本發(fā)明涉及一種用于提供強電流、尤其是如在工業(yè)過程中或者在有生產(chǎn)能力的機器中所需的電流的整流電路。

背景技術(shù)：

在EP 1 921 908 B1中示出了一種用于提供強電流的裝置。這里，圖1以側(cè)視圖示意性地闡明要將在這種裝置中出現(xiàn)的熱損耗排出花費有多高。在其中使用多個功率半導(dǎo)體的更復(fù)雜的電路的情況下，花費相應(yīng)地提高。在此，除了材料花費之外，也還要注意針對安裝、維護和修理的花費。

這里所示出的裝置的附加的缺點是：從功率模塊的角度來看，散熱僅僅向下進行。此外，該裝置的結(jié)構(gòu)高度被構(gòu)建得對于熱傳輸不利，因為層厚度越高，從功率模塊的散熱就表現(xiàn)得越難。因而，總體上，特別在使用高電流時不應(yīng)推薦所示出的裝置。壓力接觸的使用同樣是不利的，因為所述壓力接觸在接合該裝置時需要很高的機械拉力，這在該裝置的環(huán)境下需要相應(yīng)的花費高的機械設(shè)備而且需要結(jié)構(gòu)空間。如下裝置會是值得期望的，所述裝置在可比較的功率的情況下總體上更緊湊地來構(gòu)造，在沒有外部的夾具的情況下也夠用并且適合于強電流。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

按照本發(fā)明，提出了一種按照專利獨立權(quán)利要求所述的整流電路裝置。有利的構(gòu)建方案是從屬權(quán)利要求以及隨后的說明書的主題。

整流電路裝置被設(shè)計用于強電流。強電流被理解為如例如在電阻焊接中出現(xiàn)的、為了驅(qū)動伺服電機、為了驅(qū)動有生產(chǎn)能力的機器或者在驅(qū)動電動車輛中出現(xiàn)的電流。一般涉及在一位的千安培范圍內(nèi)或者在多位的千安培范圍內(nèi)的、優(yōu)選地來自于三相電網(wǎng)的電流。尤其是適合于如下應(yīng)用，在所述應(yīng)用中，電路從中間電路電壓出發(fā)借助于逆變器來饋電。該裝置尤其是用于工業(yè)的電阻焊接，在那里能夠出現(xiàn)例如至20kA或者更高的電流。

可控制的第一和第二開關(guān)機構(gòu)優(yōu)選地是功率半導(dǎo)體。每個功率半導(dǎo)體都包括至少一個電流輸入端、電流輸出端和控制端子。例如可以是金屬氧化物場效應(yīng)晶體管和諸如此類的，或者也可以是IGBT。

為了容納功率半導(dǎo)體，設(shè)置有具有印制導(dǎo)線的構(gòu)件載體。該構(gòu)件載體是具有導(dǎo)通的連接的電絕緣材料。纖維增強的材料可以被用作絕緣材料、尤其是柔軟的材料也可以被用作絕緣材料、尤其是薄膜狀的材料也可以被用作絕緣材料。功率半導(dǎo)體完全或者部分地被嵌入到構(gòu)件載體中，優(yōu)選地，所述功率半導(dǎo)體全面地或者逐段地由構(gòu)件載體的材料包圍。在特別優(yōu)選地將所述功率半導(dǎo)體完全嵌入到構(gòu)件載體中的情況下，所述功率半導(dǎo)體不再是可見的，因為它們處在構(gòu)件載體的內(nèi)部中并且在那里與至少一個印制導(dǎo)線層相連。

為了實現(xiàn)整流電路，所述功率半導(dǎo)體借助于印制導(dǎo)線彼此接線。該整流電路例如可以被實現(xiàn)為中點電路、橋電路或者變路電路（Wechselwegschaltung）。優(yōu)選地，該整流電路被設(shè)置用于逆變或者整流或者用于變流。優(yōu)選地，該整流電路被設(shè)置用于將交流整流成直流。

本發(fā)明的優(yōu)點

基于按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以顯著降低在運行整流器期間形成的損耗功率。

基于按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)而得到緊湊的整流器，所述整流器可以輕易地被集成到殼體中并且借此可以在現(xiàn)場輕易地被安裝或者被更換。優(yōu)選地，殼體根據(jù)盤單元（Scheibenzelle）的類型來實現(xiàn)，整流器完全被集成到該盤單元中。這樣的盤單元可以輕易地被操作、被存放或者被嵌入。然而，殼體也可以得到每個其它的對應(yīng)于應(yīng)用情況的形狀，優(yōu)選地其平坦地來構(gòu)造并且配備有圓形或者長方形。

借助于將功率半導(dǎo)體和/或印刷導(dǎo)線嵌入到構(gòu)件載體中，可以補償和減小在運行期間由于損耗熱量而形成的構(gòu)件的和/或構(gòu)件載體的熱變形。整個裝置在運行期間遭受的機械負(fù)載與此相應(yīng)地是更小的。優(yōu)選地，具有獨立的殼體、優(yōu)選地具有CAN殼體的半導(dǎo)體被用作功率半導(dǎo)體。

因此，按照本發(fā)明的整流器可以利用較少花費的用于約束或者鎖住整流器的機械設(shè)計被布置在其使用位置處，并且替換基于單個構(gòu)件的、諸如整流二極管的整流電路，所述單個構(gòu)件一般伴隨有高的損耗功率并且它們的安裝花費由于必要的復(fù)雜的機械壓力接觸技術(shù)而是高的并且需要很多空間。

優(yōu)選地，構(gòu)件載體包括多個重疊地布置的構(gòu)件載體層或者印制導(dǎo)線層。為了該目的，構(gòu)件載體可以多層地來構(gòu)造、即該構(gòu)件載體可以包括多個印制導(dǎo)線層，所述多個印制導(dǎo)線層可以借助于通孔接觸彼此相連。優(yōu)選地，電流輸入端與第一層相連并且電流輸出端與第二層相連?？刂戚斎攵丝梢耘c第三層相連，其中所述第三層優(yōu)選地被布置在第一與第二層之間。每個控制輸入端也可以與自己的印制導(dǎo)線層相連，所述印制導(dǎo)線層優(yōu)選地被布置在第一層與第二層之間。然而，原則上，其它的連接也能夠是可實現(xiàn)的。因此，例如可以將控制輸入端與第一或者第二層相連，并且可以將電流輸入端/電流輸出端或功率半導(dǎo)體端子與分別其它的層相連。也可以設(shè)置多于或少于三層。

構(gòu)件載體的材料厚度被設(shè)計為，使得所述材料厚度還在足夠的穩(wěn)定性的情況下具有盡可能小的熱阻。由此，該構(gòu)件載體也變得機械上略微柔韌的、幾乎不存儲熱量并且可以補償由于放熱而出現(xiàn)的機械應(yīng)力。

有利地，控制端子被布置成，使得用于操控構(gòu)件載體上的控制端子的功率半導(dǎo)體的控制線路基本上是同樣的或是彼此對稱的。這尤其是至少關(guān)于印制導(dǎo)線方位、印制導(dǎo)線規(guī)格和印制導(dǎo)線形狀適用。為了例如將焊接電流與特定的焊接任務(wù)最優(yōu)地適配，可以制訂在焊接開始時的電流升高或者也可以制訂在焊接任務(wù)結(jié)束時的電流下降。為此，快速地開關(guān)電流是必要的，以便焊接電流脈沖可以盡可能如預(yù)先給定的那樣來實現(xiàn)。借助于按照本發(fā)明的關(guān)于控制線路的提議，可以確保借助于被優(yōu)化的印制導(dǎo)線方位對功率半導(dǎo)體的快速開關(guān)。

優(yōu)選地，整流器包括用于在輸入側(cè)將整流電路連接到變壓器繞組上并且用于在輸出側(cè)將整流電路連接到負(fù)載上的機構(gòu)。借此，整流器例如可以輕易地被集成到現(xiàn)有的應(yīng)用（諸如電阻焊接應(yīng)用）中。

優(yōu)選地，整流電路被實現(xiàn)為中點電路。因此，也可以將在輸出側(cè)的負(fù)載連接到在次級側(cè)的變壓器繞組的中間接頭上。于是，利用僅僅兩個功率半導(dǎo)體就足夠。

特別優(yōu)選地，用于操控功率半導(dǎo)體的操控裝置至少部分地被嵌入到構(gòu)件載體中，或者被布置在構(gòu)件載體上，并且借助于印制導(dǎo)線與控制端子相連以及尤其是被布置在導(dǎo)電板之間（機械保護）。該操控裝置生成操控脈沖，借助于所述操控脈沖可接通功率半導(dǎo)體。該操控裝置也還可以承擔(dān)更復(fù)雜的任務(wù)、諸如整流器的狀態(tài)監(jiān)控。優(yōu)選地，構(gòu)件載體包括數(shù)據(jù)接口（例如現(xiàn)場總線接口或者無線電接口），這樣，附加地存在如下可能性：操控裝置可以與上級的裝置進行通信并且得到針對操控的指令。在電阻焊接的情況下，例如借助于脈沖來進行焊接。因此，為了實現(xiàn)具有相應(yīng)的電流值的預(yù)熱時間或者后熱時間，并且為了實現(xiàn)焊接脈沖，該操控裝置例如可以自給自足地或者與上級的焊接控制互相配合地承擔(dān)對功率半導(dǎo)體的操控。為了將例如焊接電流與特定的焊接任務(wù)最優(yōu)地適配，可以制訂在焊接開始時的電流升高或者也可以制訂在焊接任務(wù)結(jié)束時的電流下降。因此，總焊接時間可以通過輸入脈沖數(shù)目多次地由操控裝置來重復(fù)。

優(yōu)選地，構(gòu)件載體被布置在至少一個導(dǎo)電的電流輸入板（第一或者第二導(dǎo)電板）與至少一個導(dǎo)電的電流輸出板（第二或者第一導(dǎo)電板）之間，并且基本上平行于兩個導(dǎo)電板地來取向。兩個功率半導(dǎo)體的電流輸入端優(yōu)選地與電流輸入板導(dǎo)電相連，或兩個功率半導(dǎo)體的電流輸出端優(yōu)選地與電流輸出板導(dǎo)電相連。優(yōu)選地，或者兩個功率半導(dǎo)體的電流輸入端分別與共同的或者單獨的電流輸入板導(dǎo)電相連，和/或兩個功率半導(dǎo)體的電流輸出端分別與共同的或者單獨的電流輸出板導(dǎo)電相連。由此，之前所提及的盤單元殼體或者與此很類似的平坦的殼體可以輕易地被實現(xiàn)。

該裝置的優(yōu)點是：借助于兩個導(dǎo)電板實現(xiàn)導(dǎo)熱并且同時實現(xiàn)導(dǎo)電。因此，電流輸入板和電流輸出板滿足雙重功能、也就是一方面將電流輸送到功率半導(dǎo)體/將電流從功率半導(dǎo)體導(dǎo)出，并且由于三明治形狀的裝置也同時滿足在電流輸入側(cè)和/或在電流輸出側(cè)對半導(dǎo)體的冷卻。關(guān)于結(jié)構(gòu)高度被優(yōu)化的裝置造成針對電流和熱量的短的路徑。由此得出快速的熱傳輸和在該裝置本身之內(nèi)的小的損耗。材料中的溫度下降幾乎不出現(xiàn)。

裝置的按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)優(yōu)選地被澆鑄，這也保證了部件的機械牢固性，并且因此不需要壓力接觸。因此，會克服與壓力接觸相關(guān)的缺點。彼此對置地布置的電流輸入端和/或電流輸出端簡化了將按照本發(fā)明的功率構(gòu)件嵌入到相應(yīng)的構(gòu)件固定裝置中，如所述構(gòu)件固定裝置例如被用于盤單元的那樣。例如銅或者鉬被考慮作為板材料。之前所提及的在功率半導(dǎo)體與板之間的連接可以借助于焊接和/或燒結(jié)和/或借助于機械連接元件來實現(xiàn)。

提出：在至少一個導(dǎo)電板上設(shè)置適當(dāng)?shù)臋C構(gòu)，使得熱量可以輕易地從導(dǎo)電板排出。這例如可以借助于具有集成的冷卻通道的導(dǎo)電板來實現(xiàn)，所述冷卻通道用于在該裝置運行期間實現(xiàn)水冷卻。然而，也可以使用附加的單獨的具有到導(dǎo)電板的冷卻通道的冷卻板，所述冷卻板優(yōu)選地附在電流輸入板和/或電流輸出板上。所述附加的冷卻板也可以是整流電路裝置的固定裝置的組成部分，其中所述裝置在兩個冷卻板之間是可夾緊的，使得確保在固定裝置的端子與所有板之間的最優(yōu)的熱過渡和電流過渡。

優(yōu)選地，所述板（冷卻板和/或?qū)щ姲澹┰谄溥吘墔^(qū)域中借助于不導(dǎo)電的連接機構(gòu)彼此相連，其中板和連接機構(gòu)構(gòu)成殼體。澆鑄材料（諸如樹脂）被考慮作為連接機構(gòu)。由硬質(zhì)材料或者軟質(zhì)材料構(gòu)成的材料同樣被考慮。設(shè)置：控制端子此外還保持可接入的。

理想地，借助于整流器來實現(xiàn)用于焊接設(shè)備的整流器。在此，整流器承擔(dān)已知的電阻焊接二極管的功能。焊接變壓器優(yōu)選地與之前所提到的整流器構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)單元。因此，用于電阻焊接的具有相應(yīng)的變壓器的焊接設(shè)備是可輕易地實現(xiàn)的。

總體上，本發(fā)明在強烈減小的熱損耗、較小的結(jié)構(gòu)尺寸和強烈減小的重量的情況下通過省去重的和畸形的機械夾緊裝置引起了較高的功率密度。

易于理解的是：上面所提到的和隨后還要解釋的特征不僅可以以分別說明的組合出現(xiàn)，而且可以以其它的、這里沒有明確提到的組合或者單獨地或者獨立地出現(xiàn)，而不離開本發(fā)明的范圍。

附圖說明

本發(fā)明借助實施例在隨后的附圖中示意性地被示出，而且在下文參考附圖詳細(xì)地被描述。在圖中，只要不另作說明，相同的或者功能相同的特征就配備有相同的附圖標(biāo)記。

圖1粗略地示意性地示出了作為一種優(yōu)選的實施方式的中點電路；

圖2粗略地示意性地示出了第一優(yōu)選的結(jié)構(gòu)形狀；

圖3粗略地示意性地示出了作為優(yōu)選的電路的半橋。

具體實施方式

在圖1中示出了中點電路。在圖的左邊示出了全橋。所述全橋包括第一橋臂和第二橋臂。兩個橋臂平行地在（中間）直流電壓L（+）和L（-）上。每個橋臂都包括例如IGBT形式的兩個開關(guān)QA、QB和QC、QD。開關(guān)對QA、QB被分配給第一橋臂，并且開關(guān)對QC、QD被分配給第二橋臂。焊接變壓器18的初級繞組18a被布置在橋支路中。

在圖的右邊示出了按照本發(fā)明的整流器。該整流器被布置在焊接變壓器18的兩個次級繞組18b上。兩個次級繞組18b串聯(lián)并且在該串聯(lián)電路的接觸點上形成中間接頭17。因此，形成第一次級支路和第二次級支路。在中間接頭17上連接有電阻焊鉗的第一焊接電極13，所述第一焊接電極13在焊接過程期間不僅可具有正電位而且可具有負(fù)電位。第二焊接電極13與功率半導(dǎo)體11（Q1）和12（Q2）相連。第一功率半導(dǎo)體11被布置在第一次級支路中，并且第二功率半導(dǎo)體12被布置在第二次級支路中。在所述支路中的每個支路中都設(shè)置有針對支路電流IQ1、IQ2的電流測量設(shè)備14、15。在圖1中所示出的電路裝置的構(gòu)件、尤其是Q1和Q2，和優(yōu)選地也有電流測量設(shè)備14、15以及所述構(gòu)件之間的連接線路至少部分地并且優(yōu)選地完全地被嵌入到構(gòu)件載體（未示出，參見圖2，附圖標(biāo)記21）中。

次級側(cè)的功率半導(dǎo)體11、12用于借助于焊接電極13給工件加載焊接電流。功率半導(dǎo)體11、12優(yōu)選地配備有作為過壓保護（未示出）的續(xù)流二極管。所述續(xù)流二極管也可以被集成到功率半導(dǎo)體11、12中。

優(yōu)選地，磁場傳感器（未示出）被布置在焊接變壓器18上。該磁場傳感器的信號優(yōu)選地由操控設(shè)備（未示出，參見圖2，附圖標(biāo)記26）來分析，使得功率半導(dǎo)體11、12也可以在使用傳感器信號的分析結(jié)果的情況下被開關(guān)。借助于磁場傳感器可以記下對系統(tǒng)性能的影響。

功率半導(dǎo)體11、12優(yōu)選地對稱地被布置在構(gòu)件載體上。所述對稱的構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的電流分布，這有利地對系統(tǒng)性能產(chǎn)生作用。

圖2示出了針對整流器以三明治結(jié)構(gòu)方式的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的第一優(yōu)選的實施方式。示出了多個被嵌入到電路板21中的功率半導(dǎo)體25，所述多個被嵌入到電路板21中的功率半導(dǎo)體25如在圖1中所示出的那樣（參見附圖標(biāo)記11和12）彼此接線。這里，在圖1中所示出的功率半導(dǎo)體11和12在該例子中分別借助于兩個功率半導(dǎo)體組11和12來實現(xiàn)，其中每個功率半導(dǎo)體組11、12都包括多個彼此并行地運行的單個功率半導(dǎo)體，所述多個彼此并行地運行的單個功率半導(dǎo)體的數(shù)目在理論上可以是任意的并且取決于要提供的電流。因此，應(yīng)該僅僅示例性地看待所使用的功率半導(dǎo)體25的這里在圖中所示出的數(shù)目。優(yōu)選地，每個功率半導(dǎo)體組11和12都包括n個功率半導(dǎo)體，其中n可以是除零之外的正整數(shù)。

兩個銅板23a、23b被設(shè)置為導(dǎo)電的電流輸入板23a、23b，并且銅板22同樣被設(shè)置為導(dǎo)電的電流輸出板22，所述銅板優(yōu)選地具有集成的冷卻措施24、27，諸如冷卻通道，通過所述冷卻通道可以在運行期間輸送和排出冷卻劑（如水）。替代地，對于所述板22、23a、23b，鉬也會被考慮作為材料。

所述板23a/b、22的材料厚度（厚度）例如可以在毫米范圍內(nèi)（例如2mm）。那些代表圖1中的Q1（例如MOSFET）的功率半導(dǎo)體25的電流端子（例如源極或者漏極）優(yōu)選地與電流輸入板23a相連，并且那些代表圖1中的Q2的半導(dǎo)體25的電流端子（例如漏極或者源極）優(yōu)選地與電流輸入板23b相連。兩個銅板23a、23b優(yōu)選地是彼此電絕緣的并且與對置的電流輸出板22平行地來取向。那些代表Q1和Q2的功率半導(dǎo)體25的其它電流端子（例如漏極或者源極）優(yōu)選地借助于一體化的電流輸出板24彼此相連。電流輸入板23a和電流輸入板23b優(yōu)選地被構(gòu)造用于將按照本發(fā)明的整流器連接到次級繞組18b（圖1）上。

根據(jù)所希望的應(yīng)用，對此也可以設(shè)想替代的電路裝置（未示出）。替代地，那些代表圖1中的Q1（例如MOSFET）的半導(dǎo)體25的電流端子（例如漏極或者源極）與第一電流輸出板（未示出）相連，并且那些代表圖1中的Q2的半導(dǎo)體25的電流端子（例如漏極或者源極）與第二電流輸出板（未示出）相連。接著，兩個電流輸出板（未示出）是彼此絕緣的并且與唯一的對置的電流輸入板（未示出）平行地來取向。那些代表Q1和Q2的功率半導(dǎo)體25的電流端子（例如源極或者漏極）在所述替代的解決方案中借助于一件式的電流輸入板彼此相連。

在另一優(yōu)選的實施方式中，不僅電流輸入板而且電流輸出板都多件式地來構(gòu)造，而且彼此平行地和對置地來布置，以便包圍如下功率半導(dǎo)體，所述功率半導(dǎo)體的輸入端和/或輸出端在電路技術(shù)上沒有彼此相連，并且可以借助于在兩個板之間可自由地接入的控制端子來操控。

彼此平行地并且在其邊緣區(qū)域彼此齊平地布置的銅板23a、b和22至少在其邊緣區(qū)域借助于不導(dǎo)電的連接機構(gòu)（未示出）彼此相連，使得所述銅板23a、b和22連同所述連接機構(gòu)形成殼體。該連接機構(gòu)可以是澆鑄材料，然而替代地，該連接機構(gòu)也可以借助于如硬質(zhì)塑料或者軟質(zhì)塑料那樣的材料來實現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用，借助于該連接機構(gòu)可以實現(xiàn)如下殼體，所述殼體也滿足IP保護方式。

在兩個銅板23a、b和22的邊緣處，可以設(shè)置形狀決定地咬合的接觸機構(gòu)用于安裝連接機構(gòu)，所述接觸機構(gòu)確保了在連接機構(gòu)與銅板23a、b和22之間的牢固的接觸。

電路板21的厚度可以在微米范圍內(nèi)（例如100微米）。功率半導(dǎo)體25的控制端子同樣被該電路板21包括，并且可以借助于用于功率半導(dǎo)體11、12的同樣被電路板21包括的或者被集成到該電路板中的操控裝置26來連接。

如在圖中所示出的那樣，所標(biāo)記的電流（I，箭頭方向作為標(biāo)準(zhǔn)）可以借助于控制端子來控制，并且采取可預(yù)先給定的從電流輸入板23a、23b到電流輸出板22的方向。在該裝置運行期間出現(xiàn)的廢熱（損耗熱量）可以借助于電流輸入板23a、23b和電流輸出板22同時在兩個方向上被排出，尤其是，如果在所有板22、23a、23b中都設(shè)置有冷卻通道23、27或者在所述板22、23a、23b中的至少一個板中設(shè)置有冷卻通道23、27，那么加速。

在圖3中示意性地示出了所嵌入的半橋電路。所述橋在第一電位31與第二電位36之間，并且借助于兩個MOS-FET開關(guān)32、35來實現(xiàn)，所述兩個MOS-FET開關(guān)32、35的控制端子（斷開地示出）可由操控裝置26（參見圖2）來操控。焊鉗34的第一電極被電連接在兩個MOS-FET開關(guān)32、35之間。焊鉗的第二電極在該例子中與電位36相連。兩個電位31、36優(yōu)選地由在圖1中示出的次級繞組來提供。

附圖標(biāo)記列表

11、12 在輸出側(cè)的功率開關(guān)、MOSFET

13 負(fù)載、焊鉗

14、15 電流測量電路

16 初級側(cè)的變壓器連接

17 變壓器中間接頭

18 變壓器

18a 變壓器初級繞組

18b 變壓器次級繞組

QA、QB、QC、QD 在輸入側(cè)的功率開關(guān)、MOSFET

IQ1、IQ2 焊接電流

L（+）、L（-） 焊接變流器的中間電路直流電壓

21 電路板

22 電流輸入板、銅板

23a、23b 電流輸出板、銅板

24 集成的水冷卻

25 電路板中的嵌入半導(dǎo)體、整流電路

26 用于功率開關(guān)的控制端子的操控機構(gòu)

27 集成的水冷卻

I 焊接電流

31、36 電壓供應(yīng)

32、35 控制機構(gòu)

33 針對電流的測量機構(gòu)

34 焊鉗。