EP2038992A1 - Schaltungsanordnung zur elektrischen leistungssteuerung und kühlungsanordnung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur elektrischen leistungssteuerung und kühlungsanordnung

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EP2038992A1
EP2038992A1 EP07729745A EP07729745A EP2038992A1 EP 2038992 A1 EP2038992 A1 EP 2038992A1 EP 07729745 A EP07729745 A EP 07729745A EP 07729745 A EP07729745 A EP 07729745A EP 2038992 A1 EP2038992 A1 EP 2038992A1
Authority
EP
European Patent Office
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power control
circuit arrangement
heat dissipation
potential
power
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07729745A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Barbosa
Luc Meysenc
Manfred Winkelnkemper
Peter Steimer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP07729745A priority Critical patent/EP2038992A1/de
Publication of EP2038992A1 publication Critical patent/EP2038992A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters

Definitions

  • the present invention relates to electronic circuitry for electrical power control, and more particularly relates to arrangements for dissipating heat dissipated in the power control devices power semiconductor devices, such as thyristor elements, IGBTs (Insulated Gate Bipolartransistor) and power field effect transistors (Power FET).
  • power semiconductor devices such as thyristor elements, IGBTs (Insulated Gate Bipolartransistor) and power field effect transistors (Power FET).
  • Interfaces between such power semiconductor components and the rest of the circuit arrangement or environment include electrical interfaces for the electrical connection of the power semiconductor components and thermal interfaces, which are designed in particular for the efficient removal of heat that arises during operation of the power semiconductor components.
  • the present invention relates to an electric power control circuit with power semiconductor devices comprising at least one power controller and at least one heat sink having thermal contact with the at least one power controller.
  • the heat dissipation devices for dissipating the heat generated in the power control devices are designed in particular with regard to the avoidance of excessive differential voltages between electronic components and the heat dissipation devices which are thermally and electrically conductive.
  • Circuit arrangements for electrical power control have between individual circuit components, such as power semiconductor devices, among themselves and between components and corresponding heat sinks, such as cooling elements, voltage differences, which can reach high values up to breakdown voltages.
  • power semiconductor components are arranged on heat dissipation devices, which are connected to a ground and are therefore grounded or grounded.
  • Such conventional power control devices for controlling three-phase AC and AC voltages are arranged with all the power control modules on a single heat dissipation device clamped to 0 volts, such as ground M, as shown in FIG.
  • the circuit arrangement according to Figure 1 is designed in three ways.
  • the circuit arrangement of Figure 1 comprises three switching units
  • the individual switching units E1, E2 and E3 are in turn formed from respective series-connected power semiconductor components T1a, T2a and T3a, T4a.
  • a capacitor C1 is discharged via the series connection of two resistors R1 and R2.
  • the two other power control devices E2 and E3 are formed in FIG. All power semiconductor components T1 a, T2a,... T3c, T4c are arranged on a heat dissipation device WO for cooling.
  • This heat dissipation device WO has not only good thermal conductivity but also high electrical conductivity. When operating the circuit arrangement, it must be ensured that voltage differences between connection points of the power semiconductor components on the one hand and the heat dissipation device WO on the other hand have a certain predetermined maximum potential difference value - i.e. a breakdown voltage - do not exceed.
  • EP 0933 867 A1 a generic electronic circuit for electrical power control is specified, wherein in Fig. 2b of EP 0933 867 A1 (reference numerals refer to EP 0933 867 A1), the heat dissipation device (14) electrically connected to the power control device (10 ) and electrical insulation (13) is disclosed only between the heat sink (14) and cooling fins (0) but not between the heat sink (14) and the power controller (10).
  • thermal interfaces between power semiconductor components and the rest of the circuit arrangement or environment serve to dissipate heat.
  • electrical interfaces are provided for the electrical connection of the power semiconductor components.
  • a key idea of the present invention is to provide a minimum number of heat sinks with a single heat sink clamped to a fixed electrical potential.
  • the fixed predetermined potential is an intermediate potential between two power control devices belonging to a power control module.
  • the basic idea of the invention is therefore to provide only three heat sinks per phase, which are clamped symmetrically to a respective center potential between the individual power control devices of a power control module. In this way, an optimal reduction of a stress load between
  • the electrical power control circuit according to the invention has at least one power control device and at least one heat dissipation device, which has a thermal contact with the at least one power control device, wherein the heat dissipation device is clamped to a fixed predetermined electrical potential.
  • the at least one heat dissipation device is arranged electrically insulated from the at least one power control device.
  • the power control devices are formed by a series connection of at least two power semiconductor components.
  • a pair of power control devices forms here a power control module.
  • Three power control modules are conveniently needed to control one phase.
  • the power control devices of a module are advantageously electrically connected to one another via a series circuit of discharge resistors.
  • the fixed predetermined electrical potential, to which the at least one heat dissipation device is clamped determined by the discharge resistors.
  • the discharge resistors are voltage dividing resistors.
  • the fixed predetermined electrical potential, to which the heat dissipation device is clamped a quarter of the intermediate circuit voltage of the circuit arrangement for electrical power control with respect to a ground potential.
  • the power control devices include first and second power controllers associated therewith to form a power control module, the discharge resistors of the first and second power controllers clamping the fixed electrical potential to a mid potential between terminals of the first and second power controllers ,
  • different heat conduction devices of different power modules are clamped independently of each other to different, fixed predetermined electrical potential.
  • the at least one heat dissipation device is additionally connected in an electrically conductive manner to a connection unit which electrically connects the at least two power semiconductor components of the power control devices.
  • the object of the invention is achieved, namely to provide an electrical power control with an efficient heat dissipation, wherein a small number of components is required, at the same time a high voltage breakdown strength is achieved.
  • FIG. 1 shows a conventional circuit arrangement for electrical power control with a single heat dissipation device
  • FIG. 2 shows a further conventional electrical power control circuit arrangement with a plurality of floating heat dissipation devices
  • FIG 3 shows a power control device with electrically clamped heat sinks according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates a circuit for electrical power control for one phase.
  • Electric three-phase networks require a circuit arrangement which comprises three phase connections as shown in FIG.
  • the principle underlying the invention is based on the provision of neither a single, ground-potential heat dissipation device, as described in FIG. 1 with reference to a first conventional circuit arrangement, nor a large number of individual heat dissipation devices (two pieces per power supply).
  • Control module which must then be at a floating potential, as described above with respect to FIG. 2 for another conventional electric power control circuit.
  • one phase of the electric power control circuit according to the present invention has three heat sinks 101a, 101b and 101c.
  • the three heat sinks 101 a, 101 b, 101 c shown are neither at a ground potential 102, nor are they floating freely. Rather, in the circuit arrangement of Figure 3, the basic idea of the invention can be seen, namely the giveawayableiteinrich- lines 101 a-101 c to a fixed predetermined potential to clamp, i. to the corresponding electrical potentials 103a, 103b and 103c of the heat sinks 101a, 101b and 101c, respectively, to a reference potential, i. a ground potential 102.
  • the power control circuitry consists of three separately identifiable blocks, i. Power control modules 200a, 200b and 200c. Each of these power control modules 200 includes first and second power control devices 201, 202, which are commonly cooled by an associated heat sink 101 a-101 c.
  • the first and second power control devices 201 a, 202 a disposed on the first heat sink 101 a and thermally conductively connected thereto, the first and second power control devices 201 b, 202 b are disposed on the second situatedableit leads 101 b and thermally conductively connected while the first and second power control devices 201c and 202c are thermally conductively connected to the third heat sink 101c. Furthermore, the respective
  • Heat dissipation device 101 a, 101 b, 101 c can be achieved.
  • the first and second power control devices 201 and 202 are each constructed of a series circuit of power semiconductor devices (eg, IGBTs), each of first terminals of the power control devices being electrically connected at a common point, while first and second terminal units 104a and 105a are connected through a series connection of two resistors R1, R2 are interconnected.
  • IGBTs power semiconductor devices
  • first and second terminal units 104a and 105a are connected through a series connection of two resistors R1, R2 are interconnected.
  • the discharge resistors R1, R2, which serve to discharge corresponding capacitors (capacitor units) C1, C2, form a voltage divider, wherein a center tap at a connection point of the two resistors R1 and R2 or R3 and R4 or R5 and R6 respectively forms a central potential, on which the corresponding heat sink 101 a, 101 b and 101 c is clamped.
  • ground potential 102 is 0V. This results in an intermediate circuit voltage of + E / 2, which is applied to the first terminal unit 104a of the first power controller 201 a of the first power control module 200a, while a negative intermediate circuit voltage (-E / 2) at a second terminal unit 105b of the second power controller 202b of the second power control module 200b is present.
  • a second connection unit 107c which electrically connects at least two power semiconductor components T3c, T4c of the power control device 202c, is referred to as a middle potential point and is electrically conductively connected to the heat dissipation device 101c.
  • three reference potential detection units X1, X2 and X3 are provided, at which corresponding reference potentials of the power module 200a with respect to an electrical potential 103a of the heat dissipation device 101a can be detected.
  • the object according to the invention is achieved, namely to provide a high voltage impact resistance with a simultaneous reduction in the number of required components (in particular of the heat dissipation devices 101a-101c).
  • the circuit diagram for arranging power control devices and heat sinks described with reference to FIG. 3 can be applied particularly advantageously to circuit topologies which have the following configurations:
  • ABB5L ABB Five-Level Topology
  • circuit arrangement and cooling arrangement described in accordance with the above exemplary embodiment with reference to FIG. 3 is suitable for being used in medium-voltage operation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung schafft eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung mit mindestens einer Leistungssteuereinrichtung (201a-201c, 202a-202c) und mindestens einer Wärmeableiteinrichtung (101a-101c), wobei die mindestens eine Wärmeableiteinrichtung (101a-101c) einen thermischen Kontakt mit der mindestens einen Leistungssteuereinrichtung (201a-201c, 202a-202c) aufweist. Die Wärmeableiteinrichtung (101a-101c) ist auf ein fest vorgegebenes elektrisches Potential (103a-103c) klemmbar und elektrisch isoliert von der mindestens einen Leistungssteuereinrichtung (201a-201c, 202a-202c) angeordnet.

Description

SCHALTUNGSANORDNUNG ZUR ELEKTRISCHEN LEISTUNGSSTEUERUNG UND KÜHLUNGSANORDNUNG
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische Schaltungsanordnungen zur elektrischen Leistungssteuerung, und betrifft insbesondere Anordnungen zur Wärmeabfuhr von in den Leistungssteuereinrichtungen angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen, wie beispielsweise Thyristorelementen, IGBTs (Insulated Gate-Bipolartransistor) und Leistungs- Feldeffektransistoren (Power-FET).
Schnittstellen zwischen derartigen Leistungshalbleiterbauelementen und der übrigen Schaltungsanordnung bzw. Umgebung umfassen elektrische Schnittstellen zum elektrischen Anschluss der Leistungshalbleiterbauelemente und thermische Schnittstellen, die insbesondere zur effizienten Abfuhr von Wärme ausgelegt sind, die bei dem Betrieb der Leistungshalbleiterbauelemente entsteht.
Spezifisch betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung mit Leistungshalbleiterbauelementen, die mindestens eine Leistungssteuereinrichtung und mindestens eine Wärmeableiteinrichtung umfasst, welche einen thermischen Kontakt mit der mindestens einen Leistungssteuereinrichtung aufweist.
Die Wärmeableiteinrichtungen zur Ableitung der in den Leistungssteuereinrichtungen erzeugten Wärme sind insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung zu großer Differenzspannungen zwischen elektronischen Komponenten und den Wärmeableiteinrichtungen, die thermisch und elektrisch leitfähig sind, ausgelegt.
STAND DER TECHNIK
Schaltungsanordnungen zur elektrischen Leistungssteuerung weisen zwischen einzelnen Schaltungskomponenten, wie beispielsweise Leistungshalbleiterbauelementen, untereinander und zwischen Bauelementen und entsprechenden Wärmeableiteinrichtungen, wie beispielsweise Kühlelementen, Spannungsunterschiede auf, die hohe Werte bis hin zu Durchbruchspannungen erreichen können. In Schaltungsanordnungen nach dem Stand der Technik sind Leistungshalbleiterbauelemente auf Wärmeableiteinrichtungen angeordnet, die mit einer Masse verbunden sind und daher geerdet bzw. auf Massepotential gelegt sind. Derartige herkömmliche Leis- tungssteuervorrichtungen zur Steuerung von dreiphasigen Wechselströmen und Wechselspannungen sind mit sämtlichen Leistungssteuermodulen auf einer einzigen Wärmeableiteinrichtung angeordnet, die auf 0 Volt, wie beispielsweise Masse M geklemmt bzw. angeschlossen ist, wie in Figur 1 gezeigt. Zur Leistungssteuerung von dreiphasigen Wechselströmen bzw. Wechselspannungen ist die Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 dreifach ausgelegt. Die Schaltungsanordnung der Figur 1 umfasst drei Schalteinheiten
E1 , E2 und E3. Die einzelnen Schalteinheiten E1 , E2 und E3 sind wiederum aus jeweils in Serie geschalteten Leistungshalbleiterbauelementen T1 a, T2a bzw. T3a, T4a gebildet.
Ein Kondensator C1 wird über die Serienschaltung zweier Widerstände R1 und R2 entla- den. Auf ähnliche Weise sind die beiden anderen Leistungssteuervorrichtungen E2 und E3 in Figur 1 gebildet. Sämtliche Leistungshalbleiterbauelemente T1 a, T2a, ... T3c, T4c sind zur Kühlung auf einer Wärmeableiteinrichtung WO angeordnet.
Diese Wärmeableiteinrichtung WO weist neben einer guten thermischen Leitfähigkeit auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Beim Betrieb der Schaltungsanordnung muss dafür gesorgt werden, dass Spannungsdifferenzen zwischen Anschlusspunkten der Leistungshalbleiterbauelemente einerseits und der Wärmeableiteinrichtung WO andererseits einen bestimmten vorgegebenen maximalen Potentialdifferenzwert - d.h. eine Durchbruchspannung - nicht überschreiten.
Zur Lösung des Problems ist vorgeschlagen worden, einzelne Wärmeableiteinrichtungen W1 , W2, W3, W4, W5 und W6 für jeweils ein Paar von Leistungshalbleiterbauelementen vorzusehen, wie in Figur 2 gezeigt. Eine derartige Anordnung vermeidet zwar große Potentialdifferenzen zwischen sämtlichen der Leistungshalbleiterbauelemente und einer einzigen Wärmeableiteinrichtung WO, wie in Figur 1 gezeigt, in nachteiliger weise erhöht sich jedoch die Anzahl der notwendigen Schaltungskomponenten.
In nachteiliger Weise kann eine derartige Anordnung nur für Einzelbauelement- oder Doppelbauelement-Anordnungen vorgesehen werden. Das Potential der entsprechenden Wärmeleiteinrichtung W1 -W6 ist damit auf ein Mittenpotential zwischen den beiden
Leistungshalbleiterbauelementen geklemmt, was die Spannungsbelastung auf etwa ein Viertel der Zwischenkreisspannung („link voltage") begrenzt. Weiter besteht ein wesentlicher Nachteil der in Figur 2 gezeigten Schaltungsanordnung darin, dass eine derartig hohe Anzahl von Wärmeableiteinrichtungen, in dem gezeigten Fall 18 Wärmeableiteinrichtungen für ein Dreiphasensystem (Figur 2 zeigt die Schal- tungskomponenten für nur eine Phase), äußerst störanfällig und teuer ist.
Außerdem ist es in unzweckmäßiger Weise nicht möglich, eine derartige Wärmeableitanordnung für H-Brückenmodule vorzusehen, da diese keinen gemeinsamen Mittenpotenti- alpunkt aufweisen. So kann eine gemäß Figur 2 vorgeschlagene Lösung die dielektrische Spannungsbelastung von Einzelschalter-Packungen oder Dualschalter-Packungen verringern, in nachteiliger Weise ist ein derartiges Kühlverfahren jedoch nicht für neuere Anordnungen wie H-Brückenmodule einsetzbar.
In der EP 0933 867 A1 ist eine gattungsgemässe elektronische Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung angegeben, wobei in Fig. 2b der EP 0933 867 A1 (nachfolgend verwendete Bezugszeichen beziehen sich auf die EP 0933 867 A1 ) die Wärmeableiteinrichtung (14) elektrisch mit der Leistungssteuereinrichtung (10) verbunden ist und eine elektrische Isolation (13) lediglich zwischen der Wärmeableiteinrichtung (14) und Kühlfinnen (0), nicht jedoch zwischen der Wärmeableiteinrichtung (14) und der Leistungs- Steuereinrichtung (10) offenbart ist.
Eine weitere gattungsgemässe elektronische Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung ist in der EP 0 802 619 A1 angegeben.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die thermischen Schnittstellen zwischen Leistungshalbleiterbauelementen und der übrigen Schaltungsanordnung bzw. Umgebung dienen einer Wärmeabfuhr. Daneben sind elektrische Schnittstellen zum elektrischen Anschluss der Leistungshalbleiterbauelemente vorgesehen. Somit können zwischen elektronischen Komponenten und Wärmeableiteinrichtungen Potentialdifferenzen auftreten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Wärmeableiteinrichtung für Leistungssteuermodule bzw. Leistungssteuereinrichtungen zur elektrischen Leistungssteuerung bereitzustellen, die eine geringe Einzelkomponentenanzahl bei großer Spannungsdurchschlagfestigkeit aufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine minimale Anzahl von Wärmeableiteinrichtungen vorzusehen, wobei eine einzelne Wärmeableiteinrichtung auf ein fest vorgegebenes elektrisches Potential geklemmt ist. Vorzugsweise ist das fest vorgegebene Potential ein Zwischenpotential zwischen zwei zu einem Leistungssteue- rungsmodul gehörenden Leistungssteuereinrichtungen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht daher darin, pro Phase lediglich drei Wärmeableiteinrichtungen vorzusehen, die symmetrisch auf ein jeweiliges Mittenpotential zwischen den einzelnen Leistungssteuereinrichtungen eines Leistungssteuermoduls geklemmt sind. Auf diese Weise wird eine optimale Reduktion einer Spannungsbelastung zwischen
Leistungshalbleiterbauelementen und entsprechenden Wärmeableiteinrichtungen einerseits erreicht, wobei die Anzahl der einzusetzenden Komponenten gegenüber dem Stand der Technik verringert ist.
Ferner ermöglicht es eine derartige Anordnung, dass Schaltungsanordnungen zur elektrischen Leistungssteuerung in Form von Dual-H-Brücken auslegbar sind. Hierbei sind 3,3 kV-Standardkomponenten einsetzbar für Treibereinheiten, die für 4,16 kV ausgelegt sind.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung weist mindestens eine Leistungssteuereinrichtung und mindestens eine Wärmeableiteinrichtung, die einen thermischen Kontakt mit der mindestens einen Leistungssteuereinrichtung aufweist, wobei die Wärmeableiteinrichtung auf ein fest vorgegebenes elektrisches Potential geklemmt ist. Vorzugsweise ist die mindestens eine Wärmeableiteinrichtung elektrisch isoliert von der mindestens einen Leistungssteuereinrichtung angeordnet. Dadurch kann vorteilhaft eine weitere Reduktion der Spannungsbelastung zwischen Leistungshalbleiterbauelementen und entsprechenden Wärmeableiteinrichtungen erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die Leistungs- Steuereinrichtungen durch eine Reihenschaltung von mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelementen ausgebildet. Ein Paar von Leistungssteuereinrichtungen bildet hierbei ein Leistungssteuermodul. Drei Leistungssteuermodule werden in zweckmäßiger Weise zur Steuerung einer Phase benötigt.
Die Leistungssteuereinrichtungen eines Moduls sind in vorteilhafter weise über eine Reihenschaltung von Entladewiderständen elektrisch miteinander verbunden.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das fest vorgegebene elektrische Potential, auf welches die mindestens eine Wärmeableiteinrichtung geklemmt ist, durch die Entladewiderstände bestimmt. Hierbei stellen die Entladewiderstände Spannungsteilerwiderstände dar.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung beträgt das fest vorgegebene elektrische Potential, auf welches die Wärmeableiteinrichtung geklemmt ist, ein Viertel der Zwischenkreisspannung der Schaltungsanordnungen zur elektrischen Leistungssteuerung in Bezug auf ein Massepotential.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfassen die Leistungssteuereinrichtungen erste und zweite einander zugeordnete Leistungssteuereinrichtungen derart, dass diese ein Leistungssteuermodul bilden, wobei die Entladewiderstände der ersten und zweiten Leistungssteuereinrichtungen das fest vorgegebene elektrische Potential auf ein Mittenpotential zwischen Anschlusspunkten der ersten und zweiten Leistungssteuereinrichtungen klemmen.
Vorzugsweise sind unterschiedliche Wärmeleiteinrichtungen unterschiedlicher Leistungs- module auf unterschiedliche, fest vorgebbare elektrische Potential unabhängig voneinander geklemmt.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine Wärmeableiteinrichtung zusätzlich an einer Verbindungseinheit, welche die mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente der Leistungssteuereinrichtungen elektrisch miteinander verbindet, elektrisch leitend angeschlossen.
Mit einer derartigen Schaltungsanordnung wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst, nämlich eine elektrische Leistungssteuerung mit einer effizienten Wärmeableitung vorzu- sehen, wobei eine geringe Anzahl von Komponenten erforderlich ist, wobei gleichzeitig eine hohe Spannungsdurchschlagfestigkeit erreicht wird. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfol- genden Beschreibung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine herkömmliche Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteue- rung mit einer einzigen Wärmeableiteinrichtung;
Figur 2 eine weitere herkömmliche Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung mit mehreren, floatenden Wärmeableiteinrichtungen; und
Figur 3 eine Leistungssteuereinrichtung mit elektrisch geklemmten Wärmeableiteinrichtungen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Kompo- nenten oder Schritte.
WEGE ZUR AUSFUHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben werden.
In Figur 3 ist eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung für eine Phase veranschaulicht. Elektrische Drehstromnetze erfordern eine Schaltungsanordnung, die drei wie in Figur 3 gezeigte Phasenbeschaltungen umfasst. Zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Kühlungsanordnung für eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung ist es ausreichend, eine Phase gemäß Figur 3 zu betrachten.
Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip beruht darauf, weder eine einzige, auf Massepotential gelegte Wärmeableiteinrichtung vorzusehen, wie dies in Figur 1 unter Bezugnahme auf eine erste herkömmliche Schaltungsanordnung beschrieben ist, noch eine große Anzahl von einzelnen Wärmeableiteinrichtungen (zwei Stück pro Leistungs- Steuermodul) vorzusehen, die dann auf einem frei floatenden Potential liegen müssen, wie dies unter Bezugnahme auf Figur 2 obenstehend für eine weitere herkömmliche Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung beschrieben ist.
Wie in Figur 3 gezeigt, weist eine Phase der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung drei Wärmeableiteinrichtungen 101 a, 101 b und 101c auf. Die gezeigten drei Wärmeableiteinrichtungen 101 a, 101 b, 101c liegen weder auf einem Massepotential 102, noch sind sie frei floatend. Vielmehr ist in der Schaltungsanordnung der Figur 3 der Grundgedanke der Erfindung erkennbar, die Wärmeableiteinrich- tungen 101 a-101c nämlich auf ein fest vorgegebenes Potential zu klemmen, d.h. auf die entsprechenden elektrischen Potentiale 103a, 103b und 103c der Wärmeableiteinrichtungen 101 a, 101 b bzw. 101c gegenüber einem Bezugspotential, d.h. einem Massepotential 102.
Die Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung besteht aus drei getrennt identifizierbaren Blöcken, d.h. Leistungssteuermodulen 200a, 200b und 200c. Jedes dieser Leistungssteuermodule 200 weist erste und zweite Leistungssteuereinrichtungen 201 , 202 auf, die gemeinsam durch eine zugeordnete Wärmeableiteinrichtung 101 a-101c gekühlt werden.
So sind die ersten und zweiten Leistungssteuereinrichtungen 201 a, 202a auf der ersten Wärmeableiteinrichtung 101 a angeordnet und mit dieser thermisch leitend verbunden, die ersten und zweiten Leistungssteuereinrichtungen 201 b, 202b sind auf der zweiten Wärmeableiteinrichtung 101 b angeordnet und mit dieser thermisch leitend verbunden, während die ersten und zweiten Leistungssteuereinrichtungen 201c bzw. 202c mit der dritten Wärmeableiteinrichtung 101 c thermisch leitend verbunden sind. Weiterhin ist die jeweilige
Wärmeableiteinrichtung 101 a, 101 b, 101c elektrisch isoliert von der zugehörigen Leistungssteuereinrichtung 201 a, 202a, 201 b, 202b, 201 c, 202c angeordnet, wodurch mit Vorteil eine weitere Reduktion der Spannungsbelastung zwischen Leistungshalbleiterbauelementen T1 a, T2a, T3a, T4a, T1 b, T2b, T3b, T4b, Tic, T2c, T3c, T4c der jeweiligen Leistungssteuereinrichtung 201 a, 202a, 201 b, 202b, 201c, 202c und der entsprechenden
Wärmeableiteinrichtung 101 a, 101 b, 101c erreicht werden kann.
Die ersten und zweiten Leistungssteuereinrichtungen 201 und 202 sind jeweils aus einer Reihenschaltung von Leistungshalbleiterbauelementen (z.B. IGBTs) aufgebaut, wobei jeweils erste Anschlüsse der Leistungssteuereinrichtungen an einem gemeinsamen Punkt elektrisch verbunden sind, während erste und zweite Anschlusseinheiten 104a und 105a über eine Reihenschaltung zweier Widerstände R1 , R2 miteinander verbunden sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die Bezugszeichen für die drei getrennt identifizierbaren Leistungssteuermodule 200a, 200b, 200c mit Kleinbuchstaben a, b, c versehen sind, um die Zuordnung zu einem entsprechenden Leistungssteuermodul zu verdeutlichen.
Erfindungsgemäß bilden die Entladewiderstände R1 , R2, die zur Entladung entsprechender Kondensatoren (Kondensatoreinheiten) C1 , C2 dienen, einen Spannungsteiler, wobei ein Mittenabgriff an einem Verbindungspunkt der beiden Widerstände R1 und R2 bzw. R3 und R4 oder R5 und R6 jeweils ein Mittenpotential bildet, auf welches die entsprechende Wärmeableiteinrichtung 101 a, 101 b bzw. 101 c geklemmt ist.
Im Folgenden wird angenommen, dass das Massepotential 102 0 V beträgt. Dann ergibt sich eine Zwischenkreisspannung von +E/2, welche an der ersten Anschlusseinheit 104a der ersten Leistungssteuereinrichtung 201 a des ersten Leistungssteuermoduls 200a anliegt, während eine negative Zwischenkreisspannung (-E/2) an einer zweiten Anschlusseinheit 105b der zweiten Leistungssteuereinrichtung 202b des zweiten Leistungssteuermoduls 200b anliegt.
Eine zweite Verbindungseinheit 107c, welche mindestens zwei Leistungshalbleiterbau- elemente T3c, T4c der Leistungssteuereinrichtung 202c elektrisch verbindet, wird als ein Mittenpotentialpunkt bezeichnet und ist elektrisch leitend mit der Wärmeableiteinrichtung 101 c verbunden.
Durch die jeweiligen Spannungsteilerwiderstände, die in dem bevorzugten Ausführungs- beispiel der vorliegenden Erfindung durch gleiche Widerstände ausgebildet sind, d.h. R1 =
R2 und R3 = R4 ergibt sich, dass die jeweiligen Wärmeableiteinrichtungen 101 a, 101 b auf ein elektrisches Potential 103a bzw. 103b geklemmt sind, das einen Wert von einem Viertel der Zwischenkreisspannung (E/4) in Bezug auf Masse 102 (0 V) aufweist.
Ferner sind drei Referenzpotential-Erfassungseinheiten X1 , X2 und X3 vorgesehen, an welchen entsprechende Referenzpotentiale des Leistungsmoduls 200a in Bezug auf ein elektrische Potential 103a der Wärmeableiteinrichtung 101 a erfasst werden können.
Somit wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst, nämlich eine hohe Spannungsdurch- Schlagfestigkeit bei einer gleichzeitigen Reduzierung der Anzahl der benötigten Komponenten (insbesondere der Wärmeableiteinrichtungen 101 a-101c) bereitzustellen. Das unter Bezugnahme auf Figur 3 beschriebene Schaltungsschema zur Anordnung von Leistungssteuereinrichtungen und Wärmeableiteinrichtungen kann insbesondere vorteilhaft auf Schaltungstopologien angewandt werden, die die folgenden Konfigurationen aufweisen:
- Dreipegel-Neutralpunkt-geklemmt (3LNPC, Three Level Neutral Point Clamped);
- Dreipegel-Aktivneutralpunkt-geklemmt (ANPC, Active Neutral Point Clamped); und
- ABB-5-Pegel-Topologie (ABB5L, ABB Five-Level Topology).
Insbesondere ist die gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Figur 3 beschriebene Schaltungsanordnung und Kühlungsanordnung geeignet, im Mittelspannungsbetrieb eingesetzt zu werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.
BEZUGSZEICHENLISTE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
101 a- Warmeableiteinnchtung
101c
102 Massepotential
103a- Elektrisches Potential der Wärmeabi
103c
104a- Erste Anschlusseinheit
104c
105a- Zweite Anschlusseinheit
105c
200a, Leistungssteuermodul
200b,
200c
201 a- Erste Leistungssteuereinrichtung
201c
202a- Zweite Leistungssteuereinrichtung
202c
E Zwischenkreisspannungspotential
C1 -C2 Kondensatoreinheit
R1-R6 Entladewiderstand
T1 -T6 Leistungshalbleiterbauelement
X1 -X3 Referenzpotential-Erfassungseinheit

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistuπgssteuerung, mit:
a) mindestens einer Leistungssteuereinrichtung (201a-201c, 202a-202c); und
b) mindestens einer Wärmeableiteinrichtung (101a-101c), die einen thermischen Kontakt mit der mindestens einen Leistungssteuereinrichtung (201a-201c, 202a-202c) aufweist;
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
c) die Wärmeableiteinrichtung (101a-101c) auf ein fest vorgegebenes elektrisches Potential (103a-103c) geklemmt ist, und dass d) die mindestens eine Wärmeableiteinrichtung (101a-101c) elektrisch isoliert von der mindestens einen Leistungssteuereinrichtung (201a-201c, 202a-202c) angeordnet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leistungssteuereinrichtungen (201a-201c, 202a-202c) durch eine Reihenschaltung von mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelementen (T1-T4) gebildet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leistungssteuereinrichtungen (201a-201c, 202a-202c) über eine Reihenschaltung von Entladewiderständen (R1-R6) elektrisch miteinander verbunden sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das fest vorgegebene elektrische Potential (103a-103c), auf welches die mindestens eine Wärmeableiteinrichtung (101a-101c) geklemmt ist, durch die Entladewiderstände (R1- R6) bestimmt ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das fest vorgegebene elektrische Potential (103a-103c), auf welches die Wärmeableiteinrichtung (101a-101c) geklemmt ist, ein Viertel einer Zwischenkreisspannung (E/4)
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP der Schaltungsanordnung zur elektrischen Leistungssteuerung in Bezug auf ein Massepotential (102) ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leistungssteuereinrichtungen (201a-201c, 202a-202c) erste und zweite einander zugeordnete Leistungssteuereinrichtungen (201a-201c, 202a-202c) umfassen, und die Entladewiderstände (R1-R6) der ersten und zweiten Leistungssteuereinrichtungen (201a-201c, 202a-202c) das fest vorgegebene elektrische Potential (103a-103c) auf ein Mittenpotential zwischen Anschlusspunkten der ersten und zweiten Leistungssteuereinrichtungen (201a- 201c, 202a-202c) klemmen.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass unterschiedliche Wärmeableiteinrichtungen (101a-101c) auf unterschiedliche, fest vorgegebene elektrische Potentiale (103a-103c) unabhängig voneinander klemmbar sind.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP
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Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2094547B (en) * 1981-03-09 1985-01-03 Aei Semiconductor Ltd Stack mounted electrical components
US4864385A (en) * 1987-12-29 1989-09-05 Hitachi, Ltd. Power semiconductors connected antiparallel via heatsinks
EP0590502B1 (de) * 1992-10-02 1998-01-28 Hitachi, Ltd. Wechselrichter für ein elektrisches Betriebsmittel
JP3153408B2 (ja) * 1994-03-10 2001-04-09 株式会社日立製作所 直列多重電力変換器
RU2172551C2 (ru) * 1995-01-13 2001-08-20 Аутотроникс Инжиниринг Интернэшнл Лимитед Электрический преобразователь
FR2747857B1 (fr) * 1996-04-18 1998-05-22 Gec Alsthom Transport Sa Dispositif a empilement de thyristors et de diodes de roue libre
EP0933867A1 (de) * 1998-01-28 1999-08-04 Gec Alsthom Acec Transport S.A. Stromrichtermodul
DE19821834A1 (de) * 1998-05-15 1999-11-25 Fahrzeugklimaregelung Gmbh Power-Mos-Transistor
DE19904279B4 (de) * 1999-02-03 2005-09-01 Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg Halbleitervorrichtung
JP3685974B2 (ja) * 2000-03-17 2005-08-24 株式会社日立製作所 電力変換装置
JP2002171768A (ja) * 2000-11-29 2002-06-14 Toshiba Corp 電力変換装置
US6588217B2 (en) * 2000-12-11 2003-07-08 International Business Machines Corporation Thermoelectric spot coolers for RF and microwave communication integrated circuits
JP2003174782A (ja) * 2001-12-06 2003-06-20 Mitsubishi Electric Corp 電力変換装置
US7149064B2 (en) * 2003-08-29 2006-12-12 Rockwell Automation Technologies, Inc. Multiphase reduced voltage starter with bypass relays, interphase electrical isolation and shared thermal mass
JP2005278384A (ja) * 2004-02-24 2005-10-06 Fuji Electric Systems Co Ltd 半導体電力変換装置
JP4599959B2 (ja) * 2004-09-17 2010-12-15 富士電機ホールディングス株式会社 マルチレベルコンバータ及びその制御方法
TWM279164U (en) * 2005-05-31 2005-10-21 Atio System Inc Electronic device with heat-dissipating casing
JP4793090B2 (ja) * 2006-05-16 2011-10-12 富士電機株式会社 電力変換装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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