-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsschaltermodul und einen
Mehrphasen-Wechselrichter, der mit diesem Modul ausgestattet ist.
-
Im
einzelnen betrifft die Erfindung ein Leistungsschaltermodul, mit:
- – mindestens
einem Leistungsschalter über
mindestens einem weiteren Leistungsschalter, wobei der oder die
oberen Schalter eine obere Wand aufweisen und der oder die unteren
Schalter eine untere Wand aufweisen, welche unteren und oberen Wände zur
Kühlung
durch Wärmeleitung
mit einem Kühlfluid
vorgesehen sind,
- – geschlossenen
unteren und oberen Kanälen, die
zur Zirkulation des Kühlfluids
entlang der jeweiligen unteren und oberen Wände der unteren und oberen
Schalter vorgesehen sind.
-
Derartige
Leistungsmodule sind beispielsweise in Drei-Phasen-Leistungswechselrichtern
eingesetzt, welche Motoren elektrischer Maschinen versorgen, wie
beispielsweise Antriebsmotoren eines Zugs.
-
Üblicherweise
umfassen solche Leistungswechselrichter zwei Schalter pro Phase.
-
Da
die Umschaltströme
relativ groß sind
und beispielsweise in der Größenordnung
von einigen Milliampere liegen, wird jeder Schalter tatsächlich durch
eine Anzahl von Leistungsschaltern gebildet, die durch eine Vielzahl
von Elementarschaltern gebildet werden, wie beispielsweise IGBT-Transistoren (Insulated
Gate Bipolar Transistor). Aufgrund der großen Zahl von Transistoren sind
diese Leistungsschalter einerseits sperrig, und andererseits müssen sie gekühlt werden,
um eine Überhitzung
zu vermeiden.
-
Hierzu
ist es bekannt, ein Umschaltmodul zu bilden, in welchem die zwei
Schalter der gleichen Phase aufeinander angeordnet sind, so dass
der Platzbedarf des Moduls reduziert wird. In einer bekannten Ausführungsform
ist ein Kühlkreislauf
ausschließlich
auf den Außenflächen jedes
Schalters des Moduls angeordnet, so dass die von den Transistoren
erzeugte Hitze abgeführt
werden kann. Obwohl dieses Modul zwei aufeinander angeordnete Schalter umfaßt, die
wie hier vorliegend untergebracht sind, bleibt sein Platzbedarf
dennoch beträchtlich.
-
Die
Erfindung zielt demnach auf die weitere Reduzierung des Platzbedarfs
eines Leistungsschaltermoduls mit zwei aufeinander angeordneten
Leistungsschaltern.
-
Es
ist ferner aus der Patentschrift
FR 2 169 093 A1 eine modulare Anordnung von
Leistungshalbleiter-Bauteilen bekannt, in welcher Halbleiterelemente
in scheibenförmigen
Gehäusen
angeordnet sind. Eine Kühlflüssigkeit
kann in einem Zwischenraum, der elastische Mittel enthält, zwischen
zwei aufeinanderliegenden Gehäusen
zirkulieren. Die Flüssigkeit
ermöglicht
die Kühlung
der unteren Wand des oberen Gehäuses
und der oberen Wand des unteren Gehäuses. Außerdem sind die Außenwände dieser
modularen Anordnung durch eine Kühlflüssigkeit
gekühlt,
die entlang des Moduls strömt.
Es ist daher bekannt, ein Leistungsschaltermodul durch eine doppelte
Strömung
von Kühlflüssigkeiten
einerseits entlang der Außenwände des
Moduls und andererseits im Inneren des Moduls zu kühlen. In
der in dieser Patentschrift beschriebenen modularen Anordnung stören jedoch
die elastischen Mittel in dem Zwischenraum zwischen zwei aufeinanderliegenden
Gehäusen
den Strom des Kältemittels
entlang der Innenseiten der Gehäuse
des Moduls, und der Wärmeaustausch
ist von begrenzter Effizienz. Der Platzbedarf des Moduls bleibt
ferner aufgrund der Größe des Stroms
zum Umschalten des Moduls beträchtlich. Eine
relativ große
Menge der Kühlflüssigkeit
ist zur Verteilung der Wärme
auf die Innenseiten der Komponenten notwendig.
-
Aufgrund
der technischen Lehre dieses Dokuments ist es nicht möglich, ein
bekanntes Schaltermodul, in welchem ein Kältemittelkreislauf ausschließlich auf
den äußeren Oberflächen der
Schalter des Moduls vorgesehen ist, derart abzuwandeln, dass sein
Platzbedarf weiter reduziert wird, wie es durch die vorliegende
Erfindung angestrebt wird.
-
Die
Erfindung schafft daher ein Leistungsschaltermodul, das folgendes
aufweist:
- – mindestens
einen Leistungsschalter über
mindestens einen weiteren Leistungsschalter, wobei jeder Leistungsschalter
eine obere und eine obere Wand aufweist, die jeweils durch Wärmeleitung mit
einem Kühlfluid
gekühlt
werden können,
- – zwei
Träger,
an denen die unteren bzw. oberen Wände der unteren und oberen
Schalter befestigt werden,
- – untere
und obere geschlossene Kanäle,
die in den Trägern
vorgesehen und so angeordnet sind, dass sie ein Kühlfluid
an den unteren bzw. oberen Wänden
der unteren und oberen Schalter entlang zirkulieren lassen,
dadurch
gekennzeichnet, dass es einen Block zwischen dem oder den oberen
Schaltern und dem oder den unteren Schaltern aufweist, so dass diese
in einem vorher festgelegten Abstand voneinander gehalten werden,
und weiter eine untere Aussparung entlang und über der oberen Wand des oder
jedes unteren Schalters sowie eine obere Aussparung entlang unter
der unteren Wand des oder jedes oberen Schalters, um die Wände durch
Zirkulation eines Kühlfluids
in jeder unteren Aussparung und oberen Aussparung zu kühlen.
-
In
diesem Modul sind die Leistungsschalter jeweils von oben und unten
gekühlt.
Infolgedessen wird die durch das Schalten der Transistoren erzeugte
Verlustwärme
durch die zwei Wände
abgeführt. Das
Kühlfluid
zirkuliert ohne Behinderung in jeder unteren und oberen Aussparung,
und die Kühlung
der Transistoren wird somit besser durchgeführt als es beim Stand der Technik
realisiert ist. Außerdem
ist die Strommenge, die von einem Transistor verarbeitet werden
kann, grundsätzlich
durch seine Kapazität zur
Abgabe von Wärme
begrenzt. Insbesondere bei gekühlten
Transistoren wurde festgestellt, dass es möglich ist, mit diesem Transistor
Ströme
zu verarbeiten, die bis zu fünf
Mal größer sind
als der für
den Transistor vorgesehene Normalwert. Daher weist bei gleichen
elektrischen Eigenschaften ein Leistungsunterbrecher, der durch
Leistungsschalter gebildet wird, die in dem vorstehend genannten
Modul verwendet werden, weniger Transistoren auf als ein Leistungsunterbrecher
nach dem Stand der Technik, der lediglich durch eine einzige Wand
gekühlt
wird. Da ferner die Anzahl der Transistoren in jedem Schalter eines
Leistungsunterbrechers reduziert ist, ist auch der Platzbedarf des
Unterbrechers gleichermaßen
reduziert. Es wurde festgestellt, dass diese Verminderung der Höhe jedes
Unterbrechers im wesentlichen Ausmaß die Vergrößerung der Höhe des Schaltermoduls
aufgrund der vorhandenen unterstützenden
Wände und
eines zweiten Zirkulationskreislaufs des Kältemittels ausgleicht. Infolgedessen
weist ein Schaltermodul gemäß der vorliegenden
Erfindung, das mit zwei Kühlkreisläufen ausgestattet
ist, letztendlich einen kleineren Platzbedarf auf als ein bekanntes
Schaltermodul, das lediglich einen einzigen Kühlkreislauf aufweist.
-
Gemäß weiterer
Merkmale des erfindungsgemäßen Leistungsschaltermoduls
ist dieses wie folgt gekennzeichnet:
- – die untere
und obere Aussparung weisen zwei miteinander verbundene Enden auf,
um einen einzigen Umlaufkreis für
das Kühlfluid
zu bilden;
- – der
oder jeder Schalter umfaßt
einen einzigen Kühler,
der wärmetechnisch
mit der unteren oder oberen Wand verbunden ist, wobei der Kühler mit Rippen
versehen ist, die in direktem Kontakt mit dem Kühlfluid in den Kanälen oder
den Aussparungen stehen;
- – nur
die obere Wand des oder jedes oberen Schalters weist einen Kühler auf,
und nur die untere Wand des oder jedes unteren Schalters weist einen
Kühler
auf;
- – die
Rippen der Kühler
verlaufen parallel zur Hauptumlaufrichtung des Kühlfluids;
- – der
untere und der obere Kanal sind miteinander verbunden, um einen
einzigen zweiten Umlaufkreis für
das Kühlfluid
entlang der oberen Wand des oder jedes oberen Schalters und entlang
der unteren Wand des oder jedes unteren Schalters zu bilden;
- – der
oder jeder Umlaufkreis für
das Kühlfluid
ist mit der gleichen Pumpe verbunden, die das Kühlfluid in dem oder in jedem
Umlaufkreis in Umlauf bringt;
- – zumindest
die Enden einer Aussparung und eines Kanals sind mit einer gemeinsamen
Einlaß- oder
Auslaßöffnung für Kühlfluid
verbunden;
- – der
Block hat eine im wesentlichen parallelepipedförmige Form und besitzt eine
Aufnahme für jeden
Schalter;
- – die
Form des Blocks ist dazu vorgesehen, die offene Fläche der
unteren Kanäle
und der oberen Kanäle
hermetisch zu verschließen;
- – jeder
Schalter umfaßt
mehrere Transistoren und elektrische Bahnen, an die der Emitter
und/oder das Gate jedes Transistors angelötet ist, welche Bahnen an einer
Innenfläche
der Wand ausgebildet sind, die von den in der Aussparung zirkulierenden
Kühlfluid
gekühlt
wird;
- – jeder
Schalter umfaßt
außerdem
elektrische Bahnen, an die der Kollektor jedes Transistors angelötet ist,
wobei die Bahnen an einer Innenfläche der Wand ausgebildet sind,
die von dem in einem Kanal zirkulierenden Kühlfluid gekühlt wird;
- – die
Transistoren sind elektrisch über
geschmolzene Lotzylinder mit den elektrischen Bahnen verbunden.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Mehrphasen-Wechselrichter,
bei dem jede Phase zwei Trennschalter aufweist, die jeweils aus
mindestens einem Schalter gebildet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Trennschalter einer gleichen Phase mit Hilfe eines
einzigen Leistungsschaltermoduls gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt
sind. Die Erfindung wird besser anhand der vorliegenden Beschreibung
deutlich, die ausschließlich
beispielhaft anhand der folgenden Zeichnungen erfolgt:
-
1 ist
ein Schaltbild eines Leistungs-Wechselrichters, welcher mehrere
Trennschalter umfaßt;
-
2 ist
ein Teilschaltbild von einem der Trennschalter des Wechselrichters
aus 1;
-
3 ist
eine Ansicht im zerlegten Zustand eines Schalters, der zur Herstellung
eines Trennschalters des Wechselrichters in 1 verwendet wird;
-
4 und 5 sind
jeweils Schnitte entlang der Linie IV in 5 und entlang
der Linie V in 4 durch einen Trennschalter
des Wechselrichters in 1; und
-
6 und 7 sind
jeweils Schnitte entlang der Linie VI in 7 und entlang
der Linie VII in 6 durch ein erfindungsgemäßes Leistungsschaltermodul.
-
1 zeigt
einen Dreiphasen-Wechselrichter 2, der zur Versorgung einer
elektrischen Drehmaschine 4 vorgesehen ist, wie etwa eines
Rotors, aufgrund der Steuerung eines elektronischen Rechners 6.
-
Der
Motor 4 ist beispielsweise einer der Zugmotoren einer Zugmaschine.
-
Der
Rechner 6 und die Steuerprofile eines Dreiphasen-Wechselrichters
sind bekannt. Sie werden hier nicht im einzelnen beschrieben.
-
Das
Schaltbild des Wechselrichters 2 ist von klassischer Art.
Es setzt sich aus drei identischen elektrischen Phasen 10, 12 und 14 zusammen,
die jeweils aus zwei identischen Leistungstrennschaltern 16 und 18 gebildet
werden. Jeder Leistungstrennschalter ist hier dazu vorgesehen, Ströme von einigen
Milliampere zu verarbeiten und Spannungsunterschieden von einigen
Millivolt zu widerstehen.
-
Hierzu
ist jeder Trennschalter aus einigen elektrischen Schaltern gebildet,
die parallel geschaltet sind.
-
2 zeigt
beispielsweise einen Trennschalter aus vier identischen Schaltern 20 bis 23.
Lediglich der Schalter 20 ist im einzelnen dargestellt.
-
Hier
setzt sich z. B. jeder Schalter aus vier IGBT-Transistoren 26 bis 29 zusammen,
die parallel geschaltet sind, und aus zwei Dioden 32, 33,
die gegenparallel an den Ecken des Transistors geschaltet sind.
-
Jeder
Transistor ist beispielsweise dazu in der Lage, eine Spannung von
3000 Volt und einen maximalen Normalstrom von 150 Ampere aufzunehmen.
Die Parallelschaltung der Transistoren ermöglicht somit die Realisierung
eines Schalters, der dazu in der Lage ist, einen viel größeren Strom
aufzunehmen als jeder der einzelnen Transistoren, aus denen er besteht.
-
Das
Gate jedes Transistors 26 bis 29 ist jeweils durch
einen entsprechenden Widerstand 36 bis 39 mit
einer nicht dargestellten Steuerelektrode des Gates verbunden.
-
3 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht den zerlegten Aufbau des Schalters 20.
Der Schalter umfaßt
ein Substrat oder eine untere Wand 50, die durch ein elektrisch
isolierendes und thermisch leitendes Material wie etwa ein dielektrisches
Material gebildet wird. Das Substrat 50 ist im wesentlichen rechteckig
und horizontal angeordnet.
-
Auf
einer unteren Oberfläche
des Substrats 50, die nach oben gekehrt ist, sind elektrische
Bahnen 52 geätzt,
die die Kollektoren der Transistoren 26 bis 29 mit
den Elektroden des Kollektors 54 verbinden. Diese Elektroden
des Kollektors 54 sind mit Bahnen 52 verlötet und
springen nach außen
zur hinteren kurzen Seite des Substrats 50 vor.
-
Jeder
Transistor umfaßt
zwei gegenüberliegende
ebene Flächen.
Hier trägt
gemäß 3 die untere
Fläche
jedes Transistors Elektroden des Kollektors des Transistors, während die
obere Fläche die
Elektroden des Gates und des Emitters des gleichen Transistors trägt.
-
Der
Kollektor jedes Transistors 26 bis 29 und die
Kathode der Dioden 32 und 33 sind mittels Löten durch
Bahnen 52 verbunden. Das Löten ermöglicht außer der elektrischen Verbindung
die thermische Verbindung des Kollektors der Transistoren mit dem Substrat 50.
Zur Sicherstellung einer guten Wärmeübertragung
zwischen dem Kollektor jedes Transistors und dem Substrat 50 wird
die Lötfläche so groß wie möglich gewählt.
-
Der
Schalter 20 umfaßt
ferner ein Substrat oder eine rechteckige obere Wand 60,
die aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Material
besteht. Auf der unteren Fläche
dieses Substrats 60, die dem Substrat 50 zugewandt
ist, sind ebenfalls elektrische Bahnen 62,64 geätzt. Die
Bahn 62 ist dazu vorgesehen, die Gates der Transistoren 26 bis 29 mit
einer Gate-Elektrode 66 durch
Widerstände 36 bis 39 zu
verbinden. Die Bahn 64 ist dazu vorgesehen, die Emitter
der Transistoren 26 bis 29 mit den Emitter-Elektroden 68 zu
verbinden.
-
Hier
sind die Elektroden der Gates und der Emitter 66, 68 auf
dem Substrat 50 befestigt.
-
Schließlich umfaßt der Schalter 20 einen Temperaturfühler 70 und
einen Kühler 72.
-
Der
Temperaturfühler 70 ist
auf der unteren Oberfläche
des Substrats 50 befestigt.
-
Der
Kühler 72 ist
ein Kupferkühler
mit einer Anzahl von Rippen 74, die parallel zueinander
verlaufen. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rippen 74 bildet
einen kleinen feinen Kanal mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt
und einer Tiefe von beispielsweise 3 Millimetern und einer Länge von
1 Millimeter. Der Kühler 72 ist
durch Löten
auf der äußeren Oberfläche des
Substrats 50 auf solche Weise angebracht, dass die Rippe 74 parallel
zur kurzen Seite des Substrats 50 verlaufen.
-
Das
Substrat 60 ist parallel zum Substrat 50 und auf
demselben mittels eines Lötvorgangs
durch Lötzylinder
befestigt, welche in der Löttechnik
als "Bumps" bezeichnet werden.
Hierzu sind Lötzylinder 80 auf
unterschiedlichen Oberflächen
zur elektrischen und thermischen Verbindung mit Bahnen 62 und 64 des
Substrats 60 angeordnet. Hier sind die Zylinder 80 insbesondere
auf der Anoden-Oberfläche der
Dioden 32 und 33 und auf den Emitter-Oberflächen und
den Gates der Transistoren 26 bis 29 angeordnet.
Weitere Zylinder 80 sind in gleicher Weise zur Verbindung
der Elektroden der Gates 66 und der Emitter 68 mit
Bahnen 62 und 64 angeordnet.
-
Bei
der Verbindung des Substrats 60 mit dem Substrat 50 werden
diese Zylinder 80 derart angeschmolzen, dass sie elektrisch,
thermisch und mechanisch das Substrat 60 mit dem Substrat 50 verbinden.
Somit wird aufgrund der Verwendung dieser Zylinder 80 die
Kontaktfläche
zwischen den Bahnen 62, 64 und den entsprechenden
Oberflächen
der Emitter und der Gates der Transistoren beträchtlich und ermöglicht ferner
eine gute Wärmeableitung
zwischen den gelöteten
Oberflächen.
-
Lediglich
ein einziger Kühler 72 ist
auf der Kollektor-Seite der Transistoren befestigt, da festgestellt
wurde, da die Wärmemenge,
die durch das Substrat abgeführt
werden kann, mit welchem die Kollektoren verlötet sind, deutlich höher ist
als diejenige, die von dem Substrat abgeführt werden kann, mit welchem
die Emitter und die Gates verbunden sind.
-
Wenn
das Substrat 60 auf das Substrat 50 gelötet wird,
wird der Zwischenraum zwischen den zwei Substraten mit Hilfe eines
dielektrischen Gels aufrechterhalten, so dass die elektrischen Komponenten
von der äußeren Umgebung
isoliert sind.
-
Die 4 und 5 zeigen
schematisch den Aufbau des Trennschalters 18. Dieser umfaßt einen
unteren Träger 90 aus
einem elektrisch isolierenden Material wie etwa Kunststoff, der
horizontal angeordnet ist.
-
Dieser
Träger 90 wird
beispielsweise durch eine rechteckige horizontale Platte 92 gebildet,
die durch vier vertikal abgewinkelte Füße 94 getragen wird.
-
Auf
der oberen Oberfläche
der Platte 92 ist ein offener Kanal 96 mit rechteckigem
Querschnitt angeordnet, der sich parallel zur längeren Kante der Platte 92 erstreckt.
Der Kanal 96 ist dazu vorgesehen, eine Kühlflüssigkeit
sowie die Kühler 72 der Schalter
aufzunehmen. Hierzu sind die Länge
und die Tiefe des Kanals an die Länge und Höhe des Kühlers 72 angepaßt. Insbesondere
ist die Tiefe so gewählt,
dass das freie untere Ende jeder Rippe 74 in Kontakt mit
dem Boden des Kanals 96 gerät, so dass zwischen jeder Rippe 74 ein
kleiner Strömungskanal
des Kühlfluids
begrenzt wird.
-
Ein
solcher Aufbau verbessert die Effizienz der Rippen 74.
-
Die
vier Schalter 20 bis 23, die den Trennschalter 18 bilden,
sind in dem Träger 90 derart
enthalten, dass ihre jeweiligen Kühler 72 in dem Kanal 96 aufgenommen
sind. Hier sind die Schalter 20 bis 23 derart
angeordnet, dass die Rippen 74 der Kühler parallel zur längeren Kante
des Trägers 90 verlaufen.
-
Diese
Anordnung erleichtert das Strömen des
Kühlfluids
in dem Kanal 96. Hier sind die Substrate 50 der
Schalter 20 bis 23 somit hintereinander in der
gleichen parallelen Ebene an der oberen Oberfläche der Platte 92 ausgerichtet.
Die untere Oberfläche der
Substrate 50 ist beispielsweise durch dichtes Verkleben
mit den Rändern
des Kanals 96 befestigt.
-
Die 6 und 7 zeigen
schematisch den Aufbau eines zusammengesetzten Schaltmoduls 100.
Dieses Schaltmodul 100 vereinigt beispielsweise die Trennschalter 16 und 18,
die spiegelbildlich zueinander aufeinander angeordnet sind.
-
Der
Aufbau des Trennschalters 16 ist beispielsweise identisch
mit demjenigen des Trennschalters 18, der mit Bezug auf
die 4 und 5 beschrieben wurde. Insbesondere
umfaßt
der Trennschalter 16 vier Schalter 110 bis 113,
die jeweils identisch mit den Schaltern 20 bis 23 sind,
und welche auf einem Träger 120 befestigt
sind, der identisch mit dem Träger 90 ist.
Daher wurden hier die gleichen Bezugszeichen, die zur Beschreibung
des Schalters 20 benutzt wurden, zur Bezeichnung identischer
Elemente der Schalter 110 bis 113 benutzt. Der
offene Kanal, in welchem die Schalter 110 bis 113 aufgenommen
sind, trägt
die Bezugsziffer 116.
-
Im
zusammengebauten Zustand sind die Substrate 60 und jeweils
die Schalter 16 und 18 einander zugewandt.
-
Ein
rechteckiger horizontaler Block 130 liegt zwischen den
Substraten 60 jeweils zwischen den Trennschaltern 16 und 18 derart
ein, dass die Schalter 110 bis 113 in einem vorbestimmten
Abstand von den Schaltern 20 bis 23 gehalten werden.
-
Dieser
Block 130 umfaßt
eine Aufnahme für jeden
der Schalter 20 bis 23 und 110 bis 113.
Darüber hinaus
die Form dieses Blocks dazu angepaßt, die offene Oberfläche der
Kanäle 116 und 96 hermetisch zu
verschließen.
-
Im
Inneren dieses Blocks 130 ist ein einziger erster Umlaufkreis 132 für ein Kühlfluid
angeordnet, das dazu vorgesehen ist, alle Transistoren des Moduls 100 über das
Substrat 60 zu kühlen.
Hierzu erstrecken sich zwei rechteckige horizontale Aussparungen 133 und 134 mit
rechteckigem Querschnitt im In neren des Blocks 130 parallel
zur längeren
Seite des Blocks und entlang der äußeren Fläche jedes Substrats 60.
Das linke Ende dieser Aussparungen 133 und 134 ist
geöffnet,
während
die rechten Enden dieser Aussparungen durch eine erste halbkreisförmige Aussparung 136 flüssigkeitsverbunden
sind. Vorzugsweise ist die Höhe
der Aussparungen 133 und 134 kleiner oder gleich
einem Millimeter, so dass die Effizienz der Wärmeleitung bezüglich des
Volumens des verwendeten Kühlfluids
maximiert wird.
-
Der
Block 130 umfaßt
ebenfalls an seinem rechten Ende eine zweite halbkreisförmige Aussparung 138,
die zwischen den rechten Ende der Kanäle 96 und 116 eine
Flüssigkeitsverbindung
schafft. Somit wird ein zweiter Umlaufkreis 140 für das Kühlfluid zum
Kühlen
aller Transistoren des Moduls 100 durch das Substrat 50 geschaffen.
-
Die
Umlaufkreise 132 und 140 weisen jeweils einen
U-förmigen
Längsschnitt
auf.
-
Das
rechte Ende des Blocks 130, das die Aussparungen 136 und 138 enthält, ist
einstückig
mit dem Block 130 ausgebildet und kann beispielsweise einstückig mit
den Trägern 90 oder 120 ausgebildet sein.
-
Im
Inneren des Moduls 100 sind die ersten und zweiten Umlaufkreise 132 und 140 strömungstechnisch
voneinander unabhängig.
-
Die
linken Enden des Kanals 96 und der Aussparung 133 sind
strömungstechnisch
mit der Mitte eines Y-förmigen
Anschlusses 141 am Ausgang der gleichen Pumpe 142 angeschlossen.
-
In ähnlicher
Weise sind die linken Enden des Kanals 116 und der Aussparung 134 flüssigkeitstechnisch
durch einen Y-förmigen
Anschluß 144 beim Einlaß der gleichen
Pumpe 142 angeschlossen. Somit sorgt eine einzige Pumpe
für den
Umlauf des Kühlfluids
in den zwei Umlaufkreisen 132 und 140.
-
Hier
ist der Auslaß der
Pumpe 142 dazu vorgesehen, das Kühlfluid in das Innere der Umlaufkreise 132 und 140 zu
treiben, und der Einlaß der
Pumpe 142 ist dazu vorgesehen, das Kühlfluid aus den Umlaufkreisen 132 und 140 anzusaugen.
-
Der
Umlaufsinn des Fluids ist in 7 durch Pfeile
gekennzeichnet.
-
Im
folgenden wird die Funktionsweise des Moduls 100 beschrieben.
-
Während des
Betriebs der Trennschalter erzeugt jeder Transistor Wärme aufgrund
von Übertragungsverlusten,
aber auch aufgrund der elektrischen Leitung. Der größte Teil
der erzeugten Wärme
wird durch den Kollektor und das Substrat 50 zum Kühler 72 übertragen.
Die kleinen Kanäle,
die durch die Zwischenräume
zwischen den Rippen 74 des Kühlers 72 gebildet
werden, ermöglichen
eine Vergrößerung der Kontaktoberfläche mit
dem Kühlfluid,
das in dem Umlaufkreis 140 zirkuliert. Die Wärmeübertragung
zwischen dem Kühler 72 und
dem Kühlfluid
findet dann effizienter statt.
-
Der übrige Teil
der von den Transistoren erzeugten Wärme wird durch die Substrate 60 unmittelbar
an das Kühlfluid
abgegeben, das in dem Umlaufkreis 132 zirkuliert.
-
Da
die Transistoren zwischen ihren oberen und unteren Flächen gekühlt werden,
ist die Erwärmung
jeden Transistors sehr begrenzt. Es ist daher möglich, diese Transistoren zur
Verarbeitung von Strömen
einzusetzen, die erheblich größer sind
als der Normalwert des Stroms, für
welchen sie vorgesehen sind. Aufgrund der zwei Umlaufkreise für das Kühlfluid,
insbesondere auf den unteren und oberen Seiten der Transistoren
ist es daher möglich,
ein Schaltmodul 100 herzustellen, das mit der gleichen Anzahl
von Transistoren erheblich größere Ströme verarbeiten
kann, so dass die Anzahl der Transistoren und die Höhe eines
Moduls 100 zur Verarbeitung eines gleichen Stroms reduziert
wird.
-
Hier
handelt es sich bei dem Kühlfluid
beispielsweise um Wasser. Es können
jedoch in einer anderen Ausführungsform
andere Kühlfluids
verwendet werden. Es ist auch möglich,
die Kühlflüssigkeit durch
ein Gas zu ersetzen, wie beispielsweise ein Inertgas.
-
In
einer Abwandlung ist es ferner möglich, die
Umlaufkreise 132 und 140 vollständig unabhängig voneinander
zu halten, d.h., die Fluid-Anschlüsse 141 und 144 an
den linken Enden der Kanäle 96 und 116 und
dementsprechend die Aussparungen 133 und 134 nicht
vorzusehen. Wenngleich diese Ausführungsform nicht von vornherein
besondere Vorteile bietet, ist es dennoch in Betracht zu ziehen,
durch die Pumpe 142 ein Kühlfluid durch den Kühlkreis 140 zu pumpen
und mit einer anderen Pumpe ein Inertgas zur Kühlung in dem Kühlkreis 132 zu
pumpen.
-
Hier
umfaßt
das beschriebene Modul 100 einen einzigen ersten Umlaufkreis 132 zur
Kühlung
der Substrate 60 und einen einzigen zweiten Umlaufkreis zur
Kühlung
der Substrate 50, welche durch die gleiche Pumpe versorgt
werden. In einer Abwandlung kann jedoch das Leistungsmodul mehrere
erste Umlaufkreise zur Kühlung
der Substrate 60 und mehrere zweite Umlaufkreise zur Kühlung der
Substrate 50 umfassen. Hierzu sind beispielsweise die Kanäle 96 und 116 und
ihre Aussparungen 133 und 134 an ihrem jeweiligen
rechten und linken Enden offen. Die geöffneten linken Enden sind auf
die gleiche Weise wie im Zusammenhang mit 7 beschrieben
an eine erste Pumpe angeschlossen, während die offenen rechten Enden
in analoger Weise an eine zweite Pumpe angeschlossen sind. In dieser
Variante bilden die Kanäle 96 und 116 zwei
zweite voneinander unabhängige
Umlaufkreise für
ein Fluid zur Kühlung
der Substrate 50 bzw. der Trennschalter 16 und 18.
Die Aussparungen 133 und 134 bilden zwei zweite
unabhängige
Umlaufkreise für
ein Fluid zur Kühlung
der Substrate 60 bzw. der Trennschalter 16 und 18.
-
Das
Modul 100 wurde für
den besonderen Fall beschrieben, in welchem es. sich bei den Transistoren
um IGBT-Transistoren handelt. In einer Abwandlung handelt es sich
jedoch bei den Transistoren um bipolare Transistoren oder um MOSFET-Transistoren,
welche ferner durch andere Elektronikkomponenten ersetzt werden
können,
die wirkungsvoll gekühlt
werden können.
-
Die
Trennschalter wurden hier für
den Fall beschrieben, in welchem es sich um vier Schalter handelt.
In einer Abwandlung kann jedoch der Leistungstrennschalter durch
mehr als vier Schalter und weniger als vier Schalter gebildet werden,
beispielsweise durch einen einzigen Schalter.