse so angeordnet werden, dass sie jeweils über Anbringungselemente an den äußeren Seiten der Gehäuse aneinander angebracht eingefügt werden können.
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Bei Ausführungsformen können die Gehäuse ziehbar in einem Rack oder Schrank montiert sein, sodass die elektrischen Kontakte (Betriebsspannung, Masse usw.) typischerweise auf ihrer Rückseite vorgesehen sind. Der oben erwähnte Ausdruck „Mittelspannung” wird als eine Nennspannung von etwa 1000 Volt bis zu etwa 36000 Volt (Gleichstrom oder im Fall von Wechselstrom Effektivspannung) verstanden. Eine Spannung, die höher als diese ist, wird im Folgenden als „Hochspannung” betrachtet. Man muss beachten, dass die Geräte in der Lage sein müssen, Impulsspannungen (z. B. einem Blitzimpuls) widerstehen zu können, die typischerweise viel größer sind (z. B. über 100 kV), selbst für MV-Geräte. Es wird z. B. auf IEC 61800-5-1, Tab. 8, verwiesen.
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Das dielektrische Material des Gehäuses genügt den Normen bezüglich fester Isolation gegenüber Masse, d. h. einem dielektrischen Material, das in der Lage ist, die elektrische Isolation in dem Gehäuse herzustellen. Die Dicke der dielektrischen Wand wird gemäß der Durchschlagsstärke des Materials und den angelegten Spannungen dimensioniert. Dabei wird die mit der ersten leitfähigen Schicht beschichtete innere Wand des Gehäuses in einem Betriebszustand des jeweiligen Elektronikmoduls mit einem definierten Potential verbunden, und die mit der zweiten leitfähigen Schicht beschichtete äußere Wand wird mit einem zweiten Potential verbunden.
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Dadurch bilden die zwei leitfähigen Schichten ein nahezu homogenes elektrisches Feld in dem dielektrischen Material dazwischen. Bei Ausführungsformen befindet sich die äußere Schicht typischerweise auf Massepotential, während die innere Schicht typischerweise mit einer Spannung der elektronischen Schaltung in dem Elektronikmodul verbunden werden kann. Diese Konfiguration erlaubt eine hocheffektive Isolation der Mittel- bis Hochspannungsschaltung in dem Gehäuse mit Bezug auf die Umgebung, da sich die äußere leitfähige Schicht des Gehäuses auf Massepotential befindet.
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Die Potentialdifferenz zwischen der Spannung der Schaltung und Masse bildet somit in dem dielektrischen Material des Gehäuses ein nahezu homogenes elektrisches Feld. Die Dicke des Gehäuses muss im Hinblick auf die zum Betrieb der Schaltung verwendete Spannung und die dielektrischen Eigenschaften des gewählten Materials, insbesondere die Durchschlagsstärke, gewählt werden. Typischerweise wird das Gehäuse so gebildet, dass die leitfähigen Schichten auf der Innenseite und Außenseite eine glatte Oberfläche aufweisen und im Wesentlichen frei von scharfen Kanten, kleinen Radien usw. sind, so dass das Feld zwischen der inneren und äußeren Schicht während des Betriebs keine lokalen Spitzenwerte aufweist, die Teilentladung fordern könnten.
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Das Gehäuse kann vielfältige Formen aufweisen; typischerweise besitzt es die Form eines Kuboids bzw. eines Kastens. Es kann jedoch auch eine sechseckige Form aufweisen oder eine Kombination von mehr als einem Kuboid verschiedener Größen oder Formen sein. Typischerweise besitzt das Gehäuse oder der Kasten Öffnungen vorne und hinten, jeweils auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen, die als Abstände für Kühlluft für die elektronischen Schaltkreise im Inneren dienen. Daher bildet das Gehäuse eine Art von Kanal oder Röhre von vorne nach hinten zur Luftkühlung. Vorne und hinten, wo das Gehäuse Öffnungen aufweist, enden die leitfähigen Schichten auf der Innenwand und Außenwand des Gehäuses, um zum Beispiel den Isolationsnormen bezüglich Luftabstand und Kriechstrom zu genügen. Bei Ausführungsformen können abhängig von dem individuellen Aufbau auch Rillen in dem dielektrischen Material des Gehäuses vorgesehen/strukturiert werden, um die Kriechstrom-Oberflächendistanz zu vergrößern.
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Bei Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, können die Öffnungen vorne und hinten mit einem Grill bzw. einer Gitterstruktur versehen werden, um gemäß Isolationsnormen, z. B. gemäß Hochspannungs-Isolationsnormen, vor Berührung zu schützen. Diese Grillstruktur ist typischerweise mit der äußeren leitfähigen Schicht verbunden, die elektrisch mit Massepotential verbunden ist.
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Abhängig von den angelegten Spannungen können die innere und äußere Schicht auch mit anderen Potentialen als zuvor beschrieben verbunden werden, zum Beispiel kann die innere Schicht mit einem Potential verbunden werden, das kleiner als das Arbeitspotential der elektronischen Schaltung ist, oder die äußere Schicht kann auch mit einem nicht-Masse-Potential verbunden werden, zum Beispiel zwischen Masse und dem Arbeitspotential. In diesem Fall müssen Maßnahmen getroffen werden, um die berührbare äußere Schicht vor der Umgebung zu isolieren bzw. sie vor Berührung zu sichern.
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Bei Ausführungsformen kann das Gehäuse ein Rahmen sein. Das heißt, dass es Öffnungen nicht nur – wie zuvor beschrieben – in der vorderen und hinteren Oberfläche gibt (wobei vorne und hinten mit Bezug auf den resultierenden Luftkanal oder auch mit Bezug auf die Richtung, in der das Gehäuse/Modul in einem Rack oder ein Array anderer Gehäuse/Module eingefügt werden kann, definiert sein kann), sondern auch andere Seiten des Kuboids Öffnungen aufweisen, sodass bei einer Ausführungsform das Gehäuse ein kastenförmiger Rahmen ist, der stattdessen an allen Seitenoberflächen Öffnungen aufweist.
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Dadurch betreffen Ausführungsformen ein Elektroniksystem, das eine Vielzahl der beschriebenen Elektronikmodule umfasst. Die Module sind typischerweise in einem Array angeordnet. Entweder weisen die Gehäuse der Module Elemente in ihren äußeren Oberflächen auf, die als Anbringmittel zum Verbinden der verschiedenen Module miteinander dienen, wie zum Beispiel Schienen und/oder Rillen. Oder die Module werden in einem Rahmen, Schrank oder Rack mit Öffnungen, Schienen, Rillen oder anderen Standardmitteln für Anbringzwecke angebracht. Die Elektronikmodule können aus dem Array ein- oder ausgesteckt werden – in jeder der individuellen Anordnungen, wie oben beschrieben – und können auch Hot-Plug-Einrichtungen umfassen, zum Beispiel insofern, dass die elektrischen Kontakte auf der Rückseite der Module vorgesehen sind, sodass sie während des Einsteckens zuerst in den Schlitz eintreten.
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Bei Ausführungsformen können die Module selbst auch eine modulare Struktur aufweisen. Somit wird die elektronische Leiterplatte mit ablösbaren Mitteln, wie etwa Schienen, in dem Gehäuse angebracht. Zum Zugang zum Inneren des Elektronikmoduls und daher der Schaltung ist eine Oberfläche des Gehäuses typischerweise so konfiguriert, dass sie zum Entfernen der Leiterplatte geöffnet werden kann. Somit besitzt das Elektroniksystem, das die Gehäuse in einem Array angeordnet umfasst, eine zweistufige oder doppelmodulare Struktur. Einerseits können die das Gehäuse und die Schaltung darin umfassenden Elektronikmodule von dem System abgelöst werden.
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Dadurch kann das System zum Beispiel schnell und mit großer Flexibilität auf verschiedene Leistungsanforderungen oder Kostenanforderungen skaliert werden. Gleichzeitig oder zusätzlich können die Leiterplatten entfernt oder einzeln in einzelne Gehäuse von Modulen eingefügt werden.
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung erlauben einen kompakten Entwurf aufgrund des definierten nahezu homogenen elektrischen Felds in der dielektrischen Schicht, was eine hocheffektive Isolation von mittleren bis hohen Spannungen erlaubt, die nur sehr wenig Platz erfordert. Hot Swapping der Module und/oder Elektronikschaltungen in den Modulen ist erreichbar. Aufgrund des effektiven Isolationsprinzips sind kleine Formfaktoren für die Module möglich, bzw. ist wenig Luftraum zwischen den elektronischen Schaltungen und dem Gehäuse erforderlich. Abhängig von der Ausführungsform kann man kleine und gleichzeitig leichte Module und gesamte Systeme erhalten. Da die Module in einem Array mit ihren jeweiligen äußeren leitfähigen Schichten mit Masse verbunden werden können, kann ein mit Masse verbundenes System erhalten werden, das sicher für Kontakt durch Personal ist.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Gehäuses 10 gemäß Ausführungsformen. Es umfasst ein dielektrisches Material 30, das an beide Seiten 50, 70 mit leitfähigen Schichten 40 und 60 angrenzt. Abhängig von den Anforderungen und der Verwendung des Gehäuses umfasst die Gehäusewand 30 einen Polymerkunststoff, z. B. Polyurethan, und/oder eine Faserverstärkung, z. B. zur Bildung eines FRP, und/oder einen Polymerharz und/oder eine Keramik. Die Faserverstärkung kann gegebenenfalls auf Holz oder Cellulose basierende Materialien umfassen. Insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen die Gehäusewand 30 ein Polymer und/oder einen faserverstärkten Kunststoff umfasst, wie z. B. Polyurethan, kann das Gehäuse integral aus einem Stück produziert werden, z. B. durch Spritzguss, Formpressen, Gießen oder Pultrusion.
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Die elektrisch leitfähigen Schichten können ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen, können aber auch nichtmetallische leitfähige Materialien wie Kohlenstoff in seinen Modifikationen umfassen. Andere zufriedenstellende leitfähige Schichten können durch ein leitfähiges Polymer hergestellt werden, d. h. eine Polymermatrix mit leitfähigen Partikeln. Im Fall von Metallen können sie zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, eine Eisenlegierung oder Legierungen beliebiger dieser sein. Wenn die elektrisch leitfähige Schicht ein Polymer ist, kann sie auch zum Zeitpunkt der Herstellung letzterer oder kurz danach auf die Gehäusewand 30 gegossen werden.
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2 zeigt ein Elektronikmodul 100 gemäß Ausführungsformen. Es besitzt – ohne Beschränkung – zwei Ventilationsöffnungen (nur die fordere Öffnung 80 ist sichtbar), eine Leiterplatte 110 und ein Gehäuse 10 mit den mit Bezug auf die 1 oben beschriebenen Eigenschaften. Die Dicke des dielektrischen Materials 30 wird gemäß der Durchschlagsstärke des Materials und den angelegten Spannungen dimensioniert. Dabei wird die mit der ersten leitfähigen Schicht 40 beschichtete innere Wand des Gehäuses in einem Betriebszustand des Elektronikmoduls 100 mit einem definierten Potential P1 verbunden, während die mit der zweiten leitfähigen Schicht 60 beschichtete äußere Wand mit einem zweiten Potential P2 verbunden wird.
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Wie in 2 gezeigt, kann sich die Verbindung der ersten leitfähigen Schicht 40 mit dem Potential P1 mit Bezug auf die Einfügerichtung in den Schrank 160 auf einer Vorderseite oder einer Rückseite befinden. Die Verbindungsmittel zum Herstellen der elektrischen Verbindung für das Potential P1 können abhängig von dem Kontaktierungsschema der Elektronikmodule 100 und des Schranks 160 flexibel oder starr ausgelegt werden, z. B. als Kabel oder Stecker. Erforderlichenfalls können die Mittel zum Herstellen der elektrischen Verbindung mit dem Potential P1 als Stecker auf der Rückseite des Elektronikmoduls 100 gebildet werden, dergestalt, dass die Verbindung gesteckt werden kann, wenn das Modul in einen Rack oder Schrank 160 geschoben wird (siehe 5).
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Wie in 2 gezeigt, kann die Verbindung der zweiten leitfähigen Schicht 60 mit dem Potential P2 auf einer lateralen Seite der Elektronikmodule 100 mit Bezug auf die Einfügerichtung in den Schrank 160 vorgesehen werden. Die Verbindungsmittel zum Herstellen der elektrischen Verbindung für das Potential P2 können abhängig von dem Kontaktierungsschema der Elektronikmodule 100 und des Schranks 160 flexibel oder starr ausgelegt werden, z. B. als Kabel oder als Stecker. Als Alternative können die Verbindungsmittel zum Herstellen der elektrischen Verbindung mit dem Potential P2 stattdessen genauso wie mit dem für das Potential P1 als Stecker auf der Rückseite des Elektronikmoduls 100 gebildet werden, so dass die Verbindung auch gesteckt werden kann, wenn das Modul in einen Rack oder Schrank 160 geschoben wird (siehe 5). Als Alternative können entweder die Elektronikmodule 100 oder der Rack oder Schrank 160 ein Kontaktierungssystem zum Kontaktieren der zweiten leitfähigen Schicht 60 zweier benachbarter Elektronikmodule 100 aufweisen, wobei das Kontaktierungssystem ein federartiges Kontaktierungselement, z. B. eine Kontaktierungszone, zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit der betreffenden zweiten leitfähigen Schicht 60 automatisch zum Zeitpunkts des Einfügens eines Elektronikmoduls 100 in den Rack oder Schrank 160 umfassen kann. Ein solches Kontaktierungssystem ist wiederum für die Sicherheit vorteilhaft, da die elektrische Verbindung mit dem Potential P2 automatisch hergestellt wird und sich somit nicht auf die Aufmerksamkeit einer Person nach dem Einfügen des Moduls 100 in den Rack 160 verlassen muss.
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In jedem Fall bilden die zwei leitfähigen Schichten 40, 60 ein homogenes elektrisches Feld in dem dielektrischen Material dazwischen. Bei Ausführungsformen befindet sich die äußere Schicht 60 typischerweise auf Massepotential P2, während die innere Schicht 40 typischerweise mit einer Spannung P1 der elektronischen Schaltung 110 in dem Elektronikmodul 100 verbunden sein kann. Dadurch wird eine hocheffektive Isolation der Mittel- bis Hochspannungsschaltung 110 in dem Gehäuse 10 mit Bezug auf die Umgebung erzielt.
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Die Potentialdifferenz P2–P1 zwischen der Spannung der Schaltung 110 und Masse bildet somit ein nahezu homogenes elektrisches Feld in dem dielektrischen Material 30 des Gehäuses 10, das eine ungefähre Feldstärke von P2–P1, dividiert durch die Dicke des dielektrischen Materials des Gehäuses, aufweist. Typischerweise wird das Gehäuse so gebildet, dass die leitfähigen Schichten auf der Innenseite und Außenseite eine glatte Oberfläche aufweisen und im Wesentlichen frei von scharfen Kanten, sehr kleinen Radien usw. sind, so dass das Feld zwischen der inneren und äußeren Schicht während des Betriebs keine lokalen Spitzenwerte aufweist, die Teilentladung fördern könnten:
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3 zeigt schematisch ein Elektroniksystem 150 gemäß einer Ausführungsform. Eine Vielzahl von Elektronikmodulen 100 gemäß Ausführungsformen ist in einem Array gestapelt, das eine x- und y-Ebene (hier die Zeichnungsebene) definiert.
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4 zeigt eine andere Ansicht des Systems von 3. Die Module 100 können typischerweise, aber nicht unbedingt, wie gezeigt in einer m×n-Matrix angeordnet sein. Dabei weisen die Gehäuse der Module 100 typischerweise auf oder in ihren äußeren Oberflächen Elemente auf, die als Anbringmittel zum Verbinden der verschiedenen Module dienen, wie zum Beispiel Schienen 120 und/oder Rillen. Oder die Module werden in einem Rahmen, Schrank 160 oder Rack mit Schienen 120, Rillen oder anderen Standardmitteln für Anbringzwecke angebracht. Die Elektronikmodule (PEBB) können in einem beliebigen der oben beschriebenen individuellen Aufbauten in oder aus dem System 150 gesteckt werden. Die Struktur des Schranks 160 selbst kann zweckmäßigerweise mit elektrischem Massepotential verbunden werden, wenn es aus Sicherheitsgründen erforderlich ist.
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Dies ist schematisch in 5 gezeigt. Darin ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Systems ähnlich wie in 3 und 4 gezeigt. Fünf Module sind in einem Rack 160 gestapelt. Dabei ist die zuvor beschriebene Auswechselbarkeit einer elektronischen Schaltung 110 in einem Modul 100 gezeigt.
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Das heißt, ein PEBB ist in der angegebenen Richtung des Pfeils aus einem modularen Elektroniksystem 150 herausziehbar und darin einfügbar, während die anderen PEBB gesteckt bleiben (Verbindung mit dem Rack 160 wird abgezogen). Auch ist ein Entwurf mit Rillen 90 am Ende des Gehäuses 10 in Richtung der Öffnung 80 gezeigt, um den Widerstand gegenüber Kriechstrom zu vergrößern.
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Die verschiedenen Module 100 in 3, 4 und 5 werden typischerweise mit der äußeren leitfähigen Schicht mit einem Massepotential verbunden, so dass Verhinderung von elektrischem Schock vorgesehen wird.
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6 zeigt schematisch ein Diagramm einer rechnerischen Simulation des elektrischen Felds in einem beispielhaften modularen Elektroniksystem gemäß herkömmlicher Technologie mit dielektrischen Gehäusen um die elektronischen Schaltungen 110 herum. Es sind zwei Module gezeigt, wobei sich die elektronischen Schaltungen 110 in den Gehäusen auf demselben Testpotential befinden. Es ist ersichtlich, dass die elektrischen Feldlinien eine sehr irreguläre räumliche Verteilung aufweisen (auch in dem Raum zwischen den Gehäusen), wodurch Feldspitzen angezeigt werden und ein signifikantes Risiko von Teilentladungen entsteht.
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7 zeigt schematisch eine Simulation des elektrischen Felds in einem modularen Elektroniksystem 150 gemäß Ausführungsformen. Die elektronischen Schaltungen 110 befinden sich auf demselben Potential wie die jeweilige erste oder innere Schicht 40 der Module 100. In diesem Beispiel ist ein elektrisches Feld zwischen der mit Masse verbundenen äußeren oder zweiten Schicht 60 und der ersten Schicht oder inneren Schicht 40, die sich auf demselben Potential wie die Schaltung 110 befindet, angeordnet. Somit ist der Raum zwischen den zwei Modulen 100 – in dem gezeigten Beispiel – frei von einem elektrischen Feld, wodurch das Risiko von Teilentladungen in dem Raum außerhalb der Module 100 auf null verringert bzw. die Möglichkeit einer Teilentladung beseitigt wird.
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Die Feldlinienverteilung ist nur in der dielektrischen Gehäusewand 30 gezeigt; abhängig von dem Entwurf der elektronischen Schaltung 110 kann sich auch zwischen Teilen der Schaltung 110 und der inneren Schicht 40 ein elektrisches Feld (nicht gezeigt) befinden.
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Die vorliegende schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenbarung der Erfindung, einschließlich der besten Art, und auch um es beliebigen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung auszuüben, einschließlich der Herstellung und Verwendung beliebiger Einrichtungen oder Systeme und Durchführung beliebiger eingeschlossener Verfahren. Obwohl im Obigen verschiedene spezifische Ausführungsformen offenbart wurden, ist für Fachleute erkennbar, dass der Gedanke und Schutzumfang der Ansprüche genauso effektive Modifikationen erlaubt. Insbesondere können sich gegenseitig nicht ausschließende Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die Fachleuten einfallen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden von der wörtlichen Sprache der Ansprüche umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Berth M.: ”New Main Circuits, HV-Design of Submodules”, ABB-Report, HIP49/ATP5-3, und in Steiner M., Reinold, H.: ”Medium Frequency Topology in Railway Applications”, European Railway Review (EPE), 2007 [0003]
- IEC 61800-5-1 [0022]
