МОДУЛЬ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ТОКА С СИСТЕМОЙ ШИН ДЛЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ВЫПРЯМИТЕЛЬ ТОКА Российский патент 2003 года по МПК H02M7/48 H01L25/16 

Изобретение относится к области силовой электроники. Оно исходит из модуля выпрямителя тока и выпрямителя тока согласно ограничительной части пунктов 1 и 10 формулы изобретения.

Изобретение имеет своим предметом модули выпрямителей тока для высокомощных выпрямителей тока. Модули выпрямителей тока строятся из нескольких силовых полупроводниковых выключателей с помощью системы шин.

Такие системы шин раскрыты, например, в статье "Запираемые высокомощные выпрямители тока для самодвижущегося подвижного состава с приводом трехфазного тока", ABB Technik 4/1995, с. 4-13. Электроснабжение локомотивов с электрическим приводом происходит через промежуточный контур постоянного напряжения, который со стороны входа соединен с сетью постоянного напряжения или через сетевой выпрямитель тока с сетью переменного тока, а со стороны выхода через обычно многофазный приводной выпрямитель тока поставляет изменяемый по амплитуде и частоте ток к трехфазным асинхронным тяговым электродвигателям. Система шин образует электрическое соединение между выходом сетевого выпрямителя тока или контактным проводом сети постоянного тока и силовыми полупроводниковыми выключателями или модулями для приводного выпрямителя тока.

Она может быть очень сложной, ограничивать мощность электрической системы коммутации и вызывать значительные расходы.

В ходе разработки силовых полупроводниковых выключателей произошел переход от обычных тиристоров через запираемые тиристоры к биполярным транзисторам с изолированным затвором. Биполярные транзисторы с изолированным затвором обычно интегрированы в модули. Для более высоких токов или мощностей несколько модулей включают параллельно. Применительно к семействам выпрямителей тока различной мощности желательны такие системы шин, которые допускают создание модульных, простым способом масштабируемых многофазных выпрямителей тока и обладают низкой индуктивностью.

В двух более ранних, неопубликованных немецких заявках на патент (регистрационные 19600367.9 и 19612839.0) для решения этой проблемы предлагается двухмерное расположение полупроводниковых мощных модулей над плоскими металлическими пластинами постоянного тока и параллельно расположенными фазными шинами. Плоские модули имеют вдоль узкой длинной кромки вытянутые в длину втычные контакты и вставляются параллельно фазным шинам в два ряда на одну шину в играющие роль ответной части электрического соединителя пластины. Ближайшие соседи повернуты соответственно на 180^o и соединены друг с другом мостовым соединением. Таким образом, они образуют полумосты или пары плеч моста, т. е. они контактируют с противоположными металлическими пластинами постоянного напряжения и питают полуволны тока противоположной полярности в общую фазную шину. В противоположность этому следующие соседи ориентированы одинаково и образуют параллельно включенные модули для масштабирования мощности.

Эта конструкция еще имеет недостатки, как, например, недостаточную симметрию, неидеальную индуктивность и, в частности, сложную конструкцию. Различные и длинные цепи тока между модулями обуславливают несимметричность тока и неравномерную нагрузку модулей. Результирующая полуоптимальная нагрузка увеличивается с увеличением мощности или числа модулей на одну фазу, что делает необходимым выбор избыточных размеров. Другие недостатки такого устройства относятся к конструктивной стороне. Для одной нормальной серии требуются много различных деталей, и их сборка является сложной. Выдерживание минимальных изоляционных расстояний и путей утечки тока требует особой тщательности, так как положительные и отрицательные соединения расположены очень близко друг от друга и проходят друг через друга. Кроме того, для каждого случая применения или для каждой мощности необходимы индивидуально изготовленные размеры металлических пластин и индивидуально подогнанные детали.

Согласно DE 4402425 A1 из уровня техники известно, кроме того, параллельное включение нескольких пар мостовых плеч полупроводниковых коммутационных элементов вдоль фазной шины в инверторах. Элементы каждого плеча моста контактируют и свинчивают передней стороной к задней стороне, или в повернутом друг от друга положении, или одинаково ориентированно с помощью продольных профилей. В качестве отличительной особенности фазная шина в конце откинута вверх и антипараллельно проведена назад для уменьшения индуктивности.

Задачей настоящего изобретения является создание системы шин для выпрямителей тока, которая отличается упрощенной, экономящей место конструкцией и уменьшенными затратами на монтаж, а также имеет улучшенную симметрию с более низкими индуктивностями и более высокой нагрузочной способностью по току.

Эта задача решается согласно изобретению с помощью признаков первого пункта формулы изобретения.

А именно, суть изобретения состоит в том, чтобы соединять, предпочтительно, вставляемые силовые полупроводниковые выключатели попарно, ориентированно их передними или задними сторонами друг к другу, и очень плотно рядом друг с другом с положительным и отрицательным контактными выводами промежуточного контура постоянного тока и с фазной шиной. Благодаря этому цепи тока как для токов нагрузки, так и токов коммутации выполняются симметрично и с малой индуктивностью. При этом создаются различные варианты модулей выпрямителей тока, которые можно легко монтировать и на основе их модульной конструкции легко приспособлять к желаемой потребности в мощности.

Первый пример выполнения представляет собой однофазный модуль выпрямителя тока, состоящий из двух силовых полупроводниковых выключателей, которые расположены их передними или задними сторонами фронтально друг против друга и соединены мостовой схемой.

Другой пример выполнения представляет собой второй однофазный модуль выпрямителя тока, состоящий из четырех силовых полупроводниковых выключателей, при этом каждые два коммутационных элемента расположены напротив друг друга и включены параллельно в одном плече моста и оба плеча расположены рядом, т.е. со сдвигом в направлении фазной шины.

Последний пример выполнения представляет собой двухфазный модуль выпрямителя тока, состоящий из четырех силовых полупроводниковых выключателей, при этом каждые два коммутационных элемента в боковом, параллельном положении образуют пару плеч моста, и обе пары по отношению к средней плоскости расположены зеркально и питают различные фазы.

Преимущество системы шин согласно изобретению состоит в высокой симметричности расположения силовых полупроводниковых коммутационных элементов, благодаря чему обеспечивается равномерная загрузка по току элементов и тем самым высокая общая сила тока.

Особое преимущество имеет то, что параллельно включенные силовые полупроводниковые коммутационные элементы на основе малых расстояний друг от друга могут управляться в сильной степени без помех общим электронным устройством управления затворами.

Другое преимущество состоит в том, что можно реализовать очень простую, компактную и модульную конструкцию модуля выпрямителя тока с помощью небольшого числа стандартных деталей и втычных силовых полупроводниковых коммутационных элементов.

Изобретение поясняется ниже на примерах выполнения с помощью чертежей, на которых изображено:
фиг. 1 - вид в перспективе силового полупроводникового выключателя или силового полупроводникового модуля с вытянутыми в длину втычными контактами (уровень техники);
фиг.2 - вид сверху на первый модуль выпрямителя тока согласно изобретению;
фиг. 3 - разрез первого модуля выпрямителя тока по фиг.2 вдоль линии А-А с присоединенными силовыми полупроводниковыми модулями;
фиг.4 - вид сверху на второй модуль выпрямителя тока согласно изобретению;
фиг. 5 - разрез второго модуля выпрямителя тока по фиг.4 вдоль линии В-В с присоединенными силовыми полупроводниковыми модулями;
фиг. 6 - вид сверху на третий модуль выпрямителя тока согласно изобретению.

На чертежах одинаковые части обозначены одинаковыми позициями.

На фиг.1 показан силовой полупроводниковый выключатель или силовой полупроводниковый модуль 1, в частности "интеллектуальный силовой модуль", который применяется в выпрямителях тока, или в преобразователях переменного напряжения, или в инверторах. Силовой полупроводниковый выключатель расположен типичным образом вместе с монтажными деталями в корпусе 2 модуля. Он контактирует через видимый, вытянутый в длину втычной контакт 3 (вход по постоянному току) с полюсом источника постоянного напряжения и через закрытый изолирующей пластиной 4 втычной контакт 3 (фазный выход) - с фазой. Верхняя или нижняя стороны модуля обозначаются как передняя или задняя сторона или как фронтальные стороны. Управление полупроводниковым прибором происходит с помощью не изображенного здесь электронного устройства управления затворами или "затворным приводом". Модули могут быть снабжены силовыми полупроводниковыми приборами различного типа, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором. Для создания тяги необходимо включать совместно несколько модулей через систему шин для переключения высоких токов и мощностей. Дальнейшее развитие биполярных транзисторов с изолированным затвором направлено на дальнейшее увеличение переключаемой мощности, так что число подлежащих параллельному включению модулей в будущем может быть сокращено.

На фиг. 2 показан первый пример выполнения системы шин согласно изобретению, который выполнен для минимального числа из двух силовых полупроводниковых модулей на одну фазу и оптимирован в отношении соединительных свойств, экономии места и простоты конструкции. На виде сверху слева показаны выполненные в виде шин положительный контактный вывод 6 и отрицательный, контактный вывод 7 для присоединения к промежуточному контуру постоянного тока, в середине на обеих продольных сторонах - первые пластины 9 или 10 положительного или отрицательного контактных выводов, а также вторые пластины 11 фазного контактного вывода 8, и справа - выведенный направо наружу фазный контактный вывод или фазная отводная шина 8. По одной первой и второй пластине действуют совместно для приема и контактирования силового полупроводникового выключателя. Пластины 9, 10, 11 выступают, предпочтительно, под прямым углом вверх и ориентированы параллельно продольным сторонам, так что выключатели стоят на небольшом расстоянии друг от друга повернутыми напротив друг другу их передними или задними сторонами.

Разрез по линии А-А (фиг.3) показывает устройство согласно изобретению. Показаны, в основном, L-образные профили поперечного сечения положительного и отрицательного контактных выводов 6, 7 и, в основном, W-образный профиль поперечного сечения фазной шины 8, а также их взаимодействие с двумя силовыми полупроводниковыми модулями 1. Фазная шина 8 может иметь более или менее ярко выраженный центральный гребень или он может вообще отсутствовать, так что профиль становится U-образным. Все профили вместе с держателями 12 через непоказанные изолирующие элементы установлены на монтажной плите 5 и образуют компактный конструктивный элемент. Держатели и изолирующие элементы могут быть, в частности, непосредственно интегрированы в монтажную плиту. В качестве изолирующей среды между проводящими ток частями 6, 7 и 8 может применяться воздух, газ, твердотельные изоляторы или их комбинации, при этом минимальные расстояния определяются соответствующими условиями изоляции и путями токов утечки. Поверхности могут быть, но не обязательно, покрыты изолирующим материалом. Наконец, за счет посадки сверху двух силовых полупроводниковых модулей 1 получают весьма компактный и механически стабильный модуль выпрямителя тока.

Такое устройство имеет большие преимущества во многих отношениях. Цепи тока являются очень широкими, короткими и для обоих силовых полупроводниковых коммутационных элементов имеют почти одинаковые размеры. Они не охватывают создающие индуктивность поверхности или для противоположных направлений тока расположены на небольшом расстоянии друг от друга. За счет этих мер достигается наряду с очень высокой несущей способностью по току также, прежде всего, очень низкая индуктивность, составляющая, примерно, 25 нГн в контуре коммутации. При этом коммутацией обозначаются быстрые, частично составляющие несколько мкс коммутационные процессы, посредством которых силовые полупроводниковые приборы обмениваются высокочастотными токами для взаимной разгрузки.

Второй пример выполнения показан на фиг.4 и на фиг.5 в соответствующем разрезе по линии В-В. Здесь положительный и отрицательный контактные выводы 6, 7 имеют, по существу, U-образный профиль поперечного сечения с первыми пластинами 9, 10 на обеих продольных сторонах, и фазный контактный вывод 8 снова имеет, по существу, W-образный профиль или U-образный профиль поперечного сечения с двумя пластинами 11 на обеих продольных сторонах. Этот модуль выпрямителя тока имеет четыре монтажных места для силовых полупроводниковых выключателей. По два силовых полупроводниковых выключателя расположены повернутыми друг к другу передними или задними сторонами и включены параллельно. С расположенной по соседству сбоку парой они соединены полумостовой схемой.

При таком устройстве симметрия нарушена тем, что положительный контактный вывод 6 должен питать расположенную более сзади пару силовых полупроводниковых выключателя через пластины 9. Поэтому она имеет контакт снизу через плоский подводящий металлический лист. Результирующая индуктивность контура коммутации достигает обычно около 50 нГн, что все еще является очень низкой величиной. Другое преимущество состоит в том, что включенные параллельно силовые полупроводниковые коммутационные элементы могут управляться одним общим устройством привода затворов, так как проблема опасных индуцированных пиков напряжения в сильной степени устранена на основе очень короткой кабельной цепи 13.

Экстремально компактное устройство для питания двух фаз показано на фиг. 6. Это устройство следует из фиг.4 и 5 за счет разделения фазной шины 8 вдоль средней линии и подводящего к затворам проводника 13. Образующиеся при этом фазные шины 14 и 15 имеют половинную ширину и в области пластин 16 или 17 половинный W-образный или U-образный профиль. Обе фазные шины проходят в продольном направлении параллельно и расположены на небольшом расстоянии рядом друг с другом. Расположенные на той же продольной стороне с боковым сдвигом, контактируемые различными U-образными профилями 6, 7 силовые полупроводниковые выключатели образуют полумост и контактируют с фазным контактным выводом 14, 15. Коммутационные токи протекают аналогично второму примеру выполнения, однако для каждого полумоста по отдельности, в продольном направлении через шины.

Во всех указанных примерах система шин согласно изобретению отличается экономически важными конструктивными преимуществами. Применяется небольшое количество деталей, которые можно изготовлять из алюминиевых прессованных профилей или из изогнутых латунных деталей с минимальными расходами на обработку. Одновременно обеспечивается очень хорошее выдерживание механических допусков, и шины пригодны для пропускания высоких токов в диапазоне кА. Для масштабирования мощности можно устанавливать рядом друг с другом компактные модули выпрямителей тока (фиг.2-6) и соединять в более крупные блоки, без необходимости подгонки деталей.

Модули выпрямителей тока отличаются очень низкими значениями индуктивности. За счет этого можно реализовать очень крутые фронты переключении или очень высокие частоты коммутации, а нагрузки силовых полупроводниковых приборов, а также обратные воздействия на сеть можно удерживать низкими. Кроме того, все варианты выполнения делают возможным предусматривать очень незначительные избыточные размеры силовых полупроводниковых выключателей. Это достигается высокой симметрией мостовых плеч. В случае параллельно включенных силовых полупроводниковых модулей предусматривание избыточных размеров предотвращается также тем, что разницы потенциалов между затворами параллельных модулей минимизированы тем, что шины между модулями параллельного включения имеют очень низкую индуктивность, а соединительные провода для управления затворами выполнены очень короткими.

Особое преимущество во всех примерах выполнения имеет использование вставляемых силовых полупроводниковых выключателей или модулей. В этом случае первые и вторые пластины выполняют роль мест сочленения для силовых полупроводниковых выключателей.

В примерах положительные контактные выводы 6 и отрицательные контактные выводы 7 могут меняться своими ролями. Кроме того, возможно, что контактные выводы 6, 7 постоянного напряжения и фазный контактный вывод 8 могут менять свое устройство (см.и фиг.3). Тогда первые и вторые пластины меняются местами, силовые полупроводниковые модули монтируют с поворотом на 180^o, и расширенный фазный контактный вывод 8 выводят под контактными выводами постоянного напряжения.

Другие варианты выполнения изобретения образуются, например, тем, что в продольном направлении вместо одного силового полупроводникового выключателя устанавливают несколько силовых полупроводниковых выключателей, включенных параллельно. Это достигается с помощью более длинных пластин или расположением нескольких, одинаково контактируемых пластин боками рядом друг с другом. Таким образом, во всех трех примерах выполнения (фиг.2-6) возможно масштабирование мощности. Можно также соединять несколько также различных модулей выпрямителей тока через фазные контактные выводы 8, 14, 15 для масштабирования мощности.

В целом, изобретение предоставляет в распоряжение систему шин, с помощью которой можно реализовать модули выпрямителей тока с оптимальными коммутационными свойствами с экономно использующей место, модульной конструкцией.

Перечень позиций
1 Силовой полупроводниковый выключатель или силовой полупроводниковый модуль
2 Корпус модуля
3 Втычной контакт
4 Изолирующая пластина
5 Монтажная плита
6 Положительный контактный вывод
7 Отрицательный контактный вывод
8 Фазный контактный вывод
9 Первые пластины (положительный вывод)
10 Первые пластины (отрицательный вывод)
11 Вторые пластины (фаза)
12 Держатель
13 Проводник к затворам
14 Фазный контактный вывод 1
15 Фазный контактный вывод 2
16 Вторые пластины (фаза 1)
17 Вторые пластины (фаза 2)ы

Изобретение раскрывает модули выпрямителей тока с системой шин для нескольких силовых полупроводниковых выключателей или силовых полупроводниковых модулей в виде биополярных транзисторов с изолированным затвором. За счет попарного обращенного друг к другу или обращенного друг от друга плотного и параллельного расположения силовых полупроводниковых выключателей возможно реализовать очень контактные экономящие место модули выпрямителей тока. Они отличаются также очень низкоиндуктивным, жестким соединением между плечами моста, т.е. в контуре коммутации, и между параллельно заключенными силовыми полупроводниковыми модулями. Предложены примеры выполнения, в которых через мостиковые соединения двух или четырех силовых полупроводниковых выключателей подается переменный ток в одну или две фазы. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Модуль выпрямителя тока с системой шин для силовых полупроводниковых выключателей (1), содержащий положительный контактный вывод (6), отрицательный контактный вывод (7), а также выполненный в виде шины фазный контактный вывод (8, 14, 15), которые с промежуточным включением изолирующих элементов расположены друг над другом и установлены на монтажной плите (5), отличающийся тем, что положительный контактный вывод (6) и отрицательный контактный вывод (7) выполнены в виде шины и имеют на продольной стороне по меньшей мере одну первую отстоящую от нее пластину (9, 10), каждый фазный контактный вывод (8, 14, 15) имеет на своей продольной стороне по меньшей мере одну вторую отстоящую от нее пластину (11, 17, 16), первые и вторые пластины взаимодействуют для размещения и электрического контактирования силовых полупроводниковых выключателей и на противоположных продольных сторонах контактных выводов расположены попарно по два силовых полупроводниковых выключателя с обращенными друг к другу передними или задними сторонами. 2. Модуль выпрямителя тока по п.1, отличающийся тем, что шины расположены друг над другом в последовательности положительный, отрицательный, фазный контактный вывод или отрицательный, положительный, фазный контактный вывод, первые пластины (9, 10) и вторые пластины (11, 16, 17) проходят в направлении шин и отходят, по существу, перпендикулярно вверх, попарно расположенные силовые полупроводниковые выключатели ориентированы в сторону друг друга своими фазными выходами и, в частности, силовые полупроводниковые выключатели выполнены с возможностью разъемного втычного контактного соединения. 3. Модуль выпрямителя тока по п.2, отличающийся тем, что положительный контактный вывод (6) и отрицательный контактный вывод (7) имеют L-образный профиль поперечного сечения, оба L-образных профиля (6, 7) вставлены друг в друга так, что их первые пластины (9, 10) находятся на противоположных продольных сторонах, фазный контактный вывод (8) имеет W- или U-образный профиль поперечного сечения со вторыми пластинами (11) на обеих продольных сторонах, W- или U-образный профиль (8) установлен между L-образными профилями (6, 7) так, что вторые пластины (11) расположены в продольном направлении рядом с первыми пластинами (9, 10), а попарно расположенные силовые полупроводниковые выключатели соединены полумостовой схемой. 4. Модуль выпрямителя тока по п.3, отличающийся тем, что положительный контактный вывод (6) и отрицательный контактный вывод (7) соответственно имеют одну первую пластину (9, 10), фазный контактный вывод (8) имеет две вторые пластины (11) и имеют контакт два силовых полупроводниковых выключателя. 5. Модуль выпрямителя тока по п.2, отличающийся тем, что положительный контактный вывод (6) и отрицательный контактный вывод (7) имеют первый U-образный профиль поперечного сечения с первыми пластинами (9, 10) на обеих продольных сторонах, оба первых U-образных профиля (6, 7) расположены один за другим, при этом расположенный в продольном направлении более сзади профиль для контактирования с промежуточным контуром постоянного тока содержит плоский металлический лист подвода, фазный контактный вывод (8) имеет W-образный или второй U-образный профиль поперечного сечения со вторыми пластинами (11) на обеих продольных сторонах, W-образный или второй U-образный профиль (8) так укреплен между обоими первыми U-образными профилями (6, 7), что его пластины (11) в продольном направлении расположены рядом с пластинами (9, 10) первых U-образных профилей и контактируемые через одинаковые первые U-образные профили пары силовых полупроводниковых выключателей соединены параллельно, а контактируемые через неодинаковые первые U-образные профили пары соединены в поломостовую схему. 6. Модуль выпрямителя тока по п.5, отличающийся тем, что положительный контактный вывод (6) и отрицательный контактный вывод (7) каждый имеет две противолежащие первые пластины (9, 10) на обеих продольных сторонах, фазный контактный вывод (8) имеет четыре пластины (11) и две пары силовых полупроводниковых выключателей имеют контакт. 7. Модуль выпрямителя тока по п.2, отличающийся тем, что положительный контактный вывод (6) и отрицательный контактный вывод (7) имеют U-образный профиль поперечного сечения с первыми пластинами (9, 10) на обеих продольных сторонах, оба U-образных профиля (6, 7) расположены один за другим, при этом расположенный в продольном направлении более сзади профиль для контактирования с промежуточным контуром постоянного тока содержит плоский металлический лист подвода, два проходящих в продольном направлении параллельно фазных контактных вывода (14, 15) расположены плотно друг с другом и имеют каждый половинный W-образный профиль поперечного сечения, каждый половинный W-образный профиль (14, 15) имеет две пластины (16, 17) на своей продольной стороне, обращенной от другого фазного контактного вывода, каждый половинный W-образный профиль (14, 15) так укреплен между U-образными профилями (6, 7), что его вторые пластины (16,17) в продольном направлении расположены рядом с первыми пластинами (9,10) U-образных профилей и расположенные на одной продольной стороне контактируемые различными U-образными профилями силовые полупроводниковые выключатели образуют полумост и имеют контакт с одним фазным контактным выводом (14, 15). 8. Модуль выпрямителя тока по п.2, отличающийся тем, что положительный контактный вывод (6) и отрицательный контактный вывод (7) каждый имеет соответственно две пластины (9, 10), каждый фазный контактный вывод (14, 15) имеет две пластины (9, 10) и четыре силовых полупроводниковых выключателя имеют контакт. 9. Модуль выпрямителя тока по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что положительный контактный вывод (6) и отрицательный контактный вывод (7) и фазные контактные выводы (8, 14, 15) для достижения минимальной индуктивности расположены очень плотно друг над другом и в качестве изолирующей среды предусмотрен воздух, газ, или твердотельная изоляция, или комбинация этих сред. 10. Выпрямитель тока с промежуточным контуром, соединенными с ним плечами моста и фазными контактными выводами со стороны выхода, отличающийся тем, что электрическое соединение между промежуточным контуром и фазными контактными выводами содержит модули выпрямителей тока по одному из предшествующих пунктов и совместно включено, в частности, число соединенных шинами согласно предыдущим пунктам модулей выпрямителя тока в соответствии с числом фазных контактных выводов и требуемой мощности выпрямителя тока или число подлежащих параллельному включению силовых полупроводниковых выключателей или силовых полупроводниковых модулей.