СИЛОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КОММУТАТОР
POWER TRANSISTOR UNIT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании силовых электронных коммутаторов и преобразователей, в частности систем управления электрических машин.
Известен переключающий полупроводниковый модуль (коммутатор), содержащий два последовательно соединенных биполярных транзистора с изолированным затвором (IGBT) и схему драйвера, причем выводы IGBT соединены с выводами питания и выходным выводом (US 8916882 В2, Н02М 1/08, Н03K 17/166, 23.12.2014, CN 103620962 A, H01L 29/12, H01L 29/78, Н02М 1/08, 05.03.2014).
Недостатком этого коммутатора является пониженная надежность, обусловленная отсутствием защиты от перегрузок по току и конденсаторов в цепи питания (снабберных конденсаторов).
Известно также устройство коммутации фазы, содержащее IGBT и резистивный датчик тока, включенные последовательно и соединенные с выводами питания и выходным выводом, а также управляющее устройство, соединенное с затворами IGBT и датчиком тока (ЕР 2446536 А2, Н03K 17/082, Н02М 1/00, 02.05.2012).
Его недостатком является пониженный КПД, что обусловлено потерями энергии в резистивном датчике тока, включенном в силовую цепь коммутатора.
Наиболее близким к предложенному является силовой транзисторный коммутатор, входящий в состав мехатронного тягового модуля. Он содержит полумостовые IGBT модули (последовательно соединенные IGBT), соединенные с помощью силовых шин с выводами питания и с выходным выводом (фазной обмоткой электродвигателя), плату управления (плату драйверов), соединенную с затворами IGBT и осуществляющую их включение/отключение, датчик тока, выполненный в виде отдельного устройства и имеющий измерительное отверстие, через которое проходит силовая шина, а также накопитель энергии (емкостный фильтр), соединенный с выводами питания и выполненный в виде двух групп высокочастотных пленочных и электролитических конденсаторов, установленных на отдельных печатных платах (RU 2330371 C1, Н02K 11/00, Н02K 19/22, Н02Р 6/00, 27.07.2008).
Недостатком известного устройства являются его большие габаритные размеры, объем и масса. Это обусловлено применением большого по размерам и массе датчика тока, необходимостью увеличения длины выходной силовой шины для обеспечения возможности ее прохождения через измерительное отверстие датчика тока, а также реализацией емкостного фильтра (накопителя энергии) в виде двух печатных плат с пленочными высокочастотными и электролитическими конденсаторами, имеющими большие размеры и массу, а также отсутствием реализации конструктивных решений, направленных на улучшение охлаждения компонентов силового коммутатора с целью увеличения плотности тока в этих компонентах и соответствующего сокращения их габаритных размеров, объема и массы.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является уменьшение габаритных размеров, объема и массы силового транзисторного коммутатора.
Для решения этой задачи в силовом транзисторном коммутаторе, содержащем по меньшей мере один IGBT или MOSFET, или несколько IGBT и/или MOSFET, соединенных между собой параллельно и/или последовательно, корпус, выполненный с возможностью размещения в нем IGBT и/или MOSFET, который/которые с помощью силовых шин соединен/соединены с выводами питания и по меньшей мере с одним выходным выводом, датчик тока, емкостный фильтр, подключенный к выводам питания, и плату управления, соединенную с затвором/затворами IGBT и/или MOSFET, дополнительно реализовано одно или одновременно несколько следующих технических решений:
1) датчик тока выполнен на основе магниточувствительного элемента и размещен около силовой шины, или между силовыми шинами внутри корпуса, или снаружи этого корпуса между поверхностью герметизации, или стенкой корпуса и платой управления, или на плате управления, в ее отверстии или вырезе;
2) емкостный фильтр выполнен на основе керамических конденсаторов, соединенных между собой параллельно и/или последовательно;
3) по меньшей мере один конденсатор емкостного фильтра размещен на плате управления, или внутри корпуса, или на силовой шине, соединенной с выводом питания, или между силовыми шинами, соединенными с выводами питания;
4) емкостный фильтр выполнен с верхним диапазоном рабочих температур не менее +125°С;
5) корпус содержит теплопроводящее основание, приспособленное для отвода тепла от IGBT и/или MOSFET, а емкостный фильтр выполнен и/или размещен с возможностью его охлаждения путем передачи тепла на корпус или на его теплопроводящее основание;
6) плата управления прикреплена к корпусу с возможностью передачи тепла от этой платы на этот корпус, причем корпус содержит теплопроводящее основание, приспособленное для отвода тепла от этого корпуса;
7) плата управления выполнена из материала с повышенной теплопроводностью и/или содержит конструктивные элементы, обеспечивающие улучшение ее охлаждения путем теплового излучения, и/или конвективного охлаждения, и/или принудительного воздушного охлаждения;
8) плата управления содержит малогабаритный вентилятор, приспособленный для принудительного воздушного охлаждения этой платы и/или корпуса.
Первый из указанных отличительных признаков, характеризующийся реализацией датчика тока на основе магниточувствительного элемента, например элемента Холла, а также его размещением около силовой шины или между ними внутри герметизированного корпуса или снаружи этого корпуса около платы управления или на этой плате, позволяет сократить габаритные размеры, объем и массу коммутатора, за счет интеграции датчика тока в конструкцию силового транзисторного коммутатора без увеличения его габаритных размеров, объема и массы при одновременном исключении отдельно установленного датчика тока.
Реализация емкостного фильтра, согласно второго отличительного признака, на основе керамических конденсаторов, соединенных между собой параллельно и/или последовательно, позволяет сократить габаритные размеры, объем и массу коммутатора, за счет того, что многослойные керамические конденсаторы имеют более высокое значение удельной энергии и емкости по сравнению с традиционно применяющимися пленочными конденсаторами, а также за счет того, что применение параллельно и/или последовательно соединенных конденсаторов малого размера позволяет придать емкостному накопителю энергии форму, соответствующую свободному пространству около выводов питания.
Диэлектрик в керамических конденсаторах не плавится и не теряет своих механических свойств при температуре пайки, как это может происходить с пленочными конденсаторами. Это дает возможность уменьшить габаритные размеры, объем и массу емкостного фильтра коммутатора за счет применения конденсаторов в чип-исполнении (SMD). При этом, несмотря на небольшие габаритные размеры керамических конденсаторов, их низкое эквивалентное последовательное сопротивление и связанные с ним малые потери, позволяют, по сравнению с пленочными или электролитическими, сильнее нагружать эти конденсаторы, не вызывая при этом их критического разогрева. Кроме того, керамические конденсаторы способны выдерживать кратковременные многократные перенапряжения. Совокупность этих факторов также обеспечивает возможность снижения габаритных размеров, объема и массы емкостного фильтра и коммутатора в целом.
К этому же результату приводит размещение конденсаторов емкостного фильтра (снабберных конденсаторов) на плате управления, внутри корпуса, на силовых шинах, соединенных с выводами питания, или между этими шинами, реализованное в соответствии с третьим отличительным признаком изобретения. В этом случае конденсаторы фильтра размещены на свободной площади платы управления, в свободном объеме корпуса, на свободной площади силовых шин или между ними, что исключает необходимость применения отдельного фильтра и, соответственно, обеспечивает сокращение габаритных размеров, объема и массы транзисторного коммутатора. Одновременно это приводит к сокращению длины соединений между конденсаторами емкостного фильтра и выводами питания, что также способствует уменьшению габаритных размеров, объема и массы коммутатора.
Известно, что работа конденсаторов емкостного фильтра в режиме больших импульсных токов приводит к их нагреву. Из уровня техники известно предотвращение перегрева конденсаторов путем увеличения их суммарной поверхности охлаждения, что приводит к увеличению габаритных размеров, объема и массы емкостного фильтра. В противоположность этому, в предложенном изобретении, согласно четвертого отличительного признака, емкостный фильтр выполнен с верхним диапазоном рабочих температур не менее +125°С, что при равной величине рассеиваемой мощности позволяет сократить габаритные размеры, объем и массу как самого емкостного фильтра, так и силового транзисторного коммутатора, в котором он установлен.
К этому же результату приводит улучшение охлаждения емкостного фильтра, реализованное в соответствии с пятым отличительным признаком изобретения. Улучшение охлаждения позволяет увеличить допустимую плотность тока, протекающего по обкладкам конденсаторов емкостного фильтра и, соответственно, уменьшить их габаритные размеры, объем и массу за счет сокращения необходимого сечения этих обкладок. Причем этот технический результат достигается при улучшении охлаждения путем обеспечения возможности передачи тепла от конденсаторов фильтра как на корпус, так и на его основание.
Реализация шестого отличительного признака изобретения, характеризующегося креплением платы управления к корпусу с целью передачи тепла, выделяющегося на компонентах этой платы, на теплопроводящее основание корпуса, позволяет увеличить максимально допустимую величину этой мощности. Благодаря этому открывается возможность установки на плату управления более компактных компонентов с высокой удельной мощностью (усилителей сигналов управления затворами IGBT и MOSFET, изолированного источника питания и т.д.), что обеспечивает уменьшение габаритных размеров, объема и массы указанных компонентов, высоты платы и, соответственно, силового коммутатора в целом.
По этим же причинам обеспечивается уменьшение габаритных размеров, объема и массы силового транзисторного коммутатора в изобретении, реализованном в соответствии с седьмым отличительным признаком. В нем плата управления выполнена из материала с повышенной теплопроводностью и/или имеет специальную конструкцию (теплопроводное покрытие черного цвета, дополнительный радиатор, отверстия и пазы в плате и т.п.), что обеспечивает улучшение ее охлаждения за счет интенсификации теплового излучения и/или увеличения скорости воздушного потока конвективного или принудительного охлаждения (от внешнего вентилятора или вентилятора, установленного на этой плате).
Последний отличительный признак изобретения предусматривает установку малогабаритного вентилятора на плату управления, обеспечивающего улучшение охлаждения самой платы, емкостного фильтра и корпуса коммутатора. Это позволяет сократить площади тех составных частей силового транзисторного коммутатора, которые требуют охлаждения, и, соответственно, уменьшить габаритные размеры, объем и массы этих составных частей и коммутатора в целом.
Из изложенного следует, что реализация как одного (любого) из указанных отличительных признаков изобретения, так и одновременная реализация нескольких признаков в их любом сочетании, обеспечивает создание силового транзисторного коммутатора с уменьшенными габаритными размерами, объемом и массой. Соответственно, эти признаки находятся в прямой причинно-следственной связи с указанным техническим результатом. Причем степень уменьшения габаритных размеров, объема и массы возрастает при увеличении количества реализованных отличительных признаков и имеет максимально возможное значение в случае одновременной реализации в силовом транзисторном коммутаторе всех этих признаков.
На фиг. 1 показана упрощенная электрическая схема коммутатора, на фиг. 2 - его вид сверху со снятой платой управления, а на фиг. 3 - вид сбоку. На фиг. 4 показана схема размещения конденсаторов емкостного фильтра между силовыми шинами.
Силовой транзисторный коммутатор содержит один или несколько биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), именуемых согласно англоязычной терминологии «Insulated Gate Bipolar Transistor» (IGBT), и/или полевых транзисторов с изолированным затвором, соединенных между собой параллельно и/или последовательно. Для обозначения полевых транзисторов с изолированным затвором могут использоваться термины МОП (металл-окисел-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), а по англоязычной терминологии - MOS, MOSFET или МОСФЕТ (от сокращения словосочетаний: «Metal-Oxide-Semiconductor» (металл-окисел-полупроводник) и «Field-Effect-Transistors» (транзистор, управляемый электрическим полем) и их транскрипции.
На схеме, представленной на фиг. 1, показано два IGBT 1, 2 с антипараллельными диодами 3, 4, соединенные последовательно по полумостовой схеме.
Транзисторы размещены в корпусе 5 и с помощью силовых шин 6, 7, 8 соединены с выводами питания +U и -U 9, 10 и с выходным выводом (выводами) 11 коммутатора. Выводы могут именоваться также зажимами, клеммами, контактными площадками и т.п.
На фиг. 2 и 3 в качестве примера показан корпус с высокой плотностью мощности, имеющий два вывода питания 9, 10 с одной стороны и два параллельно соединенных выходных вывода 11 с другой стороны. В англоязычной технической литературе подобный корпус имеет обозначение «EconoDual-3» или «Е3».
К выводам питания 9, 10 подключен емкостный фильтр 12, выполненный в виде группы последовательно и/или параллельно соединенных конденсаторов 13, преимущественно керамических, имеющих верхний диапазон рабочих температур не менее чем +125°С.
Для управления затворами транзисторов используется плата управления 14, которая может именоваться также платой драйверов, платой управления, усилителем сигналов, контроллером коммутатора и т.п. Она содержит изолированные драйверы IGBT, усилители токов их затворов, гальванически развязанный источник питания вторичных цепей драйверов и различные аналоговые и логические элементы, позволяющие реализовать защиту IGBT от перегрузок по току и напряжению, от сквозных токов и от превышения напряжения на затворах, обеспечение необходимых скоростей включения/выключения транзисторов, диагностику состояния коммутатора и т.п.
Плата управления 14 прижата или прикреплена винтами 5 через крепежные отверстия 16 к корпусу 5 не менее чем в четырех точках, причем непосредственно или через втулки, прокладки и т.п. Предпочтительным является крепление платы с возможностью передачи тепла от элементов, размещенных на этой плате, на корпус 5. С этой целью на соприкасающиеся поверхности платы и корпуса нанесен теплопроводный компаунд, либо для передачи тепла используются крепежные винты 15.
Для улучшения охлаждения платы управления 14 за счет теплового излучения плата может быть выполнена из материала с повышенной теплопроводностью, а ее поверхность, свободная от установки компонентов, может иметь теплопроводное покрытие черного цвета. На этой плате может быть установлен радиатор воздушного охлаждения, а также выполнены отверстия или вырезы, обеспечивающие повышение скорости конвективного или принудительного потока воздуха. В частности, за счет исключения глухих воздушных зон.
С этой же целью на плате 14 может быть размещен малогабаритный вентилятор 17, обеспечивающий принудительное воздушное охлаждение этой платы и корпуса 5. Этот корпус содержит теплопроводящее металлическое, керамическое или металло-керамическое основание 18, через которое осуществляется, как правило, отвод основного количества тепла, выделяемого IGBT 1, 2, диодах 3, 4, элементах платы управления 14 и конденсаторах 13 емкостного фильтра 12. С этой целью основание 18 через отверстия 19 закрепляется на теплоотводящем радиаторе воздушного охлаждения или на жидкостном или испарительном охладителе, обеспечивающем прямой контакт охлаждающей жидкости с этим основанием.
Силовой транзисторный коммутатор содержит датчик тока 20, выполненный на основе магниточувствительного элемента, например в виде микросхемы линейного или дискретного датчика (элемента) Холла. Он размещен около одной из силовых шин 9, 10, 11 или между этими шинами внутри корпуса 4 или снаружи этого корпуса между его стенкой или поверхностью его герметизации и платой управления (фиг. 3). Возможна также установка этого датчика на плате управления 14, например, на стороне платы, обращенной к силовой шине, либо в отверстии или вырезе этой платы.
Около датчика тока 20, с целью увеличения величины его сигнала, может дополнительно устанавливаться ферромагнитный концентратор магнитного поля 21. Концентратор может быть размещен в корпусе 5 и загерметизирован вместе с магниточувствительным элементом датчика тока, IGBT, диодами и силовыми шинами.
Датчик тока 20 осуществляет измерение величины и направления выходного тока силового транзисторного коммутатора, тока потребления этого коммутатора или тока, протекающего по какому-либо IGBT. Его выход может быть соединен с входом внешней системы управления коммутатором и/или с входом платы управления 14 с целью реализации защиты IGBT от перегрузки по току и от короткого замыкания нагрузки. В этом случае плата управления выполнена с возможностью отключения сигналов на затворах IGBT в случае, если выходной сигнал датчика тока 20 превышает предварительно установленную величину или пороговый уровень (в случае применения дискретного датчика Холла).
Керамические конденсаторы 13 емкостного фильтра 12 имеют малые габаритные размеры. Это дает возможность их размещения на плате управления 14, внутри корпуса 5, на силовой шине 9 или 10, соединенной с выводом питания, или между силовыми шинами 9, 10 (фиг. 4).
В последнем случае конденсаторы 13 размещаются между двумя плоскими медными шинами 9, 10 и припаиваются к ним. Противоположные выводы конденсаторов изолируются от шин с помощью изоляционных прокладок 22. Эти прокладки, с целью улучшения охлаждения конденсаторов 13, могут быть выполнены из теплопроводного материала.
Силовой транзисторный коммутатор работает следующим образом.
1
2
H
Напряжение питания +U и -U поступает на клеммы 9, 10 и далее на выводы коллектора и эмиттера IGBT 1, 2. Плата управления, в зависимости от внешних сигналов управления U и U, формирует сигналы управления затворами IGBT, в результате чего осуществляется их включение/отключение в моменты времени, соответствующие управляющим сигналам. Коммутируемое входное напряжение (напряжение питания) с выходного вывода 11 поступает на нагрузку Z (фиг. 1).
Величина тока нагрузки измеряется с помощью датчика тока 20. Его выходной сигнал поступает на внешнее устройство или на плату управления 14, обеспечивая реализацию защиты IGBT от перегрузок по току и от короткого замыкания нагрузки.
При коммутации индуктивной нагрузки, а также вследствие индуктивности силовых шин, на выводах питания 9, 10 могут возникать импульсы перенапряжения. Для их подавления в коммутаторе установлен емкостный фильтр 12, реализованный на основе конденсаторов 13, рассчитанных на большой импульсный ток.
Для повышения эффективности работы этого фильтра, а также для сокращения габаритных размеров, объема и мессы коммутатора, применяется комплекс описанных выше технических решений, работа которых понятна из их описания.
Для специалистов в данной области техники также понятно, что кроме описанных вариантов силового транзисторного коммутатора возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.