Интеллектуальный силовой модуль и преобразовательная система
INTELLIGENT POWER MODULE AND CONVERTER SYSTEM

Группа изобретений относится к областям электротехники и может быть использовано в различных преобразователях напряжения (DC-AC, AC-DC, DC-DC). Изобретение может быть использовано в составе тяговых, вспомогательных и других преобразователей для железнодорожного транспорта, тяжелого машиностроения и общепромышленного применения.
Из уровня техники известен тяговый преобразователь для электровозов по патенту РФ 89036 на полезную модель с датой публикации 27.11.2009. В описании тягового преобразователя раскрыт силовой модуль, характеризующийся наличием одинаковых жидкостных охладителей с переключающими IGBT-модулями, соединенными попарно параллельно и попарно последовательно и образующими фазы двух трехфазных автономных инверторов, входами «плюс» и «минус» подключенных к соответствующим выводам батареи конденсаторов, снабженной зажимами для связи с контактной сетью, а выходами подключенных к фазным выводам двух трехфазных электродвигателей, и двух тормозных регуляторов, входами «плюс» и «минус» подключенных к соответствующим выводам батареи конденсаторов, а выходами подключенных к тормозным резисторам.
Недостатками тягового преобразователя с таким силовым модулем являются ограничения возможности питания нескольких фаз, так как силовой модуль содержит только два IGBT-модуля и обеспечивает питание только одной фазы трехфазного инвертора. Поскольку один трехфазный инвертор состоит из трех силовых модулей, то это увеличивает общие габариты преобразователя и снижает надежность за счет большего количества жидкостных соединений.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретения является устройство управления комплектом тягового электрооборудования для транспортных средств, известное из патента РФ 158664 на полезную модель с датой публикации 20.01.2016. Устройство содержит корпус и закрепленные в нем систему жидкостного охлаждения силовых преобразователей и соединенные шинами силовые преобразователи, представляющие собой блоки инверторов с их контроллерами, по крайней мере один блок выпрямителя. Силовые ключи инверторов выполнены на силовых интегрированных интеллектуальных IGBT-модулях полуприжимной конструкции без паянного основания с объединенными в едином конструктиве цифровыми драйверами силовых ключей и датчиками напряжения, тока и температуры, соединенными с аналого-цифровым преобразователем. Непосредственно на выходных зажимах IGBT модулей установлены снабберные конденсаторы. Контроллеры каждого силового преобразователя соединены с драйверами силовых модулей линиями связи с применением средств подавления помех, а силовые модули в силовых преобразователях объединены низкоиндуктивными ламинарными шинами постоянного тока с установленными на них пленочными конденсаторами с минимальной паразитной индуктивностью.
В качестве средств подавления помех на линиях связи между управляющим контроллером каждого силового преобразователя и драйверами силовых модулей использованы проводники в виде экранированных витых пар и ферритовые фильтры, применяется цифровая передача сигналов, а сигнальные линии имеют минимально возможные длины между блоками и максимально разнесены с силовыми цепями.
Силовые преобразователи состоят из силовых ячеек, каждая из которых включает в себя наряду с силовыми интегрированными интеллектуальными IGBT-модулями со снабберными конденсаторами на их выходных зажимах также силовые конденсаторы, объединенные в единую емкость низкоиндуктивной ламинарной шиной, причем указанные емкости силовых ячеек объединены через соединительную шину звена постоянного тока.
При этом вышеописанные силовые преобразователи могут компоноваться, образуя преобразовательную систему.
Недостатками известного устройства управления комплектом тягового электрооборудования, а также преобразовательной системы, являются:
- высокая индуктивность низкоиндуктивной шины, требующая применения снабберных конденсаторов для снижения импульсов перенапряжения приводят к дополнительным резонансным колебаниям тока;
- силовой модуль содержит конденсаторы (снабберные или силовые), что существенно увеличивает габариты сменного модуля;
- конструкция силового модуля требует дополнительную DC-шину, что увеличивает габариты и вес конечного устройства;
- силовой модуль в своем составе не содержит блок контроллера, выполняющего управление преобразователем, что требует установки внешнего контроллера, а также дополнительного увеличения кабельной сети и снижения помехоустойчивости.
Технической задачей заявляемой группы изобретений является создание многофункционального модуля и преобразовательной системы для реализации различных топологий силовых преобразователей и систем.
Техническими результатами интеллектуального силового модуля являются:
- уменьшение индуктивности шины постоянного тока;
- уменьшение массы и габаритов силового модуля;
- повышение помехоустойчивости модуля;
- уменьшение помехоэмиссии;
- повышение надежности модуля за счет сокращения жидкостных соединений;
- повышение ремонтопригодности за счет снижения массы модуля и возможности производить оперативную замену модуля без необходимости диагностирования вышедшего из строя элемента.
Техническими результатами преобразовательной системы являются:
- повышение надежности преобразовательной системы за счет образования распределенной системы управления;
- уменьшение пульсаций в силовых цепях;
- обеспечение параллельного непосредственного подключения нескольких силовых модулей для образования общей шины постоянного тока;
- возможность дискретного наращивания мощности преобразовательной системы;
- возможность гибкого обеспечения требуемой мощности и конфигурации преобразовательной системы.
Заявленные технические результаты обеспечиваются за счет осуществления и использования интеллектуального силового модуля преобразователя напряжения, содержащего охладитель с установленными на нем IGBT модулями, соединенными с низкоиндуктивными шинами постоянного тока и фазными шинами, датчиком напряжения, датчиком температуры и драйверами. Дополнительно интеллектуальный силовой модуль содержит контроллер, при этом низкоиндуктивные шины постоянного тока содержат контакты для подключения конденсаторов, расположенные непосредственно возле IGBT-модулей, при этом фазные шины расположены между низкоиндуктивными шинами постоянного тока. Датчик напряжения выполнен с гальванической развязкой.
Охладитель может быть снабжен быстроразъемными соединениями, что обеспечивает сокращение времени замены модуля.
Контроллер может быть выполнен с возможностью управления преобразования из постоянного тока в переменный ток, либо из постоянного тока в постоянный ток, либо из переменного в постоянный ток.
Интеллектуальный силовой модуль может быть выполнен с возможностью управления двунаправленной передачей энергии.
Заявленные технические результаты обеспечиваются за счет объединения и использования по меньшей мере двух интеллектуальных силовых модулей, непосредственно соединенных друг с другом и образующих общую шину постоянного тока, представляющую собой преобразовательную систему, содержащую распределенную систему управления, образованную за счет наличия в каждом силовом модуле контроллера.
При этом преобразовательная система может содержать контроллер, выполненный с возможностью осуществления параллельной работы преобразователей напряжения для дискретного наращивания мощности преобразовательной системы.
При этом преобразовательная система может содержать контроллер, выполненный с возможностью синхронизации по меньшей мере двух интеллектуальных силовых модулей преобразователей напряжения для уменьшения пульсаций в силовых цепях.
На фигуре 1 представлен интеллектуальный силовой модуль преобразователя напряжения.
Заявленный интеллектуальный силовой модуль преобразователя напряжения содержит охладитель 1, на котором установлены силовые полупроводниковые приборы 2 (IGBT-модули), соединенные с фазными шинами 3, 4, 5 и низкоиндуктивными шинами 6 постоянного тока, датчиком напряжения 7, датчиком температуры 8, а также с драйверами 9. Фазные шины 3, 4, 5 расположены между низкоиндуктивными шинами 6 постоянного тока. Конструкция низкоиндуктивных шин 6 постоянного тока имеет контакты 10 для внешних подключений. На охладителе 1 расположен датчик напряжения 7 с гальванической развязкой, подключенный к низкоиндуктивным шинам 6 постоянного тока. На охладителе 1 установлен контроллер 13, соединенный с драйверами 9, датчиком напряжения 7 и датчиком температуры 8, при этом контроллер 13 может быть выполнен с возможностью управления преобразованием из постоянного тока в переменный, либо постоянного в постоянный, либо из переменного в постоянный. Интеллектуальный силовой модуль преобразователя напряжения может быть выполнен с возможностью двунаправленной передачи энергии за счет программного обеспечения контроллера 13 и использования внешней коммутации фазных шин (выводов) 3, 4, 5. Охладитель 1, соединенный с общей внешней системой охлаждения, может быть выполнен с быстроразъемными соединениями 14 для входа и выхода охлаждающей жидкости, обеспечивающими возможность оперативной замены модуля без слива охлаждающей жидкости, что влияет на повышение его ремонтопригодности.
Интеллектуальный силовой модуль дополнительно содержит контроллер, выполненный с возможностью управления преобразованием из постоянного тока в переменный ток, из постоянного тока в постоянный ток, из переменного в постоянный ток, что реализует многофункциональность модуля и преобразовательной системы для реализации различных топологий силовых преобразователей и систем.
Интеллектуальный силовой модуль выполнен с возможностью управления двунаправленной передачи энергии, что обеспечивает параллельное непосредственное подключения нескольких силовых модулей для образования общей шины постоянного тока, что в свою очередь, уменьшает индуктивность шины постоянного тока.
Низкоиндуктивная шина постоянного тока содержит контакты для подключений конденсаторов, расположенные непосредственно возле IGBT-модулей, что обеспечивает уменьшение индуктивности шины постоянного тока, а также параллельное непосредственное подключения нескольких силовых модулей для образования общей шины постоянного тока, что в свою очередь, уменьшает индуктивность шины постоянного тока.
Конструкция низкоиндуктивных шин 6 постоянного тока интеллектуального силового модуля 15 преобразователя напряжения 16 имеет контакты 10, обеспечивающие непосредственное подключение нескольких интеллектуальных силовых модулей 15 преобразователя напряжения для образования общей шины постоянного тока, а также контакты 11, 12 для подключения силовых конденсаторов 17.
Работа интеллектуального силового модуля преобразователя напряжения осуществляется следующим образом.
Напряжение постоянного тока с силового конденсатора через контакты 11, 12, а также через низкоиндуктивные шины 6 постоянного тока поступает на IGBT-модули 2, образующие фазную полумостовую сборку, и с помощью их коммутации осуществляются различные виды преобразования на стороне фазных шин (выводов) 3, 4, 5. При этом тепло, выделяемое IGBT-модулями 2, отводится с помощью охладителя 1 за счет непосредственного контакта с охладителем 1. Охладитель 1, соединенный с общей внешней системой охлаждения, имеет вход и выход охлаждающей жидкости через быстросъемные соединения 14. При этом различные виды преобразования обеспечиваются посредством управляющего программного обеспечения контроллера 13, который осуществляет коммутацию IGBT-модулей 2 через драйверы 9. Датчик напряжения 7, подключенный к контроллеру 13, осуществляет измерение напряжения на силовых конденсаторах. Датчик температуры 8 измеряет температуру IGBT-модулей 2 с целью их защиты от перегрева.
Уменьшение индуктивности шин 6 постоянного тока достигается за счет непосредственного подключения шин 6 постоянного тока к силовым конденсаторам через контакты 11, 12 и уменьшения площади токовых контуров между плюсовыми и минусовыми шинами 6. При этом повышение помехоустойчивости модуля достигается за счет сокращения длины управляющих сигналов от контроллера 13 до драйверов 9, помимо этого их размещение на другой стороне охладителя 1 позволяет уменьшить влияние силовых цепей, подключенных к IGBT-модулям 2, на цепи управления контроллера 13.
Уменьшение массы и габаритов силового модуля достигается за счет объединения по меньшей мере двух фазных полумостовых сборок IGBT-модулей 2, а также контроллера управления 13 в один силовой модуль.
Повышение надежности достигается за счет сокращения жидкостных соединений при расположении IGBT-модулей 2 на едином охладителе 1.
Конструкция модуля, созданного в виде заменяемой единицы с уменьшенными массой и габаритами, позволяет в случае отказа производить его замену без долгосрочного вывода из эксплуатации преобразователя напряжения или преобразовательной системы, а объединение в одном модуле составляющих элементов позволяет повысить ремонтопригодность за счет его замены без необходимости предварительного диагностирования отказавшего элемента.
Расположение фазных шин 3, 4, 5 между шинами 6 постоянного тока уменьшает помехоэмиссию.
Выполнение датчика напряжения 7 с гальванической развязкой и подключение его к шине 6 постоянного тока позволяет подключить его непосредственно к контроллеру 13 для осуществления управления преобразователем напряжения, в следствие чего, из-за близкого расположения, уменьшается длина кабелей и повышается помехоустойчивость модуля.
На фигуре 2 представлена преобразовательная система.
В случае непосредственного соединения друг с другом по меньшей мере двух интеллектуальных силовых модулей 15 преобразователей напряжения 16 образуется общая шина постоянного тока, представляющая собой преобразовательную систему, содержащую распределенную систему управления, образованную за счет наличия в каждом силовом модуле 15 контроллера 13, что повышает надежность преобразовательной системы, что позволяет обеспечить многофункциональность преобразовательной системы для реализации различных топологий силовых систем.
При этом преобразовательная система может содержать контроллер 13, выполненный с возможностью осуществления параллельной работы преобразователей напряжения 16 для дискретного наращивания мощности преобразовательной системы, что позволяет обеспечить возможность гибкого обеспечения требуемой мощности и конфигурации преобразовательной системы.
При этом преобразовательная система может содержать контроллер 13, выполненный с возможностью синхронизации по меньшей мере двух интеллектуальных силовых модулей 15 преобразователей напряжения 16 по любому из п.п. 1-6 заявленной формулы изобретения для уменьшения пульсаций в силовых цепях.
Работа преобразовательной системы осуществляется следующим образом.
Непосредственное соединение двух и более силовых модулей 15 друг с другом, посредством контактов 10 низкоиндуктивных шин 6 постоянного тока образует общую шину постоянного тока и позволяет гибко обеспечивать требуемую мощность и конфигурацию преобразовательной системы. При этом соединение является низкоиндуктивным, что исключает резонансные колебания тока между модулями 15.
В составе каждого силового модуля 15 имеется контроллер 13, что в рамках преобразовательной системы позволяет создать распределенную систему управления, в которой неисправность одного модуля не влияет на работу другого.