阅读说明：本技术 半导体开关装置 (Semiconductor switch device ) 是由 T.亨克尔 M.莱克勒 A.内格尔 于 2018-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种半导体开关装置(1),其具有至少两个分别具有交流电压接头(23)的半桥模块(2)、以及正直流电压母线(41)、负直流电压母线(42)和至少一个交流电压母线(43),其中交流电压接头(23)借助交流电压母线(43)彼此电气连接。为了改善电气并联布置的半桥模块(2)上的电流分布,建议至少在交流电压接头(23)的区域内,正直流电压母线(41)和负直流电压母线(42)关于布置有交流电压母线(43)的区域延伸,其中,至少两个半桥模块(2)中的两个并排地布置,使得至少两个半桥模块(2)中的两个的交流电压表面(33)彼此相邻地布置。此外,本发明涉及一种变流器(3),其具有至少一个这种半导体开关装置(1)。此外,本发明涉及一种车辆(7)、特别是轨道车辆,其具有至少一个这种半导体开关装置(1)或这种变流器(3)。(The invention relates to a semiconductor switching device (1) having at least two half-bridge modules (2) each having an AC voltage connection (23), and a positive DC voltage bus (41), a negative DC voltage bus (42) and at least one AC voltage bus (43), wherein the AC voltage connections (23) are electrically connected to one another by means of the AC voltage bus (43). In order to improve the current distribution over half-bridge modules (2) arranged electrically in parallel, it is proposed that, at least in the region of the alternating current voltage connection (23), a positive direct current voltage busbar (41) and a negative direct current voltage busbar (42) extend in relation to the region in which the alternating current voltage busbar (43) is arranged, wherein two of the at least two half-bridge modules (2) are arranged side by side such that the alternating current voltage surfaces (33) of two of the at least two half-bridge modules (2) are arranged adjacent to one another. The invention further relates to a converter (3) having at least one such semiconductor switching device (1). The invention further relates to a vehicle (7), in particular a rail vehicle, having at least one such semiconductor switching device (1) or such a converter (3).)

半导体开关装置

技术领域

本发明涉及一种半导体开关装置，该半导体开关装置具有至少两个分别具有交流电压接头的半桥模块、正直流电压母线、负直流电压母线和至少一个交流电压母线。此外，本发明涉及一种具有这种半导体开关装置的变流器和一种具有至少一个这种半导体开关装置或这种变流器的车辆。

背景技术

为了提高变流器或通常基于半导体的开关设备的效率，实施两个或更多个半导体的并联连接。

在此，将功率半导体直接地、硬地并联连接以增大输出功率是一种常见的技术解决方案。在此，重要的是半导体的负载应尽可能均匀。这通过如下来实现：

-半导体特性的选择(例如，相同的导通特性曲线)，以及

-半导体的“对称”布置。

在此，以下应当考虑半桥模块。半桥模块具有至少两个串联布置的半导体开关。利用该半桥模块，可以实现变流器的相。在此，半桥模块具有用于连接正直流电压母线的正直流电压接头、用于连接负直流电压母线的负直流电压接头和用于连接交流电压母线的交流电压接头。正直流电压母线在运行中具有中间电路的正电势，并且负直流电压母线在运行中具有中间电路的负电势。交流电压接头表示交流电压侧的输入端或输出端，例如变流器的输入端或输出端。

半桥模块通常具有长方体状的结构。在此，表面不一定具有平坦的结构。它们可以是任何种类。下面的描述用于标明半桥模块的侧面，从而能够描述半桥模块相对于彼此的取向。

半桥模块的对应的接头处于通常也称为上侧的第一表面上。半桥模块可以被固定在对置的侧上、优选地被固定在散热体处，以排出在运行中产生的热量。

半桥模块的四个侧表面与第一表面相邻。在此，两个对置的纵向表面与从直流电压接头中的一个到交流电压接头的连接基本平行地延伸。将两个纵向表面彼此连接并且位于交流电压接头附近的侧表面被称为交流电压表面。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种半导体开关装置，该半导体开关装置具有在交流电压侧并联布置的半桥模块，在该半导体开关装置中改善了各个半桥模块上的电流分布。

该技术问题通过半导体开关装置来解决，该半导体开关装置具有：

-至少两个分别具有交流电压接头的半桥模块，

-正直流电压母线、负直流电压母线和至少一个交流电压母线，其中，交流电压接头借助交流电压母线彼此电气连接，其中，至少在交流电压接头的区域内，正直流电压母线和负直流电压母线关于布置有交流电压母线的区域延伸，其中，至少两个半桥模块中的两个并排地布置，使得至少两个半桥模块中的两个的交流电压表面彼此相邻地布置。此外，根据本发明，该技术问题通过具有至少一个这种半导体开关装置的变流器以及通过具有至少一个这种半导体开关装置或这种变流器的车辆、特别是轨道车辆来解决。

在从属权利要求中说明了本发明的有利的设计方案。

本发明基于以下认知：不仅通过关于交流电压母线所在的区域延伸正直流电压母线和负直流电压母线，而且还通过将半桥模块布置为使得这些半桥模块在其交流电压表面处对置，可以改善电气并联布置的半桥模块之间的电流分布。由此，各个并联布置的半桥模块的、为每个模块确定电感大小的导体回路彼此相称。这正好对瞬态过程导致电流均匀地分布到各个并联的半桥模块。模块的开关频率越高，这变得越强。换言之，对于高的开关频率，也可以实现电流在各个模块上的特别良好的均匀分布。

通过增大直流中间电路母线，即增大关于整个布置的正直流电压母线DC+和负直流电压母线DC-，可以实现电流分布的初步改善。由此，母线的横截面必须大于其为电流放大器所设计的横截面。由于交流电压母线的区域增加，AC负载电流的反向电流可以跟随交流电压母线的轮廓(接近效应)。在该布置中仅导致最小的电感差，并因此导致很大程度上对称的电流分布。

已经证明特别有利的是，至少在交流电压接头的区域中，直流电压母线和交流电压母线彼此平行布置。在此，母线之间应当彼此保持一定距离，以防止母线之间的电荷平衡(绝缘距离)。

通过成对地布置半桥模块，在该布置中交流电压表面彼此相邻对置，可以实现母线的特别有利的布置。正和负的直流电压接头和交流电压接头应当分别借助正直流电压母线、负直流电压母线和交流电压母线彼此连接。在半桥模块的这种取向上，交流电压接头指向彼此并被交流电压母线和中间电路母线覆盖。

现在这可以以特别简单的方式实现。在此，交流电压母线是最靠近半桥模块的母线。交流电压接头也是在两个半桥模块的布置中形成最里面的接头的接头。第二最接近的母线，即从在交流电压母线后面的半桥模块开始的母线，是这种母线：该母线的接头位于交流电压接头旁边。最终的或距离模块最远的母线构成将并联布置的半桥模块的外部接头彼此连接的母线。

借助这种布置，没有母线必须穿过其他的母线才能与接头中的一个连接。由此，对于各个半桥模块实现了均匀的电感特性。由此，中间电路母线可以特别简单地实施。同样，组装也很简单。以简单的方式，通过母线的距离可保持用于避免飞弧或短路的距离。由此，省去了麻烦且易于出错的安装步骤，如其在孔和套管的情况下所需的安装步骤，以便可靠地保持预先给定的距离。

在本发明的一种有利的设计方案中，分别成对地布置半桥模块，使得两个半桥模块的交流电压表面彼此相邻地布置。

半导体开关装置的构造中特别的优点在于，由此可以非常简单地实现非常不同的变流器变形。为了实现变流器，通常需要多个相，所述相由不同的交流电压母线形成。在此，仅需更改负载接头。这通过对交流电压母线进行整形来实现。变流器的功率部分的其余组件，诸如中间电路母线和散热体，可以在不同的配置中保持不变。在不同变流器配置的生产中，这增加了相同部分的数量，并在制造中导致较低的成本。

因此，例如可以以简单的方式由12个半桥模块产生三个相，所述相分别具有四个并联的半桥模块。同样地，可以产生两个具有六个并联的半桥模块的相。在此，这些布置仅在对应的交流电压母线的形成上有所不同。其他的可能性例如是三个相、4次并联连接，或六个相、2次并联连接。由此，可以根据半桥模块的数量以特别简单的方式仅通过修改交流电压母线来产生不同的配置。

如果半导体开关装置具有偶数个半桥模块，则该设计方案是特别有利的。然后可以将所有存在的半桥模块相对成对地布置在其交流电压表面处。

一种可能的设计方案是将半桥模块圆形地布置。在此，交流电压表面彼此相邻。此外，与交流电压表面对置的半桥模块的表面也相邻于与交流电压表面对置的另外的半桥模块的表面。

在本发明的另外的有利的设计方案中，不同的、成对地相对于其交流电压表面相邻地布置的半桥模块相对于其纵向表面彼此相邻地布置。由此，可以产生变流器的特别紧凑的结构，该变流器可以鉴于不同的配置具有高的灵活性。由于结构和布置仅在交流电压母线方面不同，因此利用该布置对于变流器可以实现高度灵活的并且同时紧凑的结构。

在本发明的另外的有利的设计方案中，正直流电压母线和负直流电压母线布置为彼此不贯通地用于与半桥模块连接。因为接头相对于彼此镜面对称地布置，所以可以利用布置在最靠近半桥模块处的母线将并联电路的最里面的接头彼此连接。其余的母线堆叠在其上。母线布置得越高，半桥模块的并联电路上的接头越靠外。可以生产不带孔或套管的母线，以与半桥模块连接。由此，该组装不仅简单，而且由于不再需要套管和孔之间的精确距离来确保绝缘距离，因此明显不易于发生故障。

在本发明的另外的有利的设计方案中，半桥模块被安装在平面上、特别是安装在散热体上。由此可以以简单的方式实现用于变流器的结构单元。由于该变流器的重量，也可容易地更换该变流器。同时，该变流器可普遍地用于不同的变流器配置。这简化了备件库存，这导致大大降低了物流成本。选择散热体作为平面，是特别有利的。然后，该散热体确保了多个半桥模块的冷却。同时，散热器是抗扭转的，使得能够可靠且牢固地容纳多个半桥模块的布置。

在本发明的另外的有利的设计方案中，相邻的半桥模块彼此并联地布置。利用并联的布置，半桥模块可以特别节省空间地布置。由于(例如被构造为散热体的)安装平面通常也是矩形的，因此散热体可以设计得小且低成本。

附图说明

在下文中，根据附图中示出的实施例更详细地描述和解释本发明。附图中：

图1、图2示出了半桥模块，

图3示出了在并联布置的半桥模块中的导体回路，

图4至图9示出了半导体开关装置的实施例，以及

图10示出了轨道车辆。

具体实施方式

图1示出了具有其直流电压接头21、22和其交流电压接头23的半桥模块2。所示的侧面形成了长方体状的半桥模块2的第一表面31。孔24用于进行固定、例如固定在这里未示出的散热体4上。与第一表面31成直角连接的表面是纵向表面32和交流电压表面33。图2示出了半桥模块2的侧视图。为了避免重复，参见图1的描述和在那里引入的附图标记。附加地，在此示出了底测26，在该底侧处半桥模块2优选地与散热体4连接。控制接头25用于控制半桥模块2中的开关。

根据图3可以说明四个半桥模块2的不同的电感比。在此，半桥模块2在其纵向表面32上并排地布置。为了避免重复，参见图1和图2的描述以及在那里引入的附图标记。各个接头与母线连接。上下相叠地布置的正直流电压母线41和负直流电压母线42可供用于与电容器5连接。未示出的电气负载与交流电压母线43连接。换向电路经由负载连接。可以看出，从中针对半桥模块2分别产生不同的导体回路6，该不同的导体回路导致不同的电感。该不同的电感部分地引起在不同的半桥模块2上的电流分布的情况下的相当高的电流不对称性。

图4示出了半导体开关装置1的实施例。在此，成对地布置半桥模块2，使得交流电压表面33相邻。此外，正直流电压母线41和负直流电压母线42也关于交流电压接头23的区域延伸、特别是也关于交流电压接头23的区域中的交流电压母线43延伸。通过该结构，各个换向电路的电感大小相同或至少几乎相同，使得在电气并联布置的半桥模块上产生均匀的电流分布。图5示出了按照图4的实施例的侧视图。为了避免重复，参见图4的描述和在那里引入的附图标记。散热体4用于半导体开关装置1的冷却和机械固定。通过取向(在该取向的情况下，交流电压表面33相邻地对置)，产生了接头21、22、23的有利布置。可以借助母线41、42、43连接这些接头，而为此不必穿过另外的母线41、42、43中的任一个。由此，不仅可以简单且无差错地连接各个接头，而且由于没有套管还可以简单且低成本地生产母线41、42、43。

下面的图6至图9示出了可以如何构造半导体开关装置1以例如构造变流器3的实施例。应当注意，对于所有这些实施例，12个半桥模块2被相同地布置并且仅通过交流电压母线43而不同。由此可见，可模块化地使用该半导体开关装置1，并且可以以简单的方式实现不同的配置。在此，除了此处所示的数量为12的半桥模块之外，还可以布置任意其他任意数量的半桥模块。特别有利的是，半桥模块2的数量可被2整除，因为随后可以将两个半桥模块分别成对地在该半桥模块的交流电压表面处相邻相对地布置。

图6示出了具有三个相和4次并联连接的实施例。图7示出了具有两个相和6次并联连接的实施例。图8示出了具有四个相和3次并联连接的实施例。图9示出了具有六个相和2次并联连接的实施例。

图10示出了车辆7，所述车辆是轨道车辆。在车辆7中布置有具有半导体开关装置1的变流器3。变流器3用于受控地向车辆7的电动机供应电能。车辆7借助集电器71从此处未示出的滑接馈电线中汲取为此所需的能量。

总之，本发明涉及一种半导体开关装置，该半导体开关装置具有至少两个分别具有交流电压接头的半桥模块、以及正直流电压母线、负直流电压母线和至少一个交流电压母线，其中交流电压接头借助交流电压母线彼此电气连接。为了改善电气并联布置的半桥模块上的电流分布，建议至少在交流电压接头的区域内，正直流电压母线和负直流电压母线关于布置有交流电压母线的区域延伸，其中，至少两个半桥模块中的两个并排地布置，使得至少两个半桥模块中的两个的交流电压表面彼此相邻地布置。此外，本发明涉及一种变流器，该变流器具有至少一个这种半导体开关装置。此外，本发明涉及一种车辆、特别是轨道车辆，其具有至少一个这种半导体开关装置或这种变流器。