ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ С ОХЛАЖДАЕМОЙ ОШИНОВКОЙ Российский патент 2014 года по МПК H05K7/20 

Изобретение относится к энергетическому преобразовательному модулю, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Энергетические преобразовательные модули, в частности, высоковольтные, о которых идет речь, имеются в продаже. В энергетических преобразовательных модулях этого типа соответствующие силовые полупроводниковые модули, в частности, отключаемые силовые полупроводниковые модули, низкоиндуктивно соединены шинами с выводами энергетического преобразовательного модуля. Это достигается за счет того, что используемые силовые шины выполнены плоскими и налагаются одна на другую в виде пакета шин. Соответственно между двумя плоскими силовыми шинами расположен выполненный плоским изоляционный слой. Эти изоляционные слои выступают за плоские силовые шины, так что могут быть обеспечены предельные значения для воздушного зазора и трека скользящего разряда (Luft-und Kriechstrecken). Таким образом подобная низкоиндуктивная ошиновка содержит, по меньшей мере, две силовые шины и, по меньшей мере, один изоляционный слой. Чтобы обеспечить максимально компактную ошиновку используемых силовых полупроводниковых модулей энергетического преобразовательного модуля, этот пакет шин ламинируют. Благодаря используемому ламинирующему материалу эта ламинированная ошиновка имеет температурную границу, например, 105°C.

Так как в имеющихся в продаже силовых полупроводниковых модулях, в частности, отключаемых силовых полупроводниковых модулях, например, двухполюсном транзисторе с изоляционным затвором (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor-IGBT), постоянно повышается допустимая нагрузка по току, то соответственно увеличивается плотность тока в силовых шинах ламинированной ошиновки энергетического преобразовательного модуля. Это приводит к квадратному увеличению потерь в ламинированной ошиновке, так что повышается также температура этой ламинированной ошиновки. Предельную температуру этой ламинированной ошиновки определяют используемые материалы для изоляционных слоев и ламинирующего материала. Предпочтительно в настоящее время в энергетических преобразовательных модулях используются шины, ламинированные изоляционной фольгой. Здесь температурный предел устанавливает ламинирующий материал ламинированной ошиновки. Для целевых использований преобразователей это означает ограничение мощности, которая не обусловливается уже используемыми силовыми полупроводниковыми модулями, а максимальной предельной температурой соответствующего ламинирующего материала ошиновки.

Ближайшие решения этой проблемы состоят, с одной стороны, в том, чтобы увеличить поперечное сечение каждой силовой шины ламинированного пакета и, с другой стороны, в том, чтобы охладить ламинированную ошиновку, например, собственной конвекцией. За счет повышения поперечного сечения силовых шин ламинированного пакета подобная ошиновка получается не только более дорогой, но также и более тяжеловесной. Чтобы ламинированную ошиновку охладить за счет собственной конвекции, она должна быть помещена в энергетический преобразовательный прибор таким образом, чтобы поток охлаждающего воздуха мог обтекать ламинированную ошиновку.

Из международной публикации WO 2005/109505 А1 известна силовая полупроводниковая схема, ошиновка которой охлаждается. В этой силовой полупроводниковой схеме, по меньшей мере, один модуль припаян с наружной стороны на служащую как положительная или отрицательная пластина пластинчатую силовую шину. Положительная или, соответственно, отрицательная шины обычно расположены как верхняя или нижняя пластина пластинчатого пакета шин. Эта покровная шина, с которой соединен модуль, непосредственно охлаждается охлаждающим устройством, причем это охлаждающее устройство выполнено как воздушное или жидкостное охлаждение. Это охлаждающее устройство расположено в виде конструкции типа «сэндвич» между покровной шиной и нижней изоляционной прокладкой другой, расположенной в параллельной плоскости пластинчатой силовой шины. Далее, под прокладкой другого изоляционного слоя предусмотрена силовая шина с нижней стороны. Эти силовые шины образуют вместе с охлаждающим устройством очень компактную схему расположения. Элементы этого пакета шин ламинированием соединены между собой. Так как в этой силовой полупроводниковой схеме речь идет об инверторе, то под этим пакетом шин расположены два конденсатора звена постоянного тока, которые болтами скреплены с верхней или нижней силовой шиной.

Из патентного документа DE 10 2007 003 875 А1 известен энергетический преобразовательный модуль, по меньшей мере, с двумя силовыми полупроводниковыми модулями, которые термически активно (термически проводящим образом) соединены механически с охладителем и посредством ламинированного пакета шин электрически соединены друг с другом. По меньшей мере, одна силовая шина этого ламинированного пакета шин термически активно соединена с охладителем посредством, по меньшей мере, одного электрически изолирующего и термически активного опорного элемента. Посредством этих опорных элементов, по меньшей мере, одна силовая шина ламинированного пакета шин термически соединена с охладителем. Величина отводимого тепла определяет число термически активных опорных элементов. Посредством этих опорных элементов ламинированные шины также опираются в краевых зонах. Посредством этих термически активных опорных элементов ограничивается величина отводимого от ламинированных шин тепла.

Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить энергетический преобразовательный модуль, ламинированный пакет шин которого позволяет отвод тепла простыми средствами, причем этот энергетический преобразовательный модуль не нужно заново разбирать (entflechten) или заново конструировать.

Эта задача решается за счет отличительных признаков пункта 1 формулы изобретения. Так как второй жидкостный охладитель, термически активен, но электрически изолирующе соединен с силовым и/или геометрическим замыканием с ошиновкой энергетического преобразовательного модуля, то тепло может отводиться с большой поверхности этих шин. Если основная поверхность второго жидкостного охладителя будет недостаточной, дополнительно может быть увеличен расход жидкости. Насколько хорошим является термическое соединение шин и второго жидкостного охладителя, зависит от усилия, с которым этот второй жидкостный охладитель прижат к соединительным шинам. С этой целью энергетический преобразовательный модуль согласно изобретению содержит, по меньшей мере, один зажимной элемент.

В предпочтительной форме осуществления заявленного энергетического преобразовательного модуля второй жидкостный охладитель и жидкостный охладитель энергетического преобразовательного модуля гидравлически сообщаются между собой. Это означает, что второй жидкостный охладитель подпитывается из жидкостного контура энергетического преобразовательного модуля, который называется также первичным контуром. Это имеет преимущество в том, что энергетический преобразовательный модуль сохраняет неизменными свои соединения.

Другие предпочтительные формы осуществления энергетического преобразовательного модуля согласно изобретению излагаются в зависимых пунктах 4-10 формулы изобретения.

Для более подробного пояснения изобретения делаются ссылки на чертеж, в котором схематично показана форма изобретения.

Фиг. 1 предлагает предпочтительную форму осуществления заявленного энергетического преобразовательного модуля,

Фиг. 2 изображает первую форму осуществления зажимного элемента энергетического преобразовательного модуля, согласно фиг. 1, и

Фиг. 3 показывает частично вторую форму осуществления зажимного элемента энергетического преобразовательного модуля, согласно фиг. 1.

На фиг. 1, которая представляет фронтальный вид энергетического преобразовательного модуля согласно изобретению, позициями 2 и 4 обозначены соответственно силовые полупроводниковые модули, в частности, отключаемые силовые полупроводниковые модули, например, двухполюсной транзистор с изоляционным затвором (IGBT), позицией 6 - жидкостный охладитель, позицией 8 - ошиновка, позицией 10 - второй жидкостный охладитель, позицией 12 - скоба, позициями 14 и 16 - соответственно затяжной болт и позицией 18 - опорные элементы. Кроме того, на этом изображении позициями 20 и 22 обозначено устройство подвода и отвода охлаждающего средства.

Оба силовых полупроводниковых модуля 2 и 4 механически разъемно соединены с жидкостным охладителем 6. Ошиновка 8, которая, в частности, ламинирована, может содержать две силовые шины, например, одну положительную силовую шину и одну нагрузочную силовую шину, или одну нагрузочную силовую шину и одну отрицательную силовую шину, или три силовые шины, например, положительную, нагрузочную и отрицательную силовую шину. Число силовых шин ошиновки 8 зависит от электрического соединения обоих силовых полупроводниковых модулей 2 и 4. Если эти оба силовые полупроводниковые модули 2 и 4 электрически соединены параллельно, эта ошиновка 8 содержит лишь две силовые шины. Если же, напротив, эти оба силовые полупроводниковые модули 2 и 4 электрически соединены последовательно и образуют фазовый модуль преобразователя, то эта ошиновка 8 содержит три силовые шины. Если преобразовательный модуль используют как фазовый модуль, то три силовые шины предусмотренной ошиновки 8 представляют собой положительную, нагрузочную и отрицательную силовую шину. Эти силовые шины расположены одна поверх другой, причем соответственно между двумя силовыми шинами расположен изоляционный слой, и в частности они ламинированы.

Эта ошиновка 8 соединена с электрическими выводами каждого из силовых полупроводниковых модулей 2 и 4, при этом на обоих силовых полупроводниковых модулях 2 и 4 изображен соответственно лишь один электрический вывод 24₁ и 26₁. Эти электрические выводы 24₁ и 26₁ могут представлять собой контактные штыри для пайки или резьбовые болты. Начиная от определенной мощности силового полупроводникового модуля 2, 4, силовые полупроводниковые модули 2, 4 имеют в качестве электрических выводов 24 и 26 лишь резьбовые болты. В соответствии с соединением обоих силовых полупроводниковых модулей 2, 4 их выводы 24, 26 электрически активно соединены соответственно с одной определенной силовой шиной ошиновки 8. Эта ошиновка 8 опирается не только на выводы 24, 26 силовых полупроводниковых модулей 2, 4, но также на множество опорных элементов 18. Они расположены соответственно вдоль одной продольной стороны энергетического преобразовательного модуля.

Так как в качестве охладителя этого энергетического преобразовательного модуля предусмотрен жидкостный охладитель 6, то он включает устройство подвода 20 охлаждающего средства и устройство отвода 22 охлаждающего средства. Посредством этих устройств подвода и отвода 20 и 22 охлаждающего средства энергетический преобразовательный модуль гидравлически соединен с жидкостным контуром. В качестве охлаждающей жидкости может использоваться любая жидкость, предпочтительно смесь воды и гликоля.

Так как постоянно повышается допустимая нагрузка по току в используемых в энергетическом преобразовательном модуле силовых полупроводниковых модулях 2, 4, то соответственно увеличивается ток в силовых шинах ошиновки 8. Это приводит к квадратному увеличению потерь в ошиновке 8. Вследствие этого повышается температура в ошиновке 8. Насколько высокой может быть предельная температура на ошиновке 8, зависит от используемого изоляционного материала. Это означает, что в ламинированной ошиновке 8 предельную температуру устанавливает ламинирующий материал этой ошиновки 8. Для целевых использований преобразователей это означает ограничение мощности, которая не определяется уже используемыми силовыми полупроводниковыми модулями, а специфической предельной температурой изоляционного материала.

Чтобы отвести возникающую в ошиновке 8 мощность потерь, эта ошиновка 8 снабжена вторым жидкостным охладителем 10. Устройства подвода и отвода 28 и 30 этого второго жидкостного охладителя 10 посредством соединительного рукава 32 и 34 соответственно соединены гидравлически по охлаждающей среде с жидкостным контуром жидкостного охладителя 6. Жидкостный контур жидкостного охладителя 6 обозначен как первичный контур, а жидкостный контур второго жидкостного охладителя 10 - как вторичный контур. Первичный и вторичный контуры гидравлически могут быть соединены параллельно или последовательно. Этот второй жидкостный охладитель 10 в отличие от изображения может покрывать примерно всю поверхность ошиновки 8. Чтобы этот второй жидкостный охладитель 10 электрически изолировать от этой ошиновки 8, предусмотрен изоляционный слой 36, который должен быть, однако, хорошо теплопроводящим. Этот изоляционный слой 36 в простейшем варианте может быть изготовлен теплопроводящей пастой. Чтобы теплопередача была эффективной, второй жидкостный охладитель 10 соединен с ошиновкой 8 с силовым и/или геометрическим замыканием.

Для изготовления соединения с ошиновкой 8 с силовым и/или геометрическим замыканием требуется, по меньшей мере, один зажимной элемент. Если предусмотрено несколько зажимных элементов, то их располагают с распределением в продольном направлении второго жидкостного охладителя 10. В изображенной форме осуществления в качестве зажимного элемента предусмотрена скоба 12 (фиг. 2) с двумя затяжными болтами 14 и 16. Эта скоба по фиг. 2 имеет выполненное соответственно размерам второго жидкостного охладителя углубление 38. Чтобы отрегулировать прижимное давление второго жидкостного охладителя 10 на ошиновку 8, скоба 12 имеет, по меньшей мере, два прижимных элемента 40. За счет поворота этих прижимных элементов 40 увеличивается давление на второй жидкостной охладитель 10 и, вместе с тем, на соответствующую поверхность ошиновки 8.

Альтернативные формы осуществления зажимного элемента представляют собой рессорный лист или скобу 42 с эластичной промежуточной деталью (фиг. 3). Скоба 12 с фиг. 2, кроме углубления 38 для второго жидкостного охладителя 10, имеет также другое углубление 46, чтобы таким образом подогнать ее по форме поверхности ламинированной ошиновки 8. Если для скобы 12 не используются дополнительные прижимные элементы 40, то углубление 38 должно быть выполнено таким образом, чтобы в смонтированном состоянии скоба 12 осуществляла определенное прижимное давление вдоль второго жидкостного охладителя 10. Согласно форме осуществления скобы 42 с фиг. 3, эта скоба имеет посередине эластичный промежуточный элемент 44, который в смонтированном состоянии скобы 42 оказывает прижимное давление на второй жидкостной охладитель 10.

Посредством этого второго жидкостного охладителя 10, который при помощи, по меньшей мере, одного зажимного элемента прижимается к поверхности ошиновки 8, в частности, ламинированной ошиновки 8, энергетического преобразовательного модуля, может быть отведена образующаяся на ламинированной ошиновке 8 дополнительная мощность потерь. За счет этого обеспечивается понижение температуры ошиновки, что позволяет эффективно исчерпать используемые силовые полупроводниковые модули 2, 4. То есть, энергетический преобразовательный модуль имеет более высокую мощность, причем это не требует изменения электрических выводов и жидкостных подключений энергетического преобразовательного модуля. Это позволяет соблюдать последовательность операций монтажа и демонтажа энергетического преобразовательного модуля. Так как при этом требуемый расход жидкости для вторичного контура составляет лишь дробную долю первичного контура, то сохраняется конструктивное исполнение энергетического преобразовательного модуля.

Изобретение относится к энергетическому преобразовательному модулю, по меньшей мере, с одним силовым полупроводниковым модулем (2, 4), которые термически активно соединены механически с жидкостным охладителем (6) и которые посредством ошиновки (8), содержащей по меньшей мере две изолированные одна от другой силовые шины, электрически активно соединены выводами энергетического преобразовательного модуля. Ошиновка (8) соединена с силовым и/или геометрическим замыканием со вторым жидкостным охладителем (10), при этом между верхней силовой шиной ошиновки (8) и вторым жидкостным охладителем расположен термически активный и электрически изолирующий слой (36). Посредством этого второго жидкостного охладителя (10), который при помощи зажимных элементов прижимается к поверхности ошиновки (8) энергетического преобразовательного модуля, отводится возникающая в ошиновке (8) дополнительная мощность потерь. Технический результат - создание энергетического преобразовательного модуля, ламинированный пакет шин которого позволяет осуществлять эффективный отвод тепла простыми средствами. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Энергетический преобразовательный модуль, по меньшей мере, с одним силовым полупроводниковым модулем (2, 4), термически активно соединенным механически с жидкостным охладителем (6) и который посредством ошиновки (8), содержащей по меньшей мере две изолированные одна от другой силовые шины, электрически активно соединен с выводами энергетического преобразовательного модуля, отличающийся тем, что эта ошиновка (8) соединена с силовым и/или геометрическим замыканием со вторым жидкостным охладителем (10), при этом между верхней силовой шиной ошиновки (8) и вторым жидкостным охладителем расположен термически активный и электрически изолирующий слой (36).

2. Энергетический преобразовательный модуль по п.1, отличающийся тем, что для соединения с силовым и/или геометрическим замыканием между ошиновкой (8) и вторым жидкостным охладителем (10) предусмотрен, по меньшей мере, один зажимной элемент.

3. Энергетический преобразовательный модуль по п.1 или 2, отличающийся тем, что второй жидкостный охладитель (10) гидравлически сообщается с жидкостным охладителем (6).

4. Энергетический преобразовательный модуль по п.1, отличающийся тем, что второй жидкостный охладитель (10) поверхностно покрывает, по меньшей мере, приблизительно большую часть поверхности ошиновки (8).

5. Энергетический преобразовательный модуль по п.2, отличающийся тем, что в качестве зажимного элемента предусмотрен рессорный лист с двумя затяжными болтами (14, 16).

6. Энергетический преобразовательный модуль по п.2, отличающийся тем, что в качестве зажимного элемента предусмотрена выполненная с геометрическим замыканием скоба (12) с двумя затяжными болтами (14, 16).

7. Энергетический преобразовательный модуль по п.6, отличающийся тем, что выполненная с геометрическим замыканием скоба (12) в зоне второго жидкостного охладителя (10) снабжена эластичной деталью (44).

8. Энергетический преобразовательный модуль по п.1, отличающийся тем, что изоляционный слой (36) выполнен с термически активными интерфейсными материалами.

9. Энергетический преобразовательный модуль по п.1, отличающийся тем, что изоляционный слой (36) выполнен с термически активными и электроизолирующими интерфейсными материалами.

10. Энергетический преобразовательный модуль по п.1, отличающийся тем, что изолированные силовые шины ошиновки (8) и изоляционный слой (36) ламинированы друг с другом.