DE10340401A1 - Power converter arrangement e.g. for electrical drive systems, has devices for detecting actual current value arranged on modified component carrier - Google Patents

Abstract

A converter arrangement (10) in which the housing and terminal configuration is of a standard power semiconductor module with several component carriers and shunt resistors as measurement devices for detecting the actual current value. Compete measurement devices (15) for detecting the actual current value are arranged concentrated on a modified component carrier (13). The component carriers are specifically provided as the DCB-type.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a power converter arrangement according to the preamble of claim 1.

Ein elektrisches Antriebssystem besteht mindestens aus einem Motor, der elektrische Energie etwa aus dem Stromnetz aufnimmt und in Rotationsenergie umwandelt, und ggf. einem Getriebe. Bei größeren Antrieben oder wenn die Antriebsaufgabe anspruchsvoll ist, oder auch wenn nicht immer die maximale Antriebsleistung benötigt wird, werden heute meist geregelte oder drehzahlveränderliche Antriebe verwendet. Bei einem geregelten Antrieb wird der elektrische Motor über ein Leistungsstellglied betrieben, und eine Regelung sorgt dafür, dass gewünschte Prozessgrößen eingehalten werden. Ein elektronisches Leistungsstellglied ist meist als ein Gerät ausgeführt, welches die erforderliche Leistungselektronik sowie die zugehörige Signalverarbeitung enthält. Solche Geräte werden z.B. als "Stromrichter", "Wechselrichter" oder "Umrichter" bezeichnet, womit das gesamte Gerät und nicht nur der Leistungsteil gemeint ist.One electric drive system consists of at least one motor, the electrical energy absorbs about from the mains and into rotational energy converts, and possibly a transmission. For larger drives or if the Drive task is demanding, or even if not always the maximum Drive power required become, are today usually regulated or variable speed drives uses. In a regulated drive, the electric motor is turned on Power control operated, and a scheme ensures that the desired process sizes met become. An electronic power actuator is usually designed as a device which the required power electronics as well as the associated signal processing contains. Such devices are used e.g. referred to as "power converter", "inverter" or "inverter", which means the entire device and not just the power part is meant.

Die Leistungselektronik verwendet als Bauelemente Dioden, Thyristoren, Leistungstransistoren und insbesondere für hohe Schaltfrequenzen und kleine Spannungen MOSFETs sowie für große Leistungen mit nicht allzu großen Schaltfrequenzen IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). IGBTs stehen heute für hohe Spannungen (2kV), und Ströme zur Verfügung. In der Antriebstechnik hat der IGBT in den letzten Jahren eine große Verbreitung gefunden. Wechselrichter zum Betrieb von Asynchron- und Synchronmaschinen im Leistungsbereich von wenigen 100 W bis in den MW-Bereich werden heute fast ausschließlich mit IGBTs realisiert. The Power electronics uses as components diodes, thyristors, Power transistors and in particular for high switching frequencies and small Voltages MOSFETs as well as for size Achievements with not too big Switching frequencies IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). IGBTs stand for today high voltages (2kV), and currents to Available. In drive technology, the IGBT has been widely used in recent years found. Inverter for operating asynchronous and synchronous machines in the power range from a few 100 W to the MW range almost exclusively today realized with IGBTs.

Die Leistungsbauelemente werden in Modulen angeordnet, die Einzelschalter oder auch integrierte Schaltungsanordnungen enthalten können. Die Aufbau- und Verbindungstechnik der Module muss die erforderliche elektrische Isolation sowie kompakte, vorzugsweise flache, Bauform und gute thermische Eigenschaften gewährleisten. Gleichzeitig bestehen Anforderungen nach geringen Kosten für Materialien und Prozesse bei gleichzeitig hoher Langzeitzuverlässigkeit und geringer Ausfallrate. Außerdem sollte ein großes Leistungsspektrum mit möglichst wenigen Modulvarianten realisierbar sein.The Power components are arranged in modules, the individual switches or may also contain integrated circuit arrangements. The Assembly and connection technology of the modules must be the required electrical insulation and compact, preferably flat, design and ensure good thermal properties. Exist at the same time Demands for low cost of materials and processes with simultaneously high long-term reliability and low failure rate. Furthermore should be a big one Range of services with as possible few module variants can be realized.

Die eigentlichen Leistungsbauelemente werden durch die Hersteller in Gehäuse eingebracht, wobei die Anschlüsse der Chips mit den äußeren Anschlüssen der Gehäuse verbunden werden. Für die integrierten Schaltkreise bzw. Chips der Informationstechnologie sind die Abmessungen solcher Gehäuse und die Anordnungen der Kontakte standardisiert, so dass die Produkte verschiedener Hersteller problemlos austauschbar sind.The actual power components are manufactured by the manufacturer casing introduced, with the connections the chips with the outer terminals of the casing get connected. For the integrated circuits or chips of information technology are the dimensions of such housing and standardized the arrangements of contacts, so that the products different manufacturers are easily interchangeable.

Im Rahmen der Betriebssteuerung und -überwachung elektrischer Antriebe mit Stromrichteranordnungen der genannten Art ist die präzise und zuverlässige Erfassung des jeweils durch die Anordnung fließenden Strom-Istwertes ("Stromistwerterfassung") von erheblicher praktischer Bedeutung.in the Framework of operation control and monitoring of electric drives with converter arrangements of the type mentioned is the precise and reliable detection of each flowing through the arrangement current value ("current value detection") of considerable practical meaning.

Es ist bekannt, hierfür separate Bauteile – speziell zu diesem Zweck ausgebildete Nebenschlusswiderstände (Shunts) auf der entsprechenden Leiterplatte oder der Stromschiene, auf der die Stromrichteranordnung sitzt, anzuordnen. Bekannt sind auch spezielle Stromrichtermodule mit in das Gehäuse integrierten Shunts als Messmittel zur Erfassung des Strom-Istwertes. Es sind auch bereits einzelne IGBT-Module mit integrierten Nebenschlusswiderständen zur Erfassung des Strom-Istwertes ("Stromshunts") bekannt und kommerziell verfügbar. Diese sind auf einem Träger der Stromrichteranordnung, beispielsweise vom DCB-Typ, integral in eine vorgegebene Stromrichteranordnung eingefügt.It is known for this separate components - especially Shunts formed for this purpose on the corresponding shunts Printed circuit board or the busbar on which the power converter assembly sits, to arrange. Also known are special converter modules with in the housing integrated shunt as measuring means for the detection of the current actual value. There are already individual IGBT modules with integrated shunt resistors for Acquisition of the current actual value ("current shunt") known and commercially available. These are on a carrier the power converter assembly, for example, of DCB type, integral inserted in a given power converter arrangement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe der Bereitstellung einer verbesserten Stromrichteranordnung der gattungsgemäßen Art zugrunde, welche eine besonders kostengünstige Erfassung des Strom-Istwertes unter verschiedenen Anwendungsbedingungen ermöglicht.Of the Invention has the object of providing an improved Converter arrangement of the generic type based, which a particularly cost-effective Detecting the actual current value under different conditions of use allows.

Diese Aufgabe wird durch eine Stromrichteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These Task is by a power converter arrangement with the features of claim 1. Appropriate training of the inventive concept are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung geht aus von bekannten standardisierten Leistungshalbleiter-Modulen als Stromrichter, beispielsweise vom Typ Econo+ (Fa. Eupec/Fuji) oder Semix (Fa. Semikron), die jeweils mehrere parallel geschaltete Bauelementträger in unterschiedlicher Anzahl zur Abdeckung verschiedener Stromwertbereiche umfassen. Sie schließt den wesentlichen Gedanken ein, unter (äußerlich unveränderter) Nutzung des zugehörigen Gehäuses mit der vorgegebenen Anschlusskonfiguration einen der ursprünglichen Träger ("DCB") durch einen solchen mit den erforderlichen Messmitteln (Shunts) zu ersetzen.The The invention is based on known standardized power semiconductor modules as power converter, for example of the type Econo + (Eupec / Fuji) or Semix (Semikron), each of which is connected in parallel component carrier in different numbers to cover different current value ranges include. she closes the essential thoughts, under (externally unchanged) Use of the associated housing with the default port configuration one of the original carrier ("DCB") with such a replace the required measuring equipment (shunts).

Da Leistungshalbleiter-Module ohne integrierte Shuntwiderstände in deutlich höheren Stückzahlen produziert werden, sind diese Module günstiger als Sondertypen mit integrierten Widerständen. Verwendet man die Grundteile dieser Standardmodule (Gehäuse + Anschlusstechnik + bestückte DCBs) weiter und ersetzt nur eine DCB, profitiert man von den günstigen Preisen für die Grundteile. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Integration der Shunts in das Leistungshalbleiter-Modul, da weniger Verbindungen zu realisieren sind und weniger Komponenten verbaut werden müssen. Dies ergibt eine Kosteneinsparung durch weniger Material und geringerem Montageaufwand.Since power semiconductor modules are produced without integrated shunt resistors in significantly higher quantities, these modules are cheaper than special types with integrated resistors. If one uses the basic parts of these standard modules (housing + connection technology + equipped DCBs) and replaces only one DCB, one benefits from the low prices for the basic parts. A further advantage results from the integration of the shunts into the power semiconductor module, since fewer connections have to be made and fewer components have to be installed. This results in a cost savings through less material and less installation effort.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht an das Vorhandensein von Bauelementträgern vom DCB-Typ gebunden, sie ist aber für bekannte Stromrichteranordnungen mit diesem Trägertyp besonders leicht und vorteilhaft möglich.The execution The invention is not limited to the presence of DCB-type device carriers bound, but she is known for Converter arrangements with this type of carrier particularly light and advantageously possible.

In einer zweckmäßigen Fortbildung dieser Variante zeichnet sich die Stromrichteranordnung aus durch eine Mehrzahl von Halbbrücken-DCB-Trägern als reine Leistungshalbleiter-Bauelementträger und einem diesen zum Modulausgang hin nachgeschalteten Messmitte-DCB-Träger mit mehreren wahlweise belegbaren Einbauplätzen für jeweils einen Nebenschlusswiderstand.In appropriate training This variant is characterized by the converter arrangement a plurality of half-bridge DCB carriers as pure power semiconductor component carrier and this to the module output downstream measuring center DCB carrier with several optional assignable bays for each a shunt resistor.

In einem bekannten Typ von Stromrichteranordnung weist der Messmittel-DCB-Träger zur Erfassung von Strom-Istwerten bis 450 A vier Einbauplätze auf, wobei zur Erfassung von Stromwerten bis 150 A zwei Einbauplätze und von Stromwerten bis 300 A drei Einbauplätze belegt sind. Hierdurch wird eine besonders rationelle und kostengünstige Möglichkeit der Strom-Istwerterfassung bei einem sehr häufig eingesetzten Typ von Stromrichteranordnung für besonders gefragte Leistungsbereiche geboten.In a known type of power converter arrangement, the measuring means DCB carrier to Acquisition of current actual values up to 450 A, four bays, where to capture current values up to 150 A two bays and of current values up to 300 A three bays are occupied. hereby is a particularly rational and cost-effective way of current-value acquisition in a very frequently used Type of power converter arrangement for particularly requested service areas offered.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Realisierung der Erfindung nicht nur bei IGBT-Modulen, sondern grundsätzlich auch bei anderen Typen von Stromrichteranordnungen bzw. Leistungshalbleiter-Modulen möglich ist, für die eine Erfassung des Strom-Istwertes gefordert ist. Es können speziell auch Anordnungen mit Leistungsdioden oder Thyristoren in erfindungsgemäßer weise ausgestaltet sein.It it should be noted that the realization of the invention is not only with IGBT modules, but in principle also with other types of converter arrangements or power semiconductor modules is possible, for the a detection of the current actual value is required. It can be special too Arrangements with power diodes or thyristors in accordance with the invention be designed.

Zweckmäßigkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von diesen zeigen:expediencies and advantages of the invention will be apparent from the dependent claims as well as the following description of a preferred embodiment based on the figures. From these show:

1A bis 1C schematische Darstellungen dreier erfindungsgemäßer Stromrichteranordnungen einer Typenreihe für unterschiedliche Leistungsbereiche in Art einer Draufsicht und 2 eine schematische, synoptische Darstellung der elektrischen Schaltung einer Stromrichteranordnung gemäß 1A und 1B. 1A to 1C schematic representations of three inventive converter arrangements of a series for different power ranges in the manner of a plan view and 2 a schematic, synoptic representation of the electrical circuit of a power converter according to 1A and 1B ,

Die 1A bis 1C zeigen drei IGBT-Stromrichtermodule eines an sich bekannten Gehäusetyps für verschiedene Stromstärkebereiche, nämlich 75 A bis 150 A (1A), 150 A bis 300 A (1B) und 225 A bis 450 A (1C) mit Strom-Istwerterfassung über Stromshunts. Hiervon hat das Modul 10 aus 1A einen mit IGBTs bestückten DCB-Träger 11 und einen Standard-Shunt-DCB 13 mit zwei Stromshunts 15 in einem Standardgehäuse 17 mit standardisierter (nicht gesondert bezeichneter) Anschlusskonfiguration. Das in 1B gezeigte IGBT-Modul 20 hat zwei mit IGBTs bestückte DCB-Träger (Standard-Halbbrücken-DCB mit 75 A – 150 A Trench/ABB-Chip) 11 und einen Standard-Shunt-DCB 13', der mit drei Stromshunts 15 bestückt ist, in einem – entsprechend größeren Standardgehäuse 27. Das IGBT-Modul 30 aus 1C hat in einem nochmals größeren Standard-Gehäuse 37 drei mit IGBTs bestückte DCB-Träger 11 und einen mit vier Stromshunts 15 bestückten Standard-Shunt-DCB 13''.The 1A to 1C show three IGBT converter modules of a known housing type for different current ranges, namely 75 A to 150 A ( 1A ), 150 A to 300 A ( 1B ) and 225 A to 450 A ( 1C ) with current actual value detection via current shunts. This is what the module has 10 out 1A a DCB carrier equipped with IGBTs 11 and a standard shunt DCB 13 with two power shunts 15 in a standard housing 17 with standardized (not separately designated) connection configuration. This in 1B shown IGBT module 20 has two DCB carriers equipped with IGBTs (standard half-bridge DCB with 75 A - 150 A trench / ABB chip) 11 and a standard shunt DCB 13 ' that with three power shunts 15 equipped, in a - correspondingly larger standard housing 27 , The IGBT module 30 out 1C has in an even bigger standard case 37 three DCB carriers equipped with IGBTs 11 and one with four power shunts 15 equipped standard shunt DCB 13 '' ,

Der in allen drei Konfigurationen eingesetzte Standard-Shunt-DCB hat insgesamt vier Einbauplätze für Stromshunts 15, von denen also beim IGBT-Modul 10 für den kleinsten Leistungsbereich zwei freigelassen sind (symbolisiert durch diagonale Schraffur), während beim IGBT-Modul 20 für den mittleren Strombereich einer frei bleibt und bei dem IGBT-Modul 30 für den größten Strombereich alle besetzt sind.The standard shunt DCB used in all three configurations has a total of four bays for power shunts 15 , of which in the IGBT module 10 for the smallest power range two are left (symbolized by diagonal hatching), while in the IGBT module 20 for the middle current range one remains free and with the IGBT module 30 for the largest power range all are occupied.

In der dargestellten Anordnung werden Shunts mit einer Grundtoleranz von ± 5% oder besser und einem dR (T) von maximal 0,5% über den gesamten relevanten Temperaturbereich eingesetzt. Speziell werden sogenannte BVR-Shunts eingesetzt. Die ausgegebenen Spannungswerte sind an kommerziell verfügbare A/D-Wandler angepasst, und die Kontaktierung der Ansteuersignale und Strom-Istwerte erfolgt über Druckkontakte oder Löt stifte. Die Shuntspannung wird an zwei Abgriffen abgenommen. Hieraus ergibt sich, dass die Symmetrierung und TK-Kompensation modulintern zu erfolgen hat.In In the illustrated arrangement shunts with a basic tolerance are used of ± 5% or better and a dR (T) of no more than 0.5% over the entire relevant Temperature range used. In particular, so-called BVR shunts used. The output voltage values are on commercial available A / D converter adapted, and the contacting of the drive signals and actual current values are via Pressure contacts or solder pins. The shunt voltage is taken at two taps. From this results itself that the balancing and TK compensation module-internal too took place.

2 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild für die IGBT-Module aus 1A und 1B in einer synoptischen Darstellung, wobei die durchgezogenen Linien die Schaltungskonfiguration des Moduls 10 und die punktierten Linien die zusätzlichen Schaltungsteile des Moduls 20 bzw. freie Shunt-Einbauplätze darstellen. 2 shows a simplified electrical schematic for the IGBT modules 1A and 1B in a synoptic representation, where the solid lines represent the circuit configuration of the module 10 and the dotted lines the additional circuit parts of the module 20 or represent free shunt bays.

In Anpassung an 1B ist das Modul insgesamt mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet, und der obligatorische und fakultative Halbbrücken-DCB mit als Halbbrücke verschalteten IGBT-Chips 12a und parallelen Freilaufdioden 12b haben beide die Bezugsziffer 11. Eingangsseitig hat das Modul 20 einen Plus- und Minus-Anschluss 20a bzw. 20b und Steuerleitungen für die Leistungshalbleiter, die hiermit G1, G2, G11 und G12 bezeichnet sind. Das Modul hat einen einzelnen Ausgang 20c, und am Shunt-DCB 13 sind zwei Messabgriffe 13a, 13b für den Strom-Istwert vorgesehen.In adaptation to 1B is the module as a whole with the reference number 20 and the compulsory and optional half-bridge DCB with IGBT chips connected as a half-bridge 12a and parallel freewheeling diodes 12b both have the reference number 11 , On the input side, the module has 20 a plus and minus connection 20a respectively. 20b and tax leads for the power semiconductors, hereby designated G1, G2, G11 and G12. The module has a single output 20c , and at the shunt DCB 13 are two measuring taps 13a . 13b intended for the current actual value.

Mit 15 ist hier ein eingesetzter Shunt bezeichnet, und mit den Ziffern 16.1 und 16.2 ein erster und zweiter freier Einbauplatz zum Einsetzen eines ersten bzw. zweiten weiteren Stromshunts. (Bei der das durchgezeichnete und punktiert gezeichnete DCB-Halbbrückenmodul umfassenden Konfiguration wäre hierbei der Einbauplatz 16.1 mit einem dritten Stromshunt belegt.)With 15 Here is an inserted shunt, and with the numbers 16.1 and 16.2 a first and second free slot for inserting a first and second further power shunts. (In the case of the drawn through and dotted drawn DCB half-bridge module configuration, this would be the slot 16.1 occupied by a third power shunt.)

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel aufgrund einer bekannten und kommerziell verfügbaren IGBT-Modulkonfiguration beschränkt, sondern ebenso in anderen standardisierten Konfigurationen und anderen Kombinationen der Anspruchsmerkmale und oben hervorgehobenen Aspekte möglich.The execution The invention is not limited to this embodiment due to a known and commercially available IGBT module configuration limited, but also in other standardized configurations and others Combinations of claim characteristics and aspects highlighted above possible.

Claims (5)

Stromrichteranordnung (10; 20; 30) in der Gehäuse- und Anschlusskonfiguration eines Standard-Leistungshalbleiter-Moduls mit mehreren bestückten Bauelementträgern (11) und einer Mehrzahl von Nebenschlusswiderständen (15) als Messmitteln zur Erfassung des Strom-Istwertes, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Messmittel (15) zur Erfassung des Strom-Istwertes auf einem modifizierten Bauelementträger (13; 13'; 13'') konzentriert angeordnet sind.Converter arrangement ( 10 ; 20 ; 30 ) in the housing and terminal configuration of a standard power semiconductor module having a plurality of populated component carriers ( 11 ) and a plurality of shunt resistors ( 15 ) as measuring means for detecting the actual current value, characterized in that all measuring means ( 15 ) for detecting the current actual value on a modified component carrier ( 13 ; 13 '; 13 '' ) are concentrated. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Vorsehen von Bauelementträgern (11) vom DCB-Typ.Converter arrangement according to Claim 1, characterized by the provision of component carriers ( 11 ) of the DCB type. Stromrichteranordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Halbbrücken-DCB-Trägern (11) als reine Leistungshalbleiter-Bauelementträger und einem diesen zum Modulausgang hin nachgeschalteten Messmittel-DCB-Träger (13; 13'; 13'') mit mehreren, wahlweise belegbaren Einbauplätzen (16.1, 16.2) für jeweils einen Nebenschlusswiderstand (15).Converter arrangement according to Claim 2, characterized by a plurality of half-bridge DCB carriers ( 11 ) as a pure power semiconductor component carrier and a measuring device DCB carrier connected downstream of said module output ( 13 ; 13 '; 13 '' ) with several, alternatively assignable bays ( 16.1 . 16.2 ) for each one shunt resistor ( 15 ). Stromrichteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messmittel-DCB-Träger (13; 13'; 13'') zur Erfassung von Strom-Istwerten bis 450 A vier Einbauplätze aufweist, wobei zur Erfassung von Stromwerten bis 150 A zwei Einbauplätze und von Stromwerten bis 300 A drei Einbauplätze belegt sind.Converter arrangement according to Claim 3, characterized in that the measuring device DCB carrier ( 13 ; 13 '; 13 '' ) has four bays for the acquisition of current actual values up to 450 A, whereby two bays are occupied to record current values up to 150 A and three bays for current values up to 300 A. Stromrichteranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücken-DCB-Träger (11) mit IGBTs (12a), Leistungsdioden oder Thyristoren bestückt sind.Converter arrangement according to Claim 3 or 4, characterized in that the half-bridge DCB carriers ( 11 ) with IGBTs ( 12a ), Power diodes or thyristors are populated.