RU2743827C1 - Power converter module - Google Patents
Power converter module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2743827C1 RU2743827C1 RU2020125035A RU2020125035A RU2743827C1 RU 2743827 C1 RU2743827 C1 RU 2743827C1 RU 2020125035 A RU2020125035 A RU 2020125035A RU 2020125035 A RU2020125035 A RU 2020125035A RU 2743827 C1 RU2743827 C1 RU 2743827C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- power
- base
- input
- circuit board
- printed circuit
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
- H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
- H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
- H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности для использования в импульсных источниках питания постоянного или переменного тока, в т.ч. с гальванической развязкой. Может применяться в составе преобразователя собственных нужд для локомотивов, а также в пассажирском электротранспорте.The invention relates to the fields of electrical engineering and railway transport, in particular for use in pulsed DC or AC power supplies, incl. galvanically isolated. It can be used as part of a converter for auxiliary needs for locomotives, as well as in passenger electric transport.
Из уровня техники известен интеллектуальный силовой трехфазный мост (патент РФ 162520 на полезную модель с датой публикации 10.06.2016), состоящий из трех независимых, герметичных металлокерамических фазных модулей, закрепленных на едином теплоотводящем основании и электрически соединенных компенсационными шинами питания, фазными выводами и платой управления. Напаянное на поверхность керамической платы уплотнительное кольцо с приваренной на его поверхность крышкой создает герметичный внутренний объем, причем герметичные металлокерамические фазные модули объединены под общей каркасной крышкой, служащей одновременно надежному креплению компенсационных шин питания и фазных выводов и защитой платы управления от внешних воздействий.From the prior art, an intelligent power three-phase bridge is known (RF patent 162520 for a utility model with publication date 06/10/2016), consisting of three independent, hermetically sealed sintered phase modules fixed on a single heat sink base and electrically connected by compensation power buses, phase terminals and a control board ... A sealing ring soldered to the surface of the ceramic board with a cover welded to its surface creates a sealed internal volume, and the sealed sintered phase modules are combined under a common frame cover, which simultaneously serves as a reliable fastening of the compensation power buses and phase leads and protects the control board from external influences.
Недостатком силового трехфазного моста является то, что при построении источников питания возникает необходимость в использовании большого числа внешних компонентов, таких как дроссели, конденсаторы, трансформаторы, силовые шины и так далее, что негативно сказывается на габаритах конечного устройства.The disadvantage of a three-phase power bridge is that when building power supplies, it becomes necessary to use a large number of external components, such as chokes, capacitors, transformers, power buses, and so on, which negatively affects the dimensions of the final device.
В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения, по совокупности существенных признаков и функциональным возможностям, выбран преобразователь напряжения постоянного тока вагона метрополитена, известен из патента РФ 196009 с датой публикации 13.02.2020 г., предназначенный для формирования из входного напряжения постоянного тока напряжения другого уровня и может применяться, например, в электрическом транспортном средстве (вагоне метрополитена). Блок представляет собой импульсный источник питания мощностью 5 кВт и массой 56 кг и служит для преобразования входного напряжения контактной сети 750 В в гальванически развязанное выходное напряжение 80 В для заряда АКБ вагона. Преобразователь напряжения постоянного тока вагона метрополитена содержит входной дроссель, входной конденсатор, инвертор на IGBT-модуле, трансформатор, выпрямитель, выходной дроссель и конденсатор, а также систему управления, при этом IGBT-модуль и выпрямитель установлены на радиаторе охлаждения.As the closest analogue of the claimed invention, in terms of the combination of essential features and functional capabilities, a DC voltage converter of a subway car is selected, known from the RF patent 196009 with a publication date of 13.02.2020, designed to generate a voltage of a different level from the DC input voltage and can be used, for example, in an electric vehicle (subway car). The unit is a 5 kW switching power supply with a weight of 56 kg and is used to convert the input voltage of the 750 V contact network into a galvanically isolated output voltage of 80 V for charging the car battery. The subway car DC voltage converter contains an input choke, an input capacitor, an inverter on an IGBT module, a transformer, a rectifier, an output choke and a capacitor, as well as a control system, while the IGBT module and rectifier are installed on a cooling radiator.
Недостатком такого решения является сложность и высокие массогабаритные показатели конструкции, обусловленные большим количеством деталей и компонентов, расположенных внутри прибора, часть из которых крепится на радиаторе. Подобная компоновка не позволяет оптимально использовать предоставленный объем и подразумевает большое количество коммутационных соединений, что в импульсных источниках питания отрицательно сказывается на уровне помехоэмиссии и накладывает ограничения на повышение частоты преобразования по причине высокой паразитной индуктивности этих соединений, что в свою очередь отражается на габаритах пассивных компонентов таких как силовые трансформаторы и дроссели и силовые конденсаторы. Помимо этого, большое количество соединений внутри прибора усложняет сборку и производство и отрицательно сказывается на надежности устройства в целом.The disadvantage of this solution is the complexity and high weight and size of the structure, due to the large number of parts and components located inside the device, some of which are mounted on the radiator. Such an arrangement does not allow optimal use of the provided volume and implies a large number of switching connections, which in switching power supplies negatively affects the level of noise emission and imposes restrictions on increasing the conversion frequency due to the high parasitic inductance of these connections, which in turn affects the dimensions of passive components such like power transformers and chokes and power capacitors. In addition, the large number of connections within the device complicates assembly and manufacture and adversely affects the reliability of the device as a whole.
Техническими задачами заявляемого изобретения являются создание универсального силового преобразовательного модуля, на основе которого появится возможность реализовывать импульсные источники питания различных топологий с высокой удельной мощностью и возможностью установки на внешний охладитель.The technical objectives of the claimed invention are the creation of a universal power converter module, on the basis of which it will be possible to implement switching power supplies of various topologies with a high power density and the ability to install on an external cooler.
Техническими результатами, достигаемыми при использовании заявляемого изобретения, являются:The technical results achieved by using the claimed invention are:
- снижение массы и габаритов модуля за счет повышенной частоты преобразования. Повышение частоты преобразования становится возможным благодаря низкой паразитной индуктивности электрических соединений между силовыми полупроводниками, индуктивными компонентами, входными и выходными конденсаторами, обусловленное выполнением всех этих соединений на силовой печатной плате;- reducing the weight and dimensions of the module due to the increased conversion frequency. The increase in conversion frequency is made possible by the low parasitic inductance of electrical connections between power semiconductors, inductive components, input and output capacitors, due to the implementation of all these connections on the power PCB;
- снижение уровня помехоэмиссии за счет низкой паразитной индуктивности электрических соединений между силовыми полупроводниками, индуктивными компонентами, входными и выходными конденсаторами;- reduction of noise emission level due to low parasitic inductance of electrical connections between power semiconductors, inductive components, input and output capacitors;
- повышение мощности преобразования за счет эффективного отвода тепла от всех элементов с высоким тепловыделением, таких как силовые полупроводники и индуктивные компоненты. Это обеспечивается за счет использования несущего металлического основания, выступающего одновременно в качестве охладителя.- increasing conversion power by efficiently removing heat from all elements with high heat generation, such as power semiconductors and inductive components. This is achieved through the use of a supporting metal base, which simultaneously acts as a cooler.
- повышение технологичности производства за счет малого количества сборочных единиц. Использование печатных плат позволяет исключить проводные и кабельные соединения внутри модуля;- increasing the manufacturability of production due to the small number of assembly units. The use of printed circuit boards eliminates wiring and cable connections inside the module;
- универсальность модуля при его монтаже в системы (например, шкаф преобразователя собственных нужд локомотива) благодаря несущему металлическому основанию, имеющему возможность установки на внешний охладитель (водяной или воздушный).- the versatility of the module during its installation in systems (for example, a converter cabinet for the auxiliary needs of a locomotive) due to a supporting metal base that can be installed on an external cooler (water or air).
Технические результаты заявляемого изобретения достигаются за счет использования силового преобразовательного модуля, состоящего из несущего металлического основания, выступающего в качестве охладителя, силовой печатной платы, печатной платы управления и клеммной панели. На основании размещаются силовые полупроводники (например, IGBT или MOSFET транзисторы и выпрямительные диоды) и индуктивные компоненты (например, силовой трансформатор и силовой дроссель), размещенные в углублениях в основании и залитые теплопроводящим компаундом. Нижняя часть основания выполнена гладкой с возможностью передачи тепла на внешний охладитель. На силовой печатной плате расположены входные и выходные конденсаторы, и выполнены электрические соединения между электронными компонентами (силовыми полупроводниками, индуктивными компонентами и силовыми конденсаторами). Клеммная панель содержит входные и выходные силовые шины, имеющие непосредственный контакт с силовой печатной платой. Печатная плата управления размещена поверх силовой и выполнена с возможностью осуществления контроля и управления модулем.The technical results of the claimed invention are achieved through the use of a power converter module consisting of a supporting metal base acting as a cooler, a power printed circuit board, a control printed circuit board and a terminal panel. The base contains power semiconductors (for example, IGBT or MOSFET transistors and rectifier diodes) and inductive components (for example, a power transformer and a power choke), placed in recesses in the base and sealed with a heat-conducting compound. The lower part of the base is made smooth with the possibility of heat transfer to an external cooler. The power PCB contains input and output capacitors, and electrical connections are made between electronic components (power semiconductors, inductive components, and power capacitors). The terminal block contains input and output power rails in direct contact with the power printed circuit board. The control printed circuit board is placed on top of the power one and is made with the ability to monitor and control the module.
Вместе с тем, силовые полупроводники могут устанавливаться на основание с возможностью их прижима металлической скобой через теплопроводящую изолирующую подложку, что обеспечивает повышение мощности преобразования за счет высокой теплопроводности изолирующей подложки и, следовательно, эффективного отвода тепла от силовых полупроводников.At the same time, the power semiconductors can be installed on the base with the possibility of pressing them with a metal bracket through the heat-conducting insulating substrate, which provides an increase in the conversion power due to the high thermal conductivity of the insulating substrate and, therefore, efficient heat removal from the power semiconductors.
Соединение силовой печатной платы и платы управления может быть выполнено разъемным для упрощения сборки и монтажа модуля, что повышает технологичность производства.The connection of the power printed circuit board and the control board can be made detachable to simplify assembly and installation of the module, which increases the manufacturability of production.
Модуль может содержать защитный кожух для устранения воздействия факторов внешней среды и снижения уровня помехоэмиссии за счет экранирования.The module may contain a protective casing to eliminate the influence of environmental factors and reduce the level of noise emissions due to shielding.
На фигуре 1 изображен силовой преобразовательный модуль.Figure 1 shows a power converter module.
Силовой преобразовательный модуль содержит несущее металлическое основание [1], одновременно выполняющее функцию охладителя, силовую печатную плату [2], печатную плату управления [3] и клеммную панель [4].The power converter module contains a supporting metal base [1], which simultaneously functions as a cooler, a power printed circuit board [2], a control printed circuit board [3] and a terminal panel [4].
На основании [1] размещаются все электронные компоненты, требующие охлаждения, такие как силовые полупроводники (силовые транзисторы IGBT или MOSFET [5] и выпрямительные диоды [6]) и индуктивные компоненты (силовой трансформатор [7], выходной дроссель [8]).Based on [1] all electronic components requiring cooling are placed, such as power semiconductors (power transistors IGBT or MOSFET [5] and rectifier diodes [6]) and inductive components (power transformer [7], output choke [8]).
Полупроводники [5], [6] прижимаются к основанию с помощью пружинной скобы через теплопроводящую изолирующую подложку. Индуктивные компоненты [7], [8] устанавливаются в соответствующие углубления в основании [1] и заливаются теплопроводящим компаундом. Нижняя часть основания [1] выполнена гладкой, с зеркальной обработкой и служит для передачи тепла на внешний охладитель (например, воздушный или водяной радиатор).Semiconductors [5], [6] are pressed against the base with a spring clip through a heat-conducting insulating substrate. Inductive components [7], [8] are installed in the corresponding recesses in the base [1] and filled with a heat-conducting compound. The lower part of the base [1] is smooth, with a mirror finish and serves to transfer heat to an external cooler (for example, an air or water radiator).
На силовой печатной плате [2] располагаются входные и выходные конденсаторы, вспомогательные цепи, разъемы и клеммы. Элементы платы [2] помещаются в предназначенные для этого углубления в основании [1]. Также на силовой печатной плате [2] выполнены все электрические соединения между силовыми полупроводниками, индуктивными компонентами, входными и выходными конденсаторами и другими компонентами. Плата [2] крепится к основанию [1] посредством стоек. Соединение размещенных на основании [1] компонентов с платой [2] осуществляется посредством пайки.The power PCB [2] contains the input and output capacitors, auxiliary circuits, connectors and terminals. The elements of the board [2] are placed in the recesses intended for this in the base [1]. Also on the power PCB [2], all electrical connections are made between power semiconductors, inductive components, input and output capacitors, and other components. The board [2] is fixed to the base [1] by means of stands. The components located on the base [1] are connected to the board [2] by soldering.
На печатной плате управления [3] располагаются главный контроллер, драйверы силовых транзисторов, дежурный источник питания и другие цепи управления.The control PCB [3] contains the main controller, power transistor drivers, standby power supply and other control circuits.
Внешние соединения осуществляются с помощью силовых шин [9], расположенных на клеммной панели [4]. Шины [9] имеют непосредственный контакт с силовой печатной платой [2]. Снаружи модуль закрыт защитным кожухом.External connections are made using the busbars [9] located on the terminal block [4]. The buses [9] are in direct contact with the power printed circuit board [2]. The outside of the module is covered with a protective cover.
В процессе работы входное напряжение подается через входные силовые шины на силовую печатную плату [2] и поступает на входные конденсаторы. Далее в ключевом режиме на высокой частоте осуществляется преобразование энергии с помощью транзисторов [5], трансформатора [7], выпрямительных диодов [6] и дросселя [8]. При этом на вышеперечисленных электронных компонентах выделяется тепловая мощность потерь, которая отводится с помощью основания [1]. После дросселя [8] выходное напряжение подается на выходные конденсаторы, расположенные на силовой плате [2]. Сигналы управления транзисторами [5] формируются на плате управления [3] и подаются на силовую плату [2]. Выходное напряжение с выходных конденсаторов снимается через выходные силовые шины.During operation, the input voltage is fed through the input power buses to the power printed circuit board [2] and is fed to the input capacitors. Further, in a key mode at a high frequency, energy is converted using transistors [5], a transformer [7], rectifier diodes [6] and a choke [8]. At the same time, the thermal power of losses is released on the above electronic components, which is removed using the base [1]. After the choke [8], the output voltage is fed to the output capacitors located on the power board [2]. Transistor control signals [5] are generated on the control board [3] and fed to the power board [2]. The output voltage from the output capacitors is removed through the output power rails.
Уменьшение массы и габаритов модуля обеспечивается за счет повышенной частоты преобразования, что становится возможным благодаря низкой величине паразитной индуктивности электрических соединений между электронными компонентами, что в свою очередь обусловлено выполнением всех этих соединений на силовой печатной плате. Также низкая паразитная индуктивность электрических соединений снижает уровень помехоэмиссии модуля.Reducing the mass and dimensions of the module is provided due to the increased conversion frequency, which becomes possible due to the low value of the parasitic inductance of electrical connections between electronic components, which in turn is due to the implementation of all these connections on the power printed circuit board. Also, the low parasitic inductance of the electrical connections reduces the module's noise emissions.
Повышение мощности преобразования достигается за счет эффективного отвода тепла от теплонагруженных электронных компонентов, таких как силовые полупроводники и силовые индуктивные компоненты, благодаря их размещению на несущем металлическом основании, выступающем в качестве охладителя.The increase in conversion power is achieved by efficiently dissipating heat from thermally loaded electronic components such as power semiconductors and power inductive components by placing them on a supporting metal base that acts as a cooler.
Универсальность силового преобразовательного модуля заключается в том, что благодаря несущему металлическому основанию с гладкой обработанной нижней поверхностью модуль имеет возможность установки на внешний охладитель, водяной или воздушный. Клеммная панель обеспечивает простоту подключения входных и выходных силовых цепей.The versatility of the power converter module lies in the fact that thanks to the supporting metal base with a smooth machined bottom surface, the module can be installed on an external cooler, water or air. Terminal block provides easy connection of input and output power circuits.
Технологичность производства модуля достигается за счет использования силовой печатной платы, печатной платы управления и клеммной панели, благодаря чему отсутствуют проводные и кабельные электрические соединения внутри модуля.The manufacturability of the module is achieved through the use of a power printed circuit board, a control circuit board and a terminal panel, so there are no wiring and cable electrical connections inside the module.
На основе вышеописанного силового преобразовательного модуля был создан источник питания бортовой сети для локомотивов мощностью 10 кВт с гальванической развязкой, стабилизацией выходного напряжения, частотой преобразования 200 кГц и массой 3,3 кг.On the basis of the above-described power converter module, a power supply for the on-board network for locomotives with a power of 10 kW with galvanic isolation, stabilization of the output voltage, a conversion frequency of 200 kHz and a mass of 3.3 kg was created.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020125035A RU2743827C1 (en) | 2020-07-20 | 2020-07-20 | Power converter module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020125035A RU2743827C1 (en) | 2020-07-20 | 2020-07-20 | Power converter module |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2743827C1 true RU2743827C1 (en) | 2021-02-26 |
Family
ID=74672770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020125035A RU2743827C1 (en) | 2020-07-20 | 2020-07-20 | Power converter module |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2743827C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU217893U1 (en) * | 2022-12-22 | 2023-04-24 | Акционерное общество "ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС" | POWER SEMICONDUCTOR MODULE |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007006635A (en) * | 2005-06-24 | 2007-01-11 | Tdk Corp | Power supply device |
| US20150146378A1 (en) * | 2013-11-26 | 2015-05-28 | Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. | Heat-dissipating base and electronic device |
| US20150372559A1 (en) * | 2013-03-07 | 2015-12-24 | Mitsubishi Heavy Industries Automotive Thermal Systems Co., Ltd. | Inverter circuit board and inverter-containing electric compressor using same |
| CN207652296U (en) * | 2017-12-27 | 2018-07-24 | 上海奇电电气科技股份有限公司 | A kind of open frequency converter |
| RU2702218C1 (en) * | 2015-09-11 | 2019-10-07 | Сименс Акциенгезелльшафт | Power cell with printed circuit boards and decoupler and multicell power supply medium voltage source |
-
2020
- 2020-07-20 RU RU2020125035A patent/RU2743827C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007006635A (en) * | 2005-06-24 | 2007-01-11 | Tdk Corp | Power supply device |
| US20150372559A1 (en) * | 2013-03-07 | 2015-12-24 | Mitsubishi Heavy Industries Automotive Thermal Systems Co., Ltd. | Inverter circuit board and inverter-containing electric compressor using same |
| US20150146378A1 (en) * | 2013-11-26 | 2015-05-28 | Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. | Heat-dissipating base and electronic device |
| RU2702218C1 (en) * | 2015-09-11 | 2019-10-07 | Сименс Акциенгезелльшафт | Power cell with printed circuit boards and decoupler and multicell power supply medium voltage source |
| CN207652296U (en) * | 2017-12-27 | 2018-07-24 | 上海奇电电气科技股份有限公司 | A kind of open frequency converter |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2822560C2 (en) * | 2022-02-18 | 2024-07-09 | Общество с ограниченной ответственностью "КАЛИБР ТЗ" (ООО "КАЛИБР ТЗ") | Accumulator power supply of welding machine |
| RU217893U1 (en) * | 2022-12-22 | 2023-04-24 | Акционерное общество "ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС" | POWER SEMICONDUCTOR MODULE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10128770B2 (en) | Converter and electric power conversion apparatus | |
| Lu et al. | A high power-density and high efficiency insulated metal substrate based GaN HEMT power module | |
| US8139371B2 (en) | Power electronics devices with integrated control circuitry | |
| US9814154B2 (en) | Power converter | |
| WO2010047366A1 (en) | Power converter and in-car electrical system | |
| EP3057216B1 (en) | Dc-dc converter device | |
| US20150306960A1 (en) | DC-DC Converter | |
| US20160150662A1 (en) | Electrical Circuit and Method for Producing an Electrical Circuit for Activating a Load | |
| CN107453462A (en) | A kind of High-reliability large-power DC charging motor | |
| US10256730B2 (en) | Power conversion device | |
| US20220304184A1 (en) | Inverter of compact design | |
| RU2743827C1 (en) | Power converter module | |
| US20100073980A1 (en) | Power converter assembly with isolated gate drive circuit | |
| CN113841325A (en) | Reduced power converter and vehicle having a power converter | |
| CN105978424B (en) | A kind of excitation chopper | |
| WO2018103123A1 (en) | Four-quadrant power module | |
| CN214592401U (en) | Integrated power unit module | |
| JP5675526B2 (en) | Power converter | |
| CN110739862A (en) | Power module of charger | |
| US11172596B2 (en) | Method and system for heat dissipation in a current compensation circuit | |
| RU2818375C1 (en) | Voltage converter of high-voltage accumulator battery of highly automated unmanned cargo vehicle into low-voltage dc voltage for on-board network with protection of keys | |
| RU2762156C1 (en) | Modular power converter | |
| CN218920245U (en) | Novel electrolytic capacitor type power unit module | |
| RU2812066C1 (en) | Three-phase voltage converter with key protection for unmanned highly automated electric truck | |
| WO2023286479A1 (en) | Power conversion device |