JP7101867B2 - 中間回路装置及びインバータ - Google Patents

Description

発明は、中間回路装置と、かかる中間回路装置を有するインバータとに関する。

中間回路は、インバータにおいて変換される電力のための短期的なエネルギー貯蔵装置として、インバータブリッジの入力側に多く見られる。それらは、正の中間回路接続と負の中間回路接続との間に配置されるコンデンサ又はコンデンサバンクによって形成される。必要とする容量値を達成するために、複数の個々のコンデンサ又は更に複数のコンデンサバンクが並列に接続される。コンデンサバンクは、この場合、異なるプリント回路基板上に配置されてもよい。

特にマルチレベルインバータブリッジの場合、更に複数のコンデンサバンクがここで直列に接続される。直列接続されたコンデンサバンク間の接続点は、次いで、入力電圧の中間値を提供する。２つ、３つ、又は更に４つのコンデンサバンクは、通常、正及び負の中間回路電圧に加えて、マルチレベルインバータブリッジのために１つ、２つ、又は３つの追加電圧値を提供するために、ここで直列に接続される。

大電流が上で説明した中間回路装置の様々な接続部に流れることがあるため、複雑な接続技術が中間回路装置に必要とされる。同時に、異なるプリント回路基板上に配置されるコンデンサバンクは、インバータ内の異なるコンポーネントの数を少なく保つために、可能な限り構造的に同一になるよう設計できるようにすることが望ましい。

従って、この発明の１つの目的は、構造的に同一の設計であり且つコンデンサバンクを備える部分回路基板が、わずかな労力及び低インピーダンスで、互いに且つ電気デバイス、特にインバータの更なるコンポーネントに接続することが可能な中間回路装置又はインバータを提供することにある。

この目的は、独立クレーム１の特徴を有する中間回路装置によって達成される。中間回路装置の好ましい実施形態を、従属クレームにおいて説明する。目的は、更に、かかる中間回路装置を備える請求項８に記載のインバータによって達成され、インバータの好ましい実施形態は、請求項８に戻って参照する請求項において説明されている。

本発明による中間回路装置は、少なくとも２つのコンデンサバンクの直列接続を備える構造的に同一の第１及び第２の部分回路基板であって、それぞれが、それぞれの場合において、正の中間回路接続、負の中間回路接続、及び中央接続を有する端子板を有する部分回路基板を備えている。２つの部分回路基板の端子板のそれぞれの接続部を互いに電気的に接続するための接続回路基板は、２つの外側金属層と、外側金属層の間に配置される少なくとも２つの内側金属層とを有する多層回路基板として設計されており、外側金属層はそれぞれ、２つの部分回路基板の端子板の対応する接続部間に電気接続を備え、内側金属層の少なくとも１つの第１の金属層は、２つの部分回路基板の正の中間回路接続の電気接続のみを備え、内側金属層の少なくとも１つの第２の金属層は、２つの部分回路基板の負の中間回路接続の電気接続のみを備える。

部分回路基板は４つのコンデンサバンクの直列接続を備えるのが好ましく、それらの端子板は、更に、正の半接続及び負の半接続を有し、外側金属層は、更に、２つの部分回路基板の正の半接続間及び負の半接続間にそれぞれの電気接続を備える。４つのコンデンサバンクに分割することにより、第１に許容最大電圧の低いコンデンサを用いることが可能であり、第２に、より高い電圧レベルを有するインバータブリッジ、例えばこの場合、５レベルのインバータブリッジを、直列接続によって形成される中間回路に接続することもできる。

接続回路基板は、それを介して接続回路基板を、それぞれの場合において、対応する孔を介して、部分回路基板の端子板の接触面に螺合し電気接触させることが可能な孔を含む電気接触面を備える。かかる接続技術は、高い通電容量を有する生産において、安価で信頼性が高いことが証明されている。

それぞれの部分回路基板への接続回路基板のねじ接続は、中間回路装置をハウジング内又はプリント回路基板上に保持するように更に機能してもよい。この場合、中間回路装置は、電気絶縁材料、例えばプラスチックでできており、ハウジング内に固定して設置されるねじに螺合されてもよい。ハウジング内の他のポイントで中間回路装置を保持するための追加のホルダも、無論、除外しない。

加えて、電圧源のための接続ラインは、ケーブルラグを介して少なくとも正及び負の中間回路接続に螺合されてもよい。

１つの好ましい実施形態において、２つの部分回路基板のそれぞれは、両側にそれぞれの端子板（４）を備え、これらの端子板は、特に、互いに水平に配置されている。結果として、互いに隣接して配置される部分回路基板の個々の接続間の電気接続は、特に短い経路により、従って特に低インピーダンスで接続回路基板を介して実装されてもよい。次いで、２つの部分回路基板上に未使用の端子板が残る。

１つの特に有利な実施形態において、部分回路基板は、更に、少なくとも１つのブリッジ回路を備え、その入力接続は部分回路基板の中間回路接続に接続される。例えば、３つのブリッジ回路は、それぞれの場合において、部分回路基板上に配置されてもよく、そのブリッジ回路のブリッジ出力は、それぞれ、三相ＡＣグリッドに接続するための位相接続部を形成する。発明による中間回路装置は、無論、部分回路基板上にいかなるブリッジ回路も持たない可能性もある。

更に有利な実施形態において、接続回路基板は、互いに隣接して配置され、それを介して２つの部分回路基板の正の中間回路接続が互いに接続される複数の内側金属層を有する。２つの部分回路基板の負の中間回路接続は、従って、また、同様に互いに隣接して配置される複数の内側金属層を介して互いに接続されてもよい。このグループ毎の配置により、部分回路基板間の有利な低インピーダンス接続を実現することが可能となる。

１つの特に有利な実施形態において、インバータは、上で説明した中間回路装置を備える。この実施形態において、部分回路基板のそれぞれは少なくとも１つのブリッジ回路を備えていてもよく、各部分回路基板は正確に３つのブリッジ回路を有するのが特に好ましい。これらのブリッジ回路の出力はそれぞれ、ＡＣグリッドに接続するための位相接続部を形成する。

部分回路基板毎に３つのブリッジ回路の場合、各部分回路基板上の三相ＡＣ電圧出力の共通位相にブリッジ回路のうちの２つを割り当てることが有利である。両方の部分回路基板の２つの残りの個別の位相接続部、好ましくは、互いから最小距離にある２つの部分回路基板の位相接続部、即ち、内側位相接続部が次いで組み合わされて、ＡＣ電圧出力の共通の第３の位相を形成する。三相出力は、これにより、互いに空間的に分離され、ラインチョーク等の追加コンポーネントに接続される方法で、ハウジング内を容易に案内されることが可能となる。

発明を、図面の補助により以下に示す。

図１は、発明による中間回路装置の部分回路基板の一実施形態を示す。 図２は、発明による中間回路装置の一実施形態を示す。 図３は、発明による中間回路装置の接続回路基板を通る断面を示す。

図１は、発明による中間回路装置の構築のための部分回路基板１を示している。部分回路基板は、直列接続コンデンサバンク３を形成するよう組み合わされる多数のコンデンサ５を備える。コンデンサバンク３は、例えば、パワーモジュール６の形態で部分回路基板２上に配置される１つ以上のインバータブリッジのための入力側中間回路として機能する。出力側では、この実施形態のインバータブリッジは、それぞれ、電流センサ７を介してインバータブリッジに割り当てられる位相接続部９に接続される。コントローラ８は、動作中にパワーモジュール６を制御し、電流センサ７から測定信号を受信する。

コンデンサバンク３の接続部に電気的に接続されている端子板４は、部分回路基板２の両側に配置されている。２つの直列接続コンデンサバンク３の場合、端子板４は３つの端子を備え、そのそれぞれは中央孔を有し、その１つのそれぞれの端子は、コンデンサバンクの直列接続部の２つの端部接続部のうちの１つに接続され、１つの端子は直列接続部の中心点に接続されている。直列接続部が３つ以上のコンデンサバンクを備える場合、端子板４は、それぞれがコンデンサバンク間の更なる中間点に電気的に接続される対応する数の更なる端子を備える。例えば、４つのコンデンサバンク３が直列に接続される場合、５つの端子が端子板４に必要である。２つの追加の任意の端子が、従って、ハッチングした形態で示されている。

端子板４は、互いに隣接して配置される２つの部分回路基板２の端子が互いに、例えば、接続回路基板を介して電圧源に容易に電気的に接続することができるように、部分回路基板２の両側に整列軸に沿って水平に配置される。他の配置、例えば、接触面のオフセット配置も、無論、考えられる。

かかる中間回路装置１を図２に示す。２つの部分回路基板２の対向する端子板４は、接続回路基板１０によって覆われており、その端子は、２つの部分回路基板２上の端子の上で整列されている。これにより、例えば、接続回路基板１０及び部分回路基板２の端子の接触面がねじ接続によって互いに押し付けられ、信頼性の高い電気接触を確立するように、接続回路基板１０及び部分回路基板２の整列させた孔を通してねじを案内することが可能となる。ねじはまた、例えば、太陽光発電装置等の電圧源が、ケーブルを介して部分回路基板２に接続されてもよいように、ケーブルラグを端子に螺合させ、それらを電気的に接続するために用いられてもよい。電圧源の接続部ＤＣ＋、ＤＣ－のための２本の接続ケーブルが符号により示されている。ここでねじは、また、例えば、電気絶縁ねじに螺合させてもよく、ここでねじはハウジングに固定して接続されている。中間回路装置全体のための保持機能も、それによって、同時に実装されてもよい。

図２は更に、パワーモジュール６として、４つの直列接続コンデンサバンク３及びＮＰＣインバータブリッジの編成例を示している。他のインバータブリッジトポロジも、無論、用いられてもよい。パワーモジュール６のブリッジ出力は、この場合、それぞれ、第１のＡＣ接続を介して、ラインフィルタの一部として、空間の理由から部分回路基板上に配置されないチョーク２０の接続部に最初に接続され、その他方の接続は、関連する第２のＡＣ接続に順に接続される。第２のＡＣ接続は、順に、電流センサ７を介して、それぞれのインバータブリッジ６に割り当てられる位相接続部９に接続される。部分回路基板上に配置される別のコンデンサ２１は、ラインフィルタの更なる一部としてこの接続から分岐している。コンデンサ２１は、接続を介して、中間回路装置の直列接続の中心点に結合して接続される。

２つの部分回路基板２の位相接続部は、各部分回路基板２の２つの位相接続がそれぞれ位相Ｌ１、Ｌ３を形成し、位相Ｌ２のみが両部分回路基板２の位相接続によって形成されるような方法で、接続のために位相Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３を有する三相グリッドに組み合わされる。更なるチョークは、ラインフィルタコンポーネント（図示せず）として位相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に一体化されてもよい。

接続回路基板１０の構造設計は、図３により詳細に示しており、ここで図３ａは接続回路基板１０を通る断面を示す一方で、図３ｂ、３ｃ、及び３ｄは、接続回路基板１０内の異なる金属層の構造を示している。

接続線１０は、ここで、プリント回路基板の対向する外側に２つの外側金属層１３、並びに複数の内側金属層１４、１５を備える多層プリント回路基板として構築されている。外側金属層１３は接触面１２を備え、その中央で、それぞれの場合において、プリント回路基板の厚さ全体にわたって延在する孔が終了している。内側金属層は、それぞれ、孔の導電性ライニングを介するか又は金属層間に延在するビア（図示せず）を用いるかのどちらか一方により、少なくとも２つの外側の接触面１２の間の領域において、接触面１２に電気的に接続される。

図３ｃは、外側金属層１３の構造を示している。この場合、それぞれの場合において２つの接触面を互いに接続する導体トラックは、２つの部分回路基板の端子板４の同様の接続に割り当てられる対向する接触面１２の間に延在する。この構造は、両方の外側金属層１３に対して実装される。

コンデンサバンクの直列接続の端点に割り当てられる接触面は、電圧源がここに接続されているため、通常、最大の通電容量を持たなければならないので、外側金属層の導体トラックは、動作中に生じる電流の経路を確実且つ恒久的に開くのに十分ではない。従って、対応する端子１２を接続するための更なる導体トラックが、内側金属層１４、１５内に設けられている。第１の金属層１４を図３ｂに示し、この場合、２つの対向する接触面を互いに電気的に接続する１つの導体トラック構造のみを有し、これらは、電圧源の接続のうちの１つに割り当てられる。この導体トラック構造は、接触面間の最大通電容量を導体トラックに提供するために、金属層１４内で可能な限り大きな空間を占めている。他の接触面はここでは接続されていないままである。図３ｄに示す第２の金属層１５は、従って、２つの対向する接触面を互いに電気的に接続する１つの導体トラック構造のみを備え、これらは、電圧源の他の接続に割り当てられる。この導体トラック構造は、同様に、接触面間の最大通電容量を導体トラックに提供するために、金属層１５内で可能な限り大きな空間を占めている。

多層プリント回路基板内で、十分に同一の第１の金属層１４が互いに直接隣接して配置され、その配置の通電容量は電圧源の最大許容電流に対して十分である。第２の金属層１５もまた、互いに直接隣接して同数配置されている。これにより、有利に低インピーダンスの接続回路基板１０が作成される。

当業者は、接続回路基板１０内の接触面１２又は部分回路基板２の端子板４の順序及び配置もまた、実施例としてここに示したものとは異なって構成されてもよいことを理解する。

１ 中間回路装置
２ 部分回路基板
３ コンデンサバンク
４ 端子板
５ コンデンサ
６ パワーモジュール
７ 電流センサ
８ コントローラ
９ 位相接続部
１０ 接続回路基板
１１ 孔
１２ 接触面
１３ 金属層
１４ 金属層
１５ 金属層
２０ チョーク
２１ コンデンサ

Claims (12)

1. 中間回路装置（１）であって、
   －少なくとも２つのコンデンサバンク（３）の直列接続を備える構造的に同一の第１及び第２の部分回路基板（２）であって、それぞれが、それぞれの場合において、正の中間回路接続、負の中間回路接続、及び中央接続を有する端子板（４）を有する部分回路基板（２）と、
   前記２つの部分回路基板（２）の前記端子板（４）のそれぞれの接続部を互いに電気的に接続するための接続回路基板（１０）と、を備え、
   前記接続回路基板（１０）は、２つの外側金属層（１３）と、前記外側金属層（１３）の間に配置される少なくとも２つの内側金属層（１４、１５）とを有する多層回路基板であり、前記外側金属層（１３）はそれぞれ、前記２つの部分回路基板（２）の前記端子板（４）の対応する接続部間に電気接続を備え、
   前記内側金属層の少なくとも１つの第１の金属層（１４）は、前記２つの部分回路基板（２）の前記正の中間回路接続の電気接続のみを備え、前記内側金属層の少なくとも１つの第２の金属層（１５）は、前記２つの部分回路基板（２）の前記負の中間回路接続の電気接続のみを備える、
   中間回路装置（１）。
2. 前記部分回路基板（２）は４つのコンデンサバンク（３）の直列接続を備え、それらの端子板（４）は、更に、正の半接続及び負の半接続を有し、前記外側金属層（１３）は、更に、前記２つの部分回路基板（２）の前記正の半接続間及び前記負の半接続間にそれぞれの電気接続を備える、請求項１に記載の中間回路装置（１）。
3. 前記接続回路基板（１０）は、それを介して前記接続回路基板（１０）をそれぞれの場合において前記部分回路基板（２）に螺合し電気接触させることが可能な孔（１１）を含む電気接触面（１２）を備える、請求項１又は２に記載の中間回路装置（１）。
4. 前記それぞれの部分回路基板（２）への前記接続回路基板（１０）のねじ接続は、前記中間回路装置（１）をハウジング内又はプリント回路基板上に保持するように更に機能する、請求項３に記載の中間回路装置（１）。
5. それぞれの端子板（４）は、前記２つの部分回路基板（２）のそれぞれの両側に、特に互いに水平に配置される、請求項１～４のいずれか一項に記載の中間回路装置（１）。
6. 前記部分回路基板（２）は、更に、少なくとも１つのブリッジ回路を備え、その入力接続は前記部分回路基板の前記中間回路接続に接続される、請求項１～５のいずれか一項に記載の中間回路装置（１）。
7. ケーブルラグは、それぞれの場合において、少なくとも前記正及び前記負の中間回路接続において接続ラインに螺合される、請求項１～６のいずれか一項に記載の中間回路装置（１）。
8. 前記接続回路基板（１０）は、互いに隣接して配置され、それを介して前記２つの部分回路基板の前記正の中間回路接続が互いに接続される複数の内側金属層（１４、１５）を備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の中間回路装置（１）。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の中間回路装置（１）を有するインバータ。
10. 前記部分回路基板（２）はそれぞれ、少なくとも１つのブリッジ回路を備える、請求項９に記載のインバータ。
11. 前記部分回路基板（２）はそれぞれ、正確に３つのブリッジ回路を備える、請求項９に記載のインバータ。
12. それぞれの場合において、前記ブリッジ回路のうちの２つは、各部分回路基板（２）上の三相ＡＣ電圧出力の共通位相（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）に割り当てられる、請求項１１に記載のインバータ。
    

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