ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ
HIGH-VOLTAGE TRANSISTOR SWITCH

Предлагаемое изобретение относится к области высоковольтной преобразовательной техники и может быть использовано в структурах преобразователей напряжения для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока и наоборот, а также в статических компенсаторах реактивной мощности, в устройствах симметрирования и активных фильтрах.
В настоящее время известны различные высоковольтные силовые модули, в которых в одном силовом столбе в качестве полупроводниковых блоков используют тиристоры и/или симмисторы таблеточного типа, которые не способны обеспечить полную управляемость силового модуля, то есть его включение и выключение в любой момент времени по внешнему сигналу управления при токе до 4000 А и напряжении от 3 кВ до 60 кВ с частотой коммутации, превышающей основную частоту сети, а также не способны обеспечить эффективный отвод дополнительных потерь при повышенной коммутации.
Так, известен блок силовой высоковольтный, содержащий полупроводниковые блоки, между которыми расположены охладители, которые собраны в силовой столб посредством прижимной конструкции [патент РФ на ПМ №60808, МКИ H02M 1/088].
Недостатками данного блока силового являются невозможность обеспечения его полной управляемости, а также обеспечения эффективного отвода потерь при его повышенной коммутации. Это происходит за счет того, что в данном блоке, в его силовом столбе, используются полупроводниковые блоки с ограниченной управляемостью таблеточного типа, кроме этого электронные компоненты не обеспечивают полную управляемость блоком силовым.
Известен также преобразователь мощности, в котором каждый полупроводниковый блок в его силовом столбе охлаждается посредством охлаждающих труб, в которые поступает охлаждающая среда [патент Японии №4345862, H02M 7/48].
В данном преобразователе мощности обеспечена довольно эффективная система охлаждения силовых блоков, однако в нем не обеспечена полная его управляемость, так как в нем отсутствуют определенные компоненты схемы управления и защиты полупроводниковых блоков, необходимые для обеспечения полной управляемости полупроводниковых блоков.
Известен высоковольтный вентильный модуль, содержащий n последовательно включенных тиристоров, зашунтированных защитными R-C цепями, блок управления и защиты [патент РФ на ПМ №106464, H02M 1/32].
Недостатком такого вентильного модуля является то, что в качестве силового элемента в нем используются тиристоры или симмисторы, полупроводниковые приборы с не полной управляемостью.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому результату к данному изобретению является силовой высоковольтный блок, описанный в патенте РФ на ПМ №25250, H02M 1/088, который выбран в качестве прототипа.
Данный силовой высоковольтный блок содержит два полупроводниковых блока, состоящих из полупроводниковых приборов, охладителей, изоляторов, нажимного устройства, крепежных элементов, опорных пластин, вентиляторов, блоков управления и контроля состояния полупроводниковых приборов.
Недостатком данного силового высоковольтного блока является отсутствие полной управляемости, т.к. в конструкции данного блока не могут использоваться igbt-модули, применение которых может обеспечить полную управляемость.
Кроме того, длина связей между полупроводниковыми приборами и схемами для их управления, а также R-C цепями слишком большая, что приводит к такому уровню влияния паразитных параметров, при котором устройства управления не могут обеспечить полную управляемость даже igbt-модулями. А также конструкция данного силового высоковольтного блока не обеспечивает быстрой замены отказавшего оборудования данного блока без демонтажа внутренних связей.
Технической задачей предложенного изобретения является создание такого высоковольтного транзисторного ключа, в котором обеспечена его полная управляемость при одновременном снижении воздействий на компоненты схемы управления за счет их оптимального размещения и сокращения монтажных связей, а также обеспечено сокращение времени замены отказавшего оборудования без демонтажа внутренних связей.
Поставленная техническая задача обеспечивается за счет того, что в высоковольтном транзисторном ключе, содержащем последовательно соединенные полупроводниковые блоки, между которыми последовательно расположены охладители, для охлаждения полупроводниковых блоков, при этом полупроводниковые блоки и охладители собраны в силовой столб посредством прижимной конструкции, состоящей из опорных пластин и прижимного узла, а каждый из полупроводниковых блоков имеет схему управления и контроля состояния данного полупроводникового блока, каждый из полупроводниковых блоков содержит igbt-модуль прижимного типа, схему управления igbt-модулем, в качестве которой используют драйвер, а также защитную R-C цепь и измерительную R цепь в виде делителя напряжения, подключенные параллельно каждому igbt-модулю, который имеет коллектор, эмиттер и затвор, и выполнен с двухсторонним охлаждением, посредством плотно примыкающих к нему ближайших охладителей, через его контактные, электрически проводящие поверхности, одна из которых является эмиттером, а другая является коллектором, при этом затвор выполнен с возможностью электрического подключения к нему драйвера, который установлен в непосредственной близости к igbt-модулю, и расположен на ближайшем к igbt-модулю охладителе, на котором расположены также защитная R-C цепь и измерительная R цепь, при этом каждый из охладителей имеет посадочные места для размещения на них драйвера, элементов защитной R-C цепи и элементов измерительной R цепи, а защитная R-C цепь выполнена с возможностью ограничения перенапряжений на igbt-модуле, при этом измерительная R цепь выполнена с возможностью контроля уровня напряжения между коллектором и эмиттером igbt-модуля.
Предпочтительно, чтобы в высоковольтном транзисторном ключе силовой столб имел дополнительно изолирующие штанги, между которыми установлены охладители, которые имеют пазы для фиксации охладителей относительно изолирующих штанг, через которые обеспечивается усилие сжатия компонентов силового столба.
Целесообразно, чтобы в высоковольтном транзисторном ключе силовой столб имел два варианта его сборки, при этом один вариант обеспечивал условно прямую проводимость силового столба, а второй вариант его сборки обеспечивал условно обратную проводимость силового столба, при этом все компоненты, составляющие силовой столб, в обоих вариантах были одинаковые.
Предпочтительно, чтобы высоковольтный транзисторный ключ в качестве igbt-модулей содержал igbt-модули таблеточного типа с обратными диодами.
Целесообразно, чтобы в высоковольтном транзисторном ключе в начале и конце силового столба были размещены охладители.
Желательно, чтобы в высоковольтном транзисторном ключе каждый охладитель имел посадочное место для установки драйвера в виде панели, закрепленной на торце охладителя и имеющей направляющие пазы для установки и фиксации драйвера, а также отверстие для резьбового крепления драйвера.
Предпочтительно, чтобы высоковольтный транзисторный ключ содержал резисторы для питания драйверов, при этом каждый охладитель имел на одном торце, на котором установлен драйвер, посадочные места для размещения на них измерительных резисторов R цепи и резисторов для питания драйверов, а на другом торце имел посадочные места для резисторов R-C цепи и конденсаторов R-C цепи, при этом на одной поверхности охладителя были выполнены упорные винты для фиксации igbt-модулей относительно охладителей.
Целесообразно, чтобы в высоковольтном транзисторном ключе резисторный блок R-C цепи имел два резисторных модуля, один из которых установлен вместе с конденсатором на торце охладителя, имеющего потенциал эмиттера, а второй установлен на торце охладителя, имеющего потенциал коллектора, а конденсаторы R-C цепи были включены между резисторами.
Желательно, чтобы высоковольтный транзисторный ключ имел входной штуцер с входным патрубком и выходной штуцер с выходным патрубком, установленные вблизи с охладителями, при этом входной и выходной штуцеры имели подводящие и отводящие трубки, каждая из которых связана с соответствующим охладителем.
Предпочтительно, чтобы высоковольтный транзисторный ключ содержал изолирующие штанги, выполненные с возможностью обеспечения подвески ключа к несущей раме или потолочной конструкции помещения, при этом положение ключа может быть вертикальным с одной, по меньшей мере, изолирующей штангой, горизонтальным или под любым углом с, по меньшей мере, двумя изолирующими штангами.
Целесообразно, чтобы высоковольтный транзисторный ключ содержал опорную конструкцию, имеющую, по меньшей мере, одну опору, выполненную с возможностью обеспечения установки ключа на данной опорной конструкции, при этом положение ключа может быть вертикальным, на опорной конструкции с одной опорой, горизонтальным, на опорной конструкции с двумя опорами, или под любым углом, с опорной конструкцией с двумя опорами.
Предпочтительно, чтобы высоковольтный транзисторный ключ содержал датчик измерения температуры охладителя, установленный на посадочном месте с углублением на торце охладителя со стороны драйвера, при этом сенсор данного датчика был закреплен в углублении с использованием теплопроводящей пасты.
Для более полного раскрытия изобретения далее приводится описание конкретных возможных вариантов его исполнения с соответствующими чертежами.
Фиг. 1 - электрическая схема высоковольтного транзисторного ключа.
Фиг. 2 - общий вид силового igbt-модуля таблеточного типа.
Фиг. 3 - силовой столб из последовательно соединенных igbt-модулей и охладителей.
Фиг. 4 - общий вид системы охлаждения высоковольтного транзисторного ключа.
Фиг. 5 - общий вид охладителя со стороны установки драйвера.
Фиг. 6 - общий вид охладителя со стороны установки резисторных модулей R-C цепи и конденсаторов.
Фиг. 7 - монтажные связи компонентов R-C цепей.
Фиг. 8 - модификации высоковольтного транзисторного ключа с прямой проводимостью.
Фиг. 9 - модификации высоковольтного транзисторного ключа с обратной проводимостью.
В одном из предпочтительных вариантов исполнения высоковольтный транзисторный ключ 1 содержит последовательно соединенные полупроводниковые блоки в виде igbt-модулей 2(Фиг. 1), каждый из которых имеет контактные электрически проводящие поверхности, эмиттер 3 и коллектор 4, а также затвор 5, через который осуществляется управление igbt-модулем 2(Фиг. 2). При этом каждый из igbt-модулей 2 выполнен с двухсторонним охлаждением, посредством плотно примыкающих к нему охладителей 9, через его контактные, электрически проводящие поверхности, одна из которых является эмиттером 3, а другая является коллектором 4. Также в качестве igbt-модулей 2 могут использоваться igbt-модули таблеточного типа с обратными диодами.
Каждый из igbt-модулей 2 управляется при помощи схемы управления, в качестве которой используют драйвер 6, который располагается в непосредственной близости к соответствующему igbt-модулю 2 и имеет электрическое соединение с затвором 5. Управляющие воздействия на затвор 5 каждого igbt-модуля 2 формируются по оптическим сигналам на входе драйвера 6, и в каждый момент времени определяют состояние его электрической проводимости.
Использование в высоковольтном транзисторном ключе 1 полупроводниковых блоков в виде igbt-модулей 2 со схемой управления, в качестве которой используют драйвер 6, позволяет обеспечить полную управляемость высоковольтного транзисторного ключа 1, т.е. включение и выключение данного ключа 1 в любой момент времени по внешнему сигналу управления при токе 4000 А и напряжении от 3 кВ до 60 кВ с частотой коммутации, превышающей основную частоту сети.
Параллельно каждому igbt-модулю 2 подключены пассивные защитные R-C цепи 7, для ограничения перенапряжений на igbt-модуле 2, а также делители напряжения, в виде измерительной R цепи 8, для контроля уровня напряжения между коллектором 4 и эмиттером 3 (Фиг. 1).
Конструктивно между igbt-модулями 2 расположены охладители 9, для охлаждения igbt-модулей 2, при этом igbt-модули 2 и охладители 9 собраны в силовой столб посредством прижимной конструкции, состоящей из изолирующих штанг 10, опорных пластин 11 и 12 и прижимного узла 13 (Фиг. 3), причем в начале и конце силового столба размещены охладители 9, а число igbt-модулей 2 в силовом столбе может изменяться в пределах от 2 до 22.
Фиксация высоковольтного транзисторного ключа 1 в пространстве может быть обеспечена подвеской через изолирующие штанги 14 к несущей раме 15 или потолочной конструкции помещения, причем положение может быть вертикальным, с одной, по меньшей мере, изолирующей штангой 14, или горизонтальным, с двумя изолирующими штангами 14, или под любым углом, с двумя изолирующими штангами 14 (Фиг. 3).
Также фиксация высоковольтного транзисторного ключа 1 в пространстве может быть обеспечена при помощи опорной конструкции, имеющей, по меньшей мере, одну опору, выполненную с возможностью обеспечения установки ключа 1 на данной опорной конструкции, при этом положение ключа 1 может быть вертикальным, на опорной конструкции с одной опорой, горизонтальным, на опорной конструкции с двумя опорами, или под любым углом, с опорной конструкцией с двумя опорами.
Для отвода выделяемой мощности через все охладители 9 высоковольтный транзисторный ключ 1 имеет входной и выходной штуцеры 16 с входным патрубком 18 и выходным патрубком 19, установленные вблизи с охладителями 9, при этом входной и выходной штуцеры 16 имеют подводящие и отводящие трубки 17, каждая из которых связана с соответствующим охладителем 9 (Фиг. 4).
На торцах охладителей 9 выполнены полукруглые пазы 20 для крепления охладителей 9 на изолирующих штангах 10, что обеспечивает фиксацию всех охладителей 9 вдоль линии сжатия силового столба (Фиг. 5).
Для фиксации каждого igbt-модуля 2 относительно охладителя 9 на одной из поверхностей охладителя 9 выполнены упорные винты 21.
Каждый из охладителей 9 имеет посадочные места для размещения на них драйвера 6, элементов защитной R-C цепи 7 и элементов измерительной R цепи 8, а защитная R-C цепь выполнена с возможностью ограничения перенапряжений на igbt-модуле 2, при этом измерительная R цепь 8 выполнена с возможностью контроля уровня напряжения между коллектором 4 и эмиттером 3 igbt-модуля 2.
Конструктивно все посадочные места для размещения на них драйвера 6, элементов защитной R-C цепи 7 и элементов измерительной R цепи 8, выполнены на торцах охладителя 9 в непосредственной близости от соответствующего igbt-модуля 2 и имеют необходимый тепловой контакт с охладителем 9 для отвода выделяемой мощности.
Так, драйвер 6 установлен на драйверной панели 22, которая является составной частью охладителя 9 и выполнена на одном из торцов охладителя 9. Драйверная панель 22 имеет направляющие пазы 23, а также элементы крепления 24 драйвера 6 к драйверной панели 22 (Фиг. 5).
Высоковольтный транзисторный ключ 1 может также содержать резисторы для питания драйверов, при этом каждый охладитель 9 имеет на одном торце, на котором установлен драйвер 6, посадочные места 27 для размещения на них измерительных резисторов R цепи 8 и резисторов для питания драйверов, а на другом торце имеет посадочные места 25 для резисторов R-C цепи 7 и посадочные места 26 для конденсаторов R-C цепи 7 (Фиг. 6). При этом посадочные места 27 для размещения на них измерительных резисторов R цепи 8 и резисторов для питания драйверов могут также располагаться на стороне размещения изолирующих штанг 10.
Резисторный блок R-C цепи 7 может также иметь два резисторных модуля, один из которых установлен на посадочном месте 25a, рядом с посадочным местом 26 конденсатора на торце охладителя 9, имеющего потенциал эмиттера 3, а второй установлен на торце охладителя 9, имеющего потенциал коллектора 4, а конденсаторы R-C цепи 7 включены между резисторами (Фиг. 7).
Также высоковольтный транзисторный ключ 1 может содержать датчик измерения температуры охладителя, установленный на посадочном месте 28 с углублением на торце охладителя 9 со стороны драйвера 6, при этом сенсор данного датчика может быть закреплен в углублении посадочного места 28 с использованием теплопроводящей пасты (Фиг. 5).
Высоковольтный транзисторный ключ 1 может также иметь две модификации, каждая из которых состоит из одинаковых узлов, компонентов, но которые отличаются направлением рабочего тока через данный транзисторный ключ 1, т.е. иметь модификацию полупроводниковых блоков с прямой проводимостью (Фиг. 8) или иметь модификацию полупроводниковых блоков с обратной проводимостью (Фиг. 9). На данных фигурах большой длинной стрелкой показано направление тока в данных модификациях.
Применение описанного выше устройства позволяет:
- обеспечить полную управляемость высоковольтного транзисторного ключа за счет использования igbt-модулей и драйверов для их управления;
- обеспечить высокую надежность работы транзисторного ключа за счет размещения всех компонентов, связанных с igbt-модулями на ближайших к ним охладителях, что позволили сократить монтажные связи и обеспечить надежную работу всех компонентов;
- обеспечить упрощение обслуживания при эксплуатации за счет создания конструкции транзисторного ключа, в которой возможна замена отказавшего оборудования без демонтажа внутренних связей.
Как очевидно специалистам в данной области техники, данное изобретение легко разработать в других конкретных формах, не выходя при этом за рамки сущности данного изобретения.
При этом настоящие варианты осуществления необходимо считать просто иллюстративными, а не ограничивающими, причем объем данного изобретения представлен его формулой, и предполагается, что в нее включены все возможные изменения и область эквивалентности пунктам формулы данного изобретения.