МОДУЛЬ ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТОКА С ОХЛАЖДАЕМОЙ СИСТЕМОЙ ШИН
CURRENT RECTIFIER MODULE WITH COOLED BUSBAR SYSTEM

Изобретение относится к модулю выпрямителя тока согласно родовому понятию п.1 формулы изобретения.
Типовые модули выпрямителей тока, особенно для высоких мощностей, являются коммерчески доступными. В подобных модулях выпрямителей тока их силовые полупроводниковые модули, в особенности отключаемые силовые полупроводниковые модули, соединены низкоиндуктивными системами шин с выводами модуля выпрямителя тока. Это достигается тем, что применяемые токоведущие шины выполнены плоскими и уложены в стопку токоведущих шин. Соответственно между двумя плоскими токоведущими шинами размещен выполненный плоским изолирующий слой. Эти изолирующие слои выступают над плоскими токоведущими шинами, чтобы можно было поддерживать предельные значения для воздушных и поверхностных промежутков. Тем самым подобная низкоиндуктивная система шин содержит по меньшей мере две токоведущие шины и по меньшей мере один изолирующий слой. Для того чтобы систему шин применяемого силового полупроводникового модуля выполнить по возможности компактной, этот пакет шин ламинируется. За счет применяемых материалов, в частности материала ламинирования, эта система шин имеет температурный предел примерно 105°С.
Так как в коммерчески доступных силовых полупроводниковых модулях, в частности отключаемых силовых полупроводниковых модулях, например биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), токонесущая способность постоянно возрастает, в соответствии с этим возрастает плотность тока в токоведущих шинах системы шин, в частности ламинированной системы шин модуля выпрямителя тока. Это имеет следствием квадратичное возрастание потерь в системе шин, так что температура этой системы шин также возрастает. Предельная температура системы шин определяется используемыми материалами изолирующих слоев и материала ламинирования. Предпочтительным образом в настоящее время в модулях выпрямителей тока с изолирующей пленкой используются ламинированные системы шин. Здесь материал ламинирования ламинированной системы шин устанавливает температурный предел. Для применений выпрямителей тока это означает ограничение мощности, которая теперь обусловлена не используемыми силовыми полупроводниковыми модулями, а максимальной предельной температурой соответствующего материала ламинирования.
Очевидным решением этой проблемы является, с одной стороны, увеличение поперечного сечения каждой токоведущей шины системы шин, а с другой стороны, охлаждение этой системы шин, например, за счет естественной конвекции. За счет увеличения поперечного сечения токоведущих шин системы шин подобная система шин становится не только более дорогостоящей, но и имеет более высокий вес. Для того чтобы охладить систему шин посредством естественной конвекции, она должна таким образом быть размещена в устройстве выпрямителя тока, чтобы поток охлаждающего воздуха мог протекать через эту систему шин.
Из WO 2005/109505 А1 известна силовая полупроводниковая схема, система шин которой охлаждается. В этой силовой полупроводниковой схеме по меньшей мере один модуль припаян с внешней стороны на служащей как плюс- или минус-плата пластиноподобной токоведущей шине. Плюс- или минус-шины обычно размещены как самая верхняя или самая нижняя пластина пластинчатого пакета системы шин. Эта накрывающая шина, на которой размещен модуль, непосредственно охлаждается устройством охлаждения, причем это устройство охлаждения выполнено как воздушным или жидкостным. Это устройство охлаждения в виде слоя размещено между накрывающей шиной и, с использованием промежуточного слоя изоляции, другой, лежащей в параллельной плоскости пластиноподобной токоведущей шиной. Кроме того, под промежуточным слоем другого изолирующего слоя предусмотрена токоведущая шина нижней стороны. Эти токоведущие шины образуют вместе с устройством охлаждения очень компактное устройство. Элементы этого пакета системы шин связаны друг с другом посредством ламинирования. Так как в случае этой силовой полупроводниковой схемы речь идет об инверторе (преобразователе постоянного тока в переменный), под этим пакетом системы шин размещены два конденсатора промежуточного контура, которые через резьбовое соединение соединены с верхней или нижней токоведущей шиной.
Из DE 10 2007 003 875 А1 известен модуль выпрямителя тока с по меньшей мере двумя силовыми полупроводниковыми модулями, которые теплопроводно механически связаны с теплоотводом и посредством ламинированной системы шин электрически связаны друг с другом. По меньшей мере одна токоведущая шина этой ламинированной системы шин посредством по меньшей мере одного электрически изолирующего и теплопроводящего защитного элемента термически связана с теплоотводом. Посредством этих защитных элементов по меньшей мере одна токоведущая шина ламинированной системы шин термически связана с теплоотводом. Величина отводимого тепла определяет число теплопроводящих защитных элементов. Посредством этих защитных элементов ламинированная система шин также опирается в краевых областях. Посредством этих теплопроводящих защитных элементов ограничивается количество тепла, отводимого от ламинированной системы шин.
В основе изобретения лежит задача создать модуль выпрямителя тока, система шин которого может охлаждаться простыми средствами, причем этот модуль выпрямителя тока не должен трассироваться или заново конструироваться.
Эта задача решается в соответствии с изобретением отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения.
За счет того, что линия охлаждающего средства с системой шин модуля выпрямителя тока связана теплопроводно, возникающая в системе шин мощность потерь может отводиться. Тем самым температура системы шин снижается, благодаря чему применяемые силовые полупроводниковые модули могут использоваться в соответствии с мощностью. Это означает, что соответствующий изобретению модуль выпрямителя тока по сравнению с коммерчески доступным модулем выпрямителя тока имеет более высокую мощность. Таким образом, мощность модуля выпрямителя тока более не определяется максимальной предельной температурой применяемого изолирующего материала системы шин, а вновь определяется мощностью применяемых силовых полупроводниковых модулей.
В предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению модуля выпрямителя тока система шин и линия подачи охладителя ламинированы друг с другом. За счет этого система шин и линия подачи охладителя образуют конструктивную форму, отдельные части которой пространственно зафиксированы друг с другом. Тем самым этой охлаждаемой системой шин можно манипулировать как любой коммерчески доступной ламинированной системой шин.
В другой предпочтительной форме выполнения модуля выпрямителя тока согласно изобретению линия подачи охладителя жидкостным образом связана с жидкостным теплоотводом модуля выпрямителя тока. Таким образом, линия подачи охладителя снабжается от жидкостного теплоотвода модуля выпрямителя тока, который также обозначается как первичный контур циркуляции. Это имеет преимущество, состоящее в том, что модуль выпрямителя тока остается неизменным от своих выводов.
В другой предпочтительной форме выполнения модуля выпрямителя тока согласно изобретению линия подачи охладителя размещена в форме меандра вдоль поверхности системы шин. Тем самым достигается то, что примерно вся поверхность системы шин модуля выпрямителя тока может охлаждаться.
В другой предпочтительной форме выполнения модуля выпрямителя тока согласно изобретению две линии охладителя размещены на поверхности системы шин таким образом, что соответствующая линия подачи охладителя размещена в плоскости соответствующего силового полупроводникового модуля. Для того чтобы каждая линия подачи охладителя независимо от других линий охладителя могла охлаждать участок системы шин в плоскости соответствующего силового полупроводникового модуля, эти обе линии подачи охладителя включены, в отношении подачи жидкости, параллельно друг к другу и к жидкостному теплоотводу модуля выпрямителя тока.
Для дальнейшего объяснения изобретения ссылки даются на чертежи, на которых схематично представлена форма выполнения:
Фиг.1 показывает коммерчески доступный модуль выпрямителя тока; и
Фиг.2 представляет систему шин модуля выпрямителя тока, соответствующего изобретению.
На фиг.1, где показано пространственное представление коммерчески доступного модуля выпрямителя тока, ссылочными позициями 2 и 4 обозначен соответствующий силовой полупроводниковый модуль, в частности отключаемый силовой полупроводниковый модуль, например биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), ссылочной позицией 6 обозначен жидкостный теплоотвод (радиатор), ссылочной позицией 8 обозначена система шин, ссылочной позицией 10 - нагрузочный вывод, ссылочными позициями 12 и 14 - соответствующие выводы постоянного напряжения, ссылочной позицией 16 - ручка и ссылочной позицией 18 - опорные элементы. Кроме того, на этом представлении обозначены подвод 20 и отвод 22 охладителя.
Оба силовых полупроводниковых модуля 2 и 4 механически разъемно закреплены на жидкостном теплоотводе 6. Система 8 шин может иметь две токовые шины, например плюс-токовую шину и нагрузочную токовую шину, или нагрузочную токовую шину и минус-токовую шину, или три токовые шины, например, плюс-нагрузочную и минус-токовую шину. Число токовых шин системы 8 шин зависит от электрического монтажа обоих силовых полупроводниковых модулей 2 и 4. Если оба силовых полупроводниковых модуля 2 и 4 включены параллельно, то система 8 шин имеет только две токовые шины. Если, напротив, эти оба силовых полупроводниковых модуля 2 и 4 включены последовательно и образуют фазный модуль выпрямителя тока, то система 8 шин имеет три токовые шины. Если модуль выпрямителя тока применяется как фазный модуль, то три токовые шины системы 8 шин являются плюс-, нагрузочной и минус-токовой шинами. Эти токовые шины размещены друг над другом, причем между соответствующими двумя токовыми шинами размещен изолирующий слой, и ламинированы.
Эта система 8 шин соединена с электрическими выводами каждого силового полупроводникового модуля 2 и 4. Эти электрические вводы могут представлять собой паяный штифт или резьбовой болт. Начиная с определенной мощности силового полупроводникового модуля 2 и 4, силовые полупроводниковые модули 2 и 4 содержат в качестве электрических выводов только резьбовые болты. В соответствии со схемой соединения обоих силовых полупроводниковых модулей 2 и 4 их выводы электропроводно соединены соответственно с предопределенной токоведущей шиной ламинированной системы 8 шин. Эта ламинированная система 8 шин опирается не только на выводы силовых полупроводниковых модулей 2 и 4, но и на множество опорных элементов 18. Они размещены вдоль соответствующей продольной стороны модуля выпрямителя тока.
Так как в качестве теплоотвода этого модуля выпрямителя тока предусмотрен жидкостный теплоотвод (радиатор) 6, он содержит подвод 20 охладителя и отвод 22 охладителя. С помощью этих подвода и отвода 20 и 22 охладителя модуль выпрямителя тока связан посредством жидкости с контуром циркуляции охладителя. В качестве охлаждающей жидкости может применяться любая жидкость, в особенности водопроводная вода.
Так как токонесущая способность применяемых в модуле выпрямителя тока силовых полупроводниковых модулей 2 и 4 постоянно возрастает, также возрастает ток в токоведущих шинах ламинированной системы 8 шин. Это имеет следствием квадратичное возрастание потерь в ламинированной системе 8 шин. За счет этого повышается температура в ламинированной системе 8 шин. То, насколько высокой может быть предельная температура на ламинированной системе 8 шин, зависит от применяемых материалов. То есть материал ламинирования системы 8 шин устанавливает температурный предел. Это означает для применений выпрямителя тока ограничение по мощности, которое больше не определяется используемыми силовыми полупроводниковыми модулями 2 и 4, а определяется специфической для материала предельной температурой материала ламинирования.
Для того чтобы иметь возможность отвода возникающей в ламинированной системе 8 шин мощности потерь, эта система 8 шин снабжена линией 24 подачи охладителя (фиг.2). Эта линия 24 подачи охладителя соединена посредством охладителя с контуром циркуляции охладителя жидкостного теплоотвода 6. Контур циркуляции охладителя жидкостного теплоотвода 6 обозначается как первичный контур циркуляции, а жидкостный контур циркуляции линии 24 подачи охладителя - как вторичный контур циркуляции. Первичный и вторичный контур циркуляции могут включаться, в отношении подачи жидкости, параллельно или последовательно.
Для наглядности представления на фиг.2 приведен только пространственный вид системы 8 шин с линией 24 подачи охладителя, причем элементы системы 8 шин и линии 24 подачи охладителя еще не являются ламинированными друг с другом. Как упомянуто выше, модуль выпрямителя тока в качестве фазного узла многофазного выпрямителя тока содержит два силовых полупроводниковых модуля 2 и 4, которые электрически включены последовательно. Точка соединения этой схемы последовательного соединения двух силовых полупроводниковых модулей 2 и 4 образует вывод 10 на стороне переменного напряжения, в частности нагрузочный вывод. С этим нагрузочным выводом 10 электропроводно соединена токоведущая шина 26, также называемая нагрузочной токоведущей шиной системы шин 8. Выводы 12 и 14 постоянного напряжения модуля выпрямителя тока электропроводно соединены с соответствующей токоведущей шиной 28 или 30, которые также называются плюс- и минус-токоведущей шиной. Эти токоведущие шины 26, 28 и 30 размещены пространственно друг над другом, причем между соответствующими двумя соседними токоведущими шинами 26, 28 или 28, 30 размещен изолирующий слой. Таким образом, коммерчески доступная система шин фазного модуля содержит по меньшей мере пять слоев. Для того чтобы эти слои были механически фиксированы относительно друг друга, эта стопка из трех токоведущих шин 26, 28 и 30 и по меньшей мере двух изолирующих слоев 32 ламинирована между собой. Тем самым также поддерживаются требуемые воздушные и поверхностные промежутки.
В пространственном представлении согласно фиг.2 система 8 шин имеет только три слоя, а именно нижний слой, в котором размещены минус- и нагрузочная токоведущая шина 30 и 26, изолирующий слой, в котором размещен изолирующий слой 32, и верхний слой, в котором размещена плюс-токоведущая шина 28. На поверхности 34 верхней или нижней токоведущей шины 28 или 30 системы 8 шин не размещается дополнительный изолирующий слой. Изоляцию этих поверхностей 34 обеспечивает ламинат.
Согласно изобретению эта система 8 шин теперь снабжена линией 24 подачи охладителя, которая в этом представлении по фиг.2 выполнена в форме меандра на поверхности 34 плюс-токоведущей шины 28. Эта линия 24 подачи охладителя может также быть размещена на поверхности нижней токоведущей шины 30 в форме меандра. Также возможно, что соответствующая поверхность 34 верхней и нижней токоведущей шины 28 и 30 снабжена линией 24 подачи охладителя. При этом меандры размещены соответственно в области выводов обоих силовых полупроводниковых модулей 2 и 4. Вместо одной линии 24 подачи охладителя могут также размещаться две или более линий 24 подачи охладителя в системе 8 шин, в особенности на поверхности 34 плюс- или минус-токоведущей шины 28 или 30. Если эта система 28 шин используется для того, чтобы оба силовых полупроводниковых модуля 2 и 4 электрически соединять с тремя выводами 10 и 12 модуля выпрямителя тока, предпочтительным является, если предусмотрены две линии 24 подачи охладителя. Эти обе линии 24 подачи охладителя таким образом размещены на поверхности 34 плюс-токоведущей шины 28 системы 8 шин, что соответствующая линия 24 подачи охладителя, в частности ее меандр, размещена в плоскости силового полупроводникового модуля 2 или 4 на системе 8 шин. Это означает, что меандры каждой линии 24 подачи охладителя размещены, соответственно, на участке поверхности 34 плюс-токоведущей шины 28, которая накрывает размещенный под ней силовой полупроводниковый модуль 2 или 4. Для того чтобы каждая линия 24 подачи охладителя независимо одна от другой могла отводить тепло от участка системы 8 шин, обе эти линии 24 подачи охладителя включены, в отношении подачи жидкости, параллельно. Кроме того, обе линии 24 подачи охладителя посредством жидкости соединены с жидкостным теплоотводом 6 модуля выпрямителя тока. Так как для охлаждения системы 8 шин требуется только доля охлаждающей жидкости первичного контура циркуляции, охлаждающий контур циркуляции системы 8 шин, который обозначен как вторичный контур циркуляции, включен, в отношении подачи жидкости, параллельно первичному контуру циркуляции. То есть один конец линии 24 подачи охладителя связан с подводом 20 охладителя, а другой конец линии 24 подачи охладителя - с отводом 22 первичного контура циркуляции. Преимущество такого соединения двух контуров циркуляции охладителя состоит в том, что модуль выпрямителя тока со стороны подключения остается неизменным.
Так как согласно пространственному представлению системы 8 шин с линией 24 подачи охладителя согласно фиг.2 поверхность 34 плюс-токоведущей шины 28 системы 8 шин не снабжена изолирующим слоем, линия 24 подачи охладителя должна состоять из изолирующего, но термически хорошо проводящего материала, так как охладитель, который протекает через линию 24 подачи охладителя, находится под потенциалом. Если изолирующий слой имеется на этой поверхности 34, то линии 24 подачи охладителя не требуется быть изолирующей. Для того чтобы элементы системы 8 шин при ламинировании не сдвигались пространственно относительно друг друга, они пространственно фиксированы. Это также справедливо для линии 24 подачи охладителя. Она зафиксирована по своему положению на поверхности 34 плюс-токоведущей шины 28 системы 8 шин. Для этого линия 24 подачи охладителя может быть склеена с этой поверхностью 34. За счет ламинирования стопка из токоведущих шин 26, 28 и 30, изолирующего слоя 32 и линии 24 подачи охладителя получает механическую прочность.
За счет этой нанесенной на систему 8 шин линии 24 подачи охладителя снижается температура системы шин, благодаря чему применяемые силовые полупроводниковые модули 2 и 4 могут использоваться в соответствии с их мощностью. Это означает, что модуль выпрямителя тока, по сравнению с модулем выпрямителя тока без охлаждаемой системы 8 шин, имеет более высокую мощность, так как мощность этого модуля выпрямителя тока больше не определяется максимальной предельной температурой применяемого материала ламинирования системы 8 шин, а определяется мощностью применяемых силовых полупроводниковых модулей 2 и 4.