DE202015104615U1 - Power converter module - Google Patents
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Abstract
Leistungswandlermodul, umfassend: eine erste Gruppe (101) von IGBT-Einheiten; eine zweite Gruppe (102) von IGBT-Einheiten; und einen Kühlkörper (230, 330), wobei die IGBT-Einheiten der ersten Gruppe (101) und die IGBT-Einheiten der zweiten Gruppe (102) auf dem Kühlkörper (230, 330) angeordnet sind und sich jeweils entlang einer geraden Linie erstecken, wobei der durchschnittliche Abstand zwischen benachbarten IGBT-Einheiten der zweiten Gruppe (102) größer als der durchschnittliche Abstand zwischen benachbarten IGBT-Einheiten der ersten Gruppe (101) ist.A power converter module comprising: a first group (101) of IGBT units; a second group (102) of IGBT units; and a heat sink (230, 330), wherein the IGBT units of the first group (101) and the IGBT units of the second group (102) are arranged on the heat sink (230, 330) and each extend along a straight line, wherein the average distance between adjacent IGBT units of the second group (102) is greater than the average distance between adjacent IGBT units of the first group (101).
Description
Die Erfindung betrifft allgemein ein Leistungswandlermodul für einen Frequenzumrichter, insbesondere einen 5-Pegel-Mittelspannungs-Frequenzumrichter und dessen Leistungswandlermodul. The invention relates generally to a power converter module for a frequency converter, more particularly to a 5-level medium voltage frequency converter and its power converter module.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
In einem Anwendungsgebiet (z.B. Frequenzwandler, Lichtkreise, Traktionsantriebe usw.), bei dem ein großer Strom und schnelles Ein- und Ausschalten erforderlich sind, kommen normalerweise mehrere IGBT-Komponenten oder -Module (z.B. IGBT: Bipolartransistor mit isoliertem Gate) zum Einsatz. Das IGBT-Modul führt im Betrieb aufgrund hoher Frequenz oder langer Einschaltzeit oder großen Stroms usw. zu der Erhöhung der generierten Soll-Verluste und dabei zu einer verstärkten Erwärmung der Komponenten. Bei der Ausgestaltung der traditionellen Leistungswandlermodule soll daher ein Kühlkörper oder eine Wärmesenke, wie z.B. eine Metallplatte, eingebracht werden, um die Wärme aus den IGBT-Komponenten abzuleiten. In a field of application (e.g., frequency converters, light circuits, traction drives, etc.) where large current and fast turn-on and turn-off are required, several IGBT components or modules (e.g., IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) are commonly used. In operation, the IGBT module due to high frequency or long on-time or large current, etc. to increase the generated target losses and thereby to an increased heating of the components. In the design of the traditional power converter modules, therefore, a heat sink or heat sink, such as e.g. a metal plate, are introduced to dissipate the heat from the IGBT components.
Für Multipegel-Frequenzumrichter wird im Allgemeinen durch die Schaltungstopologie definiert, dass einige IGBT-Komponenten im Betrieb höherer Schaltfrequenz oder längerer Einschaltzeit oder größerem Strom unterliegen als andere IGBT-Komponenten, was zur Folge hat, dass solche IGBT-Komponenten wesentlich mehr Wärme generieren. Durch die Schaltungstopologie und die Einschränkung der Verdrahtung führt eine konventionelle IGBT-Anordnung auf dem Kühlkörper dazu, dass die Wärme, die durch eine große Menge der Wärme generierenden IGBT-Komponenten generiert wird, schwer abgeleitet wird, was die Zuverlässigkeit und die Leistungen der Komponenten negativ beeinflusst. For multi-level variable frequency drives, the circuit topology generally defines some IGBT components in operation to be subject to higher switching frequency or longer on-time or greater current than other IGBT components, with the result that such IGBT components generate significantly more heat. Due to the circuit topology and the limitation of wiring, a conventional IGBT arrangement on the heat sink will result in the heat generated by a large amount of the heat generating IGBT components being dissipated heavily, negatively affecting the reliability and performance of the components affected.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DISCLOSURE OF THE INVENTION
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, dass ein verbessertes Leistungswandlermodul bereitgestellt wird, welches im Vergleich zu den traditionellen IGBT-Einheiten-Anordnung erlaubt, dass bei gleicher Größe des Kühlkörpers darauf mehrere IGBT-Komponenten angeordnet sind. Dabei wird die maximale Temperatur der IGBT-Einheiten auf dem Kühlkörper im Betrieb reduziert. The object of the invention is to provide an improved power converter module which, compared to the traditional IGBT unit arrangement, allows a plurality of IGBT components to be arranged thereon for the same size of the heat sink. In doing so, the maximum temperature of the IGBT units on the heat sink is reduced during operation.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Leistungswandlermodul nach den Ansprüchen 1 bis 10. The object is achieved by an inventive power converter module according to claims 1 to 10.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Leistungswandlermodul vorgesehen, welches eine erste Gruppe von IGBT-Einheiten und eine zweite Gruppe von IGBT-Einheiten umfasst. Ferner umfasst das Leistungswandlermodul einen Kühlkörper, auf dem die IGBT-Einheiten der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe angeordnet sind, wobei die IGBT-Einheiten der beiden Gruppen sich jeweils entlang einer geraden Linie erstecken. Ein durchschnittlicher Abstand zwischen benachbarten IGBT-Einheiten der zweiten Gruppe ist größer als ein durchschnittlicher Abstand zwischen benachbarten IGBT-Einheiten der ersten Gruppe. Durch einen größeren durchschnittlichen Abstand zwischen den IGBT-Einheiten, welche höhere Wärme generieren, kann die Wärmeverteilung auf dem Kühlkörper wesentlich verbessert werden. According to one aspect of the invention, a power converter module is provided which comprises a first group of IGBT units and a second group of IGBT units. Furthermore, the power converter module comprises a heat sink on which the IGBT units of the first group and the second group are arranged, the IGBT units of the two groups each extending along a straight line. An average distance between adjacent IGBT units of the second group is greater than an average distance between adjacent IGBT units of the first group. A larger average distance between the IGBT units, which generate higher heat, can significantly improve the heat distribution on the heat sink.
Bevorzugte Ausführungen und besondere Aspekte der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Preferred embodiments and particular aspects of the invention are indicated in the dependent claims.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Kühlkörper eine rechteckige Metallplatte sein, und die IGBT-Einheiten der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe sind auf derselben Seite des Kühlkörpers angeordnet. According to an embodiment of the invention, the heat sink may be a rectangular metal plate, and the IGBT units of the first group and the second group are disposed on the same side of the heat sink.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die IGBT-Einheiten der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. According to an embodiment of the invention, the IGBT units of the first group and the second group are arranged substantially parallel to each other.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die erste Gruppe vier erste Teilmengen mit gleicher Anzahl der IGBT-Einheiten, und die zweite Gruppe umfasst zwei zweite Teilmengen mit gleicher Anzahl der IGBT-Einheiten. According to one embodiment of the invention, the first group comprises four first subsets with the same number of IGBT units, and the second group comprises two second subsets with the same number of IGBT units.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die IGBT-Einheiten einer der zweiten Teilmengen und die IGBT-Einheiten einer anderen zweiten Teilmenge versetzt zueinander angeordnet. According to an embodiment of the invention, the IGBT units of one of the second subsets and the IGBT units of another second subset are offset from one another.
Gemäß eine Ausführungsbeispiel der Erfindung sind alle IGBT-Einheiten der zweiten Gruppe mit gleichem Abstand auf dem Kühlkörper angeordnet. According to an embodiment of the invention, all IGBT units of the second group are arranged equidistantly on the heat sink.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind alle IGBT-Einheiten der zweiten Gruppe mit gleichem Abstand angeordnet. According to an embodiment of the invention, all the IGBT units of the second group are arranged equidistantly.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat jede IGBT-Einheit der zweiten Gruppe im Betrieb eine höhere Schaltfrequenz als jede IGBT-Einheit der ersten Gruppe. According to an embodiment of the invention, each IGBT unit of the second group has a higher switching frequency in operation than any IGBT unit of the first group.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat jede IGBT-Einheit der zweiten Gruppe im Betrieb eine längere Einschaltzeit als jede IGBT-Einheit der ersten Gruppe. According to an embodiment of the invention, each IGBT unit of the second group has a longer on-time in operation than any IGBT unit of the first group.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat jede IGBT-Einheit in der zweiten Gruppe im Betrieb größeren Strom als jede IGBT-Einheit in der ersten Gruppe. According to an embodiment of the invention, each IGBT unit in the second group has Operating larger current than any IGBT unit in the first group.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung generiert jede IGBT-Einheit der zweiten Gruppe im Betrieb höhere Wärme als jede IGBT-Einheit der ersten Gruppe. According to an embodiment of the invention, each IGBT unit of the second group generates higher heat during operation than any IGBT unit of the first group.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die IGBT-Einheiten der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe derart adaptiert, dass sie 5-Pegel-Mittelspannungs-Frequenzumrichter bilden. According to an embodiment of the invention, the IGBT units of the first group and the second group are adapted to form 5-level medium-voltage frequency converters.
Die Vorteile der Ausführungsbeispiele der Erfindung liegt im Allgemeinen darin, dass die Einsetzung eines gleichen Kühlkörpers wie bei dem konventionellen Leistungswandlermodul möglich ist und auf dem Kühlkörper mehrere IGBT-Einheiten angeordnet werden können, wobei die durch die IGBT-Einheiten bewirkte maximale Temperatur auf dem Kühlkörper reduziert wird. Durch die Verbesserung der IGBT-Einheiten-Anordnung wird dabei eine Erhöhung der Wärmeableitungsleistung des Kühlkörpers ermöglicht. The advantages of the embodiments of the invention are generally that the use of a same heat sink as in the conventional power converter module is possible and on the heat sink, a plurality of IGBT units can be arranged, wherein the maximum temperature caused by the IGBT units on the heat sink reduced becomes. By improving the IGBT device arrangement, an increase in the heat dissipation performance of the heat sink is made possible.
ZEICHNUNGEN DRAWINGS
Die obengenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Figuren werden die Ausführungsbeispiele der Erfindung lediglich als Bespiele beschrieben, und sie stellen keine abschließende Einschränkung dar. Es zeigen: The above and other objects, features and advantages of the embodiments of the invention will become more apparent from the drawings and the description below. In the figures, the embodiments of the invention are described as examples only, and they are not an exhaustive limitation. It is shown:
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG EMBODIMENTS OF THE INVENTION
Nun werden Prinzipien der Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten verschiedenen Ausführungsbeispiele beschrieben. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich für den Fachmann zum besseren Verständnis und zur weiteren Umsetzung der Erfindung dienen, aber sie stellen keine abschließende Einschränkung dar. Es sollte beachtet werden, dass ähnliche oder identische Bezugszeichen in den Zeichnungen verwendet werden können, wobei die ähnlichen oder identischen Bezugszeichen ähnliche oder identische Funktionen bezeichnen können. Es ist für einen Fachmann einfach vorstellbar, dass aus der folgenden Beschreibung alternative Ausführungsbeispiele der Konstruktionen und Verfahren im Zusammenhang gemacht werden können, ohne dabei die beschriebenen Prinzipien des vorliegenden Gebrauchsmusters zu verlassen. Now, principles of the invention will be described with reference to the various embodiments shown in the figures. It should be understood that these embodiments are merely for the benefit of one skilled in the art to better understand and further implement the invention, but they are not an exhaustive limitation. It should be understood that similar or identical reference numbers may be used in the drawings similar or identical reference numerals may denote similar or identical functions. It will be readily apparent to one skilled in the art that from the following description, alternative embodiments of the constructions and methods may be made without departing from the described principles of the present invention.
Es sollte verstanden werden, dass alle Anwendungen für IGBT in dem Schutzumfang der Erfindung eingeschlossen werden sollen, obwohl in den Ausführungsformen der Erfindung ein 5-Pegel-Mittelspannungs-Frequenzumrichter als Beispiel verwenden wird. It should be understood that all applications for IGBTs are intended to be included within the scope of the invention, although in embodiments of the invention, a 5-level medium voltage AC drive will be used as an example.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Leistungswandlermodul
Wie in Figur gezeigt, ist auf der linken Seite des Schaltbildes eine erste Gruppe
In der in
Es ist anzumerken, dass die durch IGBT generierte Wärme zumindest abhängig von der Schaltfrequenz, der Einschaltzeit und dem Strom bestimmt werden kann. Der Begriff „Unterliegen höherer Schaltfrequenz“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Schaltzahl einer oder einiger IGBT-Einheiten in der gleichen Zeitdauer größer als die der weiteren IGBT-Einheiten ist (es wird angenommen, dass andere Bedingungen gleich sind). Da bei jedem Schalten zusätzliche Wärme generiert wird, führt eine große Schaltzahl zu der hohen Wärme. Der Begriff „Unterliegen längerer Einschaltzeit“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine oder einige IGBT-Einheiten in einem gleichen Zeitraum längere Gesamteinschaltzeit besitzt als weitere IGBT-Einheiten (es wird angenommen, dass andere Bedingungen gleich sind). Da die Gesamteinschaltzeit innerhalb des gleichen Zeitraums länger ist, wird die summierte erzeugte Wärme mehr ist. Ferner bedeutet der Begriff „Unterliegen größerem Strom“ in diesem Zusammenhang, dass der durch eine oder einige IGBT-Einheiten fließende Strom größer ist als der durch weitere IGBT-Einheiten fließende Strom (es ist angenommen, dass andere Bedingungen gleich sind). It should be noted that the heat generated by IGBT can be determined at least as a function of the switching frequency, the turn-on time and the current. The term "higher switching frequency" in this context means that the switching number of one or several IGBT units in the same period of time is greater than that of the other IGBT units (it is assumed that other conditions are the same). Since additional heat is generated with each switching, a large number of switching leads to the high heat. The term "prolonged on-time" in this context means that one or several IGBT units have a longer total turn-on time over a similar period of time than other IGBT units (assuming other conditions are the same). Since the total turn-on time is longer within the same time period, the summed generated heat will be more. Further, the term "greater current" in this context means that the current flowing through one or several IGBT units is greater than the current flowing through other IGBT units (it is assumed that other conditions are the same).
Wie gezeigt, verfügt das Leistungswandlermodul
In dem in
Die Wärmeverteilung in der traditionellen IGBT-Einheiten-Anordnung in
Wie in der Figur gezeigt, weist das Leistungswandlermodul
In einem Ausführungsbeispiel können die IGBT-Einheiten in der zweiten Teilmenge
Darüber hinaus können auch alle IGBT-Einheiten der ersten Teilmengen
Es sei darauf hingewiesen, dass die Fläche eines Abdeckungsbereichs, welcher durch die Vielzahl von IGBT-Einheiten besetzt wird, als die Fläche innerhalb des durch diese IGBT-Einheiten begrenzten Umfangs verstanden werden soll. Mit anderen Worten: Der Randbereich der IGBT-Einheiten sollte nicht als die durch sie besetzte Fläche verstanden werden. Beispielsweise soll ein unbesetzter Teil im Kühlkörper
In dem in
Ähnlich zu der Anordnung in
In der in
In einem Ausführungsbeispiel ist jede IGBT-Einheit der ersten Gruppe im Hinblick auf die Spezifikation (z.B. Aussehen, Dimension, Sollstrom usw.) gleich wie jede IGBT-Einheit der zweiten Gruppe. Mit anderen Worten: Es ist unnötig, die IGBT-Einheiten, welche wegen der Topologie höhere Wärme generieren, zu wechseln, sondern es ist ausreichend, dass nur die Anordnung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für die gleiche Topologie wie in
Gemäß der Anordnung des Ausführungsbeispiels der Erfindung können zusätzlich auf dem Kühlkörpers mit gleicher Fläche, wie in den
Darüber hinaus ist eine effektive Überlappungsfläche der Verbundschicht-Kupferschienen in der in
Es sollte verstanden werden, dass die Erfindung beansprucht, dass der durchschnittliche Abstand zwischen den IGBT-Einheiten, die der höheren Schaltfrequenz und/oder der längeren Einschaltzeit und/oder dem größeren Strom unterliegen, größer als der durchschnittliche Abstand zwischen den IGBT-Einheiten ist, die der niedrigeren Schaltfrequenz und/oder der kürzeren Einschaltzeit und/oder dem niedrigeren Strom unterliegen, obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ein gleicher Abstand als Beispiel verwendet wird. It should be understood that the invention claims that the average distance between the IGBT units subject to the higher switching frequency and / or the longer on-time and / or the larger current is greater than the average distance between the IGBT units, which are subject to the lower switching frequency and / or the shorter turn-on time and / or the lower current, although in the embodiments of the invention described above an equal distance is used as an example.
Darüber hinaus sollte man es verstehen, dass IGBT-Einheit des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eine einzelne IGBT-Komponente oder ein aus IGBT-Komponenten bestehendes IGBT-Modul sein kann. Obwohl in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung IGBT als Beispiel verwendet wird, kann sie auch durch andere Halbleiter oder Module mit einer gleichen Funktion ersetzt werden. Weiterhin fällt der Ersatz, durch den die IGBT-Einheit funktionell ersetzt wird, auch in den Schutzumfang der Erfindung. In addition, it should be understood that the IGBT unit of the embodiment of the present invention may be a single IGBT component or an IGBT module composed of IGBT components. Although IGBT is used as an example in the above-described embodiment of the invention, it may be replaced with other semiconductors or modules having a same function. Furthermore, the replacement by which the IGBT unit is functionally replaced also falls within the scope of the invention.
Die IGBT-Einheiten-Anordnung der erfindungsgemäßen Ausfürhungsbeispiele ist besonders vorteilhaft für die Verbesserung der Wärmeableitung des bekannten 5-Pegel-Mittelspannungs-Frequenzumrichters. Es sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die Anwendungen der IGBT-Einheiten-Anordnung einschränken soll. The IGBT device arrangement of the embodiments according to the invention is particularly advantageous for improving the heat dissipation of the known 5-level medium-voltage frequency converter. It should be understood that the invention is not intended to limit the applications of the IGBT device arrangement.
Obwohl die Ansprüche der Erfindung für bestimmte Kombinationen von Merkmalen entwickelt worden sind, sollte es verstanden werden, dass der Umfang der Erfindung auch die hierin entweder explizit oder implizit offenbarten Merkmale oder jedwede neuen Merkmale oder jede neue Kombination davon umfasst, unabhängig davon, ob es sich um eine gleiche Lösung wie in den gegenwärtigen beanspruchten Ansprüchen handelt. Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ein neuer Anspruch kann bei den Prüfungsansichten oder weiteren Prozessen als ein Merkmal und/oder eine Kombination mit den anderen Merkmalen gestaltet werden. Although the claims of the invention have been developed for particular combinations of features, it should be understood that the scope of the invention also includes the features disclosed herein either explicitly or implicitly, or any novel features or combination thereof, whether or not is a same solution as in the present claims. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. A new claim may be made in the review views or other processes as a feature and / or a combination with the other features.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ABB SCHWEIZ AG, CH Free format text: FORMER OWNER: ABB TECHNOLOGY LTD., ZUERICH, CH |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: ZIMMERMANN & PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |