DE9403108U1 - Niederinduktive Hochstromverschienung für Stromrichtermodule - Google Patents

Niederinduktive Hochstromverschienung für Stromrichtermodule

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Description

G 3 0 6 7
Siemens Aktiengesellschaft
Niederinduktive Hochstromverschienung für Stromrichtermodule 5
Die Erfindung bezieht sich auf ein ein- bzw. mehrphasiges Stromrichtermodul, bestehend aus wenigstens einem Zweigpaar mit jeweils zwei Leistungshalbleitern, die jeweils zwischen zwei Leistungsanschlüssen angeordnet sind, wobei jedem Zweigpaar ein Entlastungsnetzwerk, bestehend aus Kondensatoren, Dioden und Widerständen, zugeordnet ist.
Aus der DE 36 09 065 Al ist eine niederinduktive Verschienung eines Phasenbausteins eines Wechselrichters bekannt. Der Phasenbaustein besteht aus zwei abschaltbaren Leistungshalbleitern, denen jeweils eine Freilaufdiode und ein Entlastungsnetzwerk, bestehend aus einem Kondensator, einer Diode und einem Widerstand, zugeordnet ist. Die Widerstände sind in einem Widerstand zusammengefaßt. Diese Bauelemente bilden zusammen mit den abschaltbaren Leistungshalbleitern drei abhängige Stromkreise. Als niederinduktive Verschienung sind mehrere aufeinander geschichtete, jeweils durch eine Isolation voneinander elektrisch getrennte Stromschienen vorgesehen. Bei &eegr; Stromschienen werden bei dieser niederinduktiven Verschienung n+1 Stromschienen benötigt, wobei die äußeren Stromschienen unmittelbar miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Bei dieser niederinduktiven Verschienung können die Kondensatoren der Entlastungsnetzwerke nicht streuarm an die Stromschienen der Verschienung angebracht werden. Außerdem benötigt dieser aufgebaute Phasenbaustein ein verhältnismäßig großes Volumen.
Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 89 09 246.5 ist eine induktionsarme Kondensatorbatterie bekannt, die aus mehreren an einer Tragplatte angebrachten Kondensatoren besteht, wobei
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die Kondensatoren elektrisch in Reihe und/oder " parallel geschaltet sind. Als Tragplatte ist ein Stapel aus Metallplatten und flächenmäßig größeren Kunststoffplatten vorgesehen, wobei jeweils zwischen zwei Metallplatten eine Kunststoffplatte angeordnet ist. Die Kunststoffplatten sind mit einer Anzahl von Bohrungen und die Metallplatten mit zu den Bohrungen der Kunststoffplatten korrespondierenden Bohrungen versehen, wobei jeweils der Durchmesser der Bohrungen in den Metallplatten wesentlich größer ist als der Durchmesser der korrespondierenden Bohrung in den Kunststoffplatten. Die Metallplatten dienen gleichzeitig als Stromschienen zur elektrischen Verbindung der Kondensatoren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Kondensatorbatterie ist als Tragplatte eine doppelkaschierte Leiterplatte vorgesehen, deren flächenmäßig kleinere Kupferkaschierungen jeweils wenigstens eine Anschlußfläche für die Kondensatoren bilden und jeweils mit einer Stromschiene elektrisch leitend verbunden sind, wobei als Kondensatoren Elektrolyt-0 Kondensatoren mit Lötstiften vorgesehen sind.
Aus der europäischen Patentanmeldung 0 519 305 A2 ist eine Stromrichterbaueinheit mit wenigstens zwei Halbleiter-Leistungsmoduln je Wechselstromphase bekannt, die lösbar auf einem Kühlkörper befestigt sind. Diese Stromrichterbaueinheit weist drei Phasenbausteine auf, die jeweils ein Beschaltungswerk, auch Entlastungsnetzwerk bzw. snubber circuit genannt, aufweisen. Außerdem ist ein Beschaltungsnetzwerk für den Stromrichter vorgesehen. Die Phasenbausteine des Stromrich-0 ters sind elektrisch parallel zu einer Zwischenkreis-Kondensatorbatterie geschaltet. Diese Kondensatorbatterie besteht aus einem Verschienungssystem und mehreren Kondensatoren. Das Vers chi enungs sys tem ist mittels Metallhülsen mit den Leistungsanschlüssen der Halbleiter-Leistungsmoduln elektrisch und verliersicher befestigt. Die Bauelemente der Beschal-
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tungsnetzwerke der Phasenbausteine und des Stromrichters sind oberhalb und unterhalb der konzentrisch angeordneten Kondensatoren der Kondensatorbatterie mit dem Verschienungssystem auf kürzestem Wege und damit mit seinem zugehörigen Halbleiter-Leistungsmodul elektrisch leitend verbunden. Nachteilig bei dieser Stromrichterbaueinheit ist der getrennte Aufbau von niederinduktiver Leistungsverschienung und Beschaltungselementen. Da das Verschienungssystem überwiegend in den Bereichen der Bauelemente der Beschaltungsnetzwerke und der Kondensatoren der Kondensatorbatterie verpreßt ist, bestehen viele Bereiche im Verschienungssystem, in dem Luft eingeschlossen ist, wodurch die Hochspannungseigenschaften nicht sehr gut sind. Außerdem ist der Montageaufwand infolge der Verschraubungen der Bauelemente und der Kondensatoren noch aufwendig.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine niederinduktive, für hohe Spannungen isolierte Verbindung zwischen Leistungshalbleitern mit zusätzlicher Anbindung von Beschaltungskomponenten, beispielsweise Kondensatoren, Dioden, Widerständen, anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
Dadurch., daß als Basis für die nieder induktive Hochstromverschienung eine mehrlagige Leiterplatte mit mehreren stromtragfähigen Lagen vorgesehen ist, können die Beschaltungselemente des bzw. der Entlastungsnetzwerke mittels kupferka-0 schierter Leiterbahnen auf einer Seite, beispielsweise der Lötseite der Hochstromverschienung, miteinander elektrisch leitend verbunden werden. Dadurch sind die Beschaltungselemente jeweils streuarm an die Anschlüsse der Leistungshalbleiter angebunden. Diese Hochstromverschienung kann wie
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andere Leiterplatten automatisch bestückt und schwallgelötet werden.
Die einzelnen elektrisch leitfähigen Lagen, die jeweils einen Leistungsanschluß bilden, werden unter Verwendung von Leiterplattenbasismaterial als 'Isolierschicht teilentladungsfrei miteinander unter großem Druck verpreßt. Somit weist die Hochstromverschienung geringfügige oder keine Lufteinschlüsse auf, wodurch diese Hochstromverschienung gute bis sehr gute Hochspannungseigenschaften aufweist.
Je nach Anwendungsfall können die Ansteuerschaltungen der Leistungshalbleiter mit auf der Hochstromverschienung integriert werden.
15
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den Ansprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung 0 bezug genommen, in der eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen niederinduktiven, mehrlagigen Hochstromverschienung in Leiterplattentechnik für Stromrichtermoduln schematisch veranschaulicht ist.
Figur 1 · zeigt ein Ersatzschaltbild einer Wechselrichterphase, wogegen die
Figur 2 den zugehörigen räumlichen Aufbau als Seitenansicht zeigt, die
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Aufbau nach Figur 2,
0 in
Figur 4 ist ein Ersatzschaltbild eines dreiphasigen Wechselrichters dargestellt und die
Figur 5 zeigt eine Sicht auf die Bestückungsseite einer erfindungsgemäßen Hochstromverschienung für einen 5 dreiphasigen Wechselrichter nach Figur 4.
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Das' in Figur 1 dargestellte Ersatzschaltbild zeigt schematisch den Aufbau einer Wechselrichterphase 2, bestehend aus zwei elektrisch parallel geschalteten Zweigpaaren 4 und 6 und zwei Entlastungsnetzwerken 8 und 10. Jedem Zweigpaar 4 bzw. 6 ist ein Entlastungsnetzwerk 8 bzw. 10 zugeordnet, wobei diese Entlastungsnetzwerke 8 und 10 auch als RCD-Spannungsbegrenzer für Zweigpaare bezeichnet werden. Gemäß dem Aufsatz "IGBT-Module in Stromrichtern: regeln, steuern, schützen", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "etz", Band 110, 1989, Heft 10, Seiten 464 bis 471, werden RCD-Spannungsbegrenzer für Zweigpaare für Stromrichter mit höherem Ausgangsstrom verwendet, weil sie die kürzeren Leitungslängen im Beschaltungsnetz ermöglichen. Jedes Zweigpaar 4 bzw. 6 enthält zwei Leistungshalbleiter Tl,T2 bzw. Tl',T2'. Durch die Verwendung von zwei elektrisch parallel geschalteten Zweigpaaren 4 und 6 erreicht der Wert eines Phasenstromes annähernd den doppelten Wert der Stromtragfähigkeit eines Leistungshalbleiters Tl bzw. T2 bzw. Tl1 bzw. T2 ' eines Zweigpaares 4 bzw. 6. Die Leistungshalbleiter Tl und Tl1 sind mit den Leistungsanschlüssen P und L und die Leistungshalbleiter T2 und T2' sind mit den Leistungsanschlüssen L und N elektrisch leitend verbunden. An den Leistungsanschlüssen P und N wird ein Zwischenkreis eines Umrichters angeschlossen, wobei am Leistungsanschluß L eine Last oder eine Phase einer Last angeschlossen wird. Diese Leistungsanschlüsse P, L und N sind in einer dickeren Strickstärke dargestellt als die elektrischen Leitungen der Entlastungsnetzwerke 8 und 10.
Im Ersatzschaltbild sind als Leistungshalbleiter T1,T1',T2 und T2' Insulated-Gate-Bipolar-Transistors (IGBT) dargestellt. Ebenso können auch selbstsperrende Feldeffekttransistoren (MOS-FET) oder Leistungstransistoren (LTR) verwendet werden, ohne daß dabei die Schaltung dieser Wechselrichterphase bzw. die Entlastungsnetzwerke 8 und 10 abgeändert
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werden müssen. Die Leistungshalbleiter Tl,..., T2 ' sind abschaltbare Leistungshalbleiter. Als abschaltbarer Leistungshalbleiter kann außerdem ein Gate-Turn-Off-(GTO)-Thyristor verwendet werden, wobei dann unter Umständen das zugehörige Entlastungsnetzwerk aufwendiger wird.
Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht einer Wechselrichterphase 2 gemäß dem Ersatzschaltbild nach Figur 1. Diese Wechselrichterphase 2 besteht aus einem Kühlkörper 12, den Leistungshalbleitern T1,T1',T2 und T2 ' und einer bestückten erfindungsgemäßen niederinduktiven, mehrlagigen Hochstromverschienung 14. Die Bauelemente dieser Hochstromverschienung 14 sind Kondensator Cl,...,C8, Dioden Dl,...,D4 und Widerstände Rl,...,R6 der beiden Entlastungsnetzwerke 8 und 10 für die Zweigpaare 4 und 6 der Wechselrichterphase 2.
Diese mehrlagige Hochstromverschienung 14 besteht aus mehreren elektrisch leitfähigen Lagen 16,18 und 20 und mehreren Isolierschichten 22,24,26 und 28. Die elektrisch leitfähigen Lagen 16, 18 und 2 0 werden unter Verwendung dieser Isolierschichten 22 und 24, die jeweils zwischen zwei benachbarten elektrisch leitfähigen Lagen 16 und 18 bzw. 18 und 20 angeordnet sind, teilentladungsfrei miteinander verpreßt. Als Isolierschicht 22 und 24 kann Leiterplattenbasismaterial verwendet werden. Als elektrisch leitfähige Lagen 16,18 und 20 werden jeweils Kupferlagen bzw. Kupferbleche verwendet. Diese leitfähigen Lagen 16,18 und 20 dienen als Leistungsanschlüsse P, L und N der Wechselrichterphase 2. Diese Leistungsanschlüsse P, L und N sind im Ersatzschaltbild nach Figur 1 mit einer dickeren Strichstärke dargestellt, um darzustellen, daß für diese Leistungsanschlüsse P, L und N jeweils eine elektrisch leitfähige Lage 16,18 und 20 vorgesehen ist.
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Die Flachseite 3 0 der elektrisch leitfähigen Lage 16 der Hochstromverschienung 14, die den Bauelementen der beiden Entlastungsnetzwerke 8 und 10 zugewandt ist, weist ebenfalls eine Isolierschicht 26 auf, so daß zwischen den Anschlußstiften der Bauelemente und der elektrisch leitfähigen Lage (Leistunganschluß P) eine ausreichende Luft- und Kriechstrecke vorhanden ist. Außerdem weist die Flachseite 32 der elektrisch leitfähigen Lage 20 der Hochstromverschienung 14, die den Bauelementen der beiden Entlastungsnetzwerke 8 und 10 abgewandt ist, ebenfalls eine Isolierschicht 28 auf, um auch zwischen den Anschlußstiften der Bauelemente der beiden Entlastungsnetzwerke 8 und 10 und der elektrisch leitfähigen Lage 20 (Leistunganschluß N) eine ausreichende Luft- und Kriechstrecke zu gewährleisten. Die den Bauelementen Rl,...,R6,C1,...,C8 und Dl,...,D4 zugewandte Seite der Isolierschicht 26 der Hochstromverschienung 14 wird auch als Bestückungsseite bezeichnet, die wie üblich ein Druckbild aufweist, dem man entnehmen kann, wo welches Bauelement der Entlastungsnetzwerke 8 und 10 plaziert werden muß. Die den Bauelementen Rl,...,R6,C1,...,C8 und Dl,...,D4 abgewandte Seite der Isolierschicht 28 der Hochstromverschienung 14 wird als Lötseite bezeichnet, die mit kupferkaschierten Leiterbahnen 34 (Figur 3) versehen ist, mit denen die Bauelemente der Entlastungsnetzwerke 8 und 10 gemäß dem Ersatzschaltbild nach Figur 1 elektrisch leitend verbunden werden. Damit die Bauelemente der Entlastungsnetzwerke 8 und 10 auf der Bestükkungsseite der Hochstromverschienung 14 gemäß dem Ersatzschaltbild nach Figur 1, insbesondere auf der Lötseite, verlötet werden können, ist die mehrlagige Hochstromverschienung 14 mit zahlreichen Durchkontaktierungen versehen.
Die Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Hochstromverschienung 14, in der eine Kontaktierung, beispielsweise die Kontaktierung eines der beiden Leistungshalbleiter Tl,T2 bzw. Tl1 ,T21 des Zweigpaares 4 bzw. 6 mit dem
9&Iacgr; 6 3 O 6
Leistungsanschluß L bzw. der elektrisch leitenden Lage 18 näher dargestellt ist. Diese Ausschnittsdarstellung verdeutlicht, daß eine elektrisch leitende Lage 18 mittels einer Hülse 36 aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise eine Kupferhülse, und einer Schraube 38, mit einem Hauptanschluß (Kollektor, Emitter) eines Leistungshalbleiters Tl,T2,Tl' oder T2 ' elektrisch leitend verbunden wird. Außerdem sind in der Darstellung die Leiterbahnen 34 der Isolierschicht 28 zu erkennen. Ferner sind in dieser Darstellung die Isolierschicht 2 6 mit Leiterbahnen 34 versehen. Im Kontaktbereich ist eine Bohrung in der Isolierschicht 22 bzw. 24 kleiner als eine Bohrung in der elektrisch leitenden Lage 16 bzw. 20, wodurch sich die Luft- und Kriechstrecken zwischen zwei benachbarten elektrisch leitenden Lagen 16,18 bzw. 18,20, die jeweils ein anderes Potential aufweisen, wesentlich vergrößern. Damit bei der Herstellung der mehrlagigen Hochstromverschienung 14, d.h. beim Verpressen der Lagen 16,18,20 und der Isolierschichten 22,...,28, keine Schichten beschädigt werden, sind an den Kontaktstellen bzw. an Lagenenden Isolierstücke 40 bzw. 42 vorgesehen. Die Isolierstücke 40 haben eine kreisringförmige Form, wobei die Isolierstücke 42 quaderförmig ausgebildet sind. Außerdem werden so die entstandenen Hohlräume der Hochstromverschienung 14 infolge der Verbesserung der Luft- und Kriechstrecken zwischen zwei mit unterschiedlichen Potentialen behafteten elektrisch leitenden Lagen 16,18 bzw. 18,20, beseitigt, wodurch diese Hochstromverschienung 14 gute bis sehr gute Hochspannungseigenschaften aufweist.
Die Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild eines mehrphasigen Stromrichtermoduls 44, beispielsweise einen dreiphasigen Wechselrichter 44. Dieser Wechselrichter 44 ist mit drei Zweigpaaren 46,48 und 50, denen jeweils ein Entlastungsnetzwerk 52,54,56 zugeordnet ist, versehen. Dabei handelt es sich um RCD-Spannungsbegrenzer für Zweigpaare, wobei die
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Widerstände der einzelnen RCD-Spannungsbegrenzer 52,54 und 56 durch einen oder mehrere Widerstände Rl,...,Rn an einer Stelle des Wechselrichters 44 konzentriert werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, zwangsgekühlte Widerstände zu verwenden, die, wie die Leistungshalbleiter Tl, T2 bzw. T3,T4 bzw. T5,T6 des Zweigpaares 46 bzw. 48 bzw. 50, extern von der Hochstromverschienung 14 angeordnet sind. Wie im Ersatzschaltbild nach Figur 1 sind auch hier die elektrischen Verbindungen, die durch eine elektrisch leitende Lage 16,18 oder 20 der Hochstromverschienung 14 verwirklicht werden, durch eine stärkere Linie dargestellt.
Die Figur 5 zeigt einen Blick auf die Bestückungsseite der Hochstromverschienung 14 des dreiphasigen Wechselrichters 44 gemäß dem Ersatzschaltbild nach Figur 4. Auf dieser Bestückungsseite sind die einzelnen Felder markiert, an denen die Bauelemente der Entlastungsnetzwerke 52,54 und 56 plaziert werden sollen. Wegen der Verlustleistung der Dioden Vl bis V6 sind diese jeweils mit einem Leiterplattenkühl-0 körper 60 versehen. Je nach Anwendungsfall können die Ansteuereinheiten der Leistungshalbleiter Tl,...,T6 mit auf der mehrlagigen Hochstromverschienung 14 integriert werden. Die Anschlußbereiche, die mit P,N und den Lastanschlüssen R,S und T gekennzeichnet sind, zeigen Ausschnitte der entsprechend bezeichneten elektrisch leitenden Lagen 16,20 und 18,18' und 18'', die übereinander angeordnet sind. Durch die Bohrungen dieser Kontaktbereiche werden Schrauben 38 geführt, die jeweils mit einer Kupferhülse 36 versehen werden, die jedoch nicht dargestellt sind.
Durch diese erfindungsgemäße mehrlagige Hochstromverschienung 14 für hohe Spannungen, beispielsweise 700 V bis 1,5 kV, können die Bauelemente der Entlastungsnetzwerke 8,10 bzw. 52,54 und 56 streuarm an die Anschlüsse der Leistungshalbleiter Tl,T2,Tl'T2' bzw. Tl,T2,...,T5,T6 der Zweigpaare 4,6 bzw.
G 3 O 6 7.
&iacgr;&ogr;
46,48 und 50 der Wechselrichterphase 2 bzw. des dreiphasigen Wechselrichters 44 angebunden werden. Außerdem ist die Hochstromverschienung 14 sehr niederinduktiv und weist gute bis sehr gute Hochspannungseigenschaften auf.

Claims (6)

3067 • · Schut zansprüche
1. Ein- bzw. mehrphasiges Stromrichtermodul (2 bzw. 44), bestehend aus wenigstens einem Zweigpaar (4,6 bzw. 46,48,50) mit jeweils zwei Leistungshalbleitern (Tl,Tl' , T2,T2' bzw. Tl,T2;...;T5,T6) , die jeweils zwischen zwei Leistungsanschlüssen (P,L bzw. L,N) angeordnet sind, wobei jedem Zweigpaar (4,6 bzw. 46,48,50) ein Entlastungsnetzwerk (8,10 bzw. 52,54,56), bestehend aus Kondensatoren (C1,C2;C3,C4; C5,C6;C7,C8 bzw. Cl,...,C4;...;C9,...C12), Dioden (D1,D2;D3,D4 bzw. Vl,V2;...;V5,V6) und Widerständen (Rl,...,R3;R4,...,R6 bzw. Rl,...,Rn), zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß diese Leistungshalbleiter (Tl,Tl';T2,T2' bzw. Tl,T2;...;T5,T6) und die Bauelemente der zugehörigen Entlastungsnetzwerke (8,10 bzw. 52,54,56) mittels einer niederinduktiven, mehrlagigen Hochstromverschienung (14) für hohe Spannungen in Leiterplattentechnik miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei für die Leistungsanschlüsse (P,L,N) jeweils eine elektrisch leitfähige Lage (16,18,20) und für die elektrischen Verbindungen der Bauelemente der Entlastungsnetzwerke (8,10 bzw. 52,54,56) jeweils Leiterbahnen (34) vorgesehen sind, wobei diese leitfähigen Lagen (16,18,20) und die Leiterbahnen (34) gegeneinander isoliert sind.
2. Ein- bzw. mehrphasiges Stromrichtermodul (2 bzw.44) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Flachseite (30) einer elektrisch leit-0 fähigen Lage (16) der niederinduktiven Hochstromverschienung (14), die den Bauelementen der Entlastungsnetzwerke (8,10 bzw. 52,54,56) zugewandt ist, mit einer Isolierschicht (26) versehen ist.
3067
• ·
3. Ein- bzw. mehrphasiges Stromrichtermodul (2 bzw. 44) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Isolierschichten (22,24,26,28) und die leitfähigen Lagen (16,18,20) der niederinduktiven Hochstromverschienung (14) teilentladungsfrei miteinander verpreßt sind.
4. Ein- bzw. mehrphasiges Stromrichtermodul (2 bzw. 44) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bauelemente der Entlastungsnetzwerke (8,10 bzw. 52,54,56) mittels Durchkontaktierungen mit den elektrisch leitfähigen Lagen (16,18,29) und den Leiterbahnen (34) auf der den Bauelementen abgewandten Seite der niederinduktiven Hochstromverschienung (14) elektrisch leitend verbunden sind.
5. Ein- bzw. mehrphasiges Stromrichtermodul (2 bzw. 44) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Isolierschicht (22,24,26,28) jeweils Leiterplattenbasismaterial vorgesehen ist.
6. Ein- bzw. mehrphasiges Stromrichtermodul (2 bzw. 44) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrisch leitfähigen Lagen (16,18,20) aus Kupfer bestehen.
• ·
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