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GIERING GERALD FRANZ (DE)
WÜRFLINGER KLAUS (DE)
EP3107109A1 | 2016-12-21 | |||
CN101246877A | 2008-08-20 | |||
KR20060028487A | 2006-03-30 | |||
US20090127685A1 | 2009-05-21 |
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. |
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