[发明专利]模块化变流器和模块化变流器系统

说明书

本发明涉及一种模块化变流器(1)，具有连接组件(2)、控制组件(3)、供电组件(4)、背板组件(5)和负载组件(6)，其中通过连接组件(2)可以分配输入和输出信号(7，8)以及输入和输出交流电压(9，10)，通过控制组件(3)的控制单元(11)能够为逆变器(15)生成第一控制信号(12)，通过在供电组件(4)的整流器(13)能够将初级电网(30)的输入交流电压(9)转换成中间电路直流电压(16)，通过直流电压中间电路(17)和背板组件(5)的控制信号电路(18)可以为逆变器(15)分配中间电路直流电压(16)和第一控制信号(12)，通过负载组件(6)的逆变器(15)可以将中间电路直流电压(16)转换成用于负载(27)或次级电网的输出交流电压(10)，逆变器(15)具有由GaN或InGaN制成的功率半导体开关(19)，其能够以至少400V的截止电压和至少40kHz的时钟频率运行，并且连接组件(2)和背板组件(5)分别与控制组件(3)、供电组件(4)和负载组件(6)通过可松脱的机械连接(31)电连接。本发明还涉及一种具有模块化变流器(1)和变流器扩展组件(24)的模块化变流器系统(23)。

技术领域

本发明涉及一种模块化变流器，其具有连接组件、控制组件、供电组件、背板组件和负载组件，以及涉及一种模块化变流器系统，具有模块化变流器、背板总线和变流器扩展模块。

背景技术

现今在大多情况下，电变流器具有功率半导体开关或者具有带有布置在桥式电路中的基于硅(例如Si或SiC)的功率半导体开关的功率模块，为了对例如与运行相关地出现的热量进行散热，该电变流器通常需要实心(massiv)金属冷却体。当常规的功率半导体开关要在例如大于400V的高截止电压、例如大于40kHz的高时钟频率以及大于7A的开关电流的操作中操作时，尤其如此。

现今形成这种电变流器(尤其是具有直流中间电路的变频器)的基本结构组件仅涉及一些基础变流器组件、例如功率部件，这些基础变流器组件由用于直流和交流的功率模块、用于冷却功率模块的功率半导体开关的实心金属冷却体以及用于调节逆变器或整流器(例如使用自换向整流器)的控制单元构成。这些基础变流器组件基本上构成了当前设计的电变流器的只能在很少的自由度上进行更改的核心，因此在多种变流器类型上和经过多个代次后，电变流器在设计自由度方面很大程度上保持技术不变。

例如，功率模块通常一方面直接地与实心金属冷却体机械连接，并另一方面与功率板尽可能直接接触，该功率板包含功率半导体开关的驱控电子装置。

在现今的变流器解决方案中，实心金属冷却体通常还完全地或作为变流器壳体的一部分来承担变流器壳体的功能，在针对获得其他功能方面对该电变化器进行结构调整或改变时，这由于要执行的、尤其在其变流器组件方面的大范围更改的原因，附加地限制了灵活性。

封装的功率模块当前被用于大多数功率等级，使得这些功率模块在结构上(即空间需求和热平衡的角度)还在电气上(即电感和欧姆连接的角度)都作为中央的变流器组件，并且在此导致用于每种设备尺寸的高昂开发成本和在生产时显著的开销。

因此，对于用户而言的问题是使变流器产品适应特定客户需求的可能性很小。例如，尤其对于驱动逆变器来说，有多种应用领域，与此相关的是，这些电变流器有不同的电气要求，例如关于它们的过载能力、电磁兼容性(EMV)和特定的电网连接要求。

为了仍然尽可能地满足这些要求，当前提供的变流器类型被设计为，使得其经常包含多种功能。由此，它们通常尺寸过大且成本高昂，这意味着客户必须购买不需要的技术功能。除此之外，在工厂和机械工程的创新技术中使用时，安装空间的大小以及紧凑、灵活的结构对于此类电变流器的适用性越来越重要。

例如，如果控制单元照常设计用于调节所有功率等级的逆变器或者整流器，则会出现问题。在进一步研发、匹配或更改的情况下，通常必须考虑或修改电变流器的变流器组件的在技术/工艺上的大量功能或者甚至完全重新开发。

在此背景下，例如功率模块的并行接通仅能在改变逆变器或者整流器的驱控时通过高耗费尤其在控制单元的布局中才能够实现。