DE4338277A1 - Flüssigkeitsgekühltes Stromrichtermodul mit Beschaltungsbauelementen für abschaltbare Leistungshalbleiter - Google Patents
Flüssigkeitsgekühltes Stromrichtermodul mit Beschaltungsbauelementen für abschaltbare LeistungshalbleiterInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein flüssigkeitsgekühltes -
vorzugsweise H₂O-gekühltes (Brauchwasser oder Reinwasser) -
Stromrichtermodul mit Beschaltungsbauelementen für einen
abschaltbaren Leistungshalbleiter und kann beispielsweise
in stromrichtergespeisten Schienenfahrzeugen verwendet wer
den.
Ein solches flüssigkeitsgekühltes Stromrichtermodul mit Be
schaltungsbauelementen für einen abschaltbaren Leistungs
halbleiter ist aus der DE 40 08 425 A1 bekannt. Bei dem
dort vorgeschlagenen, vorzugsweise ölgekühlten Stromrich
termodul befinden sich außer einem GTO-Spannverband
(Gate-turn-off-Thyristoren) GTO-Beschaltungsbauelemente
(z. B. Kondensatoren, Drosseln, Widerstände, Dioden) im Ge
häuseinnern. Die GTO-Beschaltungsbauelemente werden dabei
von der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit umspült und
gekühlt. Bei Einsatz von Brauchwasser als Kühlflüssigkeit
ist diese bekannte und bewährte Technik aufgrund der elek
trischen Leitfähigkeit des Brauchwassers nicht einsetzbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flüssigkeits
gekühltes Stromrichtermodul mit Beschaltungsbauelementen
für einen abschaltbaren Leistungshalbleiter der eingangs
genannten Art anzugeben, bei dem kurze, eng beabstandete
und induktivitätsarme Verbindungen zwischen den Beschal
tungsbauelementen untereinander und zwischen Beschaltungs
bauelementen und abschaltbaren Leistungshalbleitern auch
bei Einsatz einer elektrisch leitfähigen Kühlflüssigkeit
realisiert sind.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des
Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe
sondere darin, daß durch die Integration von elektrischen
Verbindungsschienen im Isolierbaugruppenträger trotz des
Einsatzes einer elektrisch leitfähigen Kühlflüssigkeit sehr
kurze, eng beabstandete, starre und induktivitätsarme Ver
bindungen in Bifilartechnik zwischen den einzelnen Beschal
tungsbauelementen und zwischen Beschaltungsbauelementen und
abschaltbaren Leistungshalbleitern realisiert sind, was die
Schaltfähigkeit von GTO-Thyristoren und Dioden verbessert.
Die durch die Verschienung erzeugte Induktivität ist ein
deutig und exakt berechenbar und nicht durch Montageein
flüsse - beispielsweise flexible Leitungsführungen - verän
derbar. Zudem wird die Montage der Beschaltungsbauelemente
selbst wesentlich erleichtert und eine fehlerhafte "Verka
belung" ist ausgeschlossen. Die zur Spannungsfestigkeit
notwendigen Kriechstrecken und Isolationsabstände sind ex
akt- berechenbar und durch spezielle Ausbildung des Isolier
baugruppenträgers - beispielsweise mit Rippen - einfach re
alisierbar.
Durch den Einsatz von Feststoffisolation zwischen den
Stromrichterschienen und Bauelemente-Verbindungen und gegen
Erde, d. h. gegen Gehäusekomponenten aus elektrisch leitfä
higem Material werden die erforderlichen räumlichen Ab
stände im Vergleich zur üblichen Luftstrecken-Isolation
drastisch reduziert. Es ergibt sich eine Volumenreduktion
um den Faktor 2 bis 3 im Vergleich zur üblichen Technik.
Diese Volumenreduktion bewirkt eine Gewichtsreduktion und
eine Kostenreduktion.
Vorzugsweise richtet sich die Auslegung der Kriechstrecken
und Isolationsabstände nach der maximalen Betriebsspannung,
so daß ein- und derselbe Isolierbaugruppenträger universell
sowohl für hohe als auch für niedrigere Spannungen einsetz
bar ist. Durch die Integration der elektrischen Verschie
nung im Isolierbaugruppenträger sind die Isolationsabstände
zudem im Vergleich zu einer offenen, zugänglichen Bauweise
drastisch reduziert, wie bereits erwähnt.
Zur Kühlung von wärmeproduzierenden Beschaltungsbauelemen
ten sind die Bauelemente des Stromrichtermoduls nicht in
eine Kühlflüssigkeit eingetaucht, sondern es ist ein Kühl
flüssigkeitskreislauf vorgesehen, bei dem die Kühlflüssig
keit - vorzugsweise Brauchwasser mit Frostschutzmittel - in
Kanälen zwischen einem externen Rückkühler und verschiede
nen Kühleinrichtungen innerhalb des Stromrichtermoduls zur
Kühlung wärmeproduzierender Bauelemente zirkuliert. In die
sen Kühlkreislauf ist der Isolierbaugruppenträger über sei
nen Kühler integriert, der über Isoliermaterial im direkten
Wärmekontakt mit wärmeproduzierenden Bauelementen - vor
zugsweise Dioden, Schienen, Steckkontakten - steht. Weitere
Bauelemente, wie Drosseln, Beschaltungswiderstände, weisen
eine eigene Kühleinrichtung auf, die ebenfalls an den Kühl
flüssigkeitskreislauf angeschlossen ist.
Der vorgeschlagene Isolierbaugruppenträger ist universell
für Stromrichtermodule mit 1, 2, 3, 4, 5 oder mehr Phasen
einsetzbar, wobei ein Isolierbaugruppenträger alle für eine
Phase notwendigen Baukomponenten trägt und je nach Phasen
anzahl mehrere Isolierbaugruppenträger zu einem Isolierbau
gruppenträger-Verband zusammengesetzt werden, der über die
Zwischenkreisschiene oder Kühlschiene verbunden werden
kann. Bei einem Isolierbaugruppenträger-Verband für ein
mehrphasiges Stromrichtermodul sind zudem keine zusätzli
chen raum- und phasenteilenden Mechanikteile erforderlich,
was gewichts-, raum- und kostensparend ist und zu einem
sehr kompakten Aufbau des Moduls führt. Insgesamt ist der
Isolierbaugruppenträger sehr flexibel an unterschiedliche
Anforderungen anpaßbar. Sowohl die Herstellung als auch die
Ersatzteilbevorratung ist stark vereinfacht - wodurch sich
Kostenvorteile ergeben -, da als Grundbauform lediglich der
bereits alle Schaltungsbauelemente für eine Phase enthal
tende Isolierbaugruppenträger benötigt wird und jeder Iso
lierbaugruppenträger-Verband aus diesen Grundbauformen
besteht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen gekennzeichnet.
Dabei sind insbesondere die Alternativen mit anteilig in
die Isolierbaugruppenträger integrierten Zwischenkreis
schienen vorteilhaft. Es ergibt sich eine Raumeinsparung,
da zusätzliche Zwischenkreisschienen außerhalb des Strom
richtermoduls entfallen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Sicht auf die Vorderseite eines Iso
lierbaugruppenträgers,
Fig. 2 eine Sicht auf die Stirnseite eines Iso
lierbaugruppenträgers,
Fig. 3 eine Sicht auf die Rückseite eines Isolier
baugruppenträgers,
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Isolierbaugruppen
trägers,
Fig. 5 einen seitlichen Schnitt durch einen Iso
lierbaugruppenträger längs einer Schnitt
linie A-A,
Fig. 6 die Leistungsstrompfadverschienung des Iso
lierbaugruppenträgers,
Fig. 7 eine Sicht auf die Stirnseite eines Iso
lierbaugruppenträger-Verbandes,
Fig. 8, 9 eine Sicht auf die Vorderseite sowie eine
Seitenansicht eines Isolierbaugruppenträ
gers gemäß einer ersten Alternative,
Fig. 10, 11 eine Sicht auf die Vorderseite sowie eine
Seitenansicht eines mit Baukomponenten be
stückten Isolierbaugruppenträgers gemäß ei
ner ersten Alternative,
Fig. 12, 13 eine Sicht auf die Vorderseite sowie eine
Seitenansicht eines Isolierbaugruppenträ
gers gemäß einer zweiten Alternative,
Fig. 14, 15 eine Sicht auf die Vorderseite sowie eine
Seitenansicht eines mit Baukomponenten be
stückten Isolierbaugruppenträgers gemäß ei
ner zweiten Alternative,
Fig. 16 die Leistungsstrompfadverschienung des Iso
lierbaugruppenträgers gemäß erster Alterna
tive,
Fig. 17, 18 unterschiedliche Möglichkeiten der elektri
schen Verbindung benachbarter Isolierbau
gruppenträger.
In Fig. 1 ist eine Sicht auf die Vorderseite eines Iso
lierbaugruppenträgers dargestellt. Der Isolierbaugruppen
träger wird vorzugsweise als Guß- oder Druckgußteil aus
hochwertigem Isoliermaterial, wie Epoxyharz oder Poly
esterharz hergestellt. Im Isolierkörper sind die elektri
schen Verbindungsschienen vorwiegend zur Verschienung der
GTO-, Dioden- und Thyristorbauelemente integriert (Lei
stungsstrompfadverschienung) und vorzugsweise spaltfrei und
lückenlos "eingegossen" (hermetisch isolierte "Starkstrom
platine"). Diese Verbindungsschienen sind vorzugsweise bi
filar ausgebildet und haben minimal mögliche Längen und
Abstände zueinander, um einerseits eine induktivitätsarme
Verschienung zu erzielen und andererseits den Isolierbau
gruppenträger möglichst kompakt zu gestalten. Wesentlich
ist, daß die Bauelemente-Verbindungen und Schienen herme
tisch und lückenlos von Isoliermaterial umschlossen sind,
um die Volumenreduktion zu erzielen.
Auf der Vorderseite des Isolierbaugruppenträgers 1 sind
eingegossene Steckkontaktbuchsen 2 für die Steckkontakte
eines Spannverbandes (bestehend aus abschaltbaren Lei
stungshalbleitern, Kühldosen und gegebenenfalls weiteren
Bauelementen, wie Widerständen), eingegossene Steckkontakt
buchsen 3 zum bedarfsweisen elektrischen Anschluß von in
nerhalb des Spannverbandes befindlichen, mit Kühldosen
thermisch kontaktierten Widerständen, mehrere eingegossene
Stützpunkte 4 zur mechanischen Fixierung des Spannverban
des, eingegossene Steckkontaktbuchsen 5 zum elektrischen
Anschluß von Drosseln, Durchbrüche 6 (Aussparungen) zur
teilweisen Durchführung von Drosseln sowie mehrere einge
gossene Befestigungspunkte 7 zur mechanischen Befestigung
des Isolierbaugruppenträgers am Gehäuse bzw. Rahmen des
Stromrichtermoduls zu erkennen.
Die gestrichelt angedeutete, in die elektrisch isolierende
Gießharzmasse des Isolierbaugruppenträgers eingebettete
Leistungsstrompfadverschienung 8 dient zur galvanisch lei
tenden Verbindung zwischen einzelnen Bauteilen des Strom
richtermoduls untereinander. An der Stirnseite des Isolier
baugruppenträgers befindliche Steckkontaktbuchsen 9 dienen
zum Anschluß von Wandlern/Toroiden.
In Fig. 2 ist eine Sicht auf die Stirnseite eines Isolier
baugruppenträgers dargestellt. Es sind insbesondere die
eingegossenen Steckkontaktbuchsen 9 sowie die eingegossenen
Befestigungspunkte 10 für Wandler/Toroide zu erkennen. Mit
Ziffer 7 sind wiederum eingegossene Befestigungspunkte zur
Montage des Isolierbaugruppenträgers 1 am Rahmen des Strom
richtermoduls bezeichnet. Der Isolierbaugruppenträger weist
einen integrierten Kühler auf, der in Wärmekontakt mit wär
meproduzierenden Bauelementen - vorzugsweise Beschaltungs
dioden - steht. Die hydraulischen Anschlüsse 11 (Vor
lauf/Rücklauf) des Kühlers sind an der Stirnseite des Iso
lierbaugruppenträgers zugänglich und über Dichtringe an
eine Kühlschiene anflanschbar.
In Fig. 3 ist eine Sicht auf die Rückseite eines Isolier
baugruppenträgers dargestellt. Der Isolierbaugruppenträger
1 weist Aufnahmetaschen 12 für Speicherkondensatoren sowie
eingegossene Steckkontaktbuchsen 13 innerhalb dieser Ta
schen für den elektrischen Anschluß der Speicherkondensato
ren auf. Die Montage der Speicherkondensatoren erfolgt über
einen Kondensatordeckel, der über eingegossene Befesti
gungspunkte 14 mit dem Isolierbaugruppenträger verbunden
wird. Ferner sind eingegossene Steckkontaktbuchsen 15 zur
elektrischen Kontaktierung eines RC-Gliedes (Beschaltungs
bauelement für GTO-Thyristor) sowie die Steckkontaktbuchsen
3 zur Kontaktierung von Widerständen zu erkennen. Die
Steckkontaktbuchsen 3 sind durchgängig von der Vorderseite
zur Rückseite, so daß der Isolierbaugruppenträger universell
sowohl für innerhalb des Spannverbandes angeordnete
Widerstände kleinerer Leistung (elektrischer Anschluß er
folgt über Steckkontaktbuchsen 3 der Vorderseite) als auch
für separat innerhalb des Stromrichtermoduls befindliche
Widerstände größerer Leistung (elektrischer Anschluß er
folgt über Steckkontaktbuchsen 3 der Rückseite) geeignet
ist.
Fig. 3 zeigt ferner die im Gießharz integrierte Leistungs
strompfadverschienung 8, die Befestigungspunkte 7 zur me
chanischen Befestigung des Isolierbaugruppenträgers, die
Durchbrüche 6 für die Drosseln sowie die eingegossenen
Steckkontaktbuchsen 5 für den elektrischen Anschluß der
Drosseln. Die Aussparung 26 (Aufnahmetasche) ermöglicht den
präzisen Sitz der vorzugsweise zu einer Einheit mit einer
Kühlvorrichtung vormontierten Drosseln. Die Drosselmontage
erfolgt über eingegossene Befestigungspunkte 27, wobei die
Befestigungspunkte 7 und 27 zumindest teilweise zusammen
fallen können.
In Fig. 3 ist ferner eine am Grunde einer Aufnahmetasche
17 für Beschaltungsdioden befindliche Kühler-Kontaktfläche
16 des vorstehend bereits erwähnten eingegossenen Kühlers
(siehe Ziffer 20 gemäß Fig. 5) zu erkennen. Sowohl der
elektrische Anschluß als auch die Montage der Beschaltungs
dioden erfolgt über elektrische Kontaktflächen 18 für Di
odenanschluß mit integrierten Gewindebohrungen. Die elek
trische Isolierung zwischen dem elektrisch geerdeten Kühler
und den Beschaltungsdioden erfolgt mittels gut wärmeleiten
der Isolierscheiben - vorzugsweise AlN-Scheiben -, die auf
die Kühler-Kontaktflächen gelegt sind. Über den Beschal
tungsdioden sind zweckmäßig Beschaltungskondensatoren ange
ordnet, deren elektrischen Anschlüsse einmal über eingegos
sene Steckkontaktbuchsen 19 erfolgt und zum anderen mittels
einer nicht gezeigten Direktkontaktierung im Kondensator
deckel. Der Kondensatordeckel ist an Befestigungspunkten
14′ montiert.
Allgemein ist es von Vorteil, daß die zylinderförmigen Kon
densatoren und die Drosseln bezüglich ihrer Hauptachsen
rechtwinklig zum Isolierbaugruppenträger angeordnet sind.
Hierdurch können ohne Änderung des Isolierbaugruppenträgers
wahlweise Beschaltungsbauelemente unterschiedlicher Nenn
werte, wie Spannung, Kapazität, Induktivität usw. und damit
unterschiedlicher Baulänge eingesetzt werden, um Stromrich
termodule unterschiedlicher Art (Spannungsklassen, Lei
stung) zu schaffen.
In Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines Isolierbaugruppen
trägers 1 dargestellt. Es sind die eingegossenen Steckkon
taktbuchsen 2, 3, 5, 9, 13, 15, 19, der eingegossene Stütz
punkt 4, der Befestigungspunkt 27 sowie die Aufnahmetasche
12 für Speicherkondensatoren zu erkennen.
In Fig. 5 ist ein seitlicher Schnitt durch einen Isolier
baugruppenträger längs einer Schnittlinie A-A dargestellt.
Die Schnittlinie A-A ist in den Fig. 1 und 3 gezeigt.
Insbesondere ist die Integration der Leistungsstrompfadver
schienung 8 innerhalb des Isolierbaugruppenträgers 1 deut
lich zu erkennen. Die Leistungsstrompfadverschienung 8 wird
vorzugsweise mit Polyimid beschichtet und erst anschließend
im Gießharz eingegossen, wodurch sich eine elastische Ein
bettung ergibt. Im einzelnen zeigt Fig. 5 eingegossene
Steckkontaktbuchsen 2, 5, 9, 13, einen Befestigungspunkt 7,
einen Stützpunkt 4 und den integrierten Kühler 20, dessen
hydraulischer Anschluß 11 bereits unter Fig. 2 erwähnt
ist.
In Fig. 6 ist die Leistungsstrompfadverschienung 8 des
Isolierbaugruppenträgers vor dem Einguß dargestellt. Um
nachteiligen Wirkungen des "Skineffekts" (beispielsweise
ungleichmäßige Erwärmung der stromführenden Leiter) zu be
gegnen, sind die einzelnen Stromschienen geschichtet aufge
baut. Die Steckkontaktbuchsen, wie beispielsweise 2, 5, 9
sind galvanisch leitend mit den Stromschienen verbunden.
In Fig. 7 ist eine Sicht auf die Stirnseite eines Isolier
baugruppenträger-Verbandes schematisch dargestellt. Durch
einen derartigen Isolierbaugruppenträger-Verband wird ein
mehrphasiges Stromrichtermodul geschaffen. Der Isolierbau
gruppenträger-Verband 25 weist mehrere Isolierbaugruppen
träger 1, 21, 22, 23 auf, die derart nebeneinander angeord
net und mit dem Rahmen des Stromrichtermoduls verbunden
sind, daß die hydraulischen Anschlüsse 11 an eine gemein
same, durchgängige Kühlschiene 24 anflanschbar sind. Die
Steckkontaktbuchsen 9 für externe Wandler liegen aufgereiht
nebeneinander, so daß ein sehr einfacher externer Anschluß
des Stromrichtermoduls ermöglicht wird.
Damit die Kühlschiene nicht nur Dioden, sondern die ge
samten Isolierbaugruppenträger kühlt, kann sich elastische
Wärmeleitpaste zwischen der Kühlschiene und den Isolierbau
gruppenträgern befinden.
Die vorstehend erwähnten Aufnahmetaschen 12, 17, 26 sind
derart ausgebildet, daß ein abgedichteter, rüttelfester
Einbau der Bauelemente (insbesondere Kondensatoren, Dioden,
Drosseln) unterstützt wird. Dichtringe an den Seitenwandun
gen der Aufnahmetaschen stellen eine elastische und abge
dichtete mechanische Verbindung sicher. Das Eindringen von
Feuchtigkeit wird verhindert und Kriechwege werden verlän
gert. Eine ähnliche Montagetechnik kann auch bei den Steck
kontaktbuchsen erfolgen, indem die Anpreßkraft zwischen
Steckkontakten und Buchsen durch einen elastischen O-Ring
erhöht wird. Zudem ergibt sich ein Schutz vor Staub und
Schmutz, wodurch sich eine dauerhafte Isolation der elek
trischen Kontakte ergibt. Zur Kriechwegerhöhung und damit
zur Erhöhung der maximal anlegbaren Spannung sind zwischen
den Steckkontaktbuchsen mit unterschiedlichen Potentialen
jeweils Rippenkonturen am Isolierbaugruppenträger vorgese
hen.
Bei einer ersten Variante des Isolierbaugruppenträgers sind
die Toroide/Durchführungen gesteckt und damit nicht inte
graler Bestandteil des Isolierbaugruppenträgers selbst. In
den Fig. 2, 3, 4, 5 und 7 ist diese Variante gestrichelt
angedeutet, wobei die Steckbuchse des Toroid/Wandlers mit
Ziffer 28 bezeichnet ist.
Bei einer zweiten Variante des Isolierbaugruppenträgers
entfällt der die Drosseln tragende Abschnitt des Isolier
baugruppenträgers, während der Isolierbaugruppenträger im
übrigen unverändert bleibt. Diese Variante ist für lei
stungsschwächere Stromrichtermodule geeignet, bei denen
keine leistungsstarken, flüssigkeitsgekühlten Drosseln er
forderlich sind.
Bei einer dritten Variante des Isolierbaugruppenträgers be
findet sich der hydraulische Anschluß für den Kühler nicht
mehr an der Stirnseite, sondern an der Vorderseite in der
Nähe der Spannverband-Montagepunkte. Diese Variante wird
vorzugsweise eingesetzt, wenn keine flüssigkeitsgekühlte
Drosseln erforderlich sind (siehe zweite Variante).
Bei einer vierten Variante sind die Verbindungen zwischen
der Kühlschiene und den einzelnen Isolierbaugruppenträgern
derart massiv ausgebildet, daß der Isolierbaugruppenträ
ger-Verband durch die Kühlschiene mechanisch verstärkt
wird, wobei die Kühlschiene quasi als zusätzlicher mechani
scher Gerüstträger dient.
In Fig. 8 ist eine Sicht ,auf die Vorderseite eines Iso
lierbaugruppenträgers 29 gemäß einer ersten Alternative
dargestellt. Bei dieser ersten Alternative - die in den Fig.
8 bis 11 gezeigt ist - sind im Unterschied zur Grund
bauform gemäß den Fig. 1 bis 6 zusätzlich die Zwischen
kreisschienen einer Stromrichterkonfiguration Gleichrichter
- Zwischenkreis - Wechselrichter anteilig ("modulteilig")
im Isolierbaugruppenträger selbst integriert. Dies gilt
auch für die zweite Alternative gemäß den Fig. 12 bis
15, wobei sich erste und zweite Alternative darin unter
scheiden, daß bei der zweiten Alternative der die Drosseln
tragende Abschnitt des Isolierbaugruppenträgers entfällt
(siehe auch vorstehend erwähnte zweite Variante der Grund
bauform). Beim Isolierbaugruppenträger gemäß erster und
zweiter Alternative entfallen die Aufnahmetaschen und Kon
taktbuchsen für aufschraubbare Toroid-Wandler, so daß le
diglich eine Aufnahmetasche 30 für einen AC-Wandler vorhan
den ist. Alternativ kann der AC-Wandler-Durchführungsbolzen
auch eingegossen sein.
In Fig. 9 ist eine Seitenansicht des Isolierbaugruppenträ
gers 29 gemäß der ersten Alternative dargestellt. Es ist
skizziert angedeutet, daß die Zwischenkreisschienen 31, 32
sowie eine Mittenpotentialschiene 33 im kurzschenkligen Ab
schnitt des L-förmigen Isolierbaugruppenträgers 29 inte
griert sind. Die Schienen 31, 32, 33 sind eingegossen, wo
bei Anschlüsse (siehe Ziffern 49, 50, 51 gemäß Fig. 16)
ausgespart sind. Parallel zu den Schienen verlaufen Aufnah
menuten 35, 36, die Verbindungsbrücken für die Verbindung
mit benachbarten Isolierbaugruppenträgern aufnehmen und die
bei leistungsstarken Stromrichtergeräten mit hohem Zwi
schenkreisstrom neben der Verbindung der einzelnen Schienen
benachbarter Isolierbaugruppenträger zusätzlich Stromfüh
rungsaufgaben übernehmen. In Fig. 9 ist ein Toroid-Wandler
34 (di/dt-Wandler) skizziert, der die in den Phasen bzw.
aus der Phase ggf. fließenden Kurzschlußstromanstiege er
faßt. Jeder Schiene 31, 32 ist ein derartiger Toroid-Wand
ler (Impulswandler) zugeordnet. Diese Toroid-Wandler sind
vorzugsweise im Isolierbaugruppenträger eingegossen, wo
durch sich Kostenvorteile gegenüber eigenen, aufsteckbaren
Wandlern ergeben und zudem Raum und Gewicht eingespart
werden.
In Fig. 10 ist eine Sicht auf die Vorderseite eines mit
Baukomponenten bestückten Isolierbaugruppenträgers gemäß
der ersten Alternative dargestellt. Es sind der Spannver
band 37 mit Halbleiterzellen und Kühlkörpern, der Kühlmit
telverteiler 38 zur Versorgung der Spannverband-Kühlkörper
mit Kühlflüssigkeit, der Kühlmittelanschluß 39 für die
Drossel und der AC-Wandler 40 zu erkennen.
In Fig. 11 ist eine Seitenansicht eines mit Baukomponenten
bestückten Isolierbaugruppenträgers gemäß der ersten Alter
native dargestellt. Die Zwischenkreisschienen 31, 32 und
die Mittenpotentialschiene 33 sind wiederum angedeutet. Es
sind eine Drossel 41, Kondensatoren 42, eine Beschaltungs
diode 43, der AC-Wandler 40, der Spannverband 37, der Kühl
mittelverteiler 38 und der Kühlmittelanschluß 39 für die
Drossel zu erkennen.
In den Fig. 12 und 13 sind eine Sicht auf die Vorder
seite sowie eine Seitenansicht eines Isolierbaugruppenträ
gers 29′ gemäß der zweiten Alternative dargestellt. Es sind
eine Aufnahmetasche 30′ für einen AC-Wandler, die Zwischen
kreisschienen 31′, 32′, Mittenpotentialschiene 33′ und die
Aufnahmenuten 35′, 36′ für Verbindungsbrücken oder Zusatz
schienen zu erkennen. Diese Version eignet sich auch sehr
gut für symmetrische Stromrichterschaltungen, z. B. die Mc-
Murray-Schaltung, wobei die Speicherkondensatoren entfallen
und die Drossel den derart gebildeten freien Raum ausfüllt
(siehe gestrichelte Linie). Der Isolierbaugruppenträger ist
somit vorteilhaft universell für unterschiedliche Strom
richterschaltungen verwendbar.
In den Fig. 14 und 15 sind eine Sicht auf die Vorder
seite sowie eine Seitenansicht eines mit Baukomponenten be
stückten Isolierbaugruppenträgers gemäß der zweiten Alter
native dargestellt. Es sind außer den Zwischenkreisschienen
31′, 32′ und der Mittenpotentialschiene 33′ der Spannver
band 37′, der Kühlmittelverteiler 38′, der Kühlmittelan
schluß 39′ für die externe, d. h. nicht am Isolierbaugrup
penträger selbst angebrachte Drossel, der AC-Wandler 40′,
die Kondensatoren 42′ und die Beschaltungsdiode 43′ zu er
kennen. Der Kühlmittelanschluß 39′ führt über eine Kühlmit
telleitung 44 zur externen Drossel.
In Fig. 16 ist die Leistungsstrompfadverschienung 45 des
Isolierbaugruppenträgers gemäß erster Alternative darge
stellt. Die Leistungsstrompfadverschienung 45 weist zusätz
lich zur Leistungsstrompfadverschienung 8 gemäß Fig. 6 die
vorstehend bereits erwähnten Zwischenkreisschienen 31, 32
sowie die Mittenpotentialschiene 33 auf. Die Toroid-Wandler
34 umgreifen Leiterquerschnittsverengungen 46 an den Ver
bindungen zwischen den Zwischenkreisschienen und der übri
gen Leistungsstrompfadverschienung. Die mit Hilfe der To
roid-Wandler 34 produzierten Signalspannungen bei Stromän
derung sind über Anschlußleitungen 47 abgreifbar. Mit Zif
fer 48 ist die Steckkontaktbuchse oder die Aufschraubfläche
für einen festen Durchführungswandlerbolzen für den
AC-Wandler bezeichnet.
Um bei einer Mehrphasenanordnung die Zwischenkreisschienen
31, 32 und die Mittenpotentialschiene 33 in einfacher Weise
mit benachbarten Zwischenkreisschienen und Mittenpotential
schienen elektrisch kontaktieren zu können (siehe Isolier
baugruppenträger-Verband gemäß Fig. 7), sind die Zwischen
kreisschienen 31 bzw. 32 mit Anschlüssen 49 bzw. 50 sowie
die Mittenpotentialschiene 33 mit Anschlüssen 51 versehen.
In den Fig. 17 und 18 ist dargestellt, welche Möglich
keiten hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung der
Schienen 31, 32, 33 benachbarter Isolierbaugruppenträger
bestehen.
In Fig. 17 sind zwei Leistungsstrompfadverschienungen 45,
45′ von zwei benachbarten Isolierbaugruppenträger zu erken
nen, deren Zwischenkreisschienen und Mittenpotentialschie
nen über Verbindungsbrücken 52, 53 elektrisch miteinander
verbunden sind. Dabei sind die Verbindungsbrücken 52, 53
beispielsweise mit den Anschlüssen 49, 50, 51 der Schienen
verschraubt. Die Verbindungsbrücken 52 liegen in den Auf
nahmenuten 35, 36. Diese erste Möglichkeit der Schienenver
bindung wird im unteren und mittleren Leistungsbereich ein
gesetzt, wobei zu gewährleisten ist, daß die über die
Schienen 31, 32, 33 und Verbindungsbrücken 52, 53 fließen
den Ströme nicht zu einer unzulässig hohen thermischen Be
lastung führen.
Im oberen Leistungsbereich bei hoher Strombelastung kommt
die in Fig. 18 dargestellte zweite Möglichkeit der Schie
nenverbindung benachbarter Leistungsstrompfadverschienungen
45, 45′ zum Einsatz. Hierbei dienen Zusatzschienen 54 zur
Verbindung der Zwischenkreisschienen über deren Anschlüsse
49, 50. Diese Zusatzschienen 54 nehmen neben der Verbin
dungsaufgabe zusätzlich Stromführungsaufgaben wahr. Die
Mittenpotentialschienen werden wie auch beim Beispiel gemäß
Fig. 17 über Verbindungsbrücken 53 elektrisch kontaktiert.
Bei den vorstehend erläuterten Alternativen mit im Isolier
baugruppenträger integrierten anteiligen Zwischenkreis
schienen ist es darüberhinaus in einfacher Weise möglich,
die Zwischenkreisschienen mit zusätzlichen Anschlüssen für
die Verbindung mit extern angeordneten Zwischenkreiskonden
satoren und/oder Zwischenkreisinduktivitäten zu versehen.
Claims (17)
1. Flüssigkeitsgekühltes Stromrichtermodul mit minde
stens einem abschaltbaren Leistungshalbleiter und einer aus
mehreren Bauelementen - wie Kondensator, Drossel und Diode
- bestehenden Beschaltung für den abschaltbaren Leistungs
halbleiter, dadurch gekennzeichnet,
- - daß alle wesentlichen Bauelemente der Beschaltung für einen abschaltbaren Leistungshalbleiter auf einem einzigen Isolierbaugruppenträger (1, 21 bis 23, 29, 29′) angeordnet sind,
- - daß der Isolierbaugruppenträger mit einer integrier ten elektrischen Leistungsstrompfadverschienung (8, 45, 45′) zur Verschaltung der Beschaltungsbauele mente und mit elektrischen Anschlüssen (2, 3, 5, 9, 13, 15, 18, 19) zur Kontaktierung der Be schaltungsbauelemente und Beschaltungsanschlüsse ver sehen ist,
- - daß der Isolierbaugruppenträger Mittel (4, 6, 10, 12, 14, 17, 26, 27) zur mechanischen Befestigung der Beschaltungsbauelemente aufweist,
- - daß im Isolierbaugruppenträger mindestens ein Flüs sigkeitskühler zur Kühlung wärmeproduzierender Bau elemente integriert ist,
- - daß der Isolierbaugruppenträger als Guß- oder Druck gußteil aus hochwertigem Isoliermaterial, wie Epoxy harz oder Polyesterharz herstellbar ist, und
- - daß bei einem mehrphasigen Stromrichtermodul ein Iso lierbaugruppenträger je Phase vorgesehen ist, wobei die einzelnen Isolierbaugruppenträger aneinanderreih bar und zu einem Isolierbaugruppenträger-Verband (25) verbindbar sind.
2. Stromrichtermodul nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Isolierbaugruppenträger (1, 21 bis 23,
29, 29′) Steckkontaktbuchsen (2) für die Steckkontakte eines
Spannverbandes und/oder Steckkontaktbuchsen
(3, 5, 9, 13, 15, 19) für den Anschluß von Widerständen und/oder
Drosseln und/oder Wandlern/Toroiden und/oder Speicherkon
densatoren und/oder RC-Gliedern und/oder Dioden und/oder
Beschaltungskondensatoren aufweist.
3. Stromrichtermodul nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steckkontaktbuchsen (3) zumindest teil
weise durchgängig verlaufen, um den beidseitigen Anschluß
von Bauelementen unterschiedlicher Leistungsklassen
und/oder Spannungsklassen zu ermöglichen.
4. Stromrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne Bauele
mente, wie Kondensatoren, Drosseln und Dioden in Aufnahme
taschen (12, 17, 26) des Isolierbaugruppenträgers tauchen,
die eine mechanische Befestigung und elektrische Isolierung
unterstützen, wobei elastische Dichtringe an den Seitenwan
dungen der Aufnahmetaschen vorgesehen sind.
5. Stromrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne Bauele
mente, wie Drosseln, teilweise in Aussparungen (6) des Iso
lierbaugruppenträgers mechanisch fixiert sind.
6. Stromrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne Bauele
mente bezüglich ihrer Hauptachse rechtwinklig zum Isolier
baugruppenträger angeordnet sind, so daß Bauelemente unter
schiedlicher Baulänge einsetzbar sind.
7. Stromrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis -
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstrompfadver
schienung (8, 45, 45′) geschichtet aufgebaut ist, um dem
Skineffekt entgegenzuwirken.
8. Stromrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstrompfadver
schienung (8, 45, 45′) mit Polyimid beschichtet ist und erst
anschließend in Isoliermaterial eingebettet wird.
9. Stromrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß Stromsensoren in Form von
Toroiden/Wandlern integraler Bestandteil des Isolierbau
gruppenträgers (1, 21 bis 23, 29, 29′) sind.
10. Stromrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Anschlüsse
(11) des Kühlers (20) über Dichtringe an eine Kühlschiene
(24) anflanschbar sind.
11. Stromrichtermodul nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kühlschiene (24) bei Aneinanderreih
ung mehrerer Isolierbaugruppenträger nebeneinander die me
chanische Verbindung des derart gebildeten Isolierbaugrup
penträger-Verbandes (25) unterstützt.
12. Stromrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstrompfadver
schienung (45, 45′) zusätzlich die Zwischenkreisschienen
(31, 31′, 32, 32′) eines mehrphasigen Isolierbaugruppenträ
ger-Verbandes (25) enthält.
13. Stromrichtermodul nach Anspruch 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Leistungsstrompfadverschienung
(45, 45′) zusätzlich eine Mittenpotentialschiene (33, 33′)
eines mehrphasigen Isolierbaugruppenträger-Verbandes (25)
enthält.
14. Stromrichtermodul nach Anspruch 12, ge
kennzeichnet, daß DC-Wandler (34) an Leiterquerschnittsver
engungen (45, 45′) der Zu/Ableitungen zu/von den Zwischen
kreisschienen (31, 31′, 32, 32′) angeordnet und im Isolierbau
gruppenträger integriert sind.
15. Stromrichtermodul nach einem der Ansprüche 12 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Lei
stungsstrompfadverschienungen (45, 45′) und insbesondere der
Zwischenkreisschienen und/oder Mittenpotentialschienen be
nachbarter Isolierbaugruppenträger über Verbindungsbrücken
(52, 53) erfolgt, wobei die Zwischenkreisschienen und/oder
Mittenpotentialschiene mit hierzu geeigneten Anschlüssen
(49, 50, 51, 51′) versehen sind.
16. Stromrichtermodul nach einem der Ansprüche 12 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Lei
stungsstrompfadverschienungen (45, 45′) und insbesondere der
Zwischenkreisschienen benachbarter Isolierbaugruppenträger
über Zusatzschienen (54) erfolgt, die neben der Verbin
dungsaufgabe zusätzlich Stromführungsaufgaben erfüllen, wo
bei die Zwischenkreisschienen mit hierzu geeigneten An
schlüssen (49, 50) versehen sind.
17. Stromrichtermodul nach den Ansprüchen 15 und/oder
16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbrücken
(52, 53) und/oder Zusatzschienen (54) in Aufnahmenuten
(35, 35′, 36, 36′) der Isolierbaugruppenträger integrierbar
sind.
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8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
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