ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H01L25/07 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к преобразователю напряжения, имеющему, по меньшей мере, один фазовый вывод, соединенный с противоположными полюсами стороны постоянного напряжения преобразователя, и содержащему последовательное соединение переключающих элементов, причем каждый переключающий элемент имеет с одной стороны, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа, каждый из которых имеет полупроводниковое устройство запираемого типа и обратный диод, подключенные параллельно ему, а с другой стороны, по меньшей мере, один запасающий энергию конденсатор, при этом средняя точка последовательного соединения образует фазовый выход, сконфигурированный с возможностью подключения к стороне переменного напряжения преобразователя и разделения фазового вывода на ветвь верхних вентилей и ветвь нижних вентилей, причем каждый переключающий элемент сконфигурирован с возможностью получения двух переключающих состояний путем управления полупроводниковыми устройствами каждого переключающего элемента, а именно первого переключающего состояния и второго переключающего состояния, в которых напряжение, по меньшей мере, на одном запасающем энергию конденсаторе и нулевое напряжение соответственно прикладываются к контактам переключающего элемента для получения определенного переменного напряжения на фазовом выходе.

Такие преобразователи содержат любое число фазовых выводов, но они обычно имеют три таких фазовых вывода для получения трехфазного переменного напряжения на стороне переменного напряжения.

Преобразователь напряжения указанного типа может применяться во всевозможных ситуациях, в которых постоянное напряжение должно преобразовываться в переменное напряжение или наоборот, при этом к примерам таких применений относятся подстанции электростанций постоянного тока высокого напряжения, в которых постоянное напряжение обычно преобразуется в трехфазное переменное напряжение или наоборот, либо так называемые возвратные станции, в которых переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное напряжение, а затем оно преобразуется в переменное напряжение. Он также может использоваться для поглощения или введения реактивной мощности в сети переменного напряжения.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Преобразователь напряжения указанного типа известен, например, из DE 10103031 A1 и WO 2007/023064 A1 и обычно называется многосекционным преобразователем или M2LC. Данные публикации упоминаются при описании функционирования преобразователя указанного типа. Переключающие элементы преобразователя могут отличаться от показанных в публикациях, и, например, возможно, что каждый переключающий элемент имеет более одного запасающего энергию конденсатора, поскольку возможно управление переключением переключающего элемента между двумя состояниями, упомянутыми ранее.

Настоящее изобретение главным образом, но не исключительно, относится к таким преобразователям напряжения, сконфигурированным с возможностью передачи больших мощностей, и по этой причине ниже будут описаны в основном случаи передачи больших мощностей с целью разъяснения настоящего изобретения, но никоим образом не его ограничения. При использовании преобразователя напряжения для передачи больших мощностей это также означает, что большие напряжения выдерживаются, а напряжение на стороне постоянного напряжения преобразователя определяется напряжениями на запасающих энергию конденсаторах переключающих элементов и обычно устанавливается на уровне половины суммы этих напряжений. Это означает, что относительно большое число таких переключающих элементов должно подключаться последовательно, либо большое число полупроводниковых устройств, т.е. полупроводниковых чипов, должно подключаться последовательно в каждом переключающем элементе, и преобразователь напряжения такого типа особенно интересен, когда число переключающих элементов на фазовом выводе относительно велико, например, по меньшей мере, 8. Большое число подключенных последовательно переключающих элементов означает, что можно будет управлять этими переключающими элементами для изменения состояния между первым и вторым переключающим состоянием и уже на фазовом выходе получать переменное напряжение, очень близкое к синусоидальному напряжению. Это может быть достигнуто уже посредством существенно более низких частот коммутации, чем обычно используемые в известных преобразователях напряжения показанного на Фиг.1 типа в DE 10103031 A1, имеющих переключающие элементы, по меньшей мере, с одним полупроводниковым устройством запираемого типа и, по меньшей мере, одним обратным диодом, подключенными встречно-параллельно ему. Это позволяет достичь достаточно низких потерь и, кроме того, значительно уменьшить проблемы фильтрации, гармонических токов и радиопомех, вследствие чего оборудование может оказаться дешевле.

Однако большое число подключенных параллельно переключающих элементов и запасающие энергию конденсаторы, относящиеся к этим переключающим элементам, делают преобразователи напряжения такого типа довольно объемистыми, так что, например, в случае подстанции электростанции высокого напряжения на постоянном токе для таких преобразователей должны строиться очень большие вентильные залы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание преобразователя напряжения указанного типа, усовершенствованного, по меньшей мере, по некоторым аспектам по сравнению с уже известными преобразователями напряжения.

Указанная задача в соответствии с настоящим изобретением решается созданием такого преобразователя напряжения, в котором полупроводниковые чипы переключающих элементов размещены пакетами, каждый из которых содержит, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа, причем данный преобразователь содержит компоновку, сконфигурированную с возможностью приложения давления к противоположным концам каждого из пакетов для прижатия чипов друг к другу, для получения электрического контакта между полупроводниковыми чипами в пакетах.

Благодаря использованию так называемого прижимного метода, известного из патента US 5705853, такой тип преобразователей напряжения может быть выполнен более компактным, чем ранее, вследствие чего их размеры могут быть уменьшены, в частности, для зданий в виде вентильных залов для таких преобразователей. Полупроводниковые чипы в преобразователях такого типа до настоящего времени соединялись винтовыми соединениями, которые требуют большего пространства с целью обеспечения доступа к винтам или болтам для их затягивания. Получение электрического контакта между полупроводниковыми чипами путем размещения их пакетом и прижатия друг к другу приводит также к повышению надежности таких соединений по сравнению с известными решениями.

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения компоновка содержит средство, выполненное с возможностью приложения к каждому из пакетов давления нагруженной пружины, подталкивающего два конца пакета друг к другу и в то же время освобождающего потенциальную энергию, запасаемую в элементах средства. Могут использоваться элементы любого типа, запасающие потенциальную энергию при сжатии и в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения являющиеся пружинами, действующими, по меньшей мере, на один конец каждого пакета, причем в качестве пружин могут использоваться механические пружины, а также пружины другого типа, например, газовые пружины. Это означает, что электрический контакт между полупроводниковыми чипами в пакете может быть получен с высокой надежностью независимо от неправильности его размеров, как, например, в случае параллельного соединения полупроводниковых чипов в пакете.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения компоновка содержит две торцевые пластины, сконфигурированные с возможностью размещения вблизи противоположных концов пакета, и удлиненные элементы, соединяющие пластины и в то же время определяющие расстояние между ними, причем элементы, запасающие потенциальную энергию, выполнены с возможностью действовать между, по меньшей мере, одной из пластин и соответствующим концом пакета с целью расталкивания этой торцевой пластины и пакета при сжатии пакета. Компоновка может далее содержать средство, сконфигурированное с возможностью обеспечения смещения, по меньшей мере, одной из пластин вдоль соединительных элементов в ее продольном направлении для изменения расстояния и тем самым давления, приложенного к пакету таким образом, что то же самое оборудование в виде компоновки может быть использовано для различных пакетов и приспособлено к ним.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения компоновка содержит дополнительную пластину, сконфигурированную с возможностью наложения на один конец пакета и перемещаемую относительно удлиненных элементов в их продольном направлении, причем элементы, запасающие потенциальную энергию, выполнены с возможностью расталкивания дополнительной пластины и расположенной рядом с ней торцевой пластины для сжатия пакета.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения полупроводниковые чипы имеют пластинчатую структуру и расположены таким образом, что их большие стороны направлены в направлении продолжения пакета.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа относятся к одному и тому же переключающему элементу, а смежные полупроводниковые чипы, относящиеся к одному и тому же переключающему элементу, разделены металлической пластиной, вставленной между ними с целью получения электрического соединения между двумя чипами путем прижатия их к металлической пластине. Это означает, что между полупроводниковыми чипами, относящимися к одному и тому же переключающему элементу, может быть обеспечен надежный и качественный электрический контакт.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения металлические пластины расположены на обеих сторонах каждого полупроводникового чипа, что, в частности, предпочтительно для обеспечения возможности использования таких металлических пластин с целью охлаждения полупроводниковых чипов.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения каждый пакет содержит, по меньшей мере, все полупроводниковые чипы, относящиеся к одному и тому же переключающему элементу.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения каждый пакет содержит полупроводниковые чипы из множества переключающих элементов, что делает преобразователь очень компактным.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения каждый пакет содержит полупроводниковые чипы одного переключающего элемента, размещенные в подпакете, причем все подпакеты, сжимаемые одной и той же компоновкой, расположены друг на друге в одном пакете, причем электроизолирующий слой помещен между такими смежными подпакетами и разделяет их, а проводник размещен для электрического соединения смежных подпакетов и тем самым смежных переключающих элементов в последовательном соединении друг с другом. Такая конструкция пакета позволяет разместить несколько переключающих элементов, и даже все переключающие элементы ветви вентилей, в одном пакете, делая преобразователь очень компактным.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения полупроводниковые чипы, сжимаемые одной и той же компоновкой, расположены, по меньшей мере, в двух параллельных пакетах, причем каждый параллельный пакет содержит множество наложенных переключающих элементов, причем в каждом из них полупроводниковые чипы расположены в подпакете, причем все подпакеты каждого из пакетов размещены друг на друге для формирования одного из параллельных пакетов, при этом электроизолирующий слой помещен между такими смежными подпакетами и разделяет их, причем каждый переключающий элемент подпакета содержит две металлические пластины, разделенные, по меньшей мере, одним полупроводниковым чипом данного переключающего элемента, и параллельные пакеты взаимно смещены в их продольном направлении, так, что для каждого переключающего элемента относящиеся к нему две металлические пластины соединены и объединены с различными смежными переключающими элементами другого параллельного пакета, чтобы получить последовательное соединение двух переключающих элементов, разделенных изолирующим слоем в одном параллельном пакете, при этом переключающий элемент другого параллельного пакета размещен в данном последовательном соединении между двумя переключающими элементами. Такой способ получения последовательного соединения переключающих элементов, или секций, в зигзагообразной структуре позволяет выполнить преобразователь еще более компактным и сократить размеры (длину) вентильных зданий.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения металлические пластины оснащены каналами, а преобразователь содержит средство, сконфигурированное с возможностью циркулирования охлаждающей среды по каналам для охлаждения полупроводниковых чипов, смежных с металлическими пластинами, при этом охлаждающей средой в предпочтительном варианте осуществления является вода, хотя возможны и другие типы охлаждающих сред. Использование такого способа охлаждения влечет за собой дополнительное преимущество описанного выше варианта осуществления с параллельными пакетами, поскольку это означает, что число соединений охлаждающей среды с переключающими элементами преобразователя может быть сокращено наполовину от числа, требуемого в том случае, если его переключающие элементы не имеют таких общих металлических пластин.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения каждый переключающий элемент содержит более двух полупроводниковых чипов, расположенных в пакете. Преимущество размещения большего числа полупроводниковых чипов в каждом переключающем элементе состоит в том, что можно сократить расходы ввиду меньшего числа соединений, требуемых для переключающих элементов, вследствие меньшего числа переключающих элементов. Однако имеется компромиссный выбор между этим преимуществом и преимуществом лучшего качества переменного напряжения, получаемого на фазовом выходе в случае большего числа переключающих элементов или секций.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения каждый переключающий элемент имеет 2N полупроводниковых чипов, следующих друг за другом в пакете, при этом N является целым числом ≥ 2.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения число переключающих элементов фазового вывода составляет ≥ 8, 12-32, 16-24 или 50-150. Преобразователь такого типа, как упоминалось выше, особенно интересен, когда число переключающих элементов фазового вывода довольно велико, в результате чего на фазовом выводе можно получить большое число возможных уровней импульсов напряжения.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения полупроводниковые устройства чипов переключающих элементов являются биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT) или запираемыми тиристорами. Эти полупроводниковые устройства подходят для таких преобразователей, хотя возможны и другие полупроводниковые устройства запираемого типа, такие как запираемые тиристоры с коммутируемым затвором.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения преобразователь сконфигурирован с возможностью подключения стороны постоянного напряжения к сети постоянного напряжения для передачи постоянного тока высокого напряжения и подключение стороны переменного напряжения к линии фазы переменного напряжения, относящейся к сети переменного напряжения. Это связано с тем, что для особенно интересного применения преобразователя данного типа требуется большое число полупроводниковых чипов.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения преобразователь сконфигурирован с возможностью получения постоянного напряжения на двух полюсах величиной 1 кВ - 1200 кВ, 10 кВ - 1200 кВ или 100 кВ - 1200 кВ. Настоящее изобретение тем интереснее, чем выше постоянное напряжение.

Настоящее изобретение относится также к установке для передачи электроэнергии согласно приведенному с этой целью пункту формулы изобретения. Размер подстанций такой установки может быть уменьшен по сравнению с уже известными установками при использовании преобразователя напряжения описанного во вступлении типа.

Другие преимущества, а также достоинства настоящего изобретения будут ясны из нижеследующего описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает упрощенный вид преобразователя напряжения типа согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 и Фиг.3 изображают два различных известных переключающих элемента, которые могут входить в состав преобразователя напряжения в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.4 изображает упрощенный вид, очень схематично иллюстрирующий преобразователь напряжения в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.5 изображает упрощенный вид, иллюстрирующий, как могут накладываться два переключающих элемента в одном пакете в преобразователе в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.6 изображает упрощенный вид, иллюстрирующий принципы получения и размещения пакетов переключающих элементов типа, показанного на Фиг.5, в преобразователе в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.7 изображает упрощенный вид, соответствующий Фиг.5, части так называемого параллельного пакета переключающих элементов преобразователя в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.8 изображает принципиальную схему части параллельного пакета, показанного на Фиг.7;

Фиг.9 изображает принципиальную схему, иллюстрирующую переключающий элемент преобразователя в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.10 изображает упрощенный вид, иллюстрирующий переключающий элемент в соответствии с Фиг.9;

Фиг.11 изображает упрощенный вид сверху переключающего элемента, показанного на Фиг.10.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 очень схематично показана общая конструкция преобразователя 1 напряжения типа, к которому относится настоящее изобретение. Данный преобразователь имеет три фазовых вывода 2-4, подключенные к противоположным полюсам 5, 6 стороны постоянного напряжения преобразователя, например, к сети постоянного напряжения для передачи постоянного тока высокого напряжения. Каждый фазовый вывод содержит последовательное соединение переключающих элементов 7, обозначенных прямоугольниками, в данном случае в количестве 16, и это последовательное соединение разделено на две одинаковые части - ветвь 8 верхних вентилей и ветвь 9 нижних вентилей, разделенные средней точкой 10-12, которая образует фазовый выход, сконфигурированный с возможностью соединения со стороной переменного напряжения преобразователя. Фазовые выходы 10-12 могут быть подключены, возможно, через трансформатор, к трехфазной сети переменного напряжения, нагрузке и т.д. На стороне переменного напряжения установлено также фильтрующее оборудование для улучшения формы переменного напряжения на стороне переменного напряжения.

Компоновка 13 управления выполнена с возможностью управления переключающими элементами 7 и тем самым преобразователем с целью преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, и наоборот.

Преобразователь напряжения имеет переключающие элементы 7 типа, имеющего, с одной стороны, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа, каждый из которых имеет полупроводниковое устройство запираемого типа и обратный диод, подключенный параллельно ему, а с другой стороны, по меньшей мере, один запасающий энергию конденсатор, причем два примера таких переключающих элементов изображены на Фиг.2 и Фиг.3. Контакты 14, 15 переключающего элемента выполнены с возможностью соединения со смежными переключающими элементами в последовательном соединении переключающих элементов, образующем фазовый вывод. Полупроводниковые устройства 16, 17 в данном случае представляют собой IGBT-транзисторы, подключенные параллельно диодам 18, 19. Запасающий энергию конденсатор 20 подключен параллельно соответствующему последовательному соединению диодов и полупроводниковых устройств. Один контакт 14 соединен со средней точкой между двумя полупроводниковыми устройствами, а также со средней точкой между двумя диодами. Другой контакт 15 соединен с запасающим энергию конденсатором 20, в варианте осуществления, изображенном на Фиг.2, к одной его стороне, а в варианте осуществления, изображенном на Фиг.3, к другой его стороне. Отметим, что каждое полупроводниковое устройство и каждый диод, как показано на Фиг.2 и Фиг.3, может использоваться в количестве больше одного и подключаться последовательно для выдерживания требуемых напряжений, а подключенные таким образом полупроводниковые элементы могут далее управляться одновременно, чтобы действовать как одно полупроводниковое устройство.

Показанные на Фиг.2 и Фиг.3 переключающие элементы могут управляться для получения одного из а) первого переключающего состояния и b) второго переключающего состояния, в котором к контактам 14, 15 прикладывается а) напряжение на конденсаторе 20 и b) нулевое напряжение. Для получения первого состояния на Фиг.2 полупроводниковое устройство 16 включается, а полупроводниковое устройство 17 выключается, а в варианте осуществления в соответствии с Фиг.3 полупроводниковое устройство 17 включается, а полупроводниковое устройство 16 выключается. Переключающие элементы переключаются во второе состояние путем изменения состояния полупроводниковых устройств, так, что в варианте осуществления в соответствии с Фиг.2 полупроводниковое устройство 16 выключается, а полупроводниковое устройство 17 включается, а на Фиг.3 полупроводниковое устройство 17 выключается, а полупроводниковое устройство 16 включается.

На Фиг.4 несколько более подробно изображено, как фазовый вывод преобразователя в соответствии с Фиг.1 образуется переключающими элементами показанного на Фиг.3 типа, в котором для упрощения чертежа в целом десять переключающих элементов не показано. Компоновка 13 выполнена с возможностью управления переключающими элементами путем управления их полупроводниковыми устройствами, так что они будут передавать либо нулевое напряжение, либо напряжение на конденсаторе, суммируемое с напряжениями других переключающих элементов в последовательном соединении. На данном чертеже обозначены также трансформатор 21 и фильтрующее оборудование 22. Показано, как каждая ветвь вентиля соединяется через фазовый реактор 23, 24 с фазовым выходом 10, и такие фазовые реакторы также должны присутствовать на Фиг.1 для фазовых выходов 10, 11 и 12, но для упрощения иллюстрации они не показаны.

На Фиг.5 очень схематично изображена часть пакета в виде двух наложенных переключающих элементов 7' показанного на Фиг.2 типа. Каждый переключающий элемент 7' содержит два полупроводниковых чипа 30, 31, каждый из которых имеет полупроводниковое устройство запираемого типа и обратный диод, подключенный параллельно ему, и имеет пластинчатую структуру, причем на каждой стороне каждого полупроводникового чипа имеется металлическая пластина 32-34 в сформированном таким образом подпакете 35. Показано, как переключающие элементы, следующие друг за другом в пакете, электрически изолированы относительно друг друга с помощью изолирующего слоя 36, разделяющего металлические пластины 34 и 32. Смежные переключающие элементы соединены друг с другом электрическим проводником 37 в виде провода.

Показано, как каналы 38, осуществляющие перенос охлаждающей среды, такой как охлаждающая вода, соединены с каналами в металлических пластинах 32-34 с целью охлаждения полупроводниковых чипов, расположенных между этими металлическими пластинами. В данном случае вода пропускается через пластины 32, 33 и 34 для получения на них охлаждающего эффекта в соотношении 9:10:1, что означает потребность в охлаждении различных металлических пластин. Такое охлаждение, конечно, обеспечивается для всех металлических пластин в переключающих элементах преобразователя, хотя для упрощения чертежа оно показано только для нижнего переключающего элемента на Фиг.5. Разумеется, это справедливо, например, и для запасающего энергию конденсатора 20 и электрического проводника 37, которые показаны только для одного переключающего элемента.

На Фиг.6 показано, как четыре таких подпакета 35 переключающих элементов 7' в соответствии с Фиг.5 могут быть размещены в одном пакете и оснащены компоновками 39, сконфигурированными с возможностью приложения давления к противоположным концам 40, 41 пакета S с целью прижатия полупроводниковых чипов 30, 31 к соответствующим металлическим пластинам и друг к другу, чтобы получить электрический контакт между полупроводниковыми чипами в том же подпакете. Эта компоновка 39 содержит средство 42, выполненное с возможностью приложения давления нагруженной пружины к каждому такому пакету. Компоновка имеет две торцевые пластины 43, 44, сконфигурированные с возможностью размещения вблизи противоположных концов пакета, и удлиненные элементы 45 в виде стержней, например, из стекловолокна, соединяющие пластины 43, 44 и в то же время определяющие расстояние между ними. Пластины 43, 44 могут смещаться относительно друг друга путем затягивания или ослабления гаек 46, расположенных на резьбовых концах стержней 45. Дополнительная пластина 47 сконфигурирована с возможностью наложения на один конец пакета и может перемещаться относительно стержней 45 в их продольном направлении. Пружинные элементы 48, запасающие потенциальную энергию, выполнены с возможностью расталкивания дополнительной пластины 47 и расположенной рядом с ней торцевой пластины 44 для сжатия пакета. Благодаря этому обеспечивается очень надежный взаимный контакт полупроводниковых чипов в пакете.

На Фиг.6 показаны только ветвь 8 верхних вентилей преобразователя и фазовый выход 10, и в соответствии с этим данный преобразователь имеет 8 переключающих элементов, последовательно соединенных в каждой ветви вентилей. Конечно, возможно и другое число переключающих элементов, и они могут быть разделены на некоторое число пакетов, которое считается наиболее подходящим для соответствующего применения. Например, все переключающие элементы ветви вентилей можно было бы разместить в одном пакете, удерживаемом одной компоновкой 39. Такой способ размещения переключающих элементов делает компоновку его полупроводниковых чипов очень компактной с возможностью снижения размеров вентильных залов.

В круге 50 справа на Фиг.6 показано, как, например, четыре полупроводниковых чипа 30 могут быть размещены параллельно между каждой металлической пластиной 32-34 переключающего элемента для совместного пропускания тока, который может протекать через них. Таким образом, полупроводниковые чипы 30, 31, изображенные на Фиг.5, а также на Фиг.6 и 7, способны устанавливать такое параллельное соединение множества полупроводниковых чипов.

На Фиг.7 схематически показано, как переключающие элементы преобразователя в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения могут быть размещены в так называемом «двойном» пакете, а его принципиальная схема изображена на Фиг.8. Каждый из двух параллельных пакетов 51, 52 содержит множество наложенных переключающих элементов 7b, 7d и 7a, 7с соответственно, причем в каждом из них его полупроводниковые чипы 30, 31 расположены в подпакете. Электроизолирующий слой 53 помещен между такими смежными подпакетами и разделяет их, при этом подпакеты расположены на стороне коллектора полупроводникового чипа 30. Каждый переключающий элемент подпакета содержит две металлические пластины 54, 55, проходящие к другому подпакету. Параллельные пакеты 51, 52 взаимно смещены в их продольном направлении, так что для каждого переключающего элемента относящиеся к нему две металлические пластины 54, 55 соединены и объединены с различными смежными переключающими элементами другого параллельного пакета, чтобы получить последовательное соединение двух переключающих элементов, разделенных изолирующим слоем 53 в одном параллельном пакете, при этом переключающий элемент другого параллельного пакета размещен в последовательном соединении между двумя переключающими элементами. Это означает, что две металлические пластины 54, 55 переключающего элемента 7b также относятся к переключающим элементам 7а и 7с соответственно. В результате образуется последовательное соединение переключающих элементов в параллельных пакетах в соответствии с зигзагообразной структурой в следующем порядке: 7a, 7b, 7c и 7d.

Показанные на Фиг.7 параллельные пакеты 51, 52 могут содержать любое целесообразное число наложенных переключающих элементов и удерживаются одной компоновкой показанного на Фиг.6 типа, прижимающей их полупроводниковые чипы к металлическим пластинам. Преимущество такой конструкции по сравнению с конструкцией, изображенной на Фиг.5, состоит в том, что для определенного числа подключенных последовательно переключающих элементов высота пакета может быть уменьшена, и число соединений охлаждающей среды (воды) с металлическими пластинами также будет снижено.

На Фиг.9 схематически показан переключающий элемент в преобразователе в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения. Данный переключающий элемент имеет в целом 16 полупроводниковых чипов 30, 31, соединенных последовательно. Блоки 60 управления вентилем, используемые для управления соответствующим полупроводниковым устройством полупроводниковых чипов, изображены схематично. Внешний конденсаторный делитель 61 напряжения, в котором используются два резистора 62, 63 делителя напряжения, для измерения полного напряжения на конденсаторах 20+20', а также разности напряжений U₂₀ и U_20' на этих конденсаторах, выполнен с возможностью детектирования возможных неисправностей в каком-либо из конденсаторов. Измерение напряжения на конденсаторах используется также при управлении делением напряжения между переключающими элементами в одной и той же ветви.

Переключающий элемент, который образован 16 полупроводниковыми чипами, расположенными в одном пакете, с металлическими пластинами, вставленными между ними и удерживаемыми компоновкой 39 описанного выше типа, очень схематично показан на Фиг.10. На Фиг.11 изображен вид сверху переключающего элемента, на котором стрелками 70 схематично показано, как конденсаторы соединяются с полупроводниковыми чипами. В таком переключающем элементе напряжение (U₂₀+U_20') на его конденсаторах обычно может составлять порядка 20 кВ.

Столь большое число полупроводниковых чипов в одном и том же переключающем элементе или секции приводит к сокращению числа переключающих элементов в преобразователе, вследствие чего расходы в отношении соединений с преобразователем могут быть сокращены. Однако это также означает меньшее число возможных различных уровней для получения импульсов напряжения на фазовом выходе, вследствие чего переменное напряжение, сформированное в результате упомянутого преобразования, будет иметь более низкое качество.

Конечно, настоящее изобретение никоим образом не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления, но множество возможностей его изменения будут понятны специалисту в пределах основной идеи настоящего изобретения, определенной в прилагаемой формуле изобретения.

Термин «пластины», используемый в данном описании применительно к элементам устройства, прижимаемым к противоположным концам пакетов, должен толковаться широко и дополнительно распространяется также на прямоугольные элементы и элементы с различного рода углублениями, выемками и т.п.

Изобретение относится к преобразователям напряжения. Сущность изобретения: многосекционный преобразователь напряжения содержит, по меньшей мере, один фазовый вывод, соединенный с противоположными полюсами постоянного напряжения преобразователя, и последовательное соединение переключающих элементов, причем каждый переключающий элемент имеет с одной стороны, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа, а с другой стороны, по меньшей мере, один запасающий энергию конденсатор, при этом средняя точка последовательного соединения образует фазовый выход, сконфигурированный с возможностью подключения к стороне переменного напряжения преобразователя и разделения фазового вывода на ветвь верхних вентилей и ветвь нижних вентилей. Полупроводниковые чипы переключающих элементов размещены пакетами, содержащими, по меньшей мере, два чипа. Преобразователь содержит компоновку для приложения давления к противоположным концам каждого пакета для получения электрического контакта между чипами в пакете. Чипы имеют пластинчатую структуру и расположены таким образом, что их большие стороны направлены в сторону продолжения пакета. По меньшей мере, два полупроводниковых чипа относятся к одному переключающему элементу, а смежные чипы, относящиеся к одному переключающему элементу, разделены металлической пластиной для получения электрического контакта. Изобретение позволяет создать усовершенствованный преобразователь напряжения с повышенной надежностью соединений. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Многосекционный преобразователь напряжения, содержащий, по меньшей мере, один фазовый вывод (2-4), соединенный с противоположными полюсами (5, 6) стороны постоянного напряжения преобразователя и содержащий последовательное соединение переключающих элементов (7), причем каждый переключающий элемент имеет с одной стороны, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа (30, 31), а с другой стороны, по меньшей мере, один запасающий энергию конденсатор (20), при этом средняя точка последовательного соединения образует фазовый выход (10-12), сконфигурированный с возможностью подключения к стороне переменного напряжения преобразователя и разделения фазового вывода на ветвь (8) верхних вентилей и ветвь (9) нижних вентилей, отличающийся тем, что полупроводниковые чипы (30, 31) переключающих элементов размещены пакетами (S, 51, 52), каждый из которых содержит, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа, при этом преобразователь содержит компоновку (39), сконфигурированную с возможностью приложения давления к противоположным концам (40, 41) каждого пакета для прижатия чипов друг к другу для получения электрического контакта между полупроводниковыми чипами в пакете, причем полупроводниковые чипы (30, 31) имеют пластинчатую структуру и расположены таким образом, что их большие стороны направлены в сторону продолжения пакета, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа (30, 31) относятся к одному переключающему элементу, а смежные полупроводниковые чипы, относящиеся к одному переключающему элементу, разделены металлической пластиной (32-34, 54, 55), вставленной между ними для получения электрического соединения между двумя чипами путем прижатия их к металлической пластине.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что компоновка (39) содержит средство (42), выполненное с возможностью приложения к каждому пакету давления сжатой пружины, подталкивающего два конца (40, 41) пакета друг к другу и, в то же время, высвобождающего потенциальную энергию элементов (48) средства.

3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что указанные элементы представляют собой пружины (48), действующие, по меньшей мере, на один конец каждого пакета.

4. Преобразователь по п.2 или 3, отличающийся тем, что компоновка содержит две торцевые пластины (43, 44), сконфигурированные с возможностью размещения вблизи противоположных концов (40, 41) пакета, и удлиненные элементы (45), соединяющие пластины и в то же время определяющие расстояние между ними, при этом элементы (48), запасающие потенциальную энергию, выполнены с возможностью действовать между, по меньшей мере, одной из пластин и соответствующим концом пакета для побуждения (прижимания) этой торцевой пластины и пакета при сжатии пакета.

5. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что компоновка содержит средство (45, 46), сконфигурированное с возможностью обеспечения смещения, по меньшей мере, одной из пластин вдоль соединительных элементов в ее продольном направлении для изменения расстояния и тем самым давления, приложенного к пакету.

6. Преобразователь по п.5, отличающийся тем, что компоновка содержит дополнительную пластину (47), сконфигурированную с возможностью наложения на один конец пакета и способную перемещаться относительно удлиненных элементов (45) в их продольном направлении, причем элементы (48), запасающие потенциальную энергию, выполнены с возможностью побуждения дополнительной пластины (47) и расположенной рядом с ней торцевой пластины (44) для сжатия пакета.

7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что металлические пластины (32-34, 54, 55) расположены на обеих сторонах каждого полупроводникового чипа.

8. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждый пакет содержит, по меньшей мере, все полупроводниковые чипы (30, 31), относящиеся к одному переключающему элементу (7, 7′).

9. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждый пакет содержит полупроводниковые чипы (30, 31) из множества переключающих элементов (7′).

10. Преобразователь по любому из пп.8 или 9, отличающийся тем, что каждый пакет содержит полупроводниковые чипы (30, 31) одного переключающего элемента, размещенные в подпакете (35), причем все подпакеты, сжимаемые одной и той же компоновкой, расположены друг на друге в одном пакете, при этом электроизолирующий слой (36) размещен между этими смежными подпакетами и разделяет их, а проводник (37) выполнен с возможностью электрического соединения смежных подпакетов и тем самым смежных переключающих элементов, соединенных последовательно друг с другом.

11. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что полупроводниковые чипы (30, 31), сжимаемые одной и той же компоновкой (39), расположены, по меньшей мере, в двух параллельных пакетах (51, 52), причем каждый параллельный пакет содержит множество наложенных переключающих элементов, причем каждый из них содержит полупроводниковые чипы, расположенные в подпакете, при этом все подпакеты каждого из параллельных пакетов размещены друг на друге для формирования одного из параллельных пакетов так, что электроизолирующий слой (53) размещен между этими смежными подпакетами и разделяет их, при этом каждый переключающий элемент (7a-7d) подпакета содержит две металлические пластины (54, 55), разделенные, по меньшей мере, одним полупроводниковым чипом (30, 31) данного переключающего элемента, а параллельные пакеты (51, 52) взаимно смещены в их продольном направлении, так что для каждого переключающего элемента относящиеся к нему две металлические пластины соединены и объединены с различными смежными переключающими элементами другого параллельного пакета, чтобы получить последовательное соединение двух переключающих элементов, разделенных изолирующим слоем в одном параллельном пакете, при этом переключающий элемент другого параллельного пакета размещен в этом последовательном соединении между двумя переключающими элементами.

12. Преобразователь по любому из пп.7, 8, 9 и 11, отличающийся тем, что металлические пластины (32-34, 54, 55) оснащены каналами, а преобразователь содержит средство (38), сконфигурированное с возможностью циркулирования охлаждающей среды по каналам для охлаждения полупроводниковых чипов (30, 31), смежных с металлическими пластинами.

13. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждый переключающий элемент содержит более двух полупроводниковых чипов (30, 31), размещенных в пакете.

14. Преобразователь по п.13, отличающийся тем, что каждый переключающий элемент имеет 2N упомянутых полупроводниковых чипов (30, 31), следующих друг за другом в пакете, при этом N является целым числом >2.

15. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что число переключающих элементов (7, 7′) фазового вывода составляет >8, 12-32, 16-24 или 50-150.

16. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковыми устройствами (16, 17) чипов переключающих элементов являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или запираемые тиристоры.

17. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он сконфигурирован с возможностью подключения стороны постоянного напряжения к сети постоянного напряжения для передачи постоянного тока высокого напряжения и подключения стороны переменного напряжения к фазовой линии переменного напряжения, относящейся к сети переменного напряжения.

18. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он сконфигурирован с возможностью получения на двух полюсах постоянного напряжения величиной 1 кВ - 1200 кВ, 10 кВ - 1200 кВ или 100 кВ - 1200 кВ.

19. Установка для передачи электроэнергии, содержащая сеть постоянного напряжения и, по меньшей мере, одну сеть переменного напряжения, соединенную с ней через подстанцию, причем подстанция выполнена с возможностью осуществления передачи электроэнергии между сетью постоянного напряжения и сетью переменного напряжения и содержит, по меньшей мере, один преобразователь напряжения, выполненный с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, и наоборот, отличающаяся тем, что подстанция установки содержит преобразователь напряжения по любому из пп.1-18.