Die Energieversorgungseinheit weist eine Primärspule, die zumindest mittelbar mit einer Energiequelle in Verbindung steht, eine Sekundärspule, die zumindest mittelbar mit der Steuerschaltung in Verbindung steht, und eine zwischen der Primärspule und der Sekundärspule ausgebildete Isolationsstrecke auf, über die die Übertragung der Hilfsenergie mittels eines magnetischen Wechselfeldes erfolgt.

Aus dem Stand der Technik sind in Multilevelschaltung aufgebaute Stromrichter für den Einsatz in Mittel-und Hochspannungsanlagen bekannt (vgl. US 5,737,201 und EP 0 944 163 A1). Eine Multilevelschaltung erlaubt einen modularen Aufbau eines Stromrichters. Jedes der Module umfasst mindestens zwei Halbleiter-Leistungsschalter und mindestens einen zwischen den Leistungsschaltern angeordneten Kondensator. Die Besonderheit der Multilevelschaltung besteht darin, dass die Kondensatoren nicht alle auf demselben Potential liegen, sondern auf verschiedene Potentiale bezogen werden können (sog."floating capacitors"). Eine Zwischenkreisspannung wird derart an mehrere"floating capacitors"weitergegeben, dass sich die Spannungsbeanspruchung eines Halbleiter-Leistungsschalters als Differenz der Spannungen zweier Kondensatoren ergibt.

Bei in Multilevelschaltung aufgebauten Stromrichtern muss eine Energieversorgungseinheit-wie bei Stromrichterschaltungen mit in Reihe geschalteten Halbleiter- Leistungsschaltern-die Hilfsenergie für eine Steuerschaltung zur Ansteuerung der verschiedenen Leistungsschalter auf unterschiedlichen, hohen Potentialen zur Verfügung stellen. Auch bei anderen Hilfseinrichtungen, wie bspw. Messkreisen, muss eine Energieversorgung auf hohem Potential sichergestellt werden.

Für die Energieversorgung von Stromrichtern sind aus dem Stand der Technik verschiedene Energieversorgungseinheiten bekannt. So ist bspw. eine Einzel-Spannungsversorgung bekannt, bei der die Energieübertragung und eine Potentialtrennung für die einzelnen Halbleiter- Leistungsschalter durch herkömmliche, vorgefertigte Impulsübertrager mit Ferritkern erfolgt, wobei die Wicklungen der Übertrager mittels Vergussmasse gegeneinander isoliert sind. Allerdings ist es technisch sehr aufwendig, solche Energieversorgungseinheiten für derart hohe Isolationsspannungen zu fertigen, wie sie bei Steuerschaltungen für Mittel-und Hochspannungsanlagen auftreten. Dem entsprechend teuer sind diese bekannten Energieversorgungseinheiten.

Des weiteren sind Energieversorgungseinheiten mit einer gemeinsamen Spannungsversorgung über eine Mittelfrequenz (MF)-Ringleitung bekannt. Die MF-Ringleitung wird von einem zentral angeordneten MF-Konverter mit mittelfrequentem Wechselstrom im Bereich von einigen 10 kHz gespeist. Die MF- Ringleitung besteht aus einem isolierten Hochvolt (HV)-Kabel, das in dem Stromrichter verläuft, was zu einer relativ hohen Streuinduktivität führt. Die Energieauskopplung zu den auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen befindlichen Halbleiter-Leistungsschalter-Treibern wird mit Hilfe von Ferritkernen vorgenommen, die das HV-Kabel umfassen. Die Potentialtrennung muss dabei entweder die Isolation des HV- Kabels vollständig übernehmen, an die dann entsprechend hohe Anforderungen bzgl. Glimmspannungsfestigkeit zu stellen sind (z. B. Teflon-Kabel), oder der Luftabstand zwischen Kabelmantel und Ferritkern muss ausreichend groß bemessen werden, um Überschläge zum Kernmaterial sicher zu vermeiden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Energieversorgungseinheit der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass sie eine geringe Streuinduktivität und eine große Kopplungsinduktivität erzeugt und einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von der Energieversorgungseinheit der eingangs genannten Art vor, dass die Energieversorgungseinheit -eine erste Trägerplatte ; -eine auf der ersten Trägerplatte als Flachspule ausgebildete Primärspule ; -eine zweite Trägerplatte ; und -eine auf der zweiten Trägerplatte als Flachspule ausgebildete Sekundärspule aufweist, wobei die Isolationsstrecke als ein zwischen der Primärspule und der Sekundärspule ausgebildeter Luftspalt ausgebildet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit wird Luft als Isolationsmedium genutzt. Dadurch ist eine Alterung der Isolation durch Teilentladungen im Isolationsmaterial nicht möglich. Die Energieversorungseinheit weist also eine extrem hohe Teilentladungsfestigkeit auf. Eine Teilentladungsprüfung als Bauteilprüfung im Rahmen der Fertigung der Einergieversorgungseinheit ist nicht erforderlich. Zudem kann die Isolationsstrecke sichtbar gestaltet werden, so dass verdeckte Mängel kaum möglich sind. Schließlich weist die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit einen einfachen Aufbau auf und ist auf besonders einfache Weise für unterschiedliche Isolations-und Leistungsanforderungen skalierbar.

Die Trägerplatten bestehen aus einem beliebigen Isolationsmaterial, vorzugsweise aus Kunststoff. Die Primärspule und die Sekundärspule können auf beliebige Weise auf die Trägerplatten aufgebracht sein. Es ist insbesondere daran gedacht, dass die Flachspulen nach einem an sich aus der Mikroelektronik bekannten lithographischen oder Dünnschicht-Verfahren auf die Trägerplatten aufgebracht werden. Die Länge der Luftstrecke zwischen den Spulen ist so ausgelegt, dass eine vorgebbare Isolationsspannung erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit eignet sich insbesondere für den Einsatz in Stromrichtern (in Wechselrichtern oder in Gleichrichtern) von Mittel-oder Hochspannungsanlagen, bei denen die Hilfsenergie für eine Steuerschaltung zur Ansteuerung von Halbleiter- Leistungsschaltern auf unterschiedlichen, hohen Potentialen zur Verfügung gestellt werden muss. Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit kann jedoch auch in beliebigen anderen elektrischen Anordnungen eingesetzt werden, insbesondere dort wo eine Energieversorgung auf hohem Potential gefordert ist, wie bspw. in Messkreisen.

Bei einer Versorgung einer Steuerschaltung für Halbleiter- Leistungsschalter in einem Stromrichter einer Mittel-oder Hochspannungsanlage mit Hilfsenergie kann es vorteilhaft sein, die Energieversorgungseinheit so zwischen einem Leistungsschalter und einem auf Massepotential liegenden Bauteil (Schrankwand, Chassis, etc.) des Stromrichters anzuordnen, dass sich die Primärseite der Energieversorgungseinheit nah an dem Masseteil und die Sekundärseite nah an dem Leistungsschalter befindet. Es ist denkbar, die Primärseite an dem auf Massepotential liegenden Bauteil und die Sekundärseite an dem Halbleiter- Leistungsschalter zu befestigen.

Selbstverständlich können auf der Sekundärseite der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit-wie das auch bei herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Übertragern der Fall ist-auch mehrere Sekundärspulen angeordnet sein, so dass mit einem geringen Mehraufwand mehrere Spannungen erzeugt werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Hilfsenergie als eine Gleichspannung ausgebildet ist, wobei zwischen der Energiequelle und der Primärspule eine Oszillatorschaltung angeordnet ist, die aus einer Eingangsgleichspannung der Energiequelle eine Wechselspannung zur Speisung der Primärspule erzeugt, und zwischen der Sekundärspule und der Steuerschaltung eine Schaltung zur Gleichrichtung der Ausgangsspannung angeordnet ist. Gemäß dieser Weiterbildung wird also ein Gleichspannungsübertrager vorgeschlagen, der in Form von zwei Trägerplatten realisiert ist. Der Gleichspannungsübertrager überträgt die Energie in Form eines magnetischen Wechselfeldes über den Luftspalt von der auf der primärseitigen Trägerplatte integrierten Primärspule auf die in der sekundärseitigen Trägerplatte integrierte Sekundärspule. Die Eingangsgleichspannung kann durch herkömmliche Entstörmaßnahmen, bspw. geringes Arbeitsvolumen der Spulen, relativ leicht gegen hochfrequente (HF)-Störungen entstört werden.

Vorteilhafterweise stabilisiert und/oder glättet die Schaltung zur Gleichrichtung die Ausgangsspannung.

Idealerweise weist die Wechselspannung einen zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf auf. Die Oszillatorschaltung weist vorzugsweise einen Kondensator zur Kompensation von Blindleistung auf. Dadurch kann gegebenenfalls erforderliche Blindleistung durch den Kondensator unmittelbar in der Oszillatorschaltung kompensiert werden, so dass ein Gleichstrom mit einem geringen Oberwellenanteil aus der Gleichspannungsversorgung entnommen werden kann.

Vorteilhafterweise sind die Trägerplatten derart relativ zueinander angeordnet, dass der Mittelpunkt der Primärspule gegenüber dem Mittelpunkt der Sekundärspule angeordnet ist.

Es ist bspw. denkbar, dass die beiden Trägerplatten aus einer speigelbildlich genau gegenüberliegenden Stellung um 180° um eine imaginäre Verbindungslinie durch die beiden Mittelpunkte relativ zueinander verschwenkt angeordnet sind.

Die Oszillatorschaltung auf der ersten Trägerplatte und die Schaltung zur Gleichrichtung auf der zweiten Trägerplatte sind dann in einem besonders großen Abstand zueinander angeordnet. Diese Maßnahme kann entscheidend zur Entstörung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit beitragen.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Primärspule und die Sekundärspule spiralförmig auf den Trägerplatten ausgebildet sind. Derart ausgebildete Spulen weisen eine besonders geringe Bauhöhe auf und können besonders kostengünstig gefertigt werden. Außerdem können -insbesondere auf der Sekundärseite-problemlos auch mehrere ineinandergreifende Spulen auf der Trägerplatte ausgebildet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass in dem Luftspalt zwischen den Trägerplatten mindestens eine Isolierplatte angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform dient nach wie vor Luft als Isolationsmedium. Die mindestens eine Isolierplatte nimmt nur einen geringen Raum zwischen den Trägerplatten in Anspruch und somit auch nur einen geringen Teil der Spannung zwischen den Trägerplatten auf. An die Isolierplatte werden also nur geringe Anforderungen hinsichtlich der Teilentladungsfestigkeit gestellt. Ohne die Isolierplatte entspricht die Länge der Luftstrecke zwischen den beiden Spulen der Breite des Luftspalts. Durch die zwischen den Trägerplatten angeordnete Isolierplatte kann die Luftstrecke zwischen den Spulen bei gleichbleibendem Abstand zwischen den Trägerplatten deutlich verlängert werden. Die mindestens eine Isolierplatte besteht aus einem beliebigen Isolationsmaterial, bspw. aus Kunststoff.

Vorteilhafterweise ist in dem Luftspalt zwischen den Trägerplatten eine Isolierplatte angeordnet, die eine größere Fläche als die Trägerplatten aufweist, wobei die Ränder der Isolierplatte die Ränder der Trägerplatten seitlich überragen. Auf diese Weise kann die Luftstrecke zwischen den Spulen noch einmal verlängert werden. Durch die Wahl der Abmessungen der Isolierplatte kann die Länge der Luftstrecke nahezu beliebig variiert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Trägerplatten zumindest im Bereich der Primärspule bzw. der Sekundärspule äquidistant zueinander angeordnet sind.

Vorteilhafterweise sind zwischen den Trägerplatten bzw. zwischen den Trägerplatten und der mindestens einen Isolierplatte Abstandshalter angeordnet. Durch die Abstandshalter kann der Abstand zwischen den Trägerplatten und damit zwischen den Spulen auf einem konstanten Wert gehalten werden. Die Trägerplatten bzw. die mindestens eine Isolierplatte sind vorzugsweise an den Abstandshaltern befestigt. Dadurch kann die Stabiltät der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit deutlich erhöht werden.

Vorzugsweise sind zwischen den Trägerplatten bzw. zwischen den Trägerplatten und der mindestens einen Isolierplatte jeweils drei Abstandshalter vorgesehen. Durch die drei Abstandshalter kann die Lage der Trägerplatten relativ zueinander bzw. die Lage der Isolierplatte relativ zu den Trägerplatten sicher, genau und eindeutig festgelegt werden.

Um zu vermeiden, dass sich über die Abstandshalter Kriechstrecken ausbilden, wird vorgeschlagen, dass die zwischen der ersten Trägerplatte und der mindestens einen Isolierplatte angeordneten Abstandshalter und die zwischen der zweiten Trägerplatte und der mindestens einen Isolierplatte angeordneten Abstandshalter versetzt zueinander an der mindestens einen Isolierplatte befestigt sind. Bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit kann also die Luftstrecke und können die Kriechstrecken genau dimensioniert und an die gegebenen Anforderungen angepasst werden.

Schließlich wird vorgeschlagen, dass eine auf der ersten Trägerplatte als Flachspule ausgebildete weitere Spule im Bereich des magnetischen Wechselfeldes angeordnet ist, die an eine Kontrolleinheit angeschlossen ist. Die weitere Spule kann im Bereich der Primärspule, bspw. in die Primärspule eingreifend, angeordnet sein. Die Kontrolleinheit ist bspw. als eine Auswerteeinheit, die eine während eines ordnungsgemäßen Betriebs der Energieversorgungseinheit in der weiteren Spule induzierte Spannung auswertet, oder als eine Kontrollleuchte, insbesondere als eine Lumineszenzdiode (LED), ausgebildet, die während des Betriebs der Energieversorgungseinheit das ordnungsgemäße Anliegen eines Wechselfeldes anzeigt.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw.

Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen : Fig. 1 eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht ; und Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit aus Fig. 1.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Energieversorgungseinheit 1 dient zur Übertragung von Hilfsenergie für eine Steuerschaltung 2 (sog. Gate Drive, GD ; vgl. Fig. 2) in einem Stromrichter einer Mittel-oder Hochspannungsanlage. Die Steuerschaltung 2 dient zur Ansteuerung von Halbleiter- Leistungsschaltern 3 des Stromrichters. Der Stromrichter ist vorzugsweise in Multilevelschaltung ausgebildet. Die Steuerschaltung 2 stellt den Leistungsschaltern 3 unterschiedliche, hohe Potentiale zur Verfügung. Die Leistungsschalter 3 sind bspw. als IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) ausgebildet.

Die Energieversorgungseinheit 1 weist eine erste Trägerplatte 4 mit einer darauf als Flachspule ausgebildeten Primärspule 5 auf. Die Primärspule 5 steht über eine Oszillatorschaltung 6 mit einer als Gleichspannungsquelle U d ausgebildeten Energiequelle 7 in Verbindung. Die Oszillatorschaltung 6 erzeugt aus einer Eingangsgleichspannung U_d der Energiequelle 7 eine Wechselspannung zur Speisung der Primärspule 5. Die Wechselspannung weist einen zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf auf. Außerdem weist die Energieversorgungseinheit 1 eine zweite Trägerplatte 8 mit einer darauf als Flachspule ausgebildeten Sekundärspule 9 auf. Die Sekundärspule 9 steht über eine Schaltung 10 zur Gleichrichtung der Ausgangsspannung Uv mit der Steuerschaltung 2 in Verbindung. Die Schaltung 10 zur Gleichrichtung der Ausgangsspannung Uv führt außerdem eine Stabilisierung und/oder Glättung der Ausgangsspannung Uv durch. Selbstverständlich können auf der Sekundärseite 8,9, 10 der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 1-wie das auch bei herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Übertragern der Fall ist-auch mehrere Sekundärspulen 9 angeordnet sein, so dass mit einem geringen Mehraufwand mehrere Ausgangsspannungen Uv erzeugt werden können.

Zwischen der Primärspule 5 und der Sekundärspule 9 ist ein Luftspalt 11 ausgebildet. Der Luftspalt 11 entspricht dem Abstand der beiden Spulen 5,9 zueinander. In dem Luftspalt 11 ist eine Isolierplatte 12 angeordnet, durch die eine Luftstrecke 13 zwischen den Spulen 5,9 bei gleichbleibender Breite des Luftspalts 11 deutlich verlängert werden kann. Die Isolierplatte 12 weist eine größere Fläche als die Trägerplatten 4,8 auf, wobei die Ränder der Isolierplatte 12 die Ränder der Trägerplatten 4,8 seitlich überragen. Auf diese Weise kann die Luftstrecke 13 zwischen den Spulen 5,9 noch einmal verlängert werden. Die Luftstrecke 13 ist so ausgelegt, dass eine vorgebbare Isolationsspannung erreicht wird. Die Isolierplatte 12 besteht aus einem beliebigen Isolationsmaterial, vorzugsweise aus Kunststoff. Die Hilfsenergie für die Steuerschaltung 2 wird mittels eines magnetischen Wechselfeldes über den Luftspalt 11 übertragen.

Die Trägerplatten 4,8 bestehen aus einem beliebigen Isolationsmaterial, vorzugsweise aus Kunststoff. Die Spulen 5,9 sind spiralförmig ausgebildet. Die Primärspule 5 und die Sekundärspule 9 sind auf beliebige Weise, vorzugsweise nach einem an sich aus der Mikroelektronik bekannten lithographischen oder Dünnschicht-Verfahren zur Fertigung von Leiterplatten, auf die Trägerplatten 4, 8 aufgebracht.

Die Trägerplatten 4,8 sind äquidistant zueinander angeordnet. Ein Mittelpunkt 16 der Primärspule 5 ist gegenüber einem Mittelpunkt 17 der Sekundärspule 9 angeordnet. Es ist bspw. denkbar, dass die beiden Trägerplatten 4,8 aus der in Fig. 1 dargestellten spiegelbildlich genau gegenüberliegenden Stellung um 180° um eine imaginäre Verbindungslinie 18 durch die beiden Mittelpunkte 16, 17 relativ zueinander verschwenkt werden.

Der Abstand zwischen der Oszillatorschaltung 6 und der Schaltung 10 zur Gleichrichtung wäre dann besonders groß, was zu einer Entstörung der Energieversorgungseinheit 1 führen würde.

Es ist denkbar, dass die Primärseite 4,5,6 der Energieversorgungseinheit 1 an einem auf Massepotential liegenden Bauteil (Schrankwand, Chassis, etc.) des Stromrichters und die Sekundärseite 8,9,10 an dem Halbleiter-Leistungsschalter 2 befestigt ist. Da sowohl das auf Massepotential liegende Bauteil als auch der Leistungsschalter 2 üblicherweise eine genau definierte Position in dem Stromrichter haben, ist damit auch die Primärseite 4,5,6 und die Sekundärseite 8,9,10 genau positioniert und der Luftspalt 11 hat eine genau definierte Breite.

Alternativ oder zusätzlich kann der Luftspalt 11 durch Abstandshalter 14,15 sicher und zuverlässig in der genau definierten Breite festgelegt werden. Drei Abstandshalter 14 sind zwischen der ersten Trägerplatte 4 und der Isolierplatte 12 angeordnet und an den Platten 4,12 befestigt. Drei weitere Abstandshalter 15 sind zwischen der zweiten Trägerplatte 8 und der Isolierplatte 12 angeordnet und an den Platten 8,12 befestigt. Um zu vermeiden, dass sich über die Abstandshalter 14,15 Kriechstrecken ausbilden, sind die Abstandshalter 14 versetzt zu den Abstandshaltern 15 an der Isolierplatte 12 befestigt.

Schließlich ist auf der ersten Trägerplatte 4 eine als Flachspule ausgebildete weitere Spule 19 im Bereich des magnetischen Wechselfeldes angeordnet. Die weitere Spule 19 verläuft außen um die Primärspule 5 herum. Die weitere Spule 19 ist unmittelbar an eine als Lumineszenzdiode (LED) 20 ausgebildete Kontrolleinheit angeschlossen. Die LED 20 zeigt während des Betriebs der Energieversorgungseinheit 1 das Anliegen eines ordnungsgemäßen Wechselfeldes an.