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Title:
CIRCUIT ARRANGEMENT, POWER CONVERTER MODULE, AND METHOD FOR OPERATING THE POWER CONVERTER MODULE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/192674
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a circuit arrangement (1) having a plurality of switch assemblies (3) connected in series, each provided with a parallel circuit of three assembly components (5 to 7), wherein a first assembly component is a semiconductor switch (5), a second assembly component is a freewheeling diode (6), and the third assembly component is a surge arrester (7). The assembly components (5 to 7) are arranged one above the other or next to one another as an assembly component stack, wherein the three assembly components (5 to 7) of each switch assembly (3) are arranged in the assembly component stack in a consecutive manner. Each two adjacent assembly components (5 to 7) are electrically connected to one another by a direct connection (9).

Inventors:
DÖRING, David (Bierlachweg 35, Erlangen, 91058, DE)
GIERING, Gerald Franz (Rosenwinkel 17, Kalchreuth, 90562, DE)
WÜRFLINGER, Klaus (Lange Zeile 30, Nürnberg, 90419, DE)
Application Number:
EP2018/058454
Publication Date:
October 10, 2019
Filing Date:
April 03, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H01L23/00; H03K17/0814; H03K17/10
Foreign References:
EP3107109A12016-12-21
CN101246877A2008-08-20
KR20060028487A2006-03-30
US20090127685A12009-05-21
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung (1), umfassend

- mehrere in Reihe geschaltete Schalterbaugruppen (3) , die jeweils eine Parallelschaltung von drei

Baugruppenkomponenten (5 bis 7) aufweisen, wobei

- eine erste Baugruppenkomponente ein Halbleiterschalter (5) ist, eine zweite Baugruppenkomponente eine Freilaufdiode (6) ist und die dritte Baugruppenkomponente ein

Überspannungsableiter (7) ist,

- die Baugruppenkomponenten (5 bis 7) als ein

Baugruppenkomponentenstapel angeordnet und die drei

Baugruppenkomponenten (5 bis 7) jeder Schalterbaugruppe (3) in dem Baugruppenkomponentenstapel aufeinander folgend angeordnet sind,

- je zwei einander benachbarte Baugruppenkomponenten (5 bis 7) durch eine Direktverbindung (9) elektrisch direkt

miteinander verbunden sind,

- jede Direktverbindung (9), die zwei

Baugruppenkomponenten (5 bis 7) zweier verschiedener

Schalterbaugruppen (3) verbindet, elektrisch mit jeder der beiden ihr zweitnächsten Direktverbindungen (9) durch eine Brückenverbindung (11) verbunden ist, und

- jedes Stapelende des Baugruppenkomponentenstapels einen elektrischen Stapelanschluss (13) aufweist, der durch eine Endbrückenverbindung (15) mit der dem Stapelende

zweitnächsten Direktverbindung (9) zweier

Baugruppenkomponenten (5 bis 7) elektrisch verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der

Halbleiterschalter (5) und die Freilaufdiode (6) jeder

Schalterbaugruppe (3) einander benachbart angeordnet sind.

3. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Halbleiterschalter (5) Bipolartransistoren mit isoliertem Gate sind.

4. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 3, wobei jede

Direktverbindung (9), die zwei Bipolartransistoren mit isoliertem Gate verbindet, den Emitter eines

Bipolartransistors mit isoliertem Gate und den Kollektor des anderen Bipolartransistors mit isoliertem Gate verbindet.

5. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei jede Direktverbindung (9), die einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate und eine Freilaufdiode (6) verbindet, entweder den Emitter des Bipolartransistors mit isoliertem Gate und die Anode der Freilaufdiode (6) oder den Kollektor des Bipolartransistors mit isoliertem Gate und die Kathode der Freilaufdiode (6) verbindet.

6. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Brückenverbindung (11) und/oder jede Endbrückenverbindung (15) einstückig mit jeder mit ihr verbundenen Direktverbindung (9) ausgeführt ist.

7. Stromrichtermodul (17), umfassend

- eine Reihenschaltung mehrerer Schalterbaugruppen (3) , die jeweils eine Parallelschaltung von drei

Baugruppenkomponenten (5 bis 7) aufweisen, wobei eine erste Baugruppenkomponente (5 bis 7) ein Halbleiterschalter (5) ist, eine zweite Baugruppenkomponente eine Freilaufdiode (6) ist und die dritte Baugruppenkomponente ein

Überspannungsableiter (7) ist,

- eine mit den beiden Enden der Reihenschaltung verbundene Kondensatorschaltung (19) mit wenigstens einem

Kondensator (21) und

- zwei Modulanschlüsse (23, 24), die Endanschlüsse einer von einer ersten Baugruppenteilmenge (25) der

Schalterbaugruppen (3) gebildeten Teilreihenschaltung sind,

- wobei die Baugruppenkomponenten (5 bis 7) aller

Schalterbaugruppen (3) oder wenigstens einer Teilmenge der Schalterbaugruppen (3) eine Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bilden.

8. Stromrichtermodul (17) nach Anspruch 7 mit einer geraden Anzahl von Schalterbaugruppen (3) , wobei die Mächtigkeit der ersten Baugruppenteilmenge (25) halb so groß wie die Anzahl der Schalterbaugruppen (3) ist.

9. Stromrichtermodul (17) nach Anspruch 7 oder 8 mit einem Gehäuse (27), in dem die Schalterbaugruppen (3), die

Kondensatorschaltung (19) und ein Kühlmedium angeordnet sind.

10. Stromrichtermodul (17) nach Anspruch 9, wobei das

Kühlmedium ein Ester ist.

11. Verfahren zum Betreiben eines gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10 ausgebildeten Stromrichtermoduls (17), dessen erste Baugruppenteilmenge (25) wenigstens zwei

Schalterbaugruppen (3) aufweist und das eine zu der ersten Baugruppenteilmenge (25) komplementäre zweite

Baugruppenteilmenge (26) mit wenigstens zwei

Schalterbaugruppen (3) aufweist, wobei zu einer

Energieaufnahme durch das Stromrichtermodul (17) wenigstens ein Halbleiterschalter (5) wenigstens einer

Baugruppenteilmenge (25, 26) abgeschaltet wird und wenigstens ein Halbleiterschalter (5) derselben Baugruppenteilmenge (25, 26) eingeschaltet wird.

Description:
Beschreibung

Schaltungsanordnung, Stromrichtermodul und Verfahren zum Betreiben des Stromrichtermoduls

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die mehrere in Reihe geschaltete Schalterbaugruppen mit jeweils einem Halbleiterschalter aufweist, ein Stromrichtermodul mit einer derartigen Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum

Betreiben des Stromrichtermoduls.

Beim Betrieb eines Halbleiterschalters wie eines

Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor) darf eine Spannung zwischen den

Lastanschlüssen des Halbleiterschalters (im Falle eines IGBT zwischen dem Kollektor und dem Emitter) eine Maximalspannung nicht überschreiten, um den Halbleiterschalter nicht zu beschädigen oder zu zerstören. Insbesondere ist dies bei einer Reihenschaltung von Halbleiterschaltern erforderlich, bei der eine an der Reihenschaltung anliegende Spannung auf die einzelnen Halbleiterschalter aufgeteilt wird. Bei einer Reihenschaltung von Halbleiterschaltern kann insbesondere der Fall eintreten, dass ein Halbleiterschalter aufgrund eines Defekts ausfällt und keine Spannung mehr aufnehmen kann, wodurch die anderen Halbleiterschalter einer höheren Spannung ausgesetzt werden. Um Überspannungen an in Reihe geschalteten IGBT im Fall des Ausfalls eines IGBT zu verhindern, sind beispielsweise Gate-Beschaltungen der IGBT (so genanntes Active Clamping) oder passive Beschaltungen des IGBT bekannt. Reihenschaltungen von Halbleiterschaltern werden insbesondere in Stromrichtermodulen verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Schaltungsanordnung mit in Reihe geschalteten

Halbleiterschaltern, insbesondere für ein Stromrichtermodul, anzugeben, die insbesondere hinsichtlich des Schutzes der Halbleiterschalter vor Überspannungen bei einem Ausfall eines Halbleiterschalters oder mehrerer Halbleiterschalter

verbessert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine

Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Stromrichtermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst mehrere in Reihe geschaltete Schalterbaugruppen, die jeweils eine

Parallelschaltung von drei Baugruppenkomponenten aufweisen, wobei eine erste Baugruppenkomponente ein Halbleiterschalter ist, eine zweite Baugruppenkomponente eine Freilaufdiode ist und die dritte Baugruppenkomponente ein Überspannungsableiter ist. Die Baugruppenkomponenten sind (räumlich übereinander oder nebeneinander) als ein Baugruppenkomponentenstapel angeordnet, wobei die drei Baugruppenkomponenten jeder

Schalterbaugruppe in dem Baugruppenkomponentenstapel

aufeinander folgend angeordnet sind. Je zwei einander

benachbarte Baugruppenkomponenten sind durch eine

Direktverbindung elektrisch direkt miteinander verbunden.

Jede Direktverbindung, die zwei Baugruppenkomponenten zweier verschiedener Schalterbaugruppen verbindet, ist elektrisch mit jeder der beiden ihr zweitnächsten Direktverbindungen durch eine Brückenverbindung verbunden. Jedes Stapelende des Baugruppenkomponentenstapels weist einen elektrischen

Stapelanschluss auf, der durch eine Endbrückenverbindung mit der dem Stapelende zweitnächsten Direktverbindung zweier Baugruppenkomponenten elektrisch verbunden ist.

Zwei Baugruppenkomponenten werden als einander benachbart bezeichnet, wenn zwischen den beiden Baugruppenkomponenten in dem Baugruppenkomponentenstapel keine weitere

Baugruppenkomponente angeordnet ist. Eine Direktverbindung wird als eine einer anderen Direktverbindung zweitnächste Direktverbindung bezeichnet, wenn der

Baugruppenkomponentenstapel zwischen den beiden

Direktverbindungen genau eine weitere Direktverbindung zweier Baugruppenkomponenten aufweist. Entsprechend wird eine

Direktverbindung als die einem Stapelende zweitnächste

Direktverbindung bezeichnet, wenn der

Baugruppenkomponentenstapel zwischen dem Stapelende und dieser Direktverbindung genau eine weitere Direktverbindung zweier Baugruppenkomponenten aufweist.

Durch den Überspannungsableiter einer Schalterbaugruppe wird eine an dem Halbleiterschalter anliegende Spannung, das heißt eine Spannung zwischen den Lastanschlüssen des

Halbleiterschalters, auf einen Maximalwert begrenzt, um eine Überspannung an dem Halbleiterschalter zu verhindern. Dadurch wird insbesondere verhindert, dass ein Defekt des

Halbleiterschalters einer Schalterbaugruppe eine Überspannung an dem Halbleiterschalter einer anderen Schalterbaugruppe verursacht. Die Erfindung sieht ferner eine gestapelte

Anordnung der Baugruppenkomponenten vor, wobei die

Baugruppenkomponenten jeder Schalterbaugruppe aufeinander folgend angeordnet sind. Dies ermöglicht vorteilhaft eine sehr einfache und kostengünstige Realisierung der

Verschaltung der gestapelten Baugruppenkomponenten durch Direktverbindungen, die jeweils zwei einander benachbarte Baugruppenkomponenten verbinden, sowie durch

Brückenverbindungen und Endbrückenverbindungen, die die

Direktverbindungen miteinander und den Stapelanschlüssen verbinden. Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine

Reihenschaltung von Halbleiterschaltern, in der die

Halbleiterschalter vor Überspannungen geschützt sind und zweckmäßig und platzsparend gestapelt angeordnet sind.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der

Halbleiterschalter und die Freilaufdiode jeder

Schalterbaugruppe einander benachbart angeordnet sind. Diese Anordnung des Halbleiterschalters und der Freilaufdiode jeder Schalterbaugruppe bewirkt vorteilhaft eine niederinduktive Anordnung des Halbleiterschalters und der Freilaufdiode jeder Schalterbaugruppe .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die

Halbleiterschalter Bipolartransistoren mit isoliertem Gate. Insbesondere verbindet jede Direktverbindung, die zwei

Bipolartransistoren mit isoliertem Gate verbindet, den

Emitter eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate und den Kollektor des anderen Bipolartransistors mit isoliertem Gate. Ferner verbindet jede Direktverbindung, die einen

Bipolartransistor mit isoliertem Gate und eine Freilaufdiode verbindet, vorzugsweise entweder den Emitter des

Bipolartransistors mit isoliertem Gate und die Anode der Freilaufdiode oder den Kollektor des Bipolartransistors mit isoliertem Gate und die Kathode der Freilaufdiode .

Bipolartransistoren mit isoliertem Gate vereinigen Vorteile von Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren und sind daher besonders geeignete Halbleiterschalter, insbesondere für Schaltungsanordnugen für Stromrichtermodule .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jede

Brückenverbindung und/oder jede Endbrückenverbindung

einstückig mit jeder mit ihr verbundenen Direktverbindung ausgeführt. Diese Ausgestaltung der Erfindung reduziert die Bauteilanzahl der Schaltungsanordnung.

Ein erfindungsgemäßes Stromrichtermodul umfasst eine

Reihenschaltung mehrerer Schalterbaugruppen, die jeweils eine Parallelschaltung von drei Baugruppenkomponenten aufweisen, wobei eine erste Baugruppenkomponente ein Halbleiterschalter ist, eine zweite Baugruppenkomponente eine Freilaufdiode ist und die dritte Baugruppenkomponente ein Überspannungsableiter ist, eine mit den beiden Enden der Reihenschaltung verbundene Kondensatorschaltung mit wenigstens einem Kondensator und zwei Modulanschlüssen, die Endanschlüsse einer von einer ersten Baugruppenteilmenge der Schalterbaugruppen gebildeten Teilreihenschaltung sind. Dabei bilden die

Baugruppenkomponenten aller Schalterbaugruppen oder wenigstens einer Teilmenge der Schalterbaugruppen eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung .

Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Stromrichtermoduls ergeben sich aus den oben genannten Vorteilen einer

erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung .

Eine Ausgestaltung des Stromrichtermoduls sieht eine gerade Anzahl von Schalterbaugruppen vor, wobei die Mächtigkeit der ersten Baugruppenteilmenge der Schalterbaugruppen halb so groß wie die Anzahl der Schalterbaugruppen ist. Unter der Mächtigkeit einer endlichen Menge wird die Anzahl der

Elemente der Menge verstanden. Mit anderen Worten weist die erste Baugruppenteilmenge des Stromrichtermoduls gemäß dieser Ausgestaltung ebenso viele Schalterbaugruppen wie eine zu der ersten Baugruppenteilmenge komplementäre zweite

Baugruppenteilmenge auf. Dadurch können beide

Baugruppenteilmengen gleichartig ausgeführt und eine

Steuerung der Halbleiterschalter verbessert und vereinfacht werden .

Eine weitere Ausgestaltung des Stromrichtermoduls sieht ein Gehäuse vor, in dem die Schalterbaugruppen, die

Kondensatorschaltung und ein Kühlmedium angeordnet sind. Das Kühlmedium ist beispielsweise ein Ester. Diese Ausgestaltung des Stromrichtermoduls ermöglicht eine Kühlung des

Stromrichtermoduls durch ein Kühlmedium. Ein Ester ist ein besonders geeignetes Kühlmedium, da es hohe Brenn- und

Flammpunkte, eine hohe Zündtemperatur, gute elektrische

Isoliereigenschaften und eine hohe thermische

Speicherfähigkeit aufweist und zudem ungiftig, leicht

biologisch abbaubar und nicht wassergefährdend ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft das Betreiben eines erfindungsgemäßen Stromrichtermoduls, dessen erste

Baugruppenteilmenge wenigstens zwei Schalterbaugruppen aufweist und das eine zu der ersten Baugruppenteilmenge komplementäre zweite Baugruppenteilmenge mit wenigstens zwei Schalterbaugruppen aufweist. Bei dem Verfahren wird zu einer Energieaufnahme durch das Stromrichtermodul wenigstens ein Halbleiterschalter wenigstens einer Baugruppenteilmenge von Schalterbaugruppen abgeschaltet und wenigstens ein

Halbleiterschalter derselben Baugruppenteilmenge von

Schalterbaugruppen eingeschaltet .

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt aus, dass die Ableiter eines erfindungsgemäßen Stromrichtermoduls zur Aufnahme von Energie genutzt werden können, indem wenigstens ein

Halbleiterschalter wenigstens einer Schalterbaugruppe abgeschaltet wird, während wenigstens ein Halbleiterschalter derselben Schalterbaugruppe eingeschaltet wird. Dabei werden Überspannungsableiter von einem elektrischen Strom

durchflossen und erwärmt. Im Fall, dass die

Schalterbaugruppen in einem Kühlmedium angeordnet sind, wird die Wärme teilweise durch das Kühlmedium abgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also neben einem

Normalbetrieb des Stromrichtermoduls einen zusätzlichen Betriebsmodus des Stromrichtermoduls vor, in dem das

Stromrichtermodul zur Aufnahme von Energie verwendet wird. Dieser Betriebsmodus unterscheidet sich von dem Normalbetrieb des Stromrichtermoduls dadurch, dass die Halbleiterschalter wenigstens einer Baugruppenteilmenge in voneinander

verschiedenen Schaltzuständen betrieben werden.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im

Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von

Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den

Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 einen ersten Schaltplan einer Schaltungsanordnung mit zwei Schalterbaugruppen, FIG 2 einen zweiten Schaltplan der in Figur 1 gezeigten

Schaltungsanordnung, der der räumlichen Anordnung der

Baugruppenkomponenten der Schaltungsanordnung entspricht,

FIG 3 schematisch die räumliche Anordnung der

Baugruppenkomponenten der in Figur 1 gezeigten

Schaltungsanordnung,

FIG 4 schematisch eine Schaltungsanordnung mit drei

Schalterbaugruppen in einer Figur 3 entsprechenden

Darstellung,

FIG 5 schematisch eine Schaltungsanordnung mit vier

Schalterbaugruppen in einer Figur 3 entsprechenden

Darstellung,

FIG 6 einen Schaltplan eines Stromrichtermoduls.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit

denselben Bezugszeichen versehen.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäße

Schaltungsanordnung 1 mit zwei in Reihe geschalteten

Schalterbaugruppen 3. Jede Schalterbaugruppe 3 weist eine Parallelschaltung von drei Baugruppenkomponenten 5 bis 7 auf, wobei eine erste Baugruppenkomponente ein als ein IGBT ausgebildeter Halbleiterschalter 5 ist, eine zweite

Baugruppenkomponente eine Freilaufdiode 6 ist und die dritte Baugruppenkomponente ein Überspannungsableiter 7 ist.

Die Figuren 1 und 2 zeigen äquivalente Schaltpläne der

Schaltungsanordnung 1. Figur 3 verdeutlicht die räumliche Anordnung der Baugruppenkomponenten 5 bis 7 der

Schaltungsanordnung 1. Der in Figur 1 gezeigte Schaltplan verdeutlicht die elektrische Verschaltung der

Baugruppenkomponenten 5 bis 7. Der in Figur 2 gezeigte

Schaltplan entspricht der in Figur 3 gezeigten räumlichen Anordnung der Baugruppenkomponenten 5 bis 7. Die Baugruppenkomponenten 5 bis 7 sind räumlich übereinander als ein Baugruppenkomponentenstapel angeordnet. Je zwei einander benachbarte Baugruppenkomponenten 5 bis 7 sind durch eine Direktverbindung 9 elektrisch direkt miteinander

verbunden .

Die Freilaufdiode 6 jeder Schalterbaugruppe 3 ist zwischen dem Halbleiterschalter 5 und dem Überspannungsableiter 7 der Schalterbaugruppe 3 angeordnet und somit durch jeweils eine Direktverbindung 9 mit dem Halbleiterschalter 5 und mit dem Überspannungsableiter 7 der Schalterbaugruppe 3 verbunden. Dabei ist die Anode der Freilaufdiode 6 der oberen

Schalterbaugruppe 3 durch eine Direktverbindung 9 mit dem Emitter des Halbleiterschalters 5 der oberen

Schalterbaugruppe 3 verbunden und die Kathode der

Freilaufdiode 6 der unteren Schalterbaugruppe 3 ist durch eine Direktverbindung 9 mit dem Kollektor der unteren

Schalterbaugruppe 3 verbunden. In Figur 3 sind die

Orientierungen der Halbleiterschalter 5 hinsichtlich der Richtung von dem Kollektor zu dem Emitter und der

Freilaufdioden 6 hinsichtlich der Richtung von der Anode zu der Kathode jeweils durch einen Pfeil dargestellt.

Die Überspannungsableiter 7 der beiden Schalterbaugruppen 3 sind einander benachbart angeordnet und somit durch eine Direktverbindung 9 verbunden. Die Reihenfolgen, in der die Baugruppenkomponenten 5 bis 7 der beiden Schalterbaugruppen 3 entlang des Baugruppenkomponentenstapels hintereinander angeordnet sind, sind daher relativ zueinander invertiert.

Die Direktverbindung 9, die die beiden

Überspannungsableiter 7 verbindet, ist durch eine

Brückenverbindung 11 elektrisch mit den beiden ihr

zweitnächsten Direktverbindungen 9 zweier

Baugruppenkomponenten 5 bis 7 verbunden, das heißt mit den beiden Direktverbindungen 9, die jeweils die Freilaufdiode 6 mit dem Halbleiterschalter 5 einer Schalterbaugruppe 3 verbinden .

Jedes Stapelende des Baugruppenkomponentenstapels weist einen elektrischen Stapelanschluss 13 auf, der durch eine

Endbrückenverbindung 15 mit der dem Stapelende zweitnächsten Direktverbindung 9 zweier Baugruppenkomponenten 5 bis 7 elektrisch verbunden ist, das heißt einer Direktverbindung 9 zwischen einer Freilaufdiode 6 und einem

Überspannungsableiter 7 einer Schalterbaugruppe 3.

Die Figuren 4 und 5 zeigen weitere erfindungsgemäße

Schaltungsanordnungen 1 in jeweils einer Figur 3

entsprechenden Darstellung, wobei Figur 4 eine

Schaltungsanordnung 1 mit drei Schalterbaugruppen 3 zeigt und Figur 5 eine Schaltungsanordnung 1 mit vier

Schalterbaugruppen 3 zeigt. Wie in den Figuren 1 bis 3 weist jede Schalterbaugruppe 3 eine Parallelschaltung von drei Baugruppenkomponenten 5 bis 7 auf, wobei eine erste

Baugruppenkomponente ein als ein IGBT ausgebildeter

Halbleiterschalter 5 ist, eine zweite Baugruppenkomponente eine Freilaufdiode 6 ist und die dritte Baugruppenkomponente ein Überspannungsableiter 7 ist.

Die Baugruppenkomponenten 5 bis 7 sind übereinander als ein Baugruppenkomponentenstapel angeordnet. Je zwei einander benachbarte Baugruppenkomponenten 5 bis 7 sind durch eine Direktverbindung 9 elektrisch direkt miteinander verbunden. Die Freilaufdiode 6 jeder Schalterbaugruppe 3 ist zwischen dem Halbleiterschalter 5 und dem Überspannungsableiter 7 der Schalterbaugruppe 3 angeordnet und somit durch jeweils eine Direktverbindung 9 mit dem Halbleiterschalter 5 und mit dem Überspannungsableiter 7 der Schalterbaugruppe 3 verbunden. Dabei ist entweder die Anode der Freilaufdiode 6 der

Schalterbaugruppe 3 mit dem Emitter des Halbleiterschalters 5 oder die Kathode der Freilaufdiode 6 mit dem Kollektor der Schalterbaugruppe 3 verbunden. Wie in Figur 3 sind die

Orientierungen der Halbleiterschalter 5 hinsichtlich der Richtung von dem Kollektor zu dem Emitter und der Freilaufdioden 6 hinsichtlich der Richtung von der Anode zu der Kathode jeweils durch einen Pfeil dargestellt.

Die beiden Halbleiterschalter 5 oder die beiden

Überspannungsableiter 7 je zwei benachbarter

Schalterbaugruppen 3 sind einander benachbart angeordnet und somit durch eine Direktverbindung 9 verbunden. Dabei

verbindet jede Direktverbindung 9, die zwei

Halbleiterschalter 5 verbindet, den Emitter eines

Halbleiterschalters 5 und den Kollektor des anderen

Halbleiterschalters 5.

Jede Direktverbindung 9, die zwei Baugruppenkomponenten 5 bis 7 zweier verschiedener Schalterbaugruppen 3 verbindet, ist durch eine Brückenverbindung 11 elektrisch mit den beiden ihr zweitnächsten Direktverbindungen 9 zweier

Baugruppenkomponenten verbunden. Somit ist jede

Direktverbindung 9, die die Überspannungsableiter 7 zweier Schalterbaugruppen 3 verbindet, durch eine

Brückenverbindung 11 elektrisch mit den beiden

Direktverbindungen 9 verbunden, die jeweils die

Freilaufdiode 6 mit dem Halbleiterschalter 5 einer der beiden Schalterbaugruppen 3 verbinden, und jede Direktverbindung 9, die die Halbleiterschalter 5 zweier Schalterbaugruppen 3 verbindet, ist durch eine Brückenverbindung 11 elektrisch mit den beiden Direktverbindungen 9 verbunden, die jeweils die Freilaufdiode 6 mit dem Überspannungsableiter 7 einer der beiden Schalterbaugruppen 3 verbinden.

Wie bei der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten

Schaltungsanordnung 1 weist ferner jedes Stapelende des

Baugruppenkomponentenstapels einen elektrischen

Stapelanschluss 13 auf, der durch eine

Endbrückenverbindung 15 mit der dem Stapelende zweitnächsten Direktverbindung 9 zweier Baugruppenkomponenten 5 bis 7 elektrisch verbunden ist. Bei allen in den Figuren 1 bis 5 gezeigten

Ausführungsbeispielen begrenzt der Überspannungsableiter 7 einer Schalterbaugruppe 3 die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Halbleiterschalters 5 der

Schalterbaugruppe 3 auf einen für diesen Halbleiterschalter 5 vorgesehenen Maximalwert, um eine Überspannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter zu verhindern. Wenn sich

beispielsweise aufgrund eines Defekts eines

Halbleiterschalters 5 einer ersten Schalterbaugruppe 3 eine an einer zweiten Schalterbaugruppe 3 anliegende Spannung erhöht, so begrenzt der Überspannungsableiter 7 der zweiten Schalterbaugruppe 3 die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Halbleiterschalters 5 der zweiten

Schalterbaugruppe 3 auf den für diesen Halbleiterschalter 5 vorgesehenen Maximalwert und verhindert dadurch eine

Schädigung oder Zerstörung dieses Halbleiterschalters 5.

Alle in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele können dahin gehend abgewandelt werden, dass die Reihenfolge der Baugruppenkomponenten 5 bis 7 wenigstens einer

Schalterbaugruppe 3 (insbesondere auch aller

Schalterbaugruppen 3) in dem Baugruppenkomponentenstapel gegenüber der in der jeweiligen Figur 3 bis 5 gezeigten

Reihenfolge geändert wird. Vorzugsweise sind jedoch der

Halbleiterschalter 5 und die Freilaufdiode 6 jeder

Schalterbaugruppe 3 einander benachbart angeordnet.

Figur 6 zeigt einen Schaltplan eines Stromrichtermoduls 17. Das Stromrichtermodul 17 weist eine Reihenschaltung von sechs Schalterbaugruppen 3 auf, die jeweils eine Parallelschaltung von drei Baugruppenkomponenten 5 bis 7 aufweisen, wobei eine erste Baugruppenkomponente ein als ein IGBT ausgebildeter Halbleiterschalter 5 ist, eine zweite Baugruppenkomponente eine Freilaufdiode 6 ist und die dritte Baugruppenkomponente ein Überspannungsableiter 7 ist.

Das Stromrichtermodul 17 weist ferner eine mit den beiden Enden der Reihenschaltung der Schalterbaugruppen 3 verbundene Kondensatorschaltung 19 auf, die in dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Kondensator 21 aufweist, in anderen Ausführungsbeispielen aber alternativ eine Reihenschaltung mehrerer Kondensatoren 21 aufweisen kann.

Ferner weist das Stromrichtermodul 17 zwei

Modulanschlüsse 23, 24 auf, die Endanschlüsse einer von einer ersten Baugruppenteilmenge 25 der Schalterbaugruppen 3 gebildeten Teilreihenschaltung sind. Ein erster

Modulanschluss 23 ist ein Mittelanschluss der Reihenschaltung der Schalterbaugruppen 3, der zweite Modulanschluss 24 ist ein Endanschluss der Reihenschaltung und mit der

Kondensatorschaltung 19 verbunden. Die Schalterbaugruppen 3 einer zu der ersten Baugruppenteilmenge 25 komplementären zweiten Baugruppenteilmenge 26 der Schalterbaugruppen 3 bilden somit eine weitere Teilreihenschaltung von

Schalterbaugruppen 3 zwischen dem ersten Modulanschluss 23 und der Kondensatorschaltung 19. Die Baugruppenteilmengen 25, 26 sind gleichmächtig, das heißt, sie weisen jeweils drei Schalterbaugruppen 3 auf. Der Begriff „komplementär" ist hier als Begriff der Mengenlehre zu verstehen: die erste

Baugruppenteilmenge 25 der Schalterbaugruppen 3 und die (zu der ersten Baugruppenteilmenge komplementäre) zweite

Baugruppenteilmenge 26 der Schalterbaugruppen 3 bilden also zusammen die Menge (Gesamtmenge, Baugruppenmenge) der

Schalterbaugruppen 3 des Stromrichtermoduls 17.

Alle Schalterbaugruppen 3 oder wenigstens eine Teilmenge der Schalterbaugruppen 3 bilden eine Schaltungsanordnung 1, die analog zu einer der in den Figuren 1 bis 5 gezeigten

Schaltungsanordnungen 1 ausgebildet ist. Beispielsweise bilden die Schalterbaugruppen 3 der beiden

Baugruppenteilmengen 25, 26 jeweils eine anhand von Figur 4 beschriebene Schaltungsanordnung 1.

Das Stromrichtermodul 17 weist ferner ein Gehäuse 27 auf, in dem die Schalterbaugruppen 3, die Kondensatorschaltung 19 und ein Kühlmedium, beispielsweise ein Ester, angeordnet sind, um das Stromrichtermodul 17 zu kühlen.

In einem ersten Betriebsmodus (Normalbetrieb) des

Stromrichtermoduls 17 werden die Halbleiterschalter 5

abwechselnd in einem erstem Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand betrieben, wobei in dem ersten Schaltzustand alle Halbleiterschalter 5 der ersten Baugruppenteilmenge 25 abgeschaltet und alle Halbleiterschalter 5 der zweiten

Baugruppenteilmenge 26 eingeschaltet werden und in dem zweiten Schaltzustand alle Halbleiterschalter 5 der ersten Baugruppenteilmenge 25 eingeschaltet und alle

Halbleiterschalter 5 der zweiten Baugruppenteilmenge 26 abgeschaltet werden.

Die Erfindung sieht ferner einen zweiten Betriebsmodus des Stromrichtermoduls 17 vor, in dem wenigstens ein

Halbleiterschalter 5 wenigstens einer Baugruppenteilmenge 25, 26 abgeschaltet wird und wenigstens ein Halbleiterschalter 5 derselben Baugruppenteilmenge 25, 26 eingeschaltet wird, um durch das Stromrichtermodul 17 Energie, beispielsweise aus einem über die Modulanschlüsse 23, 24 mit dem

Stromrichtermodul 17 verbundenen Stromnetz, aufzunehmen.

Beispielsweise wird bei abgeschalteten Halbleiterschaltern 5 der zweiten Baugruppenteilmenge 26 ein Halbleiterschalter 5 der ersten Baugruppenteilmenge 25 eingeschaltet und die anderen beiden Halbleiterschalter 5 der ersten

Baugruppenteilmenge 25 werden abgeschaltet. Dann kann ein elektrischer Strom zwischen den Modulanschlüssen 23, 24 über die Schalterbaugruppen 3 der ersten Baugruppenteilmenge 25 fließen, der teilweise über die Überspannungsableiter 7 dieser Schalterbaugruppe 3 fließt und diese

Überspannungsableiter 7 erwärmt. Die Überspannungsableiter 7 geben die von ihnen aufgenommene Wärme teilweise an das sie umgebende Kühlmedium ab.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte

Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

I Schaltungsanordnung

3 Schalterbaugruppe

5 Halbleiterschalter

6 Freilaufdiode

7 Überspannungsableiter

9 Direktverbindung

II Brückenverbindung

13 Stapelanschluss

15 Endbrückenverbindung

17 Stromrichtermodul

19 Kondensatorschaltung

21 Kondensator

23, 24 Modulanschluss

25, 26 Baugruppenteilmenge 27 Gehäuse