Полупроводниковый блок Советский патент 1992 года по МПК H01L25/00 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти широкое -применение при конструировании полупроводниковых блоков пре- образовательных устройств индукционных установок, выполненных на базе инверторов с встречно-параллельными диодами.

Известен преобразовательный блок, содержащий включенные последовательно полупроводниковые аентили, закрепленные на соединенных посредством диэлектрических шлангов водоохлаж- даемых охладителях со скобами, один вывод блока образован скобой охладителя первого вентиля, а другой 1 выводом последнего вентиля, не связанным с его охладителями, при этом

сечения выбрано равным

где

диэлектрические шланги, последовательно соединяющие охладители указанных вентилей, выполнены равными по длине, а хладагент выбран с удельным сопротивлением воды Ом я см, причем соотношение длины диэлектрического шланга к площади его

и

8 Г

и s длина и площадь сечения ди- электрического шланга соответст- венно; U - напряжение, приложенное к вентилю; i - ток утечки через воду, р - удельное сопротивление воды, так что указанные шланги выполняют роль шунтирующих резисторов.

При проектировании преобразовательных устройств индукционных

со

vl

ел

ээ эо

тановок, выполненных на базе инвер- торов с встречно-параллельными диодами, возникает необходимость последовательного и параллельного соединения тиристоров и диодов. Используя для «этих целей данное техническое решение, требуется применять отдельные тиристорные и диодные столбы, собираемые на индивидуалных охладителях, которые необходимо дополнительно соединять электрически перемычками. Все это усложняет конструкцию полупроводниковых блоков сужает эксплуатационные возможности, требует большого количества охладителей, крепежных элементов и дополнительных перемычек, а также диэлектрических шлангов для охлаждения и скоб для электрического соединения тиристоров и диодов, что в конечном итоге ухудшает массогаба- ритные показатели полупроводниковых блоков.

Кроме того, для защиты тиристоров и диодов от коммутационных перенапряжений, возникающих в схемах инверторов с встречно-параллельными диодами, необходимо использование демпфирующих ЕС-цепей.

При использовании данного изобретения в преобразовательных устройствах необходимо введение дополнительных узлов с демпфирующими ЕС-цепями, которые, как правило, располагаются на значительном расстоянии от тиристоров и диодов. Это обстоятельство усложняет монтаж преобразовательных устройств и снижает надежность их работы, так как увеличение длины монтажных проводов равносильно введению дополнительной индуктивност что на повышенных частотах вызывает увеличение коммутационных перенапряжений на тиристорах и диодах.

Следует заметить, что данное техническое решение в общем виде невозможно использовать в преобразовательных устройствах, выполненных на базе тиристоров и диодов таблеточного исполнения,

Известен также пластинчатый вентильный блок, содержащий разъемную конструкцию, состоящую из двух пластин, на наружных плоскостях которых в два ряда установлены вентили, а плоскости внутренних поверхностей пластин, обращенных одна k другой выполнены таким образом, что при

,

to

ts

25

7375684

их наложении одна на другую образуется щелевидный канал, обладающий максимальной поверхностью соприкосновения с жидкостью, при этом дно канала выполнено гофрированным, а пластины охладителя скреплены болтами.

К недостаткам данной конструкции блока следует отнести, во-первых, сложность изготовления сборки и суженные эксплуатационные возможности, во-вторых, конструкция имеет повышенные массогабаритные показатели.

Кроме того, данный пластинчатый блок невозможно использовать в преобразовательных устройствах, выполненных на базе тиристоров и диодов таблеточного исполнения.

Известен блок силовых вентилей 20 преобразовательных устройств, содержащий полупроводниковые вентили, охладители с каналами для протекания охлаждающей жидкости и штуцерами системы охлаждения, изолирующие прокладки, конструкцию для крепления вентилей в столб, фиксирующие пластины, количество которых равно числу охладителей, с центрирующим отверстий, проходными отверстиями для шпилек и отверстиями для крепления с охладителем, при этом Фиксирующие пластины жестко закреплены с охладителями так, что каждый тиристор входит в центрирующее отверстие.

Недостатки. При проектировании 35 преобразовательных устройств индукционных установок, выполненных на базе инверторов с встречно пзрал-, лельными диодами, возникает необходимость последовательного и параллельного соединения тиристоров и диодов. Использование для этих целей данного технического решения требует применения отдельных тири- сторных и диодных столбов, собираемых на индивидуальных охладителях, которые необходимо дополнительно соединять электрическими перемычками. Все это усложняет конструкцию полупроводниковых блоков, ее сборку, сужает эксплуатационные возможности, требует большого количества охладителей, крепежных элементов и дополнительных перемычек, а также диэлектрических шлангов для охлаждения, что в кбнечном итоге ухудшает массогабаритные показатели блоков.

При использовании данного изобретения в преобразовательных устрой30

40

45

50

55

51

ствах необходимо введение дополнительных узлов с демпфирующими КС-цепями, которые, как правило, располагаются на значительном расстоянии от тиристоров и диодов. Это обстоятельство усложняет монтаж преобразовательных устройств и снижает надежность их работы, так как увеличение длины монта жных проводов равносильно введению дополнительной индуктивности, что вызывает увеличение амплитуды коммутационных перенапряжений и скорости нарастания напряжения на тиристорах и диодах.

Из известных полупроводниковых блоков наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является полупроводниковый блок, содержащий параллельный тиристорный и диодный столЪы, расположенные по крайней мере на одном общем охладителе, выполняющем функции токопровода, при этом тиристорный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей, чередующихся с охладителями с каналами для хладагента и штуцерами охлаждения в крепежном каркасе, из изолирующих элементов и прижимного механизма, общий охладитель выполнен с возможностью размещения на нем обо- рудова ия и элементов Функционально совмещенных с указанными пллуправод- никовыми вентилями, причем полупровод никовый блок снабжен втулками с резьбой на наружной и внутренней поверхностях,.а охладитель, размещенный между двумя смежными тиристорами, выполнен в виде параллелепипеда с возможностью установки на нем оборудования, функционально совмещенного с указанными тиристорами, в торце которого выполнены отверстия для крепления его к основанию с помощью упомянутых втулок, при этом последние соединены со штуцерами.

К недостаткам данной конструкции блока следует отнести:

узкая эксплуатационная возможность вызвана тем, что во-первых, невозможно проектирование и создание высокочастотных преобразовательных устройств на мощность более 100 кВт и частоту свыше 10 кГц из-за отсутствия мощных высокочастотных диодов штырьевого типа, а во-вторых, в блоке невозгожно соединить более двух последовательно соединенных тиристоров таблеточного исполнения парал37568«

лельно которым подключаются два встречно-параллельных диода штырь- евого типа;

повышенные массогабаритные характеристики, соединенные с тем, что для мощных преобразовательных устройств необходимо большое количество последовательно и параллельно соедиJQ ненных блоков;

пониженная надежность работы пре- образовательных устройств обусловлена тем, что в конструкции блока отсутствуют распределители импульсов

15 управления тиристорами, которые размещаются на значительном расстоянии от блока. Все это делает блок не помехозащищенным, снижая надежность его работы и всей преобразовательной

20 системы в целом. Кроме того, усложняется монтаж блока.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей и снижение массогабаритных по25 казателей.

Цель достигается тем, что в полупроводниковом блоке, содержащем параллельные тиристорный и диодный стол- бы, расположенные по крайней мере на одном общем охладителе, выполняющем функции токопровода, при этом тиристорный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей, чередующихся с охладителями с каналами для

35 хладагента и штуцерами системы охлаждения в крепежном каркасе, из изолирующих элементов и прижимного механизма, общий охладитель выполнен с возможностью размещения на нем оборудования и элементов функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями, диодный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей чередующихся с охладителями

40

45

50

в крепежном каркасе и изолирующих элементов и прижимного механизма, все охладители выполнены общими для тиристорного и диодного столбов, охладители, размещенные между двумя

смежными полупроводниковыми вентилями, снабжены теплопроводящими пластинами закрепленными на охладителях для размещения на них оборудования и элементов функционально совме- 55 щенных с указанными полупроводниковыми вентилями, прижимной механизм выполнен в виде струбцины и закреп-- ленного на ее основании центрирующего

элемента, выполненного из электроизоляционного материала.

Сравнение отличительных признаков предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что сходными признаками являются охладители с каналами для протекания охлаждающей жидкости и штуцерами системы охлаждения, изолирующие прокладки, конструкция для крепления вентилей в столб. Но в отличии от прототипа в предлагаемом изобретении полупроводниковый блок выполнен в виде параллельных тиристорного и диодного столбов, объединенных между собой общими охладителями, выполняющими также роль топроводов и токопроводя- щих перемычек, между тиристорами и диодами, при этом к общим охладителям механически закреплены тепло- проводящие пластины, на которых смонтированы резисторы, конденсаторы диоды демпфирующих цепей, распределители импульсов управления тиристоров и клеммные колодки для подключения управляющих электродов тиристоров к распределителям импульсов управления, причем каждая из конструкций для крепления вентилей в столб .выполнена в виде струбцины, зажимающей столб через изолирующие прокладки и центрирующего элемента, изготовленного из электроизоляционного материала и закрепленного на основании

струбцины. i

За счет такой конструкции полупроводникового блока удается значительно упростить, снизить массогабарит- ные показатели, повысить эксплуатационные возможности и надежность работы преобразовательных устройств, в состав которых входят данные блоки.

На фиг.1 а, 1 б представлена конструкция полупроводникового блока; на фиг. 2 - электрическая принципиальная схемаJ на фиг. 3 конструкция крепежного каркаса: а - в сборе; б - конструкция струбцины, в - конструкция центрирующего элемента; на фиг. I - конструкция общего охладителя j на фиг. 5 - конструкция теп- лопроводящей пластины с демпфирующей цепью; на фиг.6...8 приведены принципиальные электрические схемы преобразовательных устройств (инверторов с встречно-параллельными диодами), конструкция которых может

,

10

15

20

737568 . 8

быть реализована с помощью предла- - гаемого полупроводникового блока (БП).

Полупроводниковый блок содержит параллельные тиристорный и диодный столбы (тиристоры 1..., диоды 5... 8), расположенные по крайней мере на одном общем охладителе 9 (10-13), выполняющим функции токопровода, при этом тиристорный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей (тиристоры 1. ...Ц , диоды 5. ..8), чередующихся с охладителями с каналами для хладоагента и штуцерами И, 15 системы охлаждения в крепежном каркасе из изолирующих элементов 16, 17, и прижимного механизма 18, общий охладитель 9-13 выполнен с возможностью размещения на нем оборудования и элементов функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями, причем диодный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей 5...8 чередующихся с охладителями 9-13 в крепежном каркасе из изолирующих элементов 16, 17 и прижимного механизма 18, все охладители 10, 12, размещенные между двумя смежными полупроводниковыми вентилями 1 и 2, 3 и V, снабжены теплопроводящими пластинами 19, 2П закрепленными на охладителях для размещения на них оборудования и элементов функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми венти- 35 лями (резисторы 21 и 22, конденеа - торы 23 и 2, диоды 25 и 26,.демпфирующих цепей, распределители 27 и 28. импульсов управления тиристорами 1...Ц и клеммные колодки 29 для подключения управляющих электродов тиристоров t.,.4 к распределителям импульсов управления 27 и 28, прижимной механизм 18 выполнен в виде струбцины и закрепленного на ее основании центрирующего элемента 30, . выполненного иЗг электроизоляционно25

30

40

45

го материала.

i

Полупроводниковый блок, принци- пиальная.электрическая схема которого представлена на фиг.2, собирается в следующей последовательности.

Производится сборка крепежного каркаса (см.фиг.3) для чего нв основании струбцины 18 закрепляется цент рирующий элемент 30 (паз центрирующего элемента входит в основание струбцины 18, а на выступ струбцины

18 и на болтовое соединение наклалываются изолирующие прокладки 16, 17.

Изготавливаются два комплекта крепежного каркаса, в которые вставляются охладители 9...13 (см.Лиг.Д, а между ними в один из комплектов - тиристоры I...1, в другой-диоды 5...8 (см.фиг.1). При этом на охладители 10 и 12 предварительно механически (с помощью болтовых соединений) закрепляются теплопроводящие пластины 19 и 20 (см.фиг.5) с элементами демпфирующих цепей, распределителями импульсов 27 и 28 и клемм ными колодками 29 по обеим сторонам пластик Т9 и 20.

Следует отметить, что в центрирующем элементе 30 сделано углубление по всей длине (см.фиг.3,в) таким образом, что при установке тиристоров 1... и диодов 5...6 их центры точно совпадают с центрами изолирующих прокладок 16 и 17.

Далее с помощью болтового соединения струбцины 18 ключом зажимается столб тиристоров 1... и столб диодо 5...8.

Для крепления полупроводниковых блоков в преобразовательных устройствах в струбцине 18 предусмотрены отверстия для крепления с помощью шпилек (см.фиг.1), например, к стеклотекстолитовым брускам, размещенным в шкафу преобразовательного устройства.

Таким образом, используя данную конструкцию полупроводникового блока удается значительно сократить количество охладителей, а значит сократить количество перемычек, болтовых соединений, диэлектрических шлангов системы водоохлаждения, что в конечном итоге упрощает монтаж, расширяет эксплуатационные возможности и массогабаритные показатели блоков. Кроме того, использование теплопроводящих пластин с демпфирующими цепями позволяет максимально сократить длину монтажных проводов этих цепей и обеспечить охлаждение их элементов, что значительно повышает надежность работы блоков силовых вентилей, а значит и самих преобразовательных устройств.

В настоящее время разработаны рабочие макеты преобразовательных устройств на базе предл гмого авто0

рами полупроводникового блока, представленные на фигk6...8.

Так, например, преобразовательное устройство (полупроводниковый преобразователь частоты ППЧ-100-2,), РЫ- полненное на схеме фиг.6, на мощность 100 кВт частотой 2400 Гц имеет дно полупроводниковых блока на тиристорах ТБ253-800-11 и диодах ДЧЙЗ-1000- 1, в качестве элементов демпфирующих цепей использованы:

Резистор 21, 22 - три последовательно соединенных резистора 5 С5-- 78А-68 Ом ± 5%,

Конденсатор 23, 2 - три параллельно соединенных конденсатора К78-2-1000В-0,1 мкФ + 10%.

Диоды 25, 26 - Д122- 0-9, Д112-25Х-9.

ППЧ-100-2,3 планируется использовать для плавки алюминиевых сплавов в графитовом тигле, для нагрева порошковых изделий в техпроцессах порошковой металлургии и т.д.

0

5

Формула ияобретени

5

0

Полупроводниковый блок, содержа- 0 Щий параллельные тиристорный и диодный столбы, расположенные по крайней мере на одном общем охладителе, выполняющем функции токопровода, при этом тиристорный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей, чередующихся с охладителями с каналами для хладагента и штуцерами системы охлаждения в крепежном каркасе, из изолирующих элементов и прижимного механизма, общий охладитель выполнен с возможностью размещения на нем оборудования и элементов, функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей и снижения массогаба- ритных показателей, диодный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей, чередующихся с охладителями в крепежном каркасе из изолирующих элементов и прижимного механизма, все охладители выполнены общими для тиристорного и диодного столбов, охладители, размещенные между двумя смежными полупроводниковыми вентилями, снабжены теплопро- водящими пластинами, закрепленными на охладителях для размещения на

5

0

5

Использование: в вентильных блоках преобразовательных устройств индукционных установок, выполненных на базе инверторов со встречно-параллельными диодами. Сущность изобретения: устройство содержит параллельные транспортные и диодные столбы, объединенные между собой общими охладителями, выполняющими также роль токоподводов и токопроводящих перемычек между тиристорами и диодами. Охладители снабжены теплопрово- дящими пластинами, закрепленными на охладителях для размещения на них оборудования и элементов функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями. Прижимной механизм выполнен в виде струбцины и закрепленного на ее основании центрирующего элемента, выполненного из электроизоляционного материала. 8 ил. I (Л с

Фиг. /, а

Ц ге гз 25

Фиг. /, /

30

f

зо

18

N

м «5

t

о

«5

л

JtH

--О-

«4

-J

VI

c oo

9 иг.7

Фиг.в