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Title:
POWER ELECTRONICS COMPONENT WITH IMPROVED THERMAL PROPERTIES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/065615
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a power electronics component in which a gap (9) between an electrically active area (2) and a housing (4) is filled with pourable mineral granules (10) which are preferably moisture-adsorbent.

Inventors:
Vetter, Harald (Wichernweg 5 Heidenheim, D-89520, DE)
Application Number:
PCT/DE2000/001081
Publication Date:
November 02, 2000
Filing Date:
April 07, 2000
Export Citation:
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Assignee:
EPCOS AG (St.-Martin-Strasse 53 München, D-81541, DE)
Vetter, Harald (Wichernweg 5 Heidenheim, D-89520, DE)
International Classes:
H01G4/224; H01G2/12; H01L23/00; H01L23/373; H01L23/42; (IPC1-7): H01G2/08; H01G2/02
Foreign References:
US4760494A
US4893217A
Attorney, Agent or Firm:
EPPING HERMANN & FISCHER GBR (Postfach 12 10 26 München, D-80034, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. LeistungselektronikBauelement mit einem elektrisch ak tiven Bereich und einem von diesem durch einen Spalt (9) be abstandeten Gehäuse (4), dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (9) mit einem mineralischen schüttbaren Granulat (10) gefüllt ist.
2. LeistungselektronikBauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat (10) ein Molekularsiebgranulat ist.
3. LeistungselektronikBauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekularsiebgranulat aus Zeolithen mit kristallinem Git teraufbau besteht.
4. LeistungselektronikBauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat ein Schüttgewicht von etwa 0,7 kg/dm3 aufweist.
5. LeistungselektronikBauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat (10) feuchteadsorbierend ist.
6. LeistungselektronikBauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) mit Kunststoffabdeckplatten versehen ist.
7. LeistungselektronikBauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es durch einen Leistungskondensator oder einen Phasenbaustein gebildet ist.
Description:
Beschreibung Leistungselektronik-Bauelement mit verbesserten thermischen Eigenschaften Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungselektronik- Bauelement mit einem elektrisch aktiven Bereich und einem von diesem durch einen Spalt beabstandeten Gehäuse.

Bei Leistungselektronik-Bauelementen, wie beispielsweise Lei- stungskondensatoren, Phasenbausteinen zur Niederspannungs- Blindstromkompensation oder ähnlichen Bauteilen ist eine zu- verlässige Wärmeabfuhr von großer Bedeutung. Mit anderen Wor- ten, solche Bauelemente sollten sich durch einen niedrigen Wärmewiderstand auszeichnen.

Nun gibt es trockene, gasimprägnierte Bauelemente sowie mit Ö1 oder Harz gefüllte Bauelemente. Gasimprägnierte Bauelemen- te haben einen schlechteren Wärmewiderstand als mit Ö1 oder Harz gefüllte Bauelemente. Demgegenüber sind aber gasimprä- gnierte Bauelemente hinsichtlich der Umweltbelastung vorzu- ziehen : Ö1-und Harzfüllungen rufen bekanntlich Umweltproble- me hervor, die besonders dann auftreten, wenn diese entsorgt werden, oder ein Brandfall zu verzeichnen ist.

Speziell bei Leistungskondensatoren wird, wie dies bereits oben erläutert wurde, zwischen sogenannten"nassen Bauformen" mit einer Ölimprägnierung, gegebenenfalls in Zwischenstufen auch einer Semiimprägnierung, und"trockenen Bauformen"mit einer Gasimprägnierung oder einem Verguß mit Materialien wie Epoxydharz, Polyurethanharz oder Rizinusöl mit einem Poly- urethan-Härter unterschieden. Diese Materialien können dabei unterschiedliche Viskositäten haben, deren Bereich von hart bis geleeartig reicht.

Alle diese verschiedenen Varianten sind allgemein weit ver- breitet und zeichnen sich bei Bau und Betrieb der Leistungs-

kondensatoren jeweils durch ihnen eigene Vorteile und Nach- teile aus. So ist beispielsweise zu bedenken, daß ölimprä- gnierte Bauelemente neben Umweltproblemen auch eine höhere Brandlast haben.

Bei der Entscheidung, ob"nasse Bauformen"oder"trockene Bauformen"zum Einsatz gelangen, sind auch deren Eigenschaf- ten hinsichtlich Entflammbarkeit, Rauchentwicklung, Toxizität zu berücksichtigen. Speziell Vergußmassen werfen in dieser Hinsicht nicht unerhebliche Probleme auf.

Generell läßt sich also feststellen, daß, wie eingangs be- reits angedeutet wurde, trockene, gasimprägnierte Leistungs- kondensatoren den entsprechenden"nassen Bauformen"im Wärme- widerstand partiell unterlegen sind, dafür aber hinsichtlich Umweltbelastungen geringere Probleme aufwerfen. So sind also "trockene Bauformen"mit Gasimprägnierung hinsichtlich der Umweltbelastung im Betrieb und am Ende der Lebensdauer und hinsichtlich eines Brandfalles nassen Bauformen überlegen.

Ein weiterer Vorteil der"trockenen Bauformen"liegt in deren im Vergleich zu den"nassen Bauformen"erheblich geringerem Gewicht.

Es sollen nun aber Bauelemente mit höherer Leistung entwik- kelt werden, wie beispielsweise Phasenschieber-Kondensatoren zur Niederspannungsblindstromkompensation mit einer Leistung von etwa 25 kVAr bis 50 kVAr. Ebenso besteht eine Tendenz in Richtung höherer Ströme bei Zwischenkreis-und Saugkreiskon- densatoren, die zusammen mit IGBT-Umrichtern (IGBT = Bipolar- transistor mit isoliertem Gate) eingesetzt werden. Für alle diese Bauelemente mit höherer Leistung ist ein besserer Wär- mewiderstand vorteilhaft.

Bei diesen Überlegungen ist auch noch die Feuchte-Adsorp- tionsfähigkeit des Einbaus der jeweiligen Bauformen zu be- rücksichtigen. Denn bei einigen Anwendungen muß mit einer

endlichen Feuchtediffusion in das Bauelementgehäuse gerechnet werden, wie beispielsweise bei Vergußvarianten, so daß für einen zuverlässigen Betrieb eine ausreichende Adsorption der Feuchte gegeben sein sollte.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lei- stungselektronik-Bauelement zu schaffen, das im Betrieb und bei seiner Entsorgung umweltfreundlich ist, einen hervorra- genden Wärmewiderstand hat, Feuchtigkeit zu adsorbieren ver- mag und sich zusätzlich durch ein geringes Gewicht auszeich- net.

Diese Aufgabe wird bei einem Leistungselektronik-Bauelement, wie insbesondere einem Leistungskondensator, mit einem elek- trisch aktiven Bereich, wie beispielsweise dem Wickel eines Leistungskondensators, und mit einem von diesem durch einen Spalt beabstandeten Gehäuse erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spalt mit einem mineralischen schüttbaren Granulat gefüllt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Bauelement wird also ein mineralisches, schüttbares Granulat als Isoliermate- rial beispielsweise im Spalt zwischen einer Wickelhüllwand und einer Gehauseinnenwand bei einem Leistungskondensator verwendet. Ein solches mineralisches, schüttbares Granulat kann durch eine geeignete Vorbehandlung ohne weiteres in eine Lage versetzt werden, daß es Feuchtigkeit effizient zu adsor- bieren vermag. Stoffe, die diese Eigenschaften besitzen, wer- den auch als"Molekularsiebe"bezeichnet. Solche Molekular- siebe sind beispielsweise synthetisch hergestellte Zeolithe mit kristallinem Gitteraufbau.

Das Granulat wird, worauf bereits hingewiesen wurde, bei- spielsweise in den Spalt zwischen der Wickelhüllwand und der Gehäuseinnenwand bei einem Leistungskondensator eingefüllt.

Durch Rütteln kann es dort ausreichend verdichtet werden.

Auf die Molekularsiebeigenschaft kann gegebenenfalls verzich- tet werden, wenn das Leistungselektronik-Bauelement ohnehin nur in trockener Umgebung eingesetzt wird. In diesem Fall kann für das Granulat auf geeignete Werkstoffe mit Körnung zurückgegriffen werden, ohne auf die Feuchteadsorptionsfähig- keit zu achten.

Versuche des Erfinders an großen Phasenschieberkondensatoren haben gezeigt, daß mit einem Granulat als Isolierstoff im Spalt zwischen Wickelhüllwand und Gehäuseinnenwand tatsäch- lich ohne großen Aufwand die angestrebten guten Wärmelei- tungseigenschaften erreicht werden können, so daß im aktiven Bereich der Phasenschieberkondensatoren, also im Wickel, er- zeugte Wärme wirksam nach außen abgeführt werden kann. Ein Granulat hat in üblicher Ausführung ein Schüttgewicht von et- wa 0,7 kg/dm_ und ist damit erheblich leichter als 61 oder insbesondere Vergußmasse.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß mit dem Schüttgewicht das Wärmeleitvermögen des Granulats beeinflußt werden kann. Ist dieses geringer, so ist das Wärmeleitvermö- gen niedriger als bei einem höheren Schüttgewicht.

Der Kostenaufwand für das Granulat ist äußerst gering und liegt deutlich unter demjenigen für Öl oder für Vergußmasse.

Auch ist in diesem Zusammenhang zu bedenken, daß das Granulat auf die für die Wärmeabfuhr entscheidenden Regionen im Bau- element konzentriert werden kann, was für eine Ölimprägnie- rung oder einen Verguß grundsätzlich nicht gilt.

Messungen an einem 25 kVAr-Rundbecher-Phasenschieberkonden- sator der MKKAC-Baureihe (MKK = metallisierter Kunststoff- kondensator, AC = Wechselstrom) zeigen, daß bei einer Blind- leistung von 50 kVAr die sogenannte"hot-spot"-Temperatur (heißeste Stelle im Kondensator) durch Granulatbefüllung des Spalts zwischen Wickelhüllwand und Gehäuseinnenwand im Ver- gleich zu einer gasimprägnierten Variante um 7° K abgesenkt

werden kann. Durch Vergleichsversuche zwischen Leistungskon- densatoren mit Gasimprägnierung, Ölimprägnierung, Gießharzim- prägnierung und Granulat im Spalt zwischen Wickelhüllwand und Gehäuseinnenwand bzw. im Leistungskondensator insgesamt erge- ben für einen Leistungskondensator mit Granulat im Spalt das deutlich beste Ergebnis.

Die erhebliche Reduzierung des Wärmewiderstandes erlaubt eine Weiterentwicklung von Leistungskondensatoren in Richtung auf höhere Leistungen.

Auch beeinflußt die gute Adsorptionsfähigkeit eines Moleku- larsieb-Granulats die Lebensdauer eines Leistungskondensators in trockener Bauform positiv. Dabei können gegebenenfalls auch die Trocknungsanforderungen beim Prozeß und der Prüfung erheblich reduziert werden, was zu einer Kostenreduzierung bei der Fertigstellung des Leistungskondensators führt. Auch ermöglicht die Feuchteadsorptionsfähigkeit des Molekularsieb- granulats Konstruktionskonzepte mit partieller Kunststoffab- deckung im Anschlußbereich von beispielsweise Rechteck-Groß- kondensatoren. Kunststoffabdeckungen oder Vergußmassen haben materialbedingt immer eine mehr oder weniger ausgeprägte Feuchtediffusion zu verzeichnen, so daß gegebenenfalls die hieraus bekannten Materialdaten ausgenutzt werden können, um eine Granulatmenge in einem Bauelement so festzulegen, daß das Granulat während der gesamten Lebensdauer des Bauelemen- tes in der Lage ist, die eindiffundierende Feuchtigkeitsmenge zuverlässig aufzunehmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Bauelement han- delt es sich in bevorzugter Weise um einen Leistungskondensa- tor. Es kann jedoch auch ein anderes Bauelement, wie bei- spielsweise eine Induktivität oder ein Leistungshalbleiter- bauelement sein, bei dem für eine gute Wärmeabführung gesorgt werden muß.

Die mit der Erfindung zu erzielenden Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen : Das Granulat wirft keine Umweltprobleme auf, da sein minera- lischer Basiswerkstoff auch im Brandfall thermisch stabil ist und so weder eine giftige Wirkung zeigt noch ein Treibhauspo- tential beinhaltet. Weiterhin ist durch eine ausreichend ge- wählte Granulatmenge eine reduzierte Dichtheitsanforderung durch gezielte Ausnutzung des Feuchte-Adsorptionseffektes des Granulats denkbar. Gegenüber Ö1 und Vergußmassen bietet das Granulat einen deutlichen Gewichtsvorteil mit einem Schüttge- wicht von etwa 0,7 kg/cm. Weiterhin kann das Granulat ohne weiteres auf den Spalt zwischen Gehäuse und Wickel konzen- triert werden, so daß insoweit der Aufwand für das Granulat reduziert werden kann und Gewicht einzusparen ist. Wird auch das Kernrohr bei einem Leistungskondensator gefüllt, so be- dingt dies in der Regel eine höhere Hot-Spot-Temperatur, d. h., der Wärmewiderstand wird ungünstig beeinflußt. Die Vor- teile gegenüber 61 oder Verguß werden besonders dann deut- lich, wenn das Granulat nur in den Spalt zwischen Wickel und Gehäuse eingebracht wird. Im Vergleich zu einem Vergußmateri- al ist für das Einbringen des Granulats keine aufwendige Ap- paratur erforderlich. Das heißt, auf aufwendige Vergießein- richtungen kann verzichtet werden. Verarbeitungsprobleme im Zusammenhang mit dem Granulat sind nicht erkennbar. So ist beispielsweise kein Weißraum erforderlich. Weiterhin ver- drängt das Granulat einen erheblichen Teil des Restvolumens speziell bei Rechteck-Kondensatoren, so daß hier auch eine Gasimprägnierung mit reinem SF6 möglich wird, was eine deut- liche Lebensdauerverlängerung des Kondensators zur Folge hat.

Das erfindungsgemäße Leistungselektronik-Bauelement mit dem mineralischen schüttbaren Granulat im Spalt zwischen einem aktiven Bereich und einem von diesem beabstandeten Gehäuse vereinigt die Vorteile eines gasimprägnierten Bauelements mit demjenigen einer oder Harzfüllung und hat außerdem eine hervorragende Feuchteadsorptionsfähigkeit.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er- läutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Wickelkondensa- tors, der nach der vorliegenden Erfindung aufge- baut ist, Fig. 2 eine schematische Ansicht eines anderen Wickel- kondensators, der nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, und Fig. 3 ein Diagramm, bei dem der Wärmewiderstand Rth in Abhängigkeit von der Blindleistung für verschie- dene Füllungen eines Kondensators aufgetragen ist.

Fig. 1 zeigt einen Wickelkondensator aus einem Kernrohr 1, das von einem oder mehreren Wickeln 2 umgeben ist. Sind meh- rere Wickel 2 vorhanden, so sind diese durch eine Trennlage aus Isoliermaterial voneinander getrennt. Für die vorliegende Erfindung ist es selbstverständlich unerheblich, ob der Wik- kelkondensator über einen oder mehrere Wickel 2 verfügt. Die Wickel 2 sind wiederum in einem Gehäuseaußenrohr 4 unterge- bracht, das zylindrisch gestaltet ist, die Wickel 2 sowie das Kernrohr 1 mantelförmig umgibt und an seinen Enden beispiels- weise mit kunststoffabdeckplatten versehen sein kann.

Die elektrische Zufuhr zu den Wickeln 2 erfolgt über An- schlüsse 5,6, die auf der Deckelseite des Wickelkondensators vorgesehen sind und dort elektrisch isoliert in einem Ring- flansch 7 festgelegt sind. Dabei führt der elektrische An- schluß 5 beispielsweise zu der Innenseite eines inneren Wik- kels, während der elektrische Anschluß 6 an die Innenseite eines äußeren Wickels angeschlossen ist. Die beiden Wickel stehen miteinander an der Bodenseite durch die Schoopschicht in elektrischer Verbindung.

Erfindungsgemäß ist nun bei diesem Wickelkondensator der Spalt 9 (und ggf. auch der Kernrohr-Innenraum 8) zwischen der Außenseite der Wickel 2 (Wickelhüllwand) und der Innenseite des Gehäuseaußenrohres 4 (Gehäuseinnenwand) mit einem Granu- lat 10 gefüllt, das beispielsweise durch Rütteln ausreichend verdichtet ist und auch den Bodenbereich zwischen Gehäusein- nenwand und Wickel ausfüllt. Dieses Granulat kann gegebenen- falls auch Molekularsiebeigenschaft aufweisen, wenn auf Feuchteadsorption besonderer Wert gelegt wird. Als Granulat sind beispielsweise synthetisch hergestellte Zeolithe mit kristallinem Gitteraufbau verwendbar. Alternativ sind Quarz- sande oder ähnliches geeignet, wenn auf die Adsorptionsfähig- keit verzichtet werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist der gesamte Spalt 9 zwischen dem Wickel 2 und einem Gehäuse 3 mit dem Granulat 10 gefüllt. Hier kann das Gehäuse 3 auf eine Plattform 11 mit Anschlüssen 5,6 sitzen.

Das Granulat 10 hat beispielsweise ein Schüttgewicht von etwa 0,7 kg/dm_ und ist damit deutlich leichter als 61 oder Ver- gußmasse, so daß der Wickelkondensator mit geringerem Gewicht hergestellt werden kann. Das Wärmeleitvermögen des Granulates ist demjenigen von Gas deutlich überlegen, wie dies im fol- genden anhand der Fig. 3 erläutert werden wird.

In Fig. 3 ist auf der Ordinate der transformierte Wärmewider- stand RthQ in °K/kVAr in Abhängigkeit von der Blindleistung Q in kVAr dargestellt. Dabei bedeuten Kurven RthQ (Gesamt) den gesamten Wärmewiderstand zwischen"hot-spot"und Umgebung, RthQ (Innen) den Wärmewiderstand zwischen"hot-spot"und Ge- häuseinnenwand und RthQ (Augen) den Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Umgebung. Kurven MR1 geben die Meßergebnisse für einen luftgefüllten Spalt an, während Kurven MR2 Meßergebnis- se für Granulat im Spalt zeigen, Kurven MR3 für Meßergebnisse für Granulat in Spalt und Kernrohr 1 stehen, Kurven MR4 Me-

ßergebnisse für einen ölimprägnierten Wickelkondensator dar- stellen und Kurven MR5 Meßergebnisse für einen Wickelkonden- sator mit Vergußfüllung widerspiegeln.

Es ist zu ersehen, daß die Kurven MR2 insgesamt den niedrig- sten Wärmewiderstand aufweisen. Das heißt, eine Füllung von Granulat im Spalt zwischen Wickelhüllwand und Gehäuseinnen- wand ist vorzuziehen.

Versuche an einem 25 kVAr MKK-AC Kondensator mit schwarzer Oberfläche mit verschiedenen Blindleistungen Q und unter- schiedlichen Füllmedien (Luft, Molekularsiebgranulat im Spalt zwischen Wickelhüllwand und Gehäuseinnenwand-d. h. Kernrohr nicht gefüllt, Molekularsiebgranulat im gesamten Kondensator verteilt, Ölfüllung und Harzfüllung) durchgeführt. In Tabelle 1 sind die wichtigsten Ergebnisse zusammengefaßt : Tabelle 1 Füllmedium Q = 25 kVAr Relatiwer-Q = 50 kVAr Relatiwer- ? TA-hs [K] gleich [K] ? TA-hs [K] gleich [K] Luft 22,9 ? 0,0 46,1 ? 0,0 Granulat im 20,5-2,4 40,0-6,1 Spalt Granulat im 22,1-0,8 42,8-3,3 ges. Kond. Olfüllung 40,7-5,4 1 Harzfüllung 23,7 +0,8 47,5 +1,4 1 Daraus ergibt sich sofort : -Die Füllmedien Ö1 und Molekularsiebgranulat liefern einen günstigeren Wärmewiderstand Rth_ als Luft.

-Die Harzfüllung ist im Spalt um einen Faktor 2 besser als Luft und damit vergleichbar zur Ölfüllung bzw. zu Moleku- larsiebgranulat, aber durch die prozeßbedingte vollständige Füllung des Kondensators inkl. Kernrohr mit Harz ergibt sich für Rth insgesamt kein Vorteil. -Die besten Ergebnisse werden mit dem Molekularsiebgranulat im Spalt zwischen Wickelhüllwand und Gehäuseinnenwand -d. h. Kernrohr nicht gefüllt-erzielt.