AT521941B1 - Umrichter - Google Patents

Abstract

Umrichter mit einer eingangsseitigen Gleichrichterschaltung (5), einer Zwischenkreisschaltung (1) mit einem Zwischenkreiskondensator (2), sowie einer ausgangsseitigen Wechselrichterschaltung (3), wobei seriell zum Zwischenkreiskondensator (2) ein Widerstand (R) geschalten ist und parallel zum Widerstand (R) ein Halbleiterschalter (8) geschalten ist, und eine Regeleinrichtung (9) zum Schließen oder Öffnen des Halbleiterschalters (8) in Abhängigkeit von der am Zwischenkreiskondensator (2) gemessenen Ladespannung (U_CAP) vorgesehen ist. Es wird vorgeschlagen, dass der Zwischenkreiskondensator (2) mit den Gleichspannungsanschlüssen (U1, U2) der Wechselrichterschaltung (3) über einen Busbar-Aufbau verbunden ist, der als kapazitiv wirkender Schichtaufbau_mit zumindest zwei voneinander beabstandeten, elektrisch leitfähigen Schichten (10.i, i=1,2, ... N) ausgeführt ist, und der Halbleiterschalter (8) als SiC-MOSFET ausgeführt ist, wobei die zumindest zwei elektrisch leitfähigen Schichten (10.i, i=1,2, ...N) mit dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des SiC-MOSFET verbunden sind und über den als SiC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter (8) in einem geschlossenen Schalterzustand elektrisch leitend verbindbar und in einem offenen Schalterzustand elektrisch trennbar sind.

Description

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Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Umrichter mit einer eingangsseitigen Gleichrichterschaltung oder einer Gleichspannungsversorgung, einer Zwischenkreisschaltung mit einem Zwischenkreiskondensator, sowie einer ausgangsseitigen Wechselrichterschaltung, wobei seriell zum Zwischenkreiskondensator ein Widerstand geschalten ist und parallel zum Widerstand ein Halbleiterschalter geschalten ist, und eine Regeleinrichtung zum Schließen oder Öffnen des Halbleiterschalters in Abhängigkeit von der am Zwischenkreiskondensator gemessenen Ladespannung vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Umrichter der genannten Art wurden etwa in der WO 2016/163201 A1 beschrieben und werden beispielsweise als Antriebsumrichter für Motoren verwendet, wobei eine Gleichspannung aus einer eingangsseitigen Gleichrichterschaltung oder einer Gleichspannungsversorgung über die Zwischenkreisschaltung einer Wechselrichterschaltung bereit gestellt wird, die aus der Gleichspannung eine gewünschte Wechselspannung erzeugt. Eine Ausführungsform einer Wechselrichterschaltung wird etwa von sechs regelbaren Halbleiterschaltelementen, vorzugsweise Leistungsschaltern (IGBTs), gebildet, die durch entsprechendes Schalten mit einer gegebenen Schaltfrequenz aus der bereitgestellten Gleichspannung im Mittel sinusförmige Wechselspannungen am Ausgang erzeugen. In der Regel werden hierfür die regelbaren Schaltelemente durch eine geeignete Ansteuereinheit entsprechend geschaltet, um beispielsweise bei einer Verwendung als Antriebsumrichter eine veränderliche Motordrehzahl zu erzeugen.

[0003] Die Zwischenkreisschaltung umfasst einen parallel zu den Gleichspannungsanschlüssen der Wechselrichterschaltung geschalteten Zwischenkreiskondensator, der als Energiespeicher und zur Verringerung von allfälligen, eingangsseitigen Netzstörungen dient und beim Einschalten der Gleichspannungsversorgung geladen wird. Diese Zwischenkreisschaltung wird auch als DCBus bezeichnet. Für den Zwischenkreiskondensator werden Kondensatoren mit hoher Kapazität verwendet, beispielsweise Elektrolytkondensatoren in Form von Low-ESR- Elektrolytkondensatoren, die sich aufgrund des auftretenden Rippelstromes als vorteilhaft erweisen. Andererseits wird versucht die Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und der Wechselrichterschaltung möglichst klein zu halten, um Überspannungen durch Schalthandlungen zu vermeiden und einen kompakten Aufbau bei gleichzeitig robuster elektrischer Funktion zu gewährleisten. Durch die großen Kapazitätswerte der Zwischenkreiskondensatoren würden daher sehr große Einschaltströme in der Zwischenkreisschaltung entstehen, wenn die Umrichterschaltung ans Netz geschalten wird, welche die elektronischen Bauteile der eingangsseitigen Gleichrichterschaltung sehr stark belasten oder sogar zerstören können.

[0004] Daher sind Maßnahmen zu treffen, um diese Einschaltströme zu verringern. Da die eingangsseitigen Impedanzen zumeist nicht hoch genug sind, um die Einschaltströme ausreichend zu begrenzen, werden in herkömmlicher Weise zusätzliche Widerstände angeordnet, die nach Beendigung des Einschaltvorganges aber wieder überbrückt werden müssen, um die Verluste des Umrichters nicht unnötig zu erhöhen. Hierfür wurden unterschiedliche Lösungen vorgeschlagen.

[0005] So wurde etwa vorgeschlagen einen Widerstand seriell zu den Gleichspannungsanschlüssen der Wechselrichterschaltung anzuordnen, um die Einschaltströme zu begrenzen. Der Widerstand wird dabei über einen Schalter überbrückt, der mithilfe einer entsprechenden Steuerschaltung nach Beendigung der Ladephase des Zwischenkreiskondensators wieder geschlossen wird. Eine solche Lösung ermöglicht zwar niederinduktive Ausführungen der Zwischenkreisschaltung, allerdings muss der Schalter für den vollen Umrichterstrom ausgelegt sein. Entsprechend geeignete Relais sind zwar verfügbar, aber verhältnismäßig groß und teuer.

[0006] Alternativ kann der Widerstand auch seriell zum Zwischenkreiskondensator geschaltet werden, wodurch kostengünstigere Relais zur Überbrückung des Widerstands verwendet werden können, da sie nur für den Rippelstrom des Kondensators ausgelegt werden müssen und nicht für den gesamten Umrichterstrom. Die Anordnung des Schaltrelais seriell zum Zwischenkreiskondensator erschwert aber niederinduktive Ausführungen für diesen Pfad der Zwischenkreis-

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schaltung und stellt somit vor allem im höheren Leistungsbereich eine starke Beeinträchtigung des Umrichters dar, sodass eine solche Lösung nur für niedrigere Leistungsbereiche Anwendung findet. Schaltungen zur Begrenzung des Einschaltstromes wurden etwa in der JP H01214270 A, US 2003/107859 A1, US 5122724 A und dem Artikel „Comparative Analysis of Active Inrush Current Limiter for High-Voltage DC Power Supply System“ von Eun-Ju Lee et al., 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Oct. 9- 12, 2012 beschrieben.

[0007] Des Weiteren wurden externe Ladeeinheiten vorgeschlagen, die aber keine kompakten Bauformen mehr erlauben und die Kosten zudem verhältnismäßig stark erhöhen.

[0008] Eine weitere Lösung bei Verwendung einer Gleichrichterschaltung sieht zudem vor, Thyristorbaugruppen anstelle der üblicherweise verwendeten Diodenbaugruppen zu verwenden. Durch Steuern der Schaltzeiten der Thyristoren ist es möglich, die Einschaltströme der Einheiten zu begrenzen und eine kontrollierte Aufladung des Zwischenkreiskondensators zu erreichen. Falls ein hierfür ausgelegter Umrichter aber seitens des Anwenders mit einer Gleichspannungsversorgung betrieben wird, stellt sich erneut das Problem hoher Einschaltströme.

[0009] Es besteht daher das Ziel der Erfindung darin einen Umrichter zu verwirklichen, der unabhängig von der Art der Bereitstellung der eingangsseitigen Gleichspannung robust gegenüber Einschaltströmen ist und somit über eine hohe Ausfallsicherheit verfügt. Der Umrichter soll zudem baulich kompakt und kostengünstig zu verwirklichen sein.

[0010] Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf einen Umrichter mit einer eingangsseitigen Gleichrichterschaltung oder einer Gleichspannungsversorgung, einer Zwischenkreisschaltung mit einem Zwischenkreiskondensator, sowie einer ausgangsseitigen Wechselrichterschaltung, wobei seriell zum Zwischenkreiskondensator ein Widerstand geschalten ist und parallel zum Widerstand ein Halbleiterschalter geschalten ist, und eine Regeleinrichtung zum Schließen oder Öffnen des Halbleiterschalters in Abhängigkeit von der am Zwischenkreiskondensator gemessenen Ladespannung vorgesehen ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Zwischenkreiskondensator mit den Gleichspannungsanschlüssen der Wechselrichterschaltung über einen Busbar-Aufbau verbunden ist, der als kapazitiv wirkender Schichtaufbau mit zumindest zwei voneinander beabstandeten, elektrisch leitfähigen Schichten ausgeführt ist, und der Halbleiterschalter als SIC-MOSFET ausgeführt ist, wobei die zumindest zwei elektrisch leitfähigen Schichten mit dem Drain-Anschluss und dem SourceAnschluss des SiC-MOSFET verbunden sind und über den als SiC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter in einem geschlossenen Schalterzustand elektrisch leitend verbindbar und in einem offenen Schalterzustand elektrisch trennbar sind.

[0011] Die Regeleinrichtung stellt sicher, dass der als SIC-MOSFET ausgeführte Halbleiterschalter geöffnet bleibt, bis die Ladephase des Zwischenkreiskondensators beendet ist. Während dieser Ladephase wird der Strom somit über den parallel zu dem als SIC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter und seriell zum Zwischenkreiskondensator geschalteten Widerstand geführt, der somit die Einschaltströme begrenzt. Sobald die Ladephase des Zwischenkreiskondensators beendet ist, schließt die Regeleinrichtung den als SiC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter und der Widerstand wird somit überbrückt. Das Öffnen und Schließen des als SiC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalters erfolgt in bekannter Weise durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung an das Gate des MOSFET, wodurch der Kanalwiderstand des Drain-Source-Kanals variiert werden kann, um ihn von einem geöffneten „OFF“-Zustand mit sehr hohem Widerstand in einen geschlossenen „ON“-Zustand mit sehr niedrigem Widerstand zu schalten. Erfindungsgemäß wird ein SIC-MOSFET vorgeschlagen, da er selbstsperrend ist, was vor allem während der Ladephase entscheidend ist. Zudem kann der gesteuerte Strom im Drain-Source-Kanal in beiden Richtungen fließen. Aufgrund der hohen Sperrspannung von MOSFETs sind Anwendungen mit hohen Sperrspannungen möglich, und zwar bei deutlich niedrigeren Leitungs- und Schaltverlusten wie bei IGBTs vor allem im höheren Leistungsbereich und auf einem deutlich kompakteren Die. Der SiIC-MOSFET ermöglicht daher kompakte Bauformen und vor allem eine erfindungsgemäße Integration in einen Busbar-Aufbau in Form von zumindest zwei voneinander beabstandeten, elektrisch leitfähigen Schichten, die über den als SIC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschal-

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ter in einem geschlossenen Schalterzustand elektrisch leitend verbindbar und in einem offenen Schalterzustand elektrisch trennbar sind. Mit dem Busbar-Aufbau werden die Leistungsschalter der Wechselrichterschaltung, der Zwischenkreiskondensator und die Gleichspannungsanschlüsse elektrisch verbunden. Die beiden elektrisch leitfähigen Schichten werden mit dem Drain- Anschluss und dem Source-Anschluss des SiC-MOSFET verbunden, wie noch näher ausgeführt werden wird. Der parallel geschaltete Widerstand kann dabei in den Busbar-Aufbau integriert sein, oder aber auch außerhalb des Busbar-Aufbaus angeordnet werden, da seine niederinduktive Anbindung nicht entscheidend ist. Mithilfe eines solchen Busbar-Aufbaus wird die Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator und der Wechselrichterschaltung sehr klein gehalten, indem die Verbindungsleitungen zwischen den Halbleiterschaltern der Wechselrichterschaltung und dem Zwischenkreiskondensator niederinduktiv ausgeführt werden können, da bereits der Aufbau der voneinander beabstandeten, elektrisch leitfähigen Schichten kapazitiv statt induktiv wirkt, und der Zwischenkreiskondensator räumlich im Bereich der Wechselrichterschaltung positioniert werden kann. Je nach gewünschtem Leistungsbereich sind dabei unterschiedliche Ausführungen denkbar, bei denen jeweils das Die des SiC-MOSFET direkt in den Busbar-Aufbau integriert wird.

[0012] Eine konkrete Ausführung sieht etwa vor, dass es sich bei der mit den Gleichspannungsanschlüssen elektrisch leitfähig verbundenen, ersten Schicht und der mit dem Zwischenkreiskondensator elektrisch verbundenen, zweiten Schicht des Busbar-Aufbaus jeweils um laminierte Kupferverschienungen handelt, die durch eine elektrisch isolierende Schicht voneinander getrennt und über den als SIC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter elektrisch leitend verbindbar sind. Die laminierten Kupferverschienungen werden durch dünne Kupferplatten gebildet, die durch dielektrisches Material beispielsweise in Form von Isolationsfolien zwischen den Platten getrennt werden, wobei der Aufbau der gegeneinander verschränkten Kupferplatten kapazitiv statt induktiv wirkt. Alternativ wäre auch die Verwendung von Aluminiumplatten statt der Kupferplatten denkbar. Zudem können elektronische Bauteile als auch mechanische Komponenten wie Stecker, Bohrlöcher oder Kühlkörper in die laminare Verschienung integriert werden. Insbesondere kann das Die des SiC-MOSFET in die laminierte Verschienung integriert werden, wobei eine erste Kupferplatte mit dem Drain-Anschluss und eine zweite Kupferplatte mit dem Source-Anschluss des SiC-MOSFET verbunden wird. Die erste Kupferplatte wird dabei mit einem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden, und die zweite Kupferplatte mit dem Zwischenkreiskondensator, der über eine dritte Kupferplatte mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden wird. Neben der Reduzierung von parasitären Induktivitäten werden mithilfe der Laminarverschienungen ein kompakter und kostengünstiger Aufbau ermöglicht. Der parallel geschaltete Widerstand kann dabei wie erwähnt in den Busbar- Aufbau integriert sein, oder aber auch außerhalb des Busbar- Aufbaus angeordnet werden.

[0013] Eine alternative Ausführung sieht vor, dass es sich bei der mit den Gleichspannungsanschlüssen elektrisch leitfähig verbundenen, ersten Schicht um eine von einem elektrisch isolierenden Trägermaterial einer elektrischen Leiterplatte umhüllte, elektrisch leitfähige Schicht handelt, wobei der Zwischenkreiskondensator auf der elektrischen Leiterplatte angeordnet und über eine auf dem isolierenden Trägermaterial angeordneten und elektrisch leitfähigen, zweiten Schicht und dem als SIC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter mit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht elektrisch verbindbar ist. Diese Ausführungsform ermöglicht die Verwirklichung des Busbar-Aufbaus mithilfe einer Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board), wobei es sich bei dem isolierenden Trägermaterial in der Regel um FR-4 handelt. Der Zwischenkreiskondensator kann dabei etwa als SMD (Surface Mounted Device)-Bauelement oder Durchsteckbauteil verwirklicht sein. Der parallel geschaltete Widerstand kann wiederum in den Busbar-Aufbau integriert sein, oder aber auch außerhalb des Busbar-Aufbaus angeordnet werden.

[0014] Insbesondere ist es aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung möglich, dass der Busbar-Aufbau und die Wechselrichterschaltung in demselben Modul angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein kompakter Aufbau verwirklicht werden, bei dem die Zwischenkreisschaltung und die Wechselrichterschaltung in demselben Gehäuse, in einem sogenannten Modul, zusammengefasst sind.

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[0015] Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf einen als Antriebsumrichter ausgeführten Umrichter.

[0016] Die Erfindung wird im Folgenden mithilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen die

[0017] Fig. 1 ein Schaltbild, das den grundsätzlichen Aufbau eines Umrichters zeigt,

[0018] Fig. 2 ein Schaltbild für zwei alternativen Varianten für die eingangsseitige Gleichspannungsversorgung,

[0019] Fig. 3 ein Schaltbild für eine erste Variante zur Begrenzung der Einschaltströme gemäß dem Stand der Technik,

[0020] Fig. 4 ein Schaltbild für eine zweite Variante zur Begrenzung der Einschaltströme gemäß dem Stand der Technik,

[0021] Fig. 5 ein Schaltbild zur Begrenzung der Einschaltströme gemäß der Erfindung,

[0022] Fig. 6 Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Busbar-Aufbaus, und die

[0023] Fig. 7 Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Busbar-Aufbaus.

[0024] Zunächst wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, wobei die Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines Umrichters mit einer eingangsseitigen Gleichspannung U_DC, einer Zwischenkreisschaltung 1 mit einem Zwischenkreiskondensator 2, sowie einer ausgangsseitigen Wechselrichterschaltung 3 zeigt, und die Fig. 2 ein Schaltbild mit zwei alternativen Varianten für die Bereitstellung der eingangsseitigen Gleichspannung U_DC, nämlich einer Gleichspannungsversorgung DC oder einer Gleichrichterschaltung 5. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird die letztgenannte Gleichrichterschaltung 5 aus sechs Dioden gebildet, die aus einer netzseitigen Wechselspannung AC die Gleichspannung U_DC erzeugen, die in der Regel einen pulsierenden Spannungsanteil enthält.

[0025] Die Zwischenkreisschaltung 1 umfasst einen parallel zu den Gleichspannungsanschlüssen U1, U2 der Wechselrichterschaltung 3 geschalteten Zwischenkreiskondensator 2, der als Energiespeicher und zur Verringerung von allfälligen, eingangsseitigen Netzstörungen dient und beim Einschalten der Gleichspannungsversorgung geladen wird. Diese Zwischenkreisschaltung 2 wird auch als DC-Bus bezeichnet.

[0026] Die Wechselrichterschaltung 3 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 aus sechs vorzugsweise als Leistungsschalter (IGBTs) ausgebildete Halbleiterschaltelemente gebildet, die durch entsprechendes Schalten mit einer gegebenen Schaltfrequenz aus der bereitgestellten Gleichspannung U_DC im Mittel sinusförmige Wechselspannungen am Ausgang erzeugen. In der Regel werden hierfür die sechs regelbaren Halbleiterschaltelemente durch eine geeignete Ansteuereinheit (in der Fig.1 nicht ersichtlich) entsprechend geschaltet, um beispielsweise bei einer Verwendung als Antriebsumrichter eine veränderliche Motordrehzahl eines Motors 4 zu erzeugen.

[0027] Wie bereits erwähnt wurde, kann es beim Einschaltvorgang des Umrichters durch Anlegen an das Netz durch die großen Kapazitätswerte der Zwischenkreiskondensatoren zu großen Einschaltströmen in der Zwischenkreisschaltung 1 kommen, welche die elektronischen Bauteile der eingangsseitigen Gleichrichterschaltung 5 sehr stark belasten oder sogar zerstören können. Daher sind Maßnahmen zu treffen, um diese Einschaltströme zu verringern, wie anhand der Fig. 3 und 4 erläutert werden soll.

[0028] So wurde etwa vorgeschlagen einen Widerstand R seriell zu einem der Gleichspannungsanschlüsse U1, U2 der Wechselrichterschaltung 3 anzuordnen, wie in der Fig. 3 gezeigt ist. Der Widerstand R wird dabei über einen Schalter 6 überbrückt, der mithilfe einer entsprechenden Steuerschaltung 7 nach Beendigung der Ladephase des Zwischenkreiskondensators 2 wieder geschlossen wird. Eine solche Lösung ermöglicht zwar niederinduktive Ausführungen der Zwi-

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schenkreisschaltung 1, allerdings muss der Schalter 6 für den gesamten Umrichterstrom ausgelegt sein. Entsprechend geeignete Relais sind wie erwähnt zwar verfügbar, aber verhältnismäßig teuer.

[0029] Alternativ kann der Widerstand R auch seriell zum Zwischenkreiskondensator 2 geschalten werden, wie in der Fig. 4 gezeigt ist. Dadurch können zwar kostengünstigere Schalter 6 zur Überbrückung des Widerstands R verwendet werden, da der Schalter 6 lediglich die verhältnismäßig kleinen Rippelströme des Zwischenkreiskondensators 2 leiten muss, allerdings erschwert die Anordnung des Schalters 6 seriell zum Zwischenkreiskondensator 2 niederinduktive Ausführungen für diesen Pfad der Zwischenkreisschaltung 1. Vor allem im höheren Leistungsbereich stellt die Anordnung des Schalters 6 eine starke Beeinträchtigung des Umrichters dar, sodass eine solche Lösung nur für niedrigere Leistungsbereiche Anwendung findet.

[0030] Daher wird erfindungsgemäß eine Lösung vorgeschlagen, die die Nachteile der jeweiligen Lösungen zu vermeiden sucht, wie anhand der Fig. 5-7 erläutert werden soll. Hierbei wird ein Busbar-Aufbau vorgeschlagen, bei dem der Zwischenkreiskondensator 2 mit den Gleichspannungsanschlüssen U1, U2 der Wechselrichterschaltung 3 über einen als SIC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter 8 in einem geschlossenen Schalterzustand elektrisch leitend verbindbar und in einem offenen Schalterzustand elektrisch trennbar ist. Parallel zu dem als SiC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter 8 und seriell zum Zwischenkreiskondensator 2 ist ein Widerstand R geschalten, wobei eine Regeleinrichtung 9 zum Schließen oder Öffnen des als SiC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalters 8 in Abhängigkeit von der am Zwischenkreiskondensator 2 gemessenen Ladespannung U_CAP vorgesehen ist. Die Regeleinrichtung 9 stellt sicher, dass der als SIC-MOSFET ausgeführte Halbleiterschalter 8 geöffnet bleibt, bis die Ladephase des Zwischenkreiskondensators 2 beendet ist. Während dieser Ladephase wird der Strom somit über den parallel zu dem als SIC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter 8 und seriell zum Zwischenkreiskondensator 2 geschalteten Widerstand R geführt, der die Einschaltströme begrenzt. Sobald die Ladephase des Zwischenkreiskondensators 2 beendet ist, schließt die Regeleinrichtung 9 den als SIC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter 8, und der Widerstand R wird somit überbrückt. Das Öffnen und Schließen des als SIC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalters 8 erfolgt in bekannter Weise durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung an das Gate des MOSFET.

[0031] Der SIC-MOSFET ermöglicht dabei kompakte Bauformen und vor allem eine erfindungsgemäße Integration in einen Busbar- Aufbau, wie anhand der Fig. 6 und 7 erläutert werden soll. Mit dem Busbar-Aufbau werden die Wechselrichterschaltung 3, der Zwischenkreiskondensator 2 und die Gleichspannungsanschlüsse U1, U2 elektrisch verbunden. Der parallel geschaltete Widerstand R kann dabei in den Busbar-Aufbau integriert sein, oder aber auch außerhalb des Busbar-Aufbaus angeordnet werden, da seine niederinduktive Anbindung nicht entscheidend ist.

[0032] Eine konkrete Ausführung für einen erfindungsgemäßen Busbar- Aufbau sieht etwa gemäß Fig. 6 vor, dass es sich bei der mit den Gleichspannungsanschlüssen U1, U2 elektrisch leitfähig verbundenen, ersten Schicht 10.1 und der mit dem Zwischenkreiskondensator 2 elektrisch verbundenen, zweiten Schicht 10.2 des Busbar-Aufbaus jeweils um laminierte Kupferverschienungen handelt, die durch eine elektrisch isolierende Schicht 11.1 voneinander getrennt und über den als SIC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter 8 elektrisch leitend verbindbar sind. Die laminierten Kupferverschienungen werden durch dünne Kupferplatten gebildet, die durch dielektrisches Material beispielsweise in Form von Isolationsfolien als isolierende Schichten 11. i zwischen den Platten getrennt werden, wobei der Aufbau der gegeneinander verschränkten Kupferplatten kapazitiv statt induktiv wirkt. Alternativ wäre auch die Verwendung von Aluminiumplatten statt der Kupferplatten denkbar. Zudem können elektronische Bauteile oder auch mechanische Komponenten wie Stecker, Bohrlöcher oder Kühlkörper und dergleichen in die laminare Verschienung integriert werden. Insbesondere kann das Die des SiC-MOSFET in die laminierte Verschiebung integriert werden, wobei eine erste Kupferplatte als erste Schicht 10.1 mit dem Drain- Anschluss und eine zweite Kupferplatte als zweite Schicht 10.2 mit dem Source-Anschluss des SiC-MOSFET verbunden wird. Die erste Kupferplatte wird dabei als erste Schicht 10.1 mit einem ersten Gleichspannungsanschluss U1 verbunden, und die zweite Kupfer-

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platte als zweite Schicht 10.2 mit dem Zwischenkreiskondensator 2, der über eine dritte Kupferplatte als dritte Schicht 10.3 mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss U2 verbunden wird. Neben der Reduzierung von parasitären Induktivitäten werden mithilfe der Laminarverschienungen ein kompakter und kostengünstiger Aufbau ermöglicht. Der parallel geschaltete Widerstand R kann dabei wie erwähnt in den Busbar-Aufbau integriert sein, oder aber auch außerhalb des Busbar-Aufbaus angeordnet werden.

[0033] Eine alternative Ausführung sieht gemäß Fig. 7 vor, dass es sich bei der mit den Gleichspannungsanschlüssen U1, U2 elektrisch leitfähig verbundenen, ersten Schicht 10.1 um eine von einem elektrisch isolierenden Trägermaterial einer elektrischen Leiterplatte umhüllte, elektrisch leitfähige Schicht 10.1 handelt, wobei der Zwischenkreiskondensator 2 auf der elektrischen Leiterplatte angeordnet und über eine auf dem isolierenden Trägermaterial angeordneten und elektrisch leitfähigen, zweiten Schicht 10.2 und dem als SiC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter 9 mit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 10.1 elektrisch verbindbar ist. Diese Ausführungsform ermöglicht die Verwirklichung des Busbar- Aufbaus mithilfe einer Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) , wobei es sich bei dem als isolierende Schicht 11 verwendeten, isolierenden Trägermaterial in der Regel um FR-4 handelt. Der Zwischenkreiskondensator 2 kann dabei etwa als SMD (Surface Mounted Device)-Bauelement oder als Durchsteckbauteil verwirklicht sein. Der parallel geschaltete Widerstand R kann wiederum in den Busbar-Aufbau integriert sein, oder aber auch außerhalb des Busbar-Aufbaus angeordnet werden.

[0034] Mithilfe eines solchen Busbar-Aufbaus wird die Induktivität zwischen dem Zwischenkreiskondensator 2 und der Wechselrichterschaltung 3 sehr klein gehalten, indem die Verbindungsleitungen zwischen den Halbleiterschaltern der Wechselrichterschaltung 3 und dem Zwischenkreiskondensator 2 niederinduktiv ausgeführt werden können, wobei bereits der Aufbau der voneinander beabstandeten, elektrisch leitfähigen Schichten 10. i kapazitiv statt induktiv wirkt, und der Zwischenkreiskondensator 2 räumlich im Bereich der Wechselrichterschaltung 3 positioniert werden kann. Wie anhand der Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, sind dabei je nach gewünschtem Leistungsbereich unterschiedliche Ausführungen denkbar, bei denen jeweils das Die des SiIC-MOSFET direkt in den Busbar-Aufbau integriert wird.

[0035] Mithilfe der Erfindung gelingt es somit einen Umrichter zu verwirklichen, der unabhängig von der Art der Bereitstellung der eingangsseitigen Gleichspannung robust gegenüber Einschaltströme ist und somit über eine hohe Ausfallsicherheit verfügt. Der Umrichter kann zudem baulich kompakt und kostengünstig verwirklicht werden.

Claims (5)

x bes AT 521 941 B1 2025-11-15 Ss N Patentansprüche

1. Umrichter mit einer eingangsseitigen Gleichrichterschaltung (5) oder einer Gleichspannungsversorgung (DC) , einer Zwischenkreisschaltung (1) mit einem Zwischenkreiskondensator (2), sowie einer ausgangsseitigen Wechselrichterschaltung (3) , wobei seriell zum Zwischenkreiskondensator (2) ein Widerstand (R) geschalten ist und parallel zum Widerstand (R) ein Halbleiterschalter (8) geschalten ist, und eine Regeleinrichtung (9) zum Schließen oder Öffnen des Halbleiterschalters (8) in Abhängigkeit von der am Zwischenkreiskondensator (2) gemessenen Ladespannung (U_CAP) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (2) mit den Gleichspannungsanschlüssen (U1, U2) der Wechselrichterschaltung (3) über einen Busbar-Aufbau verbunden ist, der als kapazitiv wirkender Schichtaufbau mit zumindest zwei voneinander beabstandeten, elektrisch leitfähigen Schichten (10. i, 1=1,2,...N) ausgeführt ist, und der Halbleiterschalter (8) als SIC-MOSFET ausgeführt ist, wobei die zumindest zwei elektrisch leitfähigen Schichten (10. i, i=1,2,...N) mit dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des SiC-MOSFET verbunden sind und über den als SiC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter (8) in einem geschlossenen Schalterzustand elektrisch leitend verbindbar und in einem offenen Schalterzustand elektrisch trennbar sind.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass es sich bei der mit den Gleichspannungsanschlüssen (U1, U2) elektrisch leitfähig verbundenen, ersten Schicht (10.1) und der mit dem Zwischenkreiskondensator (2) elektrisch verbundenen, zweiten Schicht (10.2) des Busbar- Aufbaus jeweils um laminierte Kupferverschienungen handelt, die durch eine elektrisch isolierende Schicht (11) voneinander getrennt und über den als SiCMOSFET ausgeführten Halbleiterschalter (8) elektrisch leitend verbindbar sind.

3. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mit den Gleichspannungsanschlüssen (U1, U2) elektrisch leitfähig verbundenen, ersten Schicht (10.1) um eine von einem elektrisch isolierenden Trägermaterial einer elektrischen Leiterplatte umhüllte, elektrisch leitfähige Schicht (10.1) handelt, wobei der Zwischenkreiskondensator (2) auf der elektrischen Leiterplatte angeordnet und über eine auf dem isolierenden Trägermaterial angeordneten und elektrisch leitfähigen, zweiten Schicht (10.2) und dem als SiC-MOSFET ausgeführten Halbleiterschalter (8) mit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (10.1) elektrisch verbindbar ist.

4. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der BusbarAufbau und die Wechselrichterschaltung (3) in demselben Modul angeordnet sind.

5. Antriebsumrichter mit einem Umrichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen