Силовая ячейка многоуровневого преобразователя частоты

Техническое решение относятся к конструкции силовых ячеек многоуровневых преобразователей частоты.
Реализация трехуровневой схемы инвертора позволила использовать IGBT модули более низкого класса по сравнению с двухуровневыми инверторами, при этом достигать более высокого КПД за счет полного использования возможностей IGBT модулей с максимальной эффективностью и загрузкой по напряжению, получая выходное напряжение с меньшим количеством не основных гармоник. Кроме того полупроводники с меньшим рабочим напряжением имеют преимущества по всем остальным параметрам, важнейшие из которых — время переключения и падение напряжения в открытом состоянии.
При этом использование высоковольтных полупроводниковых элементов накладывает ограничения на конструктивные выполнение и условия эксплуатации в частности обеспечение эффективного охлаждения и защита оборудования от пробоев высокого напряжения.
Из уровня техники (патент на полезную модель RU 158664 от 03.06.2015) известно устройство управления комплектом тягового электрооборудования для транспортных средств. Силовые ключи инверторов выполнены на силовых IGBT модулях полуприжимной конструкции без паяного основания с объединенными в едином конструктиве цифровыми драйверами силовых ключей и датчиками напряжения, тока и температуры, соединенными с аналого-цифровым преобразователем. Причём непосредственно на выходных зажимах IGBT модулей установлены снабберные конденсаторы. Контроллеры каждого силового преобразователя соединены с драйверами силовых модулей линиями связи с применением средств подавления помех, а силовые модули в силовых преобразователях объединены низкоиндуктивными ламинарными шинами постоянного тока с установленными на них пленочными конденсаторами с минимальной паразитной индуктивностью. Радиаторы системы охлаждения выполнены с возможностью отвода тепла от элементов силовой электроники в воздушный поток охлаждения тяговых электродвигателей, а соединения трубопроводов могут быть выполнены быстроразъемными. Каждая из силовых ячеек включает в себя наряду с силовыми IGBT модулями со снабберными конденсаторами на их выходных зажимах также силовые конденсаторы, объединенные в единую емкость низкоиндуктивной ламинарной шиной, причем указанные емкости силовых ячеек объединены через соединительную шину звена постоянного тока.
К недостаткам описанного уровня техники можно отнести недостаточную электроизоляцию силовых IGBT модулей от элементов конструкции устройства.
Также из патента на изобретение RU2702218 от 09.09.2016 известна силовая ячейка многоуровневого преобразователя частоты, которая содержит секционный корпус с местами под установку набора печатных плат, блока конденсаторов и звена постоянного тока, а также набора IGBT модулей установленных на теплообменнике. Причем узел  корпуса содержит непроводящий материал. Также узел корпуса и узел печатных плат сконфигурированы для обеспечения встроенной изоляции по напряжению силовой ячейки, которая поддерживает выходное напряжение многоячеечного источника электропитания. Снаружи узла корпуса на передней стороне силовой ячейки размещены входные плавкие предохранители для защиты от сверхтока либо в цепи источника, либо в цепи нагрузки.
К недостаткам описанного уровня техники можно отнести недостаточную электроизоляцию силовых IGBT модулей от элементов конструкции устройства.
Принимаем описанное техническое решение за ближайший аналог.
Техническая задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в обеспечении эффективного охлаждения и электроизоляции силовых IGBT модулей многоуровневого инвертора преобразователя частоты.
Технический результат, полученный от реализации заявленного технического решения, заключается в повышении эксплуатационных качеств преобразователя частоты, таких как возможность использования «половины Ud» заряда звена постоянного тока, а также эффективности электроизоляции силовых IGBT модулей установленных на поверхности охладителей.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что между набором IGBT модулей и поверхностью теплообменника установлена, по меньшей мере, теплопроводящая диэлектрическая проставка. Указанный набор IGBT модулей зафиксирован на поверхности теплообменника посредством прижимных диэлектрических элементов. Набор IGBT модулей связан со звеном постоянного тока, блок конденсаторов которого связан с, по меньшей мере, частью выводов указанного звена постоянного тока.
Также согласно предпочтительному варианту реализации технического решения, набор IGBT модулей размещен на общем основании, выполненном в виде переходной пластины устанавливаемой на поверхности охладителя.
Указанные конденсаторы блока конденсаторов соединены между собой контактной токопроводящей пластиной.
В одном из возможных вариантов реализации технического решения, звено постоянного тока выполнено в виде набора пластин из сплава меди, между которыми установлены диэлектрические вставки. Указанное звено постоянного тока содержит, по меньшей мере, три вывода среди которых «плюс Ud», «минус Ud» и «половина Ud», где вывод «половины Ud», связан с токопроводящей пластиной блока конденсаторов.
Сущность заявленного технического решения поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:
фиг.1 – комплектная силовая ячейка трехуровневого инвертора;
фиг.2 – перспективное изображение силовой ячейки трехуровневого инвертора в разобранном виде.
Силовая ячейка многоуровневого преобразователя частоты (фиг.1), содержит секционный корпус 1 с местами под установку набора печатных 2 плат, блока конденсаторов 3 звена постоянного тока 4 (Ud) (фиг.2), а также набора IGBT модулей 5 установленных на теплообменнике 6.
Корпус ячейки выполнен разборным и содержит съемную крышку 7 с полимерными рукоятками 8, а также защитный кожух 9 установленные поверх набора печатных плат, причем печатные платы установлены на съемной площадке 10, которая служит защитой для набора IGBT модулей 5. В нижней части корпус ячейки, содержит направляющие 11 для удобства монтажа, которые выполнены в виде ребер жесткости ячейки.
Между набором IGBT модулей 5 и поверхностью теплообменника 6, установлена теплопроводящая диэлектрическая проставка 12. Теплообменник может быть выполнен, как в виде воздушного, так и в виде водяного радиатора, вынесенного преимущественно в полость воздуховода преобразователя частоты. Диэлектрическая прокладка 12 может быть представлена в виде тонкослойного материала и или покрытия с теплопроводящими и диэлектрическими свойствами, который обволакивает набор IGBT модулей 5.
В одном из возможных вариантов реализации набор IGBT модулей установлен на общем основании 13 из сплава алюминия, выполненном в виде переходной теплопроводящей пластины, устанавливаемой на поверхности охладителя. В таком случае прокладка 12, может быть установлена между поверхностями теплообменника 6 и основания 13. Где основание 13 может обеспечивать дополнительное рассеивание тепла.
Указанный набор IGBT модулей 5 зафиксирован на поверхности теплообменника 6 посредством прижимных диэлектрических элементов 14. Также может быть выбран другой известный способ крепления, обеспечивающий электроизоляцию IGBT модулей от теплообменника.
Набор IGBT модулей 5 связан со звеном постоянного тока 4. Блок конденсаторов 3 звена постоянного тока 4 подключен к выводу «половины Ud» звена постоянного тока. Звено постоянного тока содержит, по меньшей мере, три вывода, среди которых: «плюс Ud», «минус Ud» и «половина Ud».
Конденсаторы звена постоянного тока соединены между собой контактной токопроводящей пластиной 15, которая в свою очередь связана с выводом «половины Ud» звена постоянного тока 4.
Звено постоянного тока 4 выполнено в виде набора пластин из сплава меди, между которыми установлены диэлектрические вставки.
Заявленное техническое решение позволяет обеспечить эффективный отвод тепла от набора IGBT модулей 5 и защиту устройства от пробивного напряжения не менее 6 кВ, повышая эксплуатационные качества преобразователя частоты.