JP2023505240A - コンパクトな設計のインバータ - Google Patents

Abstract

定格電力が少なくとも３ｋＶＡを超えるインバータ（１－４）は、第１のプリント回路基板（１０）およびＤＣ／ＡＣコンバータ段を含む第１のアセンブリと、第２のプリント回路基板（２０）およびＤＣ／ＡＣコンバータ段用のＥＭＣフィルタを含む第２のアセンブリとを含む。第１のプリント回路基板（１０）は、ヒートシンク（３０、３５）上に取り付けられ、ヒートシンク（３０、３５）上に略平坦に置かれている。ＤＣ／ＡＣコンバータ段は、パワー半導体（１２）、コイル（１３）、および中間回路コンデンサ（１１）を含むコンバータ部品を有し、コイル（１３）および中間回路コンデンサ（１１）は、第１のプリント回路基板（１０）の１つの面上に共に配置され、ヒートシンク（３０、３５）は、第１のプリント回路基板（１０）の反対面上に配置されている。コイル（１３）および／またはパワー半導体（１２）は、第１のプリント回路基板（１０）と、第１のプリント回路基板（１０）とヒートシンク（３０、３５）との間に配置された熱伝導性材料（３３）によって、ヒートシンク（３０、３５）に熱的に接続されている。第２のプリント回路基板（２０）は、ヒートシンク（３０、３５）の反対側に位置する第１のプリント回路基板（１０）のその面上に配置されている。金属シート（４０）が、第１のアセンブリと第２のアセンブリとの間に配置され、第２のプリント回路基板（２０）は、金属シート（４０）上に取り付けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、特にコンパクトな設計のインバータに関する。

インバータは、直流と交流の間で変換するように設定されたパワーエレクトロニクス装置である。特に、ＤＣ源、例えば、光起電力発生器からＡＣ電圧グリッドに電力を給電することができるか、またはＤＣストレージ装置（例えば、電池）とＡＣ電圧グリッドとの間で双方向に電力を交換することができるインバータが知られている。

既知のインバータは、電気および電子部品、特にブリッジ回路内のパワー半導体、ならびにインバータの所望の入力または出力電流を形成するための静電容量およびインダクタンスを備えた１つまたは複数のプリント回路基板を含む。電気および電子部品は、インバータ内で非常に異なる方法で配置でき、通常、部品はプリント回路基板に実装される。この目的のために、部品は、ＳＭＤ（表面実装デバイス）部品および／またはＴＨＴ（スルーホール技術）部品として知られているものとして設計でき、これらの部品が大幅に異なる特性とサイズを有することが可能となる。

インバータの損失のある電気および電子部品から熱を冷却または放散するために、インバータ内またはインバータ上に１つまたは複数のヒートシンクを配置することが知られている。それらから熱を放散させる部品は、この場合、インバータのそのようなヒートシンクと直接的または間接的に熱接触している。

独国特許出願公開第１０２００９０５８２７０Ａ１号は、ハウジング、水冷却器、パワーモジュール、コンデンサ、およびサンドイッチ構造のアセンブリを備え、アセンブリが、２つのプリント回路基板と冷却プレートを含み、コンデンサとパワーモジュールが、アセンブリと水冷却器の間に配置される、インバータを開示している。

独国特許出願公開第１０２０１７１２７８９５Ａ１号は、インバータのパワーセクションの部品が第１のプリント回路基板の１つの面上に配置され、第１のプリント回路基板のもう１つの面が冷却装置の一部として形成されたホールドダウン装置によってハウジング壁に平坦に固定されており、インバータの制御ユニットを備えた第２のプリント回路基板を、ホールドダウン装置上に配置することができる、インバータを開示している。

本発明は、既知のインバータと比較して、より高い電力密度を有し、よりコンパクトに、より費用効果的に設計されたインバータを提供するという目的に基づいている。

この目的は、請求項１の構成を有するインバータによって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項に定義されている。

定格電力が３ｋＶＡを超えるインバータは、第１アセンブリと第２アセンブリを有する。第１のアセンブリは、第１のプリント回路基板と、ＤＣ／ＡＣコンバータ段とを含む。第２のアセンブリは、第２のプリント回路基板と、ＤＣ／ＡＣコンバータ段用のＥＭＣフィルタとを含む。第１のプリント回路基板はヒートシンク上に取り付けられ、ヒートシンク上に略平坦に置かれている。

ＤＣ／ＡＣコンバータ段は、パワー半導体、チョークコイル、およびリンク回路コンデンサを含むコンバータ部品を有する。チョークコイルとリンク回路コンデンサは、第１のプリント回路基板の１つの面上に共に配置され、ヒートシンクは、第１のプリント回路基板の反対面上に配置される。チョークコイルおよび／またはパワー半導体は、第１のプリント回路基板と、第１のプリント回路基板とヒートシンクとの間に配置された熱伝導性材料とを介してヒートシンクに熱的に接続されるため、インバータの動作中に生じるその廃熱はヒートシンクを介して実質的に放散される。

第２のプリント回路基板は、第１のプリント回路基板のヒートシンクの反対側の面上に配置されている。第２のプリント回路基板は、第１のアセンブリと第２のアセンブリとの間に配置された金属シートに取り付けられている。

インバータの部品を２つのアセンブリに分割することで、コンパクトな設計が可能になる。特に、ヒートシンク上のＤＣ／ＡＣコンバータ段のコンバータ部品を備えた第１のプリント回路基板の配置は、インバータの動作中に発生する廃熱の大部分の原因となる部品からの熱の良好な除去を保証する。特に高い電力密度は、第２のプリント回路基板およびアセンブリ間の金属シートを介してその上に配置された部品からの熱の除去に関連して達成することができる。また、金属シートは、アセンブリ間のクロストークを防ぎ、コンバータ部品を外部電磁場からシールドし、コンバータ部品からの電磁放射から環境を保護することにより、機械的安定化とシールド機能の両方を有する。

本発明は、技術的進歩により、非常に効率的なトポロジーがインバータに利用可能であるという発見に基づいており、これは、とりわけ、リンク回路の静電容量およびチョークコイルなどのコンバータ部品を安定した動作のために比較的小さく設計できるという事実によって特徴付けられる。特に、三相トポロジー、例えばＢ６ブリッジ回路として知られているもの、ならびに単相と三相の両方として設計できるフライングキャップトポロジーとして知られているものがこれに考慮される。

したがって、リンク回路の静電容量とチョークコイル、ならびに第１のプリント回路基板に配置されたフィルタコンデンサおよび／または電流センサなどの任意のさらなるコンバータ部品はすべて、定格電力が３ｋＶＡを超える場合でも、ＳＭＤ部品として設計できる。代替として、またはさらに、個々のコンバータ部品は、プリント回路基板に統合された構造として、例えば、プリント回路基板自体の導体トラックから形成することができる平面コイルとして設計することもできる。

代替の一実施形態では、パワー半導体およびチョークコイルは、ＳＭＤ部品として設計することができ、一方、リンク回路コンデンサは、ＴＨＴ部品として設計される。これは、必要に応じて、より大きなリンク回路容量を実装できることを意味する。しかしながら、ＴＨＴ部品には、それらを支持するプリント回路基板を貫通する接続ワイヤがあり、ＴＨＴ部品の反対側で、例えばはんだ付けによって電気的に接触接続される。したがって、第１のプリント回路基板上に配置されたＴＨＴ部品の接続ワイヤは、第１のプリント回路基板とヒートシンクとの間の空間に延在する。

ヒートシンクは、好ましくは、例えば、押し出されたアルミニウムヒートシンクのベースプレートを含む、略平坦な冷却面を有する。第１のプリント回路基板はヒートシンク上で略平坦であるため、第１のプリント回路基板に面するヒートシンクの冷却面が、特に窪みの形態で、接続ワイヤの位置に凹部を有する場合、第１のプリント回路基板とＴＨＴ部品との平坦な熱的接続に有利であることが証明されている。凹部は、ＴＨＴ部品の接続ワイヤとヒートシンクとの間に十分な距離を確保し、それによって互いに電気的に絶縁する。

ヒートシンクは、プレス方向に配置された冷却リブを備えた押し出しプロファイルを含むことができる。これに関連して、接続ワイヤがトレンチ状の窪みに突出するように、押し出しプロファイルの略平坦な冷却面にトレンチ状の窪みとして凹部を設計することが有利であることが証明されている。トレンチ状の窪みは、好ましくはヒートシンクの冷却リブと平行に走ることができ、したがって、ヒートシンクの費用効果の高い製造を達成するために、押し出しプロファイルの製造中にさえ特に容易に提供することができる。

代替として、またはさらに、凹部は、ＴＨＴ部品のそれぞれの位置またはＴＨＴ部品の個々の接続ワイヤの位置に、例えば、冷却面上の平坦なフライス加工された溝として個別に配置することができる。この場合、凹部のそれぞれの直径は、ＴＨＴ部品の正確に１本の接続ワイヤが各々の窪みに配置されるように設計することができる。第１のプリント回路基板上に配置された管理可能な数のＴＨＴ部品、例えば約１２個のＴＨＴ部品によって、第１のプリント回路基板上のすべてのＴＨＴ部品のすべての接続ワイヤには、例えば接続ワイヤの位置で選択的に削り出されたヒートシンクの表面によって、それぞれ個別の凹部を割り当てることができる。全体として、結果として、ヒートシンクの冷却面は、特に第１のアセンブリからの、熱除去のために最適に使用される。

代替として、またはさらに、そのような凹部の直径は、正確に１つのＴＨＴ部品のすべての接続ワイヤがそれぞれの共通の凹部内に配置されるように設計することができる。このような共通の凹部は、接続ワイヤに個別に割り当てられた凹部よりも直径が大きいが、全体としてヒートシンクの総表面積のごく一部しか占めないため、ヒートシンクの表面積の大部分は、第１のプリント回路基板に熱的に最適に接続できる。

言うまでもなく、この場合、接続ワイヤとヒートシンクの間の所定の絶縁距離も維持する必要があり得る。また、接続ワイヤとヒートシンクの間の絶縁を確保するために、凹部を薄い電気絶縁材料で裏打ちすることができる。

本発明に係るインバータの一実施形態では、プリント回路基板間の距離は、５センチメートル未満、好ましくは３センチメートル未満である。これにより、ＳＭＤ部品の全体の高さに基づく特にコンパクトな設計が可能になり、特に、第１のプリント回路基板にＳＭＤ部品を装着する利点を十分に活用できる。

本発明に係るインバータのさらなる一実施形態では、第１のプリント回路基板とヒートシンクの冷却面との間の距離は、平均して１センチメートル未満、好ましくは５ミリメートル未満である。したがって、構造的に必要な最小距離を橋渡しする熱伝導性材料を考慮に入れると、プリント回路基板はヒートシンクと直接熱的接触をする。これにより、プリント回路基板（したがって、第１のアセンブリ）の冷却面（したがって、ヒートシンク）への理想的な熱的接続が保証される。

第１のアセンブリのパワー半導体は、パワー半導体とヒートシンクとの間の直接熱的接続を可能にするために、ヒートシンクに面する第１のプリント回路基板の面上に配置することができる。ここでは、ヒートシンクの冷却面のパワー半導体の位置に凹部を設けて、プリント回路基板とパワー半導体が冷却面から略同じ距離にある、すなわち、例えば、同じ熱伝導性材料でヒートシンクに熱的に結合されるようにすることが有利であることが証明されている。その場合、冷却面に対する凹部の深さは、特にパワー半導体の全高に等しい。

一実施形態では、インバータの第２のアセンブリは、第１のプリント回路基板の反対側である第２のプリント回路基板の面上に配置されたフィルタ部品を含む。

本発明に係るインバータの一実施形態では、第１のアセンブリは、チョークコイルと金属シートとの間に配置された熱伝導性材料を介して金属シートに熱的に接続される少なくとも２つのチョークコイルを含む。代替として、またはさらに、第１のアセンブリのリンク回路コンデンサのうちの少なくとも１つは、リンク回路コンデンサと金属シートとの間に配置された熱伝導性材料を介して金属シートに熱的に接続することができる。チョークコイルおよび／またはリンク回路コンデンサのヒートシンクへの熱的接続と組み合わせて、金属シートを介したコンバータ部品からの熱除去がさらに改善される。

また、インバータは、第１のアセンブリと第２のアセンブリとの間の金属シートに沿って空気流を生成するファンを含むことができ、したがって、インバータの廃熱の最適な放散にさらに寄与する。

アセンブリ間の金属シートは、プリント回路基板に略平行に向けられ、金属シートの平面から第１のアセンブリの設置スペースに延在するセクションを含むこともできる。これらのセクションは、特にセクションがファンからの空気の流れによって捕らえられたときに、金属シートを安定させ、金属シートの冷却能力を高めるのに役立ち、また、空気の流れを目的の方法で方向付けることができる。

本発明に係るインバータのさらなる一実施形態では、第１のアセンブリは、ＤＣ／ＤＣコンバータ段を含み、ＤＣ／ＤＣコンバータ段は、リンク回路コンデンサを介してＤＣ／ＡＣコンバータ段に接続される。その結果、特に、インバータの入力電圧の使用可能範囲を拡大することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ段のパワー半導体は、炭化ケイ素または窒化ガリウム半導体の形態とすることができる。さらに、ＤＣ／ＡＣコンバータ段のパワー半導体は、炭化ケイ素または窒化ガリウム半導体の形態とすることができる。

本発明に係るインバータの第１のアセンブリは、第１のプリント回路基板上に配置され、パルス幅変調クロック信号によってパワー半導体を作動させ、ＤＣ／ＡＣコンバータ段の電流および電圧測定値を検出するように構成された制御ユニットを含むことができる。特に、制御ユニットは、少なくとも１００ｋＨｚのスイッチング周波数でパワー半導体をスイッチングするように構成することができる。また、インバータのＤＣ／ＡＣコンバータ段は、少なくとも２つのハーフブリッジを含むことができ、制御ユニットは、スイッチング周期に基づいて少なくとも９０度の位相オフセットで２つのハーフブリッジのパワー半導体を周期的に切り替えるように構成される。

炭化ケイ素または窒化ガリウムパワー半導体を、高いスイッチング周波数と、必要に応じて、ＤＣ／ＡＣコンバータ段で並列に接続されたいくつかのハーフブリッジのクロッキングの位相シフトネスティングと組み合わせて使用することにより、ハーフブリッジの出力、つまりチョークコイルで平滑化する前でも、低歪みの電流曲線を生成できる。その結果、チョークコイルとリンク回路コンデンサの両方をさらに小さくなるように設計することができるか、または同じ設計でより高い公称電力を実現することができる。

本発明に係るインバータは、ＤＣ／ＡＣコンバータ段および低電圧グリッドの相線を備えたＥＭＣフィルタを介して、少なくとも１つの接続可能なＤＣ電圧ユニットから電力を交換するように構成することができる。特に、インバータは、規格に準拠した方法で、電力を低電圧グリッドに給電する、および／または低電圧グリッドから電力を引き出すことができる。一実施形態では、インバータは三相設計を有し、三相低電圧グリッドを用いて三相すべてで電力を交換するように構成される。インバータのＤＣ入力のＤＣ電圧ユニットは、特に、太陽光発電機および／または電池を含むことができる。

以下のテキストは、図に示される例示的な実施形態を参照して、本発明をさらに説明および記載する。

図１は、第１の実施形態におけるインバータを示している。 図２は、第２の実施形態におけるインバータを示している。 図３は、第３の実施形態におけるインバータを示している。 図４は、インバータ用のヒートシンクの一実施形態を示している。 図５は、第４の実施形態におけるインバータを示している。

図１にインバータ１を簡略断面図で示している。インバータ１のパワーエレクトロニクス部品が示されている。言うまでもなく、例えば、負荷を供給するためか、またはＡＣ電圧グリッドに給電するためのバッテリーインバータまたは太陽光発電インバータとしての、インバータの実際の動作には、追加の電気的、電気機械的、および機械的部品が必要であり、分かりやすくするためにこれらは図１には図示されない。これには、特に、ＤＣおよびＡＣ接続装置、リレー、ハウジングなどが含まれる。

インバータ１は、第１のプリント回路基板１０および第２のプリント回路基板２０を含む。第１のプリント回路基板１０は、ヒートシンク３０に取り付けられている。ヒートシンク３０は、略平坦な冷却面３１と、その上に配置された冷却リブ３２とを含み、冷却リブ３２は、冷却空気が冷却リブ３２の間を通って流れることができるように互いに離間されている（図２を参照）。熱伝導性材料３３は、第１のプリント回路基板１０と冷却面３１との間に配置されている。熱伝導性材料３３は、特に、一体に形成され、ヒートシンク３０上の第１のプリント回路基板１０の支持面全体を覆うことができる。代替として、熱伝導性材料３３は、いくつかの部品および／または粘着性の塊からなることができ、前記支持面の一部のみを覆うことができる。

様々なパワーエレクトロニクスコンバータ部品が第１のプリント回路基板１０上に配置され、これらは特に相互作用してＤＣ／ＡＣコンバータ段を形成する。この場合のＤＣ／ＡＣコンバータ段は、特に、リンク回路コンデンサ１１、パワー半導体１２、およびチョークコイル１３、ならびに必要に応じて、特に、制御ユニット１４および他のドライバ、コントローラ、および／またはその他の小さな電子部品（抵抗器、ＩＣなど）などの他の周辺部品を含む。

第１のプリント回路基板１０上の部品は、特に、表面実装部品として、すなわち、表面実装デバイス（略してＳＭＤ部品）として知られているものとして設計することができる。ＳＭＤ部品は、部品が配置されているプリント回路基板の面において、それらがプリント回路基板の導体トラックにも電気的に接触接続され、その結果、ＳＭＤ部品を組み立てるために、部品とは反対側のプリント回路基板の面にアクセスする必要がないという事実によって特に特徴づけられる。これとは対照的に、スルーホールアセンブリ（ＴＨＴ＝ｔｈｒｏｕｇｈ－ｈｏｌｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（スルーホール技術））を目的としたＴＨＴ部品として知られているものは、ＴＨＴ部品とは反対側のプリント回路基板の面上のプリント回路基板の導体トラックに電気的に接触接続される、特にはんだ付けされる。

図１に従って第１のプリント回路基板１０上にＴＨＴ部品が配置されていない場合、プリント回路基板１０は、熱伝導性材料３３によって表面全体にわたって冷却面３１に熱的に接続することができる。この場合、熱伝導性材料３３は、一般的に、可能な限り薄くされるため、第１のプリント回路基板１０とヒートシンク３０との間の熱抵抗が可能な限り低くなることが保証される。この場合、熱抵抗は、例えば、著しく高い熱抵抗を有する空気によってではなく、熱伝導性材料３３によってのみ可能な限り形成される。結果として、インバータ１の動作中にコンバータ部品１１－１３で発生する廃熱は、第１のプリント回路基板１０を介して、熱伝導性材料３３を介してヒートシンク３０に、そしてそこから環境に効果的に放散される。

インバータ１の他の様々な部品は、第２のプリント回路基板２０上に配置され、これは、特に、第１のプリント回路基板２０上のＤＣ／ＡＣコンバータ段用のＥＭＣフィルタを形成する。ＥＭＣフィルタは、特に、フィルタコンデンサ２１およびフィルタチョークコイル２２を含み、さらなるフィルタコンデンサ２１を第１のプリント回路基板１０上に配置することが可能である。また、第２のプリント基板には、例えば、通信プロセッサ２３が配置される。接続要素５１（例えば、ソケットまたはネジ端子）に接続される電気接続５０（例えば、ケーブルまたはバスバー）は、第１のプリント回路基板１０のＤＣ／ＡＣコンバータ段を第２のプリント回路基板２０のＥＭＣフィルタに接続する。この場合、接続５０は、全体として、少なくともインバータ１の定格電力に対応する電力を伝送できるように設計されている。また、内部制御および動作信号の送信に適した信号線を、プリント回路基板１０と２０との間に配置することができる。

第２のプリント回路基板２０は、締結手段４１によって、例えばねじ込みまたはクリップ留めで、金属シート４０に取り付けられている。金属シート４０は、リンク回路コンデンサ１１およびチョークコイル１３上に置かれ、熱伝導性材料４３が、金属シート４０とリンク回路コンデンサ１１またはチョークコイル１３との間に配置されている。結果として、特に金属シート４０の位置、したがって第２のプリント回路基板２０の位置も固定される。また、金属シート４０を第１のプリント回路基板１０に直接機械的に接続するさらなる保持プレート４２を提供することができる。インバータ１の動作中、リンク回路コンデンサ１１およびチョークコイル１３で発生する廃熱は、熱伝導性材料４３を介して金属シート４０に、そしてそこから環境に効果的に放散される。

図２は、さらなるインバータ２を簡略化された断面図で示している。図１に関連してすでに説明したものと基本的に同じ部品には、同じ符号が付いている。

複数のリンク回路コンデンサ１１、パワー半導体１２、およびチョークコイル１３が、ＤＣ／ＡＣコンバータ段の部品として、第１のプリント回路基板１０上に配置されている。ＤＣ／ＡＣコンバータ段、したがってインバータ２全体は、特に、三相設計を有することができ、部品１２、１３もまた、それぞれの場合に三重に設計され、一対のパワー半導体１２が三相インバータ２の１相のハーフブリッジを形成することが可能である。

ＤＣ／ＡＣコンバータ段の部品が主にＳＭＤ部品として設計され、特にＴＨＴ部品が第１のプリント回路基板１０上に配置されていない場合、第１のプリント回路基板１０は、熱伝導性材料３３を介して表面全体にわたって冷却面３１に熱的に接続される。これにより、第１のプリント回路基板１０上の部品１１、１２、１３で発生する廃熱がヒートシンク３０に、そしてそこから環境に効果的に放散されることが保証される。

インバータ２のさらなる部品は、第２のプリント回路基板２０上に、特に、フィルタコンデンサ２１およびフィルタチョークコイル２２、ならびに通信プロセッサ２３を含むＥＭＣフィルタ上に配置される。もちろん、プリント回路基板１０と２０との間の電気的接続が提供される（図１を参照）が、わかりやすくするために図２には図示されない。

金属シート４０は、第１のプリント回路基板１０と第２のプリント回路基板２０との間に配置されている。第２のプリント回路基板２０は、金属シート４０に締結されている。金属シート４０は、リンク回路コンデンサ１１およびチョークコイル１３上に置かれているため、金属シート４０の位置、したがって第２のプリント回路基板２０の位置も固定される。熱伝導性材料４３は、金属シート４０とリンク回路コンデンサ１１またはチョークコイル１３との間に配置されている。結果として、インバータ２の動作中のリンク回路コンデンサ１１およびチョークコイル１３からの廃熱の一部は、熱伝導性材料４３を介して金属シート４０に導入され、そこから環境に放散される。

図３は、さらなるインバータ３を簡略化された断面図で示している。図１または図２に関連してすでに説明したものと基本的に同じ部品には同じ符号が付いている。インバータ３は、第１のプリント回路基板１０および第２のプリント回路基板２０を含む。第１のプリント回路基板１０は、ヒートシンク３５に取り付けられている。

インバータ３のヒートシンク３５は、略平坦な表面セクションを含む冷却面３４を有し、冷却面３４の大部分が第１の平面内に配置されている。しかしながら、冷却面３４の表面セクションのうちの少なくとも１つは、ヒートシンク３５がトレンチ３６を有するように、第２の平面内にある。ヒートシンク３４は冷却リブ３２を含み、これを介してインバータ３からの廃熱が環境に放出される。

ＤＣ／ＡＣコンバータ段は、第１のプリント回路基板１０上に配置され、特に、リンク回路コンデンサ６１、パワー半導体１２、およびチョークコイル１３を含む。図１および図２に係るインバータ１および２とは対照的に、ここではＴＨＴ部品もまた、第１のプリント回路基板１０上に、ここでは特にリンク回路コンデンサ６１上に配置されている。リンク回路コンデンサ６１は、プリント回路基板１０を通って延在する接続ワイヤ６２を有し、特にはんだ接続によって、部品の反対側のプリント回路基板１０の面上に締結される。また、制御ユニット１４および場合によってはさらなるコンデンサ１５を第１のプリント回路基板１０上に配置することができ、これらは好ましくはＳＭＤ部品として設計される。

したがって、第１のプリント回路基板１０は、一方で、ＴＨＴ部品が配置される領域を有する。ＴＨＴ部品として設計されたリンク回路コンデンサ６１の接続ワイヤ６２は、第１のプリント回路基板１０を通って延在する。第１のプリント回路基板１０は、接続ワイヤ６２のために、ＴＨＴ部品の領域内の冷却面３４上に容易に完全には配置することができない。代わりに、ＴＨＴ部品は、図３においてトレンチ３６によって実現される、第１のプリント回路基板１０と冷却面３４との間に距離を必要とする。トレンチ３６の深さは、接続ワイヤ６２とヒートシンク３５との間の電気絶縁が確保されるように設計される。

他方、第１のプリント回路基板１０は、ＴＨＴ部品が配置されていない広い領域を有する。特に、プリント回路基板１０のこれらの領域には、部品が配置される。ＴＨＴ部品のないこれらの領域は、熱伝導性材料３３を介して領域全体にわたって冷却面３４に熱的に接続されている。特に、パワー半導体１２、チョークコイル１３、および該当する場合はコンデンサ１５からの廃熱が第１のプリント回路基板１０を通って効果的に流れ、熱伝導性材料３３を介してヒートシンク３５に入り、そこから環境に排出されることができるように、比較的大量の廃熱を生成する部品がこれらの領域に配置される。

金属シート４０は、第１のプリント回路基板１０と第２のプリント回路基板２０との間に配置されている。第２のプリント回路基板２０は、金属シート４０に締結されている。金属シート４０は、リンク回路コンデンサ６１およびチョークコイル１３上に置かれるため、金属シート４０の位置、したがって第２のプリント回路基板２０の位置も固定される。

熱伝導性材料４３は、金属シート４０とリンク回路コンデンサ６１またはチョークコイル１３との間に配置される。その結果、インバータ２の動作中のリンク回路コンデンサ６１およびチョークコイル１３からの廃熱は、熱伝導性材料４３を介して金属シート４０に導入され、そこから環境に放散される。また、例えば、第１のプリント回路基板１０と金属シート４０との間のギャップを通って、ファンによって強制される空気流を案内するガイドプレート４４を提供することができる。また、金属シート４０は、保持プレート４２を介して第１のプリント回路基板１０に機械的に直接接続することができる（図１を参照）。

図４は、インバータ１、２、３で使用され得るヒートシンク３５を示している。ヒートシンク３５は、サブ図ａ）、ｂ）、およびｃ）に異なる図で示され、ａ）は冷却面３７の斜視図、ｂ）は上面図であり、ｃ）はａ）およびｂ）において線Ａ－Ａに沿った断面である。ヒートシンク３５は、冷却面３７および冷却リブ３２を有する。複数の窪み３８は、例えばフライス加工によって、冷却面３７内に作製される。また、図３に係るトレンチ３６が提供され得るが、わかりやすくするために図４には図示されない。

特に、第１のプリント回路基板１０は、ヒートシンク３５に取り付けることができ、その上に、ＴＨＴ部品（例えば、リンク回路コンデンサ６１）が、または該当する場合は、ＴＨＴ設計のパワー半導体１２および／またはチョークコイル１３も図３に従って配置される。窪み３８は、ＴＨＴ部品の接続ワイヤ６２の位置と一致するように、冷却面３７上に配置される。また、絶縁層３９は、窪み３８のそれぞれの底部に導入することができる。これにより、ヒートシンク３５と第１のプリント回路基板１０上の電位との間の十分な電気絶縁が保証される。

図５は、さらなるインバータ４を簡略化された断面図で示している。図１～図３に関連してすでに説明したものと基本的に同じ部品には同じ符号が付いている。インバータ４は、第１のプリント回路基板１０および第２のプリント回路基板２０を含む。第１のプリント回路基板１０は、ヒートシンク３５に取り付けられている。リンク回路コンデンサ１１およびチョークコイル１３は、第１のプリント回路基板１０上に配置され、ＳＭＤ部品として設計されている。

インバータ３のヒートシンク３５は、略平坦な表面セクションを含む冷却面３４を有し、冷却面３４の大部分が第１の平面内に配置されている。しかしながら、冷却面３４の２つの表面セクションは、ヒートシンク３５が２つの窪み３８を有するように、第２の平面内にある。ヒートシンク３４は冷却リブ３２を含み、これを介してインバータ３からの廃熱が環境に放出される。

パワー半導体１２は、第１のプリント回路基板１０上に配置されている。パワー半導体１２は、ヒートシンク３５に面する第１のプリント回路基板１０の面上に取り付けられている。この場合、パワー半導体１２は、窪み３８の位置に配置されている。結果として、第１のプリント回路基板１０は、熱伝導性材料３３を介してヒートシンク３５の冷却面３４に略平坦で熱的に良好に接続することができ、一方、パワー半導体１２は、窪み３８内の「低くなった」冷却面３４上に直接配置され、したがって、ヒートシンク３５に熱的に最適に取り付けられている。言うまでもなく、この目的のために、熱伝導性材料をパワー半導体１２とヒートシンク３５との間に配置することができる。

１、２、３、４ インバータ
１０、２０ プリント基板
１１ リンク回路コンデンサ
１２ パワー半導体
１３ チョークコイル
１４ 制御ユニット
１５ 静電容量
２１ フィルタコンデンサ
２２ フィルタチョークコイル
２３ 通信プロセッサ
３０、３５ ヒートシンク
３１、３４、３７ 冷却面
３２ 冷却リブ
３３ 熱伝導性材料
３６、３８ 窪み
３９ 断熱層
４０ 金属シート
４１ 締結手段
４２ 保持プレート
４３ 熱伝導性材料
４４ ガイドプレート
５０ 接続
５１ 接続要素
６１ リンク回路コンデンサ
６２ 接続ワイヤ

Claims (26)

1. 第１のプリント回路基板（１０）およびＤＣ／ＡＣコンバータ段を含む第１のアセンブリと、
   第２のプリント回路基板（２０）および前記ＤＣ／ＡＣコンバータ段用のＥＭＣフィルタを含む第２のアセンブリとを含み、
   前記第１のプリント回路基板（１０）は、ヒートシンク（３０、３５）上に取り付けられ、前記ヒートシンク（３０、３５）上に略平坦に置かれ、
   前記ＤＣ／ＡＣコンバータ段は、パワー半導体（１２）、チョークコイル（１３）、およびリンク回路コンデンサ（１１）を含むコンバータ部品を有し、
   前記チョークコイル（１３）および前記リンク回路コンデンサ（１１）は、前記第１のプリント回路基板（１０）の１つの面上に共に配置され、前記ヒートシンク（３０、３５）は、前記第１のプリント回路基板（１０）の反対面上に配置され、
   前記チョークコイル（１３）および／または前記パワー半導体（１２）は、前記第１のプリント回路基板（１０）と、前記第１のプリント回路基板（１０）と前記ヒートシンク（３０、３５）との間に配置された熱伝導性材料（３３）とを介して、前記ヒートシンク（３０、３５）に熱的に接続され、
   前記第２のプリント回路基板（２０）は、前記ヒートシンク（３０、３５）の反対側の前記第１のプリント回路基板（１０）の前記面上に配置され、
   金属シート（４０）が、前記第１のアセンブリと前記第２のアセンブリとの間に配置され、前記第２のプリント回路基板（２０）は、前記金属シート（４０）上に取り付けられる、定格電力が少なくとも３ｋＶＡのインバータ（１－４）。
2. 前記コンバータ部品は、前記第１のプリント回路基板（１０）上に配置されたフィルタコンデンサ（２１）および／または電流センサをさらに含む、請求項１に記載のインバータ（１－４）。
3. すべてのコンバータ部品がＳＭＤ部品として設計されるか、または前記第１のプリント回路基板（１０）に統合される、請求項１または２に記載のインバータ（１、２、４）。
4. 前記パワー半導体（１２）および前記チョークコイル（１３）は、ＳＭＤ部品として設計され、
   前記リンク回路コンデンサ（１１）は、ＴＨＴ部品として設計される、請求項１または２に記載のインバータ（３）。
5. 前記第１のプリント回路基板（１０）上に配置された前記ＴＨＴ部品の接続ワイヤ（６２）が、前記第１のプリント回路基板（１０）と前記ヒートシンク（３５）との間の空間内に延在し、
   前記第１のプリント回路基板（１０）に面する前記ヒートシンク（３５）の略平坦な冷却面（３４）は、取り付け可能な接続ワイヤ（６２）と前記ヒートシンク（３５）との間の十分に大きな距離が保証されるように、前記接続ワイヤ（６２）の位置に凹部を有する、請求項４に記載のインバータ（３）。
6. 前記ヒートシンク（３５）は、押し出しプロファイルを含み、前記凹部が前記押し出しプロファイルの略平坦な冷却面（３４）にトレンチ状の窪み（３６）を含むため、前記接続ワイヤ（６２）が前記トレンチ状の窪み（３６）内に突出している、請求項５に記載のインバータ（３）。
7. 前記ヒートシンク（３５）は、複数の冷却リブ（３２）を有し、前記トレンチ状の窪み（３６）は、前記冷却リブ（３２）に平行に向けられている、請求項６に記載のインバータ（３）。
8. 前記凹部は、前記ヒートシンク（３５）の前記冷却面（３４、３７）内に複数の窪み（３８）を含み、前記窪み（３８）の直径は、ＴＨＴ部品の正確に１つの接続ワイヤ（６２）または正確に１つのＴＨＴ部品の複数の接続ワイヤ（６２）が、前記窪み（３８）のうちの１つに配置されるように具現化され、前記接続ワイヤ（６２）と前記ヒートシンク（３５）との間の所定の絶縁距離が維持される、請求項５に記載のインバータ（３）。
9. 前記プリント回路基板（１０、２０）間の距離は、５センチメートル未満、好ましくは３センチメートル未満である、請求項１～８のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
10. 前記第１のプリント回路基板（１０）と前記ヒートシンク（３０、３５）の前記冷却面（３１、３４、３７）との間の距離は、１センチメートル未満、好ましくは５ミリメートル未満である、請求項１～９のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
11. 前記パワー半導体（１２）は、前記ヒートシンク（３５）に面する前記第１のプリント回路基板（１０）の前記面上に配置され、前記ヒートシンク（３５）と直接接触している、請求項１～１０のいずれか一項に記載のインバータ（４）。
12. 前記ヒートシンク（３５）の前記冷却面（３４）は、前記パワー半導体（１２）の位置に凹部を有するため、前記第１のプリント回路基板（１０）および前記パワー半導体（１２）は、前記冷却面（３４）から略同じ距離にある、請求項１１に記載のインバータ（４）。
13. 前記第２のアセンブリは、前記第１のプリント回路基板（１０）の反対側の第２のプリント回路基板（２０）の面上に配置されたフィルタ部品を含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
14. 前記第１のアセンブリは、少なくとも２つのチョークコイル（１３）を含み、前記チョークコイル（１３）のうちの少なくとも２つと前記金属シート（４０）は、前記チョークコイル（１３）と前記金属シート（４０）との間に配置された熱伝導性材料（４３）を介して互いに熱的に接続されている、請求項１～１３のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
15. 前記第１のアセンブリの前記リンク回路コンデンサ（１１）のうちの少なくとも１つと前記金属シート（４０）は、前記少なくとも１つのリンク回路コンデンサ（１１）と前記金属シート（４０）との間に配置された熱伝導性材料（４３）を介して互いに熱的に接続されている、請求項１～１４のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
16. 前記インバータ（１－４）は、前記第１のアセンブリと前記第２のアセンブリとの間の前記金属シート（４０）に沿って空気流を生成するファンを含む、請求項１～１５のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
17. 前記金属シート（４０）は、前記金属シート（４０）の平面から前記第１のアセンブリの設置空間に延在するセクション（４２、４４）を含む、請求項１～１６のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
18. 前記第１のアセンブリは、ＤＣ／ＤＣコンバータ段を含み、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ段は、リンク回路コンデンサ（１１）を介して前記ＤＣ／ＡＣコンバータ段に接続されている、請求項１～１７のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
19. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ段の前記パワー半導体（１２）は、炭化ケイ素または窒化ガリウム半導体の形態である、請求項１８に記載のインバータ（１－４）。
20. 前記ＤＣ／ＡＣコンバータ段の前記パワー半導体（１２）は、炭化ケイ素または窒化ガリウム半導体の形態である、請求項１～１９のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
21. 前記第１のアセンブリは、前記第１のプリント回路基板（１０）上に配置され、パルス幅変調されたクロック信号を使用して、前記パワー半導体（１２）を作動させるように、かつ前記ＤＣ／ＡＣコンバータ段の電流および電圧測定値を検出するように設定された制御ユニット（１４）を含む、請求項１～２０のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
22. 前記制御ユニット（１４）は、少なくとも１００ｋＨｚのスイッチング周波数で前記パワー半導体（１２）をスイッチングするように設定されている、請求項２１に記載のインバータ（１－４）。
23. 前記ＤＣ／ＡＣコンバータ段、または適切な場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ段が少なくとも２つのハーフブリッジを含み、前記制御ユニット（１４）は、スイッチング周期に基づいて少なくとも９０度の位相オフセットで前記２つのハーフブリッジの前記パワー半導体（１２）を周期的にスイッチングするように設定されている、請求項２１または２２に記載のインバータ（１－４）。
24. 前記インバータ（１－４）は、低電圧グリッドの相線を使用して、前記ＤＣ／ＡＣコンバータ段および前記ＥＭＣフィルタを介して、少なくとも１つの接続可能なＤＣ電圧ユニットから電力を交換するように設定されている、請求項１～２３のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
25. 前記インバータ（１－４）は、規格に準拠した方法で、低電圧グリッドに電力を給電するように、および／または低電圧グリッドから電力を引き出すように設定されている、請求項１～２４のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
26. 前記インバータ（１－４）は、三相設計を有し、三相低電圧グリッドで３相すべての電力を交換するように設定されている、請求項１～２５のいずれか一項に記載のインバータ（１－４）。
    

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