ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H01L25/00 H05K7/20 

Изобретение относится к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано в устройствах различного назначения, например для питания электроприводов в различных отраслях народного хозяйства.

Известен тиристорный преобразователь преимущественно с естественным воздушным охлаждением [1] , содержащий корпус, охладители, включенные по противопараллельной мостовой схеме, таблеточные тиристоры, установленные между охладителями и расположенные на одной оси, проходящей через центр их круговой симметрии, блоки питания и управления и выводную панель, при этом соединенные с входным зажимом катод одного и анод другого тиристора находятся в тепловом контакте между собой, а соединенные с выходным зажимом анод и катод указанных тиристоров находятся в тепловом контакте каждый с отдельным охладителем.

Недостатком этого преобразователя является низкая эффективность охлаждения из-за наличия экранирующих элементов (крепежных деталей, тиристорных блоков).

Эффективность охлаждения улучшена в полупроводниковом реверсивном преобразователе с системой естественного воздушного охлаждения [2], который является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению. Преобразователь содержит корпус с перфорацией в его стенках, установленные в нем вдоль направления воздушного потока групповые охладители с ребрами охлаждения, соединенные с токоведущими шинами, полупроводниковые элементы с индивидуальными охладителями с ребрами охлаждения, размещенные на каждом из групповых охладителей и образующие анодную и катодную группы встречно-параллельно включенных электрических мостов, предохранители, расположенные между групповыми охладителями, блоки питания и управления и выводную панель. Торцовые концы ребер охлаждения групповых и индивидуальных охладителей расположены в плоскостях, параллельных соответствующим стенкам с перфорацией.

Эффективность охлаждения данного преобразователя также недостаточно высока, так как вертикальная компоновка полупроводниковых элементов (тиристоров) не дает возможности эффективного охлаждения верхних полупроводниковых элементов, что снижает надежность работы всего блока в целом.

Общими недостатками указанных преобразователей являются следующие: большие габариты и вес из-за наличия несущего корпуса, длинных линий связи и большого количества крепежных элементов; сложность сборки преобразователя при формировании различных вариантов силовых одиночных или комплектных силовых схем, связанная с совместным решением задач электрической развязки и эффективностью охлаждения полупроводниковых элементов; сложность конструкции, связанная с наличием многочисленных крепежных элементов и несущего корпуса; невозможность использования преобразователя для работы в агрессивных, сложных и пыльных атмосферных условиях.

Изобретение направлено на создание малогабаритного преобразователя с высокой эффективностью охлаждения, одновременно решаются задачи упрощения сборки преобразователя при всех возможных вариантах различных схем (силовых и схем управления) и защиты полупроводниковых приборов в агрессивных, влажных и пыльных условиях атмосферы.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном полупроводниковом преобразователе, содержащем охладитель, полупроводниковые приборы, установленные на охладителе, блоки питания и управления и выводную панель, охладитель выполнен в виде блока радиаторов и изоляторов, замкнутых по периметру и образующих корпус преобразователя, к торцам которого прикреплены крышки, а полупроводниковые приборы установлены на внутренней поверхности радиаторов и имеют тепловой или электрический и тепловой контакт с ними.

Один или несколько полупроводниковых приборов в этом преобразователе могут иметь тепловой или электрический контакт с двумя радиаторами.

Кроме того, в полупроводниковом преобразователе на одном торце корпуса-охладителя могут быть установлены блоки питания и управления, а на другом - выводная панель.

Такое выполнение устройства благодаря комбинации унифицированных изоляционных элементов и радиаторов позволяет с помощью соединительных элементов соединять силовые модули в жесткую конструкцию в виде блока при всех возможных вариантах различных схем (силовых и схем управления) и одновременно решить задачу создания малогабаритного преобразователя с эффективной теплоотдачей.

На фиг. 1 изображен полупроводниковый преобразователь, общий вид; на фиг. 2 - конструкция реверсивного силового блока; на фиг. 3 - конструкция нереверсивного силового блока; на фиг. 4 - конструкция силового блока с встречно-параллельным включением тиристоров; на фиг. 5 - электрическая схема реверсивного преобразователя; на фиг. 6 - электрическая схема нереверсивного преобразователя; на фиг. 7 - электрическая схема преобразователя с встречно-параллельным включением тиристоров.

Полупроводниковый преобразователь содержит охладитель 1, установленные на охладителе полупроводниковые приборы 2, коробку 3 с блоками питания и управления, коробку 4 с выводной панелью и защитный кожух 5.

Охладитель 1 выполнен в виде блока радиаторов 6 и изоляторов 7 и 8, замкнутых по периметру. Блок радиаторов и изоляционных элементов образует корпус преобразователя, к торцам которого прикреплены крышки 9, которые обеспечивают герметичность корпуса. На внутренней поверхности радиаторов в тепловом или электрическом и тепловом контакте с ними установлены полупроводниковые приборы 2, соединенные с токоведущими шинами 10.

Один или несколько полупроводниковых приборов могут иметь тепловой и электрический контакт с двумя радиаторами.

Компоновка радиаторов и изоляторов зависит от функциональной схемы преобразователя (фиг. 2-4).

Радиаторы и изоляторы соединены между собой шпильками 11 и стянуты гайками 12. На шпильках, изолированных от радиаторов 6, установлены через изоляторы 8 крышки 9 и коробки 3 и 4 с блоками питания, управления и выводной панелью.

Крышки 9 служат также опорой преобразователя. Кожух 5 преобразователя предназначен для электробезопасности и может быть выполнен, например, в виде сетки. Материалом изоляторов может служить фенопласт, текстолит, термостойкая резина или электрохимическое покрытие на радиаторах. В качестве материала для радиаторов может служить, например, дюралюминий. В варианте реверсивного преобразователя (фиг. 2) охладитель 1 выполнен из пяти рамок а, b, c, d, e, состоящих из четырех радиаторов 6, и одной рамки f, состоящей из двух радиаторов 6 и двух изоляторов 7. На рамках а и е установлены по три тиристора, на рамках b, с и d - по два. Крепление анодной и катодной групп тиристоров осуществляется непосредственно на радиаторах. Радиаторы рамки f служат для охлаждения катодной группы тиристоров (фиг. 5).

В варианте нереверсивного преобразователя (фиг. 3) охладитель выполнен из одной рамки К, состоящей из четырех радиаторов 6, и двух рамок L, М, состоящих из двух радиаторов и двух изоляторов каждая. Один радиатор рамки М служит для охлаждения катодной группы. Рамка К содержит три тиристора, два радиатора рамки L и один радиатор рамки М имеют по одному тиристору (фиг. 6).

В варианте с встречно-параллельным включением тиристоров (фиг. 4) охладитель выполнен из трех рамок, состоящих из двух радиаторов и двух изоляторов. Тиристоры расположены на радиаторах в соответствии с фиг. 7.

Сборка полупроводникового преобразователя осуществляется следующим образом.

На четыре шпильки 11 через изоляционные втулки устанавливаются pамки, пpедставляющие собой комбинацию pадиатоpов и изоляторов. С обоих торцов на шпильки устанавливаются крышки 9.

В необходимых случаях рамки и крышки устанавливаются на герметике. Далее на шпильки устанавливаются через разъемы коробка 3 с блоками питания и управления и коробка 4 с выводной панелью.

При включении полупроводникового преобразователя в соответствии с электрическими схемами (фиг. 5, 6 и 7) в зависимости от заданного режима группы полупроводниковых элементов нагреваются и отдают тепло, с одной стороны, индивидуальным охладителям b, c, d, f (фиг. 2), L, М (фиг. 3), а с другой стороны, групповым охладителям а, е (фиг. 2) и К (фиг. 3). Так как включение группы элементов тиристоров происходит поочередно, то отдача тепла групповыми охладителями происходит также поочередно. Таким образом, поверхность теплоотвода работающих элементов возрастает. Горизонтальное расположение тиристоров относительно друг друга с охлаждением катодной и анодной групп через радиаторы обеспечивает одинаковые условия эффективного охлаждения каждого тиристора.

Предлагаемое изобретение позволяет создать малогабаритный преобразователь с эффективным охлаждением при формировании всех возможных вариантов различных схем (схем управления и силовых схем с возможностью управления приводами как на постоянном токе, так и на переменном) с различными по конструкции полупроводниковыми приборами, например таблеточными или штыревыми тиристорами, а также транзисторами. Герметичность корпуса преобразователя позволяет применять его в агрессивных, влажных и пыленезащищенных средах. Использование унифицированных сборных элементов, отсутствие несущего корпуса, сокращение линий связи, уменьшение крепежных элементов значительно уменьшают вес и габариты преобразователя, позволяют упростить известные конструкции, снизить трудоемкость их изготовления и сборки. Малые габариты и вес предлагаемого преобразователя позволяют исключить подъемно-транспортные механизмы для его транспортировки.

Использование: в устройствах различного назначения, например для питания электроприводов в различных отраслях народного хозяйства. Сущность изобретения: полупроводниковый преобразователь содержит охладитель, полупроводниковые приборы, установленные на охладителе, блоки питания и управления и выводную панель, причем охладитель выполнен в виде блока радиаторов и изоляторов, замкнутых по периметру и образующих корпус преобразователя, к торцам которого прикреплены крышки, которые обеспечивают герметичность корпуса. Полупроводниковые приборы установлены на внутренней поверхности радиаторов и имеют тепловой или электрический и тепловой контакт с ними. Компановка радиаторов и изоляторов зависит от функциональной схемы преобразователя. Такое выполнение устройства благодаря комбинации унифицированных изоляционных элементов и радиаторов позволяет с помощью соединительных элементов соединять силовые модули в жесткую конструкцию в виде блока при всех возможных вариантах различных схем и одновременно решить задачу создания малогабаритного преобразователя с эффективной теплоотдачей. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий охладитель, полупроводниковые приборы, установленные на охладителе, блоки питания и управления и выводную панель, отличающийся тем, что охладитель выполнен в виде блока радиаторов и изоляторов, замкнутых по периметру и образующих корпус преобразователя, к торцам которого прикреплены вновь введенные крышки, а полупроводниковые приборы установлены на внутренней поверхности радиаторов и имеют тепловой или электрический и тепловой контакт с ними. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что один или несколько полупроводниковых приборов имеют тепловой и электрический контакт с двумя радиаторами. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на одном торце корпуса-охладителя установлены блоки питания и управления, а на другом выводная панель.