КОМПОНОВКА ТОКОВЫХ ШИН
CURRENT BUSBAR ARRANGEMENT

Изобретение относится к компоновке токовых шин для электрического контактирования по меньшей мере с одним полупроводниковым модулем, причем компоновка токовых шин содержит по меньшей мере две токовые шины, причем по меньшей мере в одной области перекрытия компоновки токовых шин токовые шины расположены напротив друг друга с перекрытием, причем токовые шины электрически изолированы друг от друга, причем токовые шины имеют, соответственно, по меньшей мере одну перемычку с соединительным элементом, причем перемычки токовых шин расположены без перекрытия. Изобретение также относится к модулю вентильного преобразователя с такой компоновкой токовых шин, полупроводниковым модулем и по меньшей мере одним конденсатором. Кроме того, изобретение относится к применению такой компоновки токовых шин для соединения по меньшей мере одного полупроводникового модуля по меньшей мере с одним конденсатором.
Полупроводники требуют, ввиду их способности переключать большие токи быстро и с высокой частотой, низкоиндуктивного соединения с конденсатором. Этот конденсатор также называется конденсатором промежуточного контура. Для изготовления низкоиндуктивного соединения чаще всего используются токовые шины. При этом вентильные преобразователи для высоких мощностей выполняются, как правило, с расположенными рядом друг с другом, параллельно включенными полупроводниковыми модулями, также упоминаемыми кратко как модули. При типовой геометрии выводов, выводы постоянного напряжения, также обозначаемые как DC+/DC- выводы, располагаются рядом друг с другом на одной стороне модуля. Для применения в переключаемых с высокой динамикой полупроводниковых микросхемах, малая индуктивность в модуле, а также во внешней цепи коммутации, является обязательной. Эти модули предоставляют возможность реализации модульной конструкции вентильного преобразователя, чтобы за счет параллельного соединения адаптироваться к требованиям по мощности или за счет независимого подключения нагрузки адаптироваться к желательной функции (различным фазам вентильного преобразователя).
В этом случае, желательна высокая степень симметрии тока параллельно включенных полупроводниковых модулей, так как наиболее высоко нагруженный модуль определяет производительность параллельной схемы. При этом производительность модуля должна быть по возможности независимой от состояния нагрузки соседних независимо работающих модулей. Расположенные рядом друг с другом пары выводов постоянного напряжения, то есть DC+ и DC- выводы, чаще всего контактируют с общей ошиновкой промежуточного контура.
Из DE 10 2004 060 583 известна токовая шина и пара токовых шин для плоского модуля. Там токовая шина имеет множество соединительных язычков, каждый из которых имеет соединительную область, снабженную отверстием, причем каждый соединительный язычок образован посредством прорези из краевой области токовой шины и посредством двух отбортовок таким образом, что их соединительные области расположены с разнесением друг от друга в плоскости, параллельной токовой шине. Таким образом, низкоиндуктивная плоская ошиновка обеих токовых шин продолжается в соединительной области плоского модуля.
Из US 2010/0089641 A1 известна компоновка сборной шины для модуля инвертора с силовым модулем, конденсаторным модулем с по меньшей мере одним конденсатором и батареей, которая все эти компоненты соединяет сборной шиной. Токовая шина имеет базовый участок, который электрически соединен с батареей, и участок ответвления сборной шины, который проходит от базовой токовой шины к силовому модулю и электрически соединяет его с конденсаторным модулем в точках между базовым узлом и силовым модулем.
В основе изобретения лежит задача обеспечить соединительный элемент для соединения с полупроводниковым модулем, который уменьшает взаимодействие между выводами полупроводникового модуля или полупроводниковых модулей и который имеет малую толщину.
Задача решается компоновкой токовых шин для электрического контактирования по меньшей мере с одним полупроводниковым модулем, причем компоновка токовых шин содержит по меньшей мере две токовые шины, причем по меньшей мере в одной области перекрытия компоновки токовых шин токовые шины расположены напротив друг друга с перекрытием, причем токовые шины электрически изолированы друг от друга, причем токовые шины имеют, соответственно, по меньшей мере одну перемычку с соединительным элементом, причем перемычки токовых шин расположены без перекрытия, причем перемычки ориентированы таким образом, что может быть образована первая ось, которая проходит через соединительный элемент соответствующей перемычки и точку перехода соответствующей перемычки к области перекрытия компоновки токовых шин и которая пересекает вторую ось, которая образована посредством соединения двух соединительных элементов перемычки, под углом от 0° до 45°, причем компоновка токовых шин имеет изолирующую область, которая расположена таким образом, чтобы уменьшать или предотвращать ток в перемычке в направлении, перпендикулярном второй оси. Указанная задача также решается модулем вентильного преобразователя с такой компоновкой токовых шин, по меньшей мере одним полупроводниковым модулем и по меньшей мере одним конденсатором, причем полупроводниковый модуль имеет два вывода постоянного напряжения, причем выводы постоянного напряжения электрически соединены, соответственно, с соединительным элементом компоновки токовых шин, причем конденсатор имеет два электрода конденсатора, причем токовые шины компоновки токовых шин электрически соединены, соответственно, с электродом конденсатора. Кроме того, указанная задача решается применением такой компоновки токовых шин для соединения по меньшей мере одного полупроводникового модуля с по меньшей мере одним конденсатором, в частности, в вентильном преобразователе.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основе изобретения лежит обнаружение того, что взаимодействие между выводами постоянного напряжения полупроводникового модуля или нескольких полупроводниковых модулей можно уменьшить тем, что уменьшается магнитная связь магнитных полей, которые генерируются токами на выводах постоянного напряжения. На них можно влиять, в частности, посредством выполнения соединительных элементов компоновки токовых шин. Для этой цели возможны различные конфигурации выводов, каждая из которых подвержена ограничениям из-за требований к изоляции между потенциалами постоянного напряжения. Общей для каждой является функция обеспечения контакта промежуточного контура с полупроводниковым модулем или по меньшей мере с двумя полупроводниковыми модулями, что приводит к различиям в ближней зоне вокруг модулей, в частности, на выводах модулей.
При этом токопроводящие дорожки в ошиновке всегда создают контура, которые генерируют магнитные поля и связаны с внешними полями. Распределение плотности тока в ошиновке, по существу, определяется омическими и индуктивными импедансами и геометрическими обязательными условиями. Чем меньше частота, тем больше распределение плотности тока регулируется в соответствии с омическими потерями. Чем выше частота, тем в большей степени прямой ток ближе к обратному току, чтобы минимизировать энергетическое содержание магнитного поля. Прямой ток относится к току в одной из двух токовых шин. Обратный ток относится к току, направленному противоположно прямому току, в соответствующей другой токовой шине. Чтобы прямой и обратный ток могли компенсироваться в максимально возможной степени, в области перекрытия токовые шины расположены параллельно друг другу. Расстояние по существу определяется разностью потенциалов токовых шин. Должна предотвращаться возможность возникновения пробоя между токовыми шинами. Чтобы поддерживать расстояние как можно меньше и, таким образом, поддерживать образование возникающих магнитных полей на минимуме, оказалось выгодным расположить изолятор между токовыми шинами. Это позволяет выполнять расстояние минимальным.
Таким образом, область перекрытия не является существенным источником магнитного поля, так как в этой области прямой ток и обратный ток компенсируются, и, таким образом, связанные с ними магнитные поля также компенсируются и не создают никакого эффекта связи.
Область перекрытия представляет собой область, в которой две токовые шины перекрываются. Другими словами, эти токовые шины лежат в этой области, в зависимости от угла наблюдения, рядом друг с другом или друг над другом. Иначе говоря, в области перекрытия, одна токовая шина лежит позади другой токовой шины, если смотреть на компоновку сборных шин от оси, которая расположена перпендикулярно к компоновке сборных шин. В области перекрытия, сборные шины могут быть расположены параллельно, что, однако, не обязательно. Также можно расположить токовые шины параллельно в первой части области перекрытия, а во второй части области перекрытия, например, вблизи перехода между перемычкой и области перекрытия, расположить непараллельно. Таким образом, в частности, в случае непараллельного расположения, все еще можно исходить из перекрывающегося расположения, если при непараллельном расположении токовых шин они пересекаются под углом до 90°.
В области выводов токовые шины чаще всего выполняются без перекрытия. Эта область, таким образом, свободна от перекрытия. Область, свободная от перекрытия, формируется посредством перемычки. Перемычки имеют по меньшей мере один соединительный элемент. В простом варианте осуществления, соединительный элемент может быть отверстием, которое может устанавливать электрический контакт с полупроводниковым модулем с помощью винта. Перемычки в этом случае выполнены так, что протекающий через них ток формирует магнитное поле, которое не проникает или проникает только в малой степени в другую перемычку или вывод, от которого перемычка электрически изолирована. При этом перемычки ориентированы так, что они проходят параллельно оси, которая образована выводами полупроводника или нескольких полупроводников. Под ориентацией перемычки понимается ориентация соединения от соединительного элемента к переходу к области перекрытия. В этом направлении во время работы по существу протекает ток. Даже отклонение до 45° от параллельного хода, то есть угловой диапазон от 0° до 45°, еще вызывает достаточное снижение связанных магнитных полей. При протекании тока, которое осуществляется параллельно второй оси, в идеальном случае связь полностью устраняется. В приведенном выше диапазоне углов, однако, связь уже настолько незначительна, что в частности, работа с высокими частотами, при которых индуктивности влияют особенно сильно, уже возможна выгодным образом.
Поскольку ток от соединительного элемента к переходу в перемычке расходится веером, то незначительная доля тока также имеется в направлении, перпендикулярном ориентации перемычки, которая, однако, меньше или значительно меньше, чем доля в направлении, параллельном ориентации перемычки. Таким образом, магнитная связь различных выводов одного или нескольких полупроводниковых модулей значительно уменьшается или полностью исключается.
Посредством соответствующей изобретению компоновки, можно избежать нежелательных магнитных связей между выводами, в частности, выводами постоянного напряжения смежных модулей или смежных цепей, например различных полумостов, модуля, которые приводят к различным эффективным индуктивностям в различных перемычках. В частности, при высокодинамичных операциях переключения, они в противном случае, с одной стороны, негативно повлияли бы на симметрию тока при параллельном подключении. С другой стороны, они приводят к нежелательным связям в режиме коммутации соседних независимых модулей, коммутационные токи которых принципиально различны, даже могут иметь одинаковую величину и противоположные направления. Это предотвращается в соответствующей изобретению компоновке токовых шин.
Было показано, что чем ниже индуктивность модульной структуры и чем быстрее изменение тока в выводах, тем эффективнее воздействует компоновка токовых шин в соответствии с изобретением на развязку отдельных выводов полупроводникового модуля или полупроводниковых модулей. Кроме того, также может быть значительно уменьшен паразитный ввод магнитных полей в схемы управления смежной электронной схемы, который в противном случае привел бы к зависимому режиму переключения различных модулей.
Компоновка токовых шин в основном сконструирована в соответствии с полосковой линией, которая проводит прямой и обратный поток по плоскости в непосредственной близости. Там, где это невозможно по причинам изоляции, геометрия в этом отношении выполняется так, что протекание тока в шинах не генерирует компонентов магнитного поля, которые вводятся в соседние выводы. Площадь поверхности, в которой может индуцироваться напряжение из-за паразитных магнитных полей, сводится к минимуму. Для этой цели предусмотрена минимальная площадь между шинами в плоскостях, параллельных расстоянию. Ввиду соответствующей геометрии перемычек, магнитное влияние смежных модулей вследствие токов, которые не протекают не в полосковой линии, сводится к минимуму или устраняется.
С данной ошиновкой обеспечиваются преимущества, состоящие в минимальном излучении паразитных магнитных полей. Это сопровождается минимальным вводом паразитных магнитных полей в нежелательных областях. В результате взаимное влияние расположенных рядом полупроводниковых модулей или расположенных рядом переключающих цепей полупроводникового модуля минимизируется как в силовой цепи, так и по цепям управления.
Для вентильного преобразователя обеспечивается преимущество, заключающееся в том, что несколько полупроводниковых модулей, например, для разных фаз могут быть расположены в непосредственной пространственной близости. В результате, эти вентильные преобразователи могут изготавливаться особенно малыми, легкими и компактными.
Оказалось предпочтительным, расположить изолирующую область в компоновке токовых шин. Изолирующие области являются непроводящими областями в компоновке токовых шин. Другими словами, это области в компоновке токовых шин, в которых нет токовой шины или на которые токовые шины не распространяются. Они могут быть реализованы, например, просто путем удаления материала сборной шины. Так, например, например, токовая шина может иметь выемки, вырезы или отверстия (круглые, прямоугольные или в виде удлиненного отверстия), которые оказывают влияние на протекание тока в сборной шине, в частности, в перемычке. Так, например, в медной токовой шине могут иметься выемки, отверстия или вырезы, например прямоугольные, которые предотвращают или по меньшей мере уменьшают протекание тока в этой области и/или в определенном направлении. Кроме того, пространственно разделенное расположение частей сборной шины, при котором воздух присутствует в разделении между частями токовой шины, можно рассматривать как изолирующую область. С помощью изолирующей области можно направлять ток в перемычке так, что он проходит параллельно второй оси. Вторая ось представляет собой ось, которая образована посредством соединения двух соединительных элементов перемычек. Таким образом, эта ось соответствует оси, которая образована выводами одного полупроводникового модуля или выводами различных полупроводниковых модулей. Таким образом, можно простым и экономичным способом предотвращать протекание тока в направлении, которое генерирует магнитное поле, которое действует за счет связи на других выводах. За счет ориентации перемычек, протекание тока в перемычке возможно таким образом, что предотвращается магнитное поле связи. Дополнительно, за счет ввода изолирующей области, предотвращается протекание тока в перемычке, которое может привести к магнитному полю связи. Это магнитное поле, которое пересекает другие перемычки компоновки токовых шин.
Изолирующая область компоновки токовых шин может быть расположена в окрестности перемычки или в окрестности области перекрытия. Кроме того, можно расположить несколько изолирующих областей в компоновке токовых шин. Кроме того, изолирующая область может продолжаться в области, которые находятся в окрестности перемычки и области перекрытия.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, перемычки ориентированы таким образом, что может быть образована дополнительная первая ось, которая проходит через соединительный элемент соответствующей перемычки и точку перехода соответствующей перемычки к области перекрытия компоновки токовых шин и которая проходит параллельно или по существу параллельно к второй оси. По существу параллельно в этом контексте означает, что можно пренебречь разным расстоянием до вывода постоянного напряжения полупроводникового модуля. Ввиду перекрывающегося расположения, такое расстояние получается из-за того, что одна токовая шина удалена несколько дальше от одного из выводов постоянного напряжения, чем другая. Таким образом, в зависимости от размера перемычки, угол величиной до 10° или до 20°, который возникает из-за удаления токовых шин друг от друга, между дополнительной первой осью и второй осью все еще можно считать по существу параллельным расположением.
За счет такого варианта осуществления, в числе прочего, также включается случай, когда перемычки ориентированы в направлении, соответствующем соединению выводов полупроводникового модуля и/или полупроводниковых модулей. Кроме того, этот вариант осуществления включает в себя случай, когда область перекрытия и перемычки лежат в одной плоскости. Это позволяет особенно упростить изготовление компоновки токовых шин и соответствующих токовых шин. Ориентация перемычек в направлении, параллельном оси, которая образуется выводами полупроводниковых модулей, не вызывает или вызывает по меньшей мере только незначительное воздействие тока одного вывода полупроводникового модуля на другой вывод данного полупроводникового модуля или другого полупроводникового модуля. Ось, которая образована выводами полупроводниковых модулей, обычно соответствует оси, которая образована соединением двух соединительных элементов перемычек.
Так как магнитные силовые линии образуются приблизительно в круговой форме вокруг перемычек, когда ток течет через перемычки, на остальных выводах данного полупроводникового модуля и/или на выводах остальных полупроводниковых модулей, не имеется магнитного поля, образованного этим током. Во всяком случае, из-за нерегулярностей могут возникать только поля рассеяния, которые, однако, имеют лишь незначительную величину.
Под направлением перемычки понимается ось, которая получается из точки соединения перемычки и перехода от перемычки к области перекрытия. Направление перемычки в основном соответствует направлению тока, протекающего через эту перемычку.
2
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, изолирующая область расположена таким образом, чтобы уменьшить или предотвратить возникновение тока в переходе между перемычкой и областью перекрытия в направлении, перпендикулярном второй оси. Оказалось предпочтительным, выполнить перемычки путем обеспечения изолирующей области в области соединительных элементов из проводящего материала, такого, например, как медь, и тем самым иметь возможность задавать направление тока в перемычке от соединительного элемента к области перекрытия. При этом изолирующая область расположена предпочтительно в области, которая лежит между перемычкой и областью перекрытия и предотвращает образование тока, который протекает перпендикулярно оси, которая образуется выводами полупроводникового модуля или полупроводниковых модулей. Кроме того, оказалось полезным, за счет изолирующей области предотвращать токи, которые пересекают ось, образованную выводами полупроводникового модуля или полупроводниковых модулей, под углом больше, чем 45°. В качестве особенно предпочтительного оказалось предотвращать токи, которые протекают не параллельно оси, образованной выводами полупроводникового модуля или полупроводниковых модулей. Благодаря изолирующим областям, токовые шины, особенно большие токовые шины площадью более 100 см, могут быть изготовлены простым способом из проводящего материала, такого как медь.
Кроме того, в этом варианте осуществления изобретения оказалось выгодным, если перемычки имеют по меньшей мере два перехода в область перекрытия. Эти переходы можно использовать, наряду с проведением тока, для фиксации, то есть для удерживания сборной шины. Было показано, что уже с двумя переходами вес токовой шины может переноситься через переходы между перемычкой и областью перекрытия. Можно отказаться от специальных держателей, которые еще могут приводить к тому, что держатель является механически переопределенным. Из-за такого переопределения, держатель чувствителен к температурным колебаниям, возникающим при работе оборудования и приборов, подключенных к токовой шине. За счет удерживания сборной шины с помощью перемычек, можно отказаться от дополнительных держателей, и компоновка является не переопределенной при термическом расширении, так что тем самым срок службы такой компоновки может быть значительно улучшен.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, изолирующая область расположена таким образом, что она примыкает к области перекрытия. В этой форме выполнения обеспечивается возможность предотвращения тока в перемычке, перпендикулярной второй оси. Для этой цели, выемки, то есть изолирующие области располагаются в окрестности области перекрытия. Это оказалось особенно предпочтительным, когда изолирующие области по меньшей мере на двух или по меньшей мере на трех сторонах или в форме круговых вырезов, в частности полукруга, примыкают к области перекрытия. Таким образом, особенно простым способом может быть создана такая эффективная изолирующая область, которая надежно предотвращает или по меньшей мере значительно уменьшает ток в перемычке, перпендикулярной второй оси.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения, изолирующая область расположена на участках на границе между перемычкой и областью перекрытия. Таким образом устраняется проводящее действие на границе между перемычкой и областью перекрытия, так что в этом направлении не может протекать ток. Эта изоляция может быть использована предпочтительным образом для того, чтобы вынуждать ток протекать параллельно второй оси в перемычке, при этом за счет изоляции предотвращается составляющая, перпендикулярная второй оси. Таким образом, граница между перемычкой и областью перекрытия больше не представляет собой переход между перемычкой и областью перекрытия, так как протекание тока от перемычки в область перекрытия или из области перекрытия к перемычке больше не возможно. В частности, показанные на чертежах и описанные примеры выполнения показывают изолирующую область на границе между перемычкой и областью перекрытия.
Разница между границей и переходом заключается в том, что в случае границы в этом месте не должен присутствовать проводящий переход между перемычкой и областью перекрытия, но они только расположены вблизи друг друга. При необходимости, как в этом примерном варианте осуществления, изолирующая область может быть расположена по меньшей мере в участках на границе между перемычкой и областью перекрытия.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере две из перемычек выполнены симметрично друг другу. Симметричная структура приводит к симметричным отношениям относительно магнитных полей. В частности, если связь с другими выводами не полностью предотвращается, то с помощью симметричной структуры может быть обеспечено, что связь по меньшей мере одинакова или по меньшей мере почти одинакова везде. Таким образом, выводы полупроводникового модуля или полупроводниковых модулей проявляют по меньшей мере почти одинаковое поведение.
Симметричное выполнение двух перемычек означает, в частности, что эти две перемычки выполнены симметрично к плоскости, зеркально симметрично, осесимметрично или точечно-симметрично.
Симметричное выполнение токовых шин может достигаться простым образом за счет того, что две токовые шины выполнены идентично, но одна шина расположена с поворотом на 180°. Случай симметричных токовых шин также включает в себя вариант осуществления, в котором токовые шины выполнены идентично, но сдвинуты относительно друг друга так, что соединительные элементы соответствующих токовых шин находятся в разных точках. Это имеет преимущество, состоящее в том, что одни и те же токовые шины могут использоваться для построения компоновки токовых шин. Благодаря одинаковым деталям, облегчается логистика и складирование для производства такой компоновки токовых шин.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения, в области перекрытия компоновки токовых шин между токовыми шинами расположен изолирующий слой, и токовые шины по меньшей мере частично прилегают к изолирующему слою. Оказалось предпочтительным располагать изолирующий слой между токовыми шинами. Предпочтительным образом, он имеет хорошее электрически изолирующее свойство. Это гарантирует, что токовые шины могут быть расположены пространственно близко друг к другу, несмотря на высокую разность потенциалов, без опасности возникновения ущерба из-за пробоев. Пространственная близость токовых шин обусловливает в области перекрытия компоновки токовых шин то, что магнитные поля, возникающие из-за токов, протекающих в токовых шинах, в значительной степени компенсируются. Кроме того, за счет изолирующего слоя обеспечивается то, что минимальное расстояние между токовыми шинами поддерживается толщиной материала изолирующего слоя. Кроме того, структура, в которой изолирующий слой расположен между шинами, имеет более высокую механическую стабильность. Изолирующий слой также упоминается как изолятор.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения, каждая из токовых шин имеет по меньшей мере две перемычки, каждая из которых имеет по меньшей мере один соединительный элемент. Этот вариант осуществления подходит для того, чтобы соединять множество полупроводниковых модулей с компоновкой токовых шин. В качестве альтернативы или в дополнение, полупроводниковый модуль может быть сконструирован модульным образом так, что он имеет несколько однотипных выводов постоянного напряжения, то есть более одного вывода DC+ и более одного вывода DC-. Таким образом, производительность полупроводникового модуля может быть увеличена за счет того, что в структуре полупроводникового модуля существует несколько подмодулей с их собственными выводами, причем выводы подмодулей представляют также выводы полупроводникового модуля.
Токовые шины с множеством перемычек также пригодны, в частности, для построения мостовой схемы, в которой несколько фаз на стороне переменного напряжения через полупроводниковые модули соединены с одним и тем же промежуточным контуром, в частности, тем же конденсатором промежуточного контура или теми же конденсаторами промежуточного контура, на стороне постоянного напряжения.
В обоих случаях, оказалось целесообразным, что пары соединительных элементов, которые предусмотрены для соединения с выводами постоянного напряжения одного и того же полупроводникового модуля, образуют, соответственно, ось, и эти оси различных полупроводниковых модулей проходят параллельно друг другу. Особенно предпочтительным оказалось, когда все соединительные элементы компоновки токовых шин расположены на общей оси. Таким образом, как компоновка токовых шин, так и полупроводниковые модули могут быть размещены простым и компактным образом. Кроме того, при таком расположении, связь отдельных выводов полупроводниковых модулей, в частности, связь между выводами различных полупроводниковых модулей является очень низкой или вообще не обнаруживается.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, модуль вентильного преобразователя имеет по меньшей мере два полупроводниковых модули, причем полупроводниковые модули относительно их выводов постоянного напряжения расположены в параллельном соединении. Помеховое воздействие ввода магнитных полей особенно велико, когда речь идет о различных фазах модуля вентильного преобразователя. Различные фазы модуля вентильного преобразователя создаются отдельными полупроводниковыми модулями. Для того чтобы обеспечить эффективную развязку этих различных полупроводниковых модулей модуля вентильного преобразователя, оказалось полезным применение компоновки токовых шин, которая имеет токовые шины с множеством перемычек и, таким образом, токовые шины с множеством соединительных элементов. С помощью них развязка полупроводниковых модулей может осуществляться особенно благоприятно, когда полупроводниковые модули расположены в модуле вентильного преобразователя таким образом, что выводы, особенно выводы постоянного напряжения, отдельных полупроводниковых модулей образуют соответствующие оси, и эти оси проходят по меньшей мере параллельно друг другу. Особенно предпочтительным оказалось, когда выводы постоянного напряжения отдельных полупроводниковых модулей выровнены по одной линии, то есть лежат на одной оси.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения, полупроводниковый модуль имеет по меньшей мере два последовательных соединения полупроводниковых переключателей и имеет по меньшей мере четыре вывода постоянного напряжения. Полупроводниковый модуль может быть выполнен модульным образом так, что он имеет не один, а несколько, то есть более одного полумоста. В случае полумоста, по меньшей мере два полупроводниковых переключателя расположены в последовательном соединении. Для повышения производительности, оказалось выгодным расположить несколько полумостов в модуле. Тем самым можно повысить производительность одной фазы или интегрировать несколько фаз в один полупроводниковый модуль. С более чем двумя мостовыми схемами оба преимущества могут быть достигнуты одновременно.
При этом оказалось особенно выгодным, если выводы постоянного напряжения разных полумостов модульного полупроводникового модуля изолированы друг от друга и электрически соединены друг с другом посредством компоновки токовых шин. При этом каждая мостовая схема имеет по меньшей мере два вывода постоянного напряжения. Ими являются по меньшей мере один вывод DC+ и по меньшей мере один вывод DC-. Таким образом, модульный полупроводниковый модуль имеет по меньшей мере четыре вывода постоянного напряжения.
Преимущество этого модульного полупроводникового модуля заключается в том, что производительность полупроводникового модуля может быть повышена просто за счет добавления параллельных полумостов. Кроме того, модульный полупроводниковый модуль дает возможность реализовать несколько фаз вентильного преобразователя с помощью одного полупроводникового модуля. С помощью компоновки токовых шин удается минимизировать связь, в частности, магнитную связь между выводами постоянного напряжения таким образом, что отдельные полумосты могут работать независимо друг от друга или по меньшей мере почти независимо друг от друга, даже если полумосты в полупроводниковом модуле размещены на малом расстоянии или в непосредственной близости друг от друга.
В дальнейшем изобретение будет описано и объяснено более подробно со ссылкой на примеры выполнения, проиллюстрированные на чертежах. На чертежах показано следующее:
Фиг. 1 - компоненты модуля вентильного преобразователя,
Фиг. 2 - части компоновки токовых шин,
Фиг. 3 - пример выполнения компоновки токовых шин с изолирующим слоем,
Фиг. 4 - изолирующий слой,
Фиг. 5 - Фиг. 8 - другие примеры выполнения компоновки токовых шин,
Фиг. 9 - положение второй оси,
Фиг. 10 - положение первой или дополнительной первой оси,
Фиг. 11 - фиг. 13 - другие примеры выполнения компоновки токовых шин и
Фиг. 14 - полупроводниковый модуль в модульном выполнении.
Примеры выполнения, показанные на фиг. 5, 6 и 11, не охватываются предметом пункта 1 формулы изобретения, а просто служат для понимания изобретения.
На фиг. 1 показаны части модуля 3 вентильного преобразователя. Для ясности, компоненты здесь опущены или показаны только в упрощенной форме. Задача компоновки 1 токовых шин заключается в том, чтобы электрически соединять полупроводниковый модуль 2 или несколько полупроводниковых модулей 2 с одним или несколькими конденсаторами 4. Из компоновки 1 токовых шин в этом представлении показана только область 13 перекрытия. Представление области 18 выводов, положение которой показано на данном чертеже, опущено. В этом примере выполнения, компоновка 1 токовых шин имеет две токовые шины, как это целесообразно для двухточечного инвертора. Но также целесообразны примеры применений с тремя или более токовыми шинами, например, для трехточечных инверторов или, в общем случае, многоточечных инверторов. Можно видеть, что в области 13 перекрытия токовые шины 11 расположены с перекрытием, то есть, в зависимости от направления наблюдения, рядом друг с другом или друг над другом. Обе токовые шины 11 электрически соединены с соответствующим электродом 41 конденсатора 4. Для подключения полупроводниковых модулей 2 к токовым шинам 11 в полупроводниковых модулях 2 предоставлены выводы 51 постоянного напряжения. Представление выводов на стороне переменного напряжения полупроводниковых модулей 2, а также точное представление реализации конденсатора 4, по причинам наглядности чертежа, опущено.
На фиг. 2 показана форма выполнения не изображенной на фиг. 1 области 18 выводов. При этом речь идет о частях компоновки 1 токовых шин в окрестности области 18 выводов. И здесь, компоновка 1 токовых шин имеет две перекрывающиеся токовые шины 11. Токовые шины 11 имеют область 13 перекрытия и перемычки 20. Переход 19 между перемычкой 20 и областью 13 перекрытия показан на этом чертеже пунктирной линией. Перемычки 20 выполнены без перекрытия в отличие от области 13 перекрытия. Перемычки 20 имеют соединительный элемент 21, с помощью которого может устанавливаться электрический контакт с не показанным здесь выводом 51 постоянного напряжения полупроводникового модуля 2. Соединительные элементы 21 могут, как в проиллюстрированном примере выполнения, быть реализованы простым способом с помощью отверстия. Для соединения с полупроводниковым модулем 2 винт вводится через отверстие в качестве соединительного элемента 21 и привинчивается к выводу 51 постоянного напряжения полупроводникового модуля 2. При этом перемычки 20 ориентированы так, что в них может протекать только ток, который имеет направление, которое по существу соответствует направлению соединения двух соединительных элементов 21. Ток, перпендикулярный направлению, получаемому в результате соединения двух соединительных элементов 21, предотвращается за счет изолирующей области 14. В простом случае изолирующая область 14 представляет собой область, в которой нет проводящего материала токовой шины 11. Изолирующая область 14 образована в этом примере выполнения пространственным разделением. Эта выемка приводит к тому, что протекание тока перпендикулярно направлению второй оси (образованный соединительными элементами 21 перемычки) в перемычке уменьшается или предотвращается. За счет протекания тока, который проходит по существу в направлении оси, которая получается в результате соединения соединительных элементов, не генерируются никакие магнитные поля, которые действуют на соответствующий другой соединительный элемент 21. Таким образом, связь выводов надежно предотвращается или по меньшей мере заметно снижается. Только от соединительного элемента 21, при рассмотрении с противоположной стороны перехода 19 между перемычкой 20 и областью 13 перекрытия, протекает ток в токовой шине 11 перпендикулярно оси, полученной посредством соединения соединительных элементов. Однако, поскольку обе токовые шины 11 перекрываются друг с другом в этой области, магнитные поля этих двух токов компенсируют друг друга. Эти два тока также упоминаются как прямой ток и обратный ток, поскольку они одинаковы по величине и отличаются только знаком.
На фиг. 3 показан изолирующий слой 15, который расположен между токовыми шинами 11. Этот изолирующий слой 15 позволяет, за счет своего изолирующего действия, располагать токовые шины 11 близко друг к другу даже при большой разности потенциалов, не вызывая процессов разряда, таких как пробои. Кроме того, изолирующий слой 15 обеспечивает постоянное расстояние между токовыми шинами 11. Кроме того, изолирующий слой 15 придает структуре компоновки токовых шин высокую прочность, в частности, когда токовые шины прикреплены к изолирующему слою 15.
Фиг. 4 показывает изолирующий слой 15 без прилегающих токовых шин 11. При этом можно отказаться от заштрихованных областей изолирующего слоя 15 без отрицательного влияния на изолирующее свойство. Изоляция между различными потенциалами может быть реализована как отформованная деталь из пластика (литьевая деталь или прессованная деталь), так что изолирующие области могут минимально формоваться в виде вырезов в токовых шинах. Это приводит к созданию низкоомной и низкоиндуктивной компоновки 1 токовых шин.
На фиг. 5 показан еще один пример варианта осуществления компоновки 1 токовых шин. Чтобы избежать повторения, делается ссылка на описание для фиг. 2 и на использованные там ссылочные позиции. Как и на фиг. 2, в перемычках 20 протекает только ток в направлении оси, которая образована соединением соединительных элементов 21. Именно это направление тока предотвращает образование магнитного поля, которое распространяется на соответствующий другой вывод. В результате развязка выводов может быть реализована простым способом. Только от соединительного элемента 21, при рассмотрении с противоположной стороны перехода 19 между перемычкой 20 и областью 13 перекрытия, протекает ток в токовой шине 11 перпендикулярно оси, полученной посредством соединения соединительных элементов. Однако, поскольку обе токовые шины 11 перекрываются друг с другом в этой области, магнитные поля этих двух токов компенсируют друг друга.
Также, хотя в этом примере выполнения для каждой токовой шины 11, которая включает в себя область 13 перекрытия и перемычку 20, показана, соответственно, только одна перемычка 20, компоновка 1 токовых шин, кроме того, может включать в себя несколько перемычек 20 с соединительными элементами 21, чтобы иметь возможность контакта с несколькими полупроводниковыми модулями 2 и/или несколькими выводами 51 постоянного напряжения полупроводникового модуля 2. Преимущество этого примера выполнения, среди прочего, состоит в том, что соединительные элементы 21 расположены на одинаковой высоте. Поскольку обычно выводы 51 постоянного напряжения полупроводникового модуля 2 также находятся на одинаковой высоте, соединение может быть выполнено одинаковым образом, например, с помощью винта для обоих соединительных элементов 21.
На фиг. 6 показан еще один пример выполнения компоновки 1 токовых шин. Чтобы избежать повторения, делается ссылка на описание для фиг. 2 и 5, а также на использованные там ссылочные позиции. Этот вариант также имеет то преимущество, что соединительные элементы 21 находятся на одинаковой высоте. По сравнению с примером выполнения, показанным на фиг. 5, это расположение особенно просто реализовать, так как токовая шина может быть отштампована из плоского проводника и приведена в соответствующую представленную форму.
На фиг. 7 и 8 показаны примеры выполнения, в которых перемычки 20 соединены с областью 13 перекрытия на двух переходах. Это придает структуре высокую стабильность. Чтобы избежать повторения, делается ссылку на описание для фиг. 2, 5 и 6, а также на введенные там ссылочные позиции. Ввиду высокой стабильности на соединительных элементах 21, компоновка 1 токовых шин может быть механически закреплена с помощью соединительных элементов 21. Можно отказаться от дополнительного крепления компоновки 1 токовых шин, или по меньшей мере оно может рассчитываться соответственно с меньшими размерами. В примере выполнения согласно фиг. 7, все перемычки имеют по два перехода к области перекрытия. За счет этого омические соотношения для отдельных соединительных элементах 21 являются одинаковыми или по меньшей мере почти одинаковыми. В противоположность этому, перемычки 20 в примере выполнения согласно фиг. 8 имеют только один переход между перемычкой 20 и областью 13 перекрытия. Таким образом, омические соотношения отличаются, однако индуктивное поведение в отдельных соединительных элементах 21 различных перемычек 20 одинаково или по меньшей мере по существу одинаковое.
Фиг. 9 и 10 предназначены для иллюстрации того, как образуются описанные первая и вторая оси. На фиг. 9 дважды показана вторая ось 32, которая проходит через соединительные элементы 21. При оценке параллельного прохождения, в описании словами ʺпо существуʺ предполагается, что различие по высоте h между двумя соединительными элементами 21 незначительна. Исследования показали, что пренебрежимо малый угол, вызванный различием по высоте h, в зависимости от выполнения перемычек 20, лежит в диапазоне от 0° до 10° или от 0° до 20°. Таким образом, ход первой оси 31, 310 и второй оси 32 по-прежнему может рассматриваться как по существу параллельный, если изменение второй оси 32 в вышеупомянутых областях приводит к тому, что обе оси расположены параллельно после выполнения изменения.
На фиг. 10 показано, как может быть образована первая ось 31 или другая первая ось 310. Для этой цели соединительный элемент 21 и точка перехода 19 между перемычкой 20 и областью 13 перекрытия соединяются друг с другом. При этом ясно, что в зависимости от выбора точки на переходе 19, первые оси 31 или другие первые оси 310 могут отличаться. Для сравнения, с правой стороны нарисована вторая ось 32, которая проходит через точки 21 соединения перемычек 20 на правой стороне.
На фиг. 11 показан еще один пример выполнения компоновки 1 токовых шин. Чтобы избежать повторения, делается ссылка на описание предыдущих фигур и на использованные там ссылочные позиции. В этом примере выполнения, соединительные элементы не лежат в одной плоскости с областью 13 перекрытия. Перемычка 20 имеет участок, который приводит участок вокруг соединительного элемента 21 за пределы плоскости области 13 перекрытия. Если теперь для этого примера выполнения образуется первая ось 31 или другая первая ось 310, которая образуется соединительным элементом 21 и точкой перехода 19 между перемычкой 20 и областью 13 перекрытия, то эта первая или другая первая ось 31, 310 пересекает вторую ось 32 под углом α. Два различных соединительных элемента 21 могут тогда особенно хорошо развязываться, когда угол α находится в диапазоне от 0° и 45°. Оказалось особенно предпочтительным, если угол α имеет значение 0°. В этом случае первая или другая первая ось 31, 310 расположены параллельно второй оси.
В этом примере выполнения также можно простым способом скомпенсировать разницу в расстоянии между первой и второй токовой шиной 11, которая возникает в области перекрытия, на соединительных элементах. Таким образом, токовые шины 11 параллельны второй оси 32.
Вторая пара перемычек 20 на фиг. 11 не была представлена (кромка сечения), чтобы улучшить наглядность чертежа. Также в этом примере выполнения компоновка 1 токовой шины может быть простым способом расширена путем добавления дополнительных перемычек 20 с дополнительными соединительными элементами 21 для простого контакта с дополнительными выводами 51 постоянного напряжения одного или нескольких полупроводниковых модулей 2.
На фиг. 12 показан еще один пример выполнения компоновки 1 токовых шин. Чтобы избежать повторения, делается ссылка на описание предыдущих фигур и на введенные там ссылочные позиции. Этот пример выполнения также имеет два соединительных элемента 21, на левой стороне в нижней токовой шине 11 и на правой стороне в верхней токовой шине 11. Для того чтобы правый соединительный элемент 21 мог контактировать с полупроводниковым модулем, не показанным на чертеже, в нижней токовой шине имеется монтажное отверстие 25, через которое, например, винт от верхней токовой шины через монтажное отверстие 25 может быть соединен с полупроводниковым модулем 2 без электрического контакта с нижней. В области монтажного отверстия 25 верхняя шина 11 представляет собой перемычку 20. Изолирующая область 14, реализованная здесь как выемка, предотвращает или уменьшает протекание тока в перемычках 20 перпендикулярно соединительной линии, которая образована соединительными элементами 21. В этом примере выполнения, компоновка 1 токовых шин может быть расширена простым способом путем добавления дополнительных перемычек 20 с дополнительными соединительными элементами 21 для контактирования с дополнительными выводами 51 постоянного напряжения одного или нескольких полупроводниковых модулей 2.
На фиг. 13 показан еще один пример выполнения компоновки 1 токовых шин. Чтобы избежать повторения, делается ссылка на описание предыдущих фигур и на использованные там ссылочные позиции. По сравнению с примером выполнения согласно фиг. 12, этот пример выполнения имеет два монтажных отверстия 25, которые служат для того, чтобы при контакте с полупроводниковым модулем не создавать электрического контакта между токовыми шинами 11. Таким образом, перемычка образована в обоих соединительных элементах круговой поверхностью, которая расположена там, где соответствующая другая токовая шина имеет монтажное отверстие. Соединительный элемент 21 находится, для левой перемычки 20, в верхней токовой шине и для левой перемычки 20 в нижней токовой шине. Изолирующая область 14, реализованная здесь как выемка, предотвращает или уменьшает протекание тока в перемычках 20 перпендикулярно соединительной линии, которая образована соединительными элементами 21. И в этом примере выполнения компоновка 1 токовых шин может простым способом расширяться путем добавления дополнительных перемычек 20 с дополнительными соединительными элементами 21 для контакта с дополнительными выводами 51 постоянного напряжения одного или более полупроводниковых модулей 2.
На фиг. 14 схематично показана конструкции модульного полупроводникового модуля 2. В этом примере выполнения размещены два мостовых модуля. Каждый из этих мостовых модулей имеет последовательное соединение двух полупроводниковых переключателей 52. Точка соединения обоих полупроводниковых переключателей 52 соединена с фазным выводом 53, который расположен на внешней стороне полупроводникового модуля 2. Фазные выводы 52 могут быть соединены друг с другом, чтобы повысить производительность фазы или образовать различные фазы вентильного преобразователя. Для этого концы последовательного соединения как выводы 51 постоянного напряжения выведены на внешнюю сторону полупроводникового модуля. Таким образом, каждая мостовая схема имеет по меньшей мере два вывода 51 постоянного напряжения. Это по меньшей мере один вывод DC+ и по меньшей мере один вывод DC-. Чтобы снизить сопротивление при контакте полупроводникового модуля, может быть предусмотрено больше, чем два вывода постоянного напряжения для полумоста. Если выводы 51 постоянного напряжения контактируют с предложенной здесь компоновкой 1 токовых шин, то может гарантироваться, что выводы 51 постоянного напряжения развязаны относительно друг от друга или по меньшей мере имеют настолько низкую связь, что отдельные полумосты, несмотря на близость при расположении в модульном полупроводниковом модуле 2, могут работать независимо друг от друга.
Управляющие выводы 54 используются для управления полупроводниковым переключателем 52.
Полумосты также могут иметь более двух последовательно соединенных полупроводниковых переключателей 52, чтобы иметь возможность легко изготавливать, например, фазу многоточечного инвертора, в частности трехточечного инвертора.
Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано на примерах выполнения, изобретение не ограничивается исключительно раскрытым примером, и другие варианты могут быть получены из них специалистами в данной области без отклонения от объема изобретения.
Таким образом, изобретение относится к компоновке токовых шин для электрического контактирования по меньшей мере с одним полупроводниковым модулем, причем компоновка токовых шин содержит по меньшей мере две токовые шины, причем по меньшей мере в одной области перекрытия компоновки токовых шин токовые шины расположены напротив друг друга с перекрытием, причем токовые шины электрически изолированы друг от друга, причем токовые шины имеют, соответственно, по меньшей мере одну перемычку с соединительным элементом, причем перемычки токовых шин расположены без перекрытия. Для снижения взаимовлияния между выводами полупроводникового модуля или полупроводниковых модулей, предложено ориентировать перемычки таким образом, что может быть образована первая ось, которая проходит через соединительный элемент соответствующей перемычки и точку перехода соответствующей перемычки к области перекрытия компоновки токовых шин и которая пересекает вторую ось, которая образована посредством соединения двух соединительных элементов перемычки, под углом от 0° до 45°, причем токовые шины имеют, соответственно, изолирующую область, которая расположена таким образом, чтобы уменьшать или предотвращать ток в перемычке в направлении, перпендикулярном второй оси. Изобретение также относится к модулю вентильного преобразователя с такой компоновкой токовых шин.