DE2829300A1 - Stromrichter-geraet, bestehend aus laenglichen halbleitermoduln - Google Patents

Description

• ~Stromrichter-Gerät , bestehend aus länglichen Halbleitermoduln"
• I Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromrichter-Gerät, bestehend aus länglichen Halbleiternoduln mit Jeweils mindestens zwei steuerbaren Halbleiterventilen, vorzugsweise Thyristoren, deren Hauptstromanschlüsse, einschließlich eines als Wechsel-bzw. Drehstromanschluß bestimmten Anschlusses zum Verbindungspunkt der Ventile, nach einer einzigen Seite aus dem Modulgehäuse herausgeführt sind, und mit Jeweils einer thermisch leit-, fähigen, elektrisch isolierenden Bodenplatte, weiterhin aus Stromschienen und einer Xühleinrichtung. Vorzugsweise bezieht sich die Erfindung auf den Aufbau eines Stromrichter-Gerätes als Umkehrstromrichter.
• Der Aufbau von gesteuerten ~der ungesteuerten Stromrichterbrückenschaltungen geschieht bei kleineren Leistungen in zunehmendem Maße bekanntlich aus Halbleiterbausteinen bzw. Moduln, die aus zwei oder mehreren einzelnen Halbleiterventilen bestehen. Moduln für diese Anwendung, die wahlweise steuerbare oder nichtsteuerbare Halbleiterbauelemente oder beide Arten gemischt, z.B. zwei Thyristoren oder eine Diode und einen Thyristor, in verschiedenen Schaltungsvarianten enthalten, sind nun Beispiel bekannt aus: Prospekt "Power Semiconductors" vom März 1974 von der Firma AEI Semiconductors (Publication 111), S. 48/49; Datenblatt "Thyristormoduln" Thy F 75/ G 75/ H 75 der Siemens AG, Erlangen; DE-GM 75 12 573 sowie DE-OS 23 37 694. Diese Moduln sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabfuhr aller im Modul befindlichen Halbleiter über ein von diesen Halbleitern elektrisch isoliertes Bodenblech aus Kupfer oder Aluminium erfolgt und sämtliche Hauptstromanschlüsse sowie Steueranschlüsse auf einer einzigen Seite aus dem Modulgehäuse herausgeführt sind. Aus der erstgenannten Literaturstelle ist auch bereits eine besonders häufig verwendete Modulform bekamlt, die zwei in Serie geschaltete steuerbare Halbleiterventile enthält, deren Anschlüsse in einer Reihe der Reihenfolge: Anode, erste Kathode, Yerbindungspunkt zwischen beiden steuerbaren Halbleiterventilen, angeordnet sind. Der letztgenannte Anschluß dient beim Aufbau von Stromrichter-Geräten als Wechsel- bzw.
• Drehstromanschluß. Es versteht sich, daß ein solches Stromrichter-Gerät Stromschienen, eine Kühleinrichtung und weitere übliche Komponenten enthalten muß Auf den Aufbau einer Brückenschaltung mit Moduln mit jeweils zwei in Reihe geschalteten steuerbaren Halbleiterventilen wird in dem DE-GM 75 12 573 hingewiesen. Der konkrete Aufbau eines Stromrichter-Gerätes aus mehreren Moduln ist jedoch in keiner der genannten Schriften angegeben.~qerdem geht die Tende#z#bei Einsata pon Moduln eu größeren Beistungenhin, z.B. zu Gleichstrommittelwerten von zu i00 A und gröDer.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Stromrichter-Gerätes mit rationeller Verbindungs und Anschlußtechnik anzugeben, insbesondere den Aufbau eines Umkehrstromrichters.
• Die Lösung dieser Aufgabe bester darin, daß erfindungsgemäß alle Moduln auf einem für alle/Kühleinrichtung dienenden Kühlkörper auf einer Seite desselben in einer Ebene montiert sind, daß sie mit ihren Längsseiten achsparallel zueinander liegen, daß sie bezüglich der Anschlußreihenfolge ihrer Hauptstroman-Anschlüsse abwechselnd um 1800 gedreht montiert sind und daß die Anschlüsse zu den Verbindungspunkten der Ventile nahezu oder genau auf einer Geraden liegen.
• Vorteilhaft sind also nur eine Montageebene auf dem EUhlkörper, auf dem die Bodenplatten der Moduln angeschlossen werden, und auf der gegenüberliegenden Seite der Moduln eine einzige Anschlußseite mit etwa in einer Ebene liegenden Anschlüssen vorhanden. Somit kann die Verbindung zu einer funktionstüchtigen Stromrichtereinheit mit sehr wenigen geraden, rechteckförmigen Metallschienen ausgeführt werden, die raumsparend alle nahezu in einer Ebene angeordnet sind.
• Bei Ausbildung des Stromrichter-Gerätes als Umkehrstromrichter geschieht dies vorzugsweise in der Weise, daß jeweils zwei benachbarte Anschlüsse zu den Verbindungspunkten der beiden steuerbaren Ventile der Moduln über eine erste Verbindungsschiene und die übrigen Hauptanschlüsse jeder gleichsinnig orientiert montierten Gruppe von Moduln über eine zweite bzw. dritte Verbindungsschiene miteinander verbunden sind. Bei dieser Verbindungstechnik ergibt sich für die beiden steuerbaren Ventile eines jeden Moduls eine Verbindung der jeweils ungleichnamigen Hauptelektroden und somit eine AntiparaLlelschaltung . Die beiden Ventile bzw. Thyristoren eines Moduls werden also nicht wie beim DE-GM 75 12 573 als Brückenzweig sondern als antiparall#s Ventilpaar verwendet. Da immer nur eines der beiden Ventile bzw.
• einer der beiden Thyristoren stromführend ist, gelangt man zu einer ausgezeichneten Wärmeabfuhr für jeden Thyristor, oder man kann den Kühlkörper von vorn ~ herein auf eine geringere auf zu nehmende Verlustleistung hin dimensionieren. Wegen der wechselweisen Anordnung der Moduln mit antiparallel geschalteten steuerbaren Halbleiterventilen wird das Volumen des Kühlkörpers gleichmäßig erwärmt, so daß sein Wärmeableitvermögen sehr groß ist. Mit anderen Worten: Geht man von einem vorgegebenen Kühlkörperaufwand pro Modul aus, so verbessert sich mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen die Wärmeabfuhr für jedes Halbleiterventil, was einer besseren Ausnutzung desselben entspricht.
• Setzt man eine gleiche Ausnutzung. des Halbleiterventils im Vergleich zu einer Brückenschaltung voraus, so kann der Kühlkörperaufwand reduziert werden, was zu einem kompakteren Stromrichter-Gerät führt.
• Hinsichtlich der Verbindungstechnik ist oben bereits erwähnt, daß zweckmäßig alle Verbindungsschienen der Moduln als gerade, rechteckförmige Metallplatten ausgebildet sind und etwa in einer gemeinsen Ebene liegen. Senkrecht zu der Längsseite jeder Verbindungsschiene ist eine Anschlußschiene aufgeschraubt, wobei alle Anschlußschienen zu einer einzigen Geräteseite hin aus dem Gerät herausgeführt und die zu isolierenden Kreuzungsstellen von den Anschluß- und Verbindungsschienen durch Schrumpfschläuche isoliert sind.
• Im Stromrichter-Gerät können Impulsübertrager für die steuerbaren Halbleiterventile sowie Stromwandler installiert sein, so daß insgesamt eine funktions- und anschlußfertige Stromrichtereinheit vorliegt.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispile näher erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1 den inneren Schaltungsaufbau eines z.B. aus dem vorgenannten AEI-Frospekt bekannten Modul, Fig. 2 eine Seitenansicht des Gehäuses eines Moduls, Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anschlußseite eines Moduls nach Fig. 2, Fig. 4 eine Umkehrstromrichterschaltung mit dem erfindungsgemäßen Einsatz von Moduln mit antiparallel geschalteten Thyristoren, Fig. 5 den Geräteaufbaü für die Schaltung nach Fig. 4 in einer zur Montageebene für die Moduln parallelen Ansichtsrichtung und Fig. 6 ~ eine Draufsicht auf die Modulanschlußseite des Gerätes nach Fig. 5.
• Ein Modul gemäß Fig. 1 enthält in Reihenschaltung zwei Thyristoren 1 und 2 mit folgenden äußeren Hauptanschlüssen: einen Anodenanschluß A am ersten Thyristor 1, einen Kathodenanschluß K1 am zweiten Thyristor 2, einen vom Verbindungspunkt 3 zwischen beiden Thyristoren 1 und 2 herausgeführten Anschluß AK2 sowie Steueranschlüssen G1 und G2. Die Thyristoren können in einem Kunststoffgehäuse 4 vergossen sein. Sie sind thermisch leitend, elektrisch jedoch isoliert auf einer Bodenplatte 5 (vgl. Fig. 2) montiert. Das Gehäuse 4 besitzt zur Montage AnschlußboW Pg e (vgl. Fig. 3). Die Hauptanschlüsse A, Xl, AK2 liegen in einer Reihe. Die Steueranschlüsse liegen zusammen mit eventuell vorgesehenen Hilfskathodenanschlüssen HKl und HK 2 seitlich des Anodenanschlusses A. Der Modul ist insgesamt mit 7 bezeichnet.
• Figur 4 zeigt eine aus sechs solchen Moduln 7 aufgebaute Umkelirstromrichterschaltung. Durch Verbindung des Anodenanschlusses A und des Kathodenanschlusses K1 eines jeden Moduls 7 ergibt sich eine Antiparallelschaltung der beiden Thyristoren 1 und 2 desselben. jeweils zwei Moduln 7 sind mit den zu den Verbindungspunkten 3 führenden Hauptstromanschlüssen AK2 zusammengeschaltet und liegen hintereinander in Reihe zwischen zwei Gleichstrompolen 8 und 9, wobei der gemeinsame Hauptstromanschluß AX2 als Wechselstromanschluß dient. Für eine dreiphasige Anordnung sind selbstverständlich drei solcher Reihenschaltungen notwendig. Die entsprechenden Drehstromein- bzw. -ausgänge sind mit R, S, T bezeichnet.
• Gemäß Figur 5 sind alle Moduln 7 auf einem für alle als Kühleinrichtung dienenden Kühlkörper 10 mit Kühlkörperfinnen 11 auf einer Seite 12 desselben in einer Ebene montiert. Wie aus Fig.6 besser ersichtlich ist, liegen sie mit ihren Längsseiten achsparallel zueinander und sind bezüglich der Anschlußreihenfolge ihrer Hauptstromanschlüsse A, K1, AK2 abwechselnd um 1800 gedreht montiert,wobei die beiden Modulgruppen etwa um eine Modul breite gegeneinander versetzt sind. Die Anschlüsse AK2 zu den Verbindungspunkten 3 der Thyristoren 1 und 2 liegen nahezu oder genau auf einer Geraden. Jeweils zwei benachbarte Anschlüsse AX2 zu den Verbindungspunkten 3 der beiden Thyristoren 1 und 2 der Moduln 7 sind über eine erste Verbindungsschiene 13 und die übrigen Hauptanschlüsse A, K1 Jeder gleichsinnig orientiert montierten Gruppe von Moduln 7 üjer eine zweite bzw. dritte 7erbindungsschiene 14 bzw. 15 miteinander verbunden.
• Alle Verbindnngsschienen 13 bis 15 der Moduln 7 sind als gerade rechteckförmige Metallplatten ausgebildet und liegen etwa in einer gemeinsamen Ebene. Senkrecht zu der Längsseite Jeder Verbindungsschiene 13 bis 15 ist eine Anschlußschiene 16 bis 20 aufgeschraubt. Die Anschlußschienen 16, 18 und 20 zu den ersten Verbindungsschienen 13 sind etwa mittig derselben aufgeschraubt die Anschlußschienen 17 und 19 in der Ansicht nach Fig. 6 nach rechts bzw. nach links bezüglich der zweiten bzw. dritten Verbindungsschiene 14 bzw. 15 versetzt, weil diese -Anschlußschienen 17 und 19 wie alle Anschlußschienen achsparallel zu den Längsseiten der Moduln 7 ausgerichtet sind und zwischen den gegeneinander versetzten Moduln unterschiedlicher Gruppenzugehörigkeit verlaufen. Alle Anschlußschienen 16 bis 20 sind zu einer einzigen Geräteseite hin aus dem Gerät herausgeführt.
• Ihre zu isolierenden Kreuzungsstellen mit den Verbindungsschienen 13 und 15 werden vorzugsweise durch aufgezogene Schrumpfschläuche isoliert Cdoppeltschraffiert in Fig. 6).
• In das Stromrichter-Gerät sind Impulsübertrager 21 und Stromwandler 22 installiert. In diesem Fall sind am Kühlkörper 10, der als tragendes Konstruktionsteil für die Moduln 7 und die Verschienung dient, außerdem zwei Montagewinkel 23 angeschraubt, die ihrerseits über weitere Verbindungselemente die Impulsübertrager 21 und die Stromwandler 22 tragen.
• Das Stromrichter-Gerät enthält also in äußerst kompakter Form die wichtigsten Komponenten eines Stromrichtersatzes, der wiederum als Baustein für ein Stromrichterregelgerät, z.B. in der Antriebstechnik, verwendet werden kann.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Stromrichter-Gerät, bestehend aus länglichen Halbleitermoduln mit jeweils mindestens zwei steuerbaren Halbleiterventilen, vorzugsweise Thyristoren, deren Hauptstroman-Anschlüsse, einschließlich eines als Wechsel- bzw. Drehstromanschluß bestimmten Anschlusses zum Verbindungspunkt der Ventile, nach einer einzigen Seite aus dem Modulgehäuse herausgeführt sind, und mit jeweils einer thermisch leitfähigen, elektrisch isolierenden Bodenplatte, weiterhin aus Stromschienen und einer Kühleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß alle Moduln (7) auf einem für alle als Kühleinrichtung dienenden Kühlkörper (10) auf einer Seite (12) desselben in einer Ebene montiert sind, daß sie mit ihren Längsseiten achsparallel zueinander liegen, daß sie bezüglich der Anschlußreihenfolge ihrer Hauptstromanschlüsse (A, gl, ate2) abwechselnd um 1600 gedreht montiert sind und daß die Anschlüsse (au2) zu den Verbindungspunkten (3) der Ventile nahezu oder genau auf einer Geraden liegen.
2. 2. Stromrichter-Gerät nach Anspruch 1, ausgebildet als Umkehrstromrichter, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte Anschlüsse (au2) zu den Verbindungspunkten (3)der beiden steuerbaren Ventile der Moduln (7) über eine erste Verbindungsschiene (13) und die übrigen Hauptanschlüsse (A, E1) Jeder gleichsinnig orientiert montierten Gruppe von(14 bzw.15 Moduln (7) über eine zweite bzw. dritte Verbindungsschiene / miteinander verbunden sind.
3. 3. Stromrichter-Gerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Verbindungsschienen (13 bis 15) der Moduln (7) als gerade, rechteckförmige Metallplatiai ausgebildet sind, etwa in einer gemeinsamen Ebene liegen und daß senkrecht zu der LW $6seite der Verbindungsschiene(13bis15) 6 bis eine AnschlußscbF 20)/ au g schraubt ist, wobei alle Anschlußschienen (16 /zu einer einzigen Geräteseite hin aus dem Gerät herausgeführt und die zu isolierenden Kreuzungsstellen von Anschluß-(16 biii,a0#rbindungsschienen(l5 bis 15) durch Schrumpfschläuche isoliert sind.
4. 4. Stromrichter-Gerät nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Impulsübertrager (21) für die steuerbaren Halbleiterventile (1, 2) sowie Stromwandler (22) installiert sind.