DE102008028196A1

DE102008028196A1 - Filter unit i.e. intermediate circuit capacitor, for e.g. frequency converter for passenger car, has magnetically soft material comprising magnetically soft particles, or magnetically soft particles bound in plastic

Info

Publication number: DE102008028196A1
Application number: DE102008028196A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Ing. März; Andreas Dipl.-Ing. Schletz; Konrad Domes
Original assignee: ECPE ENGINEERING CENTER FOR POWER ELECTRONICS GmbH; ECPE ENGINEERING CT FOR POWER; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: ECPE ENGINEERING CENTER FOR POWER ELECTRONICS GmbH; ECPE ENGINEERING CT FOR POWER; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: DE102008028196B4

Abstract

The filter unit (1) has a capacitor (10) including a terminal connected with an electrical inductor element (12). The inductor element is in magnetic contact with a magnetically soft material. The inductor element produces inductance for forming an electromagnetic compatibility filter. The material comprises magnetically soft particles, or magnetically soft particles bound in plastic. Another electrical inductor element is connected with another terminal of the capacitor. The latter inductor element is in magnetic contact with the material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Filtereinheit für leistungselektronische Einheiten.The The invention relates to a filter unit for power electronic units.

In leistungselektronischen Schaltungen wird häufig eine impedanzarme Gleichspannungsquelle benötigt, der sogenannte Gleichspannungszwischenkreis. Dieser besitzt als Speicherelemente im Wesentlichen Kondensatoren. Sie bilden Energiespeicher für die durch die endlichen Schaltfrequenzen hervorgerufenen Stromoberschwingungen auf der Ein- bzw. Ausgangsseite und die damit verbundenen unterschiedlichen Augenblickswerte der Leistung und stützen die Gleichspannung bei Laständerung. Sie begrenzen damit auch die gegenseitigen Rückwirkungen zwischen Ein- und Ausgangsseite. In vielen Fällen dienen sie auch als impedanzarmer Bypass für die Kommutierungsvorgänge in den leistungselektronischen Schaltungen, wie zum Beispiel Umrichter oder Schaltwandler. Diese Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensatoren bestehen meistens aus einem einzigen Bauteil oder bilden eine Kondensatoreinheit aus einer Serien- und/oder Parallelschaltung mehrerer diskreter Kondensatoren.In Power electronic circuits are often needed a low-impedance DC power source, the so-called DC voltage intermediate circuit. This has as storage elements essentially capacitors. They form energy storage for the the finite switching frequencies caused current harmonics on the input or output side and the associated different Instantaneous values of the power and support the DC voltage Load change. They also limit the mutual repercussions between input and output Output side. In many cases They also serve as a low impedance bypass for the commutation processes in the power electronic circuits, such as converters or switching converter. These DC link capacitors mostly consist of a single component or form a capacitor unit from a series and / or parallel connection of several discrete Capacitors.

Die endliche Impedanz und Größe von Zwischenkreiskondensatoren mindert zwar die durch Schaltfrequenzen und zeitliche Varianz der Stromaufnahme verursachten Störungen der Spannung am Zwischenkreiskondensator, kann diese aber nicht ausreichend dämpfen. Daher werden zusätzliche Filter zur Verbesserung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) eingesetzt. Ein solches Filter ist eine elektrische Schaltung, die sowohl elektrische Störungen von elektronischen Geräten in das Versorgungsnetz begrenzt (Funkenstörung) als auch die Elektromagnetische Verträglichkeit elektrischer Geräte gegen Störungen aus dem Versorgungsnetz verbessert (Erhöhung der Störfestigkeit). EMV-Filter sind im Prinzip Tiefpässe aus Induktivitäten und Kondensatoren, d. h. passive elektrische Filter.The finite impedance and size of DC link capacitors Although reduces the through switching frequencies and temporal variance of Current consumption caused interference the voltage at the DC link capacitor, but this can not be enough dampen. Therefore, additional Filter to improve the electromagnetic compatibility (EMC) used. Such a filter is an electrical circuit, the both electrical disturbances of electronic devices limited to the supply network (spark failure) as well as the electromagnetic compatibility electrical appliances against disturbances improved from the supply network (increase immunity). EMC filters are in principle low passes from inductors and capacitors, d. H. passive electric filters.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Filtereinheit zu schaffen.task It is the object of the present invention to provide an improved filter unit to accomplish.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Filtereineinheit, insbesondere Zwischenkreiskondensator, für leistungselektronische Einheiten gelöst, wobei vorgesehen ist, dass die Filtereinheit mindestens einen Kondensator, mindestens ein erstes elektrisches Drosselelement und ein weichmagnetisches Material aufweist, wobei ein erster Anschluss des mindestens einen Kondensators mit dem ersten elektrischen Drosselelement verbunden ist, wobei das erste elektrische Drosselelement in magnetischem Kontakt zu dem weichmagnetischen Material steht und eine Induktivität zur Ausbildung eines EMV-Filters ausbildet, und wobei das weichmagnetische Material aus weichmagnetischen Partikeln oder aus in einem Kunststoff gebundenen weichmagnetischen Partikeln gebildet ist.According to the invention this Task with a filter unit, in particular DC link capacitor, for power electronic Units dissolved, where it is provided that the filter unit has at least one capacitor, at least a first electrical throttle element and a soft magnetic material wherein a first terminal of the at least one capacitor is connected to the first electrical throttle element, wherein the first electrical throttle element in magnetic contact to the soft magnetic material and an inductance for training an EMC filter is formed, and wherein the soft magnetic material made of soft magnetic particles or bound in a plastic soft magnetic particles is formed.

Die erfindungsgemäße Filtereinheit zeichnet sich durch eine multifunktionale Stromverschienung aus, wobei eine oder mehrere Verbindungsleitungen der Kondensatoren aufgrund ihrer Formgebung und durch das vorgesehene weichmagnetische Material eine so hohe Induktivität aufweisen, dass sie zusammen mit dem Kondensator bzw. den Kondensatoren der Filtereinheit zugleich ein EMV-Filter zur Unterdrückung von leitungsgebundenen und/oder gestrahlten elektromagnetischen Störungen, d. h. zur Gewährleistung der Elektromagnetischen Verträglichkeit bilden.The filter unit according to the invention is characterized by a multifunctional current busbar, wherein one or more connection lines of the capacitors due their shape and the intended soft magnetic material a so high inductance have, that together with the capacitor or the capacitors of the Filter unit at the same time an EMC filter to suppress conducted and / or radiated electromagnetic disturbances, d. H. to guarantee Electromagnetic compatibility form.

Die erfindungsgemäße Filtereinheit mit multifunktionaler Stromverschienung bildet eine kompakte Baugruppe, die ein Maximum an Dämpfungswirkung in einem gegebenen Bauvolumen realisiert, und die eine sehr hohe Volumensausnutzung auch bei komplex geformten Bauräumen ermöglicht. Viele der heute üblichen elektrischen Verbindungsstellen zwischen den Kondensatoren, den Wicklungen der Drosseln und den Anschlussterminals können beim Einsatz einer erfindungsgemäßen Stromverschienung entfallen. Dies trägt nicht nur zur Erhöhung der Zuverlässigkeit, sondern auch zur Reduzierung der Übergangswiderstände und damit der Verlustleistung bei.The filter unit according to the invention with multifunctional power railing forms a compact assembly, the maximum damping effect in realized a given volume of construction, and a very high volume utilization even with complex shaped installation spaces allows. Many of today's usual electrical connection points between the capacitors, the Windings of the chokes and the connection terminals can be used a Stromverschienung invention omitted. This carries not just to increase the reliability, but also to reduce the contact resistance and thus the power loss.

Die Erfindung erlaubt durch das ganz oder teilweise Umhüllen der Stromverschienung (vorteilhaft auch der Kondensatoren mit ihren Anschlussterminals) mit einem weichmagnetischen Werkstoff eine Reihe von Funktionen zugleich zu erfüllen, und realisiert damit einen hohen Grad an funktionaler Integration:

– Erhöhung der Längsinduktivität einer Stromverschienung zur Erhöhung der HF-Dämpfung
– Eröffnung einzigartiger Designfreiheitsgrade im Sinn einer gezielten Beeinflussbarkeit der elektromagnetischen Verkopplung der Filterkomponenten untereinander – sei es zur Reduzierung störender elektromagnetischer Verkopplungen oder zur Realisierung gezielter magnetischer Verkopplungen (z. B. zur Stromkompensation)
– Magnetische Abschirmung der Filtereinheit nach außen zur Reduzierung der Störabstrahlung
– Realsierung von „Gehäusefunktionalitäten” durch den Polymer-Werkstoff: • Schutz der Filterkomponenten gegen Feuchtigkeit • Schutz der Filterkomponenten vor mechanischen Einflüssen • Integration von Kabelanschlüssen oder Steckverbindern (z. B. durch Ein- oder Anspritzen beim Umspritzen der Stromschienen) • Integration von Befestigungselementen • Entwärmung der Filtereinheit (z. B. durch entsprechende Oberflächen- bzw. Außenflächengestaltung)

The invention allows by completely or partially enveloping the Stromverschienung (advantageously also the capacitors with their connection terminals) with a soft magnetic material to fulfill a number of functions at the same time, and thus realized a high degree of functional integration:

- Increasing the longitudinal inductance of a current busbar to increase the RF attenuation
- Opening of unique design degrees of freedom in the sense of a targeted influence of the electromagnetic coupling of the filter components among each other - be it to reduce disturbing electromagnetic couplings or to realize targeted magnetic couplings (eg for current compensation)
- Magnetic shielding of the filter unit to the outside to reduce the noise emission
- Realization of "housing functionalities" by the polymer material: • Protection of the filter components against moisture • Protection of the filter components from mechanical influences • Integration of cable connections or connectors (eg by injecting or injecting the busbars) • Integration of fastening elements • Heat dissipation of the filter unit (eg by ent speaking surface or outer surface design)

Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen bezeichnet.Further advantageous embodiments are designated in the subclaims.

Es kann vorgesehen sein, dass die Filtereinheit ein zweites elektrisches Drosselelement aufweist, und dass ein zweiter Anschluss des mindestens einen Kondensators mit dem zweiten elektrischen Drosselelement verbunden ist.It it can be provided that the filter unit is a second electrical Has throttle element, and that a second terminal of at least a capacitor connected to the second electrical throttle element is.

Weiter kann vorgesehen sein, dass das zweite elektrische Drosselelement in magnetischem Kontakt zu dem weichmagnetischen Material steht und eine Induktivität zur Ausbildung eines EMV-Filters ausbildet.Further can be provided that the second electrical throttle element is in magnetic contact with the soft magnetic material and an inductance to form an EMC filter.

In einer vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite elektrische Drosselelement eine Induktivität von größer als 1 μH aufweisen bzw. aufweist.In an advantageous embodiment is provided that the first and / or the second electrical throttle element has an inductance greater than 1 μH or has.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die weichmagnetischen Partikel des weichmagnetischen Materials in einer Kunststoffmatrix eingeschlossen sind. Die Kunststoffmatrix kann beispielsweise aus einer gießfähigen Mischung aus einem aushärtbaren Kunststoff gebildet sein, die nach dem Gießen und ggf. Verdichten durch Rütteln und/oder Anlegen von Vakuum ausgehärtet ist. Als Ausgangsmaterial kann beispielsweise Silicon, Epoxydharz oder Polyurethan vorgesehen sein, das mit etwa 50 bis 85 Vol.% magnetischer Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von 100 μm bis 1000 μm, zum Beispiel aus einer Fe-Legierung mit hoher Sättigungsmagnetisierung, hoher Permeabilität und erhöhten HF-Verlusten (z. B. FeSi) versetzt ist. Es kann auch vorgesehen sein, einen thermoplastischen Kunststoff, der mit magnetischen Partikeln versetzt oder vermischt ist, einzusetzen. Der thermoplastische Kunststoff kann vorteilhafterweise mittels Spritzguss eingebracht werden. Als Halbzeug kann beispielsweise ein Gemisch aus Kunststoffgranulat und weichmagnetischen Partikeln vorgesehen sein.In An advantageous development is provided that the soft magnetic Particles of the soft magnetic material in a plastic matrix are included. The plastic matrix can be made, for example a pourable mixture from a hardenable Plastic be formed after pouring and possibly compacting Shaking and / or Application of vacuum cured is. As starting material, for example, silicone, epoxy resin or polyurethane provided with about 50 to 85 vol.% Magnetic Particles with an average particle size of 100 μm to 1000 μm, for example of a Fe alloy with high saturation magnetization, high permeability and increased HF losses (eg FeSi) is offset. It can also be provided be a thermoplastic containing magnetic particles added or mixed, use. The thermoplastic can be advantageously introduced by injection molding. When Semi-finished product, for example, a mixture of plastic granules and be provided soft magnetic particles.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Kondensatoreinheit mindestens zwei Kondensatoren aufweist und dass die mindestens zwei Kondensatoren über das erste und das zweite elektrische Drosselelement parallel geschaltet verbunden sind, wobei jeweils ein erster Anschluss der mindestens zwei Kondensatoren über das erste elektrische Drosselelement und jeweils ein zweiter Anschluss der mindestens zwei Kondensatoren über das zweite elektrische Drosselelement verbunden sind.Further it can be provided that the capacitor unit at least two Has capacitors and that the at least two capacitors on the first and the second electrical throttle element connected in parallel are connected, wherein in each case a first connection of at least two capacitors over the first electrical throttle element and in each case a second connection the at least two capacitors via the second electrical throttle element are connected.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass das erste und das zweite elektrische Drosselelement so angeordnet sind, dass die von den elektrischen Drosselelementen induzierten magnetischen Flüsse eine gleiche Flussrichtung aufweisen.It can be further provided that the first and the second electrical Throttling element are arranged so that the of the electrical throttle elements induced magnetic fluxes have an identical flow direction.

Es ist aber auch möglich, dass das erste und das zweite elektrische Drosselelement so angeordnet sind, dass die von den elektrischen Drosselelementen induzierten magnetischen Flüsse eine entgegengesetzte Flussrichtung aufweisen. Dadurch kann beispielsweise eine Stromkompensation herbeigeführt werden.It but it is also possible that the first and the second electrical throttle element so arranged are that induced by the electrical throttle elements magnetic rivers have an opposite direction of flow. This can, for example a current compensation brought about become.

Weiter kann vorgesehen sein, dass das erste und/oder das zweite elektrische Drosselelement als Verschienung ausgebildet sind bzw. ist. Die Ausbildung der Drosselelemente als Verschienung kann insbesondere bei leistungselektronischen Baugruppen Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Verdrahtung aufweisen, weil durch die großflächige Verschienung u. a. eine gute Verlustwärmeabfuhr möglich ist. In die Verschienung können die Anschlüsse der Kondensatoren und der Kondensatoreinheit einbezogen sein, so dass die Verschienung als ein einstückiger Körper ausgebildet sein kann, der beispielsweise durch Stanzen aus einem Blech herstellbar ist. Bei dem Blechmaterial kann es sich um Material mit einem geringen spezifischen Widerstand, wie Kupfer oder Aluminium, oder um eine Metalllegierung handeln.Further can be provided that the first and / or the second electrical Throttle element are designed as a busbar or is. Training the throttle elements as a busbar can be particularly power electronic Assembly advantages over a conventional one Have wiring, because u by the large-scale busbar. a. a good loss of heat dissipation possible is. In the busbar can the connections of the Capacitors and the capacitor unit should be included, so that the busbar as a one-piece body may be formed, for example, by punching from a Sheet metal can be produced. The sheet material may be material with a low resistivity, such as copper or aluminum, or to trade a metal alloy.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass das erste und/oder das zweite elektrische Drosselelement von dem weichmagnetischen Material umgeben sind bzw. ist. In einer vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass der oder die Kondensatoren, die Verschienungsstruktur und das umgebende weichmagnetische Material eine kompakte Einheit mit minimalem Totvolumen bilden.In a further advantageous embodiment can be provided that the first and / or the second electrical throttle element of the soft magnetic material are surrounded or is. In an advantageous Training is provided that the one or more capacitors Busbar structure and surrounding soft magnetic material form a compact unit with minimal dead volume.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass das erste und/oder das zweite elektrische Drosselelement als in einer Ebene verlaufende Bogenabschnitte oder Vieleckabschnitte ausgebildet sind bzw. ist, die die axialen Endabschnitte der Kondensatoren miteinander verbinden.It can further be provided that the first and / or the second electric throttle element as extending in a plane arc sections or Polygon sections are formed, which is the axial end portions connect the capacitors together.

Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste und/oder das zweite elektrische Drosselelement als Wicklungen ausgebildet sind bzw. als Wicklung ausgebildet ist, die die axialen Endabschnitte der Kondensatoren miteinander verbinden. Die Induktivität L einer flachen Spule mit kreisförmigem Querschnitt mit einer Windungszahl N, einem Außendurchmesser R und einem Innendurchmesser r sowie Induktivitätskonstanten μ₀ für Vakuum und μ_r für das weichmagnetische Kernmaterial kann beispielsweise nach folgender Formel berechnet werden: L = N2·μ0μr(R – r)/2π·In (R/r) It can also be provided that the first and / or the second electrical throttle element are formed as windings or formed as a winding, which connect the axial end portions of the capacitors together. The inductance L of a flat coil having a circular cross section with a number of turns N, an outer diameter R and an inner diameter r and inductance constants μ ₀ for vacuum and μ _r for the soft magnetic core material can be calculated, for example, according to the following formula: L = N 2 · μ 0 μ r (R - r) / 2π · In (R / r)

Folglich ist bei gleicher Spulengeometrie die Induktivität einer auf einen Kern gewickelten Spule größer als bei einer Luftspule.consequently is the inductance of a wound on a core with the same coil geometry Coil larger than in an air coil.

Weiter kann vorgesehen sein, dass das weichmagnetische Material einen Magnetkern bildet, der eine magnetische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Drosselelement ausbildet. Auf diese Weise können die Drosselelemente in Verbindung mit dem weichmagnetischen Material einen Transformator bilden, mit dem beispielsweise eine Stromkompensation einstellbar ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das weichmagnetische Material die Kondensatoren und die Wicklungen umschließt. Das weichmagnetische Material kann damit auch eine Abschirmung für die Kondensatoren bilden, wodurch die elektromagnetische Störstrahlung der Kondensatoreinheit weiter reduziert wird.Further it can be provided that the soft magnetic material has a magnetic core forms a magnetic coupling between the first and the second electrical throttle element forms. In this way, the Throttling elements in conjunction with the soft magnetic material form a transformer, with the example, a current compensation is adjustable. In an advantageous development can be provided that the soft magnetic material, the capacitors and the windings encloses. The soft magnetic material can thus also provide a shield for the capacitors form, whereby the electromagnetic interference of the capacitor unit is further reduced.

Sofern erforderlich, können die Kondenstoren der Kondensatoreinheit aus Teilkondensatoren bestehen, die parallel und/oder in Reihe geschaltet sind. Der Aufbau der Kondenstoren aus parallel geschalteten Teilkondensatoren kann beispielsweise aus konstruktiven Gründen zweckmäßig sein. Der Aufbau der Kondensatoren aus in Reihe geschalteten Kondensatoren kann beispielsweise aus Gründen der Spannungsfestigkeit zweckmäßig sein.Provided required, can the condensers of the condensing unit consist of partial condensers, which are connected in parallel and / or in series. The structure of the Kondenstoren from parallel-connected partial capacitors can, for example, from constructive reasons be appropriate. The structure of the capacitors made up of series capacitors for example, for reasons the dielectric strength be appropriate.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass das weichmagnetische Material, die Kondensatoren und die Leiterstruktur des ersten und/oder des zweiten elektrischen Drosselelements durch eine elastische Schicht voneinander thermomechanisch entkoppelt sind. Das elastische Material der Schicht verringert die thermomechanischen Spannungen, die zwischen den genannten Komponenten während des Herstellungsprozesses oder im Betrieb auftreten können. Die elastische Schicht kann auch als Einlegeteil ausgebildet sein, beispielsweise als Abstandshalter.It can further be provided that the soft magnetic material, the capacitors and the conductor structure of the first and / or the second electrical throttle element by an elastic layer are thermo-mechanically decoupled from each other. The elastic material the layer reduces the thermo - mechanical stresses that exist between the layers during the mentioned components of the manufacturing process or during operation. The elastic layer may also be formed as an insert, for example as a spacer.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Gesamtkapazität der mindestens zwei Kondensatoren größer als 10 μF ist.Further can be provided that the total capacity of the at least two capacitors greater than 10 μF is.

Es kann weiter die Verwendung der Kondensatoreinheit als Zwischenkreiskondensator in einer leistungselektronischen Einheit, insbesondere einem Umrichter oder Schaltwandler, vorgesehen sein. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kondensatoreinheit kann eine besonders kompakte Bauweise erreicht werden, weil die Kondensatoreinheit zugleich die Funktion des EMV-Filters übernimmt. Weiter ist eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Umrichters oder Schaltwandlers zu erwarten, weil die Anzahl der Bauteile und/oder Verbindungsstellen reduziert ist.It can continue the use of the capacitor unit as a DC link capacitor in a power electronic unit, in particular a converter or switching converter, be provided. By using the capacitor unit according to the invention a particularly compact design can be achieved because the Capacitor unit also takes over the function of the EMC filter. Further is an increase the reliability of the inverter or switching converter, because the number the components and / or joints is reduced.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigenThe The invention will now be explained in more detail with reference to exemplary embodiments. It demonstrate

1a–1c Prinzipschaltbilder einer ersten Schaltungsvariante der erfindungsgemäßen Filtereinheit; 1a - 1c Schematic diagrams of a first circuit variant of the filter unit according to the invention;

2a–2c Prinzipschaltbilder einer zweiten Schaltungsvariante der erfindungsgemäßen Filtereinheit; 2a - 2c Schematic diagrams of a second circuit variant of the filter unit according to the invention;

3a–3c Prinzipschaltbilder einer dritten Schaltungsvariante der erfindungsgemäßen Filtereinheit; 3a - 3c Block diagrams of a third circuit variant of the filter unit according to the invention;

4 ein Prinzipschaltbild einer vierten Schaltungsvariante der erfindungsgemäßen Filtereinheit; 4 a schematic diagram of a fourth circuit variant of the filter unit according to the invention;

5a und 5b Prinzipschaltbilder eines ersten und zweiten Anwendungsbeispiels der erfindungsgemäßen Filtereinheit; 5a and 5b Schematic diagrams of a first and second application example of the filter unit according to the invention;

6 einen Blockkondensator nach dem Stand der Technik in perspektivischer Darstellung; 6 a block capacitor according to the prior art in a perspective view;

7 eine toroidförmigen Kondensator nach dem Stand der Technik in perspektivischer Darstellung; 7 a toroidal capacitor according to the prior art in a perspective view;

8 eine Schnittdarstellung des Kondensators nach dem Stand der Technik in 7 entlang der Schnittlinie VIII-VIII; 8th a sectional view of the capacitor according to the prior art in 7 along the section line VIII-VIII;

9 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Filtereinheit in perspektivischer Darstellung; 9 a first embodiment of a filter unit according to the invention in a perspective view;

10 eine schematische Draufsicht der Filtereinheit in 9 in schematischer Darstellung; 10 a schematic plan view of the filter unit in 9 in a schematic representation;

11 eine schematische Schnittdarstellung der Filtereinheit in 9 entlang der Schnittlinie XI-XI in 9; 11 a schematic sectional view of the filter unit in 9 along the section line XI-XI in 9 ;

12 eine schematische Schnittdarstellung der Filtereinheit in 9 entlang der Schnittlinie XII-XII in 9; 12 a schematic sectional view of the filter unit in 9 along the section line XII-XII in 9 ;

13a–13c schematische Schnittdarstellungen von Ausbildungsvarianten der Filtereinheit in 9; 13a - 13c schematic sectional views of training variants of the filter unit in 9 ;

13d eine vergrößerte Einzelheit der Schnittdarstellung in 13c; 13d an enlarged detail of the sectional view in 13c ;

13e eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildungsvariante der Filtereinheit in 9; 13e a schematic sectional view of another embodiment variant of the filter unit in 9 ;

14 eine schematische Draufsicht einer noch weiteren Ausbildungsvariante der Filtereinheit in 9; 14 a schematic plan view of a Still another training variant of the filter unit in 9 ;

15 eine perspektivische Darstellung einer mit Blockkondensatoren ausgebildeten erfindungsgemäßen Filtereinheit; 15 a perspective view of a formed with blocking capacitors filter unit according to the invention;

16 ein drittes Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filtereinheit in schematischer Schnittdarstellung; 16 a third application example of the filter unit according to the invention in a schematic sectional view;

17 ein viertes Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filtereinheit in schematischer Schnittdarstellung. 17 a fourth application example of the filter unit according to the invention in a schematic sectional view.

Die 1a bis 1c zeigen Prinzipschaltbilder von ersten Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Filtereinheit 1, die aus einem Kondensator 10 und mindestens einem Drosselelement 12 bzw. 12' besteht. Als Drosselelemente sind Verbindungsleitungen bezeichnet, die gegenüber einer herkömmlichen Verbindungsleitung eine merklich vergrößerte Induktivität aufweisen.The 1a to 1c show schematic diagrams of first embodiments of a filter unit according to the invention 1 coming from a capacitor 10 and at least one throttle element 12 respectively. 12 ' consists. As throttle elements connecting lines are referred to, which have a significantly increased inductance compared to a conventional connecting line.

Die Filtereinheit 1 weist Eingangsklemmen 11 und 11' sowie Ausgangsklemmen 13 und 13' auf. Eingangsklemmen bzw. Ausgangsklemmen bilden jeweils ein Klemmenpaar.The filter unit 1 has input terminals 11 and 11 ' as well as output terminals 13 and 13 ' on. Input terminals or output terminals each form a pair of terminals.

Das Drosselelement 12 bzw. 12' kann jeweils aus einer flachen Spule mit einer Windungszahl N kleiner 1 ausgebildet sein, beispielsweise mit einer halben Windung. Die Induktivität L einer flachen Spule mit der Windungszahl N, einem Außendurchmesser R und einem Innendurchmesser r sowie Induktivitätskonstanten μ₀ für Vakuum und μ_r für das Kernmaterial kann nach folgender Formel berechnet werden: L = N2·μ0μr(R – r)/2π·In(R/r) The throttle element 12 respectively. 12 ' can each be formed from a flat coil with a number of turns N smaller than 1, for example, with a half turn. The inductance L of a flat coil with the number of turns N, an outer diameter R and an inner diameter r and inductance constants μ ₀ for vacuum and μ _r for the core material can be calculated according to the following formula: L = N 2 · μ 0 μ r (R - r) / 2π · In (R / r)

Die Drosselelemente 12 und 12' sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie eine Induktivität von mindestens 1 μH aufweisen. Sie können zur Erhöhung der Induktivität von einem weichmagnetischen Material umgeben sein, wie weiter unten beschrieben.The throttle elements 12 and 12 ' are preferably designed to have an inductance of at least 1 μH. They may be surrounded by a soft magnetic material to increase the inductance, as described below.

Die in 1a dargestellte Filtereinheit 1 weist das eine Drosselelement 12 auf, das zwischen dem Kondensator 10 und der Ausgangsklemme 13 angeordnet ist.In the 1a shown filter unit 1 this has a throttle element 12 on that between the capacitor 10 and the output terminal 13 is arranged.

Die in 1b dargestellte Filtereinheit 1 weist die zwei Drosselelemente 12 und 12' auf, die zwischen dem Kondensator 10 und der Ausgangsklemme 13 bzw. 13' angeordnet sind.In the 1b shown filter unit 1 has the two throttle elements 12 and 12 ' on that between the capacitor 10 and the output terminal 13 respectively. 13 ' are arranged.

Die in 1c dargestellte Filtereinheit 1 weist die zwei Drosselelemente 12 und 12' auf, die zwischen dem Kondensator 10 und der Ausgangsklemme 13 bzw. 13' angeordnet sind. Die beiden Drosselelemente 12 und 12' sind weiter durch eine magnetische Kopplung 12k miteinander magnetisch verkoppelt. Die magnetische Kopplung 12k kann beispielsweise durch eine enge räumliche Anordnung der beiden Drosselelemente 12 und 12' ausgebildet sein. Die magnetische Kopplung 12k kann vorzugsweise zur Kompensation der Gleichströme im Hin- und Rückleiter vorgesehen sein, da sich dadurch die Baugröße der Drosselelemente erheblich reduzieren läßt, bzw. sich bei gleicher Baugröße erheblich höhere Induktivitätswerte und damit bessere Dämpfungseigenschaften erzielen lassen.In the 1c shown filter unit 1 has the two throttle elements 12 and 12 ' on that between the capacitor 10 and the output terminal 13 respectively. 13 ' are arranged. The two throttle elements 12 and 12 ' are further through a magnetic coupling 12k coupled together magnetically. The magnetic coupling 12k For example, by a close spatial arrangement of the two throttle elements 12 and 12 ' be educated. The magnetic coupling 12k may preferably be provided to compensate for the direct currents in the forward and return conductors, as this can significantly reduce the size of the throttle elements, or can be achieved with the same size significantly higher inductance and thus better damping properties.

Die 2a bis 2c zeigen Prinzipschaltbilder von zweiten Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Filtereinheit. Eine Filtereinheit 2 weist den Kondensator 10 und mindestens zwei Drosselelemente auf. Die Filtereinheit 2 weist weiter die Eingangsklemmen 11 und 11' sowie die Ausgangsklemmen 13 und 13' auf, die jeweils ein Klemmenpaar bilden.The 2a to 2c show schematic diagrams of second embodiments of a filter unit according to the invention. A filter unit 2 has the capacitor 10 and at least two throttle elements. The filter unit 2 further points the input terminals 11 and 11 ' as well as the output terminals 13 and 13 ' on, each forming a terminal pair.

Die in 2a dargestellte Filtereinheit 2 weist das Drosselelement 12 auf, das zwischen dem Kondensator 10 und der Ausgangsklemme 13 angeordnet ist, sowie ein Drosselelement 14, das zwischen dem Kondensator 10 und der Eingangsklemme 11 angeordnet ist.In the 2a shown filter unit 2 has the throttle element 12 on that between the capacitor 10 and the output terminal 13 is arranged, and a throttle element 14 that between the capacitor 10 and the input terminal 11 is arranged.

Die in 2b dargestellte Filtereinheit 2 weist die Drosselelemente 12, 12' und 14 auf sowie ein Drosselelement 14', das zwischen dem Kondensator 10 und der Eingangsklemme 11' angeordnet ist.In the 2 B shown filter unit 2 has the throttle elements 12 . 12 ' and 14 on and a throttle element 14 ' that between the capacitor 10 and the input terminal 11 ' is arranged.

Die in 2c dargestellte Filtereinheit 2 ist wie die in 2b beschriebene Filtereinheit ausgebildet, jedoch mit dem Unterschied, dass die Drosselelemente 12 und 12' durch die weiter oben in 1c beschriebene magnetische Kopplung 12k miteinander gekoppelt sind.In the 2c shown filter unit 2 is like that in 2 B described filter unit is formed, but with the difference that the throttle elements 12 and 12 ' through the above in 1c described magnetic coupling 12k coupled together.

Die 3a bis 3c zeigen Prinzipschaltbilder von dritten Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Filtereinheit. Eine Filtereinheit 3 weist den Kondensator 10, einen Kondensator 10', der dem Kondensator 10 parallel geschaltet ist, sowie mindestens ein Drosselelement auf, das eine Verbindungsleitung zwischen den Kondensatoren 10 und 10' bildet. Die Filtereinheit 3 weist weiter die Eingangsklemmen 11 und 11' sowie die Ausgangsklemmen 13 und 13' auf, die jeweils ein Klemmenpaar bilden.The 3a to 3c show schematic diagrams of third embodiments of a filter unit according to the invention. A filter unit 3 has the capacitor 10 , a capacitor 10 ' that the capacitor 10 is connected in parallel, and at least one throttle element, which is a connecting line between the capacitors 10 and 10 ' forms. The filter unit 3 further points the input terminals 11 and 11 ' as well as the output terminals 13 and 13 ' on, each forming a terminal pair.

Die in 3a dargestellte Filtereinheit 3 weist das Drosselelement 12 auf, das zwischen dem Kondensator 10 und dem Kondensator 10' angeordnet ist. Das Drosselelement 12 ist weiter zwischen der Eingangsklemme 11 und der Ausgangsklemme 13 angeordnet.In the 3a shown filter unit 3 has the throttle element 12 on that between the capacitor 10 and the capacitor 10 ' is arranged. The throttle element 12 is further between the input terminal 11 and the output terminal 13 arranged.

Die in 3b dargestellte Filtereinheit 3 weist die Drosselelemente 12, 12' auf. Das Drosselelement 12 bildet wie auch in dem Ausführungsbeispiel in 3a eine der Verbindungsleitungen zwischen den Kondensatoren 10 und 10' und ist weiter zwischen der Eingangsklemme 11 und der Ausgangsklemme 13 angeordnet. Das Drosselelement 12' bildet die andere der Verbindungsleitungen zwischen den Kondensatoren 10 und 10' und ist weiter zwischen der Eingangsklemme 11' und der Ausgangsklemme 13' angeordnet.In the 3b shown filter unit 3 has the throttle elements 12 . 12 ' on. The throttle element 12 forms as well as in the embodiment in 3a one of the connecting lines between the capacitors 10 and 10 ' and is further between the input terminal 11 and the output terminal 13 arranged. The throttle element 12 ' forms the other of the connecting lines between the capacitors 10 and 10 ' and is further between the input terminal 11 ' and the output terminal 13 ' arranged.

Die in 3c dargestellte Filtereinheit 3 ist wie die in 3b beschriebene Filtereinheit ausgebildet, jedoch mit dem Unterschied, dass die Drosselelemente 12 und 12' durch die weiter oben in 1c beschriebene magnetische Kopplung 12k miteinander gekoppelt sind.In the 3c shown filter unit 3 is like that in 3b described filter unit is formed, but with the difference that the throttle elements 12 and 12 ' through the above in 1c described magnetic coupling 12k coupled together.

Die 4 zeigt ein Prinzipschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Filtereinheit. Eine Filtereinheit 4 weist drei parallel geschaltete Kondensatoren 10, 10' und 10'' auf, deren Verbindungsleitungen jeweils durch Drosselelemente gebildet sind. Die Filtereinheit 3 weist weiter die Eingangsklemmen 11 und 11' sowie die Ausgangsklemmen 13 und 13' auf, die jeweils ein Klemmenpaar bilden.The 4 shows a schematic diagram of a fourth embodiment of a filter unit according to the invention. A filter unit 4 has three parallel capacitors 10 . 10 ' and 10 '' on, the connecting lines are each formed by throttle elements. The filter unit 3 further points the input terminals 11 and 11 ' as well as the output terminals 13 and 13 ' on, each forming a terminal pair.

Die Drosselelemente 14 und 14' verbinden die Kondensatoren 10 und 10' und die Drosselelemente 12 und 12' die Kondensatoren 10' und 10''. Weiter verbinden die in Reihe geschalteten Drosselelemente 14 und 12 die Klemmen 11 und 13 sowie die Drosselelemente 14' und 12' die Klemmen 11' und 13'.The throttle elements 14 and 14 ' connect the capacitors 10 and 10 ' and the throttle elements 12 and 12 ' the capacitors 10 ' and 10 '' , Further connect the series-connected throttle elements 14 and 12 the clamps 11 and 13 and the throttle elements 14 ' and 12 ' the clamps 11 ' and 13 ' ,

Die in 1a bis 4 dargestellten Filtereinheiten sind Vierpole mit entweder zwei niederimpedanten Klemmenpaaren oder zwei hochimpedanten Klemmenpaaren oder einem nieder- und einem hochimpedanten Klemmenpaar zur Verwendung je nach der Impedanzlage der angeschlossenen Störquelle (Leistungshalbleiterschalter) und Störsenke (z. B. des Versorgungsnetzes). Sowohl der Zwischenkreiskondensator eines Spannungszwischenkreiswandlers als auch die Zwischenkreisdrossel eines Stromzwischenkreisumrichters können Teil dieser Filtereinheiten sein. Den Spannungszwischenkreis kann dabei nur ein niederimpedantes Klemmenpaar bilden.In the 1a to 4 The filter units shown are four-poles with either two low impedance terminal pairs or two high impedance terminal pairs or one low and one high impedance terminal pair for use depending on the impedance of the connected noise source (power semiconductor switch) and noise sink (eg of the utility grid). Both the DC link capacitor of a DC link converter and the DC reactor of a Stromkreiskreisumrichters may be part of these filter units. The voltage intermediate circuit can form only a low-impedance terminal pair.

Mit den erfindungsgemäßen Filtereinheiten können sowohl erd-symmetrische als auch erd-unsymmetrische Filterstrukturen ausgeführt werden. Erstere besitzen stets eine Drossel in beiden Gleichstromzuleitungen, während bei erd-unsymmetrischen Filtern im Allgemeinen eine direkte Verbindung zwischen einer ein- und einer ausgangsseitigen Klemme besteht.With The filter units according to the invention can both earth-symmetrical as well as earth-unbalanced filter structures are executed. The former always have a choke in both DC supply lines, while at erd-unbalanced Filters in general a direct connection between a and an output-side terminal.

In 5a und 5b sind Anwendungen der vorstehend beschriebenen Filtereinheiten in Zwischenkreisanordungen beispielhaft dargestellt.In 5a and 5b Applications of the above-described filter units in DC link arrangements are exemplified.

In 5a ist die weiter oben in 3b beschriebene Filtereinheit 3 vor eine Motorsteuerung 4a geschaltet, in 5b ist der Eingang eines elektronischen Leistungsschaltglieds 4b mit dem Ausgang der weiter oben in 3b beschriebenen Filtereinheit 3 verbunden und der Ausgang des Leistungsschaltglieds 4b ist mit der weiter oben in 1a beschriebenen Filtereinheit 1 verbunden.In 5a is the one up in 3b described filter unit 3 in front of a motor control 4a switched, in 5b is the input of an electronic power switching element 4b with the output of the above in 3b described filter unit 3 connected and the output of the power switching element 4b is with the above in 1a described filter unit 1 connected.

In 6 bis 8 sind beispielhaft zwei Grundbauformen von Leistungskondensatoren gemäß dem Stand der Technik dargestellt: die Blockbauform und die zylindrische Bauform mit ihrem Spezialfall eines Toroiden. Vorteilhafterweise kommen in modernen Zwischenkreisen und EMV-Filtereinheiten Kondensatoren in Folientechnologie (Schichtstapel oder Ringwickel) oder großformatige keramische Vielschichtkondensatoren (Multi-Layer Ceramic Capacitors – MLCCs) zum Einsatz. Auch Elektrolytkondensatoren sind grundsätzlich geeignet, sie unterliegen aber aufgrund ihrer schlechten HF-Eigenschaften, ihrer thermischen Grenzen und der Notwendigkeit eines individuellen hermetisch dichten Gehäuses erheblichen Einschränkungen.In 6 to 8th For example, two basic designs of power capacitors according to the prior art are shown: the block design and the cylindrical design with its special case of a toroid. Advantageously, in modern intermediate circuits and EMC filter units capacitors in film technology (layer stack or ring winding) or large-sized ceramic multilayer capacitors (multi-layer ceramic capacitors - MLCCs) are used. Also, electrolytic capacitors are generally suitable, but they are subject to considerable limitations due to their poor RF properties, their thermal limits and the need for an individual hermetically sealed housing.

6 zeigt einen Blockkondensator 6 nach dem Stand der Technik mit großflächigen Anschlussflächen 61 und 63. 6 shows a blocking capacitor 6 according to the prior art with large areas 61 and 63 ,

7 und 8 zeigen einen toroidischen Kondensator 7 nach dem Stand der Technik mit großflächigen Anschlussflächen 71 und 73. Bei den Kondensatoren 6 und 7 handelt es sich um ungehäuste Folienkondensatoren bzw. MLCCs, die direkt mit den Stromverschienungen beispielsweise durch Löten, Schweißen, oder Leitkleben kontaktiert werden können, oder sogar Teil der Stromverschienung selbst sein können. 7 and 8th show a toroidal capacitor 7 according to the prior art with large areas 71 and 73 , With the capacitors 6 and 7 These are unhoused film capacitors or MLCCs, which can be contacted directly with the current busbars, for example by soldering, welding or conductive bonding, or even can be part of the current busbar itself.

9 bis 12 zeigen nun ein Ausführungsbeispiel der Filtereinheit 3 in 3b in perspektivischer Darstellung. Die 9 zeigt eine perspektivische Ansicht, die 10 bis 12 zeigen eine schematische Draufsicht und schematische Schnittansichten der Filtereinheit 3. 9 to 12 now show an embodiment of the filter unit 3 in 3b in perspective view. The 9 shows a perspective view, the 10 to 12 show a schematic plan view and schematic sectional views of the filter unit 3 ,

Die beiden parallel geschalteten Kondensatoren 10 und 10' der Filtereinheit 3 sind als ineinander gesteckte axial fluchtende kreiszylinderförmige Kondensatoren ausgebildet, wobei der Kondenstor 10, der den inneren Kondensator bildet, einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Kondensators 10', der den äußeren Kondensator bildet. Die beiden Kondensatoren 10, 10' sind an ihren Stirnseiten kontaktiert und über jeweils eines der beiden Drosselelemente 12 und 12' miteinander verbunden. Die Anschlüsse 11, 11', 13 und 13' der Filtereinheit 3 sind als Kontaktfahnen ausgebildet. (Der Anschluss 11' ist in 9 nicht dargestellt.) Die Filtereinheit 3 realisiert die in 3b dargestellte symmetrische π-Filterstruktur mit den beiden Kondensatoren 10 und 10'. Erfindungsgemäß sind das Drosselelement 12 (das ist die positive Stromschiene) und das Drosselelement 12' (das ist die negative Stromschiene) zwischen den Kondensatoren 10, 10' geometrisch so ausgebildet, daß die Länge der elektrischen Verbindungsleitung zwischen den Kondensatoren 10, 10' möglichst groß wird. Die Drosselelemente 12 und 12' sind aus diesem Grund als ein Kreisbogen ausgebildet, der jeweils einen Anschluss des Kondensators 10 mit einem Anschluss des Kondensators 10' verbindet. Wegen der bogenförmigen Ausbildung weisen die Drosselelemente 12 und 12' bereits eine höhere magnetische Induktivität auf, als ein vergleichbares geradliniges Verbindungselement.The two parallel connected capacitors 10 and 10 ' the filter unit 3 are designed as nested axially aligned circular cylindrical capacitors, wherein the Kondenstor 10 , which forms the inner capacitor, has an outer diameter which is smaller than the inner diameter of the capacitor 10 ' that the äuße ren capacitor forms. The two capacitors 10 . 10 ' are contacted at their end faces and each one of the two throttle elements 12 and 12 ' connected with each other. The connections 11 . 11 ' . 13 and 13 ' the filter unit 3 are designed as contact lugs. (The connection 11 ' is in 9 not shown.) The filter unit 3 realized the in 3b illustrated symmetric π-filter structure with the two capacitors 10 and 10 ' , According to the invention, the throttle element 12 (this is the positive busbar) and the throttle element 12 ' (this is the negative bus bar) between the capacitors 10 . 10 ' geometrically shaped so that the length of the electrical connection line between the capacitors 10 . 10 ' as big as possible. The throttle elements 12 and 12 ' For this reason, they are formed as a circular arc, each having one terminal of the capacitor 10 with a connection of the capacitor 10 ' combines. Because of the arcuate design, the throttle elements 12 and 12 ' already a higher magnetic inductance, as a comparable rectilinear connecting element.

Weiter sind die Drosselelemente 12 und 12' von einem weichmagnetischen Material 15 umgeben, das einen Spulenkern bildet und die magnetische Induktivität des Drosselelements weiter erhöht. Bei dem weichmagnetischen Material (15) kann es sich um einen thermoplastischen Kunststoff handeln, in dem Partikel aus einem weichmagnetischen Material verteilt sind. Das weichmagnetisch gefüllte Polymer weist vorteilhaft hohe HF-Verluste auf. Dies reduziert die Güte des Filters und unterdrückt wirksam unerwünschte parasitäre Oszillationen zwischen den Filterelementen. Beide Maßnahmen führen zu einer Erhöhung der Induktivität der Leitung zwischen den beiden Kondensatoren und damit zu einer Verbesserung der HF-Dämpfungseigenschaften.Next are the throttle elements 12 and 12 ' from a soft magnetic material 15 surrounding, which forms a coil core and further increases the magnetic inductance of the throttle element. In the soft magnetic material ( 15 ) may be a thermoplastic in which particles are distributed from a soft magnetic material. The magnetically filled polymer advantageously has high HF losses. This reduces the quality of the filter and effectively suppresses unwanted parasitic oscillations between the filter elements. Both measures lead to an increase in the inductance of the line between the two capacitors and thus to an improvement in the RF damping properties.

Die Drosselelemente 12 bzw. 12' bilden zusammen mit den stirnseitigen Anschlüssen der Kondensatoren 10, 10' und den Kontaktfahnen 13 bzw. 13' eine Verschienung, die jeweils an den Stirnseiten der Filtereinheit 3 angeordnet ist.The throttle elements 12 respectively. 12 ' form together with the frontal terminals of the capacitors 10 . 10 ' and the contact flags 13 respectively. 13 ' a busbar, each at the ends of the filter unit 3 is arranged.

Die 11 und 12 sind Schnittdarstellungen längs der in 10 bezeichneten Schnittlinien. Sie zeigen, dass die Drosselelemente 12 und 12' Abschnitte aufweisen, die in den Zwischenraum zwischen den beiden toroidförmigen Kondensatoren 10, 10' hineinragen.The 11 and 12 are sectional views along the in 10 designated cutting lines. They show that the throttle elements 12 and 12 ' Have sections in the space between the two toroidal capacitors 10 . 10 ' protrude.

Die 13a bis 13d zeigen nun im Detail mögliche vorteilhafte Ausführungsformen der Leiterstruktur zwischen den beiden Kondensatoren 10. 10' in 10 in Schnittdarstellungen längs der Schnittlinie XII-XII in 10.The 13a to 13d now show in detail possible advantageous embodiments of the conductor structure between the two capacitors 10 , 10 ' in 10 in sectional views along the section line XII-XII in 10 ,

In 13a verlaufen Abschnitte der Drosselelemente 12 und 12' hochkant konzentrisch zwischen den beiden toroidförmigen Kondensatoren 10, 10'. Die Hochkant-Anordnung erlaubt große Leiterquerschnitte durch eine optimale Raumnutzung des Spalts zwischen den beiden Kondensatoren, ohne die Bauhöhe der Anordnung zu vergrößern.In 13a run portions of the throttle elements 12 and 12 ' upright concentric between the two toroidal capacitors 10 . 10 ' , The edgewise arrangement allows large conductor cross-sections through optimal space utilization of the gap between the two capacitors without increasing the overall height of the arrangement.

Über den Abstand der besagten beiden Leitungsabschnitte der Drosselelemente 12 und 12' lässt sich der Grad der magnetischen Verkopplung anpassen. Eine maximale Verkopplung wird durch eine parallele Führung in engem Abstand, wie in 13b dargestellt, erzielt, wobei vorteilhaft ein elektrisch gut isolierendes Material 115 zwischen den benachbarten Leitungsabschnitten die notwendige Isolationsfestigkeit sicherstellt. Die Stromrichtung, mit der die beiden Leitungsabschnitte der Drosselelemente 12 und 12' durchflossen werden ist, per Design beliebig festlegbar (parallele oder antiparallele Durchflutung), dadurch ist auch das Vorzeichen der magnetischen Verkopplung definierbar.About the distance of said two line sections of the throttle elements 12 and 12 ' the degree of magnetic coupling can be adjusted. A maximum coupling is achieved by a parallel guide at close range, as in 13b shown achieved, wherein advantageously a good electrical insulating material 115 Ensures the necessary insulation resistance between the adjacent line sections. The current direction with which the two line sections of the throttle elements 12 and 12 ' can be traversed by design arbitrarily fixed (parallel or antiparallel flooding), thereby the sign of the magnetic coupling is definable.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform nach 13c sind die Leitungsabschnitte der Drosselelemente 12 und/oder 12' mit einer Oberflächenbeschichtung 111 versehen (siehe Detailansicht in 13d), die für die aufgrund des Skin- und Proximity-Effekts an der Oberfläche der Leitungsabschnitte verlaufenden HF-Störströme eine zusätzliche Dämpfung verursacht. Eine solche Schicht kann zum Beispiel aus einer Nickel-Legierung bestehen.In a further advantageous embodiment according to 13c are the line sections of the throttle elements 12 and or 12 ' with a surface coating 111 provided (see detail view in 13d ), which causes an additional damping for the due to the skin and Proximity effect on the surface of the line sections running RF interference currents. Such a layer may for example consist of a nickel alloy.

Die in den 13a bis 13d dargestellten Ausführungsformen lassen sich beispielsweise dadurch realisieren, dass eine Struktur aus Kupferblech im Bereich der Verbindungsleiter 12 und 12' mit einem weichmagnetisch gefüllten Polymer umhüllt wird, und dass in diese vorgefertigte Struktur sodann die Kondensatoren 10 und 10' eingesetzt und kontaktiert werden.The in the 13a to 13d illustrated embodiments can be realized, for example, that a structure of copper sheet in the region of the connecting conductor 12 and 12 ' is enveloped with a soft magnetically filled polymer, and that in this prefabricated structure then the capacitors 10 and 10 ' be used and contacted.

13e zeigt eine Ausführungsform der in 10 dargestellten Filtereinheit mit seitlich ausgeformten und mit dem weichmagnetischem Material 15 umhüllten, als Verschienungen ausgebildeten Drosselementen 12 und 12'. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Verschienungen einzeln, zum Beispiel durch Umspritzen je eines Stanzteils, herstellbar. Diese vormontierten Einheiten lassen sich anschließend auf die Stirnseiten der Kondensatoren 10, 10' kontaktieren. 13e shows an embodiment of the in 10 shown filter unit with laterally molded and with the soft magnetic material 15 wrapped, designed as a railings throttle elements 12 and 12 ' , In this embodiment, the two busbars are individually, for example by molding each a stamped part produced. These pre-assembled units can then be applied to the end faces of the capacitors 10 . 10 ' to contact.

14 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Filtereinheit 3. Während auch hier der Kondensator 10 als Toroid ausgeführt ist, wird der Kondensator 10' von einem Toroid-Segment oder von einem oder mehreren blockförmigen Kondensatoren gebildet. Die mit dem weichmagnetischen Material 15 umhüllten Drosselelemente 12 bzw. 12' nutzen in dieser Ausführungsform den verbleibenden toroidsegmentförmigen Bauraum. Diese Anordnung ermöglicht besonders hohe Induktivitätswerte. 14 shows a further advantageous embodiment of the filter unit 3 , While here too the capacitor 10 is designed as a toroid, the capacitor 10 ' formed by a toroidal segment or by one or more block-shaped capacitors. The with the soft magnetic material 15 covered throttle elements 12 respectively. 12 ' use the remaining to in this embodiment roidsegment-shaped space. This arrangement enables particularly high inductance values.

Selbstverständlich lässt sich die beschriebene Idee einer multifunktionalen Stromverschienung auch auf beliebige andere Kondensatorbauformen übertragen. Beispielhaft ist in 15 eine Ausführungsform dargestellt, bei der die beiden Kondensatoren 10 und 10' als Blockkondensatoren ausgebildet und übereinander angeordnet sind. Die Klemmenpaare 11–11' und 13–13' sind sehr niederinduktiv ausgeführt. Die als Stromverschienungen ausgebildeten Drosselelemente 12 und 12' zwischen den Kondensatoren sind zur Erhöhung der Induktivität U-förmig ausgebildet und von weichmagnetischem Polymer umhüllt, das jedoch in 15 nicht dargestellt ist. Durch die räumliche Anordung der Drosselelemente 12 und 12', die magnetischen Eigenschaften des Füllmaterials und die Wahl der Stromrichtung in den beiden Drosselelementen 12 und 12' lassen sich der Grad und das Vorzeichen der magnetischen Verkopplung in weiten Grenzen einstellen. Die Verschienungsstruktur kann auch hier beispielsweise aus Stanzgittern oder Leadframes gebildet werden. Diese lassen sich sehr einfach mit dem besagten weichmagnetischen Material umspritzen. Anschließend können die Kondensatoren 10 und 10' eingesetzt und kontaktiert werden.Of course, the described idea of a multifunctional current busbar can also be transferred to any other capacitor types. Exemplary is in 15 an embodiment shown in which the two capacitors 10 and 10 ' are formed as blocking capacitors and arranged one above the other. The terminal pairs 11 - 11 ' and 13 - 13 ' are executed very low inductively. The throttle elements designed as Stromverschienungen 12 and 12 ' between the capacitors are formed to increase the inductance U-shaped and surrounded by soft magnetic polymer, however, in 15 not shown. Due to the spatial arrangement of the throttle elements 12 and 12 ' , the magnetic properties of the filling material and the choice of the current direction in the two throttle elements 12 and 12 ' the degree and the sign of the magnetic coupling can be set within wide limits. The busbar structure can also be formed here, for example, from stamped bars or leadframes. These can be easily encapsulated with said soft magnetic material. Subsequently, the capacitors 10 and 10 ' be used and contacted.

16 zeigt nun ein erstes Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Filtereinheit (3). Die Filtereinheit 3 wirkt mit Leistungshalbleitern 161 zusammen, die auf einem Keramiksubstrat 160 montiert, auf einer Bodenplatte 162 angeordnet sind. Die Bodenplatte 162 ist von einem Kühlmedium 163 durchflossen. Der Kondensator 10 ist Teil der erfindungsgemäßen Filtereinheit 3 und zugleich der Zwischenkreiskondensator für eine mit den Leistungshalbleitern 161 bestückte Leistungshalbleiterstufe. Um das niedrige Impedanzniveau des Kondensators 10 bis an die Leistungshalbleiter heranzuführen, sind die Anschlüsse 11 und 11' möglichst niederinduktiv ausgeführt – genau entgegengesetzt der Zielsetzung bei der Gestaltung der Drosselelemente 12 und 12'. Die Filtereinheit 3 ist vorteilhaft als vormontierte Komponente ausgeführt, die jedoch nicht – wie bei einer Lösung nach dem Stand der Technik – nur einen Kondensator beinhaltet, sondern einen Spannungszwischenkreis mit hoher HF-Dämpfung realisiert. 16 now shows a first application example of a filter unit according to the invention ( 3 ). The filter unit 3 works with power semiconductors 161 put together on a ceramic substrate 160 mounted on a base plate 162 are arranged. The bottom plate 162 is from a cooling medium 163 traversed. The capacitor 10 is part of the filter unit according to the invention 3 and at the same time the DC link capacitor for one with the power semiconductors 161 equipped power semiconductor stage. To the low impedance level of the capacitor 10 up to the power semiconductors are the connections 11 and 11 ' executed as low inductively - exactly opposite to the objective in the design of the throttle elements 12 and 12 ' , The filter unit 3 is advantageously designed as a preassembled component, but not - as in a solution according to the prior art - includes only one capacitor, but realizes a voltage intermediate circuit with high RF attenuation.

Die 17 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Filtereinheit für einen ungewöhnlich geformten Bauraum, zum Beispiel für eine Kupplungsglocke 170 an einem PKW-Getriebe. Radial am Außenumfang eines Elektromotors ist ein Frequenzumrichter angeordnet. Der Zwischenkreis ist erfindungsgemäß als Zwischenkreis mit Filterfunktion ausgeführt. Die in 17 dargestellte Anordung realisiert ein unsymmetrisches π-Filter, bestehend aus dem eigentlichen Zwischenkreiskondensator 10, dem Kondensator 10' und dem mit dem weichmagnetischen Material 15 umhüllten, als Stromschiene ausgebildeten Drosselelement 12.The 17 shows a further application example of a filter unit according to the invention for an unusually shaped space, for example for a clutch bell 170 on a car transmission. Radially on the outer circumference of an electric motor, a frequency converter is arranged. The DC link is designed according to the invention as a DC link with a filter function. In the 17 shown arrangement realizes an asymmetrical π-filter, consisting of the actual DC link capacitor 10 , the capacitor 10 ' and with the soft magnetic material 15 wrapped, designed as a busbar throttle element 12 ,

Eine Realisierung ist beispielsweise durch Umspritzen bzw. Vergießen der Kondensatoren mit anmontierter Stromverschienung möglich. Alternativ kann auch eine vorgefertigte, z. B. mit dem weichmagnetischen Material 15 umspritzte Stromverschienung in einem weiteren Montageschritt an die Kondensatoren kontaktiert werden. Vorteilhaft sind die Kondensatoren 10 und 10' als ein Bauteil in einem einzigen Folien-Wickelprozeß hergestellt, und ist die Separierung in zwei Teilkondensatoren über eine Maskierung der Kontaktmetallisierung (Schoop-Schicht) auf einer Seite realisiert.An implementation is possible for example by encapsulation or casting of the capacitors with anmontierter Stromverschienung. Alternatively, a prefabricated, z. B. with the soft magnetic material 15 overmolded power busbars are contacted in a further assembly step to the capacitors. Advantageous are the capacitors 10 and 10 ' manufactured as a component in a single film winding process, and the separation is realized in two partial capacitors via a masking of the contact metallization (Schoop layer) on one side.

Claims

Filter unit, in particular intermediate circuit capacitor, for power electronic units, characterized in that the filter unit ( 1 . 2 . 3 . 4 ) at least one capacitor ( 10 . 10 ' . 10 '' ), at least one first electrical throttle element ( 12 . 12 ' . 14 . 14 ' ) and a soft magnetic material ( 15 ), wherein a first terminal of the at least one capacitor ( 10 . 10 ' . 10 '' ) with the first electrical throttle element ( 12 . 14 ), wherein the first electrical throttle element ( 12 . 14 ) in magnetic contact with the soft magnetic material ( 15 ) and forms an inductance for forming an EMC filter, and wherein the soft magnetic material ( 15 ) is formed of soft magnetic particles or bonded in a plastic soft magnetic particles.

Filter unit according to claim 1, characterized in that the filter unit a second electrical throttle element ( 12 ' . 14 ' ), and that a second terminal of the at least one capacitor ( 10 . 10 ' . 10 '' ) with the second electrical throttle element ( 12 ' . 14 ' ) connected is.

Filter unit according to claim 2, characterized in that the second electrical throttle element ( 12 ' . 14 ' ) in magnetic contact with the soft magnetic material ( 15 ) and forms an inductance to form an EMC filter.

Filter unit according to one of the preceding claims, characterized in that the first and / or the second electrical throttle element ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) has or has an inductance of greater than 1 μH.

Filter unit according to one of the preceding claims, characterized in that the soft magnetic particles of the soft magnetic material ( 15 ) enclosed in a plastic matrix they are.

Filter unit according to one of the preceding claims, characterized in that the filter unit comprises at least two capacitors ( 10 . 10 ' ) and that the at least two capacitors ( 10 . 10 ' ) via the first and second electrical throttle elements ( 12 . 12 '; 14 . 14 ' ) are connected in parallel, wherein in each case a first terminal of the at least two capacitors ( 10 . 10 ' ) via the first electrical throttle element ( 12 . 14 ) and / or in each case a second connection of the at least two capacitors ( 10 . 10 ' ) via the second electrical throttle element ( 12 ' . 14 ' ) are connected.

Filter unit according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second electrical throttle element ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) are arranged so that the of the electrical throttle elements ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) induced magnetic fluxes have the same direction of flow.

Filter unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first and the second electrical throttle element ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) are arranged so that the of the electrical throttle elements ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) induced magnetic fluxes have an opposite direction of flow.

Filter unit according to one of the preceding claims, characterized in that the first and / or the second electrical throttle element ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) are designed as a busbar or is.

Filter unit according to one of the preceding claims, characterized in that the first and / or the second electrical throttle element ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) are surrounded by the soft magnetic material.

Filter unit according to one of the preceding claims, characterized in that the capacitors ( 10 . 10 ' . 10 '' ) are formed as a nested body.

Filter unit according to claim 11, characterized in that the capacitors ( 10 . 10 ' . 10 '' ) are formed as nested cylindrical body.

Filter unit according to claim 11 or 12, characterized in that the first and / or the second electrical throttle element ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) are formed as in a plane extending arc sections or polygonal sections, which is the axial end portions of the capacitors ( 10 . 10 ' . 10 '' ) connect with each other.

Filter unit according to claim 11 or 12, characterized in that the first and / or the second electrical throttle element ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) are formed as windings or is formed as a winding, the axial end portions of the capacitors ( 10 . 10 ' . 10 '' ) connect with each other.

Filter unit according to one of claims 11 to 13, characterized in that the soft magnetic material ( 15 ) forms a magnetic core having a magnetic coupling ( 12k ) between the first and the second electrical throttle element ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) trains.

Filter unit according to claim 15, characterized in that the soft magnetic material ( 15 ) the capacitors ( 10 . 10 ' . 10 '' ) and the first and / or the second electrical throttle element ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) encloses.

Filter unit according to claim 16, characterized in that the soft magnetic material ( 15 ), the capacitors ( 10 . 10 ' . 10 '' ) and the first and / or the second electrical throttle element ( 12 . 14 ; 12 ' . 14 ' ) are thermo-mechanically decoupled from each other by an elastic layer.

Filter unit according to one of claims 6 to 17, characterized in that the total capacity of the at least two capacitors ( 10 . 10 ' . 10 '' ) is greater than 10 μF.

Use of the filter unit ( 1 . 2 . 3 . 4 ) according to one of the preceding claims as a DC link capacitor in a power electronic unit, in particular a converter or switching converter.