Инверторное устройство Российский патент 2018 года по МПК H02M7/48 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к инверторному устройству или оборудованию, а более конкретно - к такой конфигурации компонентов инверторного устройства, которая позволяет уменьшить индуктивность цепи.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Однофазный инвертор в качестве основных компонентов включает множество полупроводниковых модулей (обозначаемых IGBT в последующем примере) IGBT1~IGBT4 для соответствующих фаз, сглаживающий конденсатор С, соединительные проводники Р и N для цепи постоянного тока и выходные проводники (выходные клеммы) U и V, как показано на фиг. 3. Компоненты этого инверторного устройства обычно размещаются или компонуются таким образом, как показано на фиг. 4.

[0003] В схеме размещения, показанной на фиг. 4, модули IGBT1 и IGBT2, соединенные последовательно с целью формирования фазового плеча U, размещены или ориентированы в переднем и заднем направлении (сверху и снизу, как показано на виде сверху) таким образом, чтобы модули IGBT1 и IGBT2 находились друг напротив друга. Модули IGBT3 и IGBT4, соединенные последовательно с целью формирования фазового плеча V, размещены или ориентированы таким образом, чтобы модули IGBT3 и IGBT4 находились друг напротив друга и последовательно соединенная комбинация IGBT3 и IGBT4 располагалась параллельно последовательно соединенной комбинации IGBT1 и IGBT2 в позиции, смежной с последовательно соединенной комбинацией IGBT1 и IGBT2. Каждая из последовательно соединенных комбинаций подключается к положительному и отрицательному соединительным проводникам Р и N положительного и отрицательного полюсов. Каждый из соединительных проводников Р и N, как показано на чертеже, выводится с левой стороны и изгибается в перпендикулярном направлении. Каждый из выходных проводников U и V, как показано на чертеже, выводится с правой стороны.

Сглаживающий конденсатор С располагается между модулями IGBT и изогнутой частью соединительных проводников Р и N. Компонент In представляет собой изолятор, а компонент Н - теплоотвод.

[0004] Размещение компонентов инверторного устройства с целью уменьшения индуктивности цепи показано в патентных документах 1 и 2.

Патентный документ 1: JP 2013-42663А

Патентный документ 2: JP 2006-262623А

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] При размещении компонентов, показанном на фиг. 4, возникает проблема, связанная с повышенной индуктивностью цепи, особенно - рядом с соединительными клеммами модулей IGBT, по следующим двум причинам.

(1) Ток протекает по изогнутому пути, и, следовательно, токовая петля увеличивается, что приводит к возрастанию индуктивности цепи.

(2) Как хорошо известно, параллельное размещение проводников, по которым ток протекает в обратных направлениях, служит для балансировки индуктивности цепи. Однако на практике возникают трудности при параллельном расположении соединительных проводников, в котором они проходят вдоль друг друга, вследствие ответвлений соединительных проводников.

[0006] На конструкции, показанной на фиг. 4, расстояния от сглаживающего конденсатора С, прикрепленного к соединительному проводнику Р с помощью крепежных приспособлений 1 и 2, таких как винтовые крепления, до модулей IGBT1 и IGBT3, прикрепленных к соединительному проводнику Р с помощью крепежных приспособлений 3 и 4, например, не одинаковы. То есть расстояние от сглаживающего конденсатора С до крепежного приспособления 4 или до модуля IGBT3 больше, чем расстояние от сглаживающего конденсатора С до модуля IGBT1. Таким образом, в процессе переключения петля тока, протекающего через конденсатор С и модули IGBT1 и IGBT2, не сбалансирована с петлей тока, протекающего через конденсатор С и модули IGBT3 и IGBT4, и этот дисбаланс может привести к увеличению индуктивности цепи.

[0007] В частности, в высокочастотном инверторном устройстве важно уменьшить индуктивность цепи постоянного тока, а кроме того - уменьшить индуктивность цепи посредством меньшей токовой петли, снижающей индуктивность от выхода модулей IGBT до нагрузки, и параллельного размещения проводников противоположных направлений тока.

[0008] Таким образом, целью настоящего изобретения является реализация инверторного устройства для уменьшения индуктивности цепи.

[0009] В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения инверторное устройство содержит:

множество мощных полупроводниковых модулей, предназначенных для формирования фазовых плеч, каждое из которых содержит набор мощных полупроводниковых модулей, включенных последовательно между положительным полюсом и отрицательным полюсом цепи постоянного тока, для одной из фаз;

секцию теплоотвода, прикрепленную к мощным полупроводниковым модулям;

положительный и отрицательный соединительные проводники, предназначенные для использования, соответственно, в качестве положительного полюса и отрицательного полюса цепи постоянного тока, при этом каждое из фазовых плеч для одной из фаз включено между положительным и отрицательным соединительными проводниками;

по меньшей мере, один сглаживающий конденсатор, включенный между положительным и отрицательным соединительными проводниками; и

выходные проводники, каждый из которых соединен с выходными клеммами цепи переменного тока мощных полупроводниковых модулей одного из фазовых плеч;

при этом мощные полупроводниковые модули фазовых плеч размещены так, чтобы мощные полупроводниковые модули, соединенные с положительным соединительным проводником, располагались друг над другом, мощные полупроводниковые модули, соединенные с отрицательным соединительным проводником, располагались друг над другом, и формировался промежуток между теплоотводом, содержащимся в секции теплоотводов и прикрепленным к мощным полупроводниковым модулям, соединенным с положительным соединительным проводником для положительного полюса, и теплоотводом, содержащимся в секции теплоотводов и прикрепленным к мощным полупроводниковым модулям, соединенным с отрицательным соединительным проводником для отрицательного полюса;

положительный и отрицательный соединительные проводники положительного и отрицательного полюсов цепи постоянного тока проходят через промежуток между теплоотводами вдоль друг друга, с изолятором, размещенным между ними;

положительный соединительный проводник имеет первый конец, прикрепленный к соединительной клемме каждого из мощных полупроводниковых модулей положительного полюса, и второй конец, выведенный через промежуток между теплоотводами, и отрицательный соединительный проводник содержит первый конец, прикрепленный к соединительной клемме каждого из мощных полупроводниковых модулей отрицательного полюса, и второй конец, выведенный через промежуток между теплоотводами;

сглаживающий конденсатор или конденсаторы прикреплен к соединительным проводникам, выведенным из упомянутого промежутка; и

каждый из выходных проводников соединен с выходной клеммой цепи переменного тока мощных полупроводниковых модулей соответствующего одного из фазовых плеч в области рядом с соединительными клеммами мощных полупроводниковых модулей, так что части выходных проводников проходят вдоль друг друга в направлении, по существу перпендикулярном направлению, в котором проходят части соединительных проводников.

[0010] В соответствии с раскрытием настоящего изобретения, может использоваться множество сглаживающих конденсаторов, расположенных зигзагообразно по отношению к соединительным проводникам для положительного и отрицательного полюсов.

[0011] В соответствии с раскрытием настоящего изобретения, каждый из соединительных проводников положительного и отрицательного полюсов представляет собой проводник пластинчатой формы, содержащий изогнутую часть для формирования угла, по существу равного 90 градусам, в области, расположенной рядом с соединительными клеммами мощных полупроводниковых модулей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0012] На фиг. 1 показана конструкция инверторного устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения на виде слева и справа, при этом вид спереди показан между видами слева и справа, а вид сверху показан над видом спереди.

На фиг. 2 показана схема трехфазного инверторного устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 3 показана схема однофазного инверторного устройства.

На фиг. 4 показана конструкция однофазного инверторного устройства, выполненного по более ранней технологии, на виде слева и справа, при этом вид спереди показан между видами слева и справа, а вид сверху показан над видом спереди.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ(Ы) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] На фиг. 1 показана конструкция для размещения составных частей устройства в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 1 изображен пример однофазного инверторного устройства. Фазовые плечи U и V размещаются или располагаются в определенном порядке с перекрытием или друг над другом, как показано на виде спереди. Мощные полупроводниковые модули IGBT, соединенные последовательно в каждой фазе, оборудованы теплоотводами Н и, как показано на чертеже, расположены в направлении глубины. Мощные полупроводниковые модули IGBT1 и IGBT3 (см. фиг. 3), подключенные к положительному соединительному проводнику Р положительного полюса, и мощные полупроводниковые модули IGBT2 и IGBT4, подключенные к отрицательному соединительному проводнику N отрицательного полюса, находятся, соответственно, с правой и левой сторон, при этом, как показано на виде сверху, предусмотрен промежуток, разделяющий друг от друга группу положительного полюса и группу отрицательного полюса. В центральной части промежутка между группой положительного полюса и группой отрицательного полюса соединительные проводники Р и N проходят вдоль или параллельно друг другу, и изолятор In размещается посередине между соединительными проводниками Р и N. Множество сглаживающих конденсаторов С располагаются с одной или с обеих сторон протянутых соединительных проводников Р и N. Положительные и отрицательные клеммы сглаживающих конденсаторов С подключаются, соответственно, к соединительным проводникам Р и N. Если количество сглаживающих конденсаторов С велико, и сглаживающие конденсаторы С располагаются с обеих сторон от соединительных проводников Р и N, то сглаживающие конденсаторы С располагаются зигзагообразно или ступенчато с левой и правой стороны для устранения взаимного влияния в пределах узла крепления или сборки сглаживающих конденсаторов С.

[0014] Каждый из соединительных проводников Р и N имеет пластинчатую форму, и изолятор In пластинчатой формы помещается посередине или размещается между соединительными проводниками Р и N пластинчатой формы. В этом параллельном состоянии, с изолятором In, расположенным между проводниками, соединительные проводники Р и N протягиваются рядом в область, близлежащую к соединительным клеммам мощных полупроводниковых модулей IGBT. В этой области положительный и отрицательный соединительные проводники Р и N изгибаются соответственно в правом и левом направлениях по существу под прямыми углами и соединяются, соответственно, с положительной и отрицательной клеммами мощных полупроводниковых модулей IGBT.

[0015] Таким же образом, выходные проводники U и V фазы U и фазы V с изолятором In, помещенным посередине или размещенным между выходными проводниками U и V, проходят к модулям IGBT со стороны, показанной на виде спереди, и разделяются налево и направо в области, расположенной рядом с соединительными клеммами модулей IGBT. В области, расположенной рядом с соединительными клеммами модулей IGBT, выходные проводники U и V фаз U и V соединены с клеммами модулей IGBT на выходной стороне цепи переменного тока, соответственно, в положении, в котором часть выходного проводника U фазы U и часть выходного проводника V фазы V проходят вдоль друг друга в направлении, перпендикулярном или ортогональном направлению, в котором часть соединительного проводника Р и часть соединительного проводника N проходят вдоль друг друга. В этом расположении сглаживающий конденсатор(ы) С расположен за теплоотводом Н, благодаря чему сглаживающий конденсатор С не препятствует затяжке винтовых крепежей на соединительных клеммах модулей IGBT.

[0016] Хотя инверторное устройство в приведенном выше практическом примере представляет собой однофазное инверторное устройство, компоненты могут размещаться таким же образом и в случае трехфазного инверторного устройства. На фиг. 2 показана схема трехфазного инверторного устройства. Мощные полупроводниковые модули IGBT1, IGBT3 и IGBT5, соединенные с соединительным проводником Р, располагаются с правой стороны, как показано на чертеже, а мощные полупроводниковые модули IGBT2, IGBT4 и IGBT6, соединенные с соединительным проводником N, располагаются с левой стороны. В случае трехфазного инвертора реактивное сопротивление цепи от выхода инвертора до нагрузки становится несколько больше для фаз U и W относительно фазы V по сравнению с однофазным инвертором. Однако существует возможность уменьшения индуктивности цепи в достаточной мере по сравнению с существующими решениями по размещению компонентов.

[0017] Как объяснялось выше, в соответствии с реализацией настоящего изобретения группа модулей IGBT, подключенная к положительной стороне соединительного проводника Р, и группа модулей IGBT, подключенная к отрицательной стороне соединительного проводника N, размещаются или ориентируются вдоль соединительных проводников Р и N в позициях, находящихся на одинаковом расстоянии от позиции соединительных проводников. Посредством такого расположения можно снизить индуктивность цепи путем уменьшения петли тока, протекающего через сглаживающий конденсатор С и IGBT1 и IGBT2 во время операции переключения, а также - петли тока, протекающего через сглаживающий конденсатор С и IGBT3 и IGBT4 во время операции переключения, и сохранить надлежащий баланс между величинами тока в обеих петлях с целью балансировки индуктивностей цепей.

Изобретение относится к области преобразовательной техники. Между сглаживающим конденсатором, включенным между соединительными проводниками положительного и отрицательного полюсов, и мощными полупроводниковыми модулями, образующими инвертор, может возрастать индуктивность цепи вследствие дисбаланса в контурах токовой цепи. Фазовые плечи, каждое из которых формируется последовательной комбинацией мощных полупроводниковых модулей, расположены друг над другом, и группа мощных полупроводниковых модулей, подключенная к положительному соединительному проводнику, и группа мощных полупроводниковых модулей, подключенная к отрицательному соединительному проводнику, размещаются в одинаковом направлении. Между группой мощных полупроводниковых модулей положительного полюса и группой мощных полупроводниковых модулей отрицательного полюса формируется промежуток. Соединительные проводники для положительного и отрицательного полюсов проходят через промежуток параллельно друг другу, с изолятором, размещенным между соединительными проводниками. Соединительные проводники изогнуты в области, расположенной рядом с соединительными клеммами мощных полупроводниковых модулей, и подключены к мощным полупроводниковым модулям. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Инверторное устройство, содержащее:

множество мощных полупроводниковых модулей, предназначенных для формирования фазовых плеч, каждое из которых содержит набор мощных полупроводниковых модулей, включенных последовательно между положительным полюсом и отрицательным полюсом цепи постоянного тока, для одной из фаз;

секцию теплоотвода, прикрепленную к мощным полупроводниковым модулям;

положительный и отрицательный соединительные проводники, предназначенные для использования, соответственно, в качестве положительного полюса и отрицательного полюса цепи постоянного тока, при этом каждое из фазовых плеч для одной из фаз включено между положительным и отрицательным соединительными проводниками;

сглаживающий конденсатор, включенный между положительным и отрицательным соединительными проводниками; и

выходные проводники, каждый из которых соединен с выходными клеммами цепи переменного тока мощных полупроводниковых модулей одного из фазовых плеч;

при этом мощные полупроводниковые модули фазовых плеч размещены так, чтобы мощные полупроводниковые модули, соединенные с положительным соединительным проводником, располагались друг над другом, мощные полупроводниковые модули, соединенные с отрицательным соединительным проводником, располагались друг над другом, и формировался промежуток между теплоотводом, содержащимся в секции теплоотводов и прикрепленным к мощным полупроводниковым модулям, соединенным с положительным соединительным проводником для положительного полюса, и теплоотводом, содержащимся в секции теплоотводов и прикрепленным к мощным полупроводниковым модулям, соединенным с отрицательным соединительным проводником для отрицательного полюса;

положительный и отрицательный соединительные проводники положительного и отрицательного полюсов цепи постоянного тока проходят через промежуток между теплоотводами вдоль друг друга, с изолятором, размещенным между ними;

положительный соединительный проводник имеет первый конец, прикрепленный к соединительной клемме каждого из мощных полупроводниковых модулей положительного полюса, и второй конец, выведенный через промежуток между теплоотводами, и отрицательный соединительный проводник содержит первый конец, прикрепленный к соединительной клемме каждого из мощных полупроводниковых модулей отрицательного полюса, и второй конец, выведенный через промежуток между теплоотводами;

сглаживающий конденсатор прикреплен к соединительным проводникам, выведенным из упомянутого промежутка; и

каждый из выходных проводников соединен с выходной клеммой цепи переменного тока мощных полупроводниковых модулей соответствующего одного из фазовых плеч в области рядом с соединительными клеммами мощных полупроводниковых модулей, так что части выходных проводников проходят вдоль друг друга в направлении, по существу перпендикулярном направлению, в котором проходят части соединительных проводников.

2. Инверторное устройство по п. 1, отличающееся тем, что множество сглаживающих конденсаторов расположены зигзагообразно на соединительных проводниках положительного и отрицательного полюсов.

3. Инверторное устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что каждый из соединительных проводников положительного и отрицательного полюсов представляет собой проводник пластинчатой формы, содержащий изогнутую часть для формирования угла, по существу равного 90 градусам, в упомянутой области рядом с соединительными клеммами мощных полупроводниковых модулей.