Gleichstromschalter

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Koppeln zweier quell- und lastseitige Kapazitäten umfassenden Gleichstrom netze mittels eines Gleichstromschalters.

Gleichstromnetze, auch als DC-Netze bezeichnet, umfassen häu fig große Kapazitäten, wie z.B. Zwischenkreiskondensatoren von Umrichtern. Werden zwei quell- und lastseitige Kapazitä ten umfassende Gleichstromnetze miteinander verbunden, wobei eine der Kapazitäten bereits auf Betriebsspannung liegt, wäh rend die in dem anderen Gleichstromnetz noch entladen ist, treten bei einer direkten Verbindung der beiden Gleichstrom netze sehr hohe Ausgleichsströme auf, die den Nennstrom deut lich überschreiten können.

Um diese Ströme in ihrer Höhe zu begrenzen, erfolgt die Ver bindung zweier quell- und lastseitiger Kapazitäten umfassen den Gleichstromnetze über geeignete Schaltvorrichtungen, wie dies im elektrischen Ersatzschaltbild der Figur 1 gezeigt ist. Solche Schaltvorrichtungen können auch als Gleichstrom schalter oder „DC breaker" bezeichnet sein.

Fig. 1 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild einer Schalt vorrichtung 1, welche über eine quellseitige Induktivität 3 mit einer Gleichspannungsquelle 2 verbunden ist. Parallel zu der Serienschaltung aus der Gleichspannungsquelle 2 und der quellseitigen Induktivität 3 ist eine quellseitige Kapazität 7 vorgesehen. Ausgangsseitig ist die Schaltvorrichtung 1 über eine lastseitige Induktivität 5 mit einer lastseitigen Kapa zität 8 verbunden. Die quell- und lastseitigen Induktivitäten 3, 5 müssen nicht zwingend physikalische Komponenten der bei den über die Schaltvorrichtung 1 verbundenen Gleichspannungs netze darstellen. Die quell- und lastseitigen Induktivitäten 3, 5 können auch Leitungsinduktivitäten sein. Die quell- und lastseitigen Kapazitäten 7, 8 sind z.B. Zwischenkreiskonden satoren von nicht dargestellten Umrichtern. In der in Fig. 1 gezeigten, bekannten Variante einer Schalt vorrichtung 1 wird die Verbindung zwischen den beiden Gleich spannungsnetzen zunächst über einen Ladewiderstand 20 herge stellt. Der Ladewiderstand 20 ist in Serie zu einem Schalt element 21 verschaltet und dient dazu, den Strom I zu begren zen und eine Beschädigung der Komponenten zu vermeiden. Erst, wenn sich die Spannung zwischen den beiden Schienen der

Gleichstromnetze soweit angenähert hat, dass eine niederohmi ge Verbindung möglich ist, wird der Ladewiderstand 20 mit ei nem Hauptschalter 22 überbrückt. Der Schalter 21 wird auch als Vorlade-Schalter bezeichnet.

Nachteilig an bekannten Schaltvorrichtungen ist, dass der Vorlade-Widerstand erhebliche Mengen an Wärme produziert. Bei einem einzelnen Schaltvorgang ist die Wärmemenge aber vorher sehbar und so kann der Vorlade-Widerstand geeignet zu den an deren Komponenten der Schaltvorrichtung wie Leistungshalblei ter angeordnet werden, um diese nicht zu schädigen. Es ist aber möglich, dass aufgrund äußerer Umstände die Schaltvor richtung mehrfach hintereinander aus- und eingeschaltet wird, d.h. der hohe Ausgleichsstrom mehrfach hintereinander auf- tritt. In solchen möglicherweise auch durch menschliche Be dienung auftretenden Fällen ist die erzeugte Wärmemenge nicht mehr vorhersehbar und eine Schädigung der den Vorlade- Widerstand umgebenden Elemente der Schaltvorrichtung ist nicht ausgeschlossen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleichstrom schalter zum Koppeln zweier Gleichstromnetze anzugeben, der baulich und/oder funktionell verbessert ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Der erfindungsgemäße Gleichstromschalter zum Koppeln zweier Gleichstromnetze umfasst einen oder mehrere Leistungshalblei ter, einen Vorlade-Widerstand zur Strombegrenzung bei Ein- schaltvorgängen und einen Kühlkörper zur Entwärmung des Leis- tungshalbleiters und des Vorlade-Widerstands . Dabei ist der Vorlade-Widerstand innerhalb des Kühlkörpers in einer Ausspa rung im Kühlkörper angeordnet.

Der Kühlkörper umfasst dabei durch innenliegende Kühlrippen gebildete Kühlkanäle, die sich zwischen einer ersten und zweiten Außenfläche des Kühlkörpers erstrecken, wobei der o- der die Leistungshalbleiter auf einer dritten Außenfläche des Kühlkörpers angeordnet sind. Die Aussparung schließlich er streckt sich von einer von der dritten Außenfläche abgewand ten Außenfläche des Kühlkörpers in den Kühlkörper hinein.

Das Gleichstromnetz umfasst dabei insbesondere lastseitige Kapazitäten, möglicherweise aber auch quellseitige Kapazitä ten und auch beidseitige Induktivitäten wie beispielsweise Leitungsinduktivitäten .

Für die Erfindung wurde erkannt, dass eine optimale Unter bringung des Vorlade-Widerstands gegeben ist, wenn der Vorla de-Widerstand innerhalb des für die Vorrichtung ohnehin vor handenen Kühlkörpers angeordnet ist. Dabei ist eine Ausspa rung im Kühlkörper vorgesehen, in der der Vorlade-Widerstand angeordnet ist. Die Aussparung bezeichnet dabei einen Hohl raum, in dem die ansonsten typischerweise vorhandenen Kühl rippen oder -kanäle entfernt worden sind oder nicht vorhanden sind. Zweckmäßig führt die Aussparung an eine Oberfläche des Kühlkörpers. Es ist aber auch möglich, dass die Aussparung ausschließlich innerhalb des Kühlkörpers liegt. Ein Einsetzen des Vorlade-Widerstands ist dabei beispielsweise möglich, in dem der Kühlkörper aus zwei Elementen zusammengesetzt wird.

Durch die Anordnung im Kühlkörper wird sämtliche entstehende Wärme im Vorlade-Widerstand nicht an die umgebende Elektronik wie beispielsweise die Leistungshalbleiter, sondern direkt an den Kühlkörper abgegeben. Dadurch ist auch bei hoher Wärme entwicklung des Vorlade-Widerstands, also auch bei mehrmali gem Einschalten, stets eine gute Wärmeabfuhr gegeben und die Möglichkeit der Beeinträchtigung anderer Elemente des Gleich stromschalters weitestgehend minimiert. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der Vorlade-Widerstand nur zum Vorladen und nicht im Normalbetrieb verwendet wird und daher, obwohl die Kühlleistung des Kühlkörpers mitverwen det wird, die Kühlleistung im Normalbetrieb nicht verringert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gleich stromschalters gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen An sprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugswei se auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Gleichstromschalter noch zu sätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

- Der Gleichstromschalter kann in für sich genommen bekannter Weise Lüfter zur aktiven Belüftung des Kühlkörpers umfassen. Durch den erzwungenen Luftfluss wird die Wärmeabfuhr aus dem Gleichstromschalter heraus deutlich verbessert.

- Es ist vorteilhaft, wenn der Kühlkörper den Vorlade- Widerstand umschließt. Mit anderen Worten ist die Aussparung so gestaltet, dass der Vorlade-Widerstand so in den Kühlkör per eingebracht werden kann, dass er von den äußeren Abmes sungen des Kühlkörpers vollständig eingeschlossen ist. Vor teilhaft geht so nahezu sämtliche Wärmeabgabe in Form von Strahlung oder erhitzter Luft in alle Richtungen direkt in den Kühlkörper über und kann abgeführt werden. Andere Bauele mente wie beispielsweise auch das Gehäuse des Gleichstrom schalters werden hingegen nur geringfügig von der Erhitzung des Vorlade-Widerstands beeinflusst.

- Die Aussparung kann so gestaltet sein, dass ein Einschieben des Vorlade-Widerstands in den Kühlkörper in Richtung der Luftströmung im Kühlkörper ermöglicht ist. Mit anderen Worten kann bei einem rohrartigen Kühlkörper die Aussparung von ei nem Ende des Rohrs aus in das Rohr hinein verlaufen. Ist der Vorlade-Widerstand beispielsweise auf einer Platine angeord net, dann kann ein Teil der Kühlrippen derart ausgestaltet sein, dass sie als Schienen für das Einschieben der Platine dienen .

- Der Gleichstromschalter kann eine oder mehrere Temperatur- Messeinrichtungen zur Bestimmung der Kühlkörper-Temperatur umfassen, wobei die Vorrichtung ausgestaltet ist, eine aktive Belüftung bei Überschreiten einer Schwelltemperatur vorzuneh men. Mit anderen Worten wird ein Lüfter bei Überschreiten der Schwelltemperatur eingeschaltet. Bekanntermaßen ist es alter nativ möglich, die Lüfterdrehzahl kontinuierlich zu regeln oder eine Kombination beider Möglichkeiten vorzusehen. Vor teilhaft wird dadurch Erwärmungen des Vorlade-Widerstands auch direkt durch eine Verstärkung der Entwärmung begegnet.

- Die elektrische Beschaltung des Gleichstromschalters kann einen ersten Strompfad mit wenigstens einem Leistungshalblei ter und einen zweiten, zum ersten Strompfad parallel geschal teten Strompfad mit einer Serienschaltung aus einem Vorlade- Schalter und dem Vorlade-Widerstand umfassen. Insbesondere können im ersten Strompfad zwei antiseriell in Serie angeord nete Leistungshalbleiter vorhanden sein. In diesem Fall wer den die Leistungshalbleiter zweckmäßig jeweils mit einer In versdiode betrieben, um den Stromfluss für beide Richtungen zu ermöglichen. Alternativ können auch rückwärtssperrende IBGTs in Antiparallelschaltung eingesetzt werden. Dabei sind die beiden rückwärtssperrenden IBGTs in einer Parallelschal tung angeordnet und so ausgerichtet, dass der erste abschalt bare Halbleiterschalter den Strom mit einer ersten Polarität führen kann und der zweite abschaltbare Halbleiterschalter den Strom mit entgegengesetzter Polarität führen kann. Neben rückwärtssperrenden IGBTs können auch andere beliebige rück- wärtssperrende abschaltbare Halbleiterschalter in einer Anti parallelschaltung angeordnet werden. Der oder die Leistungs halbleiter bewirken die eigentliche Trennung oder Verbindung der Gleichstromnetze, während der Vorlade-Widerstand mittels des Vorlade-Schalters für Einschaltvorgänge zugeschaltet wird . Vorteilhaft bei der antiseriellen Anordnung ist, wenn die an tiparallele Diode in den Chip des Transistors integriert ist. Ein solcher Schalter wird auch als rückwärtsleitender Schal ter bezeichnet. Weiter ist es möglich, im Fall eines MOSFET oder JFET den Kanal in beide Stromrichtungen zu betreiben (antiparallele Anordnung) .

- Der Gleichstromschalter kann ein Bauelement für den Über spannungsschutz, insbesondere einen Varistor umfassen. Dieser ist zweckmäßig in einem dritten Strompfade angeordnet, der parallel zum ersten und zweiten Strompfad geschaltet ist.

- Die Kühlleistung des Kühlkörpers muss weiterhin für den Gleichstromschalter ausreichend bemessen sein. Eine verrin gerte Kühlleistung durch die Aussparung im Kühlkörper kann daher dadurch ausgeglichen sein, dass der Kühlkörper in sei nen Außenmaßen vergrößert ist gegenüber einem bekannten

Gleichstromschalter .

- Alternativ zur Luftkühlung kann der Gleichstromschalter auch eine Wasserkühlung umfassen.

- Bevorzugt handelt es sich bei den Leistungshalbleitern um Si-IGBTs, SiC-MOSFETs oder GaN-FETs handeln.

Die beschriebene Schaltvorrichtung ist insbesondere für die Verwendung in einem Gleichspannungsnetz mit einer Spannung von zwischen 100 V und 1500 V vorgesehen. Die vorgesehenen Nennströme liegen im Bereich von 8 A bis 2000 A. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Gleichstromschalter der hier beschriebenen Art als kurzschlussfester Leistungsschal ter verwendet wird.

Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.

Es zeigen: Figur 2 das elektrische Ersatzschaltbild eines Gleichstrom schalters mit einem Vorlade-Widerstand,

Figur 3 ein Schnittbild durch den Kühlkörper des Gleichstrom schalters mit dem Vorlade-Widerstand in Seitenansicht,

Figur 4 eine Vorderansicht des Kühlkörpers,

Figur 5 eine perspektivische Ansicht des Kühlkörpers mit dem Vorlade-Widerstand .

Figur 2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild einer bei spielhaften Gleichstromschalter 100, die in umgebende Gleich stromnetze integriert ist. Zum quellseitigen Ausgang hin ist der Gleichstromschalter 100 über eine Sicherung 30 mit einem DC-Netzwerk 32 verbunden. Dieses DC-Netzwerk 32 kann bei spielsweise ein industrielles DC-Netzwerk wie das in einer Fabrik sein. Das DC-Netzwerk 32 kann einen Generator, eine Photovoltaikanlage, ein Energieversorgungsnetz oder Energie speicher umfassen. Die Sicherung 30 gewährleistet den Schutz des Verbrauchers bei einer hohen Strombelastung unabhängig von dem Gleichstromschalter 100. Lastseitig ist der Gleich stromschalter 100 über einen Last-Trennschalter 31 mit einer Last 33 verbunden, die einen kapazitiven Anteil aufweist, beispielsweise einen Umrichter mit einem Zwischenkreis- Kondensator. Der Gleichstromschalter 100 dient dazu, die elektrischen Last 33 vom DC-Netzwerk 32 zu trennen und einen Strom abzuschalten.

Der Gleichstromschalter 100 selbst umfasst einen ersten

Strompfad mit zwei antiseriell geschalteten IGBTs 24, 25. Das bedeutet, dass ein Stromfluss durch den ersten IGBT 24 durch die zum zweiten IGBT 25 antiparallele Diode fließt. Bei ent gegengesetzter Polarität, d.h. bei umgekehrter Stromfluss richtung fließt der Strom durch den zweiten IGBT 25 und durch die zum ersten IGBT 24 antiparallele Diode. Eine alternative, antiparallele Schaltung der beiden IGBTs 24, 25 ist hier nicht dargestellt. In diesem Fall kann auf Dioden verzichtet werden, jedoch müssen die Halbleiterschalter dann rückwärts sperrfähig sein. Der erste Strompfad wird im eingeschalteten Zustand des Gleichstromschalters 100 im Normalbetrieb verwen det, d.h. im eingeschalteten Zustand sind die beiden IGBTs 24, 25 leitend geschaltet. Soll der Gleichstromschalter 100 eine Trennung der DC-Verbindung vornehmen, werden die beiden IGBTs 24, 25 abgeschaltet.

Parallel zum ersten Strompfad ist ein zweiter Strompfad vor handen, der eine Serienschaltung eines Vorlade-Schalters 21 mit einem Vorlade-Widerstand 20 umfasst. Der Vorladewider stand wird nur für Einschaltvorgänge verwendet und somit nur mittels des Vorlade-Schalters 21 zugeschaltet, wenn der

Gleichstromschalter 100 die DC-Verbindung einschalten soll. Wenn sich die Spannung an der Kapazität in der Last 33 weit gehend an die Spannung des DC-Netzwerks 32 angeglichen hat, also der fließende Ausgleichsstrom nicht mehr zu hoch ist, werden die IGBTs 24, 25 eingeschaltet.

Wiederum parallel zum ersten und zweiten Strompfad ist ein dritter Strompfad vorhanden, der eine Überspannungsbegren zung, in diesem Beispiel einen Varistor 28 umfasst. Zur Mes sung des Stromes durch den Gleichstromschalter 100 dient eine nicht gezeigte Strommessvorrichtung, die innerhalb des

Gleichstromschalters 100 oder außerhalb des Gleichstromschal ters 100 angeordnet sein kann. Zur Ansteuerung der IGBTs 24, 25 dient eine nicht gezeigte Steuervorrichtung, die mit den Steueranschlüssen der IGBTs 24, 25 verbunden ist.

In den Figuren 3 bis 5 ist in Seitenansicht, Vorderansicht und perspektiver Ansicht gezeigt, wie der Vorlade-Widerstand 20 in den Gleichstromschalter 100 integriert ist. Der Gleich stromschalter 100 umfasst einen quaderförmigen Kühlkörper 101 mit einer Mehrzahl von unterschiedlich gestalteten Kühlrippen 102. Der Kühlkörper 101 umfasst zwei getrennte Luftkanäle, die von zwei Lüftern 103 aktiv belüftet werden. Die Lüfter 103 sind dazu an einem Ende des Kühlkörpers 101 angeordnet. Auf einer ersten Seite des Kühlkörpers 101 sind die elektro nischen und elektrischen Aufbauten des Gleichstromschalters 100 angeordnet, also insbesondere die IGBTs 24, 25 auf ent sprechenden Platinen, Stromschienen und weitere elektronische Bauelemente, beispielsweise zur Steuerung und für Anzeigeele mente . In einen der beiden Kühlkanäle ist über einen Teil der Länge des Kühlkörpers 101 eine Aussparung 105 eingebracht, in der die Kühlrippen 102 teilweise entfernt sind. In diesem Bei spiel sind die Kühlrippen 102 mittels Ausfräsen entfernt wor den. Die Herstellung einer entsprechenden Aussparung 105 kann aber auch auf andere Weise erfolgen.

In der Aussparung 105 ist der Vorlade-Widerstand 20 angeord net, der seinerseits auf einer Trägerplatine 111 aufgebracht ist. In diesem Beispiel umfasst der Kühlkanal an den Seiten verlaufende Kühlrippen, die auch im Bereich der Aussparung 105 erhalten sind und als Einschubschiene für die Trägerpla tine 111 verwendet sind. Der Vorlade-Widerstand 20 ist dadurch inmitten des Kühlkörpers 101 angeordnet und wird nach mehreren Seiten von dem metallischen Material umschlossen.

Vom Vorlade-Widerstand 20 abgegebene Wärme in Form von Strah lung oder erhitzter Luft trifft dadurch weitgehend auf das Material des Kühlkörpers 101 und kann effizient gespreizt und abtransportiert werden. Eine direkte Erwärmung oder gar Über hitzung von anderen Komponenten des Gleichstromschalters wie beispielsweise den IGBTs 24, 25 durch den Vorlade-Widerstand 20, wenn dieser im Bereich der Elektronik anstatt innerhalb des Kühlkörpers 101 angeordnet wäre, findet nicht statt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lüfter 103 geregelt sind unter Verwendung von beispielsweise dem Signal eines Temperatursensors. Dann führt ein Wärmeeintrag durch den Vor lade-Widerstand 20 oder gar mehrere solche Wärmeeinträge in kurzer Zeit zu einer entsprechenden Reaktion der Lüfter 103 und somit zu einer optimalen Entwärmung, die an die Schalt vorgänge angepasst ist. Dadurch entfällt vorteilhaft ein überdimensionierter Vorlade-Widerstands 20, der beim Vorladen nur geringfügig erhitzt wird und bei mehrfachem Vorladen in kurzer Zeit trotzdem überhitzen könnte. Bezugs zeichenliste

1 Schaltvorrichtung

2 Gleichspannungsquelle

3 quellseitige Induktivität

5 lastseitige Induktivität

6 aufzutrennende Leitung

7 quellseitige Kapazität

8 lastseitige Kapazität

20 Vorlade-Widerstand

21 Vorlade-Schalter

24,25 IGBT

28 Varistor

30 Sicherung

31 Last-Trennschalter

32 DC-Netzwerk

33 kapazitive Last

100 Gleichstromschalter

101 Kühlkörper

102 Kühlrippen

103 Lüfter

105 Aussparung

111 Träger-Platine

I Strom