СИЛОВОЙ ЭЛЕМЕНТ НА ПЕЧАТНОЙ МОНТАЖНОЙ ПЛАТЕ
POWER COMPONENT ON PRINTED MOUNTING BOARD

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Эта заявка испрашивает приоритет Предварительной заявки No.61/839,430, зарегистрированной 26 июня 2013 в Бюро по Патентам и Товарным знакам США, содержание которой полностью включено здесь посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Объекты настоящего изобретения относятся к системе и способу для многоэлементного источника электропитания и, в частности, к системам и способам построения и компоновки однофазного выходного силового элемента на печатной монтажной плате, который может быть использован в модульном приводе двигателя среднего напряжения.
2. ОПИСАНИЕ ТЕХНИКИ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ
Имеющиеся в настоящее время многоэлементные источники электропитания включают в себя силовые элементы, которые используют электрические полосовые шины, выполненные или из алюминия, или из меди, чтобы создать шину постоянного тока (DC) и подключить DC шину к полупроводниковым модулям в силовом элементе. Имеющиеся в настоящее время силовые элементы, используемые в приводах двигателей с варьирующимися оборотами, включают в себя печатные монтажные схемы (PCB), которые содержат только электрическую схему для управления силовыми элементами.
В дополнение к PCB, силовые элементы включают в себя множество отдельных частей, которые должны быть собраны в процедуре, отнимающей много времени. Физическое размещение этих отдельных частей в имеющихся в настоящее время силовых элементах приводит к относительно большой индуктивности DC шины, что приводит к увеличенной нагрузке на полупроводниковые устройства и, следовательно, к меньшей эффективности использования устройства. Соответственно необходимы и желательны усовершенствования имеющихся конструкций для снижения уровня индуктивности DC шины и для снижения трудоемкости и стоимости окончательной сборки силовых элементов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним вариантом реализации, силовой элемент на печатной монтажной плате, имеющий печатную монтажную плату, включает в себя DC шину, расположенную в пределах печатной монтажной платы. Силовой элемент на печатной монтажной плате включает в себя множество конденсаторов, соединенных с DC шиной, вход трехфазного переменного тока (трехфазный AC вход), расположенный на печатной монтажной плате, и однофазный AC выход, расположенный на печатной монтажной плате. Силовой элемент на печатной монтажной плате также включает в себя силовой модуль, соединенный с DC шиной, трехфазный AC вход и однофазный AC выход, причем силовой модуль принимает подводимое трехфазное AC электропитание через трехфазный AC вход и в ответ выводит однофазное AC электропитание через однофазный AC выход.
В соответствии с одним вариантом реализации, силовой элемент на печатной монтажной плате включает в себя печатную монтажную плату, включающую в себя DC шину, расположенную в пределах печатной монтажной платы. Силовой элемент на печатной монтажной плате также включает в себя множество конденсаторов, соединенных с DC шиной, множество резисторов большой мощности, причем каждый резистор из множества резисторов большой мощности соединяется с одним из множества конденсаторов, и трехфазный AC вход, расположенный на печатной монтажной плате. Силовой элемент на печатной монтажной плате дополнительно включает в себя однофазный AC выход, расположенный на печатной монтажной плате, силовой модуль, соединенный с DC шиной, трехфазный AC вход и однофазный AC выход, причем силовой модуль принимает подводимое трехфазное AC электропитание через трехфазный AC вход и в ответ выводит однофазное AC электропитание через однофазный AC выход, и теплоотводящий радиатор, сконфигурированный для рассеивания тепла, создаваемого силовым модулем.
Дополнительные признаки и преимущества реализуются с помощью методик настоящего изобретения. Другие варианты реализации и объекты изобретения описываются здесь подробно и являются основой заявляемого изобретения. Для лучшего понимания изобретения, с его преимуществами и признаками, следует обратиться к описанию и к чертежам.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предмет, который рассматривается как изобретение, конкретно указан и ясно сформулирован в формуле в конце спецификации. Вышеуказанные и другие признаки и преимущества изобретения будут очевидны из следующего подробного описания, рассматриваемого вместе с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг. 1A изображает блок-схему известного ранее многоэлементного источника электропитания;
Фиг. 1B - блок-схема другого известного ранее многоэлементного источника электропитания;
Фиг. 2 – перспективный вид сверху силовых элементов на печатной монтажной плате в соответствии с примерным вариантом реализации настоящего изобретения;
Фиг. 3 - первый вид сбоку силовых элементов на печатной монтажной плате на Фиг. 2 в соответствии с примерным вариантом реализации настоящего изобретения;
Фиг. 4 - второй вид сбоку силовых элементов на печатной монтажной плате на Фиг. 2, 3 в соответствии с примерным вариантом реализации настоящего изобретения;
Фиг. 5 – принципиальная схема силового элемента в соответствии с примерным вариантом реализации настоящего изобретения;
Фиг. 6 - принципиальная схема силового элемента в соответствии с примерным вариантом реализации настоящего изобретения; и
Фиг. 7 и 8 - принципиальные схемы участка силовых элементов в соответствии с примерными вариантами реализации настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Если описывать кратко, то объекты настоящего изобретения относятся к силовому элементу на печатной монтажной плате, который может быть использован в многоэлементном источнике электропитания, таком как привод двигателя среднего напряжения. Объекты настоящего изобретения также относятся к системам и способам построения и компоновки силового элемента на печатной монтажной плате с трехфазным входом и однофазным выходом электропитания.
В данном случае, "среднее напряжение" - это напряжение большее чем приблизительно 690 В и меньшее чем приблизительно 69 кВ, и "низкое напряжение" - это напряжение меньшее, чем приблизительно 690 В. Специалисты в данной области техники поймут, что другие уровни напряжения могут быть определены как "среднее напряжение" и "низкое напряжение." Например, в некоторых вариантах реализации, "среднее напряжение" может быть напряжением между приблизительно 1 кВ и приблизительно 69 кВ, и "низкое напряжение" может быть напряжением меньше чем приблизительно 1 кВ.
Например, на Фиг. 1A и 1B показаны ранее известные многоэлементные источники 10 электропитания, которые принимают трехфазное электропитание от AC источника, и подают электропитание на нагрузку 12 (например, трехфазный AC двигатель). Как показано на Фиг. 1A, многоэлементный источник 10 электропитания включает в себя трансформатор 14, силовую схему 16, и контроллер 18. Трансформатор 14 включает в себя первичную обмотку, которая возбуждает девять вторичных обмоток, и силовая схема 16 включает в себя силовые элементы 26, которые связаны с вторичными обмотками, соответственно, трансформатора 14. Силовые элементы 26 рассчитаны на более низкие напряжения и сконфигурированы для обеспечения среднего выходного напряжения для нагрузки 12. В частности, каждая выходная фаза силовой схемы 16 подается группой последовательно соединенных силовых элементов 26. Выходы силовых элементов 26 связаны последовательно в первую фазовую группу, вторую фазовую группу, и третью фазовую группу. Каждое фазовое выходное напряжение представляет собой сумму выходных напряжений силовых элементов 26 в фазовой группе. В этом отношении, силовая схема 16 подает среднее выходное напряжение на нагрузку 12, используя силовые элементы 26, рассчитанные на более низкое напряжение, которые включают в себя компоненты, соответствующие стандартам меньшего напряжения. Каждый силовой элемент 26 связан (например, через оптоволоконный канал связи) с контроллером 18, который может использовать обратную связь по току и обратную связь по напряжению для управления последовательной работой силовых элементов.
Как показано на Фиг. 1B, многоэлементный источник 10 электропитания включает в себя трехфазный AC источник 20 электропитания, силовую схему 16 и контроллер 18. Трехфазный AC источник 20 электропитания включает в себя два диодных моста 22, каждый из которых соединяется на стороне AC напряжения с вторичными обмотками трансформатора силового преобразователя 24, и соединяются электрически последовательно на стороне DC напряжения. Шины положительного и отрицательного DC напряжения предоставляются для параллельного подключения этих фазовых групп. Силовая схема 16 включает в себя силовые элементы 28, которые связаны с шиной DC напряжения, созданной источником 20 электропитания. Силовые элементы 28 рассчитаны на более низкое напряжение и сконфигурированы для обеспечения среднего выходного напряжения на нагрузке 12. Хотя нагрузка 12 показана как находящаяся в пределах многоэлементного источника 10 электропитания, нагрузка 12 не является частью многоэлементного источника 10 электропитания. Фактически нагрузка 12 отделена от многоэлементного источника 10 электропитания и соединяется с, многоэлементным источником 10 электропитания, как более ясно показано на Фиг. 1A. В частности, каждая выходная фаза силовой схемы 16 подается группой последовательно соединенных силовых элементов. Силовые элементы 28 связываются последовательно в первую фазовую группу, вторую фазовую группу, и третью фазовую группу. Каждое фазовое выходное напряжение представляет собой сумму выходных напряжений силовых элементов в фазовой группе. В этом отношении, силовая схема 16 подает среднее выходное напряжение на нагрузку 12, используя силовые элементы, рассчитанные на более низкое напряжение, которые включают в себя компоненты, соответствующие стандартам низкого напряжения. Каждый силовой элемент связан (например, через оптоволоконный канал связи) с контроллером 18, который использует обратную связь по току и обратную связь по напряжению для управления работой силовых элементов.
Следует отметить, что на Фиг. 1A и 1B число силовых элементов 26, 28 в каждой фазовой группе может быть между 2 и 12, чтобы обеспечить различные средние выходные напряжения, как требуется нагрузкой 12. В одном варианте реализации на Фиг. 1A, число вторичных обмоток трансформатора 14 соответствует числу силовых элементов 26. В различных вариантах реализации на Фиг. 1B, число диодных мостов и вторичных обмоток трансформатора может варьироваться от 1 до 6, чтобы отсечь гармоническую составляющую на первичной стороне трансформатора. Специалисты в данной области техники увидят, что другие количества элементов и диодных мостов могут быть использованы в зависимости от применения, и что показанные и описанные здесь конфигурации являются по существу примерными.
На Фиг. 2-4 показаны различные виды силового элемента 100 на печатной монтажной плате в соответствии с примерным вариантом реализации. В примерных вариантах реализации, силовой элемент 100 на печатной монтажной плате включает в себя печатную монтажную плату (PCB) 110, которая может быть многослойной PCB или однослойной PCB. Как лучше всего показано на Фиг. 2, силовой элемент 100 на печатной монтажной плате также включает в себя трехфазный AC вход 102 и однофазный AC выход 104, каждый из которых расположен на первой поверхности PCB 110. В примерных вариантах реализации, силовой элемент 100 на печатной монтажной плате также включает в себя теплоотводящий радиатор 108, расположенный на второй поверхности PCB 110, противоположной первой поверхности.
В примерных вариантах реализации, как лучше всего показано на Фиг. 4, трехфазный AC вход 102 соединен с PCB 110 и с теплоотводящим радиатором 108 посредством силового модуля 114. Аналогично, однофазный AC выход 104 соединен с PCB 110 и с теплоотводящим радиатором 108 посредством силового модуля 116. В различных вариантах реализации, силовые модули 114, 116 могут быть объединены в единственный силовой модуль или силовые модули 114, 116 могут быть осуществлены как отдельные устройства, как показано, или как комбинация меньших модулей последовательно и/или параллельно. В примерных вариантах реализации, теплоотводящий радиатор 108 сконфигурирован для рассеивания тепла, создаваемого силовыми модулями 114, 116. Теплоотводящий радиатор 108 может быть охлаждаемым жидкостью теплоотводящим радиатором или охлаждаемым воздухом теплоотводящим радиатором, и может быть выполнен из любого подходящего материала.
В примерных вариантах реализации, силовой элемент 100 на печатной монтажной плате также включает в себя множество конденсаторов 106, каждый из которых соединяется с PCB 110. Конденсаторы 106 могут включать в себя, но без ограничения, электролитические конденсаторы и пленочные конденсаторы. В различных вариантах реализации число, тип и размещение множества конденсаторов 106 может варьироваться в зависимости от конденсаторной технологии и желаемых рабочих параметров силового элемента 100 на печатной монтажной плате. В примерных вариантах реализации, силовой элемент 100 на печатной монтажной плате также включает в себя множество резисторов 112 большой мощности, которые соединяются с одним или несколькими конденсаторами из множества конденсаторов 106. В примерных вариантах реализации, множество конденсаторов 106 может быть расположено на второй поверхности PCB 110, и множество резисторов 112 большой мощности может быть расположено на первой поверхности PCB 110. В других вариантах реализации, резисторы 112 могут быть расположены на той же самой стороне PCB 110, что и конденсаторы 106, или резисторы 112 могут быть расположены не на плате. Показанное количество и конфигурация резисторов 112 являются по существу примерными, и может быть использовано любое количество или конфигурация резисторов 112. Плата PCB 110 включает в себя DC шину, которая соединяет каждый из множества конденсаторов 106 с силовыми модулями 114, 116. В примерных вариантах реализации, шина DC может включать в себя соответствующие проводящие дорожки, которые расположены либо в пределах, и/или на PCB 110. Кроме того, шина DC может включать в себя отдельно прикрепленные проводники, которые присоединены к PCB, чтобы позволить протекание большого тока.
В одном варианте реализации, силовой элемент 100 на печатной монтажной плате может также включать в себя источник 120 электропитания и блок 122 управления. Источник 120 электропитания силового элемента 100 на печатной монтажной плате может быть соединен с DC шиной в PCB 110. Источник 120 электропитания сконфигурирован для преобразования DC электропитания, принятого от DC шины, и для обеспечения низковольтного DC электропитания для блока 122 управления.
В примерных вариантах реализации, блок 122 управления может быть расположен на отдельной PCB и может быть соединен с PCB 110. В одном варианте реализации, это соединение может быть выполнено через крепление на PCB 110, посредством которого блок 122 управления монтируется на PCB 110. В примерном варианте реализации, блок 122 управления может сопрягаться с главным контроллером привода двигателя среднего напряжения. Сопряжение может быть выполнено через оптоволоконные кабели, и он может принимать команды управления для силового элемента 100 на печатной монтажной плате. В примерных вариантах реализации, блок 122 управления сконфигурирован для связи через интерфейс и может передавать данные на привод двигателя среднего напряжения относительно состояния силового элемента 100 на печатной монтажной плате. Кроме того, блок 122 управления может принимать команды от привода двигателя среднего напряжения относительно режима работы силовых элементов 100 на печатной монтажной плате. Блок 122 управления может также производить диагностические данные и передавать их на главный контроллер привода двигателя среднего напряжения.
В примерных вариантах реализации, силовые модули 114, 116 соединяются с множеством конденсаторов 106 DC шиной, расположенной на PCB 110. В примерных вариантах реализации, силовой модуль 114 предназначен для приема входного трехфазного AC электропитания от трехфазного AC входа 102, преобразования его в желаемое DC электропитание и предоставления DC электроэнергии на один или несколько конденсаторов 106 через DC шину на PCB 110. В примерных вариантах реализации, силовой модуль 116 предназначен для приема DC электропитания от одного или нескольких конденсаторов 106 через DC шину на PCB 110 и сформировать DC электропитание желаемого уровня до его предоставления на однофазный AC выход 104.
В примерных вариантах реализации, силовой модуль 114 включает в себя конечный модуль преобразователя, который может, например, и без ограничения, быть диодами, тиристорами или транзисторами для двухквадрантных приводов или четырехквадрантных приводов соответственно. Силовой модуль 116 включает в себя конечный модуль инвертора с транзисторами и контрольными выводами транзистора, которые могут быть соединены с PCB. В примерных вариантах реализации, подключение к PCB может включать в себя, но без ограничения, подключение с тугой посадкой, подключение с помощью винта, и/или подключение пайкой. В некоторых примерных вариантах реализации, модуль преобразователя может не требоваться на основании выбора конечного модуля инвертора, как описано здесь и показано на Фиг. 1B.
На Фиг. 5 и 6 показаны примерные принципиальные схемы силовых модулей 114, 116 в пределах силовых элементов 26 многоэлементного источника электропитания, показанного на Фиг. 1A. На Фиг. 7 и 8 показаны примерные принципиальные схемы силового модуля 116 в пределах силовых элементов 28 многоэлементного источника электропитания, показанного на Фиг. 1B. Эти принципиальные схемы могут быть реализованы с печатной монтажной платой, как описано и представлено здесь исключительно в иллюстративных целях. Специалисты в данной области техники увидят, что большое разнообразие альтернативных схем и компонентов может быть использован для достижения желаемых технических эффектов. В случае, если силовой модуль 116 включает в себя схемы, показанные на Фиг. 7 и 8, то выпрямительный модуль 114 не вводится и, следовательно, трехфазный AC вход не принимается непосредственно в элемент.
На Фиг. 5 показана принципиальная схема силового элемента 200 в соответствии с примерным вариантом реализации. Как показано, силовой элемент 200 включает в себя диодный мост 214, который соединяется с трехфазным AC входом 202 и H-мостовым инвертором 216, который соединяется с однофазным AC выходом 204. Диодный мост 214 принимает трехфазное AC электропитание и преобразовывает его в DC электропитание. В примерных вариантах реализации, силовой элемент 200 также включает в себя конденсатор 206, который соединяется и с диодным мостом 214, и с H-мостовым инвертором 216, В примерных вариантах реализации, хотя конденсатор 206 показан как единственный конденсатор 206, специалисты в данной области техники увидят, что конденсатор 206 может включать в себя множество конденсаторов в последовательной/параллельной комбинации. В примерных вариантах реализации, диодный мост 214 включает в себя множество диодов 230, и Е1-мостовой инвертор 216 включает в себя множество диодов 232 и транзисторов 234. В примерных вариантах реализации, показанная диодная конфигурация диодного моста 214 может также быть реализована с использованием тиристоров. В примерных вариантах реализации, транзисторы 234 могут быть транзисторами FBI, BJT, IGBT или подобными.
На Фиг. 6 показана принципиальная схема силового элемента 300 в соответствии с примерным вариантом реализации. Как показано, силовой элемент 300 включает в себя активный входной преобразователь 314, который соединен с трехфазным AC входом 302 и с H-мостовым инвертором 316, который соединен с однофазным AC выходом 304. Активный входной преобразователь 314 принимает трехфазное AC электропитание и преобразовывает его в DC электропитание. В примерных вариантах реализации, силовой элемент 300 также включает в себя конденсатор 306, который соединен и с первым участком 314 и со вторым участком 316. В примерных вариантах реализации, хотя конденсатор 306 показан как единственный конденсатор 306, специалисты в данной области техники поймут, что конденсатор 306 может включать в себя множество конденсаторов в последовательной/параллельной комбинации. В примерных вариантах реализации, Активный Входной преобразователь 314 и Н-мостовой инвертор 316 включает в себя множество диодов 332 и транзисторов 334. В примерных вариантах реализации, транзисторы 334 могут быть транзисторами FET, BJT, IGBT или подобными.
На Фиг. 7 и 8 показаны принципиальные схемы одинарного полумостового преобразователя 450 и двойного полумостового преобразователя 400 в соответствии с примерным вариантом реализации, соответственно. В примерных вариантах реализации, полумостовые преобразователи 400, 450 также включают в себя один или более конденсаторов 406. В примерных вариантах реализации, каждый конденсатор 406 может включать в себя множество конденсаторов в последовательной/параллельной комбинации. В примерных вариантах реализации, двойной полумостовой преобразователь и одинарный полумостовой преобразователь включают в себя множество диодов 432 и транзисторов 434. В примерных вариантах реализации, транзисторы 434 могут быть транзисторами FET, BJT, IGBT или подобными. В примерных вариантах реализации полумостовые преобразователи 400, 450 могут быть использованы как силовой модуль 16, показанный на Фиг. 2-4. В других вариантах реализации, где желателен 4Q режим, многоэлементный источник электропитания на Фиг. 1B будет использовать каскад преобразователя, подобный силовой схеме 16, вместо диодных мостов 22 и силового трансформатора 24.
В примерных вариантах реализации, стоимость и сложность производства силового элемента 100 на печатной монтажной плате уменьшена, по сравнению с традиционными силовыми элементами, вследствие сокращения числа собираемых частей. Кроме того, сокращение числа компонентов приводит к упрощению процедур, используемых для тестирования силового элемента 100 на печатной монтажной плате, по сравнению с традиционными силовыми элементами. Стоимость всех компонентов силовых элементов достаточно постоянна на рынке, и главная варьирующаяся стоимость в производстве силовых элементов - работа, требуемая при конструировании и тестировании силовых элементов. В примерных вариантах реализации, при использовании PCB, а не традиционных полосковых шин, для соединения силовых модулей и конденсаторов силового элемента, трудовые затраты, связанные с производством силового элемента, могут быть сокращены.
В дополнение к сниженным трудовым затратам, процесс конструирования силового элемента на PCB также менее подвержен ошибкам, по сравнению со сборкой традиционных силовых элементов. При малой мощности, большая часть паразитных межсоединений может быть минимизирована при конструировании PCB, делая подобными рабочие параметры у одного силового элемента на PCB, и у другого. В существующем производстве силового элемента, человеческий фактор всегда оказывается существенным при сборке межсоединений схемы. Например, неумышленная неправильная сборка схем может изменить параметры работы соединительной шины. В некоторых случаях, изменение параметров работы соединительной шины может привести к перенапряжению IGBT, а также увеличить потери, создаваемые IGBT. В примерных вариантах реализации, надежность силового элемента 100 на печатной монтажной плате увеличивается, по сравнению с традиционными силовыми элементами, вследствие снижения индукции рассеяния DC шины, по сравнению с традиционными силовыми элементами.
Используемая здесь терминология служит исключительно для описания конкретных вариантов реализации и не предназначена для ограничения изобретения. В данном контексте, выражения в единственном числе предполагают также и множественные варианты, если в контексте явно не указано иначе. Следует также понимать, что выражения "содержит" и/или "содержащий" при использовании в данной спецификации, определяют наличие установленных признаков, целых частей, этапов, операций, элементов, и/или компонентов, но не противоречит наличию или добавлению одного или более других признаков, целых частей, этапов, операций, компонентов, элементов, и/или групп этого.
Соответствующие структуры, материалы, действия и эквиваленты любого средства или этапа, плюс функциональные элементы в нижеприведенной формуле предполагают включение в себя любой структуры, материала или действия для выполнения функции в комбинации с другими заявленными элементами, как это конкретно сформулировано. Описание настоящего изобретения было представлено в целях иллюстрации и пояснения, и не является исчерпывающим или ограничивающим изобретение в раскрытой форме. Много модификаций и вариаций будут очевидны специалистам в данной области техники, без отступления от объема притязаний и существа изобретения. Вариант реализации был выбран и описан для наилучшего пояснения принципов изобретения и практического применения, и для предоставления возможности другим специалистам в данной области техники понять, что изобретение для различных вариантов реализации с различными модификациями также подходит, как и для конкретного варианта реализации.
Описываемые компоненты и материалы, как составляющие различных вариантов реализации, являются иллюстративными и не ограничительными. Много подходящих компонентов и материалов, которые выполнили бы те же самые или подобные функции, что и описанные здесь материалы, предполагаются охваченными в рамках вариантов реализации настоящего изобретения. Хотя варианты реализации настоящего изобретения были раскрыты в примерных формах, специалистам в данной области техники будет очевидно, что много модификаций, добавлений и исключений могут быть при этом сделаны, не отступая от существа и объема притязаний изобретения и его эквивалентов, как это сформулировано в нижеследующей формуле.