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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Technik zum Bereitstellen eines Spannungswandlers.
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Es
ist bekannt, dass im Betrieb eines Spannungswandlers zum Ansteuern
beispielsweise eines mit variabler Drehzahl betriebenen Wechselstrommotors
elektrische und magnetische Störsignale (nachfolgend
als "elektromagnetische
Interferenz" (EMI)
bezeichnet) erzeugt werden.
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In
der einschlägigen
Technik ist es bekannt, dass ein als Störsignalfilter bezeichnetes
Filter als elektrisches Schaltelement montiert wird, wie es in JP-A-08-308250
(beispielsweise S. 5–6
und
1), entsprechend
dem US-Patent Nr. 5752838 und
DE 196
18 736 , beschrieben ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei
einigen Fällen
in jüngerer
Zeit wurden der Gleichrichterteil und der Wechselrichterteil eines Umrichters
kleiner Leistungsfähigkeit
auf demselben Metallträger
innerhalb eines Einzelspannungsmoduls als Konstruktion (nachfolgend
als Modul bezeichnet) zum integralen Halten des Gleichrichterteils
und des Wechselrichterteils montiert.
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Metallträger ist
ein Sammelname für
den Basisträger
aus Aluminium, die darauf vorhandene Isolierschicht und das darauf
angeordnete Schaltungsmuster.
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In
diesem Fall kann durch Metallplatten mit einem Träger, einer
unten liegenden Aluminiumbasis (nachfolgend als Aluminiumbasis bezeichnet)
und einem Leiter zwischen den Enden (Eingangs- und Ausgangseinheit)
der im Spannungsmodul als Schaltungselement zum Verringern von EMI
angeordneten Spule eine kapazitive Kopplung entstehen. Aufgrund dieses
kapazitiven Effekts kann es selbst dann, wenn die Spule vorhanden
ist, zu einem Problem einer verringerten Wirkung des Filters kommen.
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Um
dieses Problem zu lösen,
ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Spannungswandler zu schaffen,
bei dem eine Verringerung des Störsignal-Absenkeffekts
soweit wie möglich
dann verhindert ist, wenn im Spannungsmodul mit dem Gleichrichterteil
und dem Wechselrichterteil eine Spule angebracht ist.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, das oben genannte Problem dadurch
zu lösen,
dass ein Spannungswandler geschaffen wird, der über eine Konstruktion mit verringerter
Kapazität
verfügt, die
durch kapazitive Kopplung usw. erzeugt wird.
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Die
Isolierschicht und die Aluminiumbasis des Spannungsmoduls, wo die
Kapazität
erzeugt wird, sind in zwei elektrisch isolierte Teile unterteilt, mit
einem Halbleiterchip, der den Gleichrichterteil bildet, und einem
Halbleiterchip, der den Wechselrichterteil bildet.
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Der
Schnittabschnitt der Unterteilung ist durch Kunststoff abgedeckt,
um die Isolierung aufrecht zu erhalten. Als Alternative kann ein
Isoliermaterial auf den Kunststoff aufgebracht sein, der bis zur Höhe der Isolierschicht
ausgebildet ist.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Spannungswandler mit höherer
Zuverlässigkeit
als im Stand der Technik geschaffen.
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Spannungswandlers gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Diagramm zum Erläutern
des Spannungsmoduls.
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3 ist
ein Diagramm zum Erläutern
einer anderen Ausführungsform.
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4 ist
ein Diagramm zum Erläutern
noch einer anderen Ausführungsform.
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5 ist
ein Diagramm zum Erläutern
noch einer weiteren Ausführungsform.
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6 ist
ein Diagramm zum Erläutern
einer weiteren Ausführungsform.
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7 ist
ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung zur 6 zeigt.
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8 ist
ein Diagramm zum Erläutern
der Struktur des Spannungsmoduls gemäß der Erfindung.
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9A und 9B zeigen
das Ergebnis eines gemäß dem Stand
der Technik ausgeführten Störsignaltests.
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10A und 10B zeigen
das Ergebnis eines durch ein Verfahren gemäß der Erfindung ausgeführten Störsignaltests.
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11 ist
ein Diagramm zum Erläutern
eines Falls, bei dem eine Spule im Spannungsmodul angeordnet ist.
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12 ist
ein Diagramm zum Erläutern
der Struktur des Spannungsmoduls gemäß einer anderen Ausführungsform.
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13 ist
ein Diagramm zum Erläutern
der Isolierung dann, wenn eine Spule zwischen der Spannungseingangseinheit
und dem Gleichrichterteil angebracht ist.
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14 ist
ein Diagramm zum Erläutern
der Isolierung für
den Fall, dass eine Spule zwischen dem Gleichrichterteil und dem
Wechselrichterteil angebracht ist.
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15 ist
ein Diagramm zum Erläutern
der Isolierschicht für
den Fall, dass eine Spule zwischen dem Wechselrichterteil und der
Ausgangseinheit eines Induktionsmotors angebracht ist.
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16 ist
ein Diagramm zum Erläutern
des Falls, bei dem eine Spule zwischen der Spannungseingangseinheit
und dem Gleichrichterteil angebracht ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen der
Erfindung der Reihe nach unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert.
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In
den Zeichnungen kennzeichnen die Bezugszeichen R(L1), S, T(N) ein
drei- oder einphasiges Wechselspannungs-Eingangssignal, und U(T1), V(T2),
W(T3) kennzeichnen ein dreiphasiges Wechselspannungs-Ausgangssignal.
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Die 1 ist
ein Diagramm zum Erläutern
einer Ausführungsform.
Bei der in der 1 dargestellten Konfiguration
sind ein Spannungswandler 1 und ein angesteuerter Induktionsmotor 5 miteinander
verbunden.
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In
der 1 wird die drei- oder einphasige Wechselspannung
von der Netzspannungsquelle über
die Anschlüsse
R(L1), S, T(N) des Spannungswandlers 1 eingegeben und durch
einen Gleichrichterteil 3 in eine Gleichspannung gewandelt.
Das Ausgangssignal des Gleichrichterteils 3 wird, nachdem es
durch einen Glättungsteil 18 geglättet wurde,
in einen Wechselrichterteil 4 eingegeben. Im Wechselrichterteil 4 wird
die Spannung vom Glättungsteil 18 erneut
in eine Wechselspannung gewandelt, und sie wird über die Anschlüsse U(T1),
V(T2), W(T3) an den Induktionsmotor 5 geliefert.
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Bei
diesem Prozess wird der Wechselrichterteil 4 durch einen
Steuerungsteil 19 entsprechend dem Impulsbreitenmodulationsschema
gesteuert. In der 1 führt der Steuerungsabschnitt 19,
wenn er ein Stromsignal vom Spannungsmodul 2 usw. empfängt, eine
arithmetische Operation aus, und er gibt das PWM-Steuerungssignal usw. an den Wechselrichterteil 4 aus,
um dadurch den Steuerungsvorgang auszuführen.
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Auch
sind der Gleichrichterteil 3 und der Wechselrichterteil 4 innerhalb
des Spannungsmoduls 2 angeordnet.
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Bei
der in der 1 dargestellten Ausführungsform
ist eine Spule 6, die ein Bauteil eines Störsignalfilters
bildet, um EMI zu verhindern, mit dem Ausgang des Gleichrichterteils 3 verbunden,
und der Ausgang der Spule 6 ist mit dem Glättungsteil 18 verbunden.
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Die 2 ist
ein Diagramm zum Erläutern der
Konfiguration des Spannungsmoduls 2.
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Das
Spannungsmodul 2, an dem ein Leistungs-Halbleiterelement
zum Ansteuern des Induktionsmotors 5 angebracht ist, ist
in den Spannungswandler 1 eingebaut. Das Spannungsmodul 2 enthält zumindest
den Gleichrichterteil 3 zum Gleichrichten der eingegebe nen
drei- oder einphasigen Spannung sowie den Wechselrichterteil 4 zum
Wandeln der gleichgerichteten Spannung erneut in eine Wechselspannung
und zum Liefern dieser an den Induktionsmotor 5.
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Wie
es in der 1 dargestellt ist, ist die Spule 6,
die ein Bauteil des auf EMI-Verhinderung zielenden Störsignalfilters
bildet, wenn sie mit dem Spannungswandler verbunden ist, normalerweise zwischen
die Spannungseingangseinheit und den Gleichrichterteil 3,
zwischen diesen und den Wechselrichterteil 4 oder zwischen
diesen und die Ausgangseinheit des Induktionsmotors 5 eingesetzt. Wenn
diese Verbindung betrachtet wird, sind die oben beschriebenen Teile
im Spannungsmodul elektrisch voneinander isoliert.
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Die 2 zeigt
ein Beispiel des Gleichrichterteils 3 und des Wechselrichterteils 4,
wie sie dann voneinander isoliert sind, wenn die Spule zwischen ihnen
angeordnet ist, wobei der Ausgang des Gleichrichterteils 3 als
P1, N1 gekennzeichnet ist und der Eingang in den Wechselrichterteil 4 als
P2, N2 gekennzeichnet ist.
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Unter
Berücksichtigung
der Tatsache, dass der am Spannungsmodul 2 montierte Träger angelötet wird,
oder angesichts der Tatsache, dass dann, wenn das Filterteil wie
die Spule 6 im Spannungsmodul montiert ist, ein Montagekontaktfleck
vorhanden ist, ist ein Zuleitungsstift vorhanden. Daher wird die Form
der Eingänge
und Ausgänge
P1, N1, P2, N2 fallabhängig
bestimmt.
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Wenn
die bei der Ausführungsform
erläuterte Spule
als Schaltungsteil im Spannungsmodul angebracht wird, wird der Störsignalfiltereffekt
dadurch verbessert, dass für
das Spannungsmodul eine geeignete Innenstruktur verwendet wird,
und zwar unabhängig
davon, ob die tatsächliche
Position der Spule innerhalb oder außerhalb des Spannungsmoduls
liegt.
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Die 3 zeigt
ein Beispiel einer Schaltung, bei dem die Spule 6 zwischen
dem Gleichrichterteil 3 und den Wechselrichterteil 4 eingesetzt
ist.
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Die 4 zeigt
ein Beispiel für
den Fall, dass die Spule 6 auf einem gesonderten Träger montiert ist,
der bei einer tatsächlichen
Montagearbeit durch löten
mit dem Spannungsmodul 2 verbunden wird. Die folgende Erläuterung
betrifft diesen Fall, wobei der Spannungswandler als Inverter bezeichnet
wird.
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Beim
herkömmlichen
Spannungsmodul wird durch Kopplung zwischen den Enden der Spule 6 eine
Kapazität 7 erzeugt,
was zu einem schlechteren Effekt als Filter führt.
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Die 5 zeigt
ein Beispiel des Schnittaufbaus eines normalen Spannungsmoduls gemäß dem Stand
der Technik. In der 5 ist die Spule 6 durch ein
Schaltungssymbol gekennzeichnet. Die 5 zeigt,
wie die 3, einen Fall, bei dem die Spule 6 zwischen
dem Gleichrichterteil 3 und dem Wechselrichterteil 4 im
Spannungsmodul 2 angeordnet ist.
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Das
Spannungsmodul 2 ist durch einen Kunststoffverguss 8 oder
dergleichen abgedeckt, und es enthält Halbleiterchips 9,
die den Gleichrichterteil 3 aufbauen, und Halbleiterchips 10,
die den Wechselrichterteil 4 aufbauen. Die Halbleiterchips 9, 10 werden
durch Löten
auf den Schaltkreis bildende Kupferfolien 11 montiert.
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Unter
den Kupferfolien 11 ist eine Isolierschicht 12 ausgebildet.
Unter der Isolierschicht 12 ist eine Aluminiumbasis 13 ausgebildet,
die durch den Kunststoffverguss 8 als körperliches Gehäuse fixiert ist.
Tatsächlich
kann, was jedoch nicht dargestellt ist, ferner eine Wärmeabführeinheit
vorhanden sein.
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Die
Spule 6 ist durch Leitungen 14a, 14b vom
Spannungsmodul 2 aus auf dem Träger 15 montiert. Die
Leitung 14a entspricht dem Teil P1 oder N1, und die Leitung 14b entspricht
dem Teil P2 oder N2, wie sie in der 2 oder 4 dargestellt
sind. Genauer gesagt ist die Spule 6, obwohl sie sich körperlich
außerhalb
des Spannungsmoduls 2 befindet, als Schaltungselement innerhalb
desselben angeordnet.
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Bei
diesem Prozess ist es wünschenswert, dass über die
Spule 6 hinweg keine Kapazität erzeugt wird, um den Filtereffekt
zu erhöhen.
Genauer gesagt, ist es erwünscht,
für sichere
elektrische Isolierung zwischen den Teilen P1 und P2 sowie den Teilen
N1 und N2 zu sorgen. Diese Struktur erzeugt jedoch zwischen der
Leitung 14a und der Leitung 14b über die
Kupferfolien 11, die Isolierschicht 12 und die Aluminiumbasis 13,
die einen Leiter darstellt, die Kapazität 7.
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Auch
wird dann, wenn die P1-Kupferfolie und die P2-Kupferfolie im Spannungsmodul
benachbart zueinander angeordnet sind, eine Kapazität selbst dann
erzeugt, wenn die Kupferfolien mit der dazwischenliegenden Isolierschicht 12 vorliegen.
Die 6 zeigt den Pfad und den Ort der Kapazitätserzeugung
durch die Isolierschicht 12 und die Aluminiumbasis 13 in
vergrößerter Form.
Die Kapazität 7 wird
in einer in der 7 dargestellten Ersatzschaltung
erzeugt.
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Der
Grund, weswegen der Filtereffekt durch die Erzeugung der Kapazität 7 beeinträchtigt wird, wird
unter Bezugnahme auf die 7 erläutert. Wenn einmal der Induktionsmotor
durch den Spannungswandler betrieben wird, werden durch den Wechselrichterteil 4 Schalt-Störsignale
hoher Frequenz erzeugt. Die Schalt-Störsignale
fließen über die
gesondert angeordnete Erdungskapazität des Störsignalfilters vorläufig nach
Masse, und dann kehren sie zum Punkt Q in der 7 zurück. Gleichzeitig kehren
alle Störsignalkomponenten
idealerweise über
den Pfad 17a zum Wechselrichterteil (Induktionsmotor) zurück. Dann
würde der
Störsignalfluss zur
Spannungsversorgung unterdrückt
werden, um dadurch den Rauschpegel zu senken.
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Wie
oben beschrieben, fließen
jedoch, bei Erzeugung der Kapazität 7 an der Spule,
die Störsignale,
die normalerweise durch die Spule unterdrückt werden sollten, in unerwünschter
Weise über
den Pfad 17b oder 17c aufgrund der Kapazität mit niedriger
Impedanz zur Spannungsversorgung, was zu einem geringeren Störsignal-Verringerungseffekt
führt.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung realisiert eine Konfiguration eines Spannungswandlers, bei
der der Störsignal-Verringerungseffekt
dann nicht beeinträchtigt
ist, wenn eine Spule in einer Schaltungskomponente in einem Einzelspannungsmodul mit
sowohl einem Gleichrichterteil als auch einem Wechselrichterteil
angeordnet ist.
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Das
oben beschriebene Problem ist durch eine Struktur zum Verringern
der so erzeugten Kapazität 7 gelöst. Die 8 zeigt
eine Struktur zum Minimieren der erzeugten Kapazität 7.
Dieses Beispiel repräsentiert
auch einen Fall, bei dem die Spule zwischen dem Gleichrichterteil
und dem Wechselrichterteil angeordnet ist.
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Die
Isolierschicht 12 und die Aluminiumbasis 13, wo
die Kapazität 7 erzeugt
wird, sind zur Seite des den Gleichrichterteils aufbauenden Halbleiterchips 9 und
zur Seite des den Wechselrichterteil aufbauenden Halbleiterchips 10 gegeneinander
isoliert. Anders gesagt, sind die Isolierschicht 12 und
die Aluminiumbasis 13, die herkömmlicherweise miteinander integriert
sind, voneinander getrennt.
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Obwohl
gemäß der obigen
Erläuterung
Aluminium verwendet wird, kann alternativ eine Metallplatte oder
ein Leiter mit hoher Wär meleitfähigkeit verwendet
werden, um, durch Wärmeleitung,
die im Gleichrichterteil und Wechselrichterteil erzeugte Wärme nach
außen
freizusetzen. Beispielsweise können
Kupfer, Silber oder Gold anstelle von Aluminium verwendet werden.
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Der
Abschnitt, durch den die Isolierschicht 12 und die Aluminiumbasis 13 voneinander
getrennt sind, ist durch einen Kunststoffverguss 8 abgedeckt, um
für Isolierung
zu sorgen. Als Alternative ist der Kunststoffverguss bis ungefähr zur Höhe der Isolierschicht
aufgebracht, und er ist mit einem isolierenden Material beschichtet.
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Wie
es in der 8 dargestellt ist, wurde ein Test
ausgeführt,
um zu gewährleisten,
dass die EMI verringert ist, nachdem eine Unterteilung des Spannungsmoduls
erfolgte, und es wurde der Effekt der Aufteilung bestätigt.
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Die 9A, 9B zeigen
das Ergebnis einer Messung des Störsignalpegels vor dem Unterteilen
des Spannungsmoduls. Die 10A, 10B zeigen andererseits das Ergebnis einer Messung
des Störsignalpegels
nach dem Unterteilen des Spannungsmoduls. Die Störsignal-Anschlussspannung wurde
entsprechend der europäischen
Norm EN61800-3 an einem Spannungswandler der 400-V-Klasse mit einer
Ausgangsleistung von 3,7 kW an einem universellen Dreiphasen-Induktionsmotor der
400-V-Klasse mit 3,7 kW gemessen.
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Wie
es in der 8 dargestellt ist, wurde bestätigt, dass
durch vollständiges
Unterteilen des Inneren des Spannungsmoduls eine Verbesserung des EMI-Pegels
von 15 dB oder mehr hinsichtlich des Quasipeak(QP)-Werts erzielt
wurde.
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Diese
Ausführungsform
repräsentiert
einen Fall, bei dem die Spule für
das Filter auf dem Träger außerhalb
des Spannungsmoduls montiert ist. angesichts der Tatsache, dass
die Spule Wärme
erzeugt, wird jedoch ein hoher Kühleffekt
dadurch erzielt, dass die Spule im Spannungsmodul angeordnet wird
und Wärme
von der mit ihm in Kontakt stehenden Wärmesenke abgestrahlt wird.
Dies zeigt, dass diese Ausführungsform
auch dann wirkungsvoll ist, wenn die Spule im Spannungsmodul angeordnet
ist, wie es unten unter Bezugnahme auf die 11 erläutert wird.
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Die 11 ist
ein Fall, bei dem die Filterspule direkt auf dem Metallträger im Spannungsmodul montiert
ist, anstatt dass die Stifte 14a, 14b aufgerichtet
würden,
um einen externen Träger
gemäß der 8 zu
montieren. Auch in diesem Fall ist das Spannungsmodul unterteilt,
und daher wird der Effekt der Spule nicht beeinträchtigt,
da wie im oben genannten Fall keine Kapazität 7 an ihr erzeugt
wird.
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Als
andere Ausführungsform,
wie sie in der 12 dargestellt ist, kann nur
die Isolierschicht 12 im Spannungsmodul 2 elektrisch
isoliert sein. Durch Beseitigen der Kapazität 7a in den 6, 7 kann daher
der Gesamtkapazitätswert
verringert werden. Obwohl der Effekt des Filters im Vergleich zum
in der in der 8 dargestellten Fall der vollständigen Trennung
verringert ist, ist der Effekt größer als beim Vorliegen der
Isolierschicht. Diese Konfiguration ist dann wirkungsvoll, wenn
die Trennung der Aluminiumbasis hinsichtlich der Montageebenheit
des Spannungsmoduls ein Problem darstellt.
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Abgesehen
von den oben angegebenen Fällen,
bei denen die Spule als Schaltungselement zwischen dem Gleichrichterteil
und dem Wechselrichterteil angeordnet ist, kann ein ähnlicher
Effekt dadurch erzielt werden, dass sie zwischen der Spannungseingangseinheit
und dem Gleichrichterteil oder zwischen dem Wechselrichterteil und
der Ausgabeeinheit des Induktionsmotors angeordnet wird. Anders gesagt,
ist die Spannungsmodulstruktur wirkungsvoll, solange die Schaltungsteile
an den Enden der Spule getrennt und gegeneinander isoliert sind.
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Die 13 zeigt
einen Fall, bei dem die Spule zwischen die Spannungseingangseinheit
und den Gleichrichterteil eingefügt
ist, die 14 zeigt einen Fall, bei dem
die Spule zwischen dem Gleichrichterteil und dem Wechselrichterteil
angeordnet ist, und die 15 zeigt
einen Fall, bei dem die Spule 6 zwischen dem Wechselrichterteil
und der Ausgangseinheit des Induktionsmotors angeordnet ist. In
allen diesen Fällen
kann der Effekt der Spule als Filter dadurch verbessert werden,
dass die oben genannte Trenn-/Isolierstruktur zwischen den Teilen
A und B in der Zeichnung verwendet wird.
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Die 16 zeigt
ein Schaltungsbeispiel, bei dem die Spule 6 als Schaltungselement
zwischen der Spannungseingangseinheit und dem Gleichrichterteil 3 angeordnet
ist.
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Gemäß den oben
erläuterten
Ausführungsformen
der Erfindung kann die Wirkung des Störsignalfilters dadurch verbessert
werden, dass die Struktur des Spannungsmoduls geändert wird.
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Auch
ermöglichen
es die Strukturen gemäß den oben
beschriebenen Ausführungsformen,
den Filtereffekt selbst dann aufrecht zu erhalten, wenn die Spule
als Schaltungselement im Spannungsmodul montiert ist. Die Begriffe "an der Spule" oder "zwischen den Enden
der Spule" sind
unabhängig
von der Anzahl der Phasen als "zwischen
den Enden der Spulenwicklung" definiert.
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Auch
bedeutet die Angabe "als
Schaltungselement im Spannungsmodul", dass ein vorgegebenes Teil, selbst
wenn es körperlich
außerhalb
des Spannungsmoduls angeordnet ist, mit dem Inneren des Spannungsmoduls
als Schaltungselement verbunden ist und dem Effekt der Kapazität unterliegt, die
durch die Struktur des Spannungsmoduls erzeugt wird.
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Ferner
ist es vom Fachmann zu beachten, dass zwar die folgende Beschreibung
für Ausführungsformen
der Erfindung erfolgte, dass jedoch die Erfindung nicht hierauf
eingeschränkt
ist, sondern dass verschiedene Änderungen
und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken
der Erfindung und vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.