Schmelzsicherung zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes und eine Schaltungsanordnung mit der Schmelzsicherung

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes zwischen zwei elektrischen Komponenten. Zu der Erfindung gehört auch eine Schaltungsanordnung mit den beiden Komponenten sowie der Schmelzsicherung.

Bei einer Schmelzsicherung wird im Falle eines Überstromes durch Abschmelzen eines Schmelzleiters der Stromkreis unter ^¬ brochen, wenn der Überstrom einen vorbestimmten Stromstärke- wert für eine vorbestimmte Mindestzeit überschreitet.

Mittels einer Schmelzsicherung kann beispielsweise ein Leistungselektronikmodul gesichert werden. Ein Leistungselektro ^¬ nikmodul schaltet den Strom mittels Halbleiterbauelementen, beispielsweise IGBTs (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transis ^¬ tor) . Fällt ein solches Halbleiterelement aus, so ist nicht vorhersagbar, welchen Zustand das defekte Halbleiterbauele ^¬ ment einnimmt. Das Halbleiterbauelement kann im Fehlerfall leitend werden, wenn dessen Sperrschicht durchlegiert ist. Dann ist das Halbleiterbauelement unabhängig von Steuersigna ^¬ len und der Flussrichtung des Stromes durchgehend elektrisch leitend. Tritt ein dieser Fehlerfall ein, so entstehen im Stromkreis ungewollte Schaltzustände, die in den meisten Fäl ^¬ len zu Kurzschlüssen führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine niederindukti ^¬ ve Schmelzsicherung bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Pa- tenansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin ^¬ dung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben . Die erfindungsgemäße Schmelzsicherung ist zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes zwischen zwei elektrischen Komponenten ausgelegt. Zum Verbinden der Schmelzsicherung mit der ersten Komponente weist die Schmelzsicherung ein elektrisch leitfähiges erstes Anschlusselement auf. Zum Verbinden der Schmelzsicherung mit der zweiten Komponente weist die

Schmelzsicherung ein elektrisch leitfähiges zweites Anschlusselement auf. Mit elektrisch leitfähig ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine elektrische Leitfähigkeit ge- meint, die größer als 10 ⁶ S/m ist.

Die beiden Anschlusselemente sind über mehrere elektrisch leitfähige Sicherungsdrähte verbunden. Die Sicherungsdrähte sind durch die Anschlusselemente parallel geschaltet. Mit an- deren Worten weist die Schmelzsicherung keinen einzelnen

Schmelzleiter auf, sondern mehrere Schmelzleiter oder Sicherungsdrähte, über welche die beiden Anschlusselemente mitei ^¬ nander verbunden sind. Jeder Sicherungsdraht kann wie ein einzelner Schmelzleiter aus dem Stand der Technik ausgestal- tet sein.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass im Falle eines elektrischen Stromes, der eine vorbestimmte Stromstärke überschreitet, zunächst der schwächste der Sicherungsdrähte schmilzt, wodurch sich der Stromfluss durch die anderen Si ^¬ cherungsdrähte erhöht und diese auch der Reihe nach schmel ^¬ zen. Mit anderen Worten ergibt sich ein Dominoeffekt. Die Reihe der Sicherungsdrähte reißt wie ein Reißverschluss auf. Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.

Bevorzugt weist die Schmelzsicherung mehr als zwei Siche ^¬ rungsdrähte auf. Insbesondere sind mehr als fünf Sicherungs- drähte in der Schmelzsicherung bereitgestellt. Beispielsweise kann für eine Auslösestromstärke von X Ampere eine Anzahl von Sicherungsdrähten bereitgestellt sein, die in einem Bereich von 0,7 X bis 1,5 X liegt, also z.B. 100 Sicherungsdrähte für 100 Ampere.

Gemäß einer Weiterbildung wird vermieden, dass ein Induktivi- tätswert des Schaltkreises durch Bereitstellen der Schmelzsi ^¬ cherung signifikant vergrößert wird. Die Weiterbildung be ^¬ rücksichtigt, dass die Schmelzsicherung eine vorbestimmte Nennspannung aufweist. Bei dieser Weiterbildung

beträgt eine Länge der zwischen den Anschlusselementen ange- ordneten Sicherungsdrähte einen Wert, bei welchem sich ein Abstand der Abschlusselemente zueinander ergibt, bei dem sich bei durchgeschmolzenen Sicherungsdrähten für die Nennspannung eine Isolierstrecke ergibt. Diese Länge kann bei ^¬ spielsweise weniger als 10 Millimeter betragen. Die Länge ist hierbei entlang der vorbestimmten Flussrichtung des elektrischen Stromes gemessen. Indem die Drähte entlang der elektrischen Flussrichtung kurz sind, bildet die Schmelzsicherung selbst keine signifikante Induktivität aus. Gemäß einer Weiterbildung weisen die Sicherungsdrähte gleiche Durchmesser auf. Mit anderen Worten weisen die beiden Sicherungsdrähte gleich elektrisch leitfähige Querschnitte auf. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass keiner der Sicherungsdrähte bei einer Stromstärke schmilzt, die kleiner als die Auslösestromstärke ist. Des Weiteren kann durch die Wahl des Durchmessers eingestellt werden, um welchen Betrag die Stromstärke sich ändern muss, damit der nächste Sicherungs ^¬ draht schmilzt.

Gemäß einer Weiterbildung ist die Schmelzsicherung besonders robust ausgestaltet. Hierbei sind eines der Anschlusselemente oder beide Anschlusselemente durch eine Metallplatte bereit ^¬ gestellt. Diese kann dann mit der jeweiligen Komponente bei- spielsweise verschraubt oder verlötet werden.

Eine Weiterbildung ermöglicht es, die Schmelzsicherung als besonders kompaktes Bauelement bereitzustellen. Bei dieser Weiterbildung sind die Sicherungsdrähte parallel zueinander angeordnet .

Eine Weiterbildung verhindert besonders zuverlässig, dass sich ein Lichtbogen ausbildet. Bei dieser Weiterbildung sind die Sicherungsdrähte zusammen mit einem Löschmittel zum Lö ^¬ schen eines Lichtbogens in einem Gehäuse angeordnet. Als Löschmittel kann beispielsweise Quarzsand oder Quarzmehl be ^¬ reitgestellt sein.

Durch Verbauen der Schmelzsicherung in einer Schaltungsanordnung ergibt sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Bei dieser Schaltungsanordnung sind ein Leistungselektronikmodul als erste Komponente und ein elektrisches Leitungsele- ment als zweite Komponente bereitgestellt. Das Leistungs ^¬ elektronikmodul kann beispielsweise ein Stromrichter oder Wechselrichter oder ein Gleichrichter sein. Das elektrische Leitungselement kann beispielsweise ein elektrischer Draht oder eine Stromschiene sein. Die beiden Komponenten sind über eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung verbunden. Hierdurch kann bei einem Kurzschluss in dem Leistungselektronikmodul ein zwischen dem Leitungselement und dem Leistungselektronikmodul fließender Kurzschlussstrom unterbrochen werden. Bevorzugt ist sowohl an einem ersten Lei- tungselement , das den Strom von einer Stromquelle hin zum Leistungselektronikmodul führt, als auch an einem zweiten Leitungselement, welches den Strom aus dem Leitungselektro ^¬ nikmodul zurück zur Stromquelle führt, jeweils eine Schmelz ^¬ sicherung zwischen dem jeweiligen Leitungselement und dem Leistungselektronikmodul bereitgestellt. Hierdurch kann zu ^¬ sätzlich ein Schutz gegen einen Erdschluss gegenüber einer elektrischen Masse bereitgestellt werden.

Wir bereits eingangs ausgeführt, ist ein Schutz durch die er- findungsgemäße Schmelzsicherung insbesondere nötig, wenn das Leistungselektronikmodul mindestens ein Halbleiterbauelement zum Steuern eines über die Schmelzsicherung geführten Stromes umfasst. Ein solches Halbleiterbauelement ist insbesondere ein IGBT, ein MOSFET (Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistor) oder eine Diode.

Die Schaltungsanordnung ist insbesondere als Umrichter ausge- staltet, wobei das Leitungselement ein Bestandteil eines

Gleichspannungs-Zwischenkreises der Schaltungsanordnung und das Leistungselektronikmodul ein Gleichrichter oder ein Wechselrichter des Umrichters ist. Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung be ^¬ schrieben. Hierzu zeigt:

FIG 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und

FIG 2 eine schematische Darstellung einer perspektivischen

Ansicht einer Schmelzsicherung, die in der Schaltungsanordnung von FIG 1 eingebaut ist. Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, wel- che die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Er- findung ergänzbar.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. FIG 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1, bei der es sich beispielsweise um einen Bestandteil eines Umrichters handeln kann. Dargestellt sind ein Leistungselektronikmodul 2, ein erstes Leitungselement 3 und ein zweites Leitungselement 4. Das erste Leitungselement 3 ist mit dem Leistungselektronik ^¬ modul 2 über eine erste Schmelzsicherung 5 verbunden. Das zweite Leitungselement 4 ist über eine zweite Schmelzsiche ^¬ rung 6 mit dem Leistungselektronikmodul 2 verbunden.

Bei dem ersten Leitungselement 3 und dem zweiten Leitungsele ^¬ ment 4 kann es sich beispielsweise jeweils um eine Strom ^¬ schiene handeln. Zwischen den Leitungselementen 3, 4 kann beispielsweise eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt sein. Das Leistungselektronikmodul 2 kann beispielsweise ein Gleichrichter sein, durch welchen die elektrische Gleichspannung erzeugt wird. Das Leistungselektronikmodul 2 kann auch beispielsweise ein Wechselrichter sein, durch welchen aus der Gleichspannung eine oder mehrere Wechselspannungen erzeugt werden.

FIG 2 zeigt eine der Schmelzsicherungen 5, 6 in perspektivischer Darstellung. Die Schmelzsicherungen 5, 6 können baugleich ausgestaltet sein. Die Schmelzsicherungen 5, 6 können jeweils über Schrauben 7 mit dem Leistungselektronikmodul 2 einerseits und einem der Leitungselemente 3, 4 andererseits verschraubt sein. Jede Schmelzsicherung 5, 6 kann hierzu je ^¬ weils ein erstes Anschlusselement 8 und ein zweites An ^¬ schlusselement 9 aufweisen kann. Jedes Anschlusselement 8, 9 kann beispielsweise als eine Metallplatte ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Anschlusselement 8, 9 aus Kupfer oder Aluminium gefertigt sein.

Die beiden Anschlusselemente 8, 9 sind bei der Schmelzsiche- rung 5, 6 jeweils durch mehrere Sicherungsdrähte 10 elekt ^¬ risch miteinander verbunden. Von den Sicherungsdrähten 10 sind der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Be ^¬ zugszeichen versehen. Die Sicherungsdrähte können beispiels ^¬ weise in an sich im Zusammenhang mit Schmelzsicherungen be- kannter Weise gefertigt sein, also z.B. aus einer Legierung, wie sie für bekannte Sicherungsdrähte verwendet wird. Die Sicherungsdrähte 10 sind durch die beiden Anschlussele ^¬ mente 8, 9 elektrisch parallel geschaltet. Insbesondere sind die Sicherungsdrähte parallel zueinander angeordnet. Insbe ^¬ sondere verbinden die Sicherungsdrähte 10 gemeinsam eine je- weilige Stirnseite der Anschlusselemente 8, 9. Ein elektri ^¬ scher Strom I eines Stromkreises, der die Leitungselemente 3, 4 und das Leistungselektronikmodul 2 umfasst, wird bei Durch ^¬ fließen der jeweiligen Schmelzsicherung 5, 6 auf die Sicherungsdrähte 10 aufgeteilt.

Eine Länge 11 der Sicherungsdrähte 10 weist einen Wert auf, bei welchem sich ein Abstand der Abschlusselemente 8, 9 zuei ^¬ nander ergibt, bei dem sich bei durchgeschmolzenen Sicherungsdrähten 10 für den Betrag der besagten Gleichspannung eine Isolierstrecke ergibt. Die Länge kann beispielsweise kleiner als 10 Millimeter sein. Dadurch ergibt sich ein Aufbau des Sicherungselements, der möglichst klein ist, sodass eine Eigeninduktivität der Schmelzsicherung 8 möglichst ge ^¬ ring gehalten wird, sodass diese Induktivität nicht auffällt beziehungsweise keine zusätzlich negativen Eigenschaften mit sich bringt.

Damit eine der Schmelzsicherungen 5, 6 ausgelöst wird, muss der Strom I größer als ein Nennstrom sein, der im Betrieb des Leistungselektronikmoduls vorgesehen ist. Der Auslösestrom ist insbesondere mindestens zweimal so groß wie der Nenn ^¬ strom.

Fließt ein Auslösestrom, so wird einer der Sicherungsdrähte 10 durch den zu hohen Teilstrom in diesem Sicherungsdraht 10 geschmolzen. Hierdurch verringert sich der elektrisch leitfähige Querschnitt der Schmelzsicherung 5, 6 und es schmelzen nacheinander die restlichen Sicherungsdrähte 10 der Reihe nach ab, sodass die Schmelzsicherung wie ein Reißverschluss aufreißt. Um gezielt zu verhindern, dass einer der Sicherungsdrähte 10 zu früh aufschmilzt, können die Sicherungsdrähte 10 gleiche Durchmesser 12 aufweisen. Die Sicherungsdrähte 10 können auch in ein Löschmittel 13, beispielsweise Quarzsand, eingebettet sein, das durch ein Ge ^¬ häuse der Schmelzsicherung 5, 6 gehalten sein kann.

Durch die Schmelzsicherung 5, 6, ergibt sich eine vorteilhaf- te niederinduktive Anordnung von parallelen Sicherungsdrähten, welche im Kurzschlussfall ähnlich wie ein Reißverschluss auslösen .

Insgesamt zeigt somit das Beispiel, wie durch die Erfindung eine niederinduktive Schmelzsicherung für leistungselektronische Baugruppen bereitgestellt werden kann.

Bezugs zeichenliste

1 Schaltungsanordnung

2 Leistungselektronikmodul

3, 4 Leitungselement

5, 6 Schmelzsicherung

7 Schraube

8, 9 Anschlusselement

10 Sicherungsdraht

11 Länge

12 Durchmesser

13 Löschmittel

I Elektrischer Strom