本发明涉及一种具有逆变器臂的至少两个彼此串联连接的子模块的转换器，用于将施加在两个输入接线端之间的输入电压转换为具有预定幅值和频率的交流电压，用于控制单相或者多相负载。
背景技术：
具有多电平特性的现代的模块化转换器拓扑由相同地构造的功能单元构成，这些功能单元称为子模块并且作为半桥或者全桥子模块构造。其彼此串联连接，以提供逆变器相。多个半桥子模块的串联连接占用许多结构空间。这使得转换器的成本高。
在低压范围内，常见由通常基于电路板的、具有分立的功率半导体开关元件的子模块构建模块化拓扑。由于使用电路板，由于电路板有限的电流承载能力以及与功率半导体开关元件直接安装在载体上(所谓的直接铜键合(directcopperbonding(dcb)))的功率模块相比更差的冷却条件而产生其它问题。在连接线缆以及连接线缆和电路板之间的接触位置处产生明显的电流热损耗，必须将其消散。
分立的功率半导体开关元件和线缆的螺丝或者夹具接触部之间的电连接经由铜迹线在电路载体上实现。为了能够保证所需要的电流承载能力，使用昂贵的大电流电路载体。其作为厚铜板或插入了铜型材的板是已知的。
基于电路板的转换器中的散热直接在主接线端(通常为功率半导体开关元件的漏极或者集电极接线端)处进行。为此，直接将功率半导体开关元件的大面积的连接接触部按压在散热体上。为了在连接接触部和散热体之间避免电连接，在这两个表面之间布置绝缘体。
通过使用较大的线缆截面和较大的接触部，可以使连接线缆中以及接触位置处的电流热损耗最小化并且消散。然而，这又导致安装和连接技术非常大并且非常重。
转换器的基于电路板的实现相对于基于dcb的转换器仍然经常是优选的，因为这种转换器具有更好的电气性能。
技术实现要素：
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种结构和/或功能得到改善的转换器。
上述技术问题通过根据本发明的转换器来解决。还给出有利构造。
提出了一种转换器，用于将施加在两个输入接线端之间的输入电压转换为具有预定幅值和频率的交流电压，用于控制单相或者多相负载，具有逆变器臂的至少两个彼此串联连接的子模块，其中，每个子模块包括以下部件：电路载体；至少两个可控的开关元件，其在电路载体上彼此电连接；第一子模块接线端；第二子模块接线端。至少两个子模块的可控的开关元件的第一主接线端热连接到散热体的冷却面。至少两个半桥子模块中的第一子模块的第二子模块接线端与至少两个子模块中的第二子模块的第一子模块接线端连接。
转换器的特征在于，散热体包括多个散热体部分，其中，散热体部分彼此电绝缘，并且第一子模块的第二子模块接线端与第二子模块的第一子模块接线端之间的电连接经由散热体的相应地相关联的散热体部分实现。换句话说，这意味着，至少一部分电流从第一子模块的第二子模块接线端经由散热体部分流向第二子模块的第一子模块接线端，由此散热体部分用于传导电流。
由此使得能够提供基于电路板构建子模块的转换器。由此能够提供子模块以及整个转换器良好的电气性能。同时，通过将子模块接线端连接到相关联的散热体部分，能够实现对在半导体开关元件中在运行中产生的热的极好的散热。特别是，这种构造使得能够直接对电接触部进行冷却，因为在第一主接线端和散热体部分之间不设置妨碍散热的材料，例如进行电绝缘的绝缘层。
通过仅经由两个开关元件的第一主接线端接触子模块，可以非常紧凑地构造子模块的串联电路。特别是使固定开销最小。
另一个优点在于，与传统的子模块相比，在子模块的电路载体上出现的电流流动减小，因为电流直接经由开关元件的第一主接线端被分接。由此得到电路载体的有利的较小的热应力。
根据一个适宜的构造，开关元件的第一主接线端是整个表面附着到相关联的散热体部分上的平面接触部。由此，不仅仅确保大的电流承载能力。相反，还可以经由第一主接线端进行在开关元件中产生的热向散热体的散热体部分的方向的热传递。此外，使制造变得简单，因为第一主接线端可以以简单的方式与散热体部分连接。应当注意，在此可以使用在市场上常见的分立的功率半导体开关元件作为子模块的开关元件。
根据另一个适宜的构造，开关元件的第一主接线端力配合地和/或材料配合地与相关联的散热体部分连接。由此确保相邻的子模块的开关元件的第一主接线端之间的良好的电流承载能力。同时保证到散热体部分的良好的热传递。
根据另一个适宜的构造，开关元件的第一主接线端直接与相关联的散热体部分连接。在这种构造中，电流完全经由散热体部分从第一子模块的第二子模块接线端传导到第二子模块的第一子模块接线端。
替换地，开关元件的第一主接线端可以经由附着在相关联的散热体部分上的导电层与该散热体部分连接。在这种构造中，电流部分经由散热体部分并且部分经由导电层从第一子模块的第二子模块接线端传导到第二子模块的第一子模块接线端。导电层的设置例如可以出于更简单地制造的原因而设置。到散热体部分的热传输不或者几乎不受导电层影响。
导电层可以作为金属导轨构造，其与相应的散热体部分连接。这意味着，对每个散热体部分分配一个这种金属导轨。
根据另一个适宜的构造，散热体的数量比半桥子模块的数量大一(“1”)。由此也能够有效地消散开关元件的热，开关元件与转换器的输入接线端连接，并且以上面描述的方式分别单独布置在自己的散热体部分上。
根据另一个适宜的构造，散热体部分包括冷却面。例如，散热体部分可以包括空气能够环流的散热鳍片。替换地或者附加地，散热体部分能够流过冷却剂。由此能够对开关元件进行特别有效的散热。为此，液体可以分别流过散热体部分。也可以对散热体部分配备所谓的热导管，其中，如本领域技术人员所已知的，使气体蒸发，从而通过产生的蒸发冷却来吸收散热体部分的热。蒸发的气体例如冷凝在空气冷却的散热鳍片上，并且例如由于重力又向散热体部分的布置要冷却的开关元件的部分的方向引导。
根据另一个适宜的构造，散热体的散热体部分可以布置在一个平面中。由此得到平坦的转换器的构造。
替换地，散热体的散热体部分可以彼此重叠地布置，其中，与一个散热体部分相关联的开关元件布置在相关联的散热体部分的相对的主平面上。这使得能够简单地制造转换器，因为以这种连接布置的部件可以通过压合彼此连接。
另一个适宜的构造设置为，相应的子模块的第一开关元件的第二主接线端和第二开关元件的第一主接线端之间的电连接、即节点，经由子模块的电路载体的一个或更多个导体迹线实现。为此，电路载体例如可以具有所谓的厚导体迹线(即导体迹线厚度大于400μm)。
另一个构造设置为，在每一相的两个输入接线端之间串联连接两个逆变器臂，其中，两个逆变器臂之间的节点与逆变器相的输出接线端耦合。特别是转换器的每一个逆变器臂和相包括至少两个子模块。
根据另一个适宜的构造，相应的子模块包括具有两个可控的串联连接的开关元件的半桥。第一子模块接线端与至少两个开关元件中的第一开关元件(高侧开关元件)的第一主接线端电连接。第二子模块接线端与至少两个开关元件中的第一开关元件的第二主接线端和第二开关元件(低侧开关元件)的第一主接线端的节点电连接。
根据另一个适宜的构造，子模块包括具有两个并联连接的半桥的全桥，其中，在半桥中的第一半桥中第一和第二开关元件串联连接，并且在半桥中的第二半桥中第三和第四开关元件串联连接。第一子模块接线端与第一开关元件的第二主接线端和第二开关元件的第一主接线端的节点电连接。第二子模块接线端与第三开关元件的第二主接线端和第四开关元件的第一主接线端的节点电连接。第一和第三开关元件的第一主接线端经由散热体的另一个散热体部分彼此电连接。
附图说明
下面，根据附图中的实施例详细说明本发明。
图1示出了用于在输入接线端和输入接线端之间提供一个逆变器相的多个子模块的串联连接；
图2示出了半桥子模块的等效电路图；
图3示出了传统构建变形方案中的布置在散热体上的两个半桥子模块的示意性图示；
图4示出了改进的设计中的在散热体上的多个半桥子模块的示意性图示；
图5示出了根据本发明的设计中的在包括多个散热体部分的散热体上的多个半桥子模块的示意性图示，其中，散热体部分布置在一个平面中；以及
图6示出了根据本发明的另一个设计中的在包括多个散热体部分的散热体上的多个半桥子模块的示意性图示，其中，散热体部分一个堆叠在另一个上。
具体实施方式
图1示出了具有所谓的多电平拓扑的转换器的一个逆变器相。其中，在输入接线端101和输入接线端102之间示例性地彼此连接了8个相同地构造的子模块sm1,…,sm8。半桥子模块sm4和sm5之间的节点103与该逆变器相的输出接线端104连接。连接在输入接线端101和节点103之间的子模块sm1,…,sm4在此被分配给上逆变器臂。串联连接在节点103和输入接线端102之间的子模块sm1,…,sm8被分配给下逆变器臂。在输入接线端101和102之间施加直流电压u1。输入接线端101,102是这里未详细示出的直流中间回路的接线端。通过控制包含在各个子模块sm1,…,sm8中的开关元件并且以合适的方式将其切换为导通和截止的、同样未示出的控制电路，可以在输出接线端104处获得交流电压。
图2示出了半桥子模块形式的相同地构造的子模块sm1,…,sm8的等效电路图。因此，半桥子模块sm中的每一个包括两个串联连接的开关元件s1,s2。开关元件s1,s2例如是mosfet或者其它可控的半导体开关元件。称为漏极d的开关元件s1的第一主接线端与第一子模块接线端x1连接。称为源极s的开关元件s1的第二主接线端与第二开关元件s2的漏极接线端d连接。开关元件s1的源极接线端s和开关元件s2的漏极接线端之间的节点形成第二子模块接线端x2。第二开关元件s2的源极接线端经由电容器csm与第一开关元件s1的漏极接线端连接。可选的输出网络nw可以与电容器csm并联地连接到用附图标记p和n标出的节点处。
为了提供如在图1中示出的具有多电平特性的逆变器相，将各个半桥子模块的子模块接线端x1,x2彼此串联连接。因此，如在图1中不难看到的，子模块sm1的第一子模块接线端x1与输入接线端101连接。子模块sm1的第二子模块接线端x2与子模块sm2的第一子模块接线端x1连接。子模块sm2的第二子模块接线端x2又与子模块sm3的第一子模块接线端连接，等等。子模块sm8的第二子模块接线端x2最后与输入接线端102连接。如同样在图1中不难看到的，转换器1的该逆变器相的输出接线端104经由节点103与子模块sm4的第二子模块接线端x2以及子模块sm5的第一子模块接线端x1与连接。
这种连接需要在转换器1中占用许多结构空间。图3示出了布置在散热体12上的两个相邻的基于电路板的子模块sm1,sm2的可能的构造变形方案。在该构造变形方案中，每个子模块sm1,sm2使用分立的功率半导体开关元件和电路载体构造。由此得到与现有技术中已知的直接铜键合(dcb)相比更好的电气性能。
子模块sm1,sm2(这当然也以对应的方式适用于在图3中未示出的其它子模块sm3,…,sm8)分别包括电路载体11。在电路载体11上分别安装两个功率半导体开关元件10。功率半导体开关元件10中的每一个包括3个接触引脚，其通过对应的在图3中未详细示出的电路载体11的开口或者孔插住并且被焊住。3个接触引脚是漏极接线端d(第一主接线端)、源极接线端s(第二主接线端)和栅极接线端g(控制接线端)。用s1标出的功率半导体开关元件10的源极接线端和用s2标出的功率半导体开关元件10的漏极接线端之间的电连接经由导体迹线14进行。由于流过的电流大，在此可以将导体迹线14构造为厚铜导体迹线。s1的源极接线端s和s2的漏极接线端d之间的电连接形成结合图2说明的第二子模块接线端x2。第一子模块接线端x1是用s1标出的功率半导体开关元件10的漏极接线端d。
功率半导体开关元件10的散热直接在其漏极接线端d处通过将在分立的功率半导体开关元件10的背面构造的漏极接线端d直接压装到已经提及的散热体12上来进行。为了避免漏极接线端d经由散热体12短路，在散热体12的面对观察者的一侧附着良好导热的绝缘层13。为了确保功率半导体开关元件10的背面接触部(漏极接线端)和散热体12之间的紧密接触，例如可以将功率半导体开关元件拧到散热体12上。
为了在子模块sm1的第二子模块接线端x2和子模块sm2的第一子模块接线端x1之间建立电连接，在根据图3的布置中使用线缆15。这例如在电路载体11的对应的接触表面之间以在图3中示出的方式电气地拧紧。由于在线缆15和半桥子模块sm1,sm2的相关电路载体11之间的接触位置处出现的电流热损耗，因此使用大的线缆截面和大的接触部。然而，这导致安装和连接技术非常大并且非常重。
图4示出了改进的构造变形方案。在此，在图4的图示中示出了开关模块sm1的一部分以及与其串联连接的开关模块sm2和sm3。在图3中用附图标记15标出的电连接，在图4中示出的构造变形方案中分别用导电层16代替，导电层16布置在分立的功率半导体开关元件10和散热体12上的绝缘层13之间。在此，一个半桥子模块(例如sm1)的第二开关元件s2的漏极接线端和相邻的半桥子模块(sm2)的第一开关元件s1的漏极接线端附着在导电层16上并且与其导电地连接。以对应的方式，半桥子模块sm2的第二开关元件s2的漏极接线端和相邻的半桥子模块(这里为：sm3)的第一开关元件s1的漏极接线端d附着在另一个导电层上。由此，相邻的半桥子模块的开关元件的漏极接线端分别成对地附着在相应的导电层16上。
通过仅接触半桥子模块sm的分立的功率半导体开关元件的漏极接线端d，可以非常紧凑地构造半桥子模块的串联电路。特别是以最小的固定开销得到紧凑的串联电路。可以对电接触部和电层直接进行冷却。电层例如以金属层的形式实现。
节点或输出接线端可以借助导电层来实现。因此，导电层例如可以具有从电路载体指向外的连接板(未示出)，使得在连接板的表面区域中可以进行到输出接线端的拧紧或者插拔连接。
得到通过半桥子模块的各个电路载体的减小的电流流动，因为直接在功率半导体开关元件的漏极接线端处分接了大部分电流。由此得到各个电路载体的较小的热应力。
通过使得所有接触位置(即功率半导体开关元件的漏极接线端)同时是消散功率半导体开关元件的热的位置，能够实现这种构造变形方案。由此消除了电气路径和热路径之间的分离。相反，其现在是一致的。
半导体开关元件到散热体12的散热仅受导电层16最小的影响，因为可以对其提供非常高的热导率。优选导电层16由铜或者铝或者其合金制成。
图5示出了根据本发明的构造变形方案。该构造变形方案基于在图4中描述的实施例。为了避免重复，仅描述与在图4中示出的构造变形方案的不同之处。
根据在图5中示出的构造变形方案，散热体12包括多个散热体部分17。如在全部实施例中所示出的，当子模块包括具有两个可控的串联连接的开关元件的半桥时，散热体部分17的数量比子模块的数量大1。散热体部分17示例性地通过空气隙19彼此分离。安排空气隙19的大小，使得在散热体部分之间出现的电势差不导致电飞弧。
虽然在根据图4的构造变形方案中由于使用绝缘层13散热体与工作电压的电势隔离，但是在图5中示出的实施例中设置为，将散热体部分17用于传导电流。为此，各个功率半导体开关元件10的第一主接线端不仅热连接到相关联的散热体部分17，而且电连接到相关联的散热体部分17。可选地，在此可以在可控的功率半导体开关元件10的第一主接线端和相关联的散热体部分17之间设置在图5中示出的导电层16。通过放弃绝缘层，得到功率半导体开关元件10明显更好的散热，因为可以直接对电接触部(漏极接线端)进行冷却。
散热体部分17是良好导电的母线，因此优选由铜或者铝形成。由于散热体部分17彼此电绝缘，使得能够放弃散热体部分和功率半导体开关元件的第一主接线端d之间的绝缘层。通过减小热阻，由此可以在整体上增加转换器的单位功率重量。
因为各个散热体部分17具有工作电势，因此散热体部分17的电绝缘是非常重要的。如所描述的，散热体部分17之间的功能绝缘经由相邻的散热体部分之间的相应的空气隙19来进行。可以用固体绝缘体来填充空气隙。如果要用共同的液体循环的液体对散热体部分进行冷却，则使用不导电的流体，以便不经由冷却介质造成短路。
在图5中示出的实施例中，散热体部分17彼此并排地布置在一个平面中，从而依据子模块sm1,sm2,sm3,…的数量，得到平的、长形地构造的转换器。在一个替换设计中，散热体部分17也可以彼此重叠地布置。这例如在图6中示出的实施例中示出。
在该实施例中，固定在相应的散热体部分17上的功率半导体开关元件10不仅布置在散热体部分17的彼此相对的主侧面上，而且附加地(并且仅示例性地)布置在彼此相对的端部，使得子模块sm1,sm2,sm3交替地布置在散热体部分17的彼此相对的端面上。此外，在功率半导体开关元件10和相邻的散热体部分17之间分别布置弹性绝缘层18(即电绝缘层)，使得转换器的构造能够以压力连接(pressverband)实现。其中，散热体部分17用作用于串联连接功率半导体开关元件的单个母线。在这种构造中，在外端部上压合由功率半导体开关元件、散热体部分和弹性绝缘层构成的整体连接就足够了。由此不仅能够实现简单的制造，而且能够实现非常紧凑地构造的转换器。
在这种压力连接的情况下，例如可以使用热导管，以使热从所提及的优选平的散热体部分17中消散。为了在散热体部分之间避免短路，使用不导电的冷却介质。由于仅半桥子模块sm的半导体开关元件的漏极接线端d接触，因此能够非常紧凑地构造子模块的串联电路。通过去除漏极接线端d和散热体部分17之间的绝缘，散热在很大程度上得到了改善。
在附图5和6中示例性地描绘的构造具有以下优点：
能够实现具有最小固定开销的紧凑的连接。当子模块的串联电路以如在图6中的堆叠的形式存在时，子模块的串联电路不需要与开关元件进行螺丝或者夹具接触。在按照附图5实现的情况下，可以使用螺丝和夹具连接。仅在与转换器的输入接线端101,102连接的子模块中需要或者可以进行这种接触
通过直接对电接触部和母线进行冷却，得到功率半导体开关元件的优化的散热。将散热体部分本身用作电母线，由此能够使得原来的母线最小或者甚至去除。由此能够实现小并且紧凑的转换器。作为紧凑的压力连接的构造是可能的。
此外，得到了经由半桥子模块的相应的电路载体的减小的电流流动，因为直接在功率半导体开关元件的漏极接线端处分接大部分电流。由此得到相应的电路载体的小的热应力。
在图5和6中提出的接触方式也可以在smd(表面安装设备，surfacemounteddevice)结构方式中实现。
在本实施例中，在图2至6中借助一个逆变器相的半桥子模块对本发明进行了描述。毋庸置疑，根据本发明的原理也可以转用于全桥子模块。全桥子模块包括两个并联路径中的4个开关元件，其中，在每个路径中两个开关元件彼此串联连接。在这种全桥子模块中，两个高侧开关元件的漏极接线端连接在共同的导电散热体部分上。低侧开关元件经由另一个散热体部分与两个相应的相邻全桥子模块的开关元件连接。