ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ОХЛАЖДАЕМОЙ БАТАРЕЕЙ КОНДЕНСАТОРОВ
VOLTAGE CONVERTER WITH COOLED CAPACITOR BANK

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к полупроводниковым преобразователям постоянного напряжения (инверторам), используемым в системах автономного электроснабжения и регулируемом электроприводе.
Неотъемлемой частью полупроводниковых преобразователей переменного или постоянного напряжения является батарея конденсаторов в звене постоянного тока и система силовых токопроводящих шин.
Создание на входе инвертора значительной электрической емкости с помощью батареи фильтрующих конденсаторов направлено на компенсацию опасных перенапряжений и сглаживание низкочастотных пульсаций напряжения, обусловленных коммутацией полупроводниковых элементов преобразователя. При этом батарея конденсаторов в звене постоянного тока обеспечивает низкоомную электрическую цепь для протекания импульсных токов, формируемых в процессе коммутации транзисторных ключей инвертора. Амплитуда токов пульсаций зависит от многих факторов, в том числе: от характеристик и топологии токопроводящих шин, индуктивности нагрузки, напряжения звена постоянного тока, частоты коммутации ключей инвертора.
Коммутация больших токов при высокой скорости их нарастания и спада обуславливает импульсные перенапряжения, прямо пропорциональные индуктивности рассеяния силовых цепей преобразователя. В связи с этим исполнение силовых шин в звене постоянного тока должно отвечать высоким требованиям по снижению паразитной индуктивности. При высоких значениях индуктивности рассеяния вынужденной мерой является увеличение времени коммутации для исключения повреждения транзисторов. Однако последнее, в свою очередь, приводит к росту коммутационных потерь и, как следствие, дополнительному рассеянию тепла в инверторе.
Величина токов пульсации в совокупности с внутренним сопротивлением конденсаторов определяет тепловую мощность, рассеиваемую в конденсаторной батарее, и устанавливает температурный режим работы конденсаторов. Однако работа конденсаторов при повышенной температуре приводит к существенному сокращению срока службы последних, изменению исходных электрических характеристик и снижает надежность преобразователя напряжения в целом.
С целью улучшения температурных режимов работы конденсаторов емкость батареи часто оказывается неоптимизированной, характеристики конденсаторов переразмеренными, что негативно сказывается на массогабаритных показателях преобразователя напряжения. Обычные преобразователи напряжения имеют более низкие значения удельной мощности и увеличенную стоимость, несмотря на потенциально доступные возможности к улучшению этих показателей.
Таким образом, оптимальный температурный режим работы конденсаторов, минимизированные значения активных сопротивлений, а также индуктивностей рассеяния батареи конденсаторов и шин постоянного тока - ключевые аспекты энергоэффективной, компактной и надежной конструкции преобразователя напряжения.
Известен силовой блок с конденсаторным блоком фильтра Ud, состоящий из конденсаторов фильтра и снабберных конденсаторов, отличающийся тем, что силовые шины установлены непосредственно на силовых контактах быстродействующих ключей, на положительной шине установлены конденсаторы фильтра Ud и соединены с положительными выводами конденсаторов и коллекторными выводами быстродействующих ключей, на отрицательной шине установлены конденсаторы фильтра Ud и соединены с отрицательными выводами конденсаторов и эмиттерными выводами быстродействующих ключей, а снабберные конденсаторы установлены между этими шинами и электрически соединены с ними, отрицательные выводы конденсаторов Ud, установленные на положительной шине, соединены шиной с положительными выводами конденсаторов, установленными на отрицательной шине(см. патент РФ 2280294; МПК H01L 23/36, H05K 7/20, H02M 5/42;опубл. 2006 г.).
Недостаток данного изобретения - ограничение типа используемых силовых полупроводниковых приборов одиночными транзисторными ключами и невозможность применения в заявленном изобретении более рациональных и компактных транзисторно-диодных модулей типа «полумост». Для полумостовых транзисторно-диодных модулей, согласно данному изобретению, оказывается невозможным установка снабберных конденсаторов между положительной и отрицательной силовыми шинами. Кроме того, расположение полупроводниковых ключей в данном изобретении ограничивается тем вариантом, в котором они расположены на охладителе в два параллельных ряда по три ключа в каждом. Указанные факты приводят к увеличению габаритных размеров и массы преобразователя, увеличению количества отдельных полупроводниковых приборов, неэффективному использованию объема в корпусе преобразователя и ухудшению удельных характеристик последнего. Другим недостатком рассматриваемого изобретения является отсутствие охлаждения батареи фильтрующих конденсаторов в звене постоянного тока, и как следствие, наличие описанных выше негативных эффектов в работе преобразователя.
Известен наиболее близкий к заявленному изобретению силовой преобразователь, содержащий: корпус, имеющий первую и вторую секции; разделительный корпус для отделения первой и второй секций, причем указанный разделительный корпус имеет вырез; силовой полупроводниковый модуль, расположенный в упомянутой первой секции; конденсаторное устройство, имеющее соединительные элементы, расположенные в первой секции, причем указанное конденсаторное устройство размещено сквозь указанный вырез разделительного корпуса во вторую секцию для охлаждения конденсаторного устройства; соединительное устройство для электропроводного соединения упомянутого силового полупроводникового модуля с указанным конденсаторным устройством, причем указанное соединительное устройство расположено в упомянутой первой секции; плоское эластичное уплотнение, проходящее по периферии вокруг выреза и расположенное на поверхности указанного разделительного корпуса, причем указанное герметизирующее уплотнение окружает конденсаторное устройство; а также листообразный прижимной корпус, который прижимает указанное эластичное уплотнение к упомянутому разделительному корпусу (см. патент DE 102014105114 A1; МПК H02M 1/00, H05K 7/20, H01G 2/08, H01G 4/40;опубл.2015 г.).
Основным недостатком указанного изобретения является увеличенная длина токопроводящих шин, обусловленная принципом охлаждения конденсаторов во второй секции, а также удаленным размещением конденсаторов относительно силовых выводов полупроводниковых транзисторных модулей. Увеличение длины токопроводящих шин от каждого конденсатора в звене постоянного тока способствует увеличению активного сопротивления этих шин, увеличению токовой петли и, как следствие, росту величины паразитной индуктивности. В свою очередь, увеличение активного сопротивления влечет за собой рост величины омических потерь и рассеиваемой тепловой мощности, а также снижает коэффициент полезного действия преобразователя. Паразитная индуктивность, как указывалось выше, является одной из причин увеличения опасных перенапряжений, ухудшает условия коммутации транзисторных ключей и способствует выходу из строя последних.
Другой недостаток указанной конструкции - низкая удельная (объемная) мощность преобразователя, обусловленная принципом размещения конденсаторов в корпусе преобразователя и неоптимальным использованием полезного объема.
Еще одним недостатком указанного изобретения является недостаточная надежность межсекционной герметизации, обусловленная использованием эластичного уплотнителя, прилегающего к каждому конденсатору по значительной длине окружности. Учитывая количество конденсаторов в звене постоянного тока общая длина герметизируемого стыка оказывается существенной, что снижает надежность герметизации. Данный недостаток дополняется сложностью изготовления уплотнительных элементов специальной конфигурации и диаметрами выреза под определенные габаритные размеры конденсаторов, затрудняющие унификацию используемых деталей. В зависимости от мощности преобразователя и емкости конденсаторов диаметр корпуса последних может варьироваться от 20 мм до 200 мм, обуславливая в каждом случае различное исполнение уплотнительных элементов.
Технической задачей изобретения является создание преобразователя напряжения с охлаждаемой батареей конденсаторов звена постоянного тока, отличающегося в совокупности минимизированной длиной и значениями паразитной индуктивности силовых шин и цепей управления, минимизированными габаритными размерами, надежной герметизацией отсека силовой электроники с унификацией герметизирующих элементов.
Указанная задача решается за счет того, что преобразователь напряжения с охлаждаемой батареей конденсаторов содержит корпус с двумя сообщающимися отсеками, первый из которых герметичен, а второй выполнен с вентиляционными отверстиями, служащими для обеспечения естественной конвекции, а также воздушного потока, создаваемого установленными в корпусе вентиляторами воздушного принудительного охлаждения, ряд силовых полупроводниковых транзисторно-диодных модулей, установленных на охладителе и размещенных в первом из упомянутых отсеков, драйверы, управляющие коммутацией полупроводниковых транзисторно-диодных модулей и расположенные непосредственно на управляющих выводах полупроводниковых транзисторно-диодных модулей, защитные конденсаторы, установленные непосредственно на силовых выводах коллектора и эмиттера каждого силового полупроводникового транзисторно-диодного модуля, датчики обратных связей по току и напряжению, установленные на выводных силовых шинах в первом из упомянутых отсеков, размещенный во втором отсеке ряд фильтрующих конденсаторов, силовые выводы которых находятся на одной прямой и сообщаются с первым отсеком силовой электроники через герметизирующие уплотнительные элементы, причем положительные и отрицательные силовые выводы конденсаторов электрически соединены соответственно с положительной и отрицательной силовыми шинами постоянного тока, выполненными в виде отдельных изолированных между собой токопроводящих пластин, каждая из которых имеет ряд электродов, отогнутых под прямым углом к плоскости токопроводящей пластины и представляющих собой контактные площадки, установленные непосредственно на силовых выводах полупроводниковых модулей, причем положительная токопроводящая пластина имеет ряд отверстий для бесконтактного сквозного прохода отрицательных силовых выводов конденсаторов, а также отверстия для резьбового электрического соединения с положительными силовыми выводами конденсаторов, а отрицательная токопроводящая пластина имеет ряд отверстий, расположенных соосно положительным силовым выводам конденсаторов, причем диаметр упомянутых отверстий исключает электрический контакт между токопроводящей пластиной и силовым выводом конденсатора, а также ряд отверстий для резьбового электрического соединения с отрицательными силовыми выводами конденсаторов, систему управления с компонентами и цепями управления, обеспечивающими формирование и трансляцию команд управления для коммутации транзисторов.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является: повышение эффективности и надежности работы преобразователя напряжения за счет обеспечения охлаждения конденсаторов звена постоянного тока и оптимизации конструкции силовых шин по условию снижения активного сопротивления и индуктивности рассеяния; улучшение массогабаритных показателей преобразователя за счет оптимизированной конструкции силовых шин и размещения конденсаторов звена постоянного тока в непосредственной близи от силовых выводов транзисторных ключей; минимизация длины цепей управления транзисторами за счет расположения управляющих драйверов непосредственно на полупроводниковых модулях; надежная герметизация отсека силовой электроники в местах силовых выводов конденсаторов при минимальной длине герметизируемого стыка; унификация герметизирующих элементов для широкого типоразмерного ряда силовых конденсаторов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:
Фиг. 1 представлена конструкция преобразователя напряжения с охлаждаемой батареей конденсаторов согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2 показана батарея фильтрующих конденсаторов с герметизирующими элементами и конфигурация силовых шин постоянного тока.
Фиг. 3 изображена схема охлаждения батареи фильтрующих конденсаторов.
Преобразователь напряжения с охлаждаемой батареей конденсаторов (фиг. 1 и 2) содержит: силовые полупроводниковые транзисторно-диодные модули 1, батарею фильтрующих конденсаторов 2, защитные конденсаторы (снабберы) 3, управляющие драйверы 4 силовых полупроводниковых транзисторно-диодных модулей 1, охладитель 5, силовые шины 6 постоянного тока, силовые фазные шины 7, токопроводящие стойки 8, датчики тока 9, шинные изоляторы 10,опорную конструкцию 11, вентиляторы 12, защитные решетки вентиляторов 13, герметизирующие уплотнительные элементы 14 силовых выводов конденсаторов 2, герметизирующие силовые вводы 15,корпус 16, вентиляционные отверстия 17, отсек корпуса силовой электроники 18, отсек охлаждения конденсаторов 19, систему управления с компонентами и цепями управления 20, разъемы управления 21, крепежные элементы 22. Корпус 16 преобразователя напряжения согласно настоящему изобретению имеет два отсека (фиг. 3). В отсеке корпуса силовой электроники 18 размещены силовые транзисторно-диодные модули 1, установленные на охладителе 5, драйверы 4 силовых полупроводниковых транзисторно-диодных модулей, установленные непосредственно на управляющих выводах модулей 1,защитные конденсаторы 3, силовые шины постоянного тока 6, силовые фазные шины 7, токопроводящие стойки 8, датчики тока 9, шинные изоляторы 10. В отсеке охлаждения конденсаторов 19, располагаются силовые фильтрующие конденсаторы 2, расположенные в ряд так, что силовые выводы 23 которых находятся на одной прямой и сообщаются с отсеком силовой электроники через герметизирующие уплотнительные элементы 14 (фиг. 2). Принудительное воздушное охлаждение конденсаторов осуществляется вентиляторами 12, при этом отвод нагретого воздуха из отсека 19 обеспечивается через вентиляционные отверстия 17 в корпусе 16. На фиг. 3 показано направление потока воздуха 27 через конденсаторы 2. Положительные и отрицательные силовые выводы 23 конденсаторов 2 электрически соединены соответственно с положительной и отрицательной силовыми шинами 6 постоянного тока. Положительная и отрицательная силовые шины постоянного тока 6 выполнены в виде отдельных токопроводящих пластин, изолированных между собой изоляторами 10 (фиг. 2). Каждая из токопроводящих пластин имеет ряд электродов 24, отогнутых под прямым углом к плоскости пластины и представляющих собой контактные площадки для установки на токопроводящие стойки 7 и выводы полупроводниковых модулей 1. Положительная токопроводящая пластина 25 имеет ряд отверстий для бесконтактного сквозного прохода отрицательных силовых выводов 23 конденсаторов 2, а также отверстия для резьбового электрического соединения с положительными силовыми выводами 23 конденсаторов 2. Отрицательная токопроводящая пластина 26 имеет ряд отверстий, расположенных соосно положительным силовым выводам 23 конденсаторов 2, при этом диаметр отверстий превышает диаметр силовых выводов 23 конденсаторов 2 для исключения электрического контакта между ними. Отрицательная токопроводящая пластина 26 также имеет ряд отверстий для резьбового электрического соединения с отрицательными силовыми выводами 23 конденсаторов 2. Система управления 20 с компонентами и цепями управления расположена под драйверами 4 силовых полупроводниковых транзисторно-диодных модулей 1 в экранированной части отсека силовой электроники 18 (фиг. 3) и имеет минимальную длину цепей управления для коммутации транзисторов полупроводниковых модулей 1.
Преобразователь напряжения с охлаждаемой батареей конденсаторов функционирует следующим образом. Вследствие коммутации транзисторов полупроводниковых модулей 1 по заданному алгоритму осуществляется преобразование постоянного входного напряжения в переменное напряжение заданной величины и частоты для электропитания электрической нагрузки. В процессе работы тепловая энергия потерь в силовых полупроводниковых модулях 1 отводится охладителем 5, на котором установлены модули 1. Термостабилизация режима работы силовых фильтрующих конденсаторов 2 при работе преобразователя осуществляется за счет конвекционного движения нагретого воздуха через вентиляционные отверстия 17 в корпусе 16, а при недостаточной эффективности естественного охлаждения - за счет создаваемого вентиляторами 12 воздушного потока 27.
Заявляемое изобретение отличают: эффективный отвод тепла от фильтрующих конденсаторов с использованием естественной конвекции и принудительного воздушного охлаждения; надежная герметизация отсека силовой электроники при минимальной длине герметизируемого стыка; унификация герметизирующих элементов для широкого типоразмерного ряда силовых конденсаторов; низкие значения активного сопротивления и индуктивности рассеяния силовых шин постоянного тока; минимально возможная длина цепей управления транзисторами; компактность конструкции преобразователя и эффективное использование свободного пространства в корпусе.