DE4333387C2 - Stromrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (DE 40 00 056 A1).

Eine herkömmliche Vorrichtung dieser Art ist in Fig. 7 ge­ zeigt, wo der Stromrichter einen Kühlkörper 70, ein Lei­ stungsmodul 71, welches am Kühlkörper mittels Schrauben 72 befestigt ist und an der Unterseite eine Kühlfläche 73 hat sowie eine Leiterplatte 74 aufweist, die oberhalb des Lei­ stungsmoduls 71 angeordnet und mit diesem durch Lot 75 elektrisch verbunden ist, während sie am Kühlkörper 70 mit­ tels Schrauben 76 befestigt ist. Am Kühlkörper 70 ist eine Abdeckhaube 77 mittels Schrauben 78 befestigt, um die Lei­ terplatte 74 vor Staub, Schmutz, Fremdstoffen, Stößen und/oder dergleichen zu schützen und zu verhindern, daß eine Person, die diesen Stromrichter, Gleichrichter oder Wechselrichter berührt, einen elektrischen Schlag erleidet. Die Abdeckhaube 77 hat eine Oberseite 79, und das Lei­ stungsmodul 71 ist in einem Gehäuse 80 untergebracht. Der Kühlkörper 70 wird mittels Halterungselementen 81 einge­ baut.

Ein derartiger bekannter Stromrichter arbeitet wie folgt. Auf der Leiterplatte 74 ist der Leistungsschalt­ kreis, Steuerschaltkreis, die Anzeigeeinheit, Betriebsein­ heiten, Verdrahtung, Treiber- und Schutzschaltungen für die Hauptschaltkreisbauelemente sowie weitere Komponenten bei­ spielsweise zum Steuern des Betriebs eines Wechselstrommo­ tors untergebracht. Das Leistungsmodul 71 enthält die ent­ sprechenden Hauptschaltkreisbauelemente einer Wechselrich­ terschaltung, die den eingehenden Wechselstrom in Gleich­ strom umformt sowie eine Gleichrichterschaltung, die den Gleichstrom in Wechselstrom umformt.

Das Leistungsmodul 71 ist mit der Leiterplatte 74 mittels Lot 75 elektrisch verbunden, arbeitet gesteuert vom Signal der Treiberschaltung, welches als Ergebnis der Arbeitsweise der verschiedenen Schaltungen auf der Leiterplatte 74 abge­ geben wird, und schaltet die Hauptschaltkreisbauelemente ein/aus, um den Wechselstrommotor nach Wunsch anzutreiben. Der Kühlkörper 70 ist mittels der Schrauben 76 in enger Be­ rührung mit der Kühlfläche 73 des Leistungsmoduls 71 befe­ stigt und bewirkt, daß die von den im Leistungsmodul 71 enthaltenen Hauptschaltkreisbauelementen erzeugte Wärme ab­ geleitet und infolgedessen die Temperatur unter einen gege­ benen Wert abgesenkt wird.

Dieser bekannte Stromrichter der vorstehend be­ schriebenen Art hat zunächst einmal den Nachteil, daß er zu teuer ist. Insbesondere ist für das Gehäuse 80 des Lei­ stungsmoduls 71 eine weitere Abdeckung und Schutzumhüllung in Form der Abdeckhaube 77 nötig. Das erhöht die Kosten für das Gehäuse 80 des Leistungsmoduls 71.

Eine solche bekannte Vorrichtung hat noch den weiteren Nachteil, daß der Kühlkörper 70 ziemlich groß sein und eine große Kühlkapazität haben muß, was die Gesaintabmessungen der Vorrichtung vergrößert. Ein großer Kühlkörper ist nö­ tig, um den sogenannten hochfrequenten Impulsbreitenmodula­ tions-Steuersystemen (PWM), gerecht zu werden, die neuer­ dings bevorzugt werden und eine hohe Schaltfrequenz (10 bis 20 kHZ) haben, um vom Wechselstrommotor erzeugte elektroma­ gnetische Störungen zu verringern. Solche Systeme erzeugen allerdings eine große Menge Wärme wegen des erheblich größeren Wärmeverlustes der Hauptschaltkreisbauelemente in der im Leistungsmodul 71 enthaltenen Gleichrichterschaltung im Vergleich zu denen einer herkömmlichen Gleichrichter­ schaltung, deren Schaltfrequenz nur einige kHZ beträgt.

Wegen der niedrigen Preise schnellschaltbarer Hauptschalt­ kreisbauelemente (z. B. IGBT) und der erhöhten Geschwindig­ keit des in der Steuerschaltung vorgesehenen Mikroprozes­ sors gibt es nur einen wesentlichen Grund für einen Unter­ schied in den Kosten und der Größe herkömmlicher Gleich­ richter mit einer Schaltfrequenz von einigen kHZ und den neuerdings benutzten hochfrequenten Gleichrichtern zur Im­ pulsbreitenmodulationssteuerung mit hoher Schaltfrequenz von 10 bis 20 kHZ, und das ist der Kühlkörper. Deshalb fin­ den Gleichrichter mit hochfrequenter PWM, bei denen das elektromagnetische Rauschen reduziert wird, allgemeine Ver­ wendung, obwohl sie im Vergleich zu den herkömmlichen Gleichrichtern mit einer Schaltfrequenz von nur wenigen kHZ größer sind. Allerdings besteht nach wie vor der Wunsch, die hochfrequenten PWM-Inversionsvorrichtungen kompakter zu machen.

Ein herkömmlicher Stromrichter der genannten Art hat ferner den Nachteil, daß er in einem Steuerkasten untergebracht werden muß. Die Abmessung in Tiefenrichtung des Kühlkör­ pers, das heißt in Richtung der Höhe der Vorrichtung in Fig. 7 muß vergrößert werden, weil es eine vorherbestimmte Größe für den Einbauraum gibt. Deshalb muß die Abmessung in Richtung der Tiefe im Inneren des Steuerkastens größer sein, und der Steuerkasten läßt sich nicht verkleinern.

Aus der DE 40 00 056 A1 ist eine Transistor-Wechselrichter­ anordnung in Brückenschaltung bekannt, welche modular in mehreren Ebenen aufgebaut ist und wobei zwischen den Ebenen vorhandene Verbindungsleitungen flexibel und steckbar ausge­ führt sind. Eine Grundplatte, die als Kühlkörper für auf ihr angeordnete Transistormodule wirkt, nimmt gleichzeitig eine Schutzschaltung auf. Über der Grundplatte befindet sich eine metallische Abschirmplatte, über der wiederum mittels Gewin­ debolzen weitere Platten zur Aufnahme von Schaltelementen an­ geordnet sind. Die metallischen Gewindebolzen müssen in ent­ sprechende Bohrungen der Platten eingefädelt und befestigt werden, wobei erforderliche Verbindungsleitungen handverdrah­ tet sind. Es handelt es sich bei der DE 40 00 056 also um eine Stapelanordnung mehrerer Platten, die mittels durchge­ hender Gewindestifte beabstandet verbunden sind.

Aus dem IGBT-Leistungsmodul nach der GB 2 238 167 A ist es bekannt, Treiberschaltungen über den eigentlichen Leistungs­ schaltelementen anzuordnen, wobei die Leistungsschaltelemente auf einen Kühlkörper montiert sind. Demnach sind auch dort Gewindestifte bzw. Abstandshalterungen zur Befestigung des Verdrahtungsträgers über den Leistungselementen notwendig.

Das DE-GM 19 24 826 betrifft eine Gleichrichteranordnung und umfaßt Tyristoren, die jeweils auf einer Kühlplatte mittels Abstandsbolzen und entsprechenden Isolierstoffröhrchen an ei­ ner Leiterplatte befestigt sind. Die Leiterplatte besitzt darüber hinaus Schaltelemente zum Ansteuern der Tyristoren. Auch dort ist also eine Stapelanordnung aus mehreren Ebenen bestehend aus Leiterplatten und Kühlplatten gegeben, die ei­ ner aufwendigen Montage mittels Abstandsbolzen und Isolier­ stoffröhrchen bedarf.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Stromrichter mit einem Gehäuse anzugeben, welcher kompakt aufgebaut ist und der eine effektive Montage der einzelnen Komponenten auf ko­ stengünstigem Wege ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen­ stand gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei der Unteranspruch mindestens eine zweckmäßige Ausgestaltung und Weiterbildung umfaßt.

Die Erfindung weist demnach ein Leistungsmodul auf, welches die ent­ sprechenden Hauptschaltkreis-Halbleitervorrichtungen einer Wechselrichterschaltung zum Umformen von eingegebenem Wech­ selstrom in Gleichstrom und einer Gleichrichterschaltung zum Umformen des Gleichstroms in Wechselstrom enthält. Der Kühlkörper und das Gehäuse für das Leistungsmodul haben die gleiche Querschnittsabmessung. Insbesondere hat sowohl der Kühlkörper, als auch das Gehäuse für das Leistungsmodul und die Hülle für den Gleichrichter zwei Paare paralleler Sei­ tenflächen, die so bemessen sind, daß sie Teil der Seiten­ wände der Gesamtvorrichtung sind. Der Kühlkörper, das Ge­ häuse und die Hülle sind mit entsprechenden Befestigungs­ mitteln so zusammengeschlossen, daß sie eine Umhüllung für den Gleichrichter bilden. Die Projektionsfläche des Kühl­ körpers auf eine Ebene, die von der Oberfläche definiert ist, an der der Kühlkörper mit dem Leistungsmodulgehäuse in Berührung tritt, sowie die Projektionsfläche der Hülle auf eine Ebene, die von der Oberfläche bestimmt ist, wo das Leistungsmodulgehäuse und die Gleichrichterhülle einander berühren, sind so gestaltet, daß sie beim Zusammenbau im wesentlichen gleich sind.

Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß in der Leiterplatte Führungslöcher und an dem Leistungsmodul Führungsvorsprünge zum Einführen in die Führungslöcher vorgesehen sind.

Außerdem ist in der Seitenfläche des Leistungsmoduls eine Kerbe gebildet, und ein auf der bloßliegenden Oberfläche des Kühlkörpers vorgesehener Erdanschluß ist in dieser Kerbe frei zugänglich.

Gemäß der Erfindung sind an der Kühloberflächenseite des Leistungsmoduls der Lagebestimmung dienende Löcher und Vorsprünge ausgebildet, und an der Oberfläche, an der der Kühlkörper mit dem Leistungsmodul in Berührung steht, sind Vorsprünge und Löcher zur Lagebestim­ mung in Ausrichtung mit den zuerst genannten vorgesehen.

Ein Leistungsmodul, welches mindestens die entsprechenden Haupt­ schaltkreis-Halbleitervorrichtungen einer Wechselrichter­ schaltung zum Umformen eines eingegebenen Wechselstroms in Gleichstrom und einer Gleichrichterschaltung zum Umformen des Gleichstroms in Wechselstrom aufweist, kann an einem Kühl­ körper angebracht und von diesem entfernt werden. Dabei kommt der Kühlkörper an der Kühlfläche des Leistungsmoduls zu sitzen. Ein Kühlkörper von höherer Kühlkapazität wird benutzt, wenn die Schaltfrequenz der Gleichrichterschaltung in der Vorrichtung einen vorherbestimmten Wert nicht unter­ schreitet, während ein Kühlkörper von geringerer Kühlkapa­ zität benutzt wird, wenn die Schaltfrequenz der Gleichrich­ terschaltung in der Vorrichtung geringer ist als der vor­ herbestimmte Wert.

Im folgenden ist die Erfindung anhand schematisch dargestellter Ausführungs­ beispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine auseinandergezogene, perspektivische Darstel­ lung eines Stromrichters, der einem ersten bis sechsten Ausführungsbeispiel ent­ spricht;

Fig. 2 ein allgemeines Schaltkreisdiagramm der Vorrich­ tung;

Fig. 3 eine Teilansicht eines gegenüber Fig. 1 abgewan­ delten siebten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4-6 entsprechende Ansichten von Ausführungsbeispie­ len 8-10;

Fig. 7 eine Anordnung einer herkömmlichen Stromumformer­ vorrichtung.

Zunächst soll unter Hinweis auf Fig. 1 ein bevorzugtes Aus­ führungsbeispiel beschrieben werden. In Fig. 1 ist eine Stromumformervorrichtung oder ein Stromrichter perspektivisch und auseinandergezogen zu sehen. Die Vorrichtung weist einen Kühlkörper 10 mit zwei Paaren paralleler Seitenwände auf sowie ein Leistungs­ modulgehäuse 11, welches gleichfalls zwei Paare paralleler Seitenwände hat. Das Leistungsmodulgehäuse 11 ist mittels Schrauben 12 bis 14 in enger Berührung mit dem Kühlkörper 10 gehalten, so daß eine Kühlfläche 15 des Leistungsmoduls mit dem Kühlkörper 10 Berührung steht. Die Grenzfläche zwi­ schen dem Kühlkörper und dem Gehäuse 11 ist im wesentlichen eben und die Projektion des Gehäuses und Moduls auf die Ebene fällt im wesentlichen zusammen. Mit der Oberseite des Leistungsmoduls 11 in Fig. 1 ist eine Leiterplatte 16 durch Lot oder dergleichen elektrisch verbunden und außerdem me­ chanisch mittels Schrauben 17, 18 so daran befestigt, daß es nicht zu Schwingungen kommt. Am Leistungsmodul 11 sind konische Führungsglieder 19 und 20 ausgebildet, die beim Verbinden der Leiterplatte 16 mit dem Leistungsmodul 11 als Führungen dienen. In den Seitenflächen des Leistungsmodul­ gehäuses 11 sind Aussparungen 21 vorgesehen. Ein aus Harz geformter Körper oder eine Hülle 22 schützt die Leiter­ platte 16 vor Staub, Schmutz, Fremdstoffen, Stößen usw. und verhindert, daß eine die Vorrichtung bedienende Person einen elektrischen Schlag erleidet. Die Hülle 22 hat auch zwei Paare paralleler Seiten, und an einer ebenen Zwischen­ fläche zwischen der Hülle 22 und dem Gehäuse 11 ist eine Projektion dieser beiden auf die Ebene im wesentlichen zu­ sammenfallend. Die Hülle 22 ist mit Haken 23 versehen, die eine Federwirkung haben und in die im Leistungsmodul 11 ausgebildeten Aussparungen 21 eingreifen, um das Leistungs­ modul 11 an der Hülle 22 genau passend zu halten. Das Lei­ stungsmodul 11 ist zwischen dem Kühlkörper 10 und der Hülle 22 exponiert, und die Projektionsfläche des Kühlkörpers 10 in Richtung der Ebene einer Oberfläche, wo der Kühlkörper 10 mit dem Leistungsmodul 11 in Berührung tritt, entspricht im wesentlichen der Projektionsfläche des Leistungsmoduls 11 in der gleichen Richtung sowie der der Hülle 22 in der gleichen Richtung. Wie Fig. 1 zeigt, gehört zu der Vorrich­ tung ferner ein Hauptschaltkreis-Anschlußblock 24, ein Steuerschaltkreis-Anschlußblock 25, Hauptschaltkreis-Trei­ ber- und Schutzschaltungen 26, ein Leistungsschaltkreis 27, ein Steuerschaltkreis 28, eine Anzeigeeinheit 29, eine Be­ triebseinheit 30, ein elektrolytischer Kondensator 31 für den Hauptschaltkreis sowie eine Abdeckung 32 für die Hülle 22. Für die Führungsglieder 19 und 20 sind in der Leiter­ platte 16 Führungslöcher 33 und 34 vorgesehen. Das Lei­ stungsmodul 11 ist mit der Leiterplatte 16 durch Stifte 35 verbunden. Diese Stifte 35 werden in Aufnahmelöchern 36 in der Leiterplatte 16 aufgenommen. Im Leistungsmodul 11 sind Lagebestimmungslöcher 57 ausgebildet, und am Kühlkörper 10 sind der Lagebestimmung dienende Vorsprünge 58 ausgebildet.

Die Anordnung der einzelnen Schaltkreise soll nunmehr unter Hinweis auf Fig. 1 und 2 beschrieben werden. Die Gleich­ richterschaltung, die den eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom umformt, weist Hauptschaltkreisbauelemente (beispielsweise Dioden) 41 auf, während die Wechselrichter­ schaltung, die den Gleichstrom in Wechselstrom umformt, Hauptschaltkreisbauelemente 42 (beispielsweise bipolare Transistoren, IGBT, MOSFET, GTO) hat, die allesamt im Lei­ stungsmodul 11 enthalten sind. Diese Hauptschaltkreisbau­ elemente 41, 42 sind durch Stifte, Lot oder dergleichen mit den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Anschlußblocks 24 an der Leiterplatte 16 elektrisch verbunden. Mit den Ein­ gangsanschlüssen ist eine Wechselstromquelle 43 gekoppelt, während mit den Ausgangsanschlüssen ein Wechselstrommotor 44 gekoppelt ist. Ferner sind die Hauptschaltkreisbauele­ mente 42 der Gleichrichterschaltung mit den Hauptschalt­ kreis-Treiber- und Schutzschaltungen 26 auf der Leiter­ platte 16 mittels Stiften, Lot oder dergleichen elektrisch verbunden, und die Treiber- und Schutzschaltungen 26 trei­ ben die Hauptschaltkreisbauelemente 42, gesteuert durch PWM-Signale von der Steuerschaltung 28, die aus einem Mikropro­ zessor und weiteren Komponenten auf der Leiterplatte 16 be­ steht.

Der auf der Leiterplatte 16 angebrachte Steuerschaltkreis-An­ schlußblock 25 hat eine Vielzahl von Steueranschlüssen, die mit der Steuerschaltung 28 verbunden sind, und diese Steueranschlüsse werden nach Bedarf mit einem Schalter, der die Vorwärts-Rückwärts-Umdrehung des Wechselstrommotors 44 umkehrt, einem Regelwiderstand zur stufenlosen Geschwindig­ keitsänderung und dergleichen gekoppelt. Die Anzeigeeinheit 29 ist auf der Leiterplatte 16 angebracht und mit der Steu­ erschaltung 28 verbunden, um die Geschwindigkeit und ähnli­ ches des Wechselstrommotors 44 anzuzeigen. Die Betriebsein­ heit 30 ist auch auf der Leiterplatte 16 angebracht und gleichfalls mit der Steuerschaltung 28 verbunden, damit solche Dinge wie das Anfahren, Anhalten und Ändern der Ge­ schwindigkeit des Wechselstrommotors 44 bewirkt werden kön­ nen. Der dem Hauptschaltkreis zugeordnete elektrolytische Kondensator 31 auf der Leiterplatte 16 ist zwischen die Wechselrichterschaltung und die Gleichrichterschaltung im Hauptschaltkreis geschaltet, und der Leistungsschaltkreis 27 verringert die Gleichspannung am elektrolytischen Kon­ densator 31 und lenkt die resultierende Spannung zu den Hauptschaltkreis-Treiber- und Schutzschaltungen 26, der Steuerschaltung 28 usw.

Es folgt eine Beschreibung der Arbeitsweise des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die Leiterplatte 16 enthält folgen­ des: den Leistungsschaltkreis 27, die Steuerschaltung 28, die Anzeigeeinheit 29, die Betriebseinheit 30, die An­ schlußblöcke 24, 25, die Treiber- und Schutzschaltungen 26 für die Hauptschaltkreisbauelemente, den elektrolytischen Kondensator 31 für den Hauptschaltkreis sowie weitere Bau­ elemente der Stromumformervorrichtung zum Steuern des Wech­ selstrommotors 44, damit dieser nach Wunsch arbeitet. Das Leistungsmodul 11 seinerseits umfaßt folgendes: die Haupt­ schaltkreisbauelemente 41, 42 der Gleichrichterschaltung, die den eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom umformt, und der Wechselrichterschaltung, die den Gleichstrom in Wechselstrom umformt. Das Leistungsmodul 11 ist mit der Leiterplatte 16 durch Lot oder dergleichen elektrisch ver­ bunden und arbeitet gesteuert durch Signale von der Trei­ berschaltung, die als Ergebnis von Operationen der Schal­ tungen auf der Leiterplatte 16 erzeugt werden, um die Hauptschaltkreisbauelemente ein/auszuschalten, damit der Wechselstrommotor 44 nach Wunsch angetrieben werden kann. Der Kühlkörper 10 ist durch die Schrauben 12 bis 14 in en­ ger Berührung mit der Kühlfläche des Leistungsmoduls 11 be­ festigt, um von den Hauptschaltkreisbauelementen im Lei­ stungsmodul 11 erzeugte Wärme abzuführen und die Temperatur des Leistungsmoduls 11 unter einen gegebenen Wert abzusen­ ken. In die Aussparungen 21 des Leistungsmoduls 11 passende Haken 23 werden von oben unter Federwirkung eingeschoben, um die Hülle 22 am Leistungsmodul 11 zu befestigen.

Wenn die Stromumformervorrichtung bzw. der Stromrichter einen Schaltkreis zum Ändern der Schaltfrequenz enthält, sollte vorzugsweise der Kühlkörper 10 austauschbar sein, da der Wärmeverlust der Hauptschaltkreisbauelemente 42 in der Gleichrichterschaltung von der Schaltfrequenz abhängt. Ist die Schaltfrequenz gering, kann der Kühlkörper 10 klein sein, weil die Hauptschaltkreisbauelemente 42 nur geringen Wärmeverlust haben; aber bei hoher Schaltfrequenz ist ein großer Kühlkörper 10 wegen des erhöhten Wärmeverlusts er­ forderlich. Gewöhnlich wird die Schaltfrequenz vom Herstel­ ler im normalen Versandzustand auf einen niedrigen Wert eingestellt, und dem Benutzer wird eine kompakte, billige Vorrichtung zur Stromumformung geliefert. Wenn aber das ma­ gnetische Rauschen des Wechselstrommotors reduziert werden soll, erhöht der Benutzer die Einstellung der Schaltfre­ quenz. Um die unter diesen Bedingungen erzeugte größere Wärmemenge auszugleichen, nimmt der Benutzer die Hülle 22 ab, löst die Schrauben 12 bis 14, baut den Kühlkörper 10 aus, setzt einen neuen, größeren Kühlkörper 10 von größerem Kühlungsvermögen ein, befestigt das Leistungsmodul 11 und den Kühlkörper 10 mit den Schrauben 12 bis 14 und setzt die Hülle 22 wieder auf. So kann der Benutzer die Vorrichtung ohne weiteres an die erforderlichen Betriebsbedingungen an­ passen.

In Fig. 1 ist die Leiterplatte für den Hauptschaltkreis am Leistungsmodulgehäuse 11 vorgesehen, um das Leistungsmodulgehäuse 11 und die Leiterplatte 16 auf kürzestem Wege zu verdrahten. Die Hauptschaltkreisbauelemente 41, 42 müssen wegen der hohen Schaltgeschwindigkeit mit äußerster Vorsicht angesteuert und geschützt werden. Der rasche Schaltvorgang führt näm­ lich zu einem hohen Stromwechselverhältnis, was wegen der Verdrahtungsinduktanz eine Rauschspannung hervorruft, die den Schaltkreis ausfallen läßt. Aus diesem Grund ist es erwünscht, die Treiber- und Schutzschaltungen 26 für die Hauptschaltkreisbauelemente 41, 42 in der Nähe der Letzte­ ren (16) anzuordnen.

Auf diesem Grund ist es in erster Linie erwünscht, die Treiber- und Schutzschaltungen 26 im Leistungsmodul 11 un­ terzubringen. Da aber die vom Leistungsmodul 11 erzeugte Wärme die Bauelemente 41, 42 belastet, ist die Leiterplatte 16 am Leistungsmodul 11 vorgesehen, um dieses auf kürzestem Wege mit der Leiterplatte zu verdrahten, damit die das Rau­ schen und die Wärmeerzeugung betreffenden Probleme vermie­ den werden können. Das herkömmlicherweise benutzte Epoxy­ harz, mit dem die Chipoberflächen des Leistungsmoduls 11 zum Schutz hart gemacht wurden, ist dann nicht nötig, wenn die Chipoberflächen von der Hauptschaltkreis-Leiterplatte 16 bedeckt sind, wie oben beschrieben. Dies hat viele Ko­ stenvorteile und erhöht die Zuverlässigkeit. Angesichts der Tatsache, daß Wärmeänderungen das Gehäuse, das Epoxyharz, die Chips, Verdrahtung usw. wegen der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten belasten, gewährleistet die Mög­ lichkeit, mit der Erfindung die Verwendung von Epoxy zu vermeiden, daß zuverlässige Verdrahtungsverbindungen selbst dann bestehen, wenn starke Temperaturzyklen vorkommen.

Gemäß Fig. 1 kann die Hülle 22 aus einem Harz geformt sein, wobei in der Seitenfläche ein Fenster 70 vorgesehen ist, das von einem lösbar am Fenster 70 angebrachten Abstands­ element 71, welches die Mitte des Fensters 70 überdeckt, in einen oberen Fensterbereich und einen unteren Fensterbe­ reich unterteilt ist. Aufgrund dieser Konstruktion kann die Verdrahtung vom Anschlußblock 25 durch den oberen Fenster­ bereich und die Verdrahtung vom Anschlußblock 24 durch den unteren Fensterbereich verlaufen.

Die Verdrahtungsarbeit an der Vorrichtung gemäß diesem Aus­ führungsbeispiel soll nunmehr beschrieben werden. Zunächst wird, wenn der Hauptschaltkreis verdrahtet wird, das Ab­ standselement 71 entfernt und die Verdrahtungsarbeit vorge­ nommen. Wenn anschließend der Steuerschaltkreis verdrahtet wird, wird das Abstandselement 71 eingesetzt und die Arbeit vorgenommen. Auf diese Weise kann die Verdrahtung für Hauptschaltkreis und Steuerschaltkreis ohne gegenseitige Störungen getrennt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Führungslöcher 33, 34 in den beiden diagonal einander gegenüberliegenden Ecken der Leiterplatte 16 vorgesehen, und die beiden Führungsvor­ sprünge 19, 20 zum Einsatz in die Führungslöcher 33, 34 be­ finden sich am Leistungsmodul 11. Vorzugsweise sind die Führungsvorsprünge 19, 20 verjüngt. Die Vielzahl Stifte 35 zum Verbinden der Hauptschaltkreisbauelemente 41, 42 mit der Leiterplatte 16 stehen aufrecht auf dem Leistungsmodul 11, die Aufnahmelöcher 36 für die Stifte 35 sind in der Leiterplatte 16 ausgebildet, und die oberen Enden der Füh­ rungsvorsprünge 19, 20 liegen höher als die der Stifte 35. Es können zwei oder mehr Kombinationen aus Führungslöchern 33, 34 und Führungsvorsprüngen 19, 20 vorgesehen sein, und deren Anzahl und Position kann nach Bedarf geändert werden.

Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel die Leiterplatte 16 ab­ gesenkt und auf dem Leistungsmodul 11 angebracht wird, wer­ den zunächst die Führungsvorsprünge 19, 20 in die Führungs­ löcher 33, 34 eingesetzt, wodurch die Leiterplatte 16 in genau die richtige Ladestellung gebracht wird, und wenn dann die Stifte 35 anschließend in die Aufnahmelöcher 36 geschoben werden, passen die gegenseitigen Stellungen genau zueinander, und die Stifte 35 gleiten glatt in die Aufnah­ melöcher 36. Es ist also leicht, die manuelle Anbringungs­ arbeit der Leiterplatte 16 von einem Arbeiter durchführen zu lassen, aber die Anbringung der Leiterplatte 16 kann auch automatisiert mit Hilfe eines Roboters oder derglei­ chen vorgenommen werden.

In Fig. 1 sind der Lagebestimmung dienende Löcher 57 an drei Stellen in der Unterseite des Leistungsmoduls 11 aus­ gebildet, und drei in diese Löcher 57 passende Vorsprünge 58 sind an der Oberseite des Kühlkörpers 10 vorgesehen. Die Anzahl der Kombinationen aus Löchern 57 und Vorsprüngen 58 zur Lagebestimmung kann zwei oder mehr sein, und diese An­ zahl und die Positionen können nach Bedarf geändert werden. Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Lagebestimmungslö­ cher 57 und die Lagebestimmungsvorsprünge 58 vorzugsweise so angeordnet sind, daß der Kühlkörper 10 nicht mit dem Leistungsmodul 11 zusammenpaßt, wenn sie sich um 180° in der Richtung unterscheiden.

Mit diesem Ausführungsbeispiel kann der Kühlkörper 10 mit dem Leistungsmodul 11 korrekt zusammengesetzt werden durch einfaches Einsetzen der Vorsprünge 58 in die entsprechenden Löcher 57, und jede zukünftige Verlagerung des Kühlkörpers 10 gegenüber dem Leistungsmodul 11 ist dadurch verhindert. Wenn also anschließend das Leistungsmodul 11 mittels der Schrauben 12 bis 14 am Kühlkörper 10 befestigt wird, be­ steht keine Wahrscheinlichkeit, daß die Löcher 60 mit In­ nengewinde im Kühlkörper 10 gegenüber Anbringungslöchern 61 im Leistungsmodul 11 versetzt sind, was die Befestigung weiter erleichtert. Das vorliegende Ausführungsbeispiel kann auch bei einer Inspektionsreihe von Leistungsmodulen 11 benutzt werden, bei der die Lagebestimmungslöcher 57 mit entsprechenden Vorsprüngen zusammengesetzt werden, die an einer hier nicht gezeigten, temporären Halteplatte vorgese­ hen sind, um eine Vielzahl von Leistungsmodulen 11 zwecks Inspektion auf dieser Halteplatte anzubringen. Da die Lei­ stungsmodule 11 immer in vorherbestimmter Stellung angeord­ net werden, kann auf diese Weise eine Prüfsonde von einem Roboter oder dergleichen bedient werden.

Ein weiteres Merkmal soll anhand von Fig. 3 beschrieben werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Hauptschaltkreis-Anschlußblock 24 unmittelbar am Leistungs­ modulgehäuse 11 vorgesehen, und die Hauptschaltkreisbauele­ mente 41, 42 sind mit diesem Anschlußblock 24 elektrisch verbunden. Beim ersten Ausführungsbeispiel hingegen war der Anschlußblock 24 auf der Leiterplatte 16 vorgesehen und mit den Hauptschaltkreisbauelementen 41, 42 über die Leiter­ platte 16 verbunden. Da der Anschlußblock 24 aber nur mit den Hauptschaltkreisbauelementen 41, 42 verbunden ist, brauchte die Verbindung nicht über die Leiterplatte 16 zu laufen. Deshalb wurde beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Anschlußblock 24 auf dem Leistungsmodul 11 angeordnet, wie vorstehend beschrieben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Verbin­ dungspunkte der Verdrahtung zwischen dem Hauptschaltkreis-An­ schlußblock 24 und den Hauptschaltkreisbauelementen 41, 42 verringert, wodurch die Zahl der Verfahrensschritte ab­ nimmt und der Wirkungsgrad entsprechend erhöht ist. Die Leiterplatte 16 kann außerdem kompakt gestaltet werden, da kein Aufnahmebereich für den Anschlußblock 24 erforderlich ist, so daß keine unnötigen Kosten verursacht werden und der Preis niedriger ausfallen kann.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in einem Teil der Seitenfläche des Leistungsmoduls 11, dem Haupt­ schaltkreis-Anschlußblock 24 benachbart, eine in Richtung der Ebene U-förmige Kerbe 50 ausgebildet. An der in der Kerbe 50 bloßliegenden Oberfläche 51 des Kühlkörpers 10 ist ein Erdanschluß 52 angeschraubt. Es sei jedoch darauf hin­ gewiesen, daß die Lage der Kerbe 50 in der Seitenwand des Leistungsmoduls 11 nach Bedarf veränderbar ist.

Wegen der Normen bei dieser Art von Stromumformervorrich­ tung muß der Erdanschluß 52 am Kühlkörper 10 vorgesehen sein. Beim herkömmlichen Stromrichter war deshalb der Erd­ anschluß 52 in einem Loch vorgesehen, welches in die Sei­ tenfläche des Kühlkörpers 10 gebohrt war. Wenn sich aber unmittelbar neben dem Kühlkörper 10 beispielsweise ein an­ derer Gegenstand befand, war es schwer, das Erdungskabel anzuschließen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Erd­ anschluß 52 am freiliegenden Oberflächenteil 51 des Kühl­ körpers 10 vorgesehen, das heißt, daß ein Teil der Ober­ seite des Kühlkörpers 10 immer sicherstellt, daß das Er­ dungskabel 53 leicht angeschlossen werden kann, selbst wenn am Umfang des Kühlkörpers 10 irgendein anderer Gegenstand vorhanden ist. Ferner macht es bei diesem Ausführungsbei­ spiel die Anordnung des Erdanschlusses 52 in der Nähe des Hauptschaltkreis-Anschlußblocks 24 leicht, die Verdrahtung von der Wechselstromquelle oder vom Wechselstrommotor zum Stromrichter mit dem Erdungskabel 53 in einer Einheit zu­ sammenzufassen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 gezeigt. Hier sind Aufnahmelöcher 54, in die Schrauben zum Anbringen des Stromrichters an einer Stütze eingesetzt werden, an drei stellen im unteren Umfang des Kühlkörpers 10 vorgesehen. Außerdem sind Kerben 55, 56, die in Richtung der Ebene U-förmig oder fächerförmig gestaltet sind und auf der Achsenverlängerung der Aufnahmelöcher liegen, in den Seitenflächen des Leistungsmoduls 11 und der Hülle 22 aus­ gebildet. Es sei erwähnt, daß der Ort, an dem die Kerben 55, 56 in den Seitenflächen des Leistungsmoduls 11 und der Hülle 22 gebildet werden, nach Bedarf geändert werden kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Schraubendreher, der zum Anziehen der Schrauben in die Aufnahmelöcher 44 eingesetzt wird, gleichfalls in die Kerben 55, 56 des Lei­ stungsmoduls 11 und der Hülle 22 eingeführt werden, wodurch die Schrauben ohne weiteres angezogen werden können, ohne daß das Werkzeug dazu geneigt werden muß. Es ist klar, daß zum Anziehen der Schrauben die Hülle 22 auch abgenommen werden kann, und in diesem Fall brauchen die Kerben 56 in der Hülle 22 nicht vorhanden zu sein.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Strom­ richter an einer Wandfläche 60 angebracht ist, die die Fä­ higkeit zum Kühlen hat (zum Beispiel an der Wandfläche ei­ nes Steuerkastens aus Metall). In diesem Fall wird die Hülle 22 abgebaut, die Schrauben 12 bis 14 gelöst und der Kühlkörper 10 entfernt, so daß die Kühlfläche 15 des Lei­ stungsmoduls 11 unmittelbar an der Wandfläche 60 befestigt wird. Hierdurch wird die vom Leistungsmodul 11 erzeugte Wärme in die Luft abgeleitet, und die Temperatur des Lei­ stungsmoduls 11 sinkt bis unterhalb eines bestimmten Werts. Wenn eine Vielzahl von Stromumformvorrichtungen an der Wandfläche 60 des Steuerkastens in der vorstehend beschrie­ benen Weise befestigt wird, bleibt bei diesem Ausführungs­ beispiel die erzeugte Wärme daran gehindert, den Steuerka­ sten zu füllen, so daß dessen Größe verringert werden kann. Außerdem erlaubt das vorliegende Ausführungsbeispiel, die Stromrichter ohne weiteres im Steuerkasten unterzubringen, so daß sie auch in aggressiver Umgebung benutzt werden kön­ nen.

Während bei allen vorhergehenden Ausführungsbeispielen der Stromrichter das Leistungsmodul 11 mit den Halbleitervor­ richtungen des Hauptschaltkreises versehen enthielt, kann das Leistungsmodul 11 auch mit Halbleitervorrichtungs-Trei­ ber- und Schutzschaltungen zusammengeschlossen werden, bei­ spielsweise in einem "intelligenten Leistungsmodul" (IPM) welches kürzlich auf den Markt kam. In diesem Fall können die Abmessungen verkleinert werden, was einen Vorteil bie­ tet. Ferner kann das Leistungsmodul 11 mit dem Leistungs­ schaltkreis, der Steuerschaltung, der Anzeigeschaltung, den Betriebsmitteln, Verdrahtungen und dergleichen zusammenge­ schaltet werden und bei dieser Anordnung die gleiche Wir­ kung hervorrufen.

Das Leistungsmodul und die Leiterplatte können auf kürze­ stem Weg verdrahtet sein, und die Hauptschaltkreisbauele­ mente des Leistungsmoduls brauchen keinen Härteschutz durch Epoxyharz oder dergleichen, was Vorteile hinsichtlich der Kosten und Zuverlässigkeit bietet.

Es sind also ein Stromrichter er­ halten, dessen Leiterplatte mindestens mit der Trei­ berschaltung und der Schutzschaltung für die Hauptschalt­ kreis-Halbleitervorrichtungen versehen ist, so daß diese Schaltkreise und die Hauptschaltkreisbauelemente des Lei­ stungsmoduls auf kürzestem Wege verdrahtet werden können, so daß sich eine Rauschminderung wegen der geringeren Ver­ drahtungsinduktivität ergibt.

Darüber hinaus ist die Anzahl der Verbindungspunkte in der Verdrahtung zwischen dem Anschlußblock und den Hauptschaltkreisbauelementen reduziert. Die Leiterplatte kann außer­ dem geringere Abmessungen haben, weil kein Aufnahmebereich für den Hauptschaltkreis-Anschlußblock erforderlich ist. Damit werden unnötige Kosten vermieden und der Preis für die Vorrichtung kann niedriger sein.

Gemäß den Ausführungsbeispielen ist ein Stromrichter ge­ schaffen, der mit Führungslöchern in der Leiterplatte und Führungsvorsprüngen am Leistungsmodul versehen ist, so daß die Leiterplatte beim Anbringen am Leistungsmodul exakt in eine normale Stellung geführt wird, was das Zusam­ mensetzen von Hand erleichtert, aber auch eine Automatisie­ rung dieser Arbeit mittels Roboter oder dergleichen ermög­ licht.

Im Kühlkörper sind Aufnahmelö­ cher für Befestigungsschrauben und in den Seitenflächen des Leistungsmoduls Kerben ausgebildet, so daß beim Anzie­ hen der Schrauben der dazu benutzte Schraubendreher nicht geneigt zu werden braucht.

Es wird ein Stromrichter geschaffen, bei dem der Lagebestimmung die­ nende Löcher oder Vorsprünge auf seiten der Kühlfläche des Leistungsmoduls ausgebildet sind und in diese Löcher oder Vorsprünge passende Vorsprünge oder Löcher auf seiten einer Oberfläche vorhanden sind, an der der Kühlkörper mit dem Leistungsmodul in Berührung tritt. Durch das Zusammenpassen der Löcher und Vorsprünge können Kühlkörper und Leistungs­ modul exakt zusammengebracht werden, und eine spätere Ver­ setzung des Kühlkörpers gegenüber dem Leistungsmodul ist verhindert.

Bei dem beschriebenen Stromrichter können eine Vielzahl von Kühlkörpern unterschiedlicher Kapazität am Leistungsmo­ dul angebracht und von diesem entfernt werden kann.

Wenn der Stromrichter in einem Steuerkasten enthalten ist, kann außerdem der Kühlkörper entfernt werden und der Strom­ richter an einer wärmeabsorbierenden Wandfläche des Steuer­ kastens statt am Kühlkörper befestigt werden. Hierdurch kann die Abmessung in Richtung der Tiefe des Steuerkastens im Vergleich zu dem Fall, daß er einen herkömmlichen Strom­ richter enthalten müßte, verkleinert werden. Dadurch wird ein großer Beitrag zur Verringerung der Abmessungen des Steuerkastens geleistet.

Es liegt auf der Hand, daß nicht nur bei Anordnung des Stromrichters im Steuerkasten, sondern auch bei direkter Anbringung desselben beispielsweise an einer Metallwand­ oberfläche der Wegfall des Kühlkörpers eine beträchtliche Größenminderung ermöglicht.

Claims (2)

1. Stromrichter mit einem Gehäuse, umfassend in mehreren übereinanderliegenden Ebenen angeordnete, auf Verdrahtungs­ trägern befindliche Steuer- und Leistungsschaltelemente sowie einen Kühlkörper zur Wärmeableitung, insbesondere der in den Leistungsschaltelementen erzeugten Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Leistungsmodul (11), das den Verdrahtungsträger für die Leistungsschaltelemente aufnimmt, vorhanden ist, wobei der Leistungsmodul (11) Seitenwände aufweist, welche einen Teil des Gehäuses bilden;
weiterhin das Leistungsmodul (11) konische Führungsstifte (19, 20) zum Zentrieren eines der darüber angeordneten Ver­ drahtungsträger (16) besitzt, die mit Bohrungen (33, 34) im betreffenden Verdrahtungsträger (16) zusammenwirken und im Leistungsmodul (11) Bohrungen (57) zum Lagefixieren des unter dem Leistungsmodul (11) auswechselbar angeordneten Kühl­ körpers (10) vorhanden sind, wobei die Bohrungen (57) im Leistungsmodul (11) der Aufnahme von konischen, am Kühlkörper befindlichen Führungs­ stiften (58) dienen,
und daß die Seitenwände des am Leistungsmodul (11) lösbar befestigten Gehäuses (22) sowie die Seitenwände des Kühl­ körpers (10) und des Leistungsmoduls (11) eine jeweils einheitliche, ebene Fläche bilden.

2. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem über dem Leistungsmodul (11) angeordneten Verdrahtungsträger (16) weitere Schaltungselemente, insbes. Kondensatoren (31), angeordnet sind, wobei mittels der Führungsstifte (19, 20) und der Bohrungen (33, 34) ein gerichtetes Zusammenführen von elektrischen Anschlußstiften (35) des Verdrahtungsträgers der Leistungsschaltelemente und Kontaktbohrungen (36) des Verdrahtungsträgers (16) für die weiteren Schaltungselemente zur Aufnahme der elektrischen Anschlußstifte (35) erfolgt.