PL190475B1

PL190475B1 - Moduł przekształtnikowy z półprzewodnikowymi przełącznikami energetycznymi i układem szynowym

Info

Publication number: PL190475B1
Application number: PL98326183A
Authority: PL
Inventors: Walter Grossmann; Ingo Herbst; Urs Meyer
Original assignee: Bombardier Transp Gmbh
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 2005-12-30
Also published as: RU2207697C2; EP0877472A3; ATE284088T1; EP0877472A2; CN1199274A; ZA983088B; PL326183A1; DE19719648A1; BR9801597A; DE59812314D1; ES2234088T3; EP0877472B1; AU6474798A; JPH10323041A; AU727975B2; US5936833A

Abstract

1. M odul przeksztaltnikow y z pólprze- wodnikowymi przelacznikami energetycznym i i ukladem szynowym zawierajacym przylacze plusowe, przylacze m inusowe oraz szynowe przylacze fazowe, ulozone jed n e na drugich tak, ze pomiedzy nimi znajduja sie elem enty izolacyjne, i zamocowane na plycie glównej, znam ienny tym , ze przylacze plusowe (6) i minusowe (7) m aja ksztalt szyny, na której dluzszym boku znajduje sie co najm niej jeden, pierwszy odstajacy lacznik (9, 10), a kazde przylacze fazowe (8, 14, 15) m a na swym dluz szym boku co najmniej jeden, drugi odstajacy lacznik (11, 17, 18), przy czym pierwsze i drugie laczniki wspólpracuja dla zamocowania i ele- ktrycznego styku pólprzewodnikowych prze- laczników energetycznych, zas kazde dw a pól- przewodnikowe przelaczniki energetyczne sa rozmieszczone parami na przeciw leglych dluz szych bokach plusowego/m inusowego przyla- cza fazowego tak, ze ich przednie lub tylne scianki sa zwrócone ku sobie. Fig. 6 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest moduł przekształtnikowy z półprzewodnikowymi przełącznikami energetycznymi i układem szynowym do stosowania w dziedzinie energoelektroniki. Moduł przekształtnikowy według wynalazku jest przeznaczony dla przekształtników wielkiej mocy.

Moduły przekształtnikowe są montowane z kilku półprzewodnikowych przełączników energetycznych za pomocą układu szynowego. Tego typu układy szynowe są opisane na przykład w artykule „GTO-Hochleistungsstromrichter fur Triebfahrzeuge mit Drehstromantrieb”, ABB Technik 4/1995, strony 4 - 13. Zasilanie elektryczne lokomotyw elektrycznych odbywa się poprzez pośredni obwód napięcia stałego, który na wejściu jest połączony z siecią napięcia stałego lub poprzez przekształtnik sieciowy z siecią prądu zmiennego, zaś na wyjściu, poprzez na ogół, wielofazowy przekształtnik napędowy, który dostarcza prąd o zmiennej amplitudzie i częstotliwości do asynchronicznych indukcyjnych silników trójfazowych. Układ szynowy stanowi połączenie elektryczne pomiędzy wyjściem przekształtnika sieciowego - lub przewodem jezdnym w przypadku sieci napięcia stałego - i półprzewodnikowymi przełącznikami lub modułami energetycznymi przekształtnika napędowego. Może to powodować znaczną złożoność urządzenia, ograniczać sprawność układu elektrycznego oraz pociągać za sobą poważne koszty.

W ramach rozwoju półprzewodnikowych przełączników energetycznych nastąpiło przejście od tyrystorów konwencjonalnych poprzez tyrystory odłączne (GTO) do IGBT (transystory bipolarne z izolowaną bramką). Przełączniki typu IGBT są, ogólnie rzecz biorąc, wbudowane w moduł. Dla wyższych prądów względnie mocy łączy się równolegle kilka modułów. Ze względu na rodzinę przekształtników różnej mocy poszukiwane są takie układy szynowe, które umożliwiają modułową, w prosty sposób skalowaną budowę przekształtnika wielofazowego i sąmałoindukcyjne.

W dwóch wcześniejszych, nie opublikowanych niemieckich zgłoszeniach patentowych nr nr 196 00 367.9 i 196 12 839.0), dla rozwiązania tego problemu zaproponowano dwuwymiarowe rozmieszczenie półprzewodnikowych modułów energetycznych na płaskich blachach stałoprądowych i równoległych szynach fazowych. Płaskie moduły mają wzdłuz wąskiej długiej krawędzi podłużne zestyki wtykowe i są wsuwane równolegle do szyn fazowych, w dwóch rzędach na każdą szynę, w nakładki, działające jako przeciwwtyki. Sąsiadujące ze

190 475 sobą bezpośrednio elementy są obrócone o 180° i połączone ze sobą w układzie mostkowym. Tworzą one zatem półmostki lub pary ramion mostków, to znaczy stykają się z przeciwnymi blachami stałonapięciowymi i dostarczają przeciwnie spolaryzowane półfale prądowe do wspólnej szyny fazowej. Elementy sąsiadujące ze sobą niebezpośrednio są natomiast jednakowo zorientowane i tworzą równolegle podłączone moduły do skalowania mocy.

Ta konfiguracja ma nadal wady w postaci, między innymi, niezadowalającej symetrii, nieidealnej indukcyjności, zwłaszcza zaś skomplikowanej konstrukcji. Zróżnicowane i długie tory prądowe, prowadzące do modułów i pomiędzy modułami, powodują asymetrie prądowe i nierówne obciążenie modułów. Wynikające stąd nadmierne obciążenie wzrasta wraz ze wzrostem mocy względnie liczby modułów na jedną fazę, co czyni koniecznym odpowiednie do mocy, nadmierne zwiększenie wymiarów. Inne problemy tego układu dotyczą strony konstrukcyjnej. Typoszereg urządzeń wymaga wiele różnych części, zaś ich montaż jest skomplikowany. Utrzymanie minimalnych odstępów izolacyjnych i dróg upływu wymaga szczególnej staranności, ponieważ przyłącza plusowe i minusowe są położone bardzo blisko siebie i wzajemnie się przenikają. Poza tym każde zastosowanie względnie każda moc wymaga użycia blach, przycinanych na wymiar, oraz indywidualnie dopasowanych elementów.

Według niemieckiego opisu patentowego nr DE 44 02 425 A1 do stanu techniki należy także rozwiązanie, polegające na tym, ze w układzie przekształtnika prądu stałego w prąd przemienny kilka par mostkowych ramion półprzewodnikowych elementów przełącznikowych jest przyłączonych równolegle wzdłuż szyny fazowej. Elementy każdego ramienia mostkowego są za pomocą wzdłużnych elementów kształtowych połączone stroną przednią ze stroną tylną, względnie są odwrócone od siebie, względnie ustawione jednakowo, i skręcone. Szczególną cechę stanowi fakt, że szyna fazowa jest na końcu wygięta do góry i poprowadzona z powrotem przeciwrównolegle w celu zmniejszenia indukcyjności.

Celem wynalazku jest zaproponowanie układu szynowego dla przekształtników, charakteryzującego się uproszczoną, zajmującą mało miejsca, budową oraz obniżoną pracochłonnością montażu, a także lepszą symetrią, w połączeniu z niskimi indukcyjnościami i większą obciążalnością prądową.

Moduł przekształtnikowy z półprzewodnikowymi przełącznikami energetycznymi i układem szynowym, zawierającym przyłącze plusowe, przyłącze minusowe oraz szynowe przyłącze fazowe, ułożone jedne na drugich tak, ze pomiędzy nimi znajdują się elementy izolacyjne, i zamocowane na płycie głównej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że przyłącze plusowe i minusowe mają kształt szyny, na której dłuższym boku znajduje się co najmniej jeden, pierwszy odstający łącznik, a każde przyłącze fazowe ma na swym dłuższym boku co najmniej jeden, drugi odstający łącznik, przy czym pierwsze i drugie łączniki współpracują dla zamocowania i elektrycznego styku półprzewodnikowych przełączników energetycznych, zaś każde dwa półprzewodnikowe przełączniki energetyczne są rozmieszczone parami na przeciwległych dłuższych bokach plusowego/minusowego przyłącza fazowego tak, że ich przednie lub tylne ścianki są zwrócone ku sobie.

Korzystnie, szyny są ułożone jedna na drugiej w kolejności przyłącze plusowe/minusowe/fazowe lub przyłącze minusowe/plusowe/fazowe, a pierwsze i drugie łączniki rozciągają się w kierunku szyn i są odgięte do góry w przybliżeniu pod kątem prostym, zaś rozmieszczone parami półprzewodnikowe przełączniki energetyczne są zwrócone ku sobie swymi wyjściami fazowymi, przy czym zwłaszcza półprzewodnikowe przełączniki energetyczne są przełącznikami wtykowymi.

Korzystnie, przyłącze plusowe i przyłącze minusowe mają przekrój w kształcie w przybliżeniu litery „L”, przy czym oba przyłącza w kształcie litery „L” są tak wstawione w siebie wzajemnie, że ich pierwsze łączniki znajdują się na przeciwległych dłuższych bokach, a przyłącze fazowe ma przekrój w kształcie litery „W” lub „U” z drugimi łącznikami na obu dłuższych bokach, przy czym przyłącze w kształcie litery „W” lub „U” jest tak zamocowane pomiędzy przyłączami w kształcie litery „L”, że drugie łączniki są ustawione w kierunku wzdłużnym obok pierwszych łączników, zaś rozmieszczone parami półprzewodnikowe przełączniki energetyczne są połączone w obwód półmostkowy.

190 475

Korzystnie, każde przyłącze plusowe i minusowe mą dokładnie jeden pierwszy łącznik, a przyłącze fazowe ma dokładnie dwa drugie łączniki, przy czym stykane są dokładnie dwa półprzewodnikowe przełączniki energetyczne.

Korzystnie, przyłącze plusowe i minusowe ma pierwszy przekrój o kształcie w przybliżeniu litery „U”, z pierwszymi łącznikami na obu dłuższych bokach, a oba pierwsze przyłącza o przekroju w kształcie litery „U” są ustawione jedno za drugim, przy czym przyłącze położone dalej z tyłu ma płaską blachę doprowadzającą dla stykania z pośrednim obwodem stałoprądowym, zaś przyłącze fazowe ma przekrój w kształcie litery „W” lub drugi przekrój w kształcie litery „U”, z drugimi łącznikami na obu dłuższych bokach, przy czym przyłącze fazowe o przekroju w kształcie litery „W” lub „U” jest tak zamocowane pomiędzy obydwoma pierwszymi przyłączami w kształcie litery „U”, ze jego łączniki są umieszczone w kierunku wzdłużnym obok łączników pierwszych przyłączy o przekroju w kształcie litery „U”, a pary półprzewodnikowych przełączników energetycznych, stykane poprzez jednakowe pierwsze przyłącza o przekroju w kształcie litery „U” są połączone w obwód równoległy, zaś pary półprzewodnikowych przełączników energetycznych, stykane poprzez niejednakowe pierwsze przyłącza o przekroju w kształcie litery U, są połączone w obwód półmostkowy.

Korzystnie, każde przyłącze plusowe i minusowe ma dokładnie dwa przeciwległe łączniki na obu dłuższych bokach, a przyłącze fazowe ma dokładnie cztery łączniki, przy czym stykane są dokładnie dwie pary półprzewodnikowych przełączników energetycznych.

Korzystnie, przyłącze plusowe i minusowe ma pierwszy przekrój w kształcie w przybliżeniu litery „U”, z pierwszymi łącznikami na obu dłuższych bokach, a oba pierwsze przyłącza o przekroju w kształcie litery „U” są ustawione jeden za drugim, przy czym przyłącze położone dalej z tyłu ma płaską blachę doprowadzającą dla stykania z pośrednim obwodem stałoprądowym, zaś dwa równoległe w kierunku wzdłużnym przyłącza fazowe są usytuowane blisko obok siebie, przy czym każde z nich ma przekrój w kształcie połowy litery „W”, a każde przyłącze fazowe o przekroju w kształcie połowy litery „W” ma drugie łączniki na dłuższym boku, odwrotnym do drugiego przyłącza fazowego, przy czym każdy element o przekroju w kształcie połowy litery „W” jest tak zamocowany pomiędzy przyłączami o przekroju w kształcie litery „U”, ze jego drugie łączniki są ustawione w kierunku wzdłużnym obok pierwszych łączników przyłączy o przekroju w kształcie litery „U”, zaś umieszczone na tym samym dłuższym boku, stykane z różnymi przyłączami o przekroju w kształcie litery „U”, tworzą półmostek i stykają dokładnie jedno przyłącze fazowe.

Korzystnie, każde przyłącze plusowe i minusowe ma dokładnie dwa drugie łączniki, a każde przyłącze fazowe ma dokładnie dwa łączniki, przy czym stykane są dokładnie cztery półprzewodnikowe przełączniki energetyczne.

Korzystnie, przyłącza plusowe, minusowe i fazowe są ustawione bardzo blisko jedno nad drugim dla osiągnięcia minimalnej indukcyjności, a jako media izolacyjne stosowane są powietrze, gaz, stałe elementy izolacyjne względnie kombinacja tych mediów

W rozwiązaniu według wynalazku zaproponowano przyłączenie, korzystnie parami, półprzewodnikowych przełączników energetycznych tak, ze są one zwrócone ku sobie przednimi lub tylnymi ściankami i ustawione blisko obok siebie, do plusowego i minusowego przyłącza pośredniego obwodu stałoprądowego oraz do szyny fazowej. Dzięki temu ścieżki prądowe, zarówno dla prądów obciążenia, jak tez dla prądów komutacyjnych, są symetryczne i mają niską indukcyjność. Zaproponowano przy tym różne warianty modułów przekształtnikowych, które można łatwo montować i dzięki ich modułowej budowie dopasować do żądanego zapotrzebowania mocy.

Zaletę układu szynowego według wynalazku stanowi duża symetria usytuowania półprzewodnikowych przełączników energetycznych, co umożliwia równomierne obciążenie prądowe elementów, a co za tym idzie, duże całkowite natężenie prądu.

Szczególnie korzystne jest to, ze połączone równolegle półprzewodnikowe przełączniki energetyczne mają, dzięki małym odstępom od wspólnego bramkowego elektronicznego układu sterowania, możliwość praktycznie bezzakłóceniowej regulacji.

Kolejną zaletą jest stworzenie modułu przekształtnikowego o bardzo prostej, zwartej i modułowej budowie z niewielką ilością. standardowych elementów i wtykowymi półprzewodnikowymi przełącznikami energetycznymi.

190 475

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia półprzewodnikowy przełącznik energetyczny względnie półprzewodnikowy moduł energetyczny z podłużnymi zestykami wtykowymi (stan techniki), w widoku perspektywicznym, fig. 2 - pierwszy moduł przekształtnikowy według wynalazku w schematycznym widoku z góry, fig. 3 - pierwszy moduł przekształtnikowy z fig. 2 w przekroju wzdłuz linii A-A z nasadzonymi półprzewodnikowymi modułami energetycznymi, fig 4 - drugi moduł przekształtnikowy według wynalazku w schematycznym widoku z góry, fig. 5 - drugi moduł przekształtnikowy z fig. 4 w przekroju wzdłuz linii B-B z nasadzonymi półprzewodnikowymi modułami energetycznymi, a fig. 6 - trzeci moduł przekształtnikowy według wynalazku w schematycznym widoku z góry.

Figura 1 ukazuje półprzewodnikowy przełącznik względnie moduł energetyczny 1, zwłaszcza inteligentny moduł energetyczny IPM, który znajduje zastosowanie w przekształtnikach względnie przetwornicach napięciowych względnie przemiennikach prądu stałego na prąd zmienny. Półprzewodnikowy przełącznik energetyczny jest, zazwyczaj wraz z elementami okablowania, umieszczony w obudowie 2.

Jest on poprzez widoczny, podłużny zestyk wtykowy 3 (wejście prądu stałego), połączony z biegunem napięcia stałego i styka osłonięty płytą izolacyjną 4 zestyk wtykowy 3 (wyjście fazy) z fazą. Górną względnie dolną stronę modułu nazwano stroną przednią lub stroną tylną, względnie stronami frontowymi. Sterowanie półprzewodnikowym przełącznikiem energetycznym odbywa się za pomocą, nie przedstawionego tutaj, elektronicznego układu bramek względnie bramkowego elektronicznego układu sterowania. Moduły mogą być zaopatrzone w półprzewodnikowe przełączniki energetyczne, wykonywane z użyciem różnych technologii, korzystnie typu IGBT. Do celów trakcyjnych, z uwagi na większe prądy i moce, należy połączyć ze sobą kilka modułów za pomocą układu szynowego. Dalszy rozwój urządzeń typu IGBT zmierza w kierunku dalszego zwiększania mocy obwodów, co umożliwi w przyszłości zredukowanie liczby łączonych równolegle modułów.

Figura 2 ukazuje pierwszy przykład wykonania układu szynowego według wynalazku, przeznaczony dla co najmniej dwóch półprzewodnikowych modułów energetycznych na jedną fazę i zoptymalizowany pod względem zdolności przełączania, oszczędności miejsca i prostoty konstrukcji. Z lewej strony fig. 2 uwidocznione jest szynowe przyłącze plusowe 6 i minusowe 7 do podłączenia pośredniego obwodu stałoprądowego, w środku, na obu dłuższych bokach, znajduje się pierwszy łącznik 9 względnie 10 przyłącza plusowego lub minusowego oraz drugi łącznik 11 przyłącza fazowego, zaś po prawej stronie wyprowadzone w prawo na zewnątrz przyłącze fazowe względnie wyjściowa szyna fazowa 8. Oba łączniki, pierwszy i drugi, współpracują ze sobą dla zamocowania i stykania półprzewodnikowego przełącznika energetycznego. Korzystnie łączniki 9, 10, 11 są odgięte pod kątem prostym do góry i ustawione równolegle do dłuższych boków, w związku z czym przełączniki są ustawione blisko naprzeciw siebie tak, ze ich przednie lub tylne ścianki są zwrócone ku sobie.

Ukazany na fig. 3 przekrój wzdłuż linii A-A umożliwia objaśnienie układu według wynalazku. Ukazane są, mające w zasadzie kształt litery „L”, przekroje przyłącza plusowego i minusowego 6, 7 oraz, mający w zasadzie kształt litery „W”, przekrój szyny fazowej 8, a także ich współdziałanie z dwoma półprzewodnikowymi modułami energetycznymi 1. W szynie fazowej 8 środkowe zebro może być mniej wyraźne lub w ogóle zniwelowane tak, ze szyna ma w przekroju kształt litery „U”. Wszystkie elementy kształtowe są wraz z uchwytami 12 zamocowane, za pomocą nie przedstawionych elementów izolacyjnych, na płycie głównej 5 i tworzą zwarty podzespół. Uchwyty i elementy izolacyjne mogą być również bezpośrednio wbudowane w płytę główną. Jako media izolacyjne pomiędzy przewodzącymi prąd częściami 6, 7 i 8 stosuje się powietrze, gaz, izolatory stałe lub ich kombinację, przy czym minimalne odstępy wynikają z odpowiednich parametrów izolacyjnych i upływowych. Powierzchnie mogą być, ale nie muszą pokryte powłoką izolacyjną. Wreszcie poprzez wstawienie dwóch półprzewodnikowych modułów energetycznych 1 od góry uzyskuje się wyjątkowo zwarty i stabilny mechanicznie moduł przekształtnikowy.

Układ ten jest bardzo korzystny z wielu względów. Ścieżki prądowe są bardzo szerokie, krótkie i mają w przybliżeniu jednakowe wymiary dla obu półprzewodnikowych przełączników energetycznych. Obejmują one małe powierzchnie indukcyjne względnie są ustawione

190 475 blisko siebie dla przeciwnych kierunków prądu. Za pomocą tych środków osiąga się, poza bardzo wysoką obciążalnością prądową, przede wszystkim bardzo małą indukcyjność w obwodzie komutacyjnym, wynoszącą około 25 nH. Komutacją nazywa się przy tym procesy przełączania, przebiegające częściowo z prędkością rzędu ps, za pomocą których półprzewodnikowe elementy energetyczne wymieniają prądy wysokiej częstotliwości w celu wzajemnego odciążenia.

Drugi przykład wykonania jest ukazany w widoku na fig. 4 i w odpowiednim przekroju wzdłuż linii B-B na fig. 5. Przyłącze plusowe i minusowe 6, 7 ma tutaj w zasadzie kształt litery „U” z pierwszymi łącznikami 9, 10 na obu dłuższych bokach, zaś przyłącze fazowe 8 ma w przekroju ponownie kształt litery „W” lub „U” z drugimi łącznikami 11 na obu dłuższych bokach. Ten moduł przekształtnikowy ma cztery miejsca montażowe dla półprzewodnikowych przełączników energetycznych. Każde dwa półprzewodnikowe przełączniki energetyczne są połączone równolegle i mają zwrócone wzajemnie ku sobie strony przednie lub tylne. Oba te przełączniki są połączone z sąsiadującą z nimi z boku parą w obwód półmostkowy.

W układzie tym symetria jest zredukowana o tyle, że przyłącze plusowe 6 musi zasilać położoną dalej z tyłu parę półprzewodnikowych przełączników energetycznych poprzez łączniki 9. Dlatego tez zapewniony jest jego styk od dołu poprzez płaską blachę doprowadzającą. Wynikowa indukcyjność obwodu komutacyjnego osiąga jednak nadal bardzo niskie wartości, zazwyczaj około 50 nH. Kolejna zaleta polega na tym, że połączone równolegle półprzewodnikowe przełączniki energetyczne są sterowane przez wspólny bramkowy elektroniczny układ sterowania, ponieważ problem niebezpiecznych indukowanych pików napięciowych jest w dużym stopniu rozwiązany dzięki bardzo krótkiemu odcinkowi przewodu stanowiącego doprowadzenie 13 ścieżki.

Wyjątkowo zwarty układ zasilania dwóch faz jest widoczny na fig. 6. Układ ten powstaje z układu, przedstawionego na fig. 4 i fig. 5, poprzez rozdzielenie szyny fazowej 8 wzdłuż jej osi symetrii i doprowadzenia 13 ścieżki. Powstałe szyny fazowe 14 i 15 mają połowiczną szerokość, a ich przekrój w obszarze łączników 16 względnie 17 ma kształt połowy litery „W” względnie kształt litery „U”. Obie szyny fazowe biegną w kierunku wzdłużnym równolegle i są usytuowane tuż obok siebie. Każdy z przesuniętych względem siebie na tym samym dłuższym boku, stykanych z różnymi elementami 6, 7 o przekroju w kształcie litery „U”, półprzewodnikowych przełączników energetycznych tworzy półmostek i styka się z przyłączem fazowym 14, 15. Prądy komutacyjne płyną przez szyny, podobnie jak w drugim przykładzie wykonania, ale dla każdego półmostka oddzielnie, w kierunku wzdłużnym.

We wszystkich wspomnianych przykładach układ szynowy według wynalazku charakteryzuje się istotnymi z ekonomicznego punktu widzenia zaletami konstrukcyjnymi. Stosuje się w nim niewielką ilość elementów, wykonywanych przy minimalnych nakładach technologicznych, na przykład z wyciskanych kształtowników aluminiowych lub giętych kształtek mosiężnych. Możliwe jest również bardzo dokładne utrzymywanie tolerancji mechanicznych, zaś układ szynowy nadaje się również dla prądów o dużym natężeniu w zakresie kA. Dla wyskalowania mocy zwarte moduły przekształtnikowe można ustawić ciasno obok siebie (fig. 2 do fig. 6) i łączyć w większe jednostki, bez konieczności dopasowywania elementów.

Moduły przekształtnikowe według wynalazku charakteryzują się niską indukcyjnością. Dzięki temu można zrealizować bardzo strome zbocza charakterystyk przełączeniowych względnie bardzo duże częstotliwości przełączania oraz utrzymać na niskim poziomie obciążenia półprzewodnikowych elementów energetycznych i ich zwrotne oddziaływanie na sieć. Ponadto wszystkie postaci wykonania zapewniają jedynie nieznaczne obniżenie wartości znamionowych. Osiąga się to dzięki dużej symetrii ramion mostków. W przypadku połączonych równolegle półprzewodnikowych modułów energetycznych obniżenia wartości znamionowych unika się również dzięki zminimalizowaniu różnic potencjałów pomiędzy ścieżkami równoległych modułów, ponieważ układ szynowy pomiędzy modułami obwodu równoległego charakteryzuje się bardzo niską indukcyjnością, zaś przewody łączące są bardzo krótkie.

Szczególnie korzystne we wszystkich przykładach wykonania jest zastosowanie wtykowych półprzewodnikowych przełączników względnie modułów energetycznych. Pierwsze i drugie łączniki pełnią wówczas rolę gniazd wtykowych dla półprzewodnikowych przełączników energetycznych.

190 475

W przykładach można zamienić funkcjami przyłącze plusowe 6 i minusowe 7. Możliwa jest również zamiana przyłączy stałonapięciowych 6, 7 i przyłącza fazowego 8 (patrz na przykład fig. 3). Wówczas pierwsze i drugie łączniki zamieniają się miejscami, półprzewodnikowe moduły energetyczne są montowane w położeniu obróconym o 180°, zaś poszerzone przyłącze fazowe 8 jest wyprowadzone pod przyłączami stałonapięciowymi.

Inne warianty wynalazku otrzymuje się na przykład w ten sposób, ze w kierunku wzdłużnym zamiast jednego montuje się kilka półprzewodnikowych przełączników energetycznych w układzie równoległym. Można to łatwo osiągnąć za pomocą dłuższych łączników lub kilku, jednakowo stykanych łączników; umieszczonych obok siebie.

W ten sposób we wszystkich trzech przykładach wykonania (fig. 2 do fig. 6) możliwe jest skalowanie mocy. W celu skalowania mocy można również połączyć ze sobą kilka, także różnych, modułów przekształtnikowych za pomocą ich przyłączy fazowych 8, 14, 15.

Reasumując, pierwszy przykład wykonania stanowi pierwszy jednofazowy moduł przekształtnikowy, składający się z dwóch półprzewodnikowych przełączników energetycznych, ustawionych naprzeciw siebie swymi przednimi lub tylnymi ściankami i połączonych w obwód mostkowy.

Następny przykład wykonania stanowi drugi jednofazowy moduł przekształtnikowy·', składający się z czterech półprzewodnikowych przełączników energetycznych, przy czym po dwa elementy przełącznikowe są ustawione naprzeciw siebie i połączone równolegle w obwód mostkowy, którego oba ramiona są ustawione obok siebie, to znaczy są przesunięte względem siebie w kierunku szyny fazowej.

Ostatni przykład wykonania stanowi dwufazowy moduł przekształtnikowy, składający się z czterech półprzewodnikowych przełączników energetycznych, przy czym po dwa elementy przełącznikowe są ustawione równolegle obok siebie, tworząc parę ramion mostkowych, zaś obie pary są usytuowane względem płaszczyzny symetrii w układzie symetrii lustrzanej i zasilają różne fazy,

Ogólnie rzecz biorąc, w ramach wynalazku zaproponowany został układ szynowy, za pomocą którego można realizować moduły przekształtnikowe o optymalnych parametrach przełączeniowych i zajmującej niewiele miejsca, modułowej konstrukcji.

190 475

Fig. 3

190 475

Β

Fig. 5

190 475

(Ο

d) iZ

190 475

Ó>

ul

Nakład 50 egz·

Departament

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Moduł przekształtnikowy z półprzewodnikowymi przełącznikami energetycznymi i układem szynowym zawierającym przyłącze plusowe, przyłącze minusowe oraz szynowe przyłącze fazowe, ułożone jedne na drugich tak, ze pomiędzy nimi znajdują się elementy izolacyjne, i zamocowane na płycie głównej, znamienny tym, ze przyłącze plusowe (6) i minusowe (7) mają kształt szyny, na której dłuższym boku znajduje się co najmniej jeden, pierwszy odstający łącznik (9, 10), a każde przyłącze fazowe (8, 14, 15) ma na swym dłuższym boku co najmniej jeden, drugi odstający łącznik (11, 17, 18), przy czym pierwsze i drugie łączniki współpracują dla zamocowania i elektrycznego styku półprzewodnikowych przełączników energetycznych, zaś każde dwa półprzewodnikowe przełączniki energetyczne są rozmieszczone parami na przeciwległych dłuższych bokach plusowego/minusowego przyłącza fazowego tak, że ich przednie lub tylne ścianki są zwrócone ku sobie.
2. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że szyny są ułożone jedna na drugiej w kolejności przyłącze plusowe/minusowe/fazowe lub przyłącze minusowe/plusowe/fazowe, a pierwsze (9, 10) i drugie (11, 16, 17) łączniki rozciągają się w kierunku szyn i są odgięte do góry w przybliżeniu pod kątem prostym, zaś rozmieszczone parami półprzewodnikowe przełączniki energetyczne są zwrócone ku sobie swymi wyjściami fazowymi, przy czym zwłaszcza półprzewodnikowe przełączniki energetyczne są przełącznikami wtykowymi.
3. Moduł według zastrz. 2, znamienny tym, ze przyłącze plusowe (6) i przyłącze minusowe (7) mają przekrój w kształcie w przybliżeniu litery „L”, przy czym oba przyłącza (6, 7) w kształcie litery „L” są tak wstawione w siebie wzajemnie, ze ich pierwsze łączniki (9, 10) znajdują się na przeciwległych dłuższych bokach, a przyłącze fazowe (8) ma przekrój w kształcie litery „W” lub „U” z drugimi łącznikami (11) na obu dłuższych bokach, przy czym przyłącze (8) w kształcie litery „W” lub „U” jest tak zamocowane pomiędzy przyłączami (6, 7) w kształcie litery „L”, że drugie łączniki (11) są ustawione w kierunku wzdłużnym obok pierwszych łączników (9, 10), zaś rozmieszczone parami półprzewodnikowe przełączniki energetyczne są połączone w obwód półmostkowy.
4. Moduł według zastrz. 3, znamienny tym, że każde przyłącze plusowe (6) i minusowe (7) ma dokładnie jeden pierwszy łącznik (9, 10), a przyłącze fazowe (8) ma dokładnie dwa drugie łączniki (11), przy czym stykane są dokładnie dwa półprzewodnikowe przełączniki energetyczne.
5. Moduł według zastrz. 2, znamienny tym, że przyłącze plusowe (6) i minusowe (7) ma pierwszy przekrój o kształcie w przybliżeniu litery „U”, z pierwszymi łącznikami (9, 10) na obu dłuższych bokach, a oba pierwsze przyłącza (6, 7) o przekroju w kształcie litery „U” są ustawione jedno za drugim, przy czym przyłącze położone dalej z tyłu ma płaską blachę doprowadzającą dla stykania z pośrednim obwodem stałoprądowym, zaś przyłącze fazowe (8) ma przekrój w kształcie litery „W” lub drugi przekrój w kształcie litery „U”, z drugimi łącznikami (11) na obu dłuższych bokach, przy czym przyłącze fazowe (8) o przekroju w kształcie litery „W” lub „U” jest tak zamocowane pomiędzy obydwoma pierwszymi przyłączami (6, 7) w kształcie litery „U”, że jego łączniki (11) są umieszczone w kierunku wzdłużnym obok łączników (9, 10) pierwszych przyłączy o przekroju w kształcie litery „U”, a pary półprzewodnikowych przełączników energetycznych, stykane poprzez jednakowe pierwsze przyłącza o przekroju w kształcie litery „U”, są połączone w obwód równoległy, zaś pary półprzewodnikowych przełączników energetycznych, stykane poprzez niejednakowe pierwsze przyłącza o przekroju w kształcie litery „U”, są połączone w obwód półmostkowy.
6. Moduł według zastrz. 5, znamienny tym, ze każde przyłącze plusowe (6) i minusowe (7) ma dokładnie dwa przeciwległe łączniki (9, 10) na obu dłuższych bokach, a przyłącze fazowe (8) ma dokładnie cztery łączniki (11), przy czym stykane są dokładnie dwie pary półprzewodnikowych przełączników energetycznych.

190 475
7. Moduł według zastrz. 2, znamienny tym, że przyłącze plusowe (6) i minusowe (7) ma pierwszy przekrój w kształcie w przybliżeniu litery „U”, z pierwszymi łącznikami (9, 10) na obu dłuższych bokach, a oba pierwsze przyłącza (6, 7) o przekroju w kształcie litery „U” są ustawione jeden za drugim, przy czym przyłącze położone dalej z tyłu ma płaską blachę doprowadzającą dla stykania z pośrednim obwodem stałoprądowym, zaś dwa, równoległe w kierunku wzdłuznym, przyłącza fazowe (14, 15) są usytuowane blisko obok siebie, przy czym każde z nich ma przekrój w kształcie połowy litery „W”, a każde przyłącze fazowe (14, 15) o przekroju w kształcie połowy litery „W” ma drugie łączniki (16, 17) na dłuższym boku, odwrotnym do drugiego przyłącza fazowego, przy czym każdy element (14, 15) o przekroju w kształcie połowy litery „W” jest tak zamocowany pomiędzy przyłączami (6, 7) o przekroju w kształcie litery „U”, ze jego drugie łączniki (16, 17) są ustawione w kierunku wzdłuznym obok pierwszych łączników (9, 10) przyłączy o przekroju w kształcie litery „U”, zaś umieszczone na tym samym dłuższym boku, stykane z różnymi przyłączami o przekroju w kształcie litery „U”, tworzą półmostek i stykają dokładnie jedno przyłącze fazowe (14, 15).
8. Moduł według zastrz. 7, znamienny tym, ze każde przyłącze plusowe (6) i minusowe (7) ma dokładnie dwa drugie łączniki (9, 10), a każde przyłącze fazowe (8) ma dokładnie dwa łączniki (16, 17), przy czym stykane są dokładnie cztery półprzewodnikowe przełączniki energetyczne.
9. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, ze przyłącza plusowe (6), minusowe (7) i fazowe (8, 14, 15) są ustawione bardzo blisko jedno nad drugim dla osiągnięcia minimalnej indukcyjności, a jako media izolacyjne stosowane są powietrze, gaz, stałe elementy izolacyjne względnie kombinacja tych mediów.