МОДУЛЬ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
MODULE OF POWER SEMICONDUCTOR INSTRUMENTS

Изобретение относится к модулю, содержащему, по меньшей мере, два соединенных друг с другом блока управляемых силовых полупроводниковых приборов, при этом каждый блок силовых полупроводниковых приборов снабжен охлаждающей пластиной, с которой с возможностью провода тепла соединены управляемые полупроводниковые приборы.
Кроме того, изобретение относится к вентильной ветви преобразователя тока из последовательно включенных таких модулей с силовыми полупроводниковыми приборами, а также к преобразователю тока из таких вентильных ветвей преобразователя тока.
Такой блок силовых полупроводниковых приборов уже известен из DE 3032133. Раскрытый там блок силовых полупроводниковых приборов содержит находящиеся в контакте друг с другом за счет прижимания силовые полупроводниковые приборы, которые зажаты между двумя электродами. Один из электродов имеет соединения для охлаждающих трубопроводов и служит тем самым одновременно в качестве охлаждающей пластины.
Предлагаемые на рынке блоки с силовыми полупроводниковыми приборами уже, как правило, снабжены корпусом и охлаждающей пластиной. Известны также электрические соединения таких блоков. В ЕР 0845809 А2 приведено описание блока силовых полупроводниковых приборов, который имеет корпус с охлаждающей пластиной. Корпус заполнен пенопластом для приема сил взрыва в случае взрыва. На охлаждающей пластине расположены кристаллы силовых полупроводниковых приборов, при этом предусмотрены гибкие металлические проводники для соединения друг с другом кристаллов силовых полупроводниковых приборов. Известный блок силовых полупроводниковых приборов имеет тот недостаток, что его сложно соединять с другим блоком силовых полупроводниковых приборов в модуль с силовыми полупроводниковыми приборами, в результате чего получается требующая много пространства конструкция. В частности, при использовании в области техники высоких напряжений и сильных токов может происходить плавление гибких металлических проводников и образование электрической дуги с возникновением при этом взрывчатых газов. На основании этого не желательного источника опасности известный модуль с силовыми полупроводниковыми приборами не получил практического распространения в области передачи и распределения электроэнергии.
В основу изобретения положена задача создания модуля с силовыми полупроводниковыми приборами указанного в начале вида, который имеет компактную конструкцию и недорог в изготовлении, при этом одновременно обеспечивается защита в случае взрыва.
Задача решена, согласно изобретению, тем, что предусмотрен корпус модуля, в котором расположены блоки силовых полупроводниковых приборов, при этом охлаждающие пластины блоков силовых полупроводниковых приборов образуют, по меньшей мере, часть корпуса модуля.
Согласно изобретению, предлагается модуль с силовыми полупроводниковыми приборами, содержащий, по меньшей мере, два блока силовых полупроводниковых приборов. Полупроводниковые приборы каждого блока силовых полупроводниковых приборов с возможностью провода тепла соединены с охлаждающей пластиной, как это уже известно из уровня техники. Согласно изобретению, оба блока силовых полупроводниковых приборов расположены в общем корпусе модуля. При этом охлаждающая пластина каждого блока силовых полупроводниковых приборов образует ограничительную стенку корпуса модуля с силовыми полупроводниковыми приборами. Таким образом, модуль с силовыми полупроводниковыми приборами, согласно изобретению, составлен из нескольких блоков с силовыми полупроводниковыми приборами, при этом блоки силовых полупроводниковых приборов имеют, например, собственный корпус блока, в котором целесообразно расположены соединенные друг с другом кристаллы силовых полупроводниковых приборов. Модуль с силовыми полупроводниковыми приборами, согласно изобретению, включен, например, параллельно накопителю энергии. В этом случае модуль с силовыми полупроводниковыми приборами и накопитель энергии образуют совместно модуль ответвления, при этом такие модули ответвления включаются последовательно друг с другом с образованием вентильной ветви преобразователя тока. Такие вентильные ветви преобразователя тока служат в свою очередь в качестве фазного конструктивного элемента для так называемого многоуровневого полупроводникового преобразователя тока, который можно использовать, например, в области передачи и распределения электроэнергии. Кроме того, возможно также применение в области техники электропривода.
За счет того, что охлаждающие пластины блоков силовых полупроводниковых приборов являются одновременно также стенками корпуса для модуля с силовыми полупроводниковыми приборами, создается, согласно изобретению, компактный конструктивный элемент. Кроме того, как правило, механически стабильные охлаждающие пластины служат в качестве защиты от взрыва.
Управляемые силовые полупроводниковые приборы являются, например, выключаемыми силовыми полупроводниковыми приборами, такими как IGBT, GTO, IGCT или т.п., но также не выключаемыми силовыми полупроводниковыми приборами, такими как тиристоры. Блок силовых полупроводниковых приборов может в рамках изобретения иметь также силовые полупроводниковые приборы, такие как диоды, нулевые вентили или т.п., которые являются неуправляемыми.
Корпус модуля целесообразно имеет боковые стенки модуля, которые проходят между охлаждающими пластинами и которые выполнены из электрически не проводящего изолирующего материала, такого как, например, керамика, пластмасса или т.п. В отклонение от этого боковые стенки модуля в рамках изобретения также состоят из электрически проводящего материала.
Целесообразно, предусмотрены соединительные клеммы для соединения блоков силовых полупроводниковых приборов, при этом соединительные клеммы проходят, по меньшей мере, через одну из боковых стенок модуля. Таким образом, обеспечивается конструктивно простое соединение для модуля с силовыми полупроводниковыми приборами.
Предпочтительно, блоки силовых полупроводниковых приборов обращены друг к другу. Это обеспечивает преимущества как относительно распространения взрывных газов или горячих газов, так что силы взрыва воспринимаются механически прочными охлаждающими пластинами. Кроме того, обеспечивается также возможность простого соединения шин с соединительными клеммами.
Целесообразно, корпус модуля для дополнительного демпфирования в случае взрыва заполнен наполнителями, такими как, например, устойчивые к температуре пенопласты, пластмассы или т.п.
Предпочтительно, силовые полупроводниковые приборы соединены друг с другом гибкими металлическими проводниками. Такие блоки силовых полупроводниковых приборов предлагаются на рынке в большом разнообразии по невысоким ценам.
Предпочтительно, модуль с силовыми полупроводниковыми приборами имеет, по меньшей мере, один прочно соединенный с охлаждающей пластиной удерживающий венец, который образует выступающий вверх из охлаждающей пластины участок боковой стенки, который, по меньшей мере, частично охватывает блок силовых полупроводниковых приборов. За счет удерживающего венца, который состоит из механически прочного материала, например из металла или стали, обеспечивается дополнительная защита от взрыва.
Как уже указывалось выше, целесообразно, что такой модуль с силовыми полупроводниковыми приборами включен параллельно накопителю энергии, такому как, например, конденсатор, с образованием модуля вентильной ветви преобразователя тока. Последовательное включение модулей вентильной ветви преобразователя целесообразно образует вентильную ветвь преобразователя тока, которая соединена, например, через соединение переменного напряжения с одной фазой сети переменного тока и через соединение постоянного напряжения с промежуточным контуром постоянного напряжения. В этом случае последовательное соединение проходит между соединением переменного напряжения и соединением постоянного напряжения.
Другие целесообразные варианты выполнения и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых одинаково действующие конструктивные элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых изображено:
фиг.1 - пример выполнения модуля с силовыми полупроводниковыми приборами, согласно изобретению, в изометрической проекции; и
фиг.2 - поперечный разрез модуля с силовыми полупроводниковыми приборами, согласно фиг.1.
На фиг.1 показан пример выполнения модуля 1 с силовыми полупроводниковыми приборами, согласно изобретению, в изометрической проекции. Показанный модуль 1 с силовыми полупроводниковыми приборами имеет корпус 2 модуля, который состоит из верхней стенки 3 корпуса модуля, нижней стенки 4 корпуса модуля, а также боковых стенок 5 корпуса модуля. Для механического соединения стенок 3, 4 корпуса модуля и боковых стенок корпуса модуля предусмотрены профильные планки 6, которые неподвижно свинчены с соответствующими стенками. Для электрического соединения модуля 1 с силовыми полупроводниковыми приборами предусмотрены передние соединительные клеммы 7 и 8, а также задние соединительные клеммы 9 и 10. Соединительные клеммы 8 и 10 лежат на потенциале земли, в то время как соединительные клеммы 7 и 9 находятся на сравнительно более высоком потенциале, например, 1 кВ.
На фиг.2 модуль 1 с силовыми полупроводниковыми приборами, согласно фиг.1, показан в поперечном разрезе, в котором можно лучше видеть верхнюю стенку 3 корпуса модуля, нижнюю стенку 4 корпуса модуля, а также боковые стенки 5 корпуса модуля. В частности, показано, что верхняя стенка 3 корпуса модуля и нижняя стенка 4 корпуса модуля соединены каждая с одним блоком 11 силовых полупроводниковых приборов. Каждый из блоков 11 силовых полупроводниковых приборов имеет внутри схематично изображенные силовые полупроводниковые приборы, которые соединены друг с другом через гибкие металлические проводники или другие проводящие элементы. Для соединения блоков 11 силовых полупроводниковых приборов с соединительными клеммами 7, 8, 9, 10 служат выводы 12. Электрическое соединение выводов 12 со схематично показанными на фиг.2 силовыми полупроводниковыми приборами или кристаллами силовых полупроводниковых приборов не изображены на фиг.2 по соображениям наглядности. Неизображенное соединение может быть любым в рамках изобретения.
Блоки 11 силовых полупроводниковых приборов выполнены идентично и расположены обращенно друг к другу, так что их силовые полупроводниковые приборы или кристаллы силовых полупроводниковых приборов с возможностью провода тепла соединены с верхней стенкой 3 корпуса модуля, соответственно, с нижней стенкой 4 корпуса модуля. Указанные стенки 3, 4 корпуса модуля служат одновременно в качестве охлаждающих пластин 3, 4 силовых полупроводниковых приборов блоков 11 силовых полупроводниковых приборов. Другими словами, необходимые и без того для работы блоков 11 силовых полупроводниковых приборов охлаждающие пластины 3, 4 образуют одновременно верхнюю, соответственно, нижнюю ограничительную стенку модуля 1 с силовыми полупроводниковыми приборами. Таким образом, создан экономичный корпус 2 модуля. При этом компактный и экономичный корпус 2 образует одновременно защиту от взрыва.
Блоки 11 силовых полупроводниковых приборов являются обычными предлагаемыми на рынке блоками с силовыми полупроводниковыми приборами, которые в свою очередь имеют, как правило, корпус блока, в котором расположены кристаллы силовых полупроводниковых приборов в качестве силовых полупроводниковых приборов. В показанном примере выполнения изобретения кристаллы силовых полупроводниковых приборов блоков 11 силовых полупроводниковых приборов соединены друг с другом частично через гибкие металлические проводники. На основе этого соединения кристаллов силовых полупроводниковых приборов блоков 11 может происходить при высоких токах короткого замыкания оплавление гибких металлических проводников с образованием электрической дуги. Электрическая дуга высвобождает взрывчатые газы, которые на основании обращенного друг к другу расположения блоков 11 силовых полупроводниковых приборов направлены по существу к стабильной противоположной охлаждающей пластине 3, 4 в качестве верхней и нижней стенки корпуса.
Каждый блок 11 силовых полупроводниковых приборов окружен удерживающим венцом 13, который своим фланцевым участком неподвижно привинчен к соответствующей охлаждающей пластине 3, 4. Выступающий вверх от соответствующей охлаждающей пластины 3, 4 участок боковой стенки удерживающего венца 13 окружает соответствующий блок 11 силовых полупроводниковых приборов и тем самым образует дополнительную защиту от взрыва. Удерживающие венец 13 выполнен, например, из стали.
Для дальнейшего повышения защищенности от взрыва модуля с силовыми полупроводниковыми приборами между выводами 12 блоков 11 силовых полупроводниковых приборов предусмотрено наполнительное пространство 14, в котором расположен теплостойкий наполнительный материал. Наполнительный материал является, например, непроводящей теплостойкой пластмассой. В случае взрыва наполнительный материал деформируется и при этом поглощает освободившуюся при взрыве энергию.
Боковые стенки 5 модуля выполнены в показанном примере выполнения из непроводящего изолирующего материала, например армированной стекловолокном пластмассы, при этом, однако, возможно использование также металлических, т.е. электрически проводящих материалов для боковых стенок 5 модуля. Через боковые стенки 5 модуля проходит соединительная клемма 7, соответственно, соединительные клеммы 9 и 10, так что обеспечивается простое соединение снаружи модуля 1 с силовыми полупроводниковыми приборами. В случае электрически проводящих боковых стенок 5 модуля соединительные клеммы 7, которые лежат на потенциале, который отличается от потенциала пронизываемых боковых стенок 5 модуля, изолированы от указанной боковой стенки 5 модуля с помощью подходящих изолирующих блоков. В целесообразной модификации изобретения предлагаемые на рынке на боковой стенке 5 модуля закреплены проходные элементы, которые обеспечивают изолированное прохождение соединительных клемм 7 через соответствующую боковую стенку 5 модуля.
Модуль 1 с силовыми полупроводниковыми приборами предпочтительно параллельно соединен с конденсатором или другим накопителем энергии, при этом параллельное соединение из модуля 1 с силовыми полупроводниковыми приборами и накопителя энергии образует модуль ответвления. Последовательное соединение модулей ответвления образует в свою очередь ветвь преобразователя тока, который является частью многоуровневого преобразователя тока. Такие многоуровневые преобразователи энергии применяются, например, при высоковольтной электропередаче постоянного тока.