СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПО МОЩНОСТИ И СХЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
DIAGRAM OF ELECTRIC CONTROL AS TO POWER, AND COOLING DIAGRAM

Настоящее изобретение относится к электронным схемам электрического регулирования мощности, и в частности, к схемам теплоотвода от расположенных в устройствах регулирования мощности силовых полупроводниковых элементов таких, как, например, тиристоры, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и силовые полевые транзисторы (Power-FET).
Интерфейсы между подобными силовыми полупроводниковыми элементами и остальной схемой или средой включают электрические интерфейсы для электрического подключения силовых полупроводниковых элементов и тепловые интерфейсы, спроектированные, в частности, для эффективного отвода тепла, генерируемого во время эксплуатации силовых полупроводниковых элементов.
В особенности, настоящее изобретение относится к схеме электрического регулирования мощности с помощью силовых полупроводниковых элементов, состоящей из, по меньшей мере, одного устройства регулирования мощности и, по меньшей мере, одного устройства теплоотвода, имеющего один тепловой контакт с, по меньшей мере, одним устройством регулирования мощности.
Устройства для отвода тепла, генерируемого в устройствах регулирования мощности, проектируются, в частности, с учетом предотвращения образования слишком большой разности напряжений между электронными компонентами и устройствами теплоотвода, которые способны проводить тепло и электричество.
Схемы для электрического регулирования мощности имеют разности напряжения между отдельными схемными компонентами такими, например, как силовые полупроводниковые элементы, между ними и между элементами и соответствующими устройствами теплоотвода такими, как, например, охлаждающие элементы, которые могут достигать больших значений вплоть до напряжений пробоя.
В схемах согласно уровню техники силовые полупроводниковые элементы расположены на устройствах теплоотвода, соединенных с «землей», и таким образом заземлены или присоединены к потенциалу «земли». Подобные традиционные устройства регулирования мощности для регулирования трехфазного переменного тока и переменного напряжения расположены вместе с модулями регулирования мощности на едином устройстве теплоотвода, присоединенном к напряжению 0 вольт или, например, «земле» M, как показано на фиг.1. Для регулирования мощности трехфазного переменного тока или переменного напряжения схема на фиг.1 разделена на три части. Схема на фиг.1 включает три блока E1, E2 и E3 коммутации. Отдельные блоки E1, E2 и E3 коммутации в свою очередь собраны соответственно из последовательно подключенных силовых полупроводниковых элементов T1a, E2a и T3a, T4a.
Конденсатор C1 разряжается через последовательное подключение двух сопротивлений R1 и R2, Подобным образом выполнены оба других устройства E2 и E3 регулирования мощности на фиг.1. Все силовые полупроводниковые элементы T1a, T2a, … T3c, T4c для охлаждения расположены на устройстве W0 теплоотвода.
Данное устройство W0 теплоотвода обладает хорошей теплопроводностью и высокой электрической проводимостью. При эксплуатации схемы необходимо следить за тем, чтобы разность напряжений между точками соединения силовых полупроводниковых элементов с одной стороны и устройством W0 теплоотвода с другой стороны не превышала определенного заданного максимального значения разности потенциалов, т.е. напряжение пробоя.
Для решения этой проблемы было предложено предусмотреть отдельные устройства W1, W2, W3, W4, W5 и W6 теплоотвода для каждой пары силовых полупроводниковых элементов, как показано на фиг.2. Хотя подобная схема устраняет большие разности потенциалов между всеми силовыми полупроводниковыми элементами и одним устройством W0 теплоотвода, как показано на фиг.1, однако невыгодно увеличивается количество необходимых схемных компонентов.
Такая схема может использоваться только для однокомпонентных или двухкомпонентных схем, что является невыгодным. При этом потенциал соответствующих устройств W1-W6 теплоотвода замыкается на центральный потенциал между двумя силовыми полупроводниковыми элементами, что ограничивает нагрузку по напряжению примерно на % напряжения промежуточного контура («link voltage» - напряжение хорды).
Кроме того, существенный недостаток изображенной на фиг.2 схемы состоит в том, что такое большое количество устройств теплоотвода, в данном случае 18 устройств теплоотвода для трехфазной системы (на фиг.2 изображены компоненты схемы только для одной фазы), создает высокую чувствительность к помехам и дорого в изготовлении.
Кроме того, нецелесообразно оснащать такими устройствами теплоотвода модули в виде H-мостов, так как они не имеют общей центральной точки потенциала. Таким образом, предлагаемое решение, изображенное на фиг.2, способно уменьшать нагрузку по напряжению упаковок одиночных выключателей или упаковок двойных выключателей, однако не пригодно для новых схем, таких как модули в виде H-мостов.
В ЕР 0933867 А1 представлена типовая электронная схема для электрического регулирования мощности, при этом на фиг.2b из ЕР 0933867 А1 устройство (14) теплоотвода электрически связано с устройством (10) регулирования мощности и электрическая изоляция (13) предложена только между устройством (14) теплоотвода и ребрами (0) теплоотвода, но не между устройством (14) теплоотвода и устройством (10) регулирования мощности.
Другая типовая электронная схема для электрического регулирования мощности приведена в ЕР 0802619 А1.
Тепловые интерфейсы между силовыми полупроводниковыми элементами и остальной частью схемы или средой служат для отвода тепла. Кроме того, предусмотрены электрические интерфейсы для электрического подключения силовых полупроводниковых элементов. Вследствие этого между электронными компонентами и устройствами теплоотвода могут возникать разности потенциалов.
Задача настоящего изобретения состоит в создании эффективного устройства теплоотвода для модулей регулирования мощности или устройств регулирования мощности для электрического регулирования мощности, имеющего малое количество отдельных компонентов при большой устойчивости к электрическому пробою.
Эта задача решается согласно изобретению с помощью схемы электрического регулирования мощности с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения. Другие варианты изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения.
Основная идея настоящего изобретения состоит в том, что предусмотрено минимальное количество устройств теплоотвода, причем отдельное устройство теплоотвода присоединено к заданному постоянному электрическому потенциалу. Предпочтительно заданный постоянный потенциал является промежуточным потенциалом между двумя устройствами регулирования мощности, расположенными на одном модуле регулирования мощности.
Основная идея изобретения заключается в том, что предусмотрено только три устройства теплоотвода для каждой фазы, симметрично подсоединенные к соответствующему центровому потенциалу между отдельными устройствами регулирования мощности одного модуля. Таким образом, достигается оптимальное уменьшение нагрузки по напряжению между силовыми полупроводниковыми элементами и соответствующими устройствами теплоотвода с одной стороны, при этом количество применяемых компонентов сокращается по сравнению с существующим уровнем техники.
Кроме того, подобная схема позволяет рассчитывать схемы для электрического регулирования мощности в виде двойных Н-мостов. Здесь для задающих генераторов, рассчитанных на 4,16 кВ, применяют стандартные 3,3 кВ компоненты.
Схема в соответствии с изобретением для электрического регулирования мощности имеет, по меньшей мере, одно устройство регулирования мощности и, по меньшей мере, одно устройство теплоотвода, имеющее тепловой контакт с, по меньшей мере, одним устройством регулирования мощности, причем устройство теплоотвода соединено с заданным постоянным электрическим потенциалом. Предпочтительно, по меньшей мере, одно устройство теплоотвода расположено электрически изолированно от, по меньшей мере, одного устройства регулирования мощности. При этом можно достигнуть преимущества в дальнейшем уменьшении нагрузки по напряжению между силовыми полупроводниковыми элементами и соответствующими устройствами теплоотвода.
В соответствии с предпочтительным улучшенным вариантом настоящего изобретения устройства регулирования мощности реализованы посредством последовательного включения, по меньшей мере, двух силовых полупроводниковых элементов. При этом пара устройств регулирования мощности образует модуль регулирования мощности. Для регулирования одной фазы целесообразно применить три модуля регулирования мощности.
Устройства регулирования мощности одного модуля в преимущественном варианте электрически соединены друг с другом посредством последовательного включения разрядных сопротивлений.
В соответствии с еще одним предпочтительным улучшенным вариантом настоящего изобретения заданный постоянный электрический потенциал, на который скоммутировано, по меньшей мере, одно устройство теплоотвода, реализуется с помощью разрядных сопротивлений. При этом разрядные сопротивления представляют собой делители напряжения.
В соответствии с еще одним предпочтительным улучшенным вариантом настоящего изобретения заданный постоянный электрический потенциал, на который скоммутировано, по меньшей мере, одно устройство теплоотвода, составляет 1/4 напряжения промежуточного контура схем для электрического регулирования по отношению к потенциалу корпуса.
В соответствии с еще одним предпочтительным улучшенным вариантом настоящего изобретения устройства регулирования мощности включают первое и второе сопряженные друг с другом устройства регулирования мощности таким образом, что образуют модуль регулирования мощности, причем разрядные сопротивления первого и второго устройств регулирования мощности коммутирует заданный постоянный электрический потенциал на центровой потенциал между точками соединения первого и второго устройств регулирования мощности.
Предпочтительно, когда разные устройства теплоотвода разных силовых модулей замкнуты на разных, задаваемых постоянных электрических потенциалах независимо друг от друга.
В соответствии с еще одним предпочтительным улучшенным вариантом настоящего изобретения, по меньшей мере, одно устройство теплоотвода дополнительно электрически присоединено к соединительному устройству, которое электрически связывает, по меньшей мере, два силовых полупроводниковых элемента устройства регулирования мощности.
С помощью подобной схемы решается задача изобретения, а именно обеспечить при электрическом регулировании мощности эффективный отвод тепла, причем требуется малое количество компонентов и одновременно достигается высокая устойчивость к электрическому пробою.
На чертежах представлен и далее подробно раскрыт пример варианта исполнения.
На чертежах изображены:
На фиг.1 - традиционная схема электрического регулирования мощности с единственным устройством теплоотвода;
На фиг.2 - традиционная схема электрического регулирования мощности с несколькими плавающими устройствами теплоотвода; и
На фиг.3 - устройство регулирования мощности с электрически подключенными устройствами теплоотвода в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Одинаковые ссылки на чертежах описывают одни и те же или сходные по функциям компоненты или этапы.
Далее описывается пример варианта исполнения настоящего изобретения согласно фиг.3.
На фиг.3 наглядно показана схема для электрического регулирования мощности для одной фазы. Для электрических трехфазных сетей требуется схема, которая включает три фазных цепи, как показано на фиг.3. Для наглядной демонстрации схемы охлаждения в соответствии с изобретением для схемы для электрического регулирования мощности достаточно рассмотреть одну фазу согласно фиг.3.
Принцип, лежащий в основе изобретения, базируется на том, что не предусматривается ни единое устройство теплоотвода, присоединенное к потенциалу корпуса, как показано на фиг.1 со ссылкой на первую традиционную схему, ни большое количество отдельных устройств теплоотвода (по две штуки на модуль регулирования мощности), которые должны располагаться на свободно плавающем потенциале, как показано выше на фиг.2 другой традиционной схемы для электрического регулирования мощности.
Как показано на фиг.3, одна фаза схемы для электрического регулирования мощности в соответствии с изобретением имеет три устройства 101a, 101b и 101с теплоотвода. Указанные три устройства 101a, 101b, 101c теплоотвода не подключены к потенциалу 102 корпуса и не являются свободно плавающими. Кроме того, в соответствии со схемой согласно фиг.3 основная идея изобретения заключается в том, что устройства 101a-101c теплоотвода замыкаются на заданный постоянный потенциал, т.е. на электрические потенциалы 103a, 103b и 103c устройств 101a, 101b и 101c соответственно по отношению к потенциалу сравнения, т.е. потенциалу 102 корпуса.
Схема регулирования мощности состоит из трех отдельных идентифицируемых блоков, т.е. модулей 200а, 200b и 200с регулирования мощности. Каждый из модулей 200 регулирования мощности имеет первое и второе устройства 201, 202 регулирования мощности, охлаждаемые посредством соответствующих устройств 101a-101c теплоотвода.
Таким образом, первое и второе устройства 201a, 202a регулирования мощности расположены на первом устройстве 101a теплоотвода и соединены с ним с возможностью проводить тепло, первое и второе устройства 20lb, 202b регулирования мощности расположены на втором устройстве 101b теплоотвода и соединены с ним с возможностью проводить тепло, в то время как первое и второе устройства 201c или 202c регулирования соединены с третьим устройством 101с теплоотвода с возможностью проводить тепло. Кроме того, соответствующие устройства 101a, 101b, 101c теплоотвода электрически изолированы от соответствующих устройств 201a, 202a, 20lb, 202b, 201c, 202c регулирования мощности, вследствие чего достигается то преимущество, что можно добиться дальнейшего уменьшения нагрузки по напряжению между силовыми полупроводниковыми элементами T1a, T2a, T3a, T4a, T1b, T2b, T3b, T4b, T1c, T2c, T3c, T4c соответствующих устройств 201a, 202a, 20lb, 202b, 201c, 202c регулирования мощности и соответствующими устройствами 101a, 101b, 101c теплоотвода.
Первое и второе устройства 201 и 202 регулирования мощности собраны из последовательного включения силовых полупроводниковых элементов (например, биполярных транзисторов с изолированным затвором), причем первые подключения устройств регулирования мощности электрически соединены общей точкой, в то время как первый и второй узлы 104a и 105a подключения связаны посредством последовательного включения двух сопротивлений R1, R2.
Следует отметить, что ссылки на три отдельных идентифицируемых модуля 200a, 200b, 200c регулирования мощности снабжены прописными буквами a, b, c для указания принадлежности к соответствующему модулю регулирования мощности.
В соответствии с изобретением разрядные сопротивления R1, R2, служащие для разрядки соответствующих конденсаторов (устройств конденсаторов) C1, C2, образуют делитель напряжения, причем средний отвод на точке сопряжения двух сопротивлений R1 и R2 или R3 и R4 или R5 и R6 соответственно образует центровой потенциал, к которому присоединяются соответствующие устройства 101a, 101b и 101c теплоотвода.
В дальнейшем предполагается, что потенциал 102 корпуса составляет 0 В. В этом случае создается напряжение промежуточного контура +Е/2, которое поступает на первый узел 104a подключения первого устройства 201a регулирования мощности первого модуля 200a регулирования мощности, в то время как отрицательное напряжение промежуточного контура (-Е/2) поступает на второй узел 105b подключения второго устройства 202b регулирования мощности второго модуля 200b регулирования мощности.
Второе соединительное устройство 107c, электрически связывающее, по меньшей мере, два силовых полупроводниковых элемента T3c, T4c устройства 202 с регулирования мощности, обозначается в качестве точки центрового потенциала и электрически связано с устройством 101c теплоотвода.
За счет соответствующих делителей напряжения, образованных в предпочтительном примере варианта исполнения настоящего изобретения с помощью равных сопротивлений, т.е. R1=R2 и R3=R4, получается, что соответствующие устройства 101a, 101b теплоотвода замкнуты на электрический потенциал 103a или 103b, равный 1/4 напряжения промежуточного контура (E/4) относительно потенциала 102 корпуса (0 В).
Кроме того, предусмотрены устройства X1, X2 и X3 регистрации опорного потенциала, с которых можно собрать соответствующие опорные потенциалы силового модуля 200a относительно электрического потенциала 103a устройства 101 теплоотвода.
За счет этого решается задача изобретения, а именно обеспечение высокой устойчивости к электрическому пробою при одновременном уменьшении количества необходимых компонентов (в частности, устройств 101a-101c теплоотвода).
Изображенная на фиг.3 схема компоновки устройств регулирования мощности и устройств теплоотвода может давать особые преимущества при применении в схемах со следующими конфигурационными топологиями:
- трехуровневая с коммутацией с фиксированной нейтралью (3LNPC);
- трехуровневая с коммутацией с активной нейтралью (ANPC);
- 5-ти уровневая топология ABB (ABB5L).
В частности, описанная с помощью фиг.3 схема подключения и схема охлаждения согласно вышеописанному примеру варианта исполнения пригодна для эксплуатации при среднем напряжении.
Хотя настоящее изобретение было описано выше с помощью предпочтительного примера исполнения, оно не ограничивается этим примером, а может быть модифицировано разными способами.
Также названные возможности применения не ограничивают использование настоящего изобретения.
Одинаковые ссылки на чертежах описывают одни и те же или сходные по функциям компоненты или этапы.
101a-101c
Устройство теплоотвода
102
Потенциал корпуса
103a-103c
Электрический потенциал устройства теплоотвода
104a-104c
Первый узел подключения
105a-105c
Второй узел подключения
200a, 200b, 200c
Модуль регулирования мощности
201a-201c
Первое устройство регулирования мощности
202a-202c
Второе устройство регулирования мощности
Е
Потенциал напряжения промежуточного контура
C1-C2
Конденсатор
R1-R6
Разрядное сопротивление
T1-T6
Силовой полупроводниковый элемент
X1-X3
Устройство регистрации опорного потенциала