DE4410956A1 - Drosselspule für eine Schaltungsanordnung, Wechselrichter mit einer solchen Drosselspule und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drosselspule für eine Schaltungs­ anordnung, insbesondere einen Wechselrichter, sowie ein Ver­ fahren zu ihrer Herstellung. Eine derartige Drosselspule dient als Filter in einem Wechselrichter.

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild mit einer Verbindungsanord­ nung eines herkömmlichen Wechselrichters. In Fig. 7 erkennt man eine Wechselstrom-Eingangsstromquelle 50, die über eine Wechselrichtereinheit 51 mit einem Motor 52 verbunden ist. In der Wechselrichtereinheit 51 sind folgende Baugruppen vorge­ sehen: Dioden 14 bis 19, um einen Wechselstrom in einen Gleichstrom gleichzurichten; ein Glättungskondensator 53; Schaltelemente 2 bis 7 zur Durchführung einer Impulsbreiten­ modulation des Gleichstromes; und Rückkopplungsdioden 8 bis 13, die antiparallel zu den Schaltelementen 2 bis 7 geschal­ tet sind, um den Strom zu richten. In der Schaltungsanordnung bezeichnen VUN, VVN und VWN die Potentiale von Ausgangslei­ tungen U, V und W, die gegenüber einem Punkt N mit stabilem Potential gemessen werden.

Fig. 8 zeigt in einem Diagramm die resultierenden Spannungs­ wellenformen, wenn die Schaltelemente 2 bis 7 der herkömmli­ chen Wechselrichtereinheit gemäß Fig. 7 arbeiten, wobei die Spannungswellenformen den Potentialen VUN, VVN und VWN in Fig. 7 entsprechen. Das Bezugszeichen 54 bezeichnet einen Punkt mit neutralem Potential der Ausgangsleitungen U, V und W und läßt sich ausdrücken durch die Beziehung

VC = (VUN + VVN + VWN) / 3.

Diese Anordnung stellt eine Quelle für Störungen dar. Bei­ spielsweise ist es so, daß im allgemeinen die Spannungsände­ rung dV/dt eine Störungen erzeugende Quelle ist, und die Spannungsänderung zwischen den Ausgangsleitungen U, V und W kann die Ursache für symmetrische Störspannungen oder Störun­ gen sein. Ferner kann eine Spannungsänderung an einer neutra­ len Stelle der Ausgangsleitungen U, V und W gegenüber dem Er­ dungspunkt E mit stabilem Potential oder den Gleichspannungs- Versorgungsschienen P, N usw. die Ursache für Gleichtaktstö­ rungen sein. Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Filter vorzusehen, das hauptsächlich gegenüber den Gleichtakt­ störungen wirksam ist.

Fig. 9 zeigt im Querschnitt einen Hauptschaltungsbereich ei­ ner herkömmlichen Wechselrichtereinheit. In Fig. 9 ist ein Hauptschaltungssubstrat 1 wirksam, um die Hauptschaltungsele­ mente zu tragen, beispielsweise die Schaltelemente 2 bis 7 und die Rückkopplungsdioden 8 bis 13. Kühlrippen 46 dienen dazu, die von den Hauptschaltungselementen 2 bis 13 erzeugte Wärme zu einem Ort zu transportieren, von dem eine Wärmeab­ führung durch Strahlung, Konvektion und dergleichen erfolgt. Eine Isolierschicht 59 ist als elektrische Isolierung zwi­ schen den Hauptschaltungselementen 2 bis 13 und den Kühlrip­ pen 46 vorgesehen.

Ferner weist die Wechselrichtereinheit einen kastenförmigen Körper 49 auf, und die Kühlrippen 46 sind an diesem kasten­ förmigen Körper befestigt, aber die Kühlrippen 46 und der ka­ stenförmige Körper 49 sind elektrisch miteinander verbunden.

Fig. 10 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Gleichtaktstörungen in der Hauptschaltung der herkömmlichen Wechselrichtereinheit gemäß Fig. 7. In Fig. 10 wird eine er­ ste Floatingkapazität 55 mit einem Wert Ci von der Isolier­ schicht 59 gebildet, die zwischen dem Hauptschaltungssubstrat 1 und den Kühlrippen 46 angeordnet ist. Eine zweite Floating­ kapazität 56 mit einem Wert Cc wird von der Ausgangsleitung gegenüber der Erde E gebildet. Eine dritte Floatingkapazität 57 mit einem Wert Cm wird zwischen dem Wicklungsdraht des Mo­ tors 52 und dem Chassis oder Rahmen gebildet, wobei der Rah­ men mit Erde E verbunden ist. Schließlich gibt es einen gleichphasigen Strom 58 mit einem Wert i0, der sich ausdrük­ ken läßt durch die Beziehung i0 = C×dV/dt.

Der Punkt N mit stabilem Potential und der neutrale Punkt P1 der Wechselstrom-Eingangsverdrahtung haben ein identisches Potential gegenüber der Trägerfrequenz der Impulsbreitenmodu­ lation. Eine Spannung 54 mit einem Wert Vc wird zwischen dem Punkt N mit stabilem Potential und dem neutralen Punkt P3 der Ausgangsleitungen U, V und W angelegt. Außerdem ist der Punkt P3 mit Erde E über die Floatingkapazität 56 mit dem Wert Cc und die Floatingkapazität 57 mit dem Wert Cm verbunden.

Die Isolierschicht 59 muß eine adäquate elektrische Isolie­ rung bei der Anordnung gemäß Fig. 9 liefern, aber sie muß auch eine wirksame Wärmeübertragung von den Hauptschaltungs­ elementen 2 bis 13 zu den Kühlrippen 46 in effizienter Weise ermöglichen. Typischerweise hat die Isolierschicht 59 eine dünne Wandstärke und eine große Fläche. Daher ist der Wert Ci der Floatingkapazität 55, die zwischen ihnen gebildet wird, sehr groß. Da der neutrale Punkt P2 der Hauptschaltungsele­ mente 2 bis 13 ein identisches Potential wie der neutrale Punkt P3 der Ausgangsleitungen U, V und W hat, wird eine Floatingkapazität 55 mit einem Wert Ci parallel zu der Span­ nung Vc gebildet, wie sich aus dem Ersatzschaltbild in Fig. 10 entnehmen läßt.

Da weiterhin der kastenförmige Körper 49 direkt den Potenti­ aländerungen der Hauptschaltungselemente 2 bis 13 unterworfen ist, und zwar über die Floatingkapazität 55 mit dem Wert Ci, besteht die Gefahr eines elektrischen Schlages, wenn eine Person den kastenförmigen Körper 49 berührt. Aus diesem Grunde ist das Gehäuse bzw. der kastenförmige Körper 49 aus Sicherheitsgründen mit Erde E verbunden, wie sich aus dem Er­ satzschaltbild in Fig. 10 entnehmen läßt.

Da die gleichphasige Spannung 54 mit dem Wert Vc an die Floatingkapazitäten 55 mit dem Wert Ci, 56 mit dem Wert Cc und 57 mit dem Wert Cm angelegt wird, wie es Fig. 10 zeigt, so fließt der gleichphasige Strom 58 mit dem Wert i0 durch die Stromversorgungsdrähte, wobei sich dieser Strom i0 aus­ drücken läßt als i0 = C×dV/dt. Dieser Strom führt zu Gleichtaktstörungen, aber er kann auch insofern unerwünschte Wirkungen haben, als er als Eingangssignal auf einen Sensor für gleichphasigen Strom (Strom mit einer Phase Null) wirkt, nämlich einen Leckstromunterbrecher, der aktiviert werden kann, obwohl kein Erdungsfehler verursacht worden ist.

Um einen derartigen gleichphasigen Strom 58 mit dem Wert i0 zu verringern, besteht ein Ansatz darin, das C in der Glei­ chung i0 = C×dV/dt zu reduzieren, während der andere Ansatz darin besteht, den Faktor der Spannungsänderung, also dV/dt zu verringern.

Das Verfahren zur Verringerung der Spannungsänderung dV/dt wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 11 erläutert, die ein gleichphasiges Filter zur Glättung der Änderung der gleichphasigen Spannung 54 mit dem Wert Vc sowie das entspre­ chende Schaltungsdiagramm zeigt. Das Bezugszeichen 60 be­ zeichnet eine gleichphasige Drossel, wobei drei Ausgangslei­ tungen in derselben Richtung um einen einzigen Kern gewickelt sind. Nur eine von Null verschiedene Komponente der Gesamt­ heit der drei Ströme wird auf das Filter bzw. die Drossel wirken. Die Bezugszeichen 62 bis 64 bezeichnen Kondensatoren, die direkt mit der Spannungsversorgungsschiene N verbunden sind. Das Bezugszeichen 61 bezeichnet eine Spannungs-Klemm­ diodenanordnung zum Festklemmen der Resonanzspannung bei der Resonanzfrequenz der gleichphasigen Drossel 60 und der Kon­ densatoren 62 bis 64 auf die Gleichspannung VDC der Gleich­ spannungs-Versorgungsschienen P und N.

Fig. 12 zeigt ein Ersatzschaltbild des gleichphasigen Fil­ ters. In Fig. 12 sind eine gleichphasige Drossel 65 mit einem Wert LF und ein Kondensator 66 mit einem Wert CF als Filter in dem Ersatzschaltbild geschaltet. Genauer gesagt, im Be­ trieb wirkt dieses Filter auf die gleichphasige Spannung 54 mit dem Wert Vc dieser Stufe, und der Strom 58 mit dem Wert i0 wird verringert durch Glättung der Potentialänderung der gleichphasigen Spannung, die auf die Ausgangsleitungen aufge­ prägt wird, wie man im Zusammenhang mit den Floatingkapazitä­ ten 56 mit dem Wert Cc und 57 mit dem Wert Cm erkennt.

In diesem Falle wirkt das Ausgangssignal des gleichphasigen Filters auf den neutralen Punkt der Ausgangsleitungen U, V und W und wirkt nicht auf den neutralen Punkt P2 der Haupt­ schaltungselemente, nämlich auf das Potential des Hauptschal­ tungssubstrats 1 gemäß Fig. 10. Dementsprechend wird der der Floatingkapazität 55 mit dem Wert Ci zuzuschreibende Strom 58 mit dem Wert i0 nicht verringert, wie sich aus dem Ersatz­ schaltbild in Fig. 12 ergibt.

Fig. 13 zeigt ein Blockschaltbild, bei dem ein Differential­ filter verwendet wird, um die Differentialspannungsänderung der Ausgangsleitungen U, V und W zu glätten. In dieser Fig. 13 sind Differentialdrosseln 70 bis 72 und Kondensatoren 73 bis 75 miteinander kombiniert, um ein LC-Filter zu bilden.

Fig. 14 zeigt die Verdrahtung eines Wechselrichter-Haupt­ schaltungsbereiches, der mit einem gleichphasigen Filter ge­ mäß Fig. 11 ausgerüstet ist. Die Ausgangsleitungen U, V und W kommen aus dem Hauptschaltungssubstrat 1 heraus, in welches die Hauptschaltungselemente 2 bis 13 eingebaut sind, und sie sind mit den Wechselrichterausgängen über die Kondensatoren 62 bis 64 und die Spannungs-Klemmdiodenanordnung 61 sowie die gleichphasige Drossel 60 verbunden. Außerdem sind beide Enden der Spannungs-Klemmdiodenanordnung 61 mit dem Glättungskon­ densator 53 verbunden.

Fig. 15 zeigt ein Ersatzschaltbild auf der Basis der Verdrah­ tungsanordnung gemäß Fig. 14. Wie in diesen beiden Figuren dargestellt, gibt es eine Leitungsinduktivität 76 mit einem Wert L1 in einem Normalbetrieb, der dann größer wird, wenn die Verdrahtung länger wird und sich von den Kondensatoren 62 bis 64 über die gleichphasige Drossel 60 von dem Hauptschal­ tungssubstrat 1 ausdehnt. Es gibt außerdem eine Leitungsin­ duktivität 78 mit einem Wert L2, der größer wird, wenn die Verdrahtung länger wird, und zwar von der Spannungs-Klemm­ diodenanordnung 61 zu dem Glättungskondensator 53.

Fig. 16b zeigt die Wirkung auf eine gleichphasige Spannung VUV in Fig. 16a für den Fall, daß eine Leitungsinduktivität 76 mit einem Wert L1 gemäß Fig. 15 vorhanden ist.

Andererseits zeigen die Fig. 17a und 17b Spannungswellenfor­ men über der Spannungs-Klemmdiodenanordnung 61 in zwei ver­ schiedenen Fällen, in denen eine Leitungsinduktivität 78 mit einem Wert L2 vorhanden ist. In einem ersten Falle, in dem die Verdrahtung gemäß Fig. 14 kurz ist, ist der Wert L2 der Leitungsinduktivität 76 klein, und der Wert L0 der gleichpha­ sigen Drossel 60 ist ausreichend, so daß die Spannung auf der Leitung kaum Resonanz mit den Kondensatoren 62 bis 64 zeigt. Im Ergebnis erhält man eine gewünschte Spannung, die sich stufenweise ändert, wie es in Fig. 17a dargestellt ist, und die in wirksamer Weise den Motor steuert. Wenn andererseits die Verdrahtung lang ist, so ist der Wert L2 der Leitungsin­ duktivität 76 hoch, so daß die Spannung V0 über der Span­ nungs-Klemmdiodenanordnung 61 eine Wellenform hat, die in Fig. 17b dargestellt ist, mit der Folge, daß nicht die ge­ wünschte Spannung an den Motor 52 angelegt wird.

Wenn weiterhin die Leitungsinduktivität 78 mit einem Wert L2 vorhanden ist, so übersteigt die Resonanzspannung die Gleich­ spannung VDC, wie es in Fig. 17b dargestellt ist. Infolgedes­ sen wird das Festklemmen der Spannung auf der Leitung auf die Gleichspannung VDC ineffektiv, der Spitzenwert der Spannung auf der Leitung überschreitet die Gleichspannung VDC und überschreitet auch den Spannungsschwellwert für den Durch­ bruch der Diode.

Fig. 18 zeigt den Fall der Verwendung einer Drossel 79 in dem anderen Bereich der Wechselrichtereinheit. Die Drossel 79 dient dazu, den Leistungsfaktor zu verbessern, und sie ist zwischen den Gleichrichterdioden 14 bis 19 und dem Glättungs­ kondensator 53 eingesetzt, um die Eingangsstromwellenform des Wechselstromes zu glätten.

Fig. 19 zeigt eine herkömmliche gleichphasige Drossel 60 und ihre Anordnung bzw. Montage. In Fig. 19 weisen die Drossel­ komponenten einen Kern 42, eine Wicklung 45, die aus drei Phasen aufgebaut ist, und ein Gehäuse 80 auf, um den Kern 42 gegenüber der Wicklung 45 zu schützen. Der Kern 42 ist außen von dem Gehäuse 80 umschlossen, und seine Außenseite ist mit einem Wicklungsdraht 45 gewickelt bei der Fertigstellung ei­ ner gleichphasigen Drossel 60.

Wenn die gleichphasige Drossel 60 aus einer einzigen großen Spule hergestellt wird, wird die Spule in einer Vielzahl von Schichten bzw. Lagen gewickelt, und es gibt eine Floatingka­ pazität zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Wenn daher der Strom eine hohe Frequenz hat, nimmt der Reaktanzwert ab, und die Drossel wirkt nicht in effektiver Weise. Wenn weiterhin die Drossel mit einer Vielzahl von Wicklungen gewickelt ist, so erzeugt der Wicklungsdraht Wärme wegen des von dem Kupfer erzeugten Widerstandes. Da sie außerdem bei einer hohen Fre­ quenz arbeitet, wird von dem Eisen in dem Kern ein Widerstand gebildet, und die Kerntemperatur steigt an wegen der schlech­ ten Wärmeabstrahlung, da der Kern von dem Wicklungsdraht um­ wickelt ist. Der Reaktanzwert des Kernes nimmt durch den Tem­ peraturanstieg des Kernes ab, so daß mit hoher Wahrschein­ lichkeit eine magnetische Sättigung hervorgerufen wird. Als Gegenmaßnahme muß daher der Kern größer gemacht werden, was dazu führt, daß sowohl die Kosten als auch der Raumbedarf an­ steigen.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß eine herkömmliche Drossel mit dem Aufbau der oben beschriebenen Art die folgen­ den Probleme mit sich bringt. Zunächst einmal gilt, wenn eine einzige große Spule mit einer Vielzahl von Wicklungen gewik­ kelt wird, so entsteht eine Floatingkapazität auf der Leitung in den überlappenden Bereichen, was dazu führt, daß die Ein­ richtung nicht als Drossel arbeitet, wenn eine hohe Frequenz angelegt wird.

Wenn die Drossel mit einem herkömmlichen Verfahren herge­ stellt wird, so besteht die Tendenz, daß sich Wärme in ihrem Inneren ansammelt, die nicht nur zu einer Abnahme des Reak­ tanzwertes führt, sondern auch die Tendenz unterstützt, daß eine magnetische Sättigung hervorgerufen wird.

Weiterhin treten bei einer herkömmlichen Wechselrichterein­ heit zahlreiche Probleme auf, wenn die Baugruppe mit einer herkömmlichen Drossel ausgerüstet ist, wie es vorstehend im einzelnen beschrieben ist.

Die Drossel hat eine beträchtliche Dicke, und dies verhin­ dert, daß sie auf dem Hauptschaltungssubstrat montiert werden kann, mit der Folge, daß sie separat installiert werden muß. Infolgedessen wird die Verdrahtung von der Spannungs-Klemm­ diodenanordnung zu dem Glättungskondensator länger. Infolge­ dessen erhöhen sich die Spannungen an den beiden Enden der Spannungs-Klemmdiodenanordnung, die Leitungsspannung kann nicht auf die Gleichspannung der Gleichspannungs-Versorgungs­ schiene geklemmt werden, und diese Spannung wird die Schwell­ wertspannung der Klemmdiodenanordnung überschreiten und zu einem Fehlverhalten führen.

Da die Drossel aus diesem Grunde nicht direkt auf der Ober­ fläche des Hauptschaltungssubstrats montiert werden kann und separat eingebaut werden muß, ergibt sich eine Leck-Reaktanz aufgrund einer langen Verdrahtung in der gleichphasigen Fil­ terschaltung, und die gewünschte Spannung kann nicht erhalten werden, weil sich eine Resonanz bei der Spannung einstellt.

Die ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 3-135 371 und die ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 3-135 373 zeigen, wie eine Drossel mit kompakteren und kleineren Abmessungen ausgebildet werden kann, die sich auf demselben Substrat montieren läßt. Die dort angegebenen Maß­ nahmen sind jedoch nicht ausreichend, um eine Drossel anzuge­ ben, die wirklich hinreichend kompakt und klein in ihren Ab­ messungen ist und die außerdem bei hohen Leitungsspannungen verwendet werden kann, beispielsweise im Bereich von 600 Volt, wie es für die Verwendung in einer Wechselrichterein­ heit erforderlich ist.

Eine Drossel gemäß der Erfindung weist ein isolierendes Sub­ strat in Form einer gedruckten Schaltungsplatte auf. Bei dem Verfahren zur Herstellung der Drossel wird ein Leitungsmuster auf der Platte mit einem leitenden Film gebildet, wobei das Muster eine Vielzahl von Streifen aufweist, die mit Zwischen­ räumen zwischen einander auf der Platte angeordnet sind. Eine Isolierschicht ist über den Streifen vorgesehen, und ein Ei­ senkern in der Form eines Ringes ist über den mit Isolierun­ gen beschichteten Streifen angeordnet. Drähte sind zwischen den Enden der Streifen angeschlossen, so daß sie über den Ring des Eisenkernes hinübergehen, und zwar von Positionen innerhalb des Ringes zu Positionen außerhalb des Ringes.

Bei der Herstellung der gewickelten Spule können die Drähte mit Kontaktflecken verbunden werden, die auf einem Anschluß­ flächenbereich der streifenförmigen Muster vorgesehen sind.

Eine gleichphasige Drossel gemäß der Erfindung kann eine Spule aus streifenförmigen Mustern und Drähte aufweisen, die um einen ringförmigen Eisenkern gewickelt sind, wobei die Wicklung für eine Vielzahl von Phasenbereichen vorgesehen ist und in derselben Richtung für alle Phasen geführt ist, so daß die Drossel nur gegen eine gleichphasige Spannung aktiv wer­ den kann.

Eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung weist eine Wechselrichtereinheit mit einer Vielzahl von Schaltelementen auf, die dazu dienen, die Zuführung von Strom für eine Gleichstromquelle zu erhalten und den Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln, wobei ein gleichphasiges Filter einschließlich einer gleichphasigen Drossel mit dem Aufbau der oben beschriebenen Art eingebaut ist, und zwar auf der Ausgangsseite der Schaltelemente auf dem metallischen Sub­ strat, um eine Vielzahl der Schaltelemente zu laden.

Schließlich wird bei der Drossel gemäß der Erfindung der ringförmige Eisenkern in der Nähe einer Vielzahl von strei­ fenförmigen Mustern einer metallischen gedruckten Leiter­ platte mit guter thermischer Leitfähigkeit angeordnet sein.

Die Erfindung führt zu sehr geringen Floatingkapazitäten, und die Drosseln können auch dann wirksam arbeiten, wenn die Stromquelle eine hohe Frequenz hat. Da außerdem die Wärme des Drahtes von der metallischen gedruckten Leiterplatte abge­ strahlt wird und die Wärme somit nicht in ihrem Inneren ge­ speichert wird, erfolgt eine wesentlich kleinere Reduzierung des Reaktanzwertes, so daß auch die Gefahr der magnetischen Sättigung minimiert wird.

Gemäß der Erfindung wird weiterhin eine Wechselrichtereinheit angegeben, die aus einer Vielzahl von Schaltelementen be­ steht, die dazu dienen, die Zuführung von Strom von einer Gleichstromquelle zu erhalten und den Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln, wobei ein gleichphasiges Filter, einschließlich der gleichphasigen Drossel mit dem oben be­ schriebenen Aufbau auf der Ausgangsseite der Schaltelemente installiert ist, und zwar auf der metallischen gedruckten Leiterplatte, um eine Vielzahl von Schaltelementen unterzu­ bringen. Infolgedessen kann die Verdrahtungslänge kürzer ge­ macht werden, und bei der Leitungsspannung tritt keine Reso­ nanz durch eine Streureaktanz auf; weiterhin kann die Ver­ drahtungslänge von einer Klemmdiodenanordnung zu einem Glät­ tungskondensator verkürzt werden.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1(a) und 1(b) eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung zum Vergleich der Drossel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer herkömmlichen Drossel;

Fig. 3(a) und 3(b) eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer Drossel gemäß einer anderen bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 4(a) und 4(b) eine Draufsicht sowie ein Ersatzschaltbild von ei­ nem Hauptschaltungssubstrat einer Wechselrich­ tereinheit, die eine Drossel gemäß der Erfindung verwendet;

Fig. 5(a) und 5(b) eine vergleichende Darstellung zur Erläuterung von Floatingkapazitäten bei einer Drossel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform und einer herkömmlichen Drossel;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei die Drossel auf dem Hauptschaltungssubstrat montiert ist;

Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer herkömm­ lichen Wechselrichtereinheit mit ihrer Schaltungs­ anordnung;

Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung von Spannungswel­ lenformen beim Schalten einer herkömmlichen Wech­ selrichtereinheit;

Fig. 9 einen Querschnitt eines Hauptschaltungsbereiches, der bei einer herkömmlichen Wechselrichtereinheit verwendet wird;

Fig. 10 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung eines Kanals bei Gleichtaktstörungen in einer herkömmlichen Wechselrichtereinheit;

Fig. 11 ein gleichphasiges Filter zum Glätten von Änderun­ gen der gleichphasigen Spannung mit ihrer Schal­ tungsanordnung;

Fig. 12 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung eines Kanals bei Gleichtaktstörungen in dem Wechselrichter mit einem gleichphasigen Filter;

Fig. 13 ein Blockschaltbild unter Verwendung eines Diffe­ rentialfilters;

Fig. 14 eine Verdrahtungsanordnung eines Hauptschaltungsbe­ reiches eines Wechselrichters, der mit einem her­ kömmlichen gleichphasigen Filter ausgerüstet ist;

Fig. 15 ein Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 14;

Fig. 16(a) und 16(b) Spannungswellenformen, die bei der Anordnung gemäß Fig. 15 auftreten;

Fig. 17(a) und 17(b) weitere Spannungswellenformen, die bei einer Anord­ nung gemäß Fig. 15 auftreten;

Fig. 18 ein Schaltbild zur Erläuterung eines anderen Berei­ ches einer Wechselrichtereinheit, bei dem die Er­ findung Anwendung finden kann; und

Fig. 19 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Montage einer herkömmlichen Drossel.

Im folgenden wird zunächst auf die Fig. 1(a) und 1(b) Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel des Aufbaus einer Dros­ sel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigen. Fig. 1(a) ist dabei eine Draufsicht auf eine derar­ tige Drossel, während Fig. 1(b) einen Querschnitt durch eine solche Drossel längs der Linie A-A in Fig. 1(a) zeigt.

In diesen beiden Figuren erkennt man ein isolierendes Sub­ strat 110, beispielsweise eine metallische gedruckte Leiter­ platte, die gebildet wird von einer Isolierschicht auf einem metallischen Substrat mit guter Wärmeleitfähigkeit. Ein Lei­ tungs- oder Verdrahtungsmuster 111 wird mit einer leitenden Schicht auf dem isolierenden Substrat 110 gebildet, und ein ringförmiger Kern, der mit einem isolierenden Material 112 beschichtet ist, wird auf dem Muster angeordnet. Drähte 113 (als Teile der Phasen U, V und W) stellen Verbindungen über den Kern her. Ein isolierendes Material 114, beispielsweise ein Unterresist-Isoliermaterial, ist zwischen dem ringförmi­ gen Kern 112 und dem Muster 111 eingefügt.

Die Drossel gemäß der Erfindung ist auf einem isolierenden Substrat 110 ausgebildet. Die Vielzahl von streifenförmigen Mustern 111 ist auf dem isolierenden Substrat 110 derart an­ geordnet, daß sie zwischen einander einen ausreichenden Ab­ stand auf dem isolierenden Substrat 110 haben und sich unter dem ringförmigen Kern 112 kreuzen. Drähte 113 werden verwen­ det, um ein erstes von streifenförmigen Mustern 111 mit einem anderen von streifenförmigen Mustern 111 - das von dem ersten streifenförmigen Muster durch andere Teile von streifenförmi­ gen Mustern getrennt ist - zu verbinden, wobei hier zwei Streifen für eine drei-phasige Anordnung vorgesehen sind.

Der Kern 112 ist auf dem isolierenden Substrat 110 unter Zwi­ schenschaltung von isolierendem Material 114 angeordnet, wel­ ches den Kern 112 von der Vielzahl von streifenförmigen Mu­ stern 111 auf dem isolierenden Substrat 110 trennt. Das Ende von jedem streifenförmigen Muster 111 innerhalb des ringför­ migen Kernes 112 ist mit dem einen Ende eines Drahtes 113 in jeder Phase bei einer drei-phasigen Anordnung verbunden. Die Länge des Drahtes 113 ist so ausgelegt, daß sie über den Kern 112 hinübergeführt ist und ihn sozusagen übersteigt, und das andere Ende des Drahtes 113 ist mit einem anderen streifen­ förmigen Muster 111 außerhalb des ringförmigen Kernes 112 verbunden. Somit erfolgt die Wicklung einer Spule, die aus den streifenförmigen Mustern 111 und den Drähten 113 um den ringförmigen Kern 112 besteht, dadurch, daß diese Verbindun­ gen und Anordnungen in wiederholter Weise durchgeführt wer­ den.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung zum Vergleich einer erfindungs­ gemäßen Spule und einer herkömmlichen Spule. Bei der erfin­ dungsgemäßen Spule kann der Draht 113 in seiner Länge pro Stück kürzer gemacht werden, so daß er keine Umhüllung zu ha­ ben braucht, und sein Außendurchmesser kann in der Größenord­ nung von 0,3 mm liegen. Ferner kann das Muster 111 in der Größenordnung von 0,5 mm liegen, da es für ein metallisches Substrat verwendet wird. Außerdem ist der erforderliche Iso­ lierabstand für eine Betriebsspannung von 600 Volt, die für den Betrieb einer Wechselrichtereinheit erforderlich ist, in der Größenordnung von 1 mm zwischen den Drähten 113 ausrei­ chen, und ein Silikongel usw. wird verwendet, um den Bereich des Drahtes abzudichten. In der Tat kann ein Isolierabstand in der Größenordnung von 0,8 mm ausreichend sein, wenn das Muster 111 beschichtet ist.

Nimmt man an, daß eine Anzahl von "n" Wicklungen vorhanden ist und daß die Magnetpfadlänge den Wert l hat, dann läßt sich die Induktivität L einer Spule durch die folgende Bezie­ hung ausdrücken: L ∞ 2/l.

Aus dieser Beziehung ergibt sich, daß dann, wenn die Magnet­ pfadlänge l kürzer wird, die Induktivität L größer werden kann. Infolgedessen kann die Induktivität L in effizienterer Weise hergestellt werden, wenn der Wicklungsgrad in möglichst vielen Windungen "n" um einen kleineren Kern gewickelt wird, also einen Kern mit kleinerer Fensterquerschnittsfläche.

Die Fensterquerschnittsfläche ist bei einem herkömmlichen Kern größer, weil ein ummantelter Draht mit einem dickeren Durchmesser verwendet wird. Somit ist ein solcher Kern inef­ fizient, weil der Wicklungsdraht in vielen Wicklungen auf einen Kern gewickelt werden muß, der eine lange Magnetpfad­ länge besitzt. Um eine Betriebsspannung von 600 Volt bei 5 Ampère in einer herkömmlichen Spule zu erreichen, ist ein Kern mit einem Außendurchmesser von 2,2 mm erforderlich, wo­ bei ein elektrisch leitender Draht vom Typ AWG 26 mit einer wärmebeschichteten Vinylumhüllung verwendet wird.

Da weiterhin bei der herkömmlichen Spule die Schwierigkeit besteht, die Wärme nach außen abzustrahlen, da der Kernwik­ keldraht dicker wird und da die erforderliche Isolierung von dem Vinylmaterial geliefert wird, wird auch die Drahtumhül­ lung dicker. Außerdem tritt bei einer dickeren Umhüllung manchmal das weitere Problem auf, daß ihre Fähigkeit der Wär­ meabstrahlung schlechter wird und der Kernwickeldraht daher noch dicker gemacht werden muß.

Während sich die vorstehenden Erläuterungen auf die Herstel­ lung einer gleichphasigen Spule mit der Wicklung für drei Phasen der Spule beziehen, so daß die Phasen U, V und W vor­ handen sind, kann die Erfindung selbstverständlich auch An­ wendung finden für ein einphasiges Bauteil für die Verwendung bei einer einzigen Phase.

Bei der ersten, vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist ein Isoliermaterial zwischen dem Muster 111 und dem Kern 112 vorgesehen, aber es ist klar, daß gemäß der Erfindung auch ein Kern verwendet werden kann, der mit einem Isoliermaterial beschichtet ist.

Die Fig. 3(a) und 3(b) zeigen ein Beispiel zur Herstellung einer Drossel gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In diesen beiden Figuren ist die Herstellung einer Drosselspule auf einem isolierenden Substrat 110 in ähnlicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform darge­ stellt, aber hierbei sind außerdem ein oder mehrere Kontakt­ flecken zwischen dem Muster 111 und den Drähten 113 auf dem isolierenden Substrat 110 gemäß Fig. 1 vorgesehen.

Während bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungs­ formen eine metallische gedruckte Leiterplatte verwendet wird, bei der ein isolierendes Substrat 110 mit einer isolie­ renden Schicht auf einem metallischen Substrat ausgebildet wird, die eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, kann die gleiche Wirkung auch erzielt werden, wenn man eine DBC Platte verwendet (Direct Bonding Capper).

Die Fig. 4(a) zeigt eine Draufsicht einer gedruckten Leiter­ platte für die Hauptschaltung bei einer anderen Ausführungs­ form gemäß der Erfindung; dies entspricht dem Schaltbild in Fig. 14. In Fig. 4(a) sind gleichphasige Drosseln 20 und 21 vorgesehen, welche der Drossel 60 in Fig. 14 entsprechen, und die beiden Komponenten sind für diesen Aufbau in Reihe ge­ schaltet. Die Bezugszeichen 22 bis 27 bezeichnen Dioden, wel­ che der Diodenanordnung 61 in Fig. 14 entsprechen.

Die Kondensatoren 28 bis 30 entsprechen den Kondensatoren 62 bis 64 in Fig. 14. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet Kontakt­ flächen zum Verbinden eines Drahtes mit dem Kontaktflecken, und das Bezugszeichen 32 bezeichnet Drähte, während das Be­ zugszeichen 33 ein Muster auf dem Hauptschaltungssubstrat 1 bezeichnet. Die Wicklung der Drossel gemäß der Erfindung wird gebildet von dünnen Drähten 32 und den Mustern 33, wobei die Anzahl von Windungen vergrößert werden kann, auch wenn ein kleiner Kern verwendet wird, und die Drossel kann in effizi­ enter Weise hergestellt werden. Das Ersatzschaltbild hierzu ist in Fig. 4(b) dargestellt.

Die Fig. 5(a) und 5(b) erläutern die Drossel und die Floatingkapazität, wobei Fig. 5(a) den Fall einer einzelnen Drossel 34 und einer einzelnen Floatingkapazität 35 beim Stand der Technik zeigt, während Fig. 5(b) den Fall von zwei Spulen 36 und 38 mit dazugehörigen Kapazitäten 37 und 39 ge­ mäß der Erfindung darstellt.

Da die erfindungsgemäße Drossel kleine Kerne verwendet, wer­ den bei dieser Spule zwei Kerne in Reihenschaltung verwendet, im Gegensatz zu dem Fall des einen Kernes bei der herkömmli­ chen Bauform, aber die Leitungskapazität wird halb so groß wegen der Reihenschaltung gemäß Fig. 5(b). Wegen dieser Rei­ henschaltungsverbindung kann die Hochfrequenzcharakteristik im Vergleich zum Stand der Technik verbessert werden.

Da weiterhin die Verdrahtung für die Hauptschaltungselemente, Drosseln usw. verkürzt werden kann, können auch die Streu­ reaktanzen 76 und 78 mit den Werten L1 und L2 usw. gemäß Fig. 10 verringert werden, so daß ein Filter mit besseren Eigen­ schaften hergestellt werden kann.

Während vorstehend eine bevorzugte Ausführungsform unter Ver­ wendung der Drossel gemäß der Erfindung als gleichphasige Drossel erläutert worden ist, kann auch eine den Leistungs­ faktor verbessernde Drossel 79 gemäß Fig. 18 tatsächlich auf dem Hauptschaltungssubstrat montiert werden, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Auch in diesem Falle kann der Induktivitäts­ wert vergrößert werden, und darüber hinaus kann die Floating­ kapazität verringert werden, was eine bessere Wärmeabstrah­ lung ergibt, indem man die Drossel 79 gemäß Fig. 18 in zwei Drosseln 40 und 41 unterteilt.

Da gemäß der Erfindung Bauteile, wie z. B. eine Drossel auf demselben Substrat wie dem Substrat für die Hauptschaltung angeordnet werden, kann eine Drossel mit kleiner Streureak­ tanz und kleiner Floatingkapazität hergestellt werden, und wegen der besseren Wärmeabstrahlung kann ein Filter mit bes­ seren Eigenschaften erhalten werden.

Gemäß der Erfindung kann somit eine Drossel mit kleinen Ab­ messungen zur Verfügung gestellt werden, die eine kleine Streureaktanz sowie eine kleine Floatingkapazität besitzt. Der Kern der Drossel läßt sich dabei mit einem isolierenden Substrat, beispielsweise einem entsprechend isolierten Me­ tallsubstrat verbinden, wobei die von der Drossel erzeugte Wärme in wirksamer Weise abgestrahlt werden kann. Dadurch können auch Wechselrichtereinheiten mit kompakteren und ge­ ringeren Abmessungen bereitgestellt werden, die mit einem entsprechenden Filter mit verbesserten Eigenschaften ausgerü­ stet sind.

Wenn vorstehend von einem ringförmigen Kern 112 die Rede ist, so kann es sich dabei im einfachsten Falle um einen Eisenkern handeln, jedoch können für diesen ringförmigen Kern 112 auch andere geeignete magnetisierbare Materialien verwendet wer­ den. Diese Materialien für den Kern 112 brauchen auch kein Eisen zu enthalten, sondern können aus anderen geeigneten Ma­ terialien und Legierungen bestehen, die als magnetisierbare Kerne geeignet sind.

In den Figuren der Zeichnungen haben die verschiedenen Aus­ drücke die nachstehend angegebene Bedeutung.

Fig. 1(b)
(1) = Querschnitt A-A.

Fig. 2
(1) = Drosselspule gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
(2) = herkömmliche Spule.
(3) = Draht.
(4) = Muster auf dem Metallsubstrat.
(5) = elektrischer Draht (elektrischer Draht mit hitzebestän­ diger Vinylbeschichtung).
(6) = erforderlicher Außendurchmesser des elektrischen Drah­ tes, wenn der Strom 5 A zugeführt wird (600 Volt Steh­ spannung).
(7) = erforderlicher Isolierabstand für 600 Volt Stehspannung.
(8) = bei Abdichtung mit einem Gel: 1 mm.
(9) = bei beschichtetem Substrat: 0,8 mm.
(10) = nicht erforderlich.

Fig. 3(b)
(1) = Querschnitt A-A.

Fig. 8
(1) = Änderung des Potentials an einem neutralen Ausgangs­ punkt gegenüber N.

Fig. 10
(1) = neutrale Stelle des Gleichstrom-Eingangsdrahtes.
(2) = neutrale Stelle des Hauptschaltungselementes.
(3) = neutrale Stelle der Leitungen U, V und W.

Fig. 16(a)
(1) = Leitungsspannung VUV.

Fig. 16(b)
(2) = wenn L1 vorhanden ist.

Fig. 17(a)
(1) = gleichphasige Spannung und die Spannungen an beiden Enden der Klemmdiode.

Fig. 19
(1) = Kern.
(2) = Gehäuse.
(3) = Kern + Gehäuse.
(4) = Kern + Gehäuse + Stromquelle.

Claims (13)

1. Drosselspule für eine Schaltungseinheit, gekennzeichnet durch

• - eine metallische gedruckte Leiterplatte, die eine Iso­ lierschicht (110) auf einem Metallsubstrat aufweist;
• - ein Leitungsmuster (111), das auf der Isolierschicht (110) in Form einer Vielzahl von Streifen (111) ausge­ bildet ist, die mit einem erforderlichen Zwischenraum zwischen den Streifen angeordnet sind, wobei die Streifen (111) Kontaktfleckenbereiche aufweisen;
• - ein Isoliermaterial (114), das auf den Leitungsstrei­ fen (111) angeordnet ist;
• - einen ringförmigen Eisenkern (112), der auf dem Iso­ liermaterial (114) angeordnet ist, wobei die Leitungs­ streifen (111) unter dem ringförmigen Eisenkern (112) von seiner einen Seite zur anderen kreuzen;
• - Bondinseln, die leitend auf den Kontaktfleckenberei­ chen der Leitungsstreifen (111) vorgesehen sind;
• - eine Vielzahl von Drähten (113), die jeweils einen Be­ reich des Eisenkernes (112) rittlings übergreifen und die einen der jeweiligen Streifen (111) mit einem an­ deren Streifen (111) über die Bondinseln verbinden; so daß eine Spulenwicklung gebildet ist, die die Lei­ tungsstreifen (111) und die Drähte (113) umfaßt, welche in einer periodischen Folge um den ringförmigen Eisenkern (112) herum angeordnet sind.

2. Drosselspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule eine Differentialdrosselspule ist.

3. Drosselspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule eine Drossel mit Phasenverschiebung Null ist.

4. Drosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwicklung eine Vielzahl von Leitungsstrei­ fen (111) und eine Vielzahl von Drähten (113) um den ringförmigen Eisenkern (112) herum aufweist, wobei die Leitungsstreifen (111) und Drähte (113) einer Vielzahl von Phasenbereichen in derselben Richtung wie der von je­ der Phase entsprechen, so daß eine gleichphasige Drossel­ spule gebildet ist, die nur gegen eine gleichphasige Spannung wirksam wird.

5. Drosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Isoliermaterial (114) den ringförmigen Eisenkern (112) und die Leitungsstreifen (111) gegeneinander iso­ liert,
daß der ringförmige Eisenkern (112) über das Isolierma­ terial (114) in der Nähe einer Vielzahl von Leitungs­ streifen (111) der metallischen gedruckten Leiterplatte angeordnet ist,
daß der jeweilige Draht (113), der den Eisenkern (112) übergreift, eine Verbindung zwischen einem Bereich eines ersten Leitungsstreifens (111) außerhalb des ringförmigen Eisenkernes (112) und einem Bereich eines zweiten Lei­ tungsstreifens (111) innerhalb des ringförmigen Eisen­ kernes (112) bildet, wobei die ersten und zweiten Lei­ tungsstreifen durch andere Leitungsstreifen aus der Viel­ zahl von Leitungsstreifen getrennt und voneinander iso­ liert sind.

6. Drosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (114) als Beschichtung auf den Eisenkern (112) ausgebildet ist.

7. Wechselrichter mit einer Vielzahl von Schaltelementen, die dazu dienen, den zugeführten Strom von einer Gleich­ stromquelle zu empfangen und ihn in einen Wechselstrom umzuwandeln, gekennzeichnet durch

• - ein gleichphasiges Filter, welches eine Vielzahl von gleichphasigen Drosselspulen aufweist, die in dichter Packung in der Nähe der Ausgangsseite der Schaltele­ mente angeordnet sind, wobei die Drosselspulen einen magnetisierbaren Kern (112) aufweisen, der über Lei­ tungsstreifen (111) angeordnet ist, wobei Verbindungs­ drähte (113) die Leitungsstreifen (111) unter Bildung einer Spule verbinden; und
• - eine metallische gedruckte Leiterplatte, auf der die Vielzahl von Schaltelementen montiert ist.

8. Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Drosselspulen folgendes aufweist:

• - einen Bereich der metallischen gedruckten Leiterplatte mit einer Isolierschicht (110) auf einer Metallober­ fläche;
• - ein Leitungsmuster (111), das auf der Isolierschicht (110) ausgebildet ist in Form einer Vielzahl von Lei­ tungsstreifen (111), die mit einem erforderlichen Zwi­ schenraum zwischen den jeweiligen Leitungsstreifen an­ geordnet sind, wobei die Leitungsstreifen (111) mit Kontaktflächenbereichen versehen sind;
• - ein Isoliermaterial (114), das auf den Leitungsstrei­ fen (111) angeordnet ist;
• - einen ringförmigen Eisenkern (112), der auf dem Iso­ liermaterial (114) angeordnet ist, wobei die Leitungs­ streifen (111) unter dem ringförmigen Eisenkern (112) von seiner einen Seite zur anderen kreuzen;
• - Bondinseln, die leitend mit den Kontaktfleckenberei­ chen der Leitungsstreifen (111) verbunden sind;
• - eine Vielzahl von Drähten (113), die jeweils rittlings einen Bereich des Eisenkernes (112) übergreifen und jeweils einen der Leitungsstreifen (111) mit einem an­ deren der Leitungsstreifen (111) über die Bondinseln verbinden;

so daß eine Spulenwicklung entsteht, welche die Lei­ tungsstreifen (111) und die Drähte (113) umfaßt, die in einer periodischen Folge um den ringförmigen Eisenkern (112) herum angeordnet sind.

9. Verfahren zur Herstellung einer Drosselspule, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Herstellen einer metallischen gedruckten Leiterplatte mit einer Isolierschicht (110) auf einem metallischen Substrat;
• - Ausbilden eines Leitungsmusters (111) auf der Isolier­ schicht (110) in Form einer Vielzahl von Leitungs­ streifen, die mit einem erforderlichen Abstand zwi­ schen den Leitungsstreifen angeordnet sind, wobei die Leitungsstreifen Kontaktfleckenbereiche besitzen;
• - Anbringen eines Isoliermaterials (114) und eines ring­ förmigen Eisenkernes (112) auf den Leitungsstreifen (111), wobei die Leitungsstreifen unter dem ringförmi­ gen Eisenkern (112) von seiner einen Seite zur anderen kreuzen;
• - Anbringen von Bondinseln in leitender Verbindung mit den Kontaktflächenbereichen der Leitungsstreifen (111); und
• - Anbringen von jedem der Drähte aus der Vielzahl von Drähten (113) über einem Bereich des Eisenkernes (112) in einer rittlings übergreifenden Weise, derart, daß jeder Draht einen der Leitungsstreifen (111) mit einem anderen der Leitungsstreifen über die Bondinseln ver­ bindet,

so daß eine Spule gewickelt wird, welche aus den Lei­ tungsstreifen (111) und den Drähten (113) besteht, welche in einer periodischen Folge um den ringförmigen Eisenkern (112) herum angeordnet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Wickelns in der Weise durchgeführt wird, daß die Leitungsstreifen (111) und Drähte (113) ei­ ner Vielzahl von Phasenbereichen in derselben Richtung wie der von jeder Phase entsprechen, so daß eine gleich­ phasige Drosselspule gebildet wird, die nur gegen eine gleichphasige Spannung aktiv wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (114) in Form einer Beschichtung auf den Eisenkern (112) aufgebracht wird.