Ein
gattungsgemäßer Stromrichter
ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster 91 07 692 bekannt. Ein Ersatzschaltbild
dieses gattungsgemäßen Stromrichters
ist in der 1 näher dargestellt.
Gemäß diesem
Ersatzschaltbild besteht der Stromrichter 2 aus drei Phasenbausteinen 4, 6 und 8 die
jeweils zwei elektrisch in Reihe geschaltete Halbleiter-Leistungsmodule
LM1, LM2 bzw. LM3, LM4 bzw. LM5, LM6 aufweisen. Die Verknüpfungspunkten
jeweils zweier Halbleiter-Leistungsmodule LM1, LM2 bzw. LM3, LM4
bzw. LM5, LM6 bilden einen Ausgangs-Anschluss R bzw. S bzw. T. Als Halbleiter-Leistungsmodule
LM1 bis LM6 sind in diesem Ersatzschaltbild jeweils abschaltbare
Halbleiterschalter T1 bis T6, insbesondere Insulated-Gate-Bipolare-Transistoren,
vorgesehen. Als abschaltbare Halbleiterschalter T1 bis T6 können auch
Transistoren oder MOSFETs verwendet werden. Gemäß dem Gebrauchsmuster 91 07
692 sind diese einzelne Halbleiter-Leistungsmodule LM1 bis LM6 in
zwei beabstandeten Reihen auf einen Kühlkörper angeordnet.
Jedem
abschaltbaren Halbleiterschalter T1 bis T6 ist eine Ansteuereinheit
GU1 bis GU6, auch als Gate Unit bezeichnet, zugeordnet. Jede dieser Ansteuereinheiten
GU1 bis GU6 ist mit zwei Steueranschlüssen G1, E1 bis G6, E6 eines
korrespondierenden Halbleiterschalters T1 bis T6 elektrisch leitend
verbunden. Am Steuereingang einer jeden Ansteuereinheit GU1 bis
GU6 steht ein Steuersignal S1 bis S6 an, die von einer Steuer- und
Regeleinrichtung 10 des Stromrichters 2 zugeführt werden.
Gleichspannungsseitig ist ein Zwischenkreis-Kondensator 12 vorgesehen,
dem elektrisch parallel eine Einspeiseschaltung 14 geschaltet
ist. Als Einspeiseschaltung 14 kann ein ungesteuerter Gleichrichter,
ein netzgeführter
Stromrich ter oder ein selbstgeführter Pulsstromrichter
vorgesehen sein. Aufgabe der Einspeiseschaltung 14 ist,
aus einer vorhandenen Netzspannung, die ein- oder dreiphasig sein
kann, eine Gleichspannung UZW zu generieren,
die vom Zwischenkreiskondensator 12 gepuffert wird. In
Abhängigkeit
der anstehenden Netzspannung variiert diese Zwischenkreis-Gleichspannung
UZW beispielsweise zwischen 155V und 920V.
Gemäß dem genannten
Gebrauchsmuster sind die sechs Ansteuereinheiten GU1 bis GU6 auf einer
Leiterplatte angeordnet, die außerdem
eine getaktete Stromversorgung und eine Kontakteinheit aufweist.
Ebenfalls weist diese Leiterplatte zwei gegenüberliegende bauelementefreie
Randbereiche auf, die mit Befestigungsbohrungen versehen sind. Die
Lage dieser Befestigungsbohrungen sind von den Steueranschlüssen G1,
E1 bis G6, E6 der verwendeten Halbleiter-Leistungsmodulen LM1 bis
LM6 abhängig.
Diese Leiterplatte wird derart auf die Steueranschlüsse G1,
E1 bis G6, E6 der in zwei Reihen angeordneten Halbleiter-Leistungsmodulen
LM1 bis LM6 angeordnet und mit diesem verschraubt, dass deren Bauteil
in zwischen den beiden Reihen gebildeten Raum hineinragen, wodurch
der Stromrichter einen sehr kompakten Aufbau erhält.
Die
Steueranschlüsse
E1 bis E6 der Halbleiter-Leistungsmodulen LM1 bis LM6 bilden jeweils
ein Bezugspotential einer korrespondierenden Ansteuereinheit GU1
bis GU6. Das Bezugspotential der drei unteren Ansteuereinheiten
GU2, GU4 und GU6 ist das Potential der Minusschiene eines den Zwischenkreis-Kondensator 12 umfassenden
Gleichspannungs-Zwischenkreises, wogegen das Bezugspotential der
drei oberen Ansteuereinheiten GU1, GU3 und GU5 jeweils das Ausgangspotential
eines Phasenbausteins 4, 6 und 8 ist.
Bei einer Zwischenkreis-Gleichspannung UZW von
beispielsweise 1000V liegt das Bezugspotential der unteren Ansteuereinheiten
GU2, GU4 und GU6 auf –500V,
wogegen das Bezugspotential der oberen Ansteuereinheiten GU1, GU3
und GU5 auf +500V bzw. –500V
liegt. Demgegenüber
befindet sich das Bezugspotential der Steuer- und Regeleinrichtung 10 auf
Erdpotential.
Da
die Bezugspotentiale der Ansteuereinheiten GU1 bis GU6 nicht gleich
dem Bezugspotential der Steuer- und Regeleinrichtung 10 ist,
müssen
die generierten Steuersignale S1 bis S6 potentialgetrennt zu den
korrespondierenden Ansteuereinheiten GU1 bis GU6 übertragen
werden. Diese potentialfreie Übertragung
sollte eine geringe Laufzeit, ein hohes Isolationsvermögen, eine
hohe Störfestigkeit
und eine hohe Schnelligkeit aufweisen. Diese Anforderungen können zur
Zeit nur von Lichtwellenleitern erfüllt werden. Ein Nachteil dieser
Lichtwellenleiter sind die Kosten und der Montageaufwand. Die hohen Kosten
entstehen dadurch, dass zur Ein- und Auskopplung optischer Signale
an den Enden eines jeden Lichtwellenleiters präzise und teure Steckverbinder
vorgesehen sein müssen.
Aus
der Veröffentlichung "Backplanes für Elektronen
und Photonen" von
Bernd Eifer, abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Elektronik", 2003, Heft 9, Seiten 86 bis 89, ist
eine elektro-optische Rückwand-Leiterplatte
für Hochgeschwindigkeitsanwendungen
bekannt. Eine derartige elektro-optische Rückwand-Leiterplatte, auch als
Backplane bezeichnet, ist für
eine sichere Signalübertragung
mit einer hohen Datenrate jeweils von 10 Gbit/s vorgesehen. Im Innern
dieser elektrooptischen Leiterplatte sind Lichtwellenleiter eingeschlossen,
die jeweils an den Enden jeweils einen Mikrospiegel aufweisen. Außerdem weist
dieser elektro-optische Backplane im Bereich der Mikrospiegel jeweils
ein Linsensystem auf, von dem eine Linse auf der Backplane angeordnet ist.
Durch die Verwendung dieses Linsensystems erhält man eine höhere Toleranz
bei der Justierung der koppelnden Bauelementen, wobei diese Verbindung sich
deutlich unempfindlicher gegenüber
Verschmutzungen erweist. Die Oberflächen dieser elektro-optischen
Bachplane können
mit Bauelementen bestückt werden.
Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisherigen
Lösung
zur potentialfreien Übertragung
von Signalen zu beheben.
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch,
dass die Ansteuer-Leiterplatte eine elektro-optische Leiterplatte
ist, verringert sich der Montageaufwand erheblich. Da ebenfalls
keine präzisen
und teueren optischen Steckverbinder mehr benötigt werden, ist der Kostenanteil
erheblich verringert worden. Somit besteht die Erfindung in der
Verwendung einer bekannten elektro-optischen Backplane als Ansteuer-Leiterplatte
für die
Halbleiter-Leistungsmodule eines Stromrichters, wobei jedes Linsensystem
dieser bekannten elektro-optischen Backplane empfangsseitig mit
einem Signaleingang einer Ansteuereinheit und sendeseitig mit einer
Kontakteinheit der Ansteuer-Leiterplatte verknüpft sind.
Gegenüber einer
Ansteuer-Leiterplatte mit Opto-Kopplern als potentialfreies Übertragungssystems
liegen Sende- und Empfangsteile nicht mehr eng benachbart zusammen,
sondern können
beliebig voneinander auf der Ansteuer-Leiterplatte positioniert
werden. Deren optische Verbindung wird von einem im Innern der elektro-optischen
Backplane verlegten Lichtwellenleiter übernommen. Die Länge dieses
Lichtwellenleiters richtet sich nach einem geforderten Isolationsvermögen. Da
die Länge
vorrangig durch konstruktive Gegebenheiten festgelegt wird und dieses
Maß wesentlich
größer ist
als das Maß der
Länge hinsichtlich
des Isolationsvermögens,
wird die Forderung nach dem Isolationsvermögen immer erfüllt. Damit
ist man auch freier bei der Konstruktion des Stromrichters.
Gegenüber einer
Ansteuer-Leiterplatte mit Lichtwellenleiter als potentialfreies Übertragungssystems
sind deren Sende- und Empfangsteile nicht mehr räumlich voneinander getrennt,
sondern gemeinsam auf der Ansteuer-Leiterplatte angeordnet. Beim herkömmlichen Übertragungssystem
befindet sich die Empfangsteile auf der Ansteuer-Leiterplatte, wogegen
die Sendeteile in der Steuer- und Regeleinrichtung des Stromrichtergerätes integriert
sind. Die optische Verbindung wird bei der Montage der Lichtwellenleiter
hergestellt. Dazu müssen
die Enden eines jeden Lichtwellenleiters mit einem präzisen und optischen
Steckverbinder ausgestattet sein.
Die
Verwendung der bekannten elektro-optischen Backplanes als Ansteuer-Leiterplatte
verbindet die gemeinsame Platzierung von Sende- und Empfangsteilen
des potentialfreien Übertragungssystems
wie bei Optokopplern mit der hohen Isolationsfestigkeit wie bei
der Verwendung von Lichtwellenleitern.
Diese
elektro-optische Backplane kann ebenso wie die bekannte Ansteuer-Leiterplatte
mit Bauelementen der mehreren Ansteuereinheiten GU1 bis GU6 bestückt und
untereinander elektrisch verbunden werden. Der Montageaufwand beschränkt sich
darin, dass diese erfindungsgemäße Ansteuer-Leiterplatte
wie gehabt mit den Steueranschlüssen
G1, E1 bis G6, E6 der Halbleiter-Leistungsmodulen
LM1, ..., LM6 des Stromrichters 2 verschraubt wird.