WO2008089855A1 - Stromrichter - Google Patents

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Mark-Matthias Bakran
Martin Helsper
Wilfried Kolk
Andreas Nagel
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G5/00—Installations of bus-bars
    • H02G5/10—Cooling

Definitions

  • the invention relates to a power converter with power semiconductor modules, which are mechanically thermally conductively connected to a heat sink, and which are electrically connected by means of a laminated busbar.
  • Such converters are commercially available.
  • Such converters whose turn-off power semiconductor modules are low inductively 29ient.
  • the busbars used are flat and stacked one above the other to form a rail stack.
  • a flat designed insulating rail is arranged between two flächi ⁇ gen busbars.
  • This insulating rails project beyond the planar busbars to meet the thresholds for air and Kriechstre ⁇ CKEN can be met.
  • such a low-inductive busbar has at least two busbars and at least one insulating rail.
  • this rail package la ⁇ is miniert established. Due to the laminating material used, this laminated busbar has a temperature limit of, for example, 105 ° C.
  • a power semiconductor scarf ⁇ tion is known, the busbar is cooled.
  • at least one module is soldered to the outside on a plate-shaped busbar serving as a positive or negative plate.
  • the plus or minus rail are usually arranged as the top or bottom plate of a plate buster package.
  • This top rail ⁇ on which the module is applied is directly cooled by a cooling device, which cooling device is constructed as air or liquid cooling.
  • This cooling device is sandwiched between the cover rail and with the interposition of insulation of another, lying in a parallel plane plate-shaped busbar. Further, with the interposition of a further Iso ⁇ lier für a lower-side power rail is provided.
  • busbars together with the cooling device form a very compact arrangement.
  • the elements of this buster are connected by lamination. Since this power semiconductor circuit is an inverter, two intermediate circuit capacitors, which are connected by screw connections to the upper or lower busbar, are arranged below this busbar package.
  • the invention is based on the object of specifying a power converter whose laminated busbar system can be cooled with simple means, wherein this power converter does not have to be redeployed or newly constructed.
  • This object is achieved according to the invention by means of at least one electrically insulating and thermally conductive device which thermally links at least one bus bar of the laminated display to the heat sink.
  • at least one busbar of the laminated busbar is thermally connected to the heat sink. How many such devices must be provided depends on the amount of heat to be dissipated.
  • the ⁇ se device additionally supports the laminated busbar.
  • each busbar of the laminated Verschie ⁇ tion by means of at least one device with the heat sink of the power semiconductor modules thermally conductively connected. As a result, each busbar of this laminated Verschie ⁇ tion is cooled.
  • 2 is a heat sink
  • 4 and 6 are each a power semiconductor module, 8 a laminated busbar and 10 an electrically insulating and thermally conductive device.
  • These two switchable power semiconductor modules 4 and 6 are releasably secured to the heat sink 2, wherein as cooling body 2, an air cooling body or a liquid cooling body is provided.
  • the laminated busbar has three busbars 12, 14 and 16 which are each interconnected by means of an insulating Lier rail 18 and 20 are separated from each other.
  • This lami ⁇ ned busbar 8 is fitted onto the electrical terminals 22 4, 24 4 and 22 6, 24 6 of each power semiconductor module 4 and 6.
  • These electrical terminals 22 4 , 24 4 and 22 6 , 24 6 may be solder pins or bolts. From a predetermined performance of the turn-off power semiconductor module 4 and 6, the switchable power semiconductor modules 4, 6 as electrical connections 22 4 , 24 4 and 22 6 , 24 6 only screw on.
  • the electrical connections 22 4 and 24 4 of the turn-off power semiconductor module 4 with the busbar 12 and 14 of the laminated busbar 8 are electrically connected.
  • the electrical connections and 22 6 and 24 6 with the bus bars 14 and 16 of the laminated busbar 8 are electrically connected. If it is assumed that the bus bar 12 has a positive potential and the bus bar 16 of the laminated device 8 has a negative potential, these two power semiconductor modules 4 and 6 form a bridge branch.
  • connection 24 4 of the power semiconductor module 4 and the electrical connection are connected e lectric conductively 22 6 of the turn-off power ⁇ semiconductor module 6, with one and the same conductor rail 14, these two performance are semiconductor switches 4 and 6, in particular IGBT modules, electrically connected in series, said connecting busbar 14 forms an AC-side terminal of this bridge branch.
  • a device 10 which consists of an electrically insulating and thermally conductive material.
  • This device 10 is thermally connected on the one hand to the heat sink 2 and on the other ⁇ hand with the bus bar 16 of the laminated device 8.
  • the power loss in the laminated busbar 8 is dissipated to the heat sink 2. That is, with respect to this device 10, the laminated bus 8 is cooled. How many devices 10 depends on the power loss produced in the laminated busi- ness 8. As shown in this figure, the device 10 is thermally coupled only to the lower bus bar 16 of the laminated device 8.
  • each device 10 may be thermally connected to a busbar 12, 14 and 16 of the laminated busbar 8 thermally connected.
  • this laminated busbar 8 in addition to the electrical feedthroughs for the electrical connections 22 4 , 24 4 , 22 6 and 24 6, still has thermal feedthroughs. Since ⁇ by each bus bar 12, 14 and 16 of the laminated busbar 8 may be respectively entracermt directly by at least one device 10th
  • the advantage of this power converter is that a commercially available inverter can be subsequently with a device 10 according to the invention for cooling at least one bus bar 12 or 14 or 16 of a laminated busbar 8 can be cooled so that a temperature limit of the laminate material of the busbar 8 observed can be.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit wenigstens zwei Leistungshalbleitermodulen (4, 6), die thermisch leitend mit einem Kühlkörper (2) mechanisch verbunden sind, die mittels einer laminierten Verschienung (8) untereinander elektrisch verschaltet sind. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Stromschiene (12, 14, 16) dieser laminierten Vorrichtung (8) mittels wenigstens einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtung (10) mit dem Kühlkörper (2) thermisch verknüpft. Somit erhält man einen Stromrichter, dessen laminierte Verschienung (8) mittels wenigstens einer Vorrichtung (10) entwärmt werden kann.

Description

Stromrichter
Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter mit Leistungshalbleitermodulen, die thermisch leitend mit einem Kühlkörper mechanisch verbunden sind, und die mittels einer laminierten Verschienung elektrisch leitend verknüpft sind.
Derartige Stromrichter, insbesondere für höhere Leistungen, sind im Handel erhältlich. Bei derartigen Stromrichtern sind dessen abschaltbare Leistungshalbleitermodule niederinduktiv verschient. Dies wird dadurch erreicht, dass die verwendeten Stromschienen flächig ausgeführt und übereinander zu einem Schienenstapel gestapelt sind. Jeweils zwischen zwei flächi¬ gen Stromschienen ist eine flächig ausgeführte Isolierschiene angeordnet. Diese Isolierschienen überragen die flächigen Stromschienen, damit die Grenzwerte für Luft- und Kriechstre¬ cken eingehalten werden können. Somit weist eine derartige niederinduktive Verschienung mindestens zwei Stromschienen und mindestens eine Isolierschiene auf. Um die Verschienung der verwendeten Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters möglichst kompakt zu gestalten, ist dieses Schienenpaket la¬ miniert aufgebaut. Durch das verwendete Laminiermaterial weist diese laminierte Verschienung eine Temperaturgrenze von beispielsweise 105° C auf.
Da die auf dem Markt vorhandenen abschaltbaren Leistungshalb¬ leitermodule, insbesondere IGBT-Module, immer leistungsstär¬ ker werden, steigt die Stromdichte in den Stromschienen der laminierten Verschienung an. Dadurch steigt die Temperatur der laminierten Verschienung mehr an, wodurch es immer schwieriger wird, die Temperaturgrenze der laminierten Verschienung einzuhalten.
Nahe liegende Lösungen dieses Problems sind, einerseits die flächigen Stromschienen dicker auszuführen und andererseits die laminierte Verschienung zu kühlen, beispielsweise durch Eigenkonvektion . Dickere Stromschienen sind kostspieliger und weisen ein höheres Gewicht auf. Um die laminierte Verschie- nung durch Eigenkonvektion zu kühlen, muss diese im Stromrichter derart angeordnet werden, dass ein Kühlungsstrom über diese laminierte Verschienung streichen kann. Dadurch muss ein handelsüblicher Stromrichter neu entflechtet werden. Unter Umständen erhöht sich dadurch die parasitäre Induktivität der laminierten Verschienung.
Aus der WO 2005/109505 Al ist eine Leistungshalbleiterschal¬ tung bekannt, deren Verschienung gekühlt wird. Bei dieser Leistungshalbleiterschaltung ist wenigstens ein Modul auf einer als Plus- oder Minus-Platte dienenden plattenförmigen Stromschiene außenseitig aufgelötet. Die Plus- bzw. Minus- Schiene sind üblicherweise als oberste bzw. unterste Platte eines Platten-Verschienungspaketes angeordnet. Diese Deck¬ schiene, auf der das Modul aufgebracht ist, wird direkt von einer Kühleinrichtung gekühlt, wobei diese Kühleinrichtung als Luft- oder Flüssigkeitskühlung ausgebildet ist. Diese Kühleinrichtung ist sandwichartig zwischen der Deckschiene und unter Zwischenlage einer Isolierung einer weiteren, in einer parallelen Ebene liegenden plattenförmigen Stromschiene angeordnet. Ferner ist unter Zwischenlage einer weiteren Iso¬ lierschicht eine unterseitige Stromschiene vorgesehen. Diese Stromschienen bilden zusammen mit der Kühleinrichtung eine sehr kompakte Anordnung. Die Elemente dieses Verschienungspa- ketes sind durch Laminieren miteinander verbunden. Da es sich bei dieser Leistungshalbleiterschaltung um einen Wechselrichter handelt, sind unter diesem Verschienungspaket zwei Zwi- schenkreiskondensatoren angeordnet, die über Verschraubungen mit der oberen bzw. unteren Stromschiene verbunden sind.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter anzugeben, dessen laminierte Verschienung mit einfa- chen Mitteln entwärmt werden kann, wobei dieser Stromrichter nicht neu entflechtet bzw. neu konstruiert werden muss. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels wenigstens einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtung gelöst, die wenigstens eine Stromschiene der laminierten Ver- schienung mit dem Kühlkörper thermisch verknüpft. Durch diese Vorrichtung ist wenigstens eine Stromschiene der laminierten Verschienung an den Kühlkörper thermisch angebunden. Wie viele derartige Vorrichtungen vorgesehen werden müssen, hängt von der Höhe der abzuführenden Wärme ab. Nebenbei stützt die¬ se Vorrichtung zusätzlich die laminierte Verschienung ab. Durch die Verwendung von elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtungen können die bisherigen Elemente (laminierte Verschienung, wenigstens zwei Leistungshalblei¬ termodule, Kühlkörper) eines Stromrichters weiter verwendet werden .
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromrichters ist jede Stromschiene der laminierten Verschie¬ nung mittels wenigstens einer Vorrichtung mit dem Kühlkörper der Leistungshalbleitermodule thermisch leitend verbunden. Dadurch wird jede Stromschiene dieser laminierten Verschie¬ nung entwärmt .
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stromrichters sind den Unteransprüchen 3 bis 11 zu entnehmen.
Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Stromrichters wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform schematisch veranschaulicht ist.
In dieser Figur sind mit 2 ein Kühlkörper, mit 4 und 6 jeweils ein Leistungshalbleitermodul, mit 8 eine laminierte Verschienung und mit 10 eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung gekennzeichnet. Diese beiden ab¬ schaltbaren Leistungshalbleitermodule 4 und 6 sind mit dem Kühlkörper 2 lösbar befestigt, wobei als Kühlkörper 2 ein Luftkühlkörper oder ein Flüssigkeitskühlkörper vorgesehen ist. Die laminierte Verschienung weist drei Stromschienen 12, 14 und 16 auf, die jeweils untereinander mittels einer Iso- lierschiene 18 bzw. 20 voneinander getrennt sind. Diese lami¬ nierte Verschienung 8 ist auf den elektrischen Anschlüssen 224, 244 und 226, 246 eines jeden Leistungshalbleitermoduls 4 und 6 gesteckt. Bei diesen elektrischen Anschlüssen 224, 244 und 226, 246 kann es sich um Lötstifte oder Schraubbolzen handeln. Ab einem vorbestimmten Leistungsvermögen des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls 4 bzw. 6 weisen die ab¬ schaltbaren Leistungshalbleitermodule 4, 6 als elektrische Anschlüsse 224, 244 und 226, 246 nur noch Schraubbolzen auf.
Gemäß dieser Figur sind die elektrischen Anschlüsse 224 und 244 des abschaltbaren Leistungshalbleitermoduls 4 mit der Stromschiene 12 und 14 der laminierten Verschienung 8 elektrisch leitend verbunden. Demgegenüber sind die elektrischen Anschlüsse und 226 und 246 mit den Stromschienen 14 und 16 der laminierten Verschienung 8 elektrisch leitend verbunden. Wird angenommen, dass die Stromschiene 12 ein Pluspotential und die Stromschiene 16 der laminierten Vorrichtung 8 ein Minuspotential aufweist, so bilden diese beiden Leistungshalb- leitermodule 4 und 6 einen Brückenzweig. Da außerdem der elektrische Anschluss 244 des Leistungshalbleitermoduls 4 und der elektrische Anschluss 226 des abschaltbaren Leistungs¬ halbleitermoduls 6 mit ein und derselben Stromschiene 14 e- lektrisch leitend verbunden sind, sind diese beiden Leis- tungshalbleiterschalter 4 und 6, insbesondere IGBT-Module, elektrisch in Reihe geschaltet, wobei diese verbindende Stromschiene 14 einen wechselspannungsseitigen Anschluss dieses Brückenzweiges bildet.
Außerdem ist in dem in dieser Figur dargestellten Stromrichter eine Vorrichtung 10 dargestellt, die aus einem elektrisch isolierend und thermisch leitenden Material besteht. Diese Vorrichtung 10 ist einerseits mit dem Kühlkörper 2 und ande¬ rerseits mit der Stromschiene 16 der laminierten Vorrichtung 8 thermisch verbunden. Dadurch wird die in der laminierten Verschienung 8 entstehende Verlustleistung zum Kühlkörper 2 abgeführt. Das heißt, bezüglich dieser Vorrichtung 10 wird die laminierte Verschienung 8 entwärmt. Wie viele Vorrichtun- gen 10 benötigt werden, hängt von der in der laminierten Ver- schienung 8 entstehenden Verlustleistung ab. Wie in dieser Figur dargestellt, ist die Vorrichtung 10 nur mit der unteren Stromschiene 16 der laminierten Vorrichtung 8 thermisch ge- koppelt. Dadurch wird diese Stromschiene 16 direkt gekühlt, wogegen die beiden anderen Stromschienen 14 und 12 sich über die Isolierschichten 20 und 18 rückkühlen. Wenn mehrere derartige Vorrichtungen 10 vorgesehen sind, kann jede Vorrichtung 10 thermisch leitend mit einer Stromschiene 12, 14 und 16 der laminierten Verschienung 8 thermisch verbunden sein. Dadurch weist diese laminierte Verschienung 8 neben den e- lektrischen Durchführungen für die elektrischen Anschlüsse 224, 244, 226 und 246 noch thermische Durchführungen auf. Da¬ durch kann jede Stromschiene 12, 14 und 16 der laminierten Verschienung 8 jeweils durch wenigstens eine Vorrichtung 10 direkt entwärmt werden.
Der Vorteil dieses Stromrichters besteht darin, dass ein im Handel erhältlicher Umrichter nachträglich mit einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Entwärmung wenigstens einer Stromschiene 12 bzw. 14 bzw. 16 einer laminierten Verschienung 8 entwärmt werden kann, damit eine Temperaturgrenze des Laminatmaterials der Verschienung 8 eingehalten werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Stromrichter mit wenigstens zwei Leistungshalbleitermodu¬ len (4, 6), die thermisch leitend mit einem Kühlkörper (2) mechanisch verbunden sind, die mittels einer laminierten Ver- schienung (8) untereinander elektrisch verschaltet sind, wobei wenigstens eine Stromschiene (12, 14, 16) dieser lami¬ nierten Vorrichtung (8) mittels wenigstens einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Vorrichtung (10) mit dem Kühlkörper (2) thermisch verknüpft ist.
2. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stromschiene (12, 14, 16) der laminierten Verschienung (8) mittels wenigstens einer Vorrichtung (10) mit dem Kühl- körper (2) thermisch leitend verbunden ist.
3. Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung (10) eine Stütze vorgesehen ist.
4. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung (10) mit der laminierten Vorrichtung (8) lösbar verbunden ist.
5. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende und thermisch leitende Vorrichtung (10) mit dem Kühlkörper (2) lösbar verbunden ist.
6. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laminierte Verschienung (8) wenigstens zwei Stromschienen (12, 14, 16) aufweist.
7. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlkörper (2) ein Luftkühlkörper vorgesehen ist.
8. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlkörper (2) ein Flüssigkeitskühlkö¬ per vorgesehen ist.
9. Stromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (4, 6) ein IGBT-Modul vorgesehen ist.
10. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (4, 6) ein MOSFET-Modul vorgesehen ist.
11. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungshalbleitermodul (4, 6) ein Dioden-Modul vorgesehen ist.
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