Силовой преобразовательный модуль
POWER CONVERTER MODULE

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности для использования в импульсных источниках питания постоянного или переменного тока, в т.ч. с гальванической развязкой. Может применяться в составе преобразователя собственных нужд для локомотивов, а также в пассажирском электротранспорте.
Из уровня техники известен интеллектуальный силовой трехфазный мост (патент РФ 162520 на полезную модель с датой публикации 10.06.2016), состоящий из трех независимых, герметичных металлокерамических фазных модулей, закрепленных на едином теплоотводящем основании и электрически соединенных компенсационными шинами питания, фазными выводами и платой управления. Напаянное на поверхность керамической платы уплотнительное кольцо с приваренной на его поверхность крышкой создает герметичный внутренний объем, причем герметичные металлокерамические фазные модули объединены под общей каркасной крышкой, служащей одновременно надежному креплению компенсационных шин питания и фазных выводов и защитой платы управления от внешних воздействий.
Недостатком силового трехфазного моста является то, что при построении источников питания возникает необходимость в использовании большого числа внешних компонентов, таких как дроссели, конденсаторы, трансформаторы, силовые шины и так далее, что негативно сказывается на габаритах конечного устройства.
В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения, по совокупности существенных признаков и функциональным возможностям, выбран преобразователь напряжения постоянного тока вагона метрополитена, известен из патента РФ 196009 с датой публикации 13.02.2020 г., предназначенный для формирования из входного напряжения постоянного тока напряжения другого уровня и может применяться, например, в электрическом транспортном средстве (вагоне метрополитена). Блок представляет собой импульсный источник питания мощностью 5 кВт и массой 56 кг и служит для преобразования входного напряжения контактной сети 750 В в гальванически развязанное выходное напряжение 80 В для заряда АКБ вагона. Преобразователь напряжения постоянного тока вагона метрополитена содержит входной дроссель, входной конденсатор, инвертор на IGBT-модуле, трансформатор, выпрямитель, выходной дроссель и конденсатор, а также систему управления, при этом IGBT-модуль и выпрямитель установлены на радиаторе охлаждения.
Недостатком такого решения является сложность и высокие массогабаритные показатели конструкции, обусловленные большим количеством деталей и компонентов, расположенных внутри прибора, часть из которых крепится на радиаторе. Подобная компоновка не позволяет оптимально использовать предоставленный объем и подразумевает большое количество коммутационных соединений, что в импульсных источниках питания отрицательно сказывается на уровне помехоэмиссии и накладывает ограничения на повышение частоты преобразования по причине высокой паразитной индуктивности этих соединений, что в свою очередь отражается на габаритах пассивных компонентов таких как силовые трансформаторы и дроссели и силовые конденсаторы. Помимо этого, большое количество соединений внутри прибора усложняет сборку и производство и отрицательно сказывается на надежности устройства в целом.
Техническими задачами заявляемого изобретения являются создание универсального силового преобразовательного модуля, на основе которого появится возможность реализовывать импульсные источники питания различных топологий с высокой удельной мощностью и возможностью установки на внешний охладитель.
Техническими результатами, достигаемыми при использовании заявляемого изобретения, являются:
- снижение массы и габаритов модуля за счет повышенной частоты преобразования. Повышение частоты преобразования становится возможным благодаря низкой паразитной индуктивности электрических соединений между силовыми полупроводниками, индуктивными компонентами, входными и выходными конденсаторами, обусловленное выполнением всех этих соединений на силовой печатной плате;
- снижение уровня помехоэмиссии за счет низкой паразитной индуктивности электрических соединений между силовыми полупроводниками, индуктивными компонентами, входными и выходными конденсаторами;
- повышение мощности преобразования за счет эффективного отвода тепла от всех элементов с высоким тепловыделением, таких как силовые полупроводники и индуктивные компоненты. Это обеспечивается за счет использования несущего металлического основания, выступающего одновременно в качестве охладителя.
- повышение технологичности производства за счет малого количества сборочных единиц. Использование печатных плат позволяет исключить проводные и кабельные соединения внутри модуля;
- универсальность модуля при его монтаже в системы (например, шкаф преобразователя собственных нужд локомотива) благодаря несущему металлическому основанию, имеющему возможность установки на внешний охладитель (водяной или воздушный).
Технические результаты заявляемого изобретения достигаются за счет использования силового преобразовательного модуля, состоящего из несущего металлического основания, выступающего в качестве охладителя, силовой печатной платы, печатной платы управления и клеммной панели. На основании размещаются силовые полупроводники (например, IGBT или MOSFET транзисторы и выпрямительные диоды) и индуктивные компоненты (например, силовой трансформатор и силовой дроссель), размещенные в углублениях в основании и залитые теплопроводящим компаундом. Нижняя часть основания выполнена гладкой с возможностью передачи тепла на внешний охладитель. На силовой печатной плате расположены входные и выходные конденсаторы, и выполнены электрические соединения между электронными компонентами (силовыми полупроводниками, индуктивными компонентами и силовыми конденсаторами). Клеммная панель содержит входные и выходные силовые шины, имеющие непосредственный контакт с силовой печатной платой. Печатная плата управления размещена поверх силовой и выполнена с возможностью осуществления контроля и управления модулем.
Вместе с тем, силовые полупроводники могут устанавливаться на основание с возможностью их прижима металлической скобой через теплопроводящую изолирующую подложку, что обеспечивает повышение мощности преобразования за счет высокой теплопроводности изолирующей подложки и, следовательно, эффективного отвода тепла от силовых полупроводников.
Соединение силовой печатной платы и платы управления может быть выполнено разъемным для упрощения сборки и монтажа модуля, что повышает технологичность производства.
Модуль может содержать защитный кожух для устранения воздействия факторов внешней среды и снижения уровня помехоэмиссии за счет экранирования.
На фигуре 1 изображен силовой преобразовательный модуль.
Силовой преобразовательный модуль содержит несущее металлическое основание [1], одновременно выполняющее функцию охладителя, силовую печатную плату [2], печатную плату управления [3] и клеммную панель [4].
На основании [1] размещаются все электронные компоненты, требующие охлаждения, такие как силовые полупроводники (силовые транзисторы IGBT или MOSFET [5] и выпрямительные диоды [6]) и индуктивные компоненты (силовой трансформатор [7], выходной дроссель [8]).
Полупроводники [5], [6] прижимаются к основанию с помощью пружинной скобы через теплопроводящую изолирующую подложку. Индуктивные компоненты [7], [8] устанавливаются в соответствующие углубления в основании [1] и заливаются теплопроводящим компаундом. Нижняя часть основания [1] выполнена гладкой, с зеркальной обработкой и служит для передачи тепла на внешний охладитель (например, воздушный или водяной радиатор).
На силовой печатной плате [2] располагаются входные и выходные конденсаторы, вспомогательные цепи, разъемы и клеммы. Элементы платы [2] помещаются в предназначенные для этого углубления в основании [1]. Также на силовой печатной плате [2] выполнены все электрические соединения между силовыми полупроводниками, индуктивными компонентами, входными и выходными конденсаторами и другими компонентами. Плата [2] крепится к основанию [1] посредством стоек. Соединение размещенных на основании [1] компонентов с платой [2] осуществляется посредством пайки.
На печатной плате управления [3] располагаются главный контроллер, драйверы силовых транзисторов, дежурный источник питания и другие цепи управления.
Внешние соединения осуществляются с помощью силовых шин [9], расположенных на клеммной панели [4]. Шины [9] имеют непосредственный контакт с силовой печатной платой [2]. Снаружи модуль закрыт защитным кожухом.
В процессе работы входное напряжение подается через входные силовые шины на силовую печатную плату [2] и поступает на входные конденсаторы. Далее в ключевом режиме на высокой частоте осуществляется преобразование энергии с помощью транзисторов [5], трансформатора [7], выпрямительных диодов [6] и дросселя [8]. При этом на вышеперечисленных электронных компонентах выделяется тепловая мощность потерь, которая отводится с помощью основания [1]. После дросселя [8] выходное напряжение подается на выходные конденсаторы, расположенные на силовой плате [2]. Сигналы управления транзисторами [5] формируются на плате управления [3] и подаются на силовую плату [2]. Выходное напряжение с выходных конденсаторов снимается через выходные силовые шины.
Уменьшение массы и габаритов модуля обеспечивается за счет повышенной частоты преобразования, что становится возможным благодаря низкой величине паразитной индуктивности электрических соединений между электронными компонентами, что в свою очередь обусловлено выполнением всех этих соединений на силовой печатной плате. Также низкая паразитная индуктивность электрических соединений снижает уровень помехоэмиссии модуля.
Повышение мощности преобразования достигается за счет эффективного отвода тепла от теплонагруженных электронных компонентов, таких как силовые полупроводники и силовые индуктивные компоненты, благодаря их размещению на несущем металлическом основании, выступающем в качестве охладителя.
Универсальность силового преобразовательного модуля заключается в том, что благодаря несущему металлическому основанию с гладкой обработанной нижней поверхностью модуль имеет возможность установки на внешний охладитель, водяной или воздушный. Клеммная панель обеспечивает простоту подключения входных и выходных силовых цепей.
Технологичность производства модуля достигается за счет использования силовой печатной платы, печатной платы управления и клеммной панели, благодаря чему отсутствуют проводные и кабельные электрические соединения внутри модуля.
На основе вышеописанного силового преобразовательного модуля был создан источник питания бортовой сети для локомотивов мощностью 10 кВт с гальванической развязкой, стабилизацией выходного напряжения, частотой преобразования 200 кГц и массой 3,3 кг.