PL204954B1 - Moduł przekształtnika mocy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest moduł przekształtnika mocy, a zwłaszcza moduł przekształtnika mocy dla zasilania energią elektryczną w dziedzinie transportu szynowego. Takie moduły są często stosowane w postaci pomocniczych przekształtników średniej częstotliwości (MF) dla zasilania urządzeń pomocniczych w lokomotywach, pojazdach podziemnych, tramwajach, wagonach. Typowe urządzenia pomocnicze zawierają zespoły klimatyzacyjne, oświetlenie, kuchnie pokładowe systemy komunikacyjne, sprężarki itp.

Według przepisów IEC/DIN przekształtniki mocy dla zastosowania na pokładach pojazdów szynowych muszą być wyposażone w izolację galwaniczną, aby obwód pomocniczy był całkowicie izolowany elektrycznie od obwodu pierwotnego pochodzącego z zasilania szynowego albo obwodu lokomotywy.

W tym celu znane transformatory MF są wykorzystywane w wielosystemowych przekształ tnikach mocy razem z przekształtnikami podwyższającymi, aby transformator zapewnił wymaganą izolację galwaniczną a przekształtnik podwyższający zapewnia rozmaite warunki pracy napięcia, które ma być przekształcane. Typowe napięcia wejściowe mogą np. być AC:1 kV 16,2/3 Hz, 1.5 kV 50 Hz albo DC:1.5kV, 3kV. Chociaż w dalszym tekście dokonano podniesienia do przekształtnika podwyższającego, informacje dotyczące wynalazku mogą odnosić się także do przekształtników obniżających.

Istniejący moduł przekształtnika mocy jest znany z DE19813365 A, który ujawnia zwarty moduł zawierający półprzewodnikowe elementy mocy montowane na radiatorze. Moduł zawiera układ połączeń szynowych o niskiej induktancji pomiędzy półprzewodnikami mocy.

Konwencjonalne transformatory MF są typowo duże i ciężkie. Znane prostokątne i cylindryczne konstrukcje transformatorów mają raczej duży stosunek ciężar/moc około 0.4-0. 6 g/W przy 6-12 kHz przy przenoszonej mocy pomiędzy 30 kW i 100 kW. W konsekwencji ich rozmiarów i ciężaru, te znane transformatory MF są zwykle projektowane dla instalowania w pojazdach szynowych szeregowo z (zwykle po stronie wyjściowej) ale oddzielone od modułu przekształtnika MF. W szczególności, ograniczenie ciężaru dla wymiennych modułów przekształtników narzucone przez Deutsche Bahn i inne towarzystwa kolejowe wynosi około 60 kg, co uniemożliwia łączenie transformatora z modułem.

Inną przeszkodą dla połączenia transformatora z modułem jest potrzeba odpowiedniego chłodzenia. Moduły przekształtników do zastosowania w transporcie szynowym są zwykle umieszczane w szafie instalacji elektrycznych w taki sposób, ż e radiator jest chł odzony pierwszym strumieniem chłodzenia np. przepływem powietrza atmosferycznego, podczas gdy pozostałe składniki (elektronika mocy i sterowanie) są chłodzone czystym powietrzem z oddzielnego, zamkniętego układu dostarczającego powietrze chłodzące.

Jeden przekształtnik DC/AC dostępny z AEG SVS Systemy Zasilania Mocą zawiera transformator w module, ale ten układ wymaga specjalnego chłodzenia ponieważ transformator nie może być chłodzony przepływem atmosferycznym, ponieważ jest umieszczony po oczyszczonej stronie modułu. Typowo, transformatory muszą być chłodzone powietrzem atmosferycznym i/lub dodatkowymi chłodnicami wodnymi dla zapewnienia wystarczającego rozproszenia ciepła, co wymaga dodatkowej przestrzeni w pomieszczeniu instalacji elektrycznych.

Elektryczny falownik DC/AC jest znany z opisu US5170336 A, zawiera on transformator i przełączniki mocy umieszczone w jednym przedziale. Wymuszony strumień powietrza przepływa przez transformator pomiędzy uzwojeniami i rdzeniem i poza przedziałem. Urządzenie ma co najmniej jeden wentylator, wylot powietrza i strukturę dla prowadzenia i kierowania wymuszonego strumienia powietrza do i przez zewnętrzny radiator przełączników mocy.

Inne urządzenie jest znane z opisu US5502618 A, który ujawnia kasetę rozpraszania ciepła dla zasilania mocą DC. Kaseta zawiera wiele połączonych radiatorów i pojemnik wypełniony termicznym kauczukiem silikonowym dla transformatora. Powietrze przepływa wokół pojemnika zawierającego transformator.

Ponadto, moduł przekształtnika mocy dla przekształcenia napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe, zawierający radiator i półprzewodnikowy moduł mocy zamontowany na radiatorze jest znany z opisu US 5253613 oraz z opisu WO 01/37397.

Ogólnie, konwencjonalne transformatory MF nie są odpowiednie do bezpośredniego instalowania w module przekształtnika mocy MF w pobliżu IGBT (Tranzystor Bipolarny z Izolowaną Bramką), które są na ogół używane w przekształtnikach podwyższających. Jednym istotnym powodem tego jest

PL 204 954 B1 ryzyko prądów błądzących i wyładowania pomiędzy rozmaitymi elementami. Innym czynnikiem jest potrzeba skutecznego chłodzenia zarówno transformatora jak i elektronicznych elementów mocy.

Aby takie zwarte transformatory były wbudowywane w sam moduł przekształtnika mocy, jest pożądane umieszczenie uzwojenia pierwotnego i wtórnego w strumieniu powietrza chłodzącego moduł radiatora. Konstrukcja obecnych transformatorów nie pozwala na to. Dla uzyskania sprawnego działania uzwojenia musi ono być umieszczone blisko wokół uziemionego rdzenia z przestrzenią pomiędzy nimi. W wyniku tego zawsze istnieje niebezpieczeństwo częściowego wyładowania w szczelinie pomiędzy uzwojeniami, przekładkami i rdzeniem, co może w długim okresie doprowadzić do przebicia izolacji uzwojenia.

Bieżąca praktyka umieszczania transformatorów MF poza modułem przekształtnika mocy ma liczne istotne wady: zajmuje dodatkową przestrzeń w szafie instalacji elektrycznych; zwiększa ogólny ciężar; a zwłaszcza, oddzielny układ transformatora MF i modułu przekształtnika mocy fundamentalnie wpływa na działanie części rezonansowej układu przekształtnika mocy, ponieważ okablowanie łączące zmienia pojemność i indukcyjność obwodu rezonansowego.

Moduł przekształtnika mocy dla przekształcania napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe, zawierający radiator, półprzewodnikowy moduł mocy zamontowany na radiatorze i transformator dla galwanicznego izolowania prądu wyjściowego od prądu wejściowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że transformator jest zintegrowany w module i transformator i radiator są usytuowane w tym samym strumieniu chłodzącym, przy czym radiator jest płytą mając ą otwór, a transformator jest umieszczony w otworze i uzwojenie i rdzeń transformatora są w strumieniu powietrza radiatora.

Nad otworem jest umieszczona osłona, i osłona przykrywa transformator, a transformator nie styka się z osłoną i radiatorem.

Transformator jest wyposażony w połączenia dla uzwojenia pierwotnego i wtórnego, i transformator jest wspierany przez te połączenia.

Osłona zawiera płytę izolującą i w płycie izolującej są otwory, przez które przechodzą i są mocowane połączenia transformatora.

Uzwojenia transformatora są zamknięte w izolującym profilu cewki.

Pomiędzy profilem cewki i transformatorem jest szczelina powietrzna.

Radiator jest wyposażony w elementy chłodzące połączone cieplnie z modułem półprzewodnikowym.

Półprzewodnikowy moduł jest umieszczony na przenoszącej ciepło, izolującej elektrycznie ramie, bezpośrednio zamontowanej do radiatora, przy czym półprzewodnikowy moduł jest izolowany elektrycznie od radiatora ale ma z nim dobry styk cieplny.

Moduł przekształtnika mocy zawiera moduł przekształtnika mocy średniej częstotliwości z przekształtnikiem podwyższającym i układem rezonansowym.

Obwód rezonansowy jest wewnętrznie połączony z modułem, tak aby były wykonane tylko dwa połączenia mocy dla wejścia do modułu i wyjścia z modułu.

Połączenie wewnętrzne jest utworzone przez układ szyn zbiorczych o małej indukcyjności.

Układ szyn zbiorczych zawiera stojaki, które stanowią mechaniczne oparcie dla kondensatorów obwodu rezonansowego jak również zapewniają ich połączenie elektryczne.

Wszystkie połączenia modułu zawierające wejście, wyjście i sterowanie są umieszczone na płycie pokrywy.

Połączenia wejścia i wyjścia są wyposażone w różne gwinty, aby uniknąć niewłaściwego połączenia.

Na radiatorze jest usytuowana ścianka boczna, dla otoczenia transformatora i modułów półprzewodnikowych, i ta ścianka boczna jest wyposażona w elementy wentylacyjne.

Ścianka boczna jest ponadto wyposażona w nośne uchwyty i/lub elementy łączące.

Dwa lub więcej transformatorów jest zintegrowane na radiatorze.

Przekształtnik jest przystosowany do przekształcania wejścia AC albo DC w wyjście DC.

Według wynalazku, moduł przekształtnika mocy dla przekształcania napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe, zawiera radiator, półprzewodnikowy moduł mocy zamontowany na radiatorze i transformator dla galwanicznego izolowania prą du wyjściowego od prądu wejściowego. Transformator jest zintegrowany z modułem tak, że transformator i radiator są bezpośrednio chłodzone przez kontakt z tym samym strumieniem chłodzącym.

PL 204 954 B1

Półprzewodnikowy moduł mocy jest chroniony przed zetknięciem ze strumieniem chłodzącym. Oddzielny strumień chłodzący może być wprowadzony dla bezpośredniego chłodzenia półprzewodnikowego modułu mocy.

Moduł przekształtnika mocy według wynalazku ma taką zaletę, że dodatkowa przestrzeń na transformator poza modułem przekształtnika mocy nie jest potrzebna i układ szyn o małej indukcyjności może być użyty dla obwodu rezonansowego.

Korzystny transformator MF dla zastosowania w module przekształtnika mocy według wynalazku jest ujawniony w niepublikowanym zgłoszeniu patentowym DE 102 03 246.7. Ten transformator zawiera pierwotne i wtórne uzwojenia, które są objęte izolowanym profil cewki. Szczelina powietrzna pomiędzy profilem cewki i rdzeniem transformatora cieplnie i elektrycznie izoluje te dwa elementy. Ponieważ mechaniczne/metalowe elementy mocujące takie jak rozpórki, śruby itp. nie są już wymagane dla podpierania uzwojenia albo rdzenia, potencjał rdzenia może być pływać pomiędzy napięciami pierwotnym i wtórnym cewek nie stwarzając zagrożenia częściowego wyładowania albo łuku. Przesunięcia strumienia dielektrycznego powodują tylko bardzo słabe wyładowania w rdzeniu, i nie stwarzają zagrożenia nawet przy braku ekranowania. Stosunkowo duża szczelina powietrzna pomiędzy profilem cewki i rdzeniem umożliwia skuteczne chłodzeni rdzenia i cewek transformatora MF bezpośrednio w strumieniu powietrza, chłodnicy przekształtnika mocy. Cewki i połączenia transformatora mogą dlatego być umieszczone w strumień powietrza chłodzącego moduł przekształtnika mocy, co pozwala na wykonanie szczególnie zwartej konstrukcji bez zagrożenia wyładowaniem łukowym. W szczególnie korzystnym przykł adzie wykonania, profil cewki moż e dział ać jako rzeczywisty czł on nośny transformatora. Dla ułatwienia montażu transformatora MF, rdzeń magnetyczny może także być złożony z częściowych sekcji rdzenia, które są montowane razem w uzwojenia pierwotne i wtórne.

Transformatory tej konstrukcji pozwalają uzyskać bardzo korzystne stosunki ciężar/moc. Na przykład stosunki ciężar/moc od 0.2 do 0.25 g/W mogą być uzyskane przy 6-12 kHz i przenoszonej mocy 30 do 100 kW. Ponadto, znaczne oszczędności ciężaru mogą być uzyskane w tym układzie. Na przykład, łatwo można uzyskać oszczędność ciężaru do 50% w porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami. Co jest istotne przez łączenie transformatorów z modułem przekształtnika mocy, oszczędności są nawet większe gdy moc całkowita wzrasta, ponieważ podwojenie parametrów transformatora wymaga tylko nieznacznego dodatkowego wzrostu ciężaru pozostałych elementów modułu. Można rozważyć zastosowanie modułów tej konstrukcji w systemach napędowych małej mocy (LPP) albo nawet w zakresie napędów średniej mocy (MPP). Można następnie rozważyć wykorzystanie tej technologii w lokomotywach w napędach dużej mocy (HPP).

Wystarczająco izolowane i zwarte transformatory mogą być wykorzystywane w zintegrowanych modułach przekształtnika mocy według wynalazku. Jest także w zakresie wynalazku to, że dwa albo więcej małych transformatorów może być zamontowane na odpowiednio skonstruowanym radiatorze np. dla zwiększenia mocy modułu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, którego fig. 1 przedstawia widok perspektywiczny warstwy podstawy modułu przekształtnika mocy według wynalazku, fig. 2 przedstawia widok przekroju półprzewodnika IGBT z ramką izolacyjną zamontowanego na radiatorze, fig. 3 przedstawia widok modułu przekształtnika mocy pokazujący elementy chłodzenia, fig. 4 przedstawia widok perspektywiczny transformatora MF dla połączenia z modułem przekształtnika mocy, fig. 5 przedstawia widok przekroju detalu jednego przykładu wykonania montażu transformatora, fig. 6 przedstawia alternatywny przykład wykonania transformatora z fig. 4 w częściowym przekroju, fig. 7 przedstawia widok perspektywiczny modułu przekształtnika mocy z fig. 1 z połączeniami szynowymi i kondensatorami, fig. 7a przedstawia moduł przekształtnika mocy z fig. 7 w widoku wzdłuż strzałki VIIa, fig. 8 przedstawia widok perspektywiczny modułu przekształtnika mocy z fig. 1 z zamontowaną płytą boczną, fig. 9 przedstawia widok perspektywiczny modułu przekształtnika mocy według wynalazku z pokrywą, fig. 10 przedstawia widok częściowego przekroju jednego przykładu wykonania końcówek wejściowych i wyjściowych modułu przekształtnika mocy, fig. 11 przedstawia widok następnego przykładu wykonania modułu przekształtnika mocy według wynalazku ze wzdłużnym przepływem powietrza; i fig. 12 przedstawia schemat połączeń modułu przekształtnika mocy pracującego jako przekształtnik AC/DC MF.

Fig. 1 przedstawia widok perspektywiczny przekształtnika mocy 1 według wynalazku. Moduł przekształtnika mocy 1 zawiera radiator 6, który służy jako element podstawy i pierwszą warstwę modułu. Radiator 6 jest wykonany ze spiekanego aluminium. Alternatywnie, radiator może być wykonany z innego materiału o wystarczającej przewodności cieplnej, takiego jak inne postacie aluminium albo

PL 204 954 B1 inne metale. Na pierwszej powierzchni, radiator 6 jest wyposażony w elementy chłodzące w postaci poprzecznych żeber 8. Alternatywne formy elementów chłodzących mogą być odpowiednio wykorzystane, na przykład żebra biegnące wzdłużnie, zakładając, że wymagane rozproszenie ciepła duty jest uzyskane. Gdy są instalowane w szafie instalacji elektrycznych, żebra 8 są umieszczone w strumieniu powietrza dla zapewnienia odpowiedniego rozpraszanie ciepła wytwarzanego w module przekształtnika mocy 1.

Według wynalazku, radiator 6 jest wyposażony w płytę 7 przedłużającą radiator dla przyjęcia transformatora 100 (jak pokazano na fig. 3). Płyta 7 przedłużająca radiator może być oddzielnym elementem jak pokazano na fig. 1, połączonym z radiatorem 6 przez wspornik albo inny element, albo może być wykonana integralnie jako część samego radiatora 6. Na figurach płyta 7 przedłużająca radiator jest pokazana w tej samej płaszczyźnie co radiator 6. Inne układy są także możliwe tak, że radiator 6 i płyta 7 przedłużająca radiator mogą być umieszczone pod katem w stosunku do siebie. Alternatywnie, transformator może być umieszczony na oddzielnej płycie umieszczonej w jednym zintegrowanym module przekształtnika mocy. Elementy chłodzące takie jak żebra 8 mogą także być umieszczone w tym obszarze radiatora 6.

Płyta 7 przedłużająca radiator jest wyposażona w osłonę 5, która służy jako obudowa transformatora 100. Osłona 5 może także być wykonana integralnie z radiatorem 6 albo z płytą 7 przedłużającą radiator. Alternatywnie, osłona może być połączoną z płytą 7 przedłużającą radiator przez spawanie albo inny sposób mocowania mechanicznego. Osłona 5 oddziela obszar poniżej radiatora 6, który jest poddany chłodzeniu atmosferycznemu, od obszaru powyżej radiatora 6, który jest chłodzony przez oddzielny system chłodzenia dostarczający oczyszczone powietrze. Osłona 5 powinna korzystnie być szczelna w stosunku do płyty 7 przedłużającej radiator dla zapewnienia hermetycznego rozdziału pomiędzy dwoma obszarami, zapobiegając przenikaniu zanieczyszczeń.

Dla celów izolacyjnych cała górna powierzchnia osłony 5 jest utworzona przez płytę izolacyjną 9 jak pokazano na fig. 1. Alternatywnie, cała osłona może być wykonana z materiału izolacyjnego. Otwory 10 są wprowadzone przez płytę izolacyjną 9 dla połączenia wejścia i wyjścia 109, 110 transformatora 100.

Alternatywnie, osłona może być pominięta i transformator 100 może być umieszczony poniżej radiatora 6 albo przedłużenia 7 radiatora, z odpowiednimi otworami wprowadzonymi dla połączenia wejścia i wyjścia 109, 110 transformatora 100.

Radiator 6 jest wyposażony na swojej drugiej powierzchni w półprzewodnikowe moduły mocy 2. Te moduły, opisane bardziej szczegółowo poniżej, są elektrycznie izolowane od radiatora 6, ale mają z nim dobre połączenie cieplne. Fig. 1 pokazuje diody wejściowe 21,21' (wymagane przy wejściu AC), przekształtnik podwyższający IGBT 22, 22' umieszczony na ramach izolacyjnych 23, 23', układ rezonansowy IGBT 24, 24' i diody wyjściowe 26, 26'. Chociaż w tym przykładzie wykonania IGBT są podstawowymi elementami przełączającymi modułu przekształtnika mocy, jest zrozumiałe, że inne elementy przełączające mogą być wykorzystywane dla uzyskania tego samego albo podobnego rezultatu.

W przykładzie wykonania pokazanym na fig. 1, tylko przekształtniki podwyższające IGBT 22, 22' są zamontowane na płytach izolacyjnych. Alternatywnie, dla pewnych warunków pracy wysokiego napięcia, inne elementy takie jak układ rezonansowy IGBT 24, 24' może być umieszczony na takich ramach izolacyjnych. To może być konieczne np. przy zastosowaniu dwóch modułów połączonych szeregowo przy napięciu wejściowym 3 kV DC.

Dla ułatwienia umieszczenia półprzewodnikowego modułu mocy 2, radiator 6 jest wyposażony w szablon umieszczenia otworów (nie pokazany), który umożliwia bezpośrednie montowanie na powierzchni radiatora IGBT z albo bez ram izolacyjnych i innych elementów.

Fig. 2 pokazuje widok częściowego przekroju przekształtnika podwyższającego IGBT 22 zamontowanego na izolowanej ramie 23 według niepublikowanego zgłoszenia patentowego DE 101 39287.7. Rzeczywisty IGBT 230 ma na swojej górnej powierzchni połączenia elektryczne 202 i jest wyposażony na swojej dolnej powierzchni w elektrycznie przewodzącą płytę bazową 203. Otwory przelotowe 204 w obszarze krawędzi płyty bazowej 203 są wprowadzone dla montażu i wypośrodkowania IGBT 230 w ramie izolacyjnej przez użycie wkładek gwintowanych 211 wpuszczonych w materiał izolacyjny albo innych podobnych elementów łączących.

To umożliwia mocowanie przyrządów półprzewodnikowych 22 do radiatora 6 nie za pomocą normalnych bezpośrednich połączeń śrubowych ale pośrednio przez przelotowe otwory 204, wkładki gwintowane 211 i śruby 213 ramy izolującej 23. Rama izolująca (23) dociska IGBT (230) za pośrednictwem płyty ceramicznej 208 do radiatora 6. Funkcją płyty ceramicznej 208 jest izolować elektrycznie

PL 204 954 B1

IGBT 230 od radiator 6, zapewniając przy tym dobry styk cieplny dla zapewnienia rozpraszanie ciepła z IGBT do radiatora 6. W tym celu, płyta ceramiczna 208, jest wykonana z azotku aluminium albo tlenku aluminium albo innych materiałów mających podobne właściwości. Płyta ceramiczna 208, ma nieco większą powierzchnię niż płyta podstawy 203 tak, że obwodowy obszar wolnej krawędzi biegnie wokół płyta podstawy 203, który przyjmuje elastyczną uszczelkę elektryczną 207 pomiędzy ramą izolującą 23, płytą ceramiczną 208 i płytą podstawy 203. Uszczelka elektryczna 207 może być wykonana z nieprzewodzącej miękkiej gumy albo tworzywa sztucznego. Przez zastosowanie pokrycia pastą silikonową albo innym substytutem zapobiega się stykaniu gumy albo tworzywa sztucznego z tlenem co może zapewnić odpowiedni czas życia nawet w najtrudniejszych warunkach otoczenia. Uszczelka elektryczna 207 działa razem z płytą ceramiczną 208 i ramą izolującą 23 jako bariera elektryczna i uniemożliwia ruch nośników ładunku. W warunkach szczególnie wysokiego napięcie dwie uszczelki mogą być użyte, jedna w drugiej tak, że tworzą układ szeregowego połączenia elektrycznego.

Korzystnie, płyta ceramiczna 208 jest wystarczająco gruba tak, że wynikowe natężenie pola elektrycznego pozostaje małe co łącznie z innymi środkami zaradczymi znanymi ze stanu techniki zapewnia uzyskanie wysokiego stopnia bezpieczeństwa w odniesieniu do wyładowań częściowych. Nawet gdyby powstała rysa na płycie ceramicznej 208, zwarcie lub zaiskrzenie nie może wystąpić ponieważ niezbędne nośniki ładunku nie mogą zostać wytworzone przy tak słabym polu.

W korzystnym przykładzie wykonania, rama izolująca 23 może zawierać dwa główne elementy składowe, ramę zewnętrzną 209 i korpus izolujący 210 wewnątrz, ale częściowo obejmujący tą ramę zewnętrzną 209. Rama zewnętrzna 209 jest korzystnie wykonana z metalu (np. odlewu aluminiowego) a korpus izolujący 210 jest korzystnie wykonany z izolującego elektrycznie tworzywa sztucznego, zwłaszcza z włókna węglowego wzmocnionego tworzywem sztucznym takim jak żywica epoksydowa, żywica poliestrowa albo materiał PPS nie mający właściwości przewodzenie. Przez wprowadzenie ramy zewnętrznej 209 niosącej korpus izolujący 210 jest zapewnione, że materiał izolujący nie jest poddany naprężeniu albo działaniu sił i jest pierwotnie umieszczony przy ściskaniu. Materiał który jest stosowany na ramę izolującą 23 zawierającą korpus izolujący 210 jest korzystnie wytrzymały na wyładowania częściowe. Dużą wytrzymałość, pozbawione wad połączenie z materiałem izolującym może być uzyskany przez formowanie próżniowe albo technikę wtrysku ciśnieniowego, w połączeniu z ramą zewnętrzną 209 mającą cienki profil, pozbawiony wad.

Jest ponadto korzystne wprowadzenie do ramy izolującej 23 albo korpusu izolującego 210 wpuszczanych elementów składowych w postaci wkładek gwintowanych 211. Te zintegrowane wkładki gwintowane 211 są wprowadzone w dokładnie umiejscowione otwory przelotowe 204 płyty podstawy 203 tak aby wkładki gwintowane 211 służyły jako elementy centrujące lokujące ramę izolującą 23 w elementach mocujących 204 na płycie podstawy 203. To umożliwia łatwe centrowanie IGBT 230 w ramie izolującej podczas montażu.

Wkładki gwintowane 211 w stanie zamontowanym wywierają wstępnie kreślony docisk na płytę podstawy 203 modułu półprzewodnikowego 22 i zapewniają potrzebny nacisk dla optymalnego przenoszenia ciepła. Nierówności górnej powierzchni radiatora 6 są kompensowane przez wkładki gwintowane 211 tak, że moduł półprzewodnika jest równomiernie dociskany na całej swojej powierzchni. Połączenie pomiędzy górną powierzchnią radiatora 6 i płytą ceramiczną 208 może być wypełnione trwałą nie wypływającą, izolującą, przewodzącą ciepło pastą (np. pastą silikonową przewodzącą ciepło). To umożliwia równomierne rozpraszanie ciepła z radiatora 6, a także zapewnia, że nie mogą się tam dostać cząstki brudu, co mogło by prowadzić do wyładowania częściowego podczas pracy.

Jak wspomniano powyżej, dla zamontowania ramy izolującej na radiatorze 6 są korzystnie wprowadzone w bezpośrednim sąsiedztwie wkładki gwintowane 211, otwory przelotowe 212 przez ramę izolującą 23, przez które śruby 213 mogą być wprowadzone do odpowiednich gwintowane otwory w radiatorze 6. Łby śrub 213 są umieszczone za izolującym grzbietem 218 utworzonym wokół ramy izolującej 23. W ten sposób wystarczająca szczelina rozładowująca jest uzyskana pomiędzy radiatorem 6 i szynami zbiorczymi albo połączeniami IGBT 230. Alternatywnie, radiator 6 może być wyposażony w odpowiednie śruby, które są wprowadzone przez otwory przelotowe albo otwory 212. Łby śrub zabezpieczających 213 mogą także być wpuszczone w ramę 209 dla zwiększenia szczeliny rozładowującej.

Rama 209 jest wyposażona w ramię dźwigni 216, jak pokazano na fig. 2. Siła wywierana przez śruby 213 jest przenoszona przez ramię wspornika 216 ramy, przez korpus izolujący 210 i ramę dociskającą 211 do płyty podstawy 203. Mała szczelina pomiędzy ramą izolującą i radiatorem 6, zapewnia, że siła wywierana przez śruby 213 jest skuteczna.

PL 204 954 B1

Dla umożliwienia pracy w warunkach wysokiego napięcie i/lub dużej mocy, połączenia elektryczne 214, 215 są wprowadzone pomiędzy bramką 221 IGBT 230 i płytą podstawy 203 i/lub pomiędzy emiterem 202 i płytą podstawy 203. Te połączenia elektryczne 214, 215 z płytą podstawy 203 są korzystnie wprowadzone przez człon przenoszący nacisk 220 w ramie izolującej 23 albo korpus izolujący 210, który zapewnia połączenie elektryczne z wkładki gwintowanej 211 do połączenia elektrycznego 214, 215 przy użyciu śrub, które mogą być dostępne z górnej powierzchni IGBT 230. Człony przenoszący naciski 220 mają więc podwójną funkcję. Po pierwsze, zapewniają połączenie elektryczne wolne od wyładowań jak opisano powyżej. Po drugie zapewniają docisk mechaniczny w środku modułu półprzewodnika.

Przez dobranie rezystancji i pojemności elektrycznej połączenia 214, 215 i członu przenoszącego nacisk 220, różnica potencjałów pomiędzy tranzystorem albo strukturą półprzewodnika albo jego izolacją ceramiczną np. płytą ceramiczną 208 i metalową i przewodzącą elektrycznie płytą podstawy 203 może być zmniejszona do kilku woltów. Ponadto, nie mogą być wytwarzane nieokreślone napięcia pośrednie. W stanie techniki w urządzeniach bez ramy izolującej 23, różnica potencjałów może osiągnąć wartości krytyczne, szczególnie w obszarze krawędzi, prowadząc do wyładowań częściowych i wyładowań łukowych. Przy ramie izolującej 23, krytyczne obszary natężenia pola elektrycznego są przesunięte do dobrze izolującej płyty ceramicznej 208, korpusu izolującego 210 i otaczającego je obrzeża izolującego 218 i uszczelki elektrycznej 207. W wyniku wspomnianych powyżej środków te obszary są lepiej przystosowane do wytrzymywania w prosty i skuteczny sposób tak dużych wartości natężenia pola elektrycznego. Obrzeże izolujące 218 jest zaprojektowane tak, że zapewnia uzyskanie koniecznej szczeliny iskrowej i drogi upływności, pomiędzy IGBT 230 i jego połączeniami i śrubami 213.

Zastosowanie ram izolujących 23 umożliwia modułom IGBT, zwłaszcza przeznaczonym do zastosowania przy niskim napięciu, zastosowanie w warunkach wysokiego napięcia. Tak więc standardowy moduł 650V może być zastosowany dla 1300 V, 2600 V albo nawet 3900V. To uniwersalne zastosowanie dla niskiego i wysokiego napięcia jest uzyskane przez funkcjonalną współpracę ramy izolującej 23 i połączenia elektrycznego członu przenoszącego naciski 220 pomiędzy płytą podstawy i połączeniem emitera i bramki. Zwłaszcza na krawędzi obszaru płyty podstawy 203, krytyczne poziomy napięcie i natężenia pola elektrycznego pomiędzy IGBT 230 i metalową i przewodzącą elektrycznie płytą podstawy 203 są zmniejszone do kilku woltów. Izolujące obrzeże 218 ramy izolującej 23 powinno być co najmniej równe wysokości IGBT 230. W wyniku tego natężenia pola są znacznie zmniejszone.

Chociaż na figurach są pokazane, podwyższające IGBT 22 z ramami izolującymi 23, mogą one być stosowane w warunkach niskiego napięcia bez ramy izolującej 23. Byłoby także możliwe w warunkach wysokiego napięcia stosowanie IGBT wysokiego napięcia bez ram izolujących. Mają one jednak obecnie taką wadę, że ich mała częstotliwość przełączania znacznie ogranicza częstotliwość roboczą przekształtnika podwyższającego i obwodu rezonansowego.

Jest także możliwe wprowadzenie ram izolujących dla niektórych albo wszystkich pozostałych elementów składowych, szczególnie w warunkach wysokiego napięcia wejściowego i wyjściowego. W takich przypadkach, może być dogodne montowanie dwóch albo więcej elementów składowych np. diod wyjściowych, na jednej odpowiednio ukształtowanej ramie izolującej.

Fig. 3 przedstawia widok z dołu modułu przekształtnika mocy 1 zawierającego transformator 100. Radiator 6 jest wyposażony w obszar przedłużenia 7 radiatora z otworem 12. Transformator 100 jest umieszczony w otworze tak, że rdzeń 102 i uzwojenia 114 są wystawione na przepływ powietrza chłodzącego. Transformator albo jego część może wystawać poniżej poziomu wydłużenia radiatora. Jest zalecane, aby transformator 100 nie wystawał poniżej poziomu żebra 8. Jest także możliwe wprowadzenie owiewek albo elementów wytwarzających zawirowania (nie pokazane) dla bezpośredniego wprowadzenia przepływu powietrza przez otwór w osłonie.

Fig. 3 pokazuje pojedynczy transformator 100. Jest jednakże możliwe umieszczenie dwóch albo więcej transformatorów 100 na jednym radiatorze 6 np. każdy zamontowany w odpowiednio ukształtowanym otworze. To mogłoby umożliwić uzyskanie różnych układów i napięciowych warunków pracy. Dla zintegrowania transformatora 100 z modułem przekształtnika mocy 1, transformator, może być wyposażony w wystarczającą izolację galwaniczną według przepisów IEC/DIN co zapewni, że wyładowania częściowe pomiędzy uzwojeniami pierwotnym i wtórnym i/lub pomiędzy radiatorem 6 i półprzewodnikami mocy 2 jest uniemożliwione. Jako taki, korzystny transformator jaki ujawniono w niepublikowanym zgłoszeniu patentowym DE 102 03 246.7 może być zastosowany jak pokazano na

PL 204 954 B1 fig. 4. Transformator 100 zawiera profil cewki 101 na ogół prostokątnego kształtu mający zaokrąglone rogi. Transformator zawiera uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne, które mogą być rozdzielone równo w warstwach górnej i dolnej. Profil cewki jest wykonany w postaci hermetycznie szczelnego bloku. Profil cewki 101 może także służyć jako podstawa montażowa dla rdzenia 102 transformatora 100.

Rdzeń 102 może być wykonany jako dwie pary identycznych połówek rdzeni, które są wprowadzone w profil cewki i połączone na ich powierzchniach. Części kątowe 104 są wprowadzone na każdej stronie profilu cewki i służą jako wsporniki połówek rdzeni.

Sekcje kątowe razem z profilem cewki 101 służą do skutecznego otoczenia i trzymania zewnętrznych kolumn rdzeni 102. Sekcje kątowe 104 są wykonane integralnie jako części profilu rdzenia. Żebra 105 mogą być wprowadzone dla wzmocnienia tych sekcji kątowych 104.

Zewnętrzne powierzchnie 106 rdzenia 102 mogą być przyklejone do wewnętrznej powierzchni 107 sekcji kątowych 104, dzięki czemu szczelina powietrzna 103 (patrz fig. 6) pozostaje pomiędzy rdzeniem 102 i profilem cewki 101. W ten sposób, rdzeń 102 może swobodnie wisieć w profilu cewki będąc połączone na powierzchniach 106, 107.

Czoło profilu cewki 101 może być wyposażone w człony dystansowe (nie pokazane), które mogą być wykonane integralnie z profilem cewki 101. Te człony dystansowe mogą podtrzymywać górną i dolną powierzchnię rdzenia 102 podczas montażu i klejenia.

Połączenia elektryczne 109, 110 pierwotnego i wtórnego uzwojenia są zestawione w bloki łączące 111, 112 na powierzchni czołowej profilu cewki 101. Dodatkowe uchwyty 113 mogą być wprowadzone do tych bloków łączących 111, 112 dla bocznego ograniczenia rdzenia 102. Jednakże nawet bez takich uchwytów przyklejony rdzeń 102 jest trzymany niezwykle bezpiecznie i spokojnie w profilu cewki 101.

Wszystkie elementy składowe dla mocowania rdzenia 102 są wykonane z materiałów nieprzewodzących, tak że potencjał rdzenia 102 może swobodnie pływać. Inaczej niż w stanie techniki, rdzeń 102 transformatorów nie jest uziemiony. Korzystnie, rdzeń ferrytowy nanokrystaliczny albo amorficzny może być użyty.

Jak pokazano na fig. 5 bloki łączące 111, 112 także zastosowano dla mechanicznych połączeń transformatora 100 w osłonie 5. Transformator jest zawieszony poniżej płyty izolującej 9 jest więc całkowicie izolowany od radiatora 6 albo przedłużenia radiatora. Bloki łączące 111, 112 są wyposażone w uszczelnienia 13 i dla lepszego zabezpieczenia, formowane przepusty 120 mogą być wprowadzone dla pełnej ochrony przed przenikaniem cząstek brudu, wilgoci i innych zanieczyszczeń. Jak wspomniano powyżej, układ bez osłony 5 jest także rozważany dla bloków łączących 111, 112 wprowadzonych dla połączenia mechanicznego poniżej odpowiednio izolowanej części radiatora 6.

W wyniku zmniejszenia jego rozmiarów i ciężaru transformator 100 może być umieszczony w strumieniu powietrza chłodzącego tak, że powietrze przepływa nad całą powierzchnią i przez szczelinę powietrzną 103. Fig. 6 pokazuje jak następne żebra chłodzące 121 mogą być wprowadzone dla uzwojenia 114. Dla zachowania izolacji galwanicznej uzwojenia transformatora, żebra chłodzące 121 są korzystnie całkowicie wbudowane w materiał profilu cewki 101. Inne metody zapewnienia izolacji żeber chłodzących 121 np. pokrycie proszkowe także mogą być użyte.

Fig. 7 i fig. 7a pokazują inną konstrukcję modułu przekształtnika mocy 1 z wykorzystaniem konstrukcji warstwowej znanej z wcześniejszej publikacji patentowej DE 19813365A. Układ 30 połączeń zbiorczych o małej indukcyjności jest wprowadzony powyżej półprzewodnikowego modułu mocy 2 i zapewnia połączenie elektryczne diod wejściowych 21, 21', przekształtników podwyższających 22, 22' i układu rezonansowego 24, 100. Stojaki 36 zapewniają oparcie mechaniczne i połączenie elektryczne z zespołem kondensatorów 31, 32, 33, 34 i rezystorami rozładowującymi (nie pokazane).

Fig. 8 pokazuje moduł przekształtnika mocy 1 wyposażony w ściankę boczną 14 w postaci płyty metalowej. To także zapewnia wystarczający przepływ powietrza na górnej powierzchni radiatora 6 ścianka boczna 14 jest wyposażona w elementy wentylacyjne 15 w postaci otworów, które umożliwiają przepływ oczyszczonego powietrza chłodzącego. Ścianka boczna 14 może także być zamontowana na radiatorze 6 w taki sposób, że służy jako dodatkowy element dla rozpraszania ciepła.

Dla łatwiejszego trzymania, ścianka boczna 14 może być wyposażona w uchwyty 16. Dla montażu modułu w szafie instalacji elektrycznych ścianka boczna 14 może także być wyposażona w otwory mocujące 17, tak że cały moduł może być zamontowany np. na szynach teleskopowych.

Fig. 8 także pokazuje czujniki napięcia wejściowego 37, 37', czujnik prądu wejściowego 38 i czujnik napięcia wyjściowego 39 zamontowane na wewnętrznej powierzchni ścianki bocznej 14.

PL 204 954 B1

Fig. 9 pokazuje moduł przekształtnika mocy 1 z pokrywą 40 wykonaną z metalu albo tworzywa sztucznego. Dla trzymania modułu płyta pokrywy może także być wyposażony w elementy transportowe takie jak punkty transportowe 42 dla użycia osprzętu podnoszącego, takiego jak podnośniki, podczas instalowania w szafie instalacji elektrycznych i także uchwyt 43.

Dla sterowania modułu przekształtnika mocy 1 moduł elektroniki sterującej 44 i elektronika sterująca napięciem 45 są wprowadzone płytę pokrywy dla łatwiejszego dostępu. Dla umożliwienia połączenia czujników 37, 38, 39 płyta pokrywy jest wyposażona w otwory 46, które zgadzają się z połączeniami do tych czujników.

Korzystnie i charakterystycznie, moduł przekształtnika mocy zawiera tylko dwa połączenia każde dla wejścia i wyjścia do np. szyny zbiorczej albo układu lokomotywy po stronie wejścia i do układu pomocniczego po stronie wyjścia.

Połączenia przez płytę pokrywy dla wejścia 20, 20' i wyjścia 29, 29' są pokazane na fig. 9 i fig. 10. Dla celów praktycznych i konstrukcyjnych, połączenia wejścia i wyjścia są podobne ale zróżnicowane, po stronie wejścia, zastosowano zmniejszenie przekroju styku dla utworzenia szczeliny pierścieniowej 51 pomiędzy pierścieniem izolującym 48 i przepustem łączącym 47. To zapewnia wydłużenie ścieżki upływu. Jest także korzystne wyposażenie wejść i wyjść w różne rozmiary gwintów dla przyjmowania np. śrub 52 i 53 o różnych wymiarach co uniemożliwi wykonanie niewłaściwego połączenia.

Fig. 11 pokazuje widok perspektywiczny a drugiego przykładu wykonania modułu przekształtnika mocy 1, w którym żebra 8 są ułożone w kierunku wzdłużnym modułu w kierunku przepływu powietrza. Transformator jest ustawiany pod kątem 90° w stosunku do położenia na fig. 1 aby szczelina powietrzna 103 pomiędzy profilem cewki 101 i rdzeniem 102 była zgodna z kierunku żeber 8. W tym przykładzie wykonania, radiator 6 jest wykonany razem z przedłużeniem jako jeden element, na którym jest zamontowany transformator 100.

Schemat połączeń modułu przekształtnika mocy według wynalazku jak pokazano na fig. 1 jest pokazany na fig. 12. Układ jest dostosowany do przekształcania wejściowego napięcia przemiennego AC na wyjściowe napięcie stałe DC. Typowo, napięcie wejściowe może być 1kV przy 16^2/3 Hz i 1.5 kV przy 50 Hz AC albo 1.5 kV DC albo 3 kV DC. Po stronie wejściowej, diody wejściowe 21, 21' są wprowadzone dla prostowania wchodzącego prądu AC z szyny zbiorczej albo układu lokomotywy do podwójnego przekształtnika podwyższającego 22, 22'. IGBT tworzące podwójny przekształtnik podwyższający są sterowane przy wykorzystaniu modulacji szerokości impulsów przez zespół sterowania bramki (GDU) dla uzyskania regulowanego napięcia pośredniego na wejściu obwodu rezonansowego. W przypadku wysokiego napięcia wejściowego np. 3 kV DC, 1.5 kV AC, ramy izolujące 23, 23' opisane powyżej mogą być użyte. W tych warunkach, podwójny przekształtnik podwyższający może być sterowany przy częstotliwościach do około 3 kHz.

Obwód rezonansowy zawierający transformator 100, IGBT 24, 24', wyjściowe diody 26, 26', kondensator 33 rezonansowy, wyjściowy kondensator 34 i rezystory rozładowujące jest sterowny dla oscylacji przez GDU 52, 52' przy częstotliwości rezonansowej pomiędzy 8 kHz i do 20 kHz, dla uzyskania małych strat przekształcania rezonansowego prądu wejściowego w prąd wyjściowy. Kombinacja wyjściowych diod 26, 26' i pojemności wyjściowej 34 zapewnia wygładzony i bez zakłóceń, stały prąd wyjściowy 29 np. 650V DC do układu pomocniczego.

Jest w zakresie wynalazku to, że główne elementy składowe są ułożone w innej konfiguracji dla uzyskania alternatywnych rezultatów. Na przykład, diody wejściowe 21, 21' mogą być pominięte dla pracy tylko przy stałym prądzie wejściowym. Ponadto, dwa albo więcej układów każdy ze swoim własnym transformatorem może być połączone. W tym przypadku wszystkie układy mogą być umieszczone na tym samym radiatorze. Alternatywnie, każdy radiator może mieć swój własny oddzielny układ.

Chociaż figury opisane powyżej pokazują transformator połączony po stronie wyjściowej przekształtnika mocy, jest także możliwe wprowadzenie transformatora po stronie wejściowej.

W przykładach wykonania wykorzystujących wiele modułów, wyjścia mogą być połączone równolegle z wejściami połączonymi szeregowo dla uzyskania większej przemiany napięcia. Fachowiec będzie świadomy możliwości wielu innych alternatywnych układów połączeń, aby jeden albo wiele takich modułów mogło być dostosowane do wytwarzania np. jedno albo wielofazowego wyjścia AC z wejścia AC albo DC.

Chociaż powyższy opis jest skupiony na zastosowaniu takich modułów do zastosowań w transporcie szynowym, należy zauważyć, że takie zwarte integrowane przekształtniki mocy mogą być przy10

PL 204 954 B1 stosowane do stosowania w innych warunkach, gdzie izolowany galwanicznie przekształtnik mocy jest wymagany. Takie warunki mogą zawierać rezerwowe albo pomocnicze zasilacze mocy dla instalacji komputerowych albo innego delikatnego sprzętu.

Claims (18)

1. Moduł przekształ tnika mocy dla przekształ cania napię cia wejś ciowego na napię cie wyjś ciowe, zawierający radiator (6), półprzewodnikowy moduł (1) mocy zamontowany na radiatorze (6) i transformator (100) dla galwanicznego izolowania prądu wyjściowego od prądu wejściowego, znamienny tym, że transformator (100) jest zintegrowany w module (1 i transformator (100) oraz radiator (6) są usytuowane w tym samym strumieniu chłodzącym, przy czym radiator (6) jest płytą mającą otwór (12), a transformator (100) jest umieszczony w otworze (12) i uzwojenie (114) oraz rdzeń (102) transformatora (100) są w strumieniu powietrza radiatora (6).

2. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że nad otworem (12) jest umieszczona osłona (5), i osłona (5) przykrywa transformator (100), a transformator (100) nie styka się z osłoną (5) i radiatorem (6).

3. Moduł według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że transformator (100) jest wyposażony w połączenia (109, 110) dla uzwojenia pierwotnego oraz wtórnego, i transformator (100) jest wspierany przez te połączenia (109, 110).

4. Moduł według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że osłona (5) zawiera płytę izolującą (9) i w płycie izolującej (9) są otwory (10), przez które przechodzą i są mocowane połączenia (109, 110) transformatora (100).

5. Moduł według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że uzwojenia (114) transformatora (100) są zamknięte w izolującym profilu (101) cewki.

6. Moduł według zastrz. 5, znamienny tym, że pomiędzy profilem (101) cewki i transformatorem (100) jest szczelina powietrzna.

7. Moduł według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że radiator (6) jest wyposażony w elementy chłodzące połączone cieplnie z modułem półprzewodnikowym.

8. Moduł według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że półprzewodnikowy moduł jest umieszczony na przenoszącej ciepło, izolującej elektrycznie ramie (23), bezpośrednio zamontowanej do radiatora (6), przy czym półprzewodnikowy moduł jest izolowany elektrycznie od radiatora (6) ale ma z nim dobry styk cieplny.

9. Moduł według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że moduł (2) przekształtnika mocy zawiera moduł przekształtnika mocy średniej częstotliwości z przekształtnikiem podwyższającym (22) i układem rezonansowym (24).

10. Moduł według zastrz. 9, znamienny tym, że układ rezonansowy (24) jest wewnętrznie połączony z modułem (2), tak aby były wykonane tylko dwa połączenia mocy dla wejścia do modułu (2) i wyjścia z modułu (2).

11. Moduł według zastrz. 10, znamienny tym, że połączenie wewnętrzne jest utworzone przez układ (30) szyn zbiorczych o małej indukcyjności.

12. Moduł według zastrz. 11, znamienny tym, że układ (30) szyn zbiorczych zawiera stojaki (36), które stanowią mechaniczne oparcie dla kondensatorów obwodu rezonansowego, jak również zapewniają ich połączenie elektryczne.

13. Moduł według zastrz. 9 albo 10, albo 12, znamienny tym, że wszystkie połączenia modułu zawierające wejście, wyjście i sterowanie są umieszczone na płycie pokrywy.

14. Moduł według zastrz. 10 albo 11, albo 12, albo 13, znamienny tym, że połączenia wejścia i wyjścia są wyposażone w różne gwinty, aby uniknąć niewłaściwego połączenia.

15. Moduł według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że na radiatorze (6) jest usytuowana ścianka boczna (14), dla otoczenia transformatora (100) i modułów półprzewodnikowych, i ta ścianka boczna (14) jest wyposażona w elementy wentylacyjne (15).

16. Moduł według zastrz. 15, znamienny tym, że ścianka boczna (14) jest ponadto wyposażona w nośne uchwyty (16) i/lub elementy łączące.

17. Moduł według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że dwa lub więcej transformatorów (100) jest zintegrowane na radiatorze (6).

18. Moduł według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że przekształtnik jest przystosowany do przekształcania wejścia AC albo DC w wyjście DC.