Трёхфазный преобразователь напряжения с защитой ключей для беспилотного высокоавтоматизированного электрического грузового транспортного средства Российский патент 2024 года по МПК B60K1/04 H02M7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразовательной технике высоких степеней защиты от различных воздействий, которые присутствуют в движущемся беспилотном высокоавтоматизированном транспортном средстве (ВАТС), более конкретно к DC-АC преобразователям для преобразования напряжения тяговой аккумуляторной батареи беспилотного высокоавтоматизированного транспортного средства в трёхфазную сеть 0,4 кВ для питания трёхфазного двигателя бортового компрессора, или насоса с обеспечением функций плавного пуска, управления сбросным клапаном, защиты питающей линии электродвигателя, обмоток электродвигателя, деталей компрессора или насоса от маслянного голодания.

Уровень техники

Из уровня техники известно большое количество различных видов преобразователей постоянного напряжения в переменное трёхфазное с различной топологией, схемотехникой и техническими решениями, обеспечивающими различные особенные уровни защиты в тяжёлых условиях применения преобразователей. Решение создания специализированного DC-АC преобразователя, посредством которого осуществляется поддержание работы слаботочных бортовых потребителей ВАТС, имеет ряд преимуществ перед аналогами.

Известен трёхфазный сложномостовой инвертор напряжения для преобразования постоянного напряжения в переменное трёхфазное (RU 110880 U1, H02M 7/48, опубл. 27.11.2011), содержащий два трехфазных мостовых инвертора, входы питания которых подключены к общему источнику постоянного напряжения, а выходы переменного тока подключены соответственно к первичным обмоткам двух трехфазных трансформаторов, соединенным в треугольники, причем содержит третий трехфазный трансформатор и третий трехфазный мостовой инвертор напряжения, при этом входы постоянного тока трехфазного мостового инвертора подключены к общему источнику постоянного напряжения, а выходы переменного тока подключены к первичным обмоткам третьего трехфазного трансформатора, соединенным в звезду, при этом у трансформаторов, первичные обмотки которых соединены в треугольник, вторичные обмотки соединяются пофазно согласно-последовательно между собой и пофазно встречно-последовательно с вторичными обмотками трансформатора, первичная обмотка которого соединена в звезду.

Недостатками данного технического решения является использование большого количества силовых полупроводниковых приборов и моточных элементов, что усложняет систему управления, уменьшает частоту преобразования и увеличивает массогабаритные показатели как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом, в результате чего устройство имеет ограниченное применение на транспорте, а именно в условиях транспортных воздействий, возникающих на раме движущегося колёсного транспортного средства на дорогах общего пользования.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное (RU 2402146 С1, H02M 7/501, опубл. 20.10.2010), принятый за прототип и содержащий задающий генератор, выход которого подключен к входу делителя частоты, выходы которого подключены к анодам диодов, катоды которых подключены к затворам MOSFET- транзисторов, стоки которых подключены к выводам первичной обмотки силового выходного трансформатора, средний отвод которой подключен к положительному полюсу источника питания, причем выход генератора подключен к делителю частоты, состоящему из двух двоичных счетчиков, двух декодеров/демультиплексоров, первого и второго диодов и транзисторного инвертора, при этом выходы одного из счетчиков подключены к адресным входам декодеров/демультиплексоров, вход управления первого декодера/демультиплексора подключен к выходу младшего разряда второго двоичного счетчика, вход управления второго декодера/демультиплексора подключен к выходу транзисторного инвертора, вход которого подключен к выходу младшего разряда второго двоичного счетчика, вход второго двоичного счетчика подключен к катодам первого и второго диодов, аноды которых подключены к выходам максимальных разрядов соответственно первого и второго декодеров/демультиплексоров, также к выходам декодеров/демультиплексоров подключены аноды диодов, катоды которых подключены к затворам MOSFET-транзисторов, кроме того, трансформатор содержит дополнительные отводы в каждой полуобмотке первичной обмотки силового выходного трансформатора, которые подключены к стокам MOSFET-транзисторов.

Недостатками данного технического решения является наличие большого количества силовых ключей, что усложняет систему охлаждения, невозможность создания низких уровней переменных напряжений без существенных искажений формы выходного напряжения, что требует также дополнительных мер по снижению электромагнитных помех от работы преобразователя.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание преобразователя напряжения DC-АC с защитой ключей и защитой нагрузки для беспилотного высокоавтоматизированного электрического грузового транспортного средства, а именно для управления и питания бортового трёхфазного электродвигателя компрессора или насоса беспилотного ВАТС, который способен выдерживать воздействия, возникающие на раме движущегося колёсного транспортного средства.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение потребительских качеств устройства за счёт уменьшения массогабаритных показателей изделия и обеспечения требуемого функционала, что, в свою очередь, достигается повышением частоты преобразования, без использования сложных схем преобразования и защиты, с одновременным обеспечением низкого уровня элекромагнитных помех и особого дизайна конструкции, который обеспечивает эффективный теплоотвод и высокую устойчивость к механическим воздействиям.

Заявленный технический результат достигается при помощи заявленного трёхфазного преобразователя напряжения для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств, содержащего силовые ключи, располагающиеся внутри влагозащищенного корпуса, в качестве которых используются высокочастотные силовые полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC), которые, в свою очередь, припаяны своим теплоотводом (сток) на сквозную металлизацию силовой платы и через припаянную к плате с обратной стороны изолирующую керамическую подложку из нитрида алюминия с медным напылением обеспечивают теплоотвод непосредственно на поверхность одной из сторон влагозащищенного корпуса, который является теплообменным радиатором, обеспечивающим любую пространственную ориентацию корпуса, кроме того, внутри влагозащищенного корпуса установлены дроссели и конденсаторы, которые образуют трехфазный синусоидальный выходной LC-фильтр, который, в свою очередь, формирует синусоидальное напряжение на выходе преобразователя и обеспечивает низкий уровень содержания высших гармоник выходного напряжения относительно первой гармоники и соответственно низкий уровень излучения электромагнитных помех в цепях выходной нагрузки и проводов, и универсальные платы системы управления, позволяющие масштабировать мощность устройства, со встроенными измерителями параметров схемы (входного/выходного тока, входного/выходного напряжения, измерителями температуры ключей и моточных компонентов) и CAN-интерфейсом для обмена данными с устройством верхнего уровня.

Применяемые в данной системе управления технические решения позволяют контролировать и отслеживать основные параметры состояния каждого силового элемента преобразователя, обеспечивать требуемые режимы пуска компрессора или насоса, с предварительной разгрузкой нагнетающей линии и стабилизированным уровнем электропитания для обеспечения трёхфазным синусоидальным напряжением нагрузки на выходе преобразователя, которая является трёхфазным асинхронным электродвигателем компрессора или насоса в ВАТС. Применяемые технические решения по моточным компонентам и по дизайну теплотвода позволяют эффективно отвести тепло от элементов преобразователя, одновременно обеспечивая высокие степени защиты от атмосферных воздействий, химических воздействий и механических воздействий в виде вибрации.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 изображена функциональная схема трёхфазного преобразователя, где:

1 – аккумуляторная батарея;

2 – источник собственных нужд;

3 – входной дроссель;

4 – выходные дроссели;

5 – входной конденсатор;

6 – выходные конденсаторы;

7 – силовые транзисторы;

8 – выходные датчики тока;

9 – датчики температуры;

10 – плата драйверов;

11 – плата управления;

12 – нагрузка.

На фиг. 2 показан способ крепления транзисторов внутри корпуса преобразователя, где:

13 – корпус силового транзистора;

14 – диэлектрические подложки.

В данном преобразователе использовались карбид-кремниевые транзисторы поверхностного монтажа. Они напаиваются на верхнюю часть силовой платы. Для достижения достаточного теплоотвода от силовых транзисторов, были использованы диэлектрические подложки из нитрида алюминия с медным напылением с одной стороны (фиг. 2).

На фиг. 3 изображены диэлектрические подложки из нитрида алюминия с медным напылением.

Данный материал обладает высокими диэлектрическими и эксплуатационными свойствами, а медное напыление позволяет напаять эти подложки напрямую на медный полигон, на нижней стороне платы, который соединен теплопроводящими переходными отверстиями с верхней стороной (фиг. 3).

На фиг. 4 изображены подложки, напаянные на медный полигон, на нижней стороне платы.

Осуществление изобретения

DC-AC преобразователь представляет собой устройство, которое преобразует входное постоянное напряжение в диапазоне от 550 до 800 В, в трёхфазное переменное выходное напряжение в диапазоне от 0 до 400 В с частотой от 0 до 50 Гц в соответствии с линейным способом управления асинхронным электродвигателем U/F=const.

Питающее напряжение поступает на вход преобразователя от аккумуляторной батареи (1). Источник собственных нужд (2) питает плату драйверов (10) и плату управления (11). Плата управления (11) формирует прямоугольные импульсы управления для формирования трёхфазных синусоидальных напряжений, сдвинутых между собой на 120 градусов для силовых транзисторов (7). Плата драйверов (10) усиливает импульсы управления по току и напряжению, которые поступают на затворы транзисторов, относительно истоков. Входной дроссель (3) и входной конденсатор (5) образуют входной Г-образный фильтр для уменьшения пульсаций во входном напряжении. Силовые транзисторы (7) преобразуют постоянное напряжение в высокочастотное переменное, которое поступает на вход LC-фильтра, который образован выходными дросселями (4) и выходными конденсаторами (6). LC -фильтр сглаживает выходное напряжение, после чего оно имеет форму очень близкую к идеальной синусоидальной. Выходные датчики тока (8) формируют сигналы о выходном токе преобразователя и соответственно состоянии нагрузки (12). Датчики температуры (9) формируют сигналы о температуре силовых транзисторов (7).

Отсутствие других компонентов на одной стороне силовой платы, кроме диэлектрических подложек (14), позволяет сделать тепловой контакт подложек и радиатора, тем самым осуществив эффективный теплообмен между кристаллами силовых транзисторов (7) через корпус силового транзистора (13) и окружающей средой. Такой подход является более технологичным с точки зрения массового производства и более эффективным по теплопередаче, чем обычный способ крепления транзисторов к радиатору.

Кроме того, способ охлаждения, описанный выше, позволяет улучшить массогабаритные показатели и эксплуатационные характеристики преобразователя, а применение карбид-кремниевых транзисторов увеличивает коэффициент полезного действия (КПД) всего устройства.

Применение универсальной системы управления (плата драйверов и плата управления), позволяет масштабировать мощность и функционал базового устройства.

Обмен с устройствами верхнего уровня осуществляется по интерфейсу CAN, который является надежным протоколом обмена данных для автомобильных применений.

Корпус данного устройства выполнен во влагозащищенном корпусе из алюминия, по стандарту IP-67. Это обеспечивается благодаря крышке, которая фиксируется винтами к стенкам корпуса, а по ее периметру проложен резиновый шнур, предотвращающий попадание влаги внутрь. Также на корпусе установлены специальные влагозащищенные разъемы.

За счет воздушного охлаждения допускается любая пространственная ориентация блока, что добавляет гибкости в размещении на транспортных средствах.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на любых наземных беспилотных ВАТС.

Трёхфазный преобразователь напряжения для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств содержит располагающиеся внутри влагозащищенного корпуса силовые ключи, припаянные к силовой плате определенным образом, дроссели и конденсаторы, универсальные платы системы управления со встроенными измерителями параметров схемы, CAN-интерфейс для обмена данными с устройством верхнего уровня. Обеспечивается уменьшения массогабаритных показателей изделия, повышение частоты преобразования, низкий уровень элекромагнитных помех, эффективный теплоотвод и высокая устойчивость к механическим воздействиям. 4 ил.

Трёхфазный преобразователь напряжения для беспилотных высокоавтоматизированных транспортных средств, содержащий силовые ключи, располагающиеся внутри влагозащищенного корпуса, в качестве которых используются высокочастотные силовые полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC), которые, в свою очередь, припаяны своим теплоотводом (сток) на сквозную металлизацию силовой платы и через припаянную к плате с обратной стороны изолирующую керамическую подложку из нитрида алюминия с медным напылением обеспечивают теплоотвод непосредственно на поверхность одной из сторон влагозащищенного корпуса, который является теплообменным радиатором, обеспечивающим любую пространственную ориентацию корпуса, кроме того, внутри влагозащищенного корпуса установлены дроссели и конденсаторы, которые образуют трехфазный синусоидальный выходной LC-фильтр, который, в свою очередь, формирует синусоидальное напряжение на выходе преобразователя, и универсальные платы системы управления, позволяющие масштабировать мощность устройства, со встроенными измерителями параметров схемы (входного/выходного тока, входного/выходного напряжения, измерителями температуры ключей и моточных компонентов) и CAN-интерфейсом для обмена данными с устройством верхнего уровня.