Изобретение относится к фазному модулю для полупроводникового преобразователя электроэнергии, содержащему первую и вторую шину тока и по меньшей мере два полупроводниковых модуля, при этом первая токоведущая шина соединена с соединительными выводами переменного напряжения полупроводниковых модулей, при этом вторая токоведущая шина соединена с соединительными выводами постоянного напряжения полупроводниковых модулей. Кроме того, изобретение относится к полупроводниковому преобразователю электроэнергии, а также к способу работы такого фазного модуля или такого полупроводникового преобразователя электроэнергии.
Полупроводниковые преобразователи электроэнергии применяются для снабжения потребителей электроэнергии, таких как, например, электродвигатели, электрической энергией. При этом полупроводниковые преобразователи электроэнергии могут поставлять на своих соединительных выводах переменного напряжения напряжение с изменяемой величиной напряжения и изменяемой частотой.
Отдельные соединительные выводы переменного напряжения полупроводникового преобразователя электроэнергии называются фазами. Отдельные фазы могут быть образованы в полупроводниковом преобразователе электроэнергии так называемыми полупроводниковыми модулями.
Полупроводниковый модуль содержит соединительный вывод переменного напряжения и по меньшей мере два соединительных вывода постоянного напряжения. Полупроводниковый модуль обычно является системой, содержащей по меньшей мере два полупроводниковых переключателя, которые обеспечивают возможность электрического соединения соединительного вывода переменного напряжения с одним из двух или больше соединительных выводов постоянного напряжения. Посредством переключения полупроводниковых переключателей обеспечивается возможность создания в среднем во времени задаваемого напряжения на соединительном выводе переменного напряжения.
Полупроводниковые переключатели являются, например, IGBT, которые в зависимости от управления изменяют свое состояние переключения (проводящее/запирающее). IGBT имеют свойство возможности работы с высокой частотой переключения. Простым выполнением полупроводникового модуля с двумя соединительными выводами постоянного напряжения является, например, так называемый полумост. Полумост имеет последовательное соединение двух полупроводниковых переключателей, при этом точка соединения обоих полупроводниковых переключателей является соединительным выводом переменного напряжения. Соединительные выводы постоянного напряжения находятся на наружных концах последовательного соединения.
Для повышения электрической пропускной способности по мощности фазы полупроводникового преобразователя электроэнергии, несколько полупроводниковых модулей могут быть расположены электрически параллельно. Токи модулей отдельных полупроводниковых модулей суммируются при этом в общий ток, который во время работы проходит через соответствующий полупроводниковый модуль. При параллельном включении, т.е. электрически параллельном расположении, полупроводниковых модулей соответствующие различные соединительные выводы постоянного напряжения и соединительные выводы переменного напряжения различных соединительных модулей соединяются друг с другом, например, с помощью токоведущих шин. Такая система называется в последующем фазным модулем.
Токоведущие шины пригодны в зависимости от поперечного сечения для пропускания больших токов. В противоположность кабелям, токоведущие шины имеют небольшую индуктивность. Из-за малой индуктивности токоведущие шины пригодны, в частности, для полупроводниковых модулей, которые работают с большой частотой переключения. В частности, современные модули IGBT относятся к группе силовых полупроводников, соответственно полупроводниковых модулей, которые обеспечивают возможность работы с высокой частотой переключения.
При этом токоведущие шины в большинстве случаев изготовлены из-за большой проводимости из меди. На основе высокой стоимости меди, токоведущие шины оптимируются относительно поперечного сечения и пути проводимости, с целью минимизации использования материала и тем самым также стоимости токоведущих шин.
Наряду с фазными модулями с двумя соединительными выводами постоянного напряжения существуют также фазные модули с более чем двумя потенциалами постоянного напряжения, в частности тремя или пятью потенциалами, для создания 3-х точечного, 5-и точечного или, в общем, n точечного полупроводникового преобразователя электроэнергии.
В заявке ЕР 15 201 849.5 раскрыта система токоведущих шин, в которой две токоведущие шины выполнены для соединения с промежуточным контуром постоянного напряжения с максимальным перекрытием, с целью устранения, соответственно уменьшения, мешающих электрических полей. За счет этого обеспечивается возможность переключения полупроводниковых переключателей с высокой частотой.
В основу изобретения положена задача улучшения фазного модуля с расположенными электрически параллельно полупроводниковыми модулями относительно его рабочих характеристик.
Задача решена с помощью фазного модуля для полупроводникового преобразователя электроэнергии, содержащего первую и вторую шину тока и по меньшей мере два полупроводниковых модуля, при этом первая токоведущая шина соединена с соединительными выводами переменного напряжения полупроводниковых модулей, при этом вторая токоведущая шина соединена с соединительными выводами постоянного напряжения полупроводниковых модулей, при этом первая и вторая токоведущая шина по меньшей мере на некоторых участках расположены на расстоянии друг от друга, величина которого меньше половины величины расстояния между соединительным выводом переменного напряжения и соединительным выводом постоянного напряжения одного из полупроводниковых модулей. Кроме того, задача решена с помощью полупроводникового преобразователя электроэнергии, содержащего по меньшей мере два таких фазных модуля, в частности, три таких фазных модуля, при этом соединительные выводы переменного напряжения фазных модулей образуют фазы полупроводникового преобразователя электроэнергии. Кроме того, задача решена с помощью способа работы такого фазного модуля или такого полупроводникового преобразователя электроэнергии, при этом управление параллельно включенными полупроводниковыми модулями осуществляется независимо друг от друга с помощью соответствующего полупроводникового переключателя.
Предпочтительные варианты выполнения изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основе изобретения лежит понимание того, что прохождение тока между включенными электрически параллельно друг другу полупроводниковыми модулями может быть улучшено за счет того, что отдельные пути прохождения тока через полупроводниковые модули имеют одинаковую индуктивность. Пути прохождения тока являются замкнутыми контурами, которые проходят от промежуточного контура по меньшей мере через один полупроводниковый модуль до нагрузки и обратно к промежуточному контуру. Малая индуктивность особенно предпочтительна, когда полупроводниковые модули работают с высокой частотой переключения, поскольку в этом случае при увеличении частоты индуктивность оказывает большее влияние на распределение токов отдельных, параллельно включенных полупроводниковых модулей, чем активные составляющие сопротивления. Даже небольшая индуктивность, соответственно небольшие различия индуктивности, оказывают при работе с высокой частотой, в частности в диапазоне в несколько кГц и выше, относительно большое влияние на распределение токов (называемое также пропусканием тока) между отдельными полупроводниковыми модулями.
Когда ветви тока через параллельно расположенные полупроводниковые модули имеют одинаковую индуктивность, то может быть достигнуто равномерное, по меньшей мере приблизительно равномерное, разделение общего тока на токи отдельных модулей в соответствующих полупроводниковых модулях. Токи отдельных параллельных полупроводниковых модулей в этом случае по меньшей мере приблизительно одинаковы.
При этом при электрически параллельном расположении полупроводниковых модулей они включены параллельно как относительно их соединительных выводах переменного напряжения, так и относительно их соединительных выводах постоянного напряжения с помощью соответствующих токоведущих шин.
В силовой электронике при выполнении полупроводниковых преобразователей электроэнергии часто необходимо параллельное включение полупроводниковых модулей, с целью обеспечения возможности пропускания больших токов в отдельных фазах, чем с помощью отдельных полупроводниковых модулей. Кроме того, за счет этого предпочтительно возможно модульное выполнение полупроводникового преобразователя электроэнергии, и с помощью количества параллельно включенных полупроводниковых модулей возможно их масштабирование и тем самым согласование с требуемой мощностью. При этом в качестве полупроводниковых модулей предпочтительно используются модули IGBT. Эти модули на основе их высокой частоты переключения при одновременно большой передаваемой через фазный модуль, соответственно полупроводниковый преобразователь электроэнергии, мощности особенно чувствительны к различиям индуктивности путей прохождения тока через отдельные, параллельно расположенные полупроводниковые модули. Другими словами, различная индуктивность в отдельных контурах, соответственно в отдельных путях прохождения тока через различные параллельные полупроводниковые модули, приводит, среди прочего, на основе высоких частот переключения, которые лежат в диапазоне нескольких кГц, в частности в диапазоне от 1 кГц до 20 кГц, вызывает особенно большое неправильное распределение токов через параллельные полупроводниковые модули. Неправильное распределение проявляется в различно больших модульных токах через отдельные параллельно включенные полупроводниковые модули. При этом мощность отдельных полупроводниковых модулей используется лишь неудовлетворительно частично.
Индуктивность различных путей прохождения тока зависит, среди прочего, от поверхности, которая окружается путем прохождения соответствующего модульного тока. Было установлено, что при этом большое значение имеют, в частности, части поверхности, которые находятся вблизи полупроводниковых модулей.
Для выполнения окруженных поверхностей путей прохождения различных модульных токов, которые суммируются в общий ток на соединительном выводе переменного напряжения, одинаково большими, первую шину тока для соединения соединительных выводов переменного напряжения и вторую шину тока для соединения соединительных выводов постоянного напряжения следует располагать с возможно меньшим расстоянием друг от друга.
Поскольку полупроводниковый модуль имеет по меньшей мере два потенциала постоянного напряжения, то он имеет наряду с этим соединительным выводом постоянного напряжения также по меньшей мере один другой соединительный вывод постоянного напряжения, который во время работы имеет другой электрический потенциал, чем соединительный вывод постоянного напряжения. Для соединения этого другого соединительного вывода постоянного напряжения может быть предусмотрена третья токоведущая шина. Было установлено, что предпочтительно располагать также третью токоведущую шину возможно ближе к первой и второй токоведущей шине. При этом для выбора расстояния между первой токоведущей шиной и третьей токоведущей шиной можно использовать тот же критерий, что и для расстояния между первой и второй токоведущей шиной. Таким образом, в одном предпочтительном варианте выполнения изобретения первая и третья токоведущая шина могут быть расположены по меньшей мере на некоторых участках на расстоянии друг от друга, величина которого меньше половины величины расстояния между соединительным выводом переменного напряжения и другим соединительным выводом постоянного напряжения одного из полупроводниковых модулей.
Вторая и третья токоведущая шина выполнены электрически изолированно друг от друга, поскольку во время работы они имеют различные электрические потенциалы.
До настоящего времени расположение токоведущих шин осуществляется с точки зрения использования материала. Поэтому токоведущие шины для соединительного вывода переменного напряжения и соединительного вывода постоянного напряжения располагаются примерно на расстоянии друг от друга, которое при пренебрежении шириной токоведущих шин соответствует расстоянию от соединительного вывода переменного напряжения до соединительного вывода постоянного напряжения в полупроводниковом модуле. Если располагать токоведущие шины значительно ближе друг к другу, то, в частности, уже при уменьшении наполовину расстояния, наблюдается согласование индуктивностей путей прохождения тока (контуров) отдельных модульных токов, которое ведет к значительно лучшему разделению токов между полупроводниковыми модулями. Таким образом, уменьшается неправильное распределение между отдельными полупроводниковыми модулями. Еще меньшее расстояние приводит к дальнейшему улучшению разделения тока, соответственно, к дальнейшему уменьшению неправильного распределения.
Преимущество фазного модуля состоит, в частности, в том, что за счет уменьшенного расстояния минимизируется влияние обусловленных индуктивностью напряжений (самоиндукции и индуктивной связи) на модульные токи за счет параллельно включенных полупроводниковых модулей, в частности модулей IGBT. В этом случае доминируют активные составляющие и возникающие на этих активных составляющих напряжения. За счет этого достигается более равномерное разделение тока на отдельные полупроводниковые модули в параллельном включении. Таким образом, может быть улучшено использование нагрузочной способности по току полупроводниковых модулей, в частности модулей IGBT, и может быть уменьшен или даже совсем исключен припуск полупроводниковых модулей. Кроме того, минимизируется или устраняется зависимость разделения тока в параллельной схеме от прохождения проводника для тока нагрузки, так что выбор размеров полупроводниковых модулей и прокладку соединительных проводников к нагрузке полупроводникового преобразователя электроэнергии или фазного модуля можно осуществлять независимо друг от друга.
Особенно предпочтительно, когда поперечные сечения токоведущих шин, которые определяют по существу пропускную способность по току токоведущих шин, выполнены в соответствии с пропускной способностью по току полупроводниковых модулей. Таким образом, может достигаться особенно благоприятное использование дорогого медного материала для токоведущих шин.
Несколько фазных модулей можно комбинировать в один полупроводниковый преобразователь электроэнергии. При этом соединительные выводы переменного напряжения различных фазных модулей образуют одну фазу полупроводникового преобразователя электроэнергии. Таким образом, для трехфазного полупроводникового преобразователя электроэнергии необходимы три фазных модуля для реализации трех фаз. К фазам полупроводникового преобразователя электроэнергии присоединяется нагрузка. Типичной нагрузкой для полупроводникового преобразователя электроэнергии являются один или несколько электродвигателей. Однофазный полупроводниковый преобразователь электроэнергии может быть просто выполнен, например, посредством применения одного фазного модуля.
Соединительные выводы постоянного напряжения фазных модулей для образования полупроводникового преобразователя электроэнергии соединяются каждый с промежуточным контуром полупроводникового преобразователя электроэнергии, в частности с конденсатором промежуточного контура.
Поскольку за счет расположения, согласно изобретению, общий ток разделяется равномерно, по меньшей мере почти равномерно, то можно отказаться от технических мер для регулирования разделения тока. Таким образом, управление полупроводниковыми модулями может осуществляться независимо от модульного тока соответствующего полупроводникового модуля.
В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения первая и вторая токоведущая шина расположены по меньшей мере на некоторых участках на расстоянии друг от друга, которое имеет порядок величины, который обеспечивает надежную изоляцию между первой и второй токоведущими шинами. Простейший тип изоляции обеспечивается с помощью воздуха между токоведущими шинами. При этом воздушный зазор между токоведущими шинами, соответственно расстояние между токоведущими шинами (воздушный промежуток), выбирается настолько большим, что не могут происходить пробои между токоведущими шинами. Это имеет то преимущество, что токоведущие шины в этом случае расположены особенно близко и компактно. За счет этого обеспечивается особенного хорошее разделение тока, поскольку окруженные модульными токами поверхности являются почти идентичными. С помощью соединителей токоведущие шины могут фиксироваться друг с другом. За счет этого обеспечивается возможность, в частности во время монтажа, легкого обращения с токоведущими шинами и их монтажа. Соединитель на основе небольшого расстояния между токоведущими шинами может быть выполнен особенно небольшим и компактным. Соединитель имеет изолирующий материал, с целью предотвращения прохождения тока между токоведущими шинами через соединитель.
Для предотвращения пробоя, т.е. не желательного прохождения тока между первой и второй токоведущей шиной, также при неблагоприятных условиях, таких как, например, в особенно влажном и загрязненном воздухе, целесообразно увеличивать расстояние между первой и второй токоведущей шиной. Тем самым предлагается увеличивать расстояние между первой и второй токоведущей шиной на порядок, который обеспечивает надежную изоляцию. Под порядком специалисты в данной области техники понимают также увеличение расстояния до 10 раз, по сравнению с тем, что требуется для изоляции с помощью воздуха при нормальных или идеальных условиях.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения первая и вторая токоведущая шина расположены по меньшей мере на некоторых участках на расстоянии друг от друга, величина которого меньше величины ширины или толщины первой и/или второй токоведущей шины. Это расположение обеспечивает особенно компактную форму токоведущих шин. При этом токоведущие шины могут быть электрически изолированно закреплены друг на друге, так что монтаж токоведущих шин на полупроводниковых модулях можно осуществлять особенно просто. Если предусмотренная во время работы разница потенциалов между фазами требует большего расстояния между первой и второй токоведущей шиной, то между токоведущими шинами может быть внесен изолирующий материал, например, пластмасса или керамика. Это обеспечивает надежную изоляцию токоведущих шин друг от друга также при меньшем расстоянии по сравнению с применением воздуха в качестве изолирующей среды.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения в зоне полупроводниковых модулей первая и вторая токоведущая шина расположены параллельно друг другу. Параллельное расположение токоведущих шин обеспечивает преимущество, в частности тогда, когда токоведущие шины механически соединены друг с другом. В этом случае можно использовать вдоль длины токоведущих шин одинаковые соединители, с целью фиксации друг на друге токоведущих шин. В качестве альтернативы или дополнительно можно соединять токоведущие шины друг с другом с помощью расположенного между ними изолятора или изолирующего материала. Для параллельного расположения токоведущих шин требуется изолятор с постоянной толщиной, который особенно прост в изготовлении. Кроме того, изолятор с постоянной толщиной можно особенно просто располагать между токоведущими шинами.
Зона полупроводниковых модулей, в которой особенно предпочтительно параллельное расположение, содержит, в частности, зону токоведущих шин, которая лежит между соединительными выводами токоведущих шин для соединения с полупроводниковыми модулями.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения между первой токоведущей шиной и второй токоведущей шиной расположен изолирующий материал. Применение изолирующего материала между первой и второй токоведущей шиной обеспечивает несколько преимуществ. С одной стороны, токоведущие шины за счет изолирующего действия изолирующего материала можно располагать с особенно небольшим расстоянием друг от друга. Кроме того, изолирующий материал обеспечивает возможность фиксации токоведущих шин друг на друге и тем самым создания компактного, легко монтируемого блока. С помощью изолирующего материала можно просто располагать токоведущие шины параллельно друг другу. Кроме того, изолирующий материал может предотвращать коррозию между токоведущими шинами.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения первая и/или вторая токоведущая шина имеет по меньшей мере одну перемычку, которая расположена под прямым углом к остальной части токоведущей шины и соединяет шину тока по меньшей мере с одним из соединительных выводов постоянного напряжения или с одним из соединительных выводов переменного напряжения одного из полупроводниковых модулей, при этом перемычка расположена вдоль поверхности одного полупроводникового модуля. В этом варианте выполнения можно особенно просто располагать токоведущие шины параллельно и на небольшом расстоянии друг от друга. Зона соединительных выводов образуется с помощью перемычек. При этом различия позиционирования соединительных выводов на полупроводниковом модуле можно просто компенсировать за счет выполнения перемычек. Ток через полупроводниковый модуль (модульный ток) с помощью соответствующей перемычки снова возвращается к зоне с расположенными на небольшом расстоянии друг от друга токоведущими шинами. Эта зона токоведущих шин, которая находится вне перемычек, называется остальной частью токоведущих шин. Поскольку перемычка расположена вдоль поверхности полупроводникового модуля, то токи проходят через модуль и через соответствующую перемычку почти параллельно. Это почти параллельное прохождение токов приводит к компенсации противоположных магнитных полей, так что за счет модульного тока почти не создается магнитное поле, которое воздействует на токи других полупроводниковых модулей. Таким образом, достигается особенно хорошая магнитная развязка отдельных модульных токов. Другими словами, индуктивная связь между отдельными модульными токами в этом варианте выполнения особенно небольшая. Поскольку индуктивная связь между отдельными модульными токами ведет к неправильному распределению токов по отдельным полупроводниковым модулям, то с помощью этого варианта выполнения может достигаться особенно равномерное распределение токов по полупроводниковым модулям.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения первая токоведущая шина и вторая токоведущая шина расположены в окружении полупроводниковых модулей по меньшей мере частично с перекрытием друг друга. Расположение с перекрытием обеспечивает возможность создания компактной системы токоведущих шин, которую можно особенно просто использовать при монтаже фазного модуля. Кроме того, расположение с перекрытием обеспечивает, в частности, когда между токоведущими шинами располагается изолирующий материал, особенно стабильное выполнение токоведущих шин. Это выполнение, в частности, является крутильно-жестким и может тем самым воспринимать полностью и частично также силы, такие как, например, силы тяжести полупроводниковых модулей. Кроме того, токоведущие шины могут способствовать общей стабильности механической конструкции фазного модуля, так что может быть сэкономлен материал для получения высокой стабильности, что требуется, например, при использовании в транспортных средствах. Таким образом, за счет расположения с перекрытием может обеспечиваться особенно стабильная и крутильно-жесткая конструкция при меньшем весе.
Кроме того, обеспечивается возможность особенно простого расположения токоведущих шин параллельно друг другу. Другое преимущество состоит в возможности простого соединения токоведущих шин друг с другом с помощью соответствующих соединителей и/или расположенного между токоведущими шинами изолирующего слоя, и тем самым создания конструктивно стабильного блока.
Кроме того, токи через различные токоведущие шины компенсируют магнитные поля. За счет этого максимально уменьшается магнитная связь с другими переключательными контурами или с другими фазными модулями полупроводникового преобразователя электроэнергии. За счет расположения с перекрытием эффективная для индуктивности контура тока поверхность отдельных модульных токов является одинаковой. Это приводит к равномерному распределению общего тока на отдельные модульные токи.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения фазный модуль имеет третью токоведущую шину, при этом третья токоведущая шина соединена с другими соединительными выводами постоянного напряжения полупроводниковых модулей, при этом первая токоведущая шина, вторая токоведущая шина и третья токоведущая шина расположены в окружении полупроводниковых модулей по меньшей мере частично с перекрытием. За счет такого вида прокладки шин обеспечивается компактная система токоведущих шин для особенно простого электрического контактирования фазного модуля с двумя соединительными выводами постоянного напряжения и одним соединительным выводом переменного напряжения. При выполнении с перекрытием трех токоведущих шин система токоведущих шин получает большую толщину, которая значительно способствует стабильности конструкции. Таким образом, соответствующий фазный модуль может быть выполнен особенно небольшим и компактным. Тем самым зона больших сил поля на основе различных потенциалов внутри полупроводникового преобразователя электроэнергии является очень небольшой и ограниченной непосредственным окружением пакета токоведущих шин, и может быть, в частности при применении изолирующих материалов между токоведущими шинами, просто и не дорого реализована.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения предусмотрено синхронное управление параллельно расположенными полупроводниковыми модулями. Поскольку распределение тока по отдельным полупроводниковым модулям на основе конструктивных мер уже является приблизительно одинаковым, то можно отказаться от специальных технических средств регулирования для оказания влияния на распределение тока. Такое влияние может достигаться тем, что расположенные параллельно полупроводниковые модули управляются независимо друг от друга. Для этого требуется управление по отдельности полупроводниковыми модулями, при этом управление происходит на основе измеряемых модульных токов. За счет равномерного распределения общего тока на отдельные модульные токи можно отказаться от такого влияния на модульные токи посредством регулирования или управления. Также при синхронном управлении можно получать за счет приблизительно тех же соотношений индуктивности как относительно самоиндукции, так и относительно магнитной связи равномерное распределение тока. Преимущество состоит в отсутствии необходимости оценки измерительных значений модульных токов. Таким образом, можно отказаться от определения измерительных значений, а также от обработки и/или оценки этих данных. Таким образом, нет необходимости в отдельных управляющих группах для параллельных полупроводниковых модулей, поскольку полупроводниковые модули управляются синхронно, т.е. одновременно.
Ниже приводится более подробное описание и пояснение изобретения на основе примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - принципиальная схема параллельного включения трех полупроводниковых модулей;
фиг. 2 - типичная конструкция полупроводникового модуля;
фиг. 3 - известное расположение полупроводниковых модулей и токоведущих шин;
фиг. 4 - прохождение в пространстве путей тока;
фиг. 5 - эффективная поверхность путей тока;
фиг. 6 - пример выполнения для расположения двух токоведущих шин;
фиг. 7 - пример выполнения токоведущих шин с перемычками; и
фиг. 8 - эффективные поверхности путей тока примера выполнения из фиг. 7.
На фиг. 1 показан пример выполнения схемы, в которой три полупроводниковых модуля 4 расположены с параллельным включением. Параллельное включение осуществляется относительно их соединительных выводов 41 переменного напряжения, которые могут образовывать, например, одну фазу 31 полупроводникового преобразователя 3 электроэнергии. При этом соединительные выводы 41 переменного напряжения соединены друг с другом с помощью первой шины 11 тока. При этом на фигуре показана лишь схема, т.е. электрическое соединение. Эта фигура не отображает положение отдельных компонентов в пространстве.
На стороне постоянного напряжения каждый полупроводниковый модуль 4 имеет один соединительный вывод 42 постоянного напряжения и другой соединительный вывод 43 постоянного напряжения, которые соединены каждый с одним потенциалом промежуточного контура. Разница потенциалов является напряжением UDC промежуточного контура. Оно приложено к конденсатору 32 промежуточного контура. Соединительные выводы 42 постоянного напряжения, соответственно, другие соединительные выводы 43 постоянного напряжения соединены друг с другом, соответственно, через вторую шину 12 тока и третью шину 13 тока. При этом не имеет значения, представляют ли соединительные выводы 42 постоянного напряжения положительный потенциал промежуточного контура (как показано на фиг. 1) или отрицательный. То же справедливо для других соединительных выводов 43, а также для второй и третьей шины 12, 13 тока.
В простом случае, в котором промежуточный контур имеет два различных потенциала, каждый из полупроводниковых модулей 4 содержит по меньшей мере два полупроводниковых переключателя 2, которые могут электрически соединять выход 41 переменного напряжения с соединительным выводом 42 постоянного напряжения или с другим соединительным выводом 42 постоянного напряжения. При этом общий ток iGES промежуточного контура разделяется на модульные токи i1, i2, i3 через отдельные полупроводниковые модули 4 и образует ток iL нагрузки, который течет к не изображенной нагрузке 5. Ток течет под действием напряжения UDC промежуточного контура.
В показанном примере выполнения ток течет через верхние изображенные полупроводниковые переключатели 2. Однако в зависимости от рабочего состояния, прохождение тока может также осуществляться через нижние полупроводниковые переключатели 2.
Такое параллельное включение применяется часто, когда на основе имеющихся полупроводниковых модулей 4 необходимо повысить мощность фазного модуля 1, в частности фазного модуля 1, который образует фазу полупроводникового преобразователя 3 электроэнергии.
На фиг. 2 показано типичное расположение соединительных выводов 41, 42, 43 на полупроводниковом модуле 4. При этом соединительные выводы 41, 42, 43 находятся в большинстве случаев все на одной поверхности полупроводникового модуля, которая называется также верхней стороной полупроводникового модуля. Там соединительные выводы 43 постоянного напряжения, а также другие соединительные выводы 43 постоянного напряжения часто расположены у одного края этой верхней поверхности, а соединительные выводы 41 переменного напряжения расположены с удалением в пространстве, предпочтительно у противоположного края верхней стороны. При этом соединительные выводы 42, 43 могут также меняться местами. В частности, в современных модулях с полумостами IGBT расположенные на стороне постоянного напряжения соединительные выводы 42, 43 постоянного напряжения расположены на одной стороне корпуса, а соединительные выводы 41 переменного напряжения расположены на противоположной стороне корпуса.
На фиг. 3 показана уже известная типичная конструкция полупроводниковых модулей 4 и токоведущих шин 11, 12, 13. Параллельное включение полупроводниковых модулей 4 приводит к показанному на фиг. 3 расположению. Первая токоведущая шина 11 соединяет соединительные выводы 41 переменного напряжения, вторая токоведущая шина 12 соединяет соединительные выводы 42 постоянного напряжения, и третья токоведущая шина 13 соединяет другие соединительные выводы 43 постоянного напряжения. В зоне соединительных выводов, в частности, относительно второй и третье токоведущей шины, следует следить за тем, что различные соединительные выводы 42, 43 постоянного напряжения изолированы друг от друга. Это обеспечивается, например, с помощью отверстий в соответствующей токоведущей шине 12, 13, которые проложены на обращенной к полупроводниковым модулям 4 стороне. При этом через полупроводниковые модули 4 проходит соответствующий модульный ток i1, i2, i3, который складывается, т.е. суммируется в ток iL нагрузки. При этом замкнутые с помощью отдельных полупроводниковых модулей 4 и нагрузки пути прохождения тока, которые называются петлями 30 и обозначены в зоне полупроводниковых модулей 4 на фиг. 3. При этом точное прохождение в зоне нагрузки 5 и обратно к промежуточному контуру, соответственно к своим токоведущим шинам 12, 13, не имеет значения и поэтому изображено в виде штриховой линии.
На фиг. 4 показано распределение в пространстве отдельных модульных токов i1, i2, i3, которое получается при расположении, показанном на фиг. 3. При рассматривании окруженных поверхностей отдельных петель 30 можно легко видеть, что они в зоне полупроводниковых модулей (сплошной линии петли 30) образуют различно большие поверхности. Различия еще раз показаны точнее на фиг. 5. При этом окруженная поверхность оказывает влияние на величину индуктивности L1, L2, L3 соответствующей петли 30, соответственно, пути тока. За счет различных поверхностей, которые показаны на фиг. 5 для различных модульных токов i1, i2, i3, получаются различные индуктивности в различных путях тока. Кроме того, эти поверхности зависят от положения проводника для тока iL нагрузки и связаны друг с другом магнитно. В результате при многочисленных изменениях тока iL нагрузки получаются не равные разделения тока нагрузки по параллельно включенным полупроводниковым модулям 4, в частности, при применении модулей IGBT. За счет этого параллельно включенные модули IGBT нагружаются током различно сильно и не могут быть полностью использованы относительно их соответствующей пропускной способности по току.
Поэтому в одном варианте выполнения изобретения по меньшей мере первая токоведущая шина 11 и вторая токоведущая шина 12 расположены близко друг к другу в пространстве. В показанном на фиг. 6 примере выполнения эти токоведущие шины 11, 12 расположены с перекрытием. Для улучшения изоляции этих токоведущих шин 11, 12 между ними может быть расположен изолирующий материал 14. Таким образом, возможно особенно небольшое расстояние между двумя токоведущими шинами также при больших разницах потенциала. В зоне соединительного вывода, который не лежит зоне с перекрытием, показанная первая токоведущая шина 11 имеет перемычку 15, которая обеспечивает электрическое соединение с соединительным выводом 41 переменного напряжения. В качестве альтернативы или дополнительно можно также выполнять соединение соединительных выводов 42 постоянного напряжения и/или других соединительных выводов 43 постоянного напряжения с помощью перемычек 15 на соответствующих токоведущих шинах 12, 13. Это повышает количество степеней свободы при расположении в пространстве расположенных на небольшом расстоянии друг от друга токоведущих шин 11, 12, 13.
Кроме того, за счет расположения перемычек 15 вдоль верхней поверхности полупроводникового модуля 4 обеспечивается возможность прохождения модульного тока i1, i2, i3 почти параллельно обратно к зоне токоведущих шин. Это по меньшей мере приблизительно параллельное прохождение тока приводит к меньшему магнитному полю и тем самым также к меньшей магнитной связи с модульными токами остальных полупроводниковых модулей 4.
Система с параллельно расположенными полупроводниковыми модулями 4, которые соединены друг с другом через токоведущие шины 11, 12, показана на фиг. 7. В этом примере выполнения первая токоведущая шина 11 и вторая токоведущая шина 12 расположены с небольшим расстоянием друг от друга. За счет перемычек 15 токоведущей шины 11 путь тока от соединительного вывода 41 переменного напряжения полупроводникового модуля 4 проходит почти параллельно прохождению тока внутри полупроводникового модуля 4.
Таким образом, поверхности, которые показаны на фиг. 8 и образованы соответствующими путями прохождения тока, соответственно отдельными петлями 30, через отдельные параллельно включенные полупроводниковые модули 4 с проводником для тока iL нагрузки, минимизируются или устраняются. Петли 30 отдельных модульных токов i1, i2, i3 имеют в этом случае одинаковую поверхность, поскольку за счет направления тока через перемычки 15 не окружаются или почти не окружаются поверхности в зоне полупроводниковых модулей 4. Это обусловлено тем, что соединительный вывод 41 переменного напряжения полупроводниковых модулей 4 возвращается обратно непосредственно через соответствующий модуль в направлении соединительных выводов 42, 43 на стороне постоянного напряжения. За счет этого не возникают ни различия в поверхности в различных петлях 30, ни, за счет параллельного прохождения тока через полупроводниковый модуль 4 и обратно к зоне с перекрытием токоведущих шин, магнитное поле, которое может создавать помехи для остальных модульных токов. Даже когда возникновение магнитного поля не может быть предотвращено, оно настолько мало, что нет заслуживающего упоминания воздействия на остальные модульные токи и на распределение модульных токов. Отдельные возвращаемые соединительные выводы 42 переменного напряжения затем соединяются друг с другом с помощью первой токоведущей шины 11, которая расположена вблизи, в частности, над второй и/или третьей токоведущей шиной 12, 13. При этом предпочтительно выполнять возможно меньшими расстояния между первой токоведущей шиной 11, которая соединена с соединительными выводами 41 переменного напряжения, и полупроводниковыми модулями 4 и/или второй/третьей токоведущей шиной 12, 13. За счет этого поверхности, которые окружаются прямым и обратным током через соответствующий отдельный модуль, минимизируются и являются теперь независимыми от прокладки соединительного вывода для тока iL нагрузки. Кроме того, минимизируются магнитные связи между этими поверхностями. Тем самым достигается магнитная развязка отдельных модульных токов i1, i2, i3.
Таким образом, изобретение относится к фазному модулю для полупроводникового преобразователя электроэнергии, содержащему первую токоведущую шину, вторую токоведущую шину и по меньшей мере два полупроводниковых модуля, при этом первая токоведущая шина соединена с соединительными выводами переменного напряжения полупроводниковых модулей, при этом вторая токоведущая шина соединена с соединительными выводами постоянного напряжения полупроводниковых модулей. Для улучшения рабочих характеристик фазного модуля с параллельно расположенными полупроводниковыми модулями предлагается располагать первую и вторую токоведущую шину по меньшей мере на некоторых участках на расстоянии друг от друга, величина которого меньше половины величины расстояния между соединительным выводом переменного напряжения и соединительным выводом постоянного напряжения одного из полупроводниковых модулей, при этом первая и/или вторая токоведущая шина (11, 12) имеет по меньшей мере одну перемычку, которая расположена под прямым углом к остальной части токоведущей шины (11, 12) и соединяет токоведущую шину (11, 12) по меньшей мере с одним из соединительных выводов (42) постоянного напряжения или одним из соединительных выводов (41) переменного напряжения одного из полупроводниковых модулей (4), при этом перемычка (15) расположена вдоль верхней поверхности одного полупроводникового модуля (4). Кроме того, изобретение относится к полупроводниковому преобразователю электроэнергии, содержащему по меньшей мере два таких фазных модуля, при этом соединительные выводы переменного напряжения фазных модулей образуют фазные соединительные выводы полупроводникового преобразователя электроэнергии. Кроме того, изобретение относится к способу работы такого фазного модуля или такого полупроводникового преобразователя электроэнергии, при этом управление параллельно расположенными полупроводниковыми модулями осуществляется независимо от модульного тока через соответствующий полупроводниковый модуль.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к фазному модулю для полупроводникового преобразователя. Техническая задача заключается в повышении электрической пропускной способности по мощности фазы полупроводникового преобразователя электроэнергии и улучшении фазного модуля с расположенными электрически параллельно полупроводниковыми модулями относительно его рабочих характеристик. Достигается с помощью фазного модуля для полупроводникового преобразователя электроэнергии, содержащего первую и вторую шины тока и по меньшей мере два полупроводниковых модуля, при этом первая токоведущая шина соединена с соединительными выводами переменного напряжения полупроводниковых модулей, при этом вторая токоведущая шина соединена с соединительными выводами постоянного напряжения полупроводниковых модулей, при этом первая и вторая токоведущие шины по меньшей мере на некоторых участках расположены на расстоянии друг от друга, величина которого меньше половины величины расстояния между соединительным выводом переменного напряжения и соединительным выводом постоянного напряжения одного из полупроводниковых модулей. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.
1. Фазный модуль (1) для полупроводникового преобразователя (3) электроэнергии, имеющий
- первую токоведущую шину (11),
- вторую токоведущую шину (12) и
- по меньшей мере два расположенных электрически параллельно полупроводниковых модуля (4),
при этом первая токоведущая шина (11) соединена с соединительными выводами (41) переменного напряжения полупроводниковых модулей (4), при этом вторая токоведущая шина (12) соединена с соединительными выводами (42) постоянного напряжения полупроводниковых модулей (4), при этом первая и вторая токоведущие шины (11, 12) расположены по меньшей мере на некоторых участках на расстоянии друг от друга, величина которого меньше половины величины расстояния между соединительным выводом (41) переменного напряжения и соединительным выводом (42) постоянного напряжения одного из полупроводниковых модулей (4),
отличающийся тем, что первая токоведущая шина (11) и вторая токоведущая шина (12) расположены в окружении соединительных выводов (42, 43) постоянного напряжения полупроводниковых модулей (4) по меньшей мере частично с перекрытием друг друга, при этом вблизи соединительного вывода (41) переменного напряжения нет зоны с перекрытием токоведущих шин (11, 12), при этом первая токоведущая шина (11) имеет перемычки (15), каждая из которых расположена под прямым углом к остальной части первой токоведущей шины (11) и каждая из которых соединяет первую токоведущую шину (11) с соединительными выводами (41) переменного напряжения полупроводниковых модулей (4), при этом перемычки (15) расположены каждая вдоль верхней поверхности полупроводникового модуля (4).
2. Фазный модуль (1) по п. 1, в котором токоведущие шины (11, 12, 13) выполнены и/или расположены так, что при работе фазного модуля (1) окруженные соответствующими петлями (30) модульных токов (i1, i2, i3) отдельных полупроводниковых модулей (4) поверхности являются по существу идентичными.
3. Фазный модуль (1) по любому из пп. 1 или 2, в котором первая и вторая токоведущие шины (11, 12) расположены по меньшей мере на некоторых участках на расстоянии друг от друга, порядок величины которого обеспечивает надежную изоляцию между первой и второй токоведущими шинами (11, 12).
4. Фазный модуль (1) по любому из пп. 1-3, в котором первая и вторая токоведущие шины (11, 12) расположены по меньшей мере на некоторых участках на расстоянии друг от друга, величина которого меньше величины ширины или толщины первой и/или второй токоведущих шин (11, 12).
5. Фазный модуль (1) по любому из пп. 1-4, в котором в зоне полупроводниковых модулей (4) первая и вторая токоведущие шины (11, 12) расположены параллельно друг другу.
6. Фазный модуль (1) по любому из пп. 1-5, в котором между первой токоведущей шиной (11) и второй токоведущей шиной (12) расположен изолирующий материал (14).
7. Фазный модуль (1) по любому из пп. 1-6, в котором фазный модуль (1) имеет третью токоведущую шину (13), при этом третья токоведущая шина (13) соединена с другими соединительными выводами (43) постоянного напряжения полупроводниковых модулей (4), при этом первая токоведущая шина (11), вторая токоведущая шина (12) и третья токоведущая шина (13) расположены в окружении полупроводниковых модулей по меньшей мере частично с перекрытием.
8. Полупроводниковый преобразователь (3) электроэнергии, содержащий по меньшей мере два фазных модуля (1), в частности три фазных модуля (1), по любому из пп. 1-7, при этом соединительные выводы (41) переменного напряжения фазных модулей (1) образуют фазы полупроводникового преобразователя (3) электроэнергии.
9. Способ работы фазного модуля (1) по любому из пп. 1-7 или полупроводникового преобразователя (3) электроэнергии по п. 8, при этом управление параллельно расположенными полупроводниковыми модулями (4) осуществляется независимо от модульного тока (i1, i2, i3) через соответствующий полупроводниковый модуль (4).
10. Способ по п. 9, в котором параллельно расположенные полупроводниковые модули (4) управляются синхронно.
| US2016006371 A1, 07.01.2016 | |||
| US5777377 A, 07.07.1998 | |||
| US5414616 A, 09.05.1995 | |||
| МОДУЛЬ ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТОКА С ОХЛАЖДАЕМОЙ СИСТЕМОЙ ШИН | 2009 |
|
RU2514734C2 |
