Vorrichtung zum Abschirmen eines Leistungshalbleiters in ei nem mit einem Isolierfluid befüllten Kessel

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschirmen eines Leistungshalbleiters in einem mit einem Isolierfluid

befüllten Kessel.

Dem Fachmann ist aus der ständigen Praxis bekannt, Abschirm elektroden einzusetzen, um Spannungsspitzen an Ecken und Kan ten von Komponenten zu vermeiden, die auf einem Hochspan nungspotenzial liegen. Vorbekannte Abschirmelektroden sind aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt, so dass diese für das elektrische Feld eine Equipotenziallinie bil den. Der Einsatz von Abschirmelektroden in einem mit Isolier fluid befüllten Kessel ist jedoch aufwändig.

Neben dem Einsatz von Abschirmelektroden können hohe elektri sche Feldstärken durch eine zweckmäßige Ausgestaltung der Bauelemente vermieden werden. So kann das Bauelement bei spielsweise ohne scharfe Kanten oder Ecken gefertigt werden. Leistungshalbleiter, wie beispielsweise Dioden, Thyristoren, GTOs, IGBTs oder IGCTs sind zwar am Markt erhältlich, weisen jedoch insbesondere im Hinblick auf ihre Elektronik Ecken und Kanten auf. Daher müssen die Abstände zwischen einem Leis tungshalbleiter auf einem Hochspannungspotenzial und einem benachbarten elektrischen Bauelement oder umgebenden Kessel elementen ausreichend groß sein, um hohe elektrische Feld stärken sicher anschließen zu können.

Den vorbekannten Lösungen haftet der Nachteil an, dass das Einhalten der geforderten Abstände zu einem raumgreifenden Kessel führt. Dies erhöht die Kosten und das Gewicht des Kes sels.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der ein gangs genannten Art zu schaffen, die einen kompakten Kessel- bau ermöglicht und gleichzeitig Spannungsspitzen an Bauele menten im Kessel aufgrund hoher Feldstärken sicher vermeidet.

Diese Aufgabe wird im Rahmen der Erfindung durch eine Vor richtung ermöglicht, die ein Elektrodengehäuse, das elekt risch leitfähige Elektrodenwandungen aufweist, die einen zur Aufnahme des Leistungshalbleiters eingerichteten Elektroden- innenraum von allen Seiten begrenzend kapseln, und eine

Barrierenanordnung umfasst, die über wenigstens eine Barriere aus einem nichtleitenden Material verfügt, wobei die

Barrierenanordnung das Elektrodengehäuse von allen Seiten um schließt .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Abschirmung von Leistungshalbleitern, wie beispielsweise Leistungshalbleiter schaltern oder Leistungshalbleiterdioden, die während des Be triebs auf einem Hochspannungspotenzial liegen. Die Leis tungshalbleiter sind im Rahmen der Erfindung in einem Kessel angeordnet, in dem auch andere Bauteile angeordnet sind, die ebenfalls auf einem Hochspannungspotenzial liegen. Der Kessel ist hingegen im Rahmen der Erfindung geerdet. Um hohe Span nungsspitzen an den Leistungshalbleitern beim Betrieb zu ver meiden, ist ein Elektrodengehäuse vorgesehen, das über Elekt rodenwandungen verfügt. Die Elektrodenwandungen weisen ein elektrisch leitfähiges Material auf und begrenzen von allen Seiten einen Elektrodeninnenraum, so dass dieser vollständig gekapselt ist. Mit allen Seiten ist hier gemeint, dass der Elektrodeninnenraum vorne, hinten, rechts, links, oben und unten von den Elektrodenwandungen begrenzt ist. Ein in dem Elektrodengehäuse angeordneter Leistungshalbleiter befindet sich daher, zumindest bei einer angelegten Wechselspannung, in einem so genannten Faradayschen Käfig, also in einem feld freien Raum. Auf diese Weise werden Spannungsspitzen an Ecken oder Kanten des Leistungshalbleiterschalters einschließlich seiner Elektronik vermieden.

Der Kessel ist bevorzugt der Kessel eines Transformators, der mit einem Isolierfluid befüllt ist und in dem ein Aktivteil angeordnet ist. Das Aktivteil weist einen Kern mit konzent risch zueinander angeordneten Wicklungen auf, die einen Ab schnitt des Kerns umschließen. Die Wicklungen sind über An schlussleitungen jeweils mit einem Innenleiter einer Hoch spannungsdurchführung verbunden, die an ihrem vom Kessel ab gewandten Ende einen Freiluftanschluss zum Anschluss einer Hochspannungsleitung aufweist.

Um den Kessel noch kompakter ausgestalten zu können, ist das Elektrodengehäuse im Rahmen der Erfindung von einer

Barrierenanordnung umgeben, die wenigstens eine Barriere aus einem elektrisch nichtleitenden Material aufweist. Die

Barrierenanordnung umgibt das Elektrodengehäuse vollständig und ermöglicht eine noch kompaktere Bauweise des Kessels und des gesamten elektrischen Geräts, welches den Kessel umfasst. Dabei ermöglicht die Barrierenanordnung den Durchtritt von Isolierfluid zum Elektrodengehäuse. Das Elektrodengehäuse ist ebenfalls undicht ausgestaltet. Mit anderen Worten kann das Isolierfluid des Kessels durch die Barrierenanordnung und die Elektrodenwandung in den Elektrodeninnenraum dringen, um dort die notwendige Spannungsfestigkeit und Kühlung der Leistungs halbleiter bereitzustellen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind be nachbart angeordnete Elektrodenwandungen zur Vermeidung von Kreisströmen mit Abstand zueinander angeordnet und begrenzen Trennstellen zwischen sich. Treten in dem Kessel beim Betrieb hohe magnetische Felder auf, die von elektrischen Wechsel oder Gleichströmen erzeugt werden, können bei geschlossenen umlaufenden Gehäusen unerwünschte Kreisströme gebildet wer den, die für hohe Verluste sorgen können. Aus diesem Grunde verfügt das Elektrodengehäuse über wenigstens eine Trennstel le, die zwischen einander gegenüber und somit benachbart lie genden Elektrodenwandungen ausgebildet ist beziehungsweise sind. Zur Ausbildung einer Trennstelle sind benachbarte

Elektrodenwandungen mit einem Abstand zueinander angeordnet. Dieser Abstand ist klein genug, um einen feldfreien Elektro deninnenraum zu gewährleisten. Er ist jedoch so groß, dass ein Stromfluss zwischen den Elektrodenwandungen sicher unter brochen ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Elektrodenwan dungen abschnittsweise flach oder mit anderen Worten platten förmig ausgestaltet, wobei deren Kanten abgerundet sind.

Durch die abgerundeten Kanten sind scharfe Ecken oder Kanten im Rahmen der Erfindung vermieden, die beim Betrieb für hohe Feldstärken und somit Spannungsspitzen sorgen können. Die plattenförmige Ausgestaltung der Elektrodenwandung erleich tert das Ausbilden des gekapselten Elektrodengehäuses und ist darüber hinaus kostengünstig.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Elektrodenwan dungen an ihrer vom Elektrodeninnenraum abgewandten Seite mit einem Isolierstoff beschichtet. Die Beschichtung unterstützt das Unterdrücken der hohen Feldstärken, so dass der Kessel und das zugehörige elektrische Gerät noch kompakter ausge staltet werden können. Die Elektrodenwandungen umfassen gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung einen metallischen Grundkörper und eine Beschichtung aus Isolierstoff. Der Iso lierstoff kann beispielsweise ein Isolierpapier auf natürli cher oder synthetischer Basis sein. Die Isolierschicht kann auch durch Nassumformung aufgebracht oder mit anderen Worten gegautscht werden. Selbstverständlich ist es Rahmen der Er findung auch möglich, die Elektrodenwandungen auch auf ihrer Innenseite mit einer Isolierschicht auszurüsten.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verfügt das Elektrodengehäuse über mehrere Gehäusemodule, wobei jedes Gehäusemodul zur Aufnahme eines Leistungshalbleiters einge richtet ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist berücksichtigt, dass in dem Kessel, beispiels weise zur Regelung der Ausgangsspannung eines Transformators oder zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung mehrere Leistungshalbleiter, also Leistungshalbleiterschalter oder Leistungshalbleiterdioden oder beides, einschließlich der notwendigen Elektronik erforderlich sind. Dazu bildet das Elektrodengehäuse eine den jeweiligen Anforderungen entspre chende Anzahl von Gehäusemodulen aus. Jedes Gehäusemodul ist zur Aufnahme eines Leistungshalbleiters eingerichtet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Elektrodenwandungen Elektrodenseitwandungen, die ein jeweils zugeordnetes Gehäusemodul umfänglich umschließen und die in einer Draufsicht U-förmig oder L-förmig oder I-förmig ausge bildete Elektrodenseitenwandungsteile umfassen, die zwischen sich eine Trennstelle begrenzen.

Vorteilhafterweise verfügt jedes Gehäusemodul über wenigstens eine Anlenkstelle zur elektrischen Verbindung mit dem aufge nommenen Leistungshalbleiter.

Zweckmäßigerweise sind die Elektrodenmodule übereinander an geordnet. Das Aufstapeln der Elektrodenmodule zu einem Elekt rodengehäuse mit übereinander angeordneten Modulen hat sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, um zu einer kompak ten Bauweise für das elektrische Gerät einschließlich des be sagten Kessels zu gelangen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kapselt jedes

Gehäusemodul den aufgenommenen Leistungshalbleiter vollum fänglich. Mit anderen Worten bilden die Elektrodenwandungen seitlich gekapselte Gehäusemodule aus, die jeweils zur Auf nahme eines Leistungshalbleiters eingerichtet sind. Das

Elektrodengehäuse ist gemäß dieser vorteilhaften Weiterent wicklung aus den miteinander verbundenen Untergehäusen zusam mengesetzt, wobei jedes Untergehäuse oder Gehäusemodul einen Modulinnenraum ausbildet, der wenigstens umfänglich, also vorne, hinten, rechts und links, von Elektrodenwandungen be grenzt ist. Sind die Gehäusemodule übereinander angeordnet, verfügt das oberste Gehäusemodul zusätzlich über einen Elekt rodendeckel und das unterste Gehäusemodul über einen Elektro denboden, so dass eine vollständige Kapselung durch das

Elektrodengehäuse ermöglicht ist. Die Gehäusemodule bilden vorteilhafterweise einen gemeinsamen Elektrodeninnenraum aus, in dem zwei oder mehrere Leistungs halbleiter angeordnet sind. Nach außen sind die Leistungs halbleiter aufgrund der gekapselten Bauweise des Elektroden gehäuses als Ganzes vollständig gekapselt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Gehäusemodule elektrisch isoliert voneinander gehalten. Die Elektrodenwan dungen, durch welche die Gehäusemodule definiert sind, also die Elektrodenseitenwandungen sind dazu vorteilhafterweise mit Abstand zueinander angeordnet. Dies ist beispielsweise durch eine isolierte Halterung ermöglicht. Es ist jedoch auch möglich, elektrisch nichtleitende Abstandshalter aus Isolier stoff einzusetzen. Die Gehäusemodule sind zweckmäßigerweise mit Abstand zueinander angeordnet, so dass zwischen ihnen ei ne Trennstelle ausgebildet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Barrierenanordnung mehrere Barrieren, die mit Abstand zu einander angeordnet und eine Labyrinthstruktur ausbilden. Die Barrierenanordnung ist für einen Einsatz in einem mit Iso lierfluid gefüllten Kessel vorgesehen. Das Isolierfluid ist beispielsweise ein mineralisches Öl oder eine Esterflüssig keit, die beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwi schen den Barrieren der Barrierenanordnung angeordnet ist. Dabei unterstützt das Isolierfluid die Isolierung der Leis tungshalbleiter im Inneren der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Labyrinthstruktur ermöglicht den Ein- und Austritt des Isolierfluids durch die Barrieren der Barrierenanordnung.

Die Barrierenanordnung besteht im Rahmen der Erfindung aus einem beliebigen Isolierstoff. Vorteilhafterweise besteht die Barrierenanordnung und jede Barriere der Barrierenanordnung jedoch aus Pressspan. Pressspan oder ein vergleichbarer

Zellulosestoff hat sich zur Isolierung von Bauteilen mit Iso lierfluid befüllten Kesseln als vorteilhaft herausgestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jede Barriere aus einen oder mehreren Winkelringen und einer oder mehreren plattenförmigen Barrierenwandungen zusammengesetzt.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei

Figur 1 Leistungshalbleiter in einer perspektivischen

Ansicht,

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht,

Figur 3 ein Gehäusemodul der Vorrichtung gemäß Figur 2 in einer Draufsicht,

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

Gehäusemoduls in einer Draufsicht,

Figur 5 zwei benachbarte Elektrodenwandungen in einer geschnitten Ansicht,

Figur 6 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Vorrichtung in einer geschnitten Stirnansicht und

Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

Gehäusemoduls einer Draufsicht verdeutlichen.

Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel zweier Leistungshalbleiter 1, die für einen Betrieb in einem mit ei nem Isolierfluid befüllten Kessel eines elektrischen Geräts eingerichtet sind. Die gezeigten Leistungshalbleiter 1 umfas sen an jeder Seite ein Trägermodul 2, das zur Montage einer figürlich nicht dargestellten Elektronik dient, die ebenfalls Teil des Leistungshalbleiters 1 ist. Der Leistungshalbleiter 1 ist beispielsweise eine Diode, ein Thyristor oder ein selbstgeführter Leistungshalbleiterschalter, wie beispiels weise ein GTO, ein IGBT, ein IGCT oder dergleichen.

Der mit Isolierfluid befüllte Kessel ist beispielsweise Teil eines Transformators oder einer Drossel, der oder die zum An schluss an ein Hochspannungsnetz eingerichtet ist. Aufgrund der zum Teil sehr hohen Betriebs- und Prüfspannungen entste hen innerhalb des besagten Kessels hohe elektrische Feldstär ken, vor allem an den Ecken und Kanten des Leistungshalblei ters 1. Um Spannungsüberschläge innerhalb des Kessels und ei nen sicheren Betrieb des Leistungshalbleiters 1 zu ermögli chen und darüber hinaus den Kessel weiterhin kompakt ausge stalten zu können, wird im Rahmen der Erfindung jeder Leis tungshalbleiter 1 abgeschirmt.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3, die zur Abschirmung der Leistungshalbleiter 1 gemäß Figur 1 dient. Die Vorrichtung 3 umfasst ein Elektro dengehäuse 4, das über elektrisch leitfähige Elektrodenwan dungen 5 verfügt, die aus einem elektrisch leitfähigen Mate rial bestehen. Dabei begrenzen die Elektrodenwandungen 5 ei nen Elektrodeninnenraum 6, der in zwei Gehäusemodule 7 und 8 unterteilt ist. Jedes Gehäusemodul 7, 8 verfügt über Elektro denseitenwandungen 9, die jedes Gehäusemodul 7 beziehungswei se 8 umfänglich umgeben. Das Gehäusemodul 7 ist nach oben durch eine Elektrodendeckelwandung 10 und das Gehäusemodul 8 durch eine Elektrodenbodenwandung 11 nach unten begrenzt. Zwischenböden zwischen den Gehäusemodulen 7, 8, sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen.

Es ist in dem in Figur 2 gezeigten Schnitt erkennbar, dass jede Elektrodenwandung 5 einen flächigen Wandabschnitt sowie beidseitig abgerundete Ecken ausbilden, um hohe Feldstärken an diesen zu vermeiden. Dabei sind die Elektrodenwandungen 5 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise ei nem Metall, wie Aluminium, gefertigt, wobei sie an ihrer vom Elektrodeninnenraum 6 abgewandten Seite mit einer Isolier schicht, hier einem Nassumformstoff, also aufgegautschtes Pa pier, beschichtet sind. Darüber hinaus sind die Elektroden wandungen 5 des Gehäusemoduls 6 und die Elektrodenwandungen 5 des Gehäusemoduls 8 mit Abstand zueinander gehalten, so dass zwischen den besagten Elektrodenwandungen 5 eine Trennstelle 12 erkennbar ist. Der Abstand zwischen den Elektrodenwandun gen 5 liegt im Bereich zwischen 0,5 und 10 cm, so dass eine ausreichende elektrische Isolierung, gleichzeitig aber auch eine gewünschte vollständige Kapselung der Leistungshalblei ter 1 geschaffen ist.

Die Vorrichtung 3 weist darüber hinaus eine Barrierenanord nung 13 auf, die mehrere mit Abstand zueinander angeordnete Barrieren 14 aufweist. Jede Barriere besteht aus ringförmigen Winkelringen 15 sowie aus flächigen Barrierewandungen 16, de ren Enden mit den Enden der Winkelringe 15 überlappen. Im Überlappungsbereich sind diese jedoch mit Abstand zu den Win kelringen 15 gehalten, so dass ein labyrinthartiges System geschaffen ist, durch welche Isolierfluid in den Zwischenraum gelangen kann, der von einander zugewandten Barrieren 14 be grenzt wird. Darüber hinaus gelangt das Isolierfluid über die Trennstellen 12 in den Elektrodeninnenraum 6 zur Kühlung und Isolierung der dort angeordneten Leistungshalbleiter 1. Dabei umschließt die Barrierenanordnung 13 das Elektrodengehäuse 4 vollständig .

Zum Halten der Barrierewandungen 16 und der Winkelringe 15 der jeweiligen Barriere 14 sowie der gesamten Barrierenanord nung 13 dienen figürlich nicht dargestellte Abstandshalter, Abstandsklötze oder Abstandsleisten, die, wie die gesamte Barrierenanordnung 13, aus einem elektrisch nichtleitenden Material und insbesondere aus Pressspan gefertigt sind.

Figur 3 zeigt die Elektrodenseitenwandungen 9 des Gehäusemo duls 7, ohne die Elektrodendeckelwandung und Elektrodenboden wandung in einer Draufsicht. Es ist erkennbar, dass die

Elektrodenseitenwandung 9 aus zwei in der Draufsicht U- förmigen Elektrodenseitenwandteilen 17 besteht, zwischen de nen ebenfalls Trennstellen 12 ausgebildet sind. Die Elektro denseitenwandteile 17 sind dabei in der Draufsicht U-förmig ausgebildet, wobei jedes Elektrodenseitenwandteil 17 mit ei ner Potenzialanlenkstelle 18 ausgerüstet ist, um die metal lisch leitenden Abschnitte des jeweiligen Elektrodenseiten wandteils 17 mit dem in dem jeweiligen Gehäusemodul 7, 8 an geordneten Leistungshalbleiter 1 elektrisch zu verbinden, so dass der Leistungshalbleiter 1 und alle Elektrodenseitenwand teile 17 auf dem gleichen Potenzial liegen.

Figur 4 zeigt ein von Figur 3 abweichendes Ausführungsbei spiel der Elektrodenseitenwandteile 17, die in einer Drauf sicht jeweils L-förmig ausgebildet sind, so dass vier Elekt rodenseitenwandteile 17 notwendig sind, um das Gehäusemodul 7 vollumfänglich zu umschließen. Somit ergeben sich vier Trenn stellen 12. Jedes Elektrodenseitenwandteil 17 verfügt wieder über eine Potenzialanlenkstelle 18.

Figur 5 verdeutlich schematisch den Aufbau einer beispielhaf ten Elektrodenwandung 5 genauer, insbesondere verdeutlicht Figur 5, dass die Elektrodenwandungen 5 mit Abstand zueinan der angeordnet sind und eine Trennstelle 12 begrenzen. Ferner ist erkennbar, dass jede Elektrodenwandung 5 aus einem metal lischen Material gefertigt ist, das außen, also an der von dem Elektrodeninnenraum abgewandten Seite der Elektrodenwan dung 5 mit einem Isolierstoff 19 beschichtet ist. Darüber hinaus sind die Kanten und Ecken 20 der jeweiligen Elektro denwandung 5 abgerundet ausgeführt, um hohe Spannungsspitzen oder Feldstärken zu vermeiden.

Figur 6 zeigt die Vorrichtung 3 gemäß Figur 2 in einer Stirn ansicht. Insbesondere ist hier genauer erkennbar, dass das Gehäusemodul 7 und das Gehäusemodul 8 elektrisch isoliert voneinander gehalten sind, so dass zwischen ihnen eine Trenn stelle 12 ausgebildet ist. Dies ermöglicht die Aufnahme von Leistungshalbleitern 1, die unterschiedliche Potenziale auf weisen. Im gezeigten Beispiel weist der obere Leistungshalb- leiter 1 ein Potenzial Ul auf, wohingegen der untere Leis tungshalbleiter ein Potenzial von U2 aufweist. Dies gilt ent sprechend für die Elektrodenwandungen 5, die das jeweilige Gehäusemodul 7, 8 umschließen.

Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektro denseitenwandung 9 in einer Darstellung gemäß Figur 3 oder 4. Es ist erkennbar, dass jedes Elektrodenseitenwandteil 17 in der gezeigten Draufsicht I-förmig ausgebildet ist, sich also nur in einer Längsrichtung erstreckt. Wieder wird von den ei nander zugewandten Elektrodenseitenwandungsteilen 18 eine Trennstelle 12 begrenzt.