СИЛОВОЙ БЛОК Российский патент 2006 года по МПК H01L23/36 H05K7/20 H02M5/42 

Изобретение относится к электротехнике, а именно:

1. К статическим преобразователям с жесткими требованиями по степени защиты по коду IP (система кодификации, применяемая для обозначения степеней защиты, обеспечиваемых оболочкой, от доступа к опасным частям, попадания внешних твердых предметов, воды, а также для предоставления дополнительной информации, связанной с такой защитой) в соответствии с ГОСТ 14254 - 96.

2. К статическим преобразователям, работающим в широком диапазоне температур окружающего воздуха от -60°С до +50°С.

3. К мощным статическим полупроводниковым преобразователям электроэнергии с принудительным комбинированным охлаждением.

При степенях защиты статических преобразователей IP34, IP44 значение для защиты электрооборудования от проникновения внешних твердых предметов диаметром больше или равном соответственно 2, 5 и 1,0 мм, соответствует тому, что отверстия в оболочке преобразователей могут быть диаметром не больше, равном 2, 5 и 1,0 мм, а при степенях защиты IP54, IP64, то есть пылезащищенном, пыленепроницаемом исполнениях, оболочка преобразователей должна быть практически герметичной, в связи с чем отвод тепла от силовых блоков при естественном и особенно при принудительном воздушном охлаждении становится затруднительным, так как тепло, выделяемое силовыми полупроводниковыми приборами, передается охладителю, а от охладителя отвод тепла ограничен, так как воздух находится в замкнутом ограниченном пространстве и нет выхода нагретому воздуху и притока охлаждающего воздуха, а значит, и нет эффективного охлаждения, в результате чего силовые полупроводниковые приборы перегреваются.

Разработка и создание новых силовых полупроводниковых элементов привели к увеличению тока через полупроводниковые приборы свыше 1800 А, значение тепловыделений достигает 3,5 кВт и более, что ставит перед необходимостью еще большего увеличения поверхности охладителя. В связи с тем, что передача теплоты внутри охладителя производится на все более значительные расстояния и осуществляется за счет теплопроводности, температура охладителя с увеличением расстояния от силового полупроводникового прибора существенно падает, несмотря на высокую теплопроводность охладителя, что приводит к неэффективному использованию материала охладителя. Поэтому при воздушном охлаждении силовых полупроводниковых элементов увеличение габаритов и массы охладителей происходит быстрее, чем рост тока через прибор. Возможности принудительного воздушного охлаждения также ограничены, увеличение скорости движения охлаждающего воздуха более 6-8 м/сек экономически не оправдано, так как приводит к значительному росту аэродинамических сопротивлений и мощности вентиляторов. Низкая интенсивность теплоотдачи в воздух, даже при принудительном воздушном охлаждении, делает необходимым значительное увеличение поверхности охладителя, что также приводит к увеличению габаритов и массы преобразователя.

Таким образом, основным направлением в решении проблемы охлаждения силовых полупроводниковых приборов является применение более эффективных способов охлаждения, позволяющих увеличить коэффициент теплоотдачи и уменьшить массу и габариты охлаждающих устройств.

Одним из таких способов является комбинированное охлаждение.

При низкой наружной температуре воздуха, с целью предотвращения повреждения электрорадиоэлементов, перед началом работы преобразователь должен быть нагрет до температуры, при которой возможна нормальная работа силового блока и преобразователя в целом.

Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры представляющее собой замкнутый контур, заполненный жидкостью и включающий насос с линиями всасывания и нагнетания, системами нагрева и охлаждения жидкости, снабженное блоком управления, электрически связанным с датчиком температуры, системами нагрева и охлаждения, и состоящее из охладителя с установленными на нем силовыми полупроводниковыми приборами и датчиком температуры, насосом, емкостью с жидкостью, блоками нагрева и охлаждения, расширительным бачком, причем в охладителе, имеющем под ребрами, на всю длину охладителя сквозные каналы [2], на верхней и нижней торцевых поверхностях охладителя выполнены ступенчатые проточки, проточки, выполненные в верхней и нижней торцевых поверхностях и расположенные ближе к середине охладителя, служат для соединения соседних каналов, причем проточки соседних каналов на верхней и нижней торцевых поверхностях выполнены в шахматном порядке, в результате чего сквозные каналы последовательно или по группам объединены по всей площади охладителя, в проточки, выполненные в верхней и нижней торцевых поверхностях и расположенные ближе к наружным поверхностям охладителя, установлены заглушки, в результате чего в охладителе образуется канал или несколько каналов, заполненных жидкостью, с началом в нижней части поверхности, последовательно проходящих под ребрами охладителя и заканчивающихся в верхней части поверхности охладителя, а блок нагрева установлен непосредственно в емкости с жидкостью, а охлаждение жидкости происходит в сливном трубопроводе, который проходит внутри холодильной установки [3].

Недостатком данного устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры является значительное аэродинамическое сопротивление жидкости в каналах охладителя.

Задача изобретения - создание силового блока с эффективной системой нагрева и охлаждения, обеспечивающего жесткие требования по степени защиты преобразователей по коду IP, обеспечение работоспособности силового блока и преобразователя в целом в широком диапазоне температур окружающего воздуха от -60°С до +50°С, возможность создания мощных преобразователей в одношкафном исполнении, улучшение обслуживания, уменьшение массогабаритных показателей и стоимости преобразователя.

Поставленная задача достигается тем, что силовой блок представляет собой замкнутый контур, заполненный теплоносителем и включающий насос с линиями всасывания и нагнетания, системами нагрева и охлаждения, снабженный блоком управления, электрически связанным с датчиком температуры, системами нагрева и охлаждения, и состоящий из охладителя с установленными на нем силовыми полупроводниковыми приборами, датчиком температуры, насосом, емкостью с теплоносителем, блоками нагрева и охлаждения, расширительным бачком, причем в охладителе, имеющем под ребрами или частью ребер, на всю длину охладителя каналы, на верхней и нижней торцевых поверхностях охладителя выполнены полости, служащие для соединения каналов, проходящих под ребрами охладителя, в результате чего в охладителе образованы сообщающиеся каналы заполненные теплоносителем.

Представлена конструкция силового блока, которая может быть использована в статических преобразователях электрической энергии с испарительным охлаждением, в результате нагревания силовых полупроводниковых приборов и охладителя парожидкостная фаза теплоносителя, образовавшаяся при кипении в каналах охладителя, через сообщающиеся каналы, проходящие под ребрами и верхней полостью охладителя, за счет избыточного давления поступает в конденсатор, где конденсируется и отводится через сливной трубопровод в нижнюю полость охладителя, а нагрев охладителя при отрицательной температуре окружающего воздуха происходит за счет нагрева воздуха нагревательными элементами, установленными перед вентиляторами, и подачи нагретого воздуха через межреберное пространство охладителя.

Представлена конструкция силового блока, где силовые полупроводниковые приборы установлены на теплопроводящие пластины, которые закреплены на поверхности охладителя.

В некоторых случаях представляется целесообразным нагрев и охлаждение теплоносителя производить вне корпуса преобразователя.

При разработке преобразовательных устройств на быстродействующих ключах одним из необходимых требований является минимальная паразитная индуктивность силовых шин. Из-за влияния этой паразитной индуктивности напряжение на быстродействующем ключе при запирании увеличивается и может превысить значение напряжения пробоя и вывести быстродействующий ключ из строя.

В настоящее время одним из вариантов для достижения минимальной паразитной индуктивности шин является использование специальных многослойных силовых шин, разделенных изоляционными пластинами.

Однако многослойные токоведущие шины и изоляционные пластины требуют точного совмещения токоведущих шин и изоляционных пластин по слоям, так как силовые шины объединяют силовые выводы быстродействующих ключей, выводы конденсаторов фильтра Ud и снабберных конденсаторов, должны быть выдержаны изоляционные расстояния по слоям между шинами, между силовыми контактами быстродействующих ключей и выводами конденсаторов, а так как шины и изоляционные пластины перекрывают быстродействующие ключи и их управляющие выводы, то без полной разборки силового блока нельзя проводить профилактические работы, подтягивать болты крепления и управляющие выводы быстродействующих ключей, контакты конденсаторов. Кроме того, многослойные токоведущие шины и изоляционные пластины имеют большие габариты, сложны и требуют специального оборудования для их изготовления.

Задача изобретения - создание силового блока с минимальной паразитной индуктивностью силовых шин, упрощение и удешевление конструкции силового блока, улучшение обслуживания.

Конденсаторный блок фильтра Ud, состоящий из конденсаторов фильтра и снабберных конденсаторов, причем силовые шины установлены непосредственно на силовых контактах быстродействующих ключей, на положительной шине установлены конденсаторы фильтра Ud и соединены с положительными выводами конденсаторов и коллекторными выводами быстродействующих ключей, на отрицательной шине установлены конденсаторы фильтра Ud и соединены с отрицательными выводами конденсаторов и эмиттерными выводами быстродействующих ключей, а снабберные конденсаторы установлены между этими шинами и электрически соединены с ними, отрицательные выводы конденсаторов Ud, установленные на положительной шине, соединены шиной с положительными выводами конденсаторов, установленными на отрицательной шине.

На фиг.1 показана функциональная схема силового блока. На фиг.2, 3 показан охладитель с установленными силовыми полупроводниковыми элементами. На фиг.4 показан силовой блок с испарительным охлаждением. На фиг.5, 6 показан охладитель с силовыми полупроводниковыми приборами, установленными через теплопроводящие пластины. На фиг.7, 8, 9, 10 показан конденсаторный блок фильтра Ud со снабберными конденсаторами.

Силовой блок представляет замкнутый контур, заполненный теплоносителем 6 и включающий насос 8 с линиями всасывания 11 и нагнетания 9, системами нагрева и охлаждения, снабженный блоком управления 14, электрически связанным с датчиком температуры 13, системами нагрева 7 и охлаждения 15, и состоящий из охладителя 1 с установленными на нем силовыми полупроводниковыми приборами 2, датчиком температуры 13, насосом 8, емкостью 12 с теплоносителем 6, нагревателем 7 и блоком охлаждения 15, расширительным бачком 10, причем в охладителе 1, имеющем под ребрами или частью ребер на всю длину охладителя каналы 5, на верхней и нижней торцевых поверхностях охладителя выполнены полости 3 и 4, служащие для соединения каналов 5, проходящих под ребрами охладителя 1, в результате чего в охладителе образованы сообщающиеся каналы 5, заполненные теплоносителем 6 (например, метанолом, тасолом или spectrol antifreeze).

В силовом блоке, показанном на фиг.4, силовые полупроводниковые приборы 2 установлены на охладителе 1, имеющем под ребрами охладителя каналы 5 с выполненными полостью 3 на верхней торцевой поверхности и полостью 4 на нижней торцевой поверхности охладителя, причем нижняя торцевая поверхность 4 и частично сквозные сообщающиеся каналы 5 заполнены легкокипящим промежуточным теплоносителем 17 (например, фреоном 113, перфтордибутиловым эфиром, МД-3Ф, ФЭП-12).

Силовой блок, показанный на фиг.5, 6, отличается тем, что силовые полупроводниковые приборы 2 установлены на охладителе 1 через теплопроводящие пластины 20 (например, медные).

На фиг.7, 8 показан конденсаторный блок фильтра Ud, состоящий из конденсаторов 23, 25 и снабберных конденсаторов 26, силовые шины 22, 24 установлены непосредственно на силовых контактах быстродействующих ключей 2, на положительной шине установлены конденсаторы 23 и соединены с их положительными выводами и коллекторными выводами быстродействующих ключей, на отрицательной шине 24 установлены конденсаторы 25 и соединены с их отрицательными выводами и эмиттерными выводами быстродействующих ключей, а снабберные конденсаторы 26 установлены между этими шинами 22, 24 и электрически соединены с ними, отрицательные выводы конденсаторов 23, установленные на положительной шине 22, соединены с положительными выводами конденсаторов 25 установленными на отрицательной шине 24, шиной 27.

Преимуществом предложенного конденсаторного блока фильтра Ud является минимальная паразитная индуктивность силовых шин за счет того, что силовые шины установлены и закреплены на самих быстродействующих ключах, имеют большую поверхность, а конденсаторы фильтра Ud и снабберные конденсаторы установлены непосредственно на этих шинах и электрически соединены с ними. Предложенный блок гораздо компактнее и дешевле блока с многослойными токоведущими шинами и не требует специального оборудования для его изготовления. Кроме того, открытость блока позволяет проводить профилактические работы непосредственно на блоке, не разбирая его.

Силовой блок работает следующим образом. При низкой температуре окружающего воздуха по команде с блока автоматического управления 14 включается программно-управляемый электронагреватель 7, после нагрева теплоносителя 6 (например, до +2-5°С) включается насос 8 и нагретый теплоноситель 6, через насос 8 и напорный трубопровод 9 поступает в полость 4 охладителя 1 и по сообщающимся каналам 5 проходит под ребрами охладителя и поступает в полость 3, далее по сливному трубопроводу 11 поступает в емкость 12, далее процесс продолжается, в результате чего охладитель 1 нагревается, тепло с охладителя 1 передается силовым полупроводниковым приборам 2 и преобразователю в целом. После нагрева охладителя 1 сигнал с датчика температуры 13 поступает в блок автоматического управления 14, который отключает электронагреватель 7 и насос 8 и включает преобразователь. При работе преобразователя силовые полупроводниковые приборы 2 нагреваются, нагревают охладитель 1, после нагрева охладителя (например, до 30°С) сигнал с датчика температуры 13 подается на блок автоматического управления 14, который включает насос 8 и теплоноситель 6 из емкости 12 через напорный трубопровод 9 поступает в полость 4 охладителя 1 и по сообщающимся каналам 5 поступает в полость 3 охладителя 1, отводя от него тепло, и через сливной трубопровод 11, теплоноситель 6 поступает в емкость 12. При достижении определенной температуры охладителя 1 (например, 50°С) сигнал с датчика температуры 13 подается на блок автоматического управления 14, который переводит насос 8 в более интенсивный режим работы. При дальнейшем повышении температуры (например, 60°С) сигнал с датчика температуры 13 подается на блок автоматического управления 14, который переводит насос 8 в еще более интенсивный режим работы.

При дальнейшем повышении температуры (например, 70°С) сигнал с датчика температуры 13 подается на блок автоматического управления 14, который включает вентиляторы 15, которые одновременно охлаждают охладитель 1, сливной трубопровод 11, емкость 12 с теплоносителем 6.

Таким образом, силовой блок позволяет использовать его с жесткими требованиями по степени защиты по коду IP (IP54, IP64), в широком диапазоне температур окружающего воздуха от -60°С до +50°С с высокой эффективностью за счет развитой поверхности охладителя, изменяемой скорости прохождения теплоносителя, в соответствии с режимом работы и наличием дополнительного принудительного воздушного охлаждения, одновременно охлаждающего охладитель сливной трубопровод и емкость с теплоносителем.

Работа силового блока, изображенного на фиг.4, отличается тем, что жидкий легкокипящий теплоноситель 17 поступает в нижнюю торцевую полость 4 и по сообщающимся каналам 5 частично заполняет охладитель 1. Тепло, выделяемое силовыми полупроводниковыми приборами 2, передается охладителю 1, вызывает кипение промежуточного теплоносителя 17 в каналах 5 охладителя 1, превращая его в парожидкостную фазу 18, и за счет избыточного давления по сообщающимся каналам 5 поступает в верхнюю полость 3 охладителя 1 и далее в конденсатор, где конденсируется и под действием силы тяжести стекает по стенкам труб сливного трубопровода 11 в нижнюю полость 4 охладителя 1, вызывая снижение температуры охладителя 1 и силовых полупроводниковых приборов 2.

Важнейшим преимуществом испарительного вида охлаждения является отсутствие емкости с теплоносителем, линии нагнетания и насоса для прокачивания теплоносителя, что намного упрощает силовой блок и статический преобразователь в целом и делает его более надежным.

Работа силового блока, изображенного на фиг.5, 6, отличается тем, что силовые полупроводниковые элементы 2 нагреваются, передают тепло теплопроводящим пластинам 20, которые в свою очередь передают тепло охладителю 1, далее процесс охлаждения происходит выше описанными способами.

Таким образом, данный силовой блок позволяет использовать, его с жесткими требованиями по степени защиты по коду IP, в широком диапазоне температур окружающего воздуха.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №708439, М.Кл.² Н 01 L 23/46.

2. Патент на изобретение «Охладитель» №2206938.

3. Патент на изобретение «Устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры» №2229757 (прототип).

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к статическим преобразователям с жесткими требованиями по степени защиты по коду IP (IP54, IP64) в соответствии с ГОСТ 14254-96, к статическим преобразователям, работающим в широком диапазоне температур окружающего воздуха от -60°С до +50°С, к мощным статическим полупроводниковым преобразователям электроэнергии с принудительным комбинированным охлаждением. Технический результат от использования данного изобретения состоит в создании силового блока с эффективной системой нагрева и охлаждения недиэлектрической жидкостью, обеспечивающих жесткие требования по степени защиты преобразователей по коду IP, в обеспечении работоспособности силового блока и преобразователя в целом в широком диапазоне температур окружающего воздуха от -60°С до +50°С, а также возможности создания мощных преобразователей в одношкафном исполнении, в улучшении обслуживания и уменьшении массогабаритных показателей и стоимости преобразователя. Сущность изобретения состоит в том, что силовой блок представляет замкнутый контур, заполненный теплоносителем и включающий насос с линиями всасывания и нагнетания, системами нагрева и охлаждения, снабженный блоком управления, электрически связанным с датчиком температуры, системами нагрева и охлаждения. При этом силовой блок состоит из охладителя с установленными на нем силовыми полупроводниковыми приборами, датчиком температуры, насосом, емкостью с теплоносителем, блоками нагрева и охлаждения, расширительным бачком, причем в охладителе, имеющем под ребрами или под частью ребер, каналы, выполненные на всю длину охладителя, на верхней и нижней торцевых поверхностях охладителя выполнены полости, служащие для соединения каналов, проходящих под ребрами охладителя, в результате чего в охладителе образованы сообщающиеся каналы, заполненные теплоносителем. Предложена также конструкция силового блока с конденсаторным блоком фильтра Ud, преимуществом которого является минимальная паразитная индуктивность силовых шин за счет того, что силовые шины установлены и закреплены на самих быстродействующих ключах, имеют большую поверхность, а конденсаторы фильтра Ud и снабберные конденсаторы установлены непосредственно на этих шинах и электрически соединены с ними. Предложенный блок компактнее и дешевле блока с многослойными токоведущими шинами и не требует специального оборудования для его изготовления. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Силовой блок, представляющий собой замкнутый контур, заполненный теплоносителем и включающий насос с линиями всасывания и нагнетания, системами нагрева и охлаждения, снабженный блоком управления, электрически связанным с датчиком температуры, системами нагрева и охлаждения, и состоящий из охладителя с установленными на нем силовыми полупроводниковыми приборами, датчиком температуры, насосом, емкостью с теплоносителем, блоками нагрева и охлаждения, расширительным бачком, отличающийся тем, что в охладителе, имеющем под ребрами или частью ребер на всю длину охладителя каналы, на верхней и нижней торцевых поверхностях охладителя выполнены полости, служащие для соединения каналов, проходящих под ребрами охладителя, в результате чего в охладителе образованы сообщающиеся каналы, заполненные теплоносителем.2. Силовой блок по п.1, отличающийся тем, что в результате нагревания силовых полупроводниковых приборов и охладителя парожидкостная фаза теплоносителя, образовавшаяся при кипении в каналах охладителя, через сообщающиеся каналы, проходящие под ребрами и верхней полостью охладителя, поступает в конденсатор, где конденсируется и отводится через сливной трубопровод в нижнюю полость охладителя.3. Силовой блок по п.1 или 2, отличающийся тем, что блок нагрева охладителя и теплоносителя установлен в блоке охлаждения перед вентиляторами и представляет собой нагревательный элемент, включаемый при отрицательной температуре окружающего воздуха перед включением насоса.4. Силовой блок по п.1, отличающийся тем, что нагрев и охлаждение теплоносителя, проходящего в каналах охладителя, производится вне корпуса преобразователя.5. Силовой блок по п.1 или 2, отличающийся тем, что силовые полупроводниковые приборы установлены на теплопроводящие пластины, закрепленные на поверхности охладителя.6. Силовой блок с конденсаторным блоком фильтра Ud, состоящий из конденсаторов фильтра и снабберных конденсаторов, отличающийся тем, что силовые шины установлены непосредственно на силовых контактах быстродействующих ключей, на положительной шине установлены конденсаторы фильтра Ud и соединены с положительными выводами конденсаторов и коллекторными выводами быстродействующих ключей, на отрицательной шине установлены конденсаторы фильтра Ud и соединены с отрицательными выводами конденсаторов и эмиттерными выводами быстродействующих ключей, а снабберные конденсаторы установлены между этими шинами и электрически соединены с ними, отрицательные выводы конденсаторов Ud, установленные на положительной шине, соединены шиной с положительными выводами конденсаторов, установленными на отрицательной шине.