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Die Erfindung betrifft den Aufbau eines ein-oder mehrphasigen Stromrichters. der aus einzelnen steuerbaren Halbleitermodulen und Zwischenkreiskondensatoren besteht, wobei die Zwischenkreiskondensatoren bei einem einphasigen Stromnchter liegend In zwei Reihen und die Anschlusse der Kondensatoren der beiden Reihen gegenüberliegend angeordnet sind, wobei oberhalb jeder Kondensatorrelhe Kühlkorper vorgesehen sind, auf denen zumindest zwei Halbleitermodule hintereinander In Richtung der Kondensator ! änge angeordnet sind, wobei die Verbindungen zwischen den Kondensatoren und den Halbleitermodulen mittels Plattenverschienung erfolgt, und wobei die Kondensatoren über zwei nur durch eine solierschichte getrennte senkrechte Platten, welche bis knapp oberhalb der Anschlüsse der Halbleitermodule reichen,
mit diesen verbunden sind Ein Stromrichter der oben genannten Art ist In der DE-A1-42 32 763 beschrieben Durch diese Konstruktion kann eine Minimierung und Symmetnerung parasitärer) Induktivitäten in den Kommuntierungskreisen erzielt werden Die an die Kondensatoren angeschlossenen senkrechten Platten sind mit den Halbleitermodulen uber weitere senkrechte Platten verbunden, die normal zu den an die Kondensatoren angeschlossenen senkrechten Platten angeordnet sind.
Diese Losung bietet den Vorteil, dass die Halbleitermodule leicht zugänglich sind Ein Nachteil dieser Anordnung ist jedoch eine grossere Bauhöhe und eine unglelchmassige Stromverteilung bei hohen Laststromanderungen (dl/dt) des Stromnchters, insbesondere bel Kurzschlussabschaltungen
Aus der DE-A1-42 22 068 und der DE-A1-41 10 339 ist bekannt, zur Verringerung der Kommutierungsinduktivitat eine niedennduktive Anbindung der Leistungsmodule an einen verteilten Zwischenkreis-Kondensator mittels Plattenverschienungen zu realisieren,
wobei durch die Anordnung gemäss DE-A1-42 22 068 die Verwendung von Sandwtchfohen geoffenbart ist Konstruktive Merkmale eines Stromnchteraufbaues der eingangs genannten Art sind jedoch In diesen Druckschriften nicht geoffenbart Ein einphasiger Stromnchter, wie In Flg 1 dargestellt, besteht aus zwei Zweigen von denen jeder an der Zwischenkreisspannung liegt, wobei Edle Pluspolschiene und F die Minuspolschiene ist Ein Zweig besteht aus zwei In Serie geschalteten Modulen, von denen jeder mindestens einen geschalteten Halbleiter 1,2, 3,4, z B IGBT, mit einer Freilaufdiode 5. 6,7, 8 aufweist.
Die Last L ist an die Verbindung der beiden Module angeschlossen Czk repräsentiert den Zwischenkreiskondensator In Flg 2 sind die auftretenden Induktivitaten Lsa, Lsi, Lczk bei einem Zweig dargestellt, der aus
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notwendig den Stromkreis Czk (mit Lczk) - Lsa - Modul 1 u (mit LSI) - Modul 11 (mit Lsi)-Lsa-Czk moglichst niederinduktiv zu gestalten
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun dann, den oben beschriebenen Stromkreis Im Stromnchter durch konstruktive Massnahmen moglichst induktiv) tätsarm auszuführen.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelost, welche, ausgehend von einem Aufbau der eingangs genannten Art, dadurch gekennzeichnet ist, dass die senkrechten Platten uber parallele, nur durch eine Isolierschicht getrennte waagrechte Platten mit den Halbleitermodulen verbunden sind, und dass zwei Ausgangsplatten, welche über Durchführungen mit den Halbleitermodulen verbunden und an denen die Last angeschlossen ist, unmittelbar parallel zu den waagrechten Platten zur Mitte geführt und dort in Form paralleler senkrechter Schienen ausgeleitet sind Durch diesen Aufbau bleibt das Überschwingen der Ausschaltspannung klein und weiters werden auch Beschaltungsnetzwerke eingespart und die Halbleiterausnutzung steigt. Besonders gunstig wirkt sich der niederinduktive Kreis bei Kurzschlussabschaltungen aus
Von Vorteil ist,
dass die Platten der Modulverschienung auf einer Längsseite abgewinkelt sind und im abgewinkelten Bereich Kammstruktur aufweisen, und dass die mit den Kondensatoren verbundenen Platten an der oberen Langsseite ebenfalls Kammstruktur aufweisen und die Kämme derart gekropft sind, dass sie In einer Ebene liegen, und dass die Modulverschienung mit den mit den Kondensatoren verbundenen Platten uber die Kammstruktur, vorzugsweise mittels Schrauben und Muttern, miteinander verbunden sind Durch diese Konstruktion wird ein Kreuzen der Plus- und Mlnusverschlenung vermieden.
Weiters ist von Vorteil, dass die Platten eines Poles der Modulverschienung seitliche
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Ausnehmungen oder Bohrungen aufweisen Dies ist zur elektrischen Verbindung einzelner Module uber Isolierte Bolzen zur Ausgangsschiene erforderlich
Nach einer Ausgestaltung sind bei einem mehrphasigen Stromrichter je zwei Zweige symmetnsch zur Verschienung der Kondensatoren angeordnet. Dadurch wird ein kompakter Aufbau eines mehrphasigen Stromnchters erreicht.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind bel einem mehrphasigen Stromrichter die Ausgangsschienen zwischen den Phasen mindestens paarweise und paketweise gefuhrt
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Verschienung der Kondensatoren über den Stromrichter hinausragt und über diese Verschienung mindestens zwei Stromrichter zusammengeschaltet sind.
Dadurch können mehrere Stromrichter auf einfache Weise zusammengeschaltet werden. Da diese Stromrichterverbindungen äusserst niederinduktiv sind, konnen zusatzliche DÅampfungseinnchtungen zur Schwingungsdämpfung zwischen den einzelnen Stromnchtern entfallen. Aufgrund dieser nun durchgehenden Kondensatorverschienung wirken die Kondensatoren der Stromrichter wie eine elektnsche Einheit. Da die Stromnchterkomblnatton dadurch elektnsch stabiler wird, Ist sie regelungstechnisch leichter beherrschbar Ausserdem können aufgrund der Kondensatorspitzenstromaufteilung auf zwei Stromnchter Kondensatoren eingespart werden.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen noch näher erläutert
In Fig. 1 ist die Schaltung eines einphasigen Stromrichters dargestellt, Fig 2 zeigt die in einem Stromrichter auftretenden Induktivitäten, der Fig. 3 ist die Seitenansicht des erfindungsgemässen Aufbaus zu entnehmen, In Fig. 4 sind die Stromschleife zwischen den Schienen dargestellt, aus Fig 5 geht die Kammstruktur der P) us- und Minuskondensatorverschtenung und der Mlnusmodulverschienung hervor, die Fig. 6 zeigt die Anschlüsse zu den Halbleitermodulen, Flg 7 einen mehrphasigen Stromrichter, Fig. 8 mögliche Zusammenschaltungen von jeweils zwei mehrphasigen Stromnchtem, Flg. 9 stellt die Verbindung von den Kondensatorschienen zu den Halbleitermodulen mittels grosser Platten dar und der Fig.
10 sind mögliche Varianten der Ausgangsschienenführung zu entnehmen.
Die Fig 1 und die Fig. 2 wurden bereits eingangs erläutert.
Bei Fig 3 sind die waagrecht angeordneten Zwischenkreiskondensatoren A uber die senkrechte Plus- und Minusverschienung D und die Plus- E und Minusmodulverschienung F mit den Halbleitermodulen 1,2, 3,4 verbunden. Parallel über der Modulverschienung E, F liegt die Ausgangsmodulverschienung G, die mit den beiden Ausgangsschienen H verbunden sind. Alle Verschienungen sind mit Platten realisiert. Aus dieser Zeichnung ist deutlich zu erkennen, dass der Stromrichter symmetrisch aufgebaut ist. Der Abstand zwischen den Schienen D und der Abstand zwischen den Schienen E, F, G ist hier sehr gross dargestellt, um eine bessere Anschaulichkeit zu gewährleisten. Er ist aber In der Realität nur einige 100 um dick.
Die Bezugszeichen für die hier dargestellten mechanischen Verbindungen sind ident mit jenen In der Schaltung in Fig. 1.
Aus Fig 4 ist ersichtlich, dass durch diesen Stromrichteraufbau die für elektnsche Störeffekte massgeblichen Stromschleifen Al, A2, A3 sehr klein sind. Aufgrund der sehr genngen Abstande der Schienen E, F (nur Isolation) ist die Fläche A1 fast nur mehr von den Modulabmessungen abhängig. Durch die Minimierung der Fläche A1 ist die Kommutierungsstreuinduktivität In diesem Teilbereich minimiert. Ausserdem Ist durch die kleine Fläche A 1 die induzierte Spannung bzw. der daraus resultierende, eingestreute Kurzschlussstrom gering. Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist dadurch ebenfalls wesentlich verbessert.
Die Fläche A4 entspncht der Streuinduktivität des Zwischenkreiskondensators, deren Wert nur vom Kondensatorhersteller beeinflusst werden kann.
Bel der Stromrichterkonstruktion nach Fig. 3 oder 4 sind mehrere n) ederindukt) ve Kondensatoren A über die Kondensatorverschienung D parallel geschaltet, wodurch die Gesamtstreuinduktivität des gesamten Zwischenkreiskondensators minimiert wird.
Im Aufriss Fig. 5b Ist die Verbindung der Minusmodulverschienung F mit der Kondensatorverschienung D durch Kammstruktur am deutlichsten erkennbar. Im Grundnss Fig 5c sind bel den beiden Platten der Minusmodulverschienung F auch die Bohrungen 10 für die Durchführungen 9 (siehe Fig. 5a) zur elektrischen Verbindung von den Modulen 1,3 zur Ausgangsmodulverschienung G dargestellt.
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In Fig 5a ist ersichlich, wie die Modulverschienungen E. F abgewinkelt werden mussen, um mit der Kondensatorverschienung D verbunden zu werden In Flg 6 ist dargestellt, wie die Modulverschienungen E, F, G ubereinander liegen
Es wird hier eine Parallelschaltung von zwei Modulen 20, 21 ;
22,23 gezeigt, wobei In den Modulen 20,21, 22, 23 wieder drei Halbleiterschalter parallel sind Wegen der sechs parallelgeschalteten Halbleiterschalter sind auch sechs einzelne Modulverschienungen erforderlich Im linken Bild ISt die Plusverschienung E dargestellt, die von der Kondensatorverschienung D abgeht Im mittleren Bild Ist die tvhnusverscruenung F zu sehen, die ebenfalls von der Kondensatorverschienung D abgeht und Im rechten Bild ISt die
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eine aktive Begrenzung der Zwischenkreisspannung notwendig Ist und das In dieser Flg gezeigte Konzept einen optimalen Platz dafur bietet, wird ein Aktiver Zwischenkreisspannungschutz (AZS) " 33 In den Stromrichter Integnert
Als zweiter typischer Stromnchter kommt oft ein Vler-Quadranten-Steller (4QS)
zum Einsatz
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4QS optimal angeordnet werden Der erste 4QS besteht aus den Zweigen 30,31 und der zweite 4QS aus den Zweigen 32,33.
Die Symmetnerung der Zweige 30,31, 32,33 ermoghcht erst die Anordnung der Ausgangsschienen H1, H2, H3, H4 zwischen den Zweigen 30,31 und 32, 33
Die Ausgangsschienen H1, H2, H3, H4 sind hier Immer symmetnsch angeordnet und paketiert, um die Flache A2 (siehe Flg 4) zu minimieren Die teilweise gemeinsame Fuhrung der Ausgangsschienen H1, H2, H3, H4 mit der Kondensatorverschienung D minimiert ebenfalls Flachen die ein magnetisches Wechselfeld erzeugen.
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ganze Lange des Stromnchters reicht Dadurch können alle Zweige bzw AZS optimal an diese angeschlossen werden
In Flg 8 wird gezeigt, wie durch das konstruktive Herausziehen der Kondensatorverschlenung D Komblnatlonsmoglichkelten von Stromnchtern 40,41 möglich sind Die kompakteste von den drei gezeigten Möglichkeit, ist jene rechts unten
Bel der Modulverschienung In Flg 9 werden grosse Platten eingesetzt, wodurch diese Ausfuhrung sehr montagefreundlich ist Im linken Bild ist hier die Plusplatte E, im mittleren die Mlnusplatte F und Im rechten die Modul-ausgangsplatte G dargestellt Die M ! nusp ! atte F muss, wie dargestellt, unbedingt Bohrungen fur die Durchfuhrungen von den Modulen 20,22 zur Modulausgangsplatte G aufweisen.
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The invention relates to the construction of a single-phase or multi-phase converter. which consists of individual controllable semiconductor modules and DC link capacitors, with the DC link capacitors lying in a single-phase current collector in two rows and the connections of the capacitors of the two rows opposite each other, whereby above each capacitor there are heatsinks on which at least two semiconductor modules are connected one behind the other in the direction of the capacitor ! are arranged, the connections between the capacitors and the semiconductor modules being made by means of plate busbars, and the capacitors via two vertical plates separated only by a layer of insulation, which extend to just above the connections of the semiconductor modules,
A converter of the type mentioned above is described in DE-A1-42 32 763. By means of this construction, minimization and symmetry of parasitic) inductances in the communication circuits can be achieved. The vertical plates connected to the capacitors are connected to the semiconductor modules by means of others vertical plates connected normal to the vertical plates connected to the capacitors.
This solution offers the advantage that the semiconductor modules are easily accessible. A disadvantage of this arrangement, however, is a greater overall height and an irregular power distribution with high load current changes (dl / dt) of the current sensor, in particular with short-circuit shutdowns
From DE-A1-42 22 068 and DE-A1-41 10 339 it is known to implement a low-inductive connection of the power modules to a distributed intermediate circuit capacitor by means of plate busbars in order to reduce the commutation inductance,
whereby the arrangement according to DE-A1-42 22 068 discloses the use of sandwich panels. However, constructive features of a current night structure of the type mentioned are not disclosed in these documents. A single-phase current night, as shown in Flg 1, consists of two branches, each of which is on the DC link voltage, with noble plus pole rail and F is the minus pole rail. A branch consists of two modules connected in series, each of which has at least one switched semiconductor 1, 2, 3, 4, eg IGBT, with a freewheeling diode 5, 6, 7 , 8 has.
The load L is connected to the connection of the two modules. Czk represents the intermediate circuit capacitor. Flg 2 shows the inductances Lsa, Lsi, Lczk that occur in a branch that consists of
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necessary to make the circuit Czk (with Lczk) - Lsa - module 1 u (with LSI) - module 11 (with Lsi) -Lsa-Czk as low inductive as possible
The object of the invention is then to carry out the circuit described above in the current feeder with as little inductance as possible by means of design measures.
The object is achieved by the invention, which, starting from a structure of the type mentioned at the outset, is characterized in that the vertical plates are connected to the semiconductor modules via parallel, horizontal plates separated only by an insulating layer, and that two output plates, which via Feedthroughs connected to the semiconductor modules and to which the load is connected, routed directly parallel to the horizontal plates to the center and led out there in the form of parallel vertical rails.This design means that the overshoot of the switch-off voltage remains small, and furthermore, wiring networks are saved and the semiconductor utilization increases . The low-inductance circuit is particularly beneficial for short-circuit shutdowns
The advantage is
that the plates of the module railing are angled on one long side and have a comb structure in the angled area, and that the plates connected to the capacitors on the upper long side also have a comb structure and the crests are cropped so that they lie in one plane, and that the module railing with the plates connected to the capacitors via the comb structure, preferably by means of screws and nuts. This construction prevents the plus and minus connections from crossing.
Another advantage is that the plates of one pole of the module busbar are lateral
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Have recesses or bores This is necessary for the electrical connection of individual modules via insulated bolts to the output rail
According to one embodiment, two branches are arranged symmetrically for splinting the capacitors in a multiphase converter. As a result, a compact construction of a multi-phase current collector is achieved.
According to a development of the invention, the output rails between the phases are guided at least in pairs and packets in a multi-phase converter
Another advantage is that the busbars of the capacitors protrude beyond the converter and at least two converters are interconnected via this busbar system.
This makes it easy to interconnect several converters. Since these converter connections are extremely low-inductive, additional damping devices for damping vibrations between the individual power switches can be omitted. Due to this continuous condenser railing, the capacitors of the converter act like an electronic unit. Since this makes the electricity consumption more stable, it is easier to control from a control point of view. In addition, capacitors can be saved due to the capacitor peak current distribution on two current loads.
The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings
1 shows the circuit of a single-phase converter, FIG. 2 shows the inductances occurring in a converter, FIG. 3 shows the side view of the construction according to the invention, FIG. 4 shows the current loop between the rails, from FIG. 5 6 shows the connections to the semiconductor modules, Flg 7 a multi-phase converter, Fig. 8 shows possible interconnections of two multi-phase Stromnchtem, Flg. 9 represents the connection from the capacitor rails to the semiconductor modules by means of large plates and FIG.
10 possible variants of the exit rail guide can be found.
1 and 2 have already been explained at the beginning.
In FIG. 3, the horizontally arranged intermediate circuit capacitors A are connected to the semiconductor modules 1, 2, 3, 4 via the vertical plus and minus busbars D and the plus E and minus module busbars F. The output module busbar G, which is connected to the two output rails H, is parallel to the module busbars E, F. All busbars are realized with plates. This drawing clearly shows that the converter is constructed symmetrically. The distance between the rails D and the distance between the rails E, F, G is shown very large here to ensure better clarity. In reality it is only a few 100 µm thick.
The reference numerals for the mechanical connections shown here are identical to those in the circuit in FIG. 1.
It can be seen from FIG. 4 that the current loops Al, A2, A3, which are relevant for electrical interference effects, are very small due to this converter construction. Due to the very narrow distances of the rails E, F (only insulation), the area A1 is almost only dependent on the module dimensions. By minimizing the area A1, the commutation leakage inductance is minimized in this partial area. In addition, the small area A 1 means that the induced voltage or the resulting short-circuit current which is interspersed is low. This also significantly improves electromagnetic compatibility (EMC).
The area A4 corresponds to the leakage inductance of the intermediate circuit capacitor, the value of which can only be influenced by the capacitor manufacturer.
3 or 4, several capacitor inductors A are connected in parallel via the capacitor busbar D, whereby the total leakage inductance of the entire DC link capacitor is minimized.
In the elevation of FIG. 5b, the connection of the minus module busbar F with the capacitor busbar D is most clearly recognizable through a comb structure. 5c, the holes 10 for the bushings 9 (see FIG. 5a) for the electrical connection from the modules 1, 3 to the output module rail G are also shown for the two plates of the negative module rail F.
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5a shows how the module busbars E. F have to be angled in order to be connected to the capacitor busbar D. Flg 6 shows how the module busbars E, F, G lie one above the other
A parallel connection of two modules 20, 21;
22,23, whereby three semiconductor switches are again parallel in the modules 20,21, 22, 23 Because of the six semiconductor switches connected in parallel, six individual module busbars are also required. The left picture ISt shows the positive busbar connection E that goes from the capacitor busbar connection D in the middle picture Is the tvhnusverscruenung F, which also goes from the capacitor rail D and In the right picture ISt the
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An active limitation of the intermediate circuit voltage is necessary and the concept shown in this figure offers an optimal place for it, an active intermediate circuit voltage protection (AZS) "33 is integrated into the converter
A Vler quadrant actuator (4QS) is often used as the second typical power fuse.
for use
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4QS optimally arranged The first 4QS consists of branches 30.31 and the second 4QS consists of branches 32.33.
The symmetry of the branches 30, 31, 32, 33 allows the arrangement of the output rails H1, H2, H3, H4 between the branches 30, 31 and 32, 33
The output rails H1, H2, H3, H4 are always arranged symmetrically and packaged in order to minimize the area A2 (see Flg 4) generate alternating magnetic field.
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entire length of the current sensor is sufficient. This means that all branches or AZS can be optimally connected to them
In Fig. 8 it is shown how the constructive pulling out of the capacitor concatenation D enables possible combinations of current arresters 40, 41. The most compact of the three shown is the one at the bottom right
On the module railing, large panels are used in Flg 9, which makes this version very easy to assemble. The left panel shows the plus panel E, the middle panel the minus panel F and the right panel the module output panel G The M! nusp! As shown, atte F must have holes for the feedthroughs from modules 20, 22 to module exit plate G.
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