ФАЗОВЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТОКА Российский патент 2019 года по МПК H05K7/02 H01L27/02 H01L23/48 H01L23/36 

Изобретение относится к фазовому модулю для выпрямителя тока, включающему в себя, по меньшей мере, один элемент переключения и охлаждающее тело. Кроме того, изобретение относится к выпрямителю тока, по меньшей мере, с одним таким фазовым модулем, а также к способу изготовления такого фазового модуля.

Выпрямители тока используются для того, чтобы снабжать электрические машины или электрические сети электрической энергией. При помощи выпрямителя тока машиной можно управлять и ее можно регулировать. Сверх этого, выпрямители тока применяются для передачи энергии с малыми потерями. Дальнейшую область применения для выпрямителей тока представляют компенсаторы. С их помощью реактивные мощности и/или высшие гармоники тока можно компенсировать, то есть устранять, или целенаправленно вводить в сеть.

Для создания выпрямителя тока необходимые элементы переключения, которые имеют полупроводники, монтируются на охлаждающем теле. Элементы переключения доступны при этом на рынке в виде модулей различной эффективной мощности. Для хорошей теплопередачи, то есть для хорошего охлаждения элемента переключения, наносится перед монтажом на контактную поверхность термопаста, для того чтобы достигать наиболее хорошей теплопередачи посредством устранения включений воздуха.

При этом зачастую несколько элементов переключения монтируются на одном охлаждающем теле. Охлаждающее тело, в этом случае по весу значительно большее, чем вес отдельных модулей переключения, имеет наряду с функцией охлаждения одновременно также функцию удерживать или закреплять модули в выпрямителе тока. Усилия, такие как сила тяжести или вызванные движением усилия, как например вызванные вибрациями усилия, воспринимаются охлаждающим телом.

Для изготовления выпрямителей тока с различной мощностью устанавливаются модули с различной эффективной мощностью. Они отличаются своими конструктивными размерами и частично своим конструктивным исполнением, так что также различные охлаждающие тела используются для различных классов мощности. Так же принято располагать несколько модулей параллельно. Однако недостатком при этом является то, что из-за расхождений в свойствах продукта ток не равномерно распределяется по модулям. Вследствие этого модули используются не оптимально по своей эффективной мощности. Это приводит к высоким издержкам при лишь незначительном увеличении эффективной мощности. Хотя посредством параллельного соединения выпрямителей тока можно покрывать различные диапазоны мощностей, тем не менее они связаны с высокими издержками.

В основе изобретения лежит задача улучшить фазовый модуль для выпрямителя тока с точки зрения его охлаждения.

Эта задача решается с помощью фазового модуля для выпрямителя тока, включающего в себя, по меньшей мере, один элемент переключения и охлаждающее тело, причем элемент переключения соединен с охлаждающим телом, причем соединение между элементом переключения и охлаждающим телом является неразъемным соединением. Далее задача решается с помощью выпрямителя тока, включающего в себя, по меньшей мере, один такой фазовый модуль. Кроме того, задача решается с помощью способа изготовления такого фазового модуля, причем для установления соединения между элементом переключения и охлаждающим телом элемент переключения припаивается, припекается или приклеивается к охлаждающему телу.

Дальнейшие предпочтительные исполнения изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

В основе изобретения лежит то познание, что фазовый модуль можно улучшить вследствие того, что элемент переключения неразъемно соединен с охлаждающим телом. Неразъемное соединение представляет собой, например пайку, спекание или приклеивание. И хотя является технически возможным разъединять это соединение, тем не менее требуются дальнейшие, частично и вовсе очень трудоемкие шаги, для того чтобы снова устанавливать соединение. Частично разъединение соединения может приводить к постоянному повреждению охлаждающего тела и/или элемента переключения.

Наиболее предпочтительным оказалось то, что посредством этого неразъемного соединения можно создавать наиболее хорошую теплопередачу от элемента переключения к охлаждающему телу. Таким образом, удовлетворительные результаты охлаждения можно получать уже при относительно малых и тем самым легких охлаждающих телах.

При этом могут использоваться все типы охлаждающих тел. В частности использование охлаждающих сред, воздуха или жидкости, как например воды, оказалось предпочтительным. Так же оказалось предпочтительным охлаждение, при котором охлаждающее тело имеет теплоотводные трубки. Для жидкостного охлаждения должны еще учитываться дальнейшие места подключения для контура охлаждения. Он может реализовываться посредством несущей рамы или несущей плиты. Альтернативно полумостовые модули могут непосредственно составляться в пакеты (свинчиваться, сжиматься, спрессовываться, как например, в водопроводном строительстве).

Наиболее предпочтительным оказалось предусматривать для элемента переключения или элементов переключения одного фазового модуля ровно одно охлаждающее тело. Другим словами с охлаждающим телом в каждом случае соединяются лишь элемент переключения или элементы переключения одного фазового модуля. Благодаря хорошей теплопередаче и задаче охлаждать только один фазовый модуль, охлаждающее тело может выполняться максимально небольшим и легким. Отношение веса охлаждающего тела фазового модуля к общему весу фазового модуля относительно мало. При этом вес охлаждающего тела составляет зачастую менее чем 50% веса всего фазового модуля, включая охлаждающее тело.

Наиболее предпочтительным оказалось предусматривать неразъемное соединение элемента переключения и охлаждающего тела для элементов переключения с блокирующим напряжением в диапазоне от 1200 В до 1700 В. Оказалось, что преимущества хорошей теплопередачи и связанных с этим небольших и легких охлаждающих тел перевешивают следующие недостатки. Говоря о недостатках, следует назвать то, что по сравнению с применениями за пределами силовой электроники, как например микроэлектроника, необходимо считаться с повышенным браком в изготовлении неразъемного соединения. При применениях за пределами силовой электроники поверхность пайки очень мала. Вследствие этого может обеспечиваться равномерный нагрев на поверхности соединения, так что соединение может легко устанавливаться.

В области силовой электроники, в частности при силовых полупроводниках с блокирующим напряжением в диапазоне от 1200 В до 1700 В, а также выше этого, поверхность контакта велика. В этом случае должно обеспечиваться то, что эта поверхность равномерно нагревается или разогревается. Так как это может достигаться и при необходимости контролироваться с трудом, необходимо считаться с повышенным браком при изготовлении неразъемного соединения. При пайке или спекании элементов переключения с блокирующим напряжением в диапазоне от 1200 В до 1700 В должен осуществляться равномерный нагрев по поверхности контакта как элемента переключения, так и охлаждающего тела. Уже незначительные отклонения могут приводить к механическим напряжениям в соединении, которое приводит к потере действия удержания в соединении или, по меньшей мере, ухудшает теплопередачу между элементом переключения и охлаждающим телом таким образом, что это соединение в отношении теплопроводности больше не предоставляет преимущество по сравнению с известным из уровня техники винтовым соединением между элементом переключения и охлаждающим телом. Неоптимальное в процессе изготовления соединение между элементом переключения и охлаждающим телом не может исправляться посредством свойства неразъемности или может исправляться, по меньшей мере, лишь с высокими техническими затратами, которые ставят под сомнение экономичность этих фазовых модулей.

Таким образом, изготовление неразъемного соединения для силовых полупроводников, в частности с блокирующим напряжением в диапазоне от 1200 В до 1700 В и выше этого, может безошибочно выполняться лишь с трудом.

Неразъемное соединение наряду с хорошей теплопроводностью, которая важна для работы при высокой мощности или высоких токах, имеет сверх этого преимущество более высокой прочности переменной нагрузки. Непостоянная нагрузка, обозначаемая также как переменная нагрузка, приводит при винтовых соединениях, которые используются на сегодняшний день между охлаждающим телом и элементом переключения с блокирующим напряжением в диапазоне от 1200 В до 1700 В, к сильно различным расширениям из-за различных коэффициентов температурного расширения материалов охлаждающего тела и элемента переключения. Эти расширения компенсируются термопастой. Термопаста вследствие этого механически нагружается, так как она подвергается процессу отверждения. Это приводит с одной стороны к вытеснению термопасты с поверхности контакта. С другой стороны это приводит к уменьшению срока службы, что проявляется в частично даже значительном сокращении теплопроводности.

Рассмотрения прочности переменной нагрузки не представляют интерес для применений за пределами силовой электроники. Так как непостоянные нагрузки не приводят там к большим перепадам температур, они не имеют ограничивающего влияния на срок службы полупроводников и потому не учитываются там при расчете и изготовлении полупроводников.

Сверх этого, у фазового модуля охлаждающее тело настолько мало и легко, что оно имеет низкую теплоемкость. Низкая теплоемкость вызывает в свою очередь значительно более низкий перепад температур между элементом переключения и охлаждающим телом. Из этого следует еще более низкая чувствительность к непостоянной нагрузке и способность фазового модуля переносить высокую переменную нагрузку.

Наиболее предпочтительным оказалось использовать для фазового модуля с неразъемным соединением элементы переключения с блокирующим напряжением в диапазоне от 1200 В до 1700 В и низкой предельно допустимой силой тока. Эта низкая предельно допустимая сила тока находится в диапазоне от 100 A до 200 A. В этом случае соответствующее изобретению соотношение веса охлаждающего тела к общему весу фазового модуля наиболее оптимально, так как возникает лишь относительно небольшая теряемая мощность в элементе переключения, которая должна охлаждаться. При помощи этих фазовых модулей можно простым образом собирать трехфазные выпрямители тока, в частности двухточечные выпрямители тока, мощность которых находится в диапазоне от 70 кВт до 100 кВт. На фазу получается таким образом мощность примерно от 20 кВт до 35 кВт. При этом фаза в предпочтительном исполнении может реализовываться посредством фазового модуля, если этот фазовый модуль выполнен в виде полумоста с двумя элементами переключения.

Благодаря отдельным фазовым модулям, например трем фазовым модулям у трехфазного выпрямителя тока, эти фазовые модули являются гибкими в своем расположении, так как отдельные элементы переключения не все расположены на одном охлаждающем теле. Отдельные фазовые модули могут практически независимо друг от друга располагаться в выпрямителе тока. Таким образом, могут например воздушные каналы для охлаждающего воздуха выполняться с наименьшими размерами. Занимаемый объем фазовых модулей тем самым соответственно незначителен. Благодаря более низкому весу также монтаж внутри выпрямителя тока значительно проще, чем при больших и тем самым тяжелых охлаждающих телах, так как можно отказаться от трудоемких несущих конструкций.

Сверх этого, оказалось предпочтительным интегрировать в фазовый модуль демпфирующие конденсаторы для быстрой коммутации, в частности для широкозонных полупроводников. Интеграция дополнительных конструктивных элементов предпочтительно выполнена на той же подложке, как и элемент переключения, и без отдельных кожухов для конструктивных элементов (на плоскости микрочипа). Так же является предпочтительным использовать те же технологии контактирования, как и для силовых полупроводников.

Повышение эффективной мощности фазы выпрямителя тока и тем самым повышение эффективной мощности всего выпрямителя тока могут простым образом осуществляться посредством параллельного соединения нескольких фазовых модулей. Так, например, у вышеупомянутого трехфазного двухточечного выпрямителя тока может посредством параллельного соединения двух фазовых модулей в фазах достигаться мощность выпрямителя тока в целом от 140 кВт до 200 кВт. Таким образом, благодаря фазовому модулю имеется в распоряжении высокоинтегрируемый, обладающий малым количеством вариаций модульный концепт в отношении модульности, пригодности для работы в параллельном соединении и степени детализации.

Благодаря параллельному соединению фазовых модулей могут посредством использования соответствующего количества фазовых модулей простым и модульным образом собираться выпрямители тока в диапазоне мощностей от 70 кВт до 1 МВт.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения фазовый модуль имеет, по меньшей мере, один электрический контакт, причем фазовый модуль может закрепляться при помощи электрического контакта. Благодаря модульному и масштабируемому концепту фазовый модуль, включая охлаждающее тело, образует очень компактную конструкцию. Эта конструкция подходит ввиду незначительных размеров и низкого веса для закрепления при помощи электрического контакта. Для этого подходит наиболее предпочтительно сборная шина (токоведущая шина), которая, как правило, при элементах переключения с блокирующим напряжением в диапазоне от 1200 В до 1700 В и выше этого предусмотрена для низкоиндуктивного соединения с конденсаторами промежуточного контура. Поперечное сечение этой сборной шины обуславливается допустимой токовой нагрузкой и тем самым эффективной мощностью фазового модуля или созданного из фазового модуля выпрямителя тока. Оказалось, что именно благодаря описанному сокращению веса охлаждающего тела, вызванному неразъемным соединением элемента переключения и охлаждающего тела, усилия для закрепления в выпрямителе тока настолько низки, что они могут восприниматься сборной шиной и соответствующим крепежным элементом между сборной шиной и электрическим контактом фазового модуля, как например винтом или зажимной пружиной. От дополнительной механической фиксации фазовых модулей можно тем самым отказаться. Если от дополнительного механического фиксирования/ закрепления фазовых модулей нет желания отказываться или оно желательно или предписано, то оно может рассчитываться, по меньшей мере, с настолько небольшими размерами, что оно должно прикладывать всего лишь незначительную часть усилия для закрепления фазового модуля. Часть воспринимаемого в этом случае дополнительным механическим закреплением усилия меньше, чем воспринятое электрическими контактами усилие. Таким образом, механическая конструкция выпрямителя тока существенно упрощается благодаря применению фазовых модулей. Это приводит к дальнейшему сокращению веса, а также к снижению стоимости созданного из фазовых модулей выпрямителя тока.

Альтернативно или дополнительно фазовый модуль может также вставляться в держатель, обозначаемый также как монтажная пластина, в виде шаблона. Благодаря низкому весу фазовых модулей и находящихся в них охлаждающих тел требуется лишь незначительное усилие для удержания/фиксации в держателе. Это усилие может прикладываться, например зажимным устройством.

В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения элемент переключения имеет полупроводниковое реле, причем полупроводниковое реле имеет ровно один микрочип полупроводникового элемента. Чип полупроводникового элемента является активной частью полупроводникового реле. Эта часть включает в себя полупроводниковый материал, который проводит ток через полупроводниковое реле. Полупроводниковые реле могут включаться в себя в общем сложности несколько микрочипов полупроводникового элемента, для того чтобы достигать соответственно высокой предельно допустимой силы тока. Элемент переключения имеет полупроводниковое реле и расположенный встречно-параллельно к нему диод, так что ток протекает через элемент переключения в одном направлении течения через полупроводниковое реле, если оно проводит ток, и в противоположном направлении течения через диод. Для повышения эффективной мощности элементов переключения полупроводниковые элементы созданы посредством нескольких параллельных микрочипов полупроводникового элемента. Вследствие этого увеличиваются предельно допустимая сила тока и тем самым мощность элемента переключения. В отношении хорошей масштабируемости выпрямителей тока, которые созданы из фазовых модулей, целесообразным оказалось то, что полупроводниковое реле имеет ровно один микрочип полупроводникового элемента. Он может уже включать в себя также функцию диода. Альтернативно возможно реализовывать функцию диода элемента переключения посредством дальнейшего расположенного параллельно чипа полупроводникового элемента. Лишь с одним микрочипом полупроводникового элемента элемент переключения имеет предельно допустимую силу тока в диапазоне от 100 A до 200 A. Фазовый модуль, который имеет полупроводниковые реле и диоды с расположением в виде полумоста, имеет таким образом эффективную мощность в диапазоне от 20 кВт до 35 кВт.

При реализации полупроводникового реле с ровно одним чипом полупроводникового элемента эксплуатация элемента переключения наиболее эффективна, так как ввиду отсутствующего параллельного соединения чипов полупроводникового элемента не происходит неравномерного распределения тока на чипы полупроводникового элемента. Следовательно, использование чипа полупроводникового элемента наиболее эффективно, и возникающая теряемая мощность сравнительно низка, так что при неразъемном соединении с охлаждающим телом может использоваться наиболее малое и легкое охлаждающее тело. При этом доля веса охлаждающего тела в общем весе фазового модуля наиболее низка. Сверх этого, эффективная мощность элемента переключения подходит в частности для того, чтобы модульно изготавливать выпрямители тока в диапазоне мощностей от 70 кВт до 1 МВт.

В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения фазовый модуль имеет два элемента переключения, которые расположены в последовательном соединении. При помощи этих двух элементов переключения можно простым образом реализовывать полумост. Этот фазовый модуль имеет три электрических контакта, причем два контакта предусмотрены для соединения с конденсатором промежуточного контура (контакты постоянного тока), и один контакт образует фазовый контакт, называемый также контактом нагрузки. При помощи этих контактов, либо только при помощи одного, либо нескольких из этих контактов, фазовый модуль в выпрямителе тока можно в достаточной степени закреплять, например, на сборных шинах, так что не требуются дальнейшие механические закрепления.

Тем самым возникает благодаря объединению охлаждающего тела и полупроводникового модуля цельный полумостовой блок. При этом не существует больше классическое доступное место стыковки между модулем и охлаждающим телом. Подложка соединяется напрямую с охлаждающим телом (с охлаждением как жидкостью, так и воздухом) например посредством пайки, спекания. Фазовый модуль, включая охлаждающее тело, образует цельный узел, который даже в случае замены не разъединяется. В случае отказа заменяются только целые фазовые модули. В идеале охлаждающее тело имеет точно такие же размеры (или лишь незначительно большие) как и сама подложка. Охлаждение может осуществляться на основе различных принципов, например воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение. Так же могут использоваться дополнительные элементы для термического управления, как например расширители тепла или тепловые трубки.

В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения точка соединения обоих расположенных последовательно элементов переключения соединена с дальнейшим элементом переключения, причем благодаря дальнейшему элементу переключения ток может проводиться через дальнейший элемент переключения в обоих направлениях течения и переключаться. При помощи этого расположения может простым образом и лишь с малым количеством полупроводниковых элементов изготавливаться трехточечный выпрямитель тока. При помощи него благодаря более высокой частоте переключений и дополнительной ступени напряжения возможно более точное воспроизведение необходимого выходного напряжения. Фазовый модуль представляет собой таким образом полумост для трехточечного выпрямителя тока.

В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения фазовый модуль имеет для управления элементом переключения возбуждающий каскад и/или мощный оконечный каскад, в частности линейный каскад. Возбуждающий каскад или мощный оконечный каскад, в частности линейный каскад, равным образом имеет потери, которые должны отводиться в виде тепла. Если возбуждающий каскад или мощный оконечный каскад уже интегрирован в фазовый модуль, то тепло можно отводить при помощи имеющегося охлаждающего тела. Дальнейшее охлаждающее тело для охлаждения мощного оконечного каскада, при котором охлаждающий воздух или охлаждающая жидкость должен до некоторой степени трудоемко подводиться, может исключаться.

При этом интеграция возбуждающего каскада или мощного оконечного каскада осуществляется на подложку силового полупроводника, предпочтительно в исполнении в виде линейного каскада. Эта интеграция предпочтительна для гибкого применения фазового модуля в различных областях использования. При этом является предпочтительным использовать такие же технологии контактирования, как и для силовых полупроводников (спекание, пайка, микросварка и т.д.).

Сверх этого, интеграция возбуждающего каскада для мощного оконечного каскада снижает индуктивность в контуре управления. Вследствие этого уменьшаются постоянные времени электрической цепи, и управляемость полупроводником, в первую очередь во время процесса переключения (например, в линейном диапазоне), в некоторой степени заметно улучшена.

Несмотря на высокую степень интеграции, фазовый модуль в противоположность к исполнению с жесткими, интегрированными сопротивлениями затвора может гибко применяться, так как, например, при помощи оконечного каскада характер переключения может адаптироваться к конкретному случаю использования. Это справедливо в частности для линейного каскада. Тем самым адаптация характера переключения к соответствующему случаю применения может наиболее простым образом осуществляться при выпрямителе тока, который оснащен фазовыми модулями этого типа.

В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения фазовый модуль имеет сенсорную технику. В частности для параллельного соединения фазовых модулей оказалось предпочтительным определять ток через фазовый модуль, для того чтобы была возможность обнаруживать неравномерное распределение токов на расположенные параллельно фазовые модули. Тем самым благодаря подходящему управлению фазой полупроводникового реле возможно противодействовать ошибочному распределению и достигать равномерного распределения на параллельные фазовые модули. Измерение фазового тока может интегрироваться в фазовый модуль при помощи шунта, датчика Холла, GMR. Дальнейшие обладающие потерями части сенсорной техники для регистрации напряжения, как например делитель напряжения, равным образом могут интегрироваться в фазовый модуль с хорошей теплопередачей к охлаждающему телу. Так как точность этих измерительных устройств возрастает с более высокими потерями, то благодаря хорошему тепловому присоединению могут приниматься более высокие потери, и может достигаться более точное определение измеряемых значений. Интеграция дополнительных конструктивных элементов предпочтительно выполнена на той же подложке силового полупроводника и без отдельных кожухов для конструктивных элементов. Так же является предпочтительным использовать такие же технологии контактирования, как и для силовых полупроводников (спекание, пайка, микросварка и т.д.). Делитель напряжения может быть при этом выполнен чисто омическим или емкостно-омическим.

Благодаря интеграции обладающих потерями элементов на подложку они с хорошей теплопроводностью соединены с охлаждением. Вследствие этого, например делитель напряжения для измерения напряжения может выполняться низкоомным. Так же сенсорная техника защищена заливкой (или соответствующим материалом) полупроводника от загрязнения и влаги и таким образом является более устойчивой к воздействиям окружающей среды. Благодаря этой капсюляции могут дополнительно уменьшаться воздушные зазоры и пути тока утечки на самих конструктивных элементах, и тем самым может одновременно повышаться плотность монтажа. Частично можно отказаться от дополнительных корпусов (например, SDM-корпусов (для поверхностного монтажа)).

Благодаря интеграции измерения тока в фазовый модуль возможно простым образом при параллельном соединении нескольких фазовых модулей регулировать для фазы распределение тока на отдельные фазовые модули фазы выпрямителя тока. Соответствующими управляющими сигналами, например задержкой управляющих сигналов, возможно оказывать такое воздействие на распределение тока, что через все фазовые модули одной фазы выпрямителя тока протекает ток одинаковой величины. Таким образом, выпрямитель тока можно эксплуатировать наилучшим образом в отношении его эффективной мощности.

В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения выпрямитель тока имеет множество фазовых модулей, причем фазовые модули расположены в параллельном соединении. При помощи фазового модуля можно изготавливать имеющие модульную структуру выпрямители тока. При использовании элементов переключения с блокирующим напряжением в диапазоне от 1200 В до 1700 В и выше этого можно изготавливать например двухточечные выпрямители тока в диапазоне мощностей примерно от 70 кВт до 1 МВт. Общим у этих выпрямителей тока является то, что они имеют одинаковые фазовые модули. Масштабирование осуществляется посредством назначения числа расположенных параллельно фазовых модулей. Непосредственно для изготовителей выпрямителей тока имеет большое значение применение наибольшего количества унифицированных деталей в выпрямителе тока. Вследствие этого могут достигаться конкурентные преимущества из-за высоких объемов партий. Сверх этого, хранение запасных частей может экономично реализовываться ввиду меньшего количества различных деталей. Это относится в частности к фазовым модулям, так как они имеют полупроводниковые реле в виде силовых полупроводников, которые сильно влияют на стоимость выпрямителя тока. Три из фазовых модуля образуют наименьший модульный узел трехфазного выпрямителя тока. В этом случае они могут располагаться, например, в рамной конструкции выпрямителя тока.

В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения фазовый модуль имеет, по меньшей мере, один электрический контакт и при помощи, по меньшей мере, одного электрического контакта закреплен в выпрямителе тока. Благодаря хорошему термическому присоединению силовых полупроводников к охлаждающему телу фазового модуля конструкция фазового модуля настолько легка, что фазовый модуль может на электрических контактах механически закрепляться в выпрямителе тока. Для этого подходят в частности сборные шины из меди, которые одновременно служат для электрического соединения фазовых модулей. Площадь поперечного сечения сборных шин определяется среди прочего эффективной мощностью присоединенного к ним фазового модуля или присоединенных к ним фазовых модулей. Оказалось, что сборные шины ввиду относительно малого веса конструкции фазовых модулей подходят для того, чтобы воспринимать весь вес фазовых модулей, а также превышающие его усилия, обусловленные ускорениями, тряской или вибрациями.

Наиболее предпочтительным является механическое закрепление для фазовых модулей, которые выполнены в виде полумоста для двухточечного выпрямителя тока. В этом случае имеются два контакта постоянного тока для контактирования с конденсатором промежуточного контура, которые предпочтительно выполняются низкоиндуктивными и могут одновременно служить в качестве механического закрепления для фазового модуля. При исполнении в виде трехточечного выпрямителя тока имеются в распоряжении и вовсе три контакта постоянного тока для контактирования с конденсаторами промежуточного контура, которые равным образом предпочтительно низкоиндуктивны и потому контактируют со сборной шиной. Этот электрический контакт может наряду с проведением тока также у трехточечного выпрямителя тока брать на себя одновременно задачу закрепления в выпрямителе тока.

Далее изобретение описывается и разъясняется более подробно при помощи изображенных на чертеже примеров осуществления. При этом на чертеже показаны:

фиг. 1, фиг. 2 - сечение фазового модуля;

фиг. 3 - внутренняя структура фазового модуля;

фиг. 4, фиг. 5 - структура полумоста;

фиг. 6 - закрепление фазовых модулей в выпрямителе тока; и

фиг. 7 - монтажная пластина для фазовых модулей.

Фиг. 1 показывает сечение фазового модуля 1. При этом микрочип 100 полупроводникового элемента соединен с охлаждающим телом 13. Для электрического контактирования микрочипа 100 полупроводникового элемента служит слой 16 меди. Второе контактирование микрочипа 100 полупроводникового элемента не изображено на этой фигуре ради простоты. Слой 16 меди нанесен при этом на подложку 17, обозначаемую также как несущий слой. Он образует элемент 10 переключения. При помощи соединительного слоя , как например слоя припоя или клеевого слоя, устанавливается неразъемное соединение с охлаждающим телом 13.

Изображенный здесь фазовый модуль 1 включает в себя в изображенном здесь простом варианте осуществления ровно один микрочип 100 полупроводникового элемента. Этот микрочип 100 полупроводникового элемента может при этом включать в себя и функцию полупроводникового реле 11, и функцию диода 12. Альтернативно возможно реализовывать обе эти функции посредством отдельных микрочипов 100 полупроводникового элемента.

Фиг. 2 показывает сечение дальнейшего фазового модуля 1. Для предотвращения повторений делается ссылка на описание к фиг. 1, а также на введенные там ссылочные позиции. Этот фазовый модуль 1 имеет четыре микрочипа 100 полупроводникового элемента, которые отличаются своими размерами. При этом большие чипы 100 полупроводникового элемента создают функцию полупроводникового реле 11, а меньшие чипы 100 полупроводникового элемента функцию диода 12. Для электрического контактирования служат слои 16 меди. В этом случае также отказались от изображения второго контактирования отдельных чипов 100 полупроводникового элемента. Отдельные слои 16 меди снова нанесены на подложку 17. Соединительный слой 18 служит для того, чтобы создавать неразъемное соединение между элементами 10 переключения и охлаждающим телом 13. В случае соединительного слоя 18, речь может идти, например о слое припоя или клеевом слое. При помощи этих четырех чипов 100 полупроводникового элемента может простым образом создаваться полумост для двухточечного выпрямителя тока.

Фиг. 3 показывает внутреннюю структуру фазового модуля 1 на виде сверху. Можно увидеть подложку 17, которая служит опорой для отдельных компонентов фазового модуля 1. Силовыми полупроводниковыми элементами являются при этом микрочипы 100 полупроводникового элемента. Они расположены на слоях 16 меди. Второе контактирование, например, между микрочипами 100 полупроводникового элемента или между микрочипом 100 полупроводникового элемента и слоем 16 меди осуществляется при помощи гибкого проволочного вывода 19. Слои 16 меди, на которых установлен микрочип 100 полупроводникового элемента, имеют сверх этого электрический контакт 14. Контакт 15 нагрузки также соединен со слоем 16 меди. В электрическом соединении между микрочипами 100 полупроводникового элемента и контактом 15 нагрузки расположен шунт 42, при помощи которого можно определять выходной ток. Для определения напряжения на контакте 15 нагрузки служит делитель 41 напряжения. Он расположен между слоями 16 меди контакта 15 нагрузки и микрочипа 100 полупроводникового элемента. Для управления микрочипами 100 полупроводникового элемента полупроводниковых реле 10 служат мощные оконечные каскады 31. Они предоставляют на управляющем контакте элемента 10 переключения необходимое для работы напряжение возбуждения (напряжение затвора). При помощи линейного мощного оконечного каскада 31 возможно создавать напряжение на управляющем контакте с возможностью регулировки. Тем самым характер переключения элемента 10 переключения может адаптироваться к конкретному случаю применения. Мощные оконечные каскады 31 получают от возбуждающего каскада 30 информацию, какое состояние переключения должны принимать элементы 10 переключения. Так же возможно передавать необходимое для управляющего контакта напряжение на мощный каскад 31. При этом возбуждающий каскад 30 содержит логику, которая требуется для управления полупроводниковыми реле 11, как например контроль напряжения.

Фиг. 4 показывает структуру фазового модуля 1 с двумя элементами 10 переключения, которые расположены в последовательном соединении и тем самым образуют полумост. Точка соединения между обоими элементами 10 переключения образует контакт 15 нагрузки. Оставшиеся электрические контакты 14 образуют контакт для промежуточного контура. Элементы 10 переключения включают в себя полупроводниковое реле 11 и расположенный встречно-параллельно к нему диод 12. Полупроводниковое реле 11 управляется при помощи мощного оконечного каскада 31 и переводится в свои рабочие состояния "проведение тока" или "блокировка". При помощи этого варианта осуществления можно простым образом реализовывать двухточечный выпрямитель тока.

Фиг. 5 показывает структуру другого фазового модуля 1 для изготовления трехточечного выпрямителя тока. Для предотвращения повторений делается ссылка на описание к фиг. 4, а также на введенные там ссылочные позиции. В дополнение к структуре полумоста для двухточечного выпрямителя тока добавляется в точке соединения между обоими элементами 10 переключения дальнейший элемент 20 переключения. Со стороны постоянного тока имеются в распоряжении теперь три электрических контакта 14. Контакт 15 нагрузки может принимать теперь один из трех потенциалов стороны постоянного тока. Также полупроводниковые реле 11 дальнейшего модуля 20 переключения управляются при помощи мощных оконечных каскадов 31.

Фиг. 6 показывает выпрямитель 2 тока с двумя фазовыми модулями 1 и конденсатором 51. Электрические контакты 14 электрически соединены при помощи сборных шин 50 с конденсатором 51. При этом сборные шины 50 закреплены на выпрямителе 2 тока. Механическое закрепление фазовых модулей 1 осуществляется через электрические контакты 14. Дополнительное механическое крепление фазовых модулей 1 не требуется.

Говоря об изображенном здесь выпрямителе 2 тока, речь идет об однофазном выпрямителе 2 тока. Для реализации трехфазного выпрямителя 2 тока требуется дальнейший фазовый модуль 1, то есть в целом три фазовых модуля 1. Для того чтобы повышать эффективную мощность выпрямителя 2 тока, располагаются сверх этого дальнейшие фазовые модули 1 в выпрямителе 2 тока. При этом контакты 15 нагрузки одной фазы, не изображенные здесь, также соединяются друг с другом.

Дальнейшую возможность расположения фазовых модулей 1 в выпрямителе 2 тока показывает фиг. 7. При этом отдельные фазовые модули 1 вставляются в монтажную пластину 60. Монтажная пластина 60 имеет при этом шаблонные отверстия, в которых располагаются фазовые модули 1. Благодаря низкому весу фазовых модулей 1 они могут простым образом, например посредством зажимного соединения, удерживаться в монтажной пластине 60.

Несмотря на то, что изобретение было подробно и в деталях иллюстрировано и описано посредством предпочтительных примеров осуществления, изобретение не ограничено исключительно раскрытыми примерами, и другие варианты могут выводиться из них специалистом, не покидая объем защиты изобретения.

Подводя итог, изобретение относится к фазовому модулю для выпрямителя тока, включающему в себя, по меньшей мере, один элемент переключения и охлаждающее тело. Для улучшения свойства охлаждения фазового модуля предлагается то, что элемент переключения соединен с охлаждающим телом, причем соединение между элементом переключения и охлаждающим телом является неразъемным соединением. Изобретение относится далее к выпрямителю тока, по меньшей мере, с одним таким фазовым модулем, а также к способу изготовления подобного фазового модуля, причем для установления соединения между элементом переключения и охлаждающим телом элемент переключения припаивается, припекается или приклеивается к охлаждающему телу.

Изобретение относится к выпрямителю (2) тока с, по меньшей мере, одним фазовым модулем, включающим в себя, по меньшей мере, один элемент (10) переключения и охлаждающее тело (13). Технический результат - улучшение свойства охлаждения фазового модуля (1). Достигается тем, что элемент (10) переключения соединен с охлаждающим телом (13), причем соединение между элементом (10) переключения и охлаждающим телом (13) является неразъемным соединением. Для установления соединения между элементом (10) переключения и охлаждающим телом (13) элемент (10) переключения припаивается, припекается или приклеивается к охлаждающему телу (13). Фазовый модуль (1) имеет, по меньшей мере, один электрический контакт (14), причем фазовый модуль (1) при помощи электрического контакта (14) закреплен на токопроводящей шине без дополнительной механической фиксации в выпрямителе (2) тока. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Выпрямитель (2) тока, включающий в себя, по меньшей мере, один фазовый модуль (1), причем фазовый модуль (1) имеет

- по меньшей мере, один элемент (10) переключения с блокирующим напряжением в диапазоне от 1200 В до 1700 В и

- охлаждающее тело (13),

причем элемент (10) переключения соединен с охлаждающим телом (13), причем соединение между элементом (10) переключения и охлаждающим телом (13) является неразъемным соединением, которое выполнено пайкой, спеканием или приклеиванием, причем фазовый модуль (1) имеет, по меньшей мере, один электрический контакт (14), причем фазовый модуль (1) при помощи электрического контакта (14) закреплен на токопроводящей шине без дополнительной механической фиксации в выпрямителе (2) тока.

2. Выпрямитель (2) тока по п.1, причем выпрямитель (2) тока имеет множество фазовых модулей (1), причем фазовые модули (1) расположены в параллельном соединении.

3. Выпрямитель (2) тока по п.1 или 2, причем вес охлаждающего тела (13) составляет менее чем 50% веса всего фазового модуля (1), включая охлаждающее тело (13).

4. Способ изготовления выпрямителя (2) тока по любому из пп. 1-3, причем для установления соединения между элементом (10) переключения и охлаждающим телом (13) элемент (10) переключения припаивают, припекают или приклеивают к охлаждающему телу (13).

5. Способ по п.4, причем фазовый модуль (1) имеет блокирующее напряжение в диапазоне от 1200 В до 1700 В, причем при пайке или спекании контактную поверхность как элемента (10) переключения, так и охлаждающего тела (13) нагревают равномерно.