Gehäuse für einen Umrichter, Endstufe eines Umrichters mit einem derartigen Gehäuse, Umrichter sowie Luftfahrzeug mit einem Umrichter

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Umrichter, eine Endstufe eines modular aufgebauten Umrichters mit einem der artigen Gehäuse, einen Umrichter mit einer Endstufe sowie ein Luftfahrzeug mit einem Umrichter und einem Elektromotor.

Hintergrund der Erfindung

Beim Betrieb von Umrichtern ist es erforderlich, einen "ex plodierenden" Umrichter zu beherrschen. „Explodierend" bedeu tet, dass die Leistungshalbleiter ihre Steuerbarkeit verlie ren, die Verlustleitung bis hin zum Maximum ansteigt und es zu einem Brückenkurzschluss kommt. In diesem Fall tritt die gesamte verfügbare Hochspannung (z.B.: 750 V) bei gleichzei tig maximalem Stromfluss (z.B. 2000 A) auf der Chipfläche ei ner Phase (z.B. 5 cm ² ) auf, was zu mehreren Megawatt Leistung auf kleinster Fläche führt.

Dabei erhitzt sich der Leistungshalbleiter binnen weniger Mikrosekunden, schmilzt und verdampft. Dabei entsteht schlag artig ein expandierendes Plasma, das umliegende Teile schä digt. Ein explodierender Halbleiter kann Undefinierte Kolla- teralschäden im gesamten Umrichter hervorrufen. Der Umrichter und damit beispielsweise ein elektrischer Antrieb eines Luft fahrzeugs erleiden einen vollständigen Funktionsverlust.

Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechsel- Spannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleich- spannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Aus gangswechselspannung erzeugt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für explodierende Leistungshalbleiter eines Umrichters anzugeben.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Gehäu se für einen Umrichter, der Endstufe eines Umrichters mit ei nem derartigen Gehäuse, einem Umrichter sowie einem Luftfahr zeug mit einem Umrichter der unabhängigen Patentansprüche ge löst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen An sprüchen angegeben.

Grundlage der Erfindung ist eine Kapselung der Endstufe des Umrichters in ein separates Gehäuse, wie in der nachveröf fentlichten Patentanmeldung DE 10 2018 2012 02 Al beschrie ben. Das Gehäuse der Endstufe wird vollständig mit einem iso lierenden Öl oder einem anderen isolierenden Medium gefüllt. Das Gehäuse weist auf der Unterseite einen Kühlkörper, typi scherweise aus Aluminium, auf, auf dem die elektrischen und elektronischen Bauteile mit einer isolierenden Trennschicht angeordnet sind.

Der restliche Teil des Gehäuses der Endstufe wird aus einem dehnbaren Material in Form einer Haube als Hülle hergestellt, die dem expandierenden Plasma eines explodierenden Halblei ters mittels einer Dehnungsbewegung und einer Formänderung in Richtung einer Kugel die freigesetzte Energie entzieht bzw. diese absorbiert. Das vorzugsweise nicht leitfähige Material wird durch ein Metallgitter in Form gehalten, das gleichzei tig auch die Aufgabe eines erdenden Faradayschen Käfigs über nimmt. Die Gittergröße ist entsprechend der abzuschirmenden Störaussendefrequenz zu wählen. Die Volumenexpansion im Explosionsfall wird dadurch erreicht, dass die Gehäusegrundform quaderförmig oder zumindest quader ähnlich ist. Im Explosionsfall expandiert der Innenraum, wo bei die flexible elastische Haube, gestützt von dem Metall gitter, der Geometrie einer Kugel (= minimales Flächen- Volumen-Verhältnis ) entgegen strebt. Dazu werden Füllräume in der Endstufe zwischen den Einzelkomponenten eines modularen Umrichters freigehalten und genutzt.

Ein vorteilhaftes Material für das Gitter (= Käfig) ist bei spielsweise Titan oder hochduktiles Aluminium, das ver gleichsweise dehnbar und belastbar ist. Damit wird ein schwe res, aber explosionssicheres Vollalugussgehäuse vermieden.

Die Erfindung beansprucht ein Gehäuse für eine Endstufe mit Leistungshalbleitern eines modularen Umrichters, aufweisend eine Bodenplatte als Grundkörper. Auf der Bodenplatte ist ei ne dehnbare Haube angeordnet, wobei in oder auf der Haube ein einen Faradayschen Käfig bildendes, metallenes Gitter ausge bildet ist, wobei die Haube derart dehnbar ausgebildet ist, bei einer Explosion eines Leistungshalbleiters das von der Haube eingeschlossene Volumen infolge der Explosionsenergie zu vergrößern, ohne die Haube zu zerstören.

In einer Weiterbildung kann die Bodenplatte als Kühlkörper ausgebildet sein.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Haube in einem ungedehnten Zustand quaderförmig ausgebildet sein.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Gitter aus Titan gebildet sein.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Haube aus einem tex tilverstärkten Verbundwerkstoff gebildet sein.

Außerdem kann das Gehäuse ein die Haube ausfüllendes

Isolieröl aufweisen. Die Erfindung beansprucht auch eine Endstufe eines modular aufgebauten Umrichters mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse und mit auf der Bodenplatte angeordneten Leistungshalblei tern .

Die Erfindung beansprucht auch einen Umrichter mit einer er findungsgemäßen Endstufe.

Außerdem beansprucht die Erfindung auch ein Luftfahrzeug mit einem Elektromotor als Antrieb und einem erfindungsgemäßen Umrichter, der den Elektromotor mit elektrischer Energie ver sorgt .

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1: ein Gehäuse für eine Endstufe,

Fig. 2: ein expandiertes Gehäuse für eine Endstufe,

Fig. 3: eine Endstufe eines modularen Umrichters,

Fig. 4: einen modularen Umrichter und

Fig. 5: ein Luftfahrzeug mit einem modularen Umrichter

Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Erfindungsgemäß weist die Endstufe eines Umrichters ein fle xibles, dehnbares Gehäuse aus Nichtmetall auf, das mit einem Faradayschen Metallkäfig (= Gitter) zur Erdung und Schirmung ummantelt ist und das derart stabil ausgebildet ist, dass es einem berstenden Plasma standhält und die nichtmetallische

Hülle am Platzen hindert. Diese Dehnung bindet und absorbiert, ebenso wie das expandie rende Volumen, Energie und schwächt somit die Explosion ab. Das verwendete Metall der stützenden Käfigstruktur darf nicht zu starr und nicht spröde sein.

Fig. 1 zeigt das Gehäuse 1 einer Endstufe eines modular auf gebauten Umrichters. Das Gehäuse weist eine Bodenplatte 4, beispielsweise aus Aluminium, auf. Auf der Bodenplatte 4 sitzt eine Hülle 2 aus einem dehnbaren Material, zum Beispiel aus einem textilverstärkten Verbundwerkstoff, in dem oder auf dem ein metallenes, käfigartiges Gitter 3 ausgebildet ist. Das Gitter 3 wirkt als Faradayscher Käfig und kann Energie durch Dehnung absorbieren. Das Gehäuse 2 ist mit einem

Isolieröl 5 gefüllt. Die Hülle 2 ist quaderförmig ausgebildet und kann bei einer Volumenänderung, die durch eine Explosion von Leistungshalblern verursacht wird, etwa eine Halbkugel form annehmen.

Fig. 2 zeigt das Gehäuse 1 gemäß Fig. 1 nach der Volumenände rung (also nach einer Explosion eines Leistungshalbleiters) . Durch die Halbkugelform der dehnbaren Hülle 2 wird das Volu men-Oberflächenverhältnis vergrößert. Das Gitter 3 absorbiert die Explosionsenergie durch Formänderung. Die Explosion von Leistungshalbleitern, die auf der Bodenplatte angeordnet sein können, führt somit nicht zu einem Bersten des Gehäuses 1 sondern lediglich zu einer bleibenden Verformung dieses.

Fig. 3 zeigt eine Endstufe 7 eines modular aufgebauten Um richters mit einem Gehäuse 1 nach Fig. 1 und Fig. 2, wobei die Leistungshalbleiter 6 auf der Bodenplatte 4 isoliert von dieser angeordnet sind. Das Gehäuse 1 ist mit einem Isolieröl 5 oder einem anderen Isolierstoff gefüllt.

Fig. 4 zeigt einen modularen Umrichter 8 mit einer Endstufe 7 nach Fig. 3, die von einem Zwischenkreis 12 gespeist wird. Fig. 5 zeigt ein elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug 9, dessen Propeller 11 durch einen Elektromotor 10 angetrieben wird. Der Elektromotor 10 wird durch den Umrichter 8 mit elektrischer Energie versorgt. Der Umrichter 8 ist gemäß der Fig. 1 bis Fig. 4 aufgebaut.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande- re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse

2 Haube

3 Gitter

4 Bodenplatte

5 Isolieröl

6 Leistungshalbleiter

7 Endstufe

8 Umrichter

9 Luftfahrzeug

10 Elektromotor

11 Propeller

12 Zwischenkreis