HOFFMANN BERNHARD (DE)
GRUENDL ANDREAS (DE)
HOFFMANN BERNHARD (DE)
WO1994027157A1 | 1994-11-24 |
EP0586793A2 | 1994-03-16 | |||
US5004974A | 1991-04-02 |
1. | Baugruppe zum Schalten elektrischer Leistungen, bei der ein Halbleiterschalter in einem Behälter angeordnet sind, der teilweise mit einer Inertflüssigkeit gefüllt ist, um im Betrieb eine Fluidkühlung des Halbleiterschalters zu bewir ken ; dadurch gekennzeichnet, daß an einer Platine eine magnetfeldempfindliche Sonde angeord net ist ; an einem weiteren Bauteil eine stromführende Leitung ange ordnet ist, die durch ein Bauelement zur Magnetfeldkopplung geführt ist ; wobei die Platine mit der Sonde und dem weiteren Bauteil durch die Montage so zueinander ausgerichtet sind, daß die Sonde in das Bauelement zur Magnetfeldkopplung eintaucht. |
2. | Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde auf einer Platine angeordnet ist, die eine Steu erschaltung (CPU) trägt oder mit einer Steuerschaltung ver bunden ist, wobei die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, ein von der Sonde erzeugtes Signal zur Bestimmung eines durch die stromführende Leitung fließenden Stromes auszuwerten. |
3. | Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde ein magnetfeldempfindliches Bauteil, z. B. ein magnetfeldempfindlicher Widerstand, eine Hallsonde oder Feld platte ist. |
4. | Baugruppe nach einem der Ansprüche 13, dadurch gekenn zeichnet, daß das magnetfeldkoppelnde Bauteil ein Blechpaket ist, ein Ferritkern oder dergl. das eine Durchführung für die strom führende Leitung und eine Koppelstelle für die Sonde auf weist. |
5. | Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket im Querschnitt Cförmig ist, wobei die bei den freien Schenkel soweit voneinander beabstandet sind, daß zwischen ihnen die Sonde eingreift. |
6. | Baugruppe nach einem der Ansprüche 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das Blechpaket an einem Trägerbauteil angebracht ist, das zu der Platine, die die Sonde trägt, im montierten Zustand in räumlich festgelegter Beziehung steht. |
7. | Verfahren zur Kalibrierung der Strommessung in der Anord nung nach einem der Ansprüche 16, gekennzeichnet durch folgende Schritte : a) räumliches Zusammenbringen und Fixieren der die Sonde tra genden Platine und des das Bauelementes zur Magnetfeldkopp lung weiteren Bauteils, wobei in dem Bauelement zur Magnet feldkopplung die stromführende Leitung verläuft, b) Beschicken der Leitung mit einem Strom vorbestimmter Form, Amplitude und/oder Frequenz, und c) gleichzeitiges Erfassen eines Ausgangssignals der Sonde mittels einer Steuerschaltung, d) das erfaßte Ausgangssignal mit der vorbestimmten Form, Amplitude und/oder Frequenz des Stroms in Beziehung setzen und in einem Speicher der Steuerschaltung abspeichern, und e) Wiederholen der Schritte b), c) und d), wobei der Schritt b) mit einem Strom wechselnder Amplitude und/oder Frequenz ausgeführt wird, bis eine ausreichende Anzahl von Stützstel len ermittelt ist, um eine Kalibrierkurve mit vorbestimmter Genauigkeit zu ermitteln. |
Derartige Leistungselektronikbaugruppen sind z. B. in Form von Halbbrückenanordnungen zur Bildung von Wechselrichtern für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche, z. B. zur Speisung von Drehfeldmaschinen, Permanentmagnetmotoren und dergl. im Einsatz (siehe z. B. DE-A-40 27 969).
Allerdings besteht hier das Problem, daß die Leistungsdichte, d. h. die abgegebene Leistung bezogen auf das Volumen der An- ordnung bei den herkömmlichen Anordnungen relativ gering ist.
Außerdem ist das Gewicht der herkömmlichen Anordnungen rela- tiv hoch.
Aus der US-PS 5,132,896 ist eine Wechselrichteranordnung be- kannt, die zur Verringerung der Wirkung verteilter Indukti- vitäten der Leiter, die zum Verbinden der Kondensatoren und der Halbleiterschalter verwendet werden, plattenförmige Zu- leitungen mit großer Fläche aufweist. Dadurch werden große Dämpfungskondensatoren zur Kompensation der Leitungsinduk- tivitäten vermieden. Außerdem kann durch die großflächige Ge- staltung der plattenförmigen Zuleitungen die Wärmeabstrahlung verbessert werden. Des weiteren sind die plattenförmigen Zu- leitungen so gestaltet, daß die Größe und die Richtung des Stromflusses durch die plattenförmigen Zuleitungen die Wir- kung der verteilten Induktivitäten minimieren.
Allerdings dienen bei dieser Wechselrichteranordnung die größflächigen Zuleitungen lediglich der Minderung von Stör- induktivitäten und sind als Zuleitungen zu großen Elektrolyt- kondensatoren eingesetzt.
Aus der EP 586 793 B1 ist eine Halbbrückenanordnung bekannt, die demgegenüber eine erheblich verbesserte Leistungsdichte hat. Dabei ist der eingangs beschriebene Halbleiterschalter in einer Halbbrückenanordnung angeordnet, die dahingehend weitergebildet ist, daß die Kondensatoranordnung durch wenig- stens einen Flächenkondensator an einer mehrere derartiger Halbleiterschalter tragenden Platine und/oder durch wenig- stens einen als Hohlwickel geformten Wickelkondensator gebil- det ist, wobei die Halbleiterschalter in dem als Hohlwickel gebildeten Wickelkondensator angeordnet sind und eine Fluid- kühlung in dem Hohlwickel vorgesehen ist. Auf den Inhalt die- ser Druckschrift wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
Ausgehend hiervon betrifft die Erfindung Weiterentwicklungen dieser bekannten Anordnung, die dazu dienen die Leistungs- dichte weiter zu steigern, die Anwendungsbereiche dieser An- ordnung zu vergrößern und die Herstellung und den Betrieb dieser Anordnung kostengünstiger, einfach und sicherer zu ma- chen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist bei der Baugruppe ein Halbleiterschalter in einem Behälter angeordnet, der teil- weise mit einer Inertflüssigkeit gefüllt ist, um im Betrieb eine Fluidkühlung des Halbleiterschalters zu bewirken ; ist an einer Platine eine magnetfeldempfindliche Sonde angeordnet ; ist an einem weiteren Bauteil eine stromführende Leitung an- geordnet, die durch ein Bauteile zur Magnetfeldkopplung ge- führt ist ; wobei die Platine mit der Sonde und dem weiteren Bauteil durch die Montage so zueinander ausgerichtet sind, daß die Sonde in das Bauelement zur Magnetfeldkopplung ein- taucht.
Diese Anordnung stellt eine sehr einfache und fehlerunanfäl- lige Anordnung zur Strommessung in der Halbbrückenanordnung bereit, die kostengünstig ist, keinerlei Stecker erfordert, da die Sonde und die Leitung durch das magnetfeldkoppelndes Bauteil verbunden werden, ohne daß eine elektrische Verbin- dung notwendig ist.
Vorzugsweise ist die Sonde auf einer Platine angeordnet, die eine Steuerschaltung (CPU) trägt oder mit einer Steuerschal- tung verbunden ist, wobei die Steuerschaltung dazu eingerich- tet ist, ein von der Sonde erzeugtes Signal zur Bestimmung eines durch die stromführende Leitung fließenden Stromes aus- zuwerten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sonde eine Hallsonde. Es sind jedoch auch andere Sensortypen einsetzbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das magnetfeldkoppelnde Bauteil ein Blechpaket, das eine Durch- führung für die stromführende Leitung und eine Koppelstelle für die Sonde aufweist.
Vorzugsweise ist das Blechpaket im Querschnitt C-förmig, wo- bei die beiden freien Schenkel soweit voneinander beabstandet sind, daß zwischen ihnen die Sonde eingreift. Außerdem ist durch den freien Raum in dem im Querschnitt C-förmigen Blech- paket die stromführenden Leitung gelegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Blechpaket an einem Trägerbauteil angebracht, das zu der Pla- tine, die die Sonde trägt, im montierten Zustand in räumlich festgelegter Beziehung steht. Beispielsweise kann dieses Trä- gerbauteil ein Anschluß-Stecker oder eine Anschluß-Buchse für die Strom einspeisenden oder abführenden Leitungen in den/aus dem Behälter sein.
Erfindungsgemäß wird vor der ersten Inbetriebnahme, aber auch im Falle von Wartungen oder Justagen folgendes Verfahren zur Kalibrierung der Strommessung in der vorstehend beschriebenen Anordnung ausgeführt : a) räumliches Zusammenbringen und Fixieren der die Sonde tra- genden Platine und des das magnetfeldkoppelnde Bauteil tra- genden Trägerbauteils, wobei bei oder in dem magnetfeldkop- pelnden Bauteil die stromführende Leitung verläuft, b) Beschicken der Leitung mit einem Strom vorbestimmter Form, Amplitude und/oder Frequenz, und c) gleichzeitiges Erfassen eines Ausgangssignals der Sonde mittels der Steuerschaltung, d) das erfaßte Ausgangssignal mit der vorbestimmten Amplitude und/oder Frequenz des Stroms in Beziehung setzen und in einem Speicher der Steuerschaltung abspeichern, und e) Wiederholen der Schritte b), c) und d), wobei der Schritt b) mit einem Strom wechselnder Amplitude und/oder Frequenz ausgeführt wird, bis eine ausreichende Anzahl von Stützstel- len ermittelt ist, um eine Kalibrierkurve mit vorbestimmter Genauigkeit zu ermitteln.
Dabei versteht sich, daß der Schritt a) nur dann ausgeführt werden muß, wenn die Platine mit der Sonde und das Trägerbau- teil mit dem magnetfeldkoppelnden Bauteil in ihrer räumlichen Beziehung verändert wurden.
Der Schritt b), bei dem die Leitung mit Strom beschickt wird, kann durch unterschiedliche Maßnahmen bewirkt werden.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, direkt den Strom der Leitung von außen einzuprägen. Dies erfordert jedoch eine ex- terne Stromquelle.
Als Alternative zu dieser Lösung kann auch die Leistungselek- tronikbaugruppe so mit Strom bzw. Spannung gespeist werden, daß in der stromführenden Leistung ein bekannter Strom her-
vorgerufen wird. Dieser bekannte Strom wird dann mit dem Aus- gangssignal der Sonde in Beziehung gesetzt.
Eine weitere Alternative besteht darin, die stromführende Leitung mit einer definierten (induktiven, kapazitiven und/oder ohmschen) Last abzuschließen und durch eine externe Vergleichstrommessung Meßwerte zu erhalten, die mit den Aus- gangssignalen der Sonde in Beziehung gesetzt werden.
Die Anordnung ist auf zwei voneinander trennbare bzw. zusam- menfügbare Komponenten (Platine einerseits und weiteres Bau- teil andererseits) aufgeteilt, die beide in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind. Damit kann die Montage der Anord- nung sehr einfach durchgeführt werden, in dem diese beiden Komponenten nacheinander oder gemeinsam in das Gehäuse einge- bracht werden, ohne daß es auf die genaue mechanische Fixie- rung und Orientierung der Komponenten ankäme. Vielmehr kann durch die einfache Kalibrierung der Anordnung die tatsächli- che Position der beiden Komponenten zueinander angeglichen werden. Entscheidend ist lediglich, daß die Lger der beiden Komponenten zueinander sich nicht ändert, nachdem die Kali- brierung ausgeführt ist. Ansonsten muß die Kalibrierung wie- derholt werden.
Weitere Eigenschaften, Merkmale und alternative Ausgestaltun- gen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in der die derzeit bevorzugte Ausfüh- rungsform des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht ist.
Die erfindungswesentlichen Aspekte sind beispielhaft in einer Halbbrückenanordnung verwirklicht, wobei als ein mögliches Anwendungsbeispiel für eine solche Halbbrückenanordnung ein einphasiger Wechselrichter dienen kann, der mit zwei identi- schen Halbbrückenanordnungen aufgebaut ist. Lediglich zur Er- läuterung wird daher nachstehend der prinzipielle Aufbau ei- ner solchen Anordnung erläutert.
Die Halbbrückenanordnung weist parallel geschaltete Paare MOSFETs auf, die als Halbleiterschalter wirken. Jeweils zwei der MOSFETs sind in Serie geschaltet, so daß jeweils der er- ste MOSFET jedes Paares mit seinem Source-Anschluß auf einem hohen Spannungspotential Vgg liegt, und jeder zweite MOSFET jedes Paares mit seinem Drain-Anschluß auf einem niedrigen Spannungspotential VDD liegt. Dabei ist zur Bildung eines Ausgangsanschlusses der Drain-Anschluß jedes der ersten MOS- FETs mit dem Source-Anschluß jedes der zweiten MOSFETs ver- bunden. Jeweils eine Ansteuereinrichtung für die Gruppe der ersten MOSFETs bzw. der Gruppe der zweiten MOSFETs ist mit den parallel geschalteten Steuereingängen jeder Gruppe der ersten und zweiten N-Kanal MOSFETs verbunden.
Zwischen dem hohen und dem niedrigen Spannungspotential Vgg und VDD ist ein Kondensator angeordnet, der als Stützkon- densator wirkt. Die Kondensatoranordnung ist zum einen durch einen Flächenkondensator an einer die MOSFETs tragenden Pla- tine gebildet. Zum anderen ist die Kondensatoranordnung durch einen als Hohlwickel geformten Wickelkondensator gebildet.
Der Hohlwickel ist im wesentlichen zylinderförmig gestaltet und besteht aus mehreren Lagen von Kupferschichten und je- weils einer Isolierschicht. Im Innern des als Hohlwickel aus- gebildeten Wickelkondensators sind mehrere Platinen mit ein- zelnen Halbleiteranordnungen übereinandergeschichtet. Der Hohlwickel ist an einem Ende fluiddicht mit einer konvexen Abdeckkappe verschlossen, während er sich am anderen Ende flaschenformig verjüngt, um in einem Ansatzstutzen auszulau- fen, an dem die Anschlüsse für die Versorgungsspannungen, die Ausgangsleitungen, und die Steuerleitungen nach außen treten.
Der Hohlwickel bildet einen Behälter 10, der bis etwa 15 bar druckfest ausgebildet ist. Das Innere des Hohlwickels ist mit einem flüssigen Fluorkohlenwasserstoff gefüllt, wobei die Flüssigkeit die Halbleiterschalter 12 bedeckt. Dabei ist ein freier Raum zwischen dem Flüssigkeitsspiegel 14 (siehe z. B.
Fig. 3) und der Innenwand des Behälters 10, so daß eine gas- förmige Phase des Fluorkohlenwasserstoffs aus der flüssigen Phase austreten kann. Der Gasdruck in dem Hohlwickel ist ent- sprechend der Gasdruckkurve des Fluorkohlenwasserstoffs zwi- schen 50 mbar und 3 bar so eingestellt, daß bereits bei ge- ringfügiger Erwärmung der MOSFETs im Betrieb die flüssige Phase der Fluorkohlenwasserstoffs zu sieden beginnt. So ist erreichbar, daß die Temperaturdifferenz zwischen den Halblei- terschaltern und der den Hohlwickel umgebenden Atmosphäre le- diglich etwa 10°C beträgt.
Die Gasphase der Inertflüssigkeit wird von außen durch eine an den Behälter angeschlossene Konvektionskühlung oder durch Gebläsekühlung gekühlt. Dabei kondensiert die Gasphase des Fluorkohlenwasserstoffs an der von außen gekühlten Innenwand der Kühlleitungen und wird in flüssiger Form über eine Flüs- sigkeitsleitung wieder dem flüssigen Fluorkohlenwasserstoff im Innern des Behälters zugeführt, der die MOSFETs umgibt.
In der Figur ist die Erfindung im Detail veranschaulicht, wobei auf einer Platine 30 eine magnetfeld-empfindliche Sonde 32 angeordnet ist. Von der Sonde 32 räumlich getrennt ist ei- ne stromführende Leitung 34 geführt. Dabei ist die Sonde 32 mit der Leitung 34 durch ein magnetfeldkoppelndes Bauteil 36 verbunden.
Die Sonde 32 ist auf einer Platine angeordnet, die eine Steu- erschaltung (CPU) trägt, wobei die Steuerschaltung (CPU) dazu eingerichtet ist, ein von der Sonde 32 erzeugtes Signal zur Bestimmung eines durch die stromführende Leitung 34 fließen- den Stromes auszuwerten.
Die Sonde 32 ist eine Hallsonde. Das magnetfeldkoppelnde Bau- teil 36 ist ein Blechpaket, ein Ferritkern oder ein Eisenpul- verteil, das eine Durchführung für die stromführende Leitung 34 und eine Koppelstelle für die Sonde 32 aufweist. Ein Ei- senpulverteil erlaubt die Verteilung des Luftspaltes im ge-
samten Teil 36, so daß die Sonde 32 praktisch formschlüssig in eine Öffnung in dem Teil 36 hineinragen kann. Das Koppel- teil 36 ist im Querschnitt C-förmig, wobei die beiden freien Schenkel 36a, 36b soweit voneinander beabstandet sind, daß zwischen ihnen die Sonde 32 hineinragen kann. Das Koppelteil 36 ist an einem Trägerbauteil 38 angebracht, das zu der Pla- tine 30, die die Sonde 32 trägt, im montierten Zustand in räumlich festgelegter Beziehung steht.
Die in dem Bauteil 36 symmetrisch zu der Sonde 32 angeordnete Schwächungsstelle 37 bewirkt eine Meßbereichtsspreizung des zu messenden Stromes, da in dem bei der Schwächungsstelle 37 verbleibenden Eisenmaterial die magnetische Sättigung früher eintritt. Damit steigt der durch die Sonde 32 meßbare magne- tische Fluß zunächst linear mit dem Strom durch die Leitung 34 an. Sobald die Sättigung im Bereich der Schwächungsstelle 37 eintritt, steigt der magnetische Fluß nicht mehr in glei- chem Maß wie der Strom durch die Leitung 34. Damit kann eine höhere Empfindlichkeit der Sonde 32 für niedrige Ströme und eine verringerte Empfindlichkeit der Sonde für höhere Strome realisiert werden.
Zur Kalibrierung der vorstehend beschriebenen Anordnung für eine Strommessung im Betrieb der Anordnung wird erfindungsge- mäß folgendes Verfahren verwendet : a) räumliches Zusammenbringen und Fixieren der die Sonde tra- genden Platine und des das magnetfeldkoppelnde Bauteil tra- genden Trägerbauteils, wobei bei oder in dem magnetfeldkop- pelnden Bauteil die stromführende Leitung verläuft, b) Beschicken der Leitung mit einem Strom vorbestimmter Form, Amplitude und/oder Frequenz, und c) gleichzeitiges Erfassen eines Ausgangssignals der Sonde mittels der Steuerschaltung, d) das erfaßte Ausgangssignal mit der vorbestimmten Amplitude und/oder Frequenz des Stroms in Beziehung setzen und in einem Speicher der Steuerschaltung abspeichern, und
e) Wiederholen der Schritte b), c) und d), wobei der Schritt b) mit einem Strom wechselnder Amplitude und/oder Frequenz ausgeführt wird, bis eine ausreichende Anzahl von Stützstel- len ermittelt ist, um eine Kalibrierkurve mit vorbestimmter Genauigkeit zu ermitteln.