RU2440642C1 - Voltage converter - Google Patents
Voltage converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2440642C1 RU2440642C1 RU2010142907/28A RU2010142907A RU2440642C1 RU 2440642 C1 RU2440642 C1 RU 2440642C1 RU 2010142907/28 A RU2010142907/28 A RU 2010142907/28A RU 2010142907 A RU2010142907 A RU 2010142907A RU 2440642 C1 RU2440642 C1 RU 2440642C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- packet
- semiconductor chips
- voltage
- switching element
- converter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Power Conversion In General (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Настоящее изобретение относится к преобразователю напряжения, имеющему, по меньшей мере, один фазовый вывод, соединенный с противоположными полюсами стороны постоянного напряжения преобразователя, и содержащему последовательное соединение переключающих элементов, причем каждый переключающий элемент имеет с одной стороны, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа, каждый из которых имеет полупроводниковое устройство запираемого типа и обратный диод, подключенные параллельно ему, а с другой стороны, по меньшей мере, один запасающий энергию конденсатор, при этом средняя точка последовательного соединения образует фазовый выход, сконфигурированный с возможностью подключения к стороне переменного напряжения преобразователя и разделения фазового вывода на ветвь верхних вентилей и ветвь нижних вентилей, причем каждый переключающий элемент сконфигурирован с возможностью получения двух переключающих состояний путем управления полупроводниковыми устройствами каждого переключающего элемента, а именно первого переключающего состояния и второго переключающего состояния, в которых напряжение, по меньшей мере, на одном запасающем энергию конденсаторе и нулевое напряжение соответственно прикладываются к контактам переключающего элемента для получения определенного переменного напряжения на фазовом выходе.The present invention relates to a voltage converter having at least one phase terminal connected to opposite poles of the DC side of the converter and comprising a series connection of the switching elements, each switching element having at least two semiconductor chips on one side, each of which has a lockable semiconductor device and a reverse diode connected in parallel with it, and on the other hand, at least one storage energy is a capacitor, while the midpoint of the series connection forms a phase output configured to connect the converter to the AC voltage side and separate the phase output into the branch of the upper valves and the branch of the lower valves, and each switching element is configured to receive two switching states by controlling semiconductor devices each switching element, namely the first switching state and the second switching state scattering, in which the voltage of at least one capacitor to store energy and a zero voltage respectively applied to the terminals of the switching element to obtain a certain alternating voltage on the phase output.
Такие преобразователи содержат любое число фазовых выводов, но они обычно имеют три таких фазовых вывода для получения трехфазного переменного напряжения на стороне переменного напряжения.Such converters contain any number of phase terminals, but they usually have three such phase terminals to produce a three-phase alternating voltage on the alternating voltage side.
Преобразователь напряжения указанного типа может применяться во всевозможных ситуациях, в которых постоянное напряжение должно преобразовываться в переменное напряжение или наоборот, при этом к примерам таких применений относятся подстанции электростанций постоянного тока высокого напряжения, в которых постоянное напряжение обычно преобразуется в трехфазное переменное напряжение или наоборот, либо так называемые возвратные станции, в которых переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное напряжение, а затем оно преобразуется в переменное напряжение. Он также может использоваться для поглощения или введения реактивной мощности в сети переменного напряжения.A voltage converter of the indicated type can be used in all kinds of situations in which a direct voltage must be converted to an alternating voltage or vice versa, while examples of such applications include substations of high voltage direct current power plants in which a constant voltage is usually converted to a three-phase alternating voltage or vice versa, or the so-called return stations, in which the alternating voltage is first converted to direct voltage, and then it is converted is connected to alternating voltage. It can also be used to absorb or inject reactive power into an ac voltage network.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Преобразователь напряжения указанного типа известен, например, из DE 10103031 A1 и WO 2007/023064 A1 и обычно называется многосекционным преобразователем или M2LC. Данные публикации упоминаются при описании функционирования преобразователя указанного типа. Переключающие элементы преобразователя могут отличаться от показанных в публикациях, и, например, возможно, что каждый переключающий элемент имеет более одного запасающего энергию конденсатора, поскольку возможно управление переключением переключающего элемента между двумя состояниями, упомянутыми ранее.A voltage converter of this type is known, for example, from DE 10103031 A1 and WO 2007/023064 A1 and is commonly referred to as a multi-section converter or M2LC. These publications are mentioned in the description of the operation of the converter of the specified type. The switching elements of the converter may differ from those shown in the publications, and, for example, it is possible that each switching element has more than one energy storage capacitor, since it is possible to control the switching of the switching element between the two states mentioned earlier.
Настоящее изобретение главным образом, но не исключительно, относится к таким преобразователям напряжения, сконфигурированным с возможностью передачи больших мощностей, и по этой причине ниже будут описаны в основном случаи передачи больших мощностей с целью разъяснения настоящего изобретения, но никоим образом не его ограничения. При использовании преобразователя напряжения для передачи больших мощностей это также означает, что большие напряжения выдерживаются, а напряжение на стороне постоянного напряжения преобразователя определяется напряжениями на запасающих энергию конденсаторах переключающих элементов и обычно устанавливается на уровне половины суммы этих напряжений. Это означает, что относительно большое число таких переключающих элементов должно подключаться последовательно, либо большое число полупроводниковых устройств, т.е. полупроводниковых чипов, должно подключаться последовательно в каждом переключающем элементе, и преобразователь напряжения такого типа особенно интересен, когда число переключающих элементов на фазовом выводе относительно велико, например, по меньшей мере, 8. Большое число подключенных последовательно переключающих элементов означает, что можно будет управлять этими переключающими элементами для изменения состояния между первым и вторым переключающим состоянием и уже на фазовом выходе получать переменное напряжение, очень близкое к синусоидальному напряжению. Это может быть достигнуто уже посредством существенно более низких частот коммутации, чем обычно используемые в известных преобразователях напряжения показанного на Фиг.1 типа в DE 10103031 A1, имеющих переключающие элементы, по меньшей мере, с одним полупроводниковым устройством запираемого типа и, по меньшей мере, одним обратным диодом, подключенными встречно-параллельно ему. Это позволяет достичь достаточно низких потерь и, кроме того, значительно уменьшить проблемы фильтрации, гармонических токов и радиопомех, вследствие чего оборудование может оказаться дешевле.The present invention mainly, but not exclusively, relates to such voltage converters configured to transmit large powers, and for this reason, mainly high power transmission cases will be described below in order to clarify the present invention, but in no way limitation thereof. When using a voltage converter to transmit large powers, this also means that high voltages are maintained, and the voltage on the DC side of the converter is determined by the voltages at the energy-storage capacitors of the switching elements and is usually set at half the sum of these voltages. This means that a relatively large number of such switching elements must be connected in series, or a large number of semiconductor devices, i.e. semiconductor chips should be connected in series in each switching element, and this type of voltage converter is especially interesting when the number of switching elements on the phase output is relatively large, for example, at least 8. A large number of connected series-switching elements means that you can control these switching elements for changing the state between the first and second switching state and already at the phase output receive an alternating voltage very close sinusoidal voltage. This can be achieved already by means of significantly lower switching frequencies than commonly used in the known voltage converters of the type shown in FIG. 1 in DE 10103031 A1 having switching elements with at least one lockable semiconductor device and at least one reverse diode connected counter-parallel to it. This allows you to achieve sufficiently low losses and, in addition, significantly reduce the problems of filtering, harmonic currents and radio interference, as a result of which the equipment may be cheaper.
Однако большое число подключенных параллельно переключающих элементов и запасающие энергию конденсаторы, относящиеся к этим переключающим элементам, делают преобразователи напряжения такого типа довольно объемистыми, так что, например, в случае подстанции электростанции высокого напряжения на постоянном токе для таких преобразователей должны строиться очень большие вентильные залы.However, a large number of switching elements connected in parallel and energy storage capacitors related to these switching elements make voltage converters of this type rather bulky, so, for example, in the case of a substation of a high voltage direct current power station, very large valve rooms must be built for such converters.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей настоящего изобретения является создание преобразователя напряжения указанного типа, усовершенствованного, по меньшей мере, по некоторым аспектам по сравнению с уже известными преобразователями напряжения.An object of the present invention is to provide a voltage converter of the indicated type, improved in at least some aspects compared to voltage converters already known.
Указанная задача в соответствии с настоящим изобретением решается созданием такого преобразователя напряжения, в котором полупроводниковые чипы переключающих элементов размещены пакетами, каждый из которых содержит, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа, причем данный преобразователь содержит компоновку, сконфигурированную с возможностью приложения давления к противоположным концам каждого из пакетов для прижатия чипов друг к другу, для получения электрического контакта между полупроводниковыми чипами в пакетах.The specified task in accordance with the present invention is solved by creating such a voltage Converter, in which the semiconductor chips of the switching elements are placed in packets, each of which contains at least two semiconductor chips, and this Converter contains an arrangement configured to apply pressure to the opposite ends of each from packets for pressing chips to each other, to obtain electrical contact between semiconductor chips in packets.
Благодаря использованию так называемого прижимного метода, известного из патента US 5705853, такой тип преобразователей напряжения может быть выполнен более компактным, чем ранее, вследствие чего их размеры могут быть уменьшены, в частности, для зданий в виде вентильных залов для таких преобразователей. Полупроводниковые чипы в преобразователях такого типа до настоящего времени соединялись винтовыми соединениями, которые требуют большего пространства с целью обеспечения доступа к винтам или болтам для их затягивания. Получение электрического контакта между полупроводниковыми чипами путем размещения их пакетом и прижатия друг к другу приводит также к повышению надежности таких соединений по сравнению с известными решениями.Due to the use of the so-called clamping method, known from US Pat. No. 5,705,853, this type of voltage converter can be made more compact than before, as a result of which their dimensions can be reduced, in particular for buildings in the form of valve rooms for such converters. The semiconductor chips in converters of this type have so far been connected by screw connections, which require more space in order to provide access to screws or bolts for tightening them. Obtaining electrical contact between semiconductor chips by placing them in a packet and pressing them against each other also leads to an increase in the reliability of such compounds compared to known solutions.
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения компоновка содержит средство, выполненное с возможностью приложения к каждому из пакетов давления нагруженной пружины, подталкивающего два конца пакета друг к другу и в то же время освобождающего потенциальную энергию, запасаемую в элементах средства. Могут использоваться элементы любого типа, запасающие потенциальную энергию при сжатии и в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения являющиеся пружинами, действующими, по меньшей мере, на один конец каждого пакета, причем в качестве пружин могут использоваться механические пружины, а также пружины другого типа, например, газовые пружины. Это означает, что электрический контакт между полупроводниковыми чипами в пакете может быть получен с высокой надежностью независимо от неправильности его размеров, как, например, в случае параллельного соединения полупроводниковых чипов в пакете.According to one embodiment of the present invention, the arrangement comprises means adapted to apply to each of the pressure packets a loaded spring pushing the two ends of the packet against each other and at the same time releasing potential energy stored in the elements of the means. Elements of any type that store potential energy during compression and in accordance with another embodiment of the present invention can be used are springs acting at least on one end of each package, and mechanical springs can be used as springs, as well as springs of another type, for example, gas springs. This means that the electrical contact between the semiconductor chips in the package can be obtained with high reliability, regardless of the incorrectness of its size, as, for example, in the case of parallel connection of semiconductor chips in the package.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения компоновка содержит две торцевые пластины, сконфигурированные с возможностью размещения вблизи противоположных концов пакета, и удлиненные элементы, соединяющие пластины и в то же время определяющие расстояние между ними, причем элементы, запасающие потенциальную энергию, выполнены с возможностью действовать между, по меньшей мере, одной из пластин и соответствующим концом пакета с целью расталкивания этой торцевой пластины и пакета при сжатии пакета. Компоновка может далее содержать средство, сконфигурированное с возможностью обеспечения смещения, по меньшей мере, одной из пластин вдоль соединительных элементов в ее продольном направлении для изменения расстояния и тем самым давления, приложенного к пакету таким образом, что то же самое оборудование в виде компоновки может быть использовано для различных пакетов и приспособлено к ним.According to another embodiment of the present invention, the arrangement comprises two end plates configured to be placed close to opposite ends of the stack and elongated elements connecting the plates and at the same time determining the distance between them, the elements storing potential energy being configured to act between at least one of the plates and the corresponding end of the package to push this end plate and package when the package is compressed. The arrangement may further comprise means configured to allow displacement of at least one of the plates along the connecting elements in its longitudinal direction to change the distance and thereby the pressure applied to the package so that the same equipment in the form of an arrangement can be used for various packages and adapted to them.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения компоновка содержит дополнительную пластину, сконфигурированную с возможностью наложения на один конец пакета и перемещаемую относительно удлиненных элементов в их продольном направлении, причем элементы, запасающие потенциальную энергию, выполнены с возможностью расталкивания дополнительной пластины и расположенной рядом с ней торцевой пластины для сжатия пакета.According to another embodiment of the present invention, the arrangement comprises an additional plate configured to be superimposed on one end of the packet and moved relative to the elongated elements in their longitudinal direction, the elements storing potential energy are configured to push the additional plate and an adjacent end plate plate to compress the package.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения полупроводниковые чипы имеют пластинчатую структуру и расположены таким образом, что их большие стороны направлены в направлении продолжения пакета.In accordance with another embodiment of the present invention, the semiconductor chips have a wafer structure and are arranged so that their large sides are directed in the direction of the continuation of the package.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа относятся к одному и тому же переключающему элементу, а смежные полупроводниковые чипы, относящиеся к одному и тому же переключающему элементу, разделены металлической пластиной, вставленной между ними с целью получения электрического соединения между двумя чипами путем прижатия их к металлической пластине. Это означает, что между полупроводниковыми чипами, относящимися к одному и тому же переключающему элементу, может быть обеспечен надежный и качественный электрический контакт.According to another embodiment of the present invention, at least two semiconductor chips belong to the same switching element, and adjacent semiconductor chips related to the same switching element are separated by a metal plate inserted between them in order to obtain an electrical connections between two chips by pressing them to a metal plate. This means that reliable and high-quality electrical contact can be ensured between semiconductor chips belonging to the same switching element.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения металлические пластины расположены на обеих сторонах каждого полупроводникового чипа, что, в частности, предпочтительно для обеспечения возможности использования таких металлических пластин с целью охлаждения полупроводниковых чипов.According to another embodiment of the present invention, metal plates are located on both sides of each semiconductor chip, which is, in particular, preferable to enable the use of such metal plates to cool the semiconductor chips.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения каждый пакет содержит, по меньшей мере, все полупроводниковые чипы, относящиеся к одному и тому же переключающему элементу.In accordance with another embodiment of the present invention, each packet contains at least all of the semiconductor chips related to the same switching element.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения каждый пакет содержит полупроводниковые чипы из множества переключающих элементов, что делает преобразователь очень компактным.According to another embodiment of the present invention, each packet contains semiconductor chips of a plurality of switching elements, which makes the converter very compact.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения каждый пакет содержит полупроводниковые чипы одного переключающего элемента, размещенные в подпакете, причем все подпакеты, сжимаемые одной и той же компоновкой, расположены друг на друге в одном пакете, причем электроизолирующий слой помещен между такими смежными подпакетами и разделяет их, а проводник размещен для электрического соединения смежных подпакетов и тем самым смежных переключающих элементов в последовательном соединении друг с другом. Такая конструкция пакета позволяет разместить несколько переключающих элементов, и даже все переключающие элементы ветви вентилей, в одном пакете, делая преобразователь очень компактным.In accordance with another embodiment of the present invention, each packet contains semiconductor chips of one switching element located in a subpacket, all subpackets compressed by the same arrangement being arranged on top of each other in the same packet, the electrical insulating layer being placed between such adjacent subpackets and separating them, and the conductor is placed to electrically connect adjacent subpackets and thereby adjacent switching elements in series connection with each other. This package design allows you to place several switching elements, and even all switching elements of the valve branch, in one package, making the converter very compact.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения полупроводниковые чипы, сжимаемые одной и той же компоновкой, расположены, по меньшей мере, в двух параллельных пакетах, причем каждый параллельный пакет содержит множество наложенных переключающих элементов, причем в каждом из них полупроводниковые чипы расположены в подпакете, причем все подпакеты каждого из пакетов размещены друг на друге для формирования одного из параллельных пакетов, при этом электроизолирующий слой помещен между такими смежными подпакетами и разделяет их, причем каждый переключающий элемент подпакета содержит две металлические пластины, разделенные, по меньшей мере, одним полупроводниковым чипом данного переключающего элемента, и параллельные пакеты взаимно смещены в их продольном направлении, так, что для каждого переключающего элемента относящиеся к нему две металлические пластины соединены и объединены с различными смежными переключающими элементами другого параллельного пакета, чтобы получить последовательное соединение двух переключающих элементов, разделенных изолирующим слоем в одном параллельном пакете, при этом переключающий элемент другого параллельного пакета размещен в данном последовательном соединении между двумя переключающими элементами. Такой способ получения последовательного соединения переключающих элементов, или секций, в зигзагообразной структуре позволяет выполнить преобразователь еще более компактным и сократить размеры (длину) вентильных зданий.In accordance with another embodiment of the present invention, semiconductor chips compressed by the same arrangement are arranged in at least two parallel packets, each parallel packet containing a plurality of superimposed switching elements, each of which semiconductor chips are located in a subpacket, moreover, all subpackages of each of the packages are placed on top of each other to form one of the parallel packets, while the electrical insulating layer is placed between such adjacent subpackages and separates them, and each switching element of the subpacket contains two metal plates separated by at least one semiconductor chip of this switching element, and parallel packets are mutually offset in their longitudinal direction, so that for each switching element two metal plates belonging to it connected and combined with various adjacent switching elements of another parallel packet to obtain a series connection of two switching elements, separated x with an insulating layer in one parallel packet, while the switching element of another parallel packet is placed in this serial connection between two switching elements. This method of obtaining a series connection of switching elements, or sections, in a zigzag structure allows the converter to be made even more compact and to reduce the size (length) of the valve buildings.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения металлические пластины оснащены каналами, а преобразователь содержит средство, сконфигурированное с возможностью циркулирования охлаждающей среды по каналам для охлаждения полупроводниковых чипов, смежных с металлическими пластинами, при этом охлаждающей средой в предпочтительном варианте осуществления является вода, хотя возможны и другие типы охлаждающих сред. Использование такого способа охлаждения влечет за собой дополнительное преимущество описанного выше варианта осуществления с параллельными пакетами, поскольку это означает, что число соединений охлаждающей среды с переключающими элементами преобразователя может быть сокращено наполовину от числа, требуемого в том случае, если его переключающие элементы не имеют таких общих металлических пластин.In accordance with another embodiment of the present invention, the metal plates are provided with channels, and the converter comprises means configured to circulate the cooling medium through the channels for cooling semiconductor chips adjacent to the metal plates, while the cooling medium in the preferred embodiment is water, although other types of cooling media. The use of such a cooling method entails an additional advantage of the above-described embodiment with parallel packages, since this means that the number of connections of the cooling medium with the switching elements of the converter can be reduced by half by the number required if its switching elements do not have such common metal plates.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения каждый переключающий элемент содержит более двух полупроводниковых чипов, расположенных в пакете. Преимущество размещения большего числа полупроводниковых чипов в каждом переключающем элементе состоит в том, что можно сократить расходы ввиду меньшего числа соединений, требуемых для переключающих элементов, вследствие меньшего числа переключающих элементов. Однако имеется компромиссный выбор между этим преимуществом и преимуществом лучшего качества переменного напряжения, получаемого на фазовом выходе в случае большего числа переключающих элементов или секций.In accordance with another embodiment of the present invention, each switching element comprises more than two semiconductor chips arranged in a packet. The advantage of placing a larger number of semiconductor chips in each switching element is that it is possible to reduce costs due to the lower number of connections required for the switching elements due to the smaller number of switching elements. However, there is a tradeoff between this advantage and the advantage of better quality AC voltage obtained at the phase output in the case of a larger number of switching elements or sections.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения каждый переключающий элемент имеет 2N полупроводниковых чипов, следующих друг за другом в пакете, при этом N является целым числом ≥ 2.In accordance with another embodiment of the present invention, each switching element has 2N semiconductor chips following each other in a packet, wherein N is an integer ≥ 2.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения число переключающих элементов фазового вывода составляет ≥ 8, 12-32, 16-24 или 50-150. Преобразователь такого типа, как упоминалось выше, особенно интересен, когда число переключающих элементов фазового вывода довольно велико, в результате чего на фазовом выводе можно получить большое число возможных уровней импульсов напряжения.According to another embodiment of the present invention, the number of phase output switching elements is ≥ 8, 12-32, 16-24, or 50-150. A converter of this type, as mentioned above, is especially interesting when the number of switching elements of the phase output is quite large, as a result of which a large number of possible voltage pulse levels can be obtained at the phase output.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения полупроводниковые устройства чипов переключающих элементов являются биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT) или запираемыми тиристорами. Эти полупроводниковые устройства подходят для таких преобразователей, хотя возможны и другие полупроводниковые устройства запираемого типа, такие как запираемые тиристоры с коммутируемым затвором.In accordance with another embodiment of the present invention, the semiconductor devices of the switching element chips are IGBTs or lockable thyristors. These semiconductor devices are suitable for such converters, although other lockable semiconductors are possible, such as lockable thyristors with a switching gate.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения преобразователь сконфигурирован с возможностью подключения стороны постоянного напряжения к сети постоянного напряжения для передачи постоянного тока высокого напряжения и подключение стороны переменного напряжения к линии фазы переменного напряжения, относящейся к сети переменного напряжения. Это связано с тем, что для особенно интересного применения преобразователя данного типа требуется большое число полупроводниковых чипов.According to another embodiment of the present invention, the converter is configured to connect the DC side to a DC voltage network for transmitting high voltage DC and connecting the AC side to an AC voltage phase line related to the AC voltage network. This is due to the fact that for a particularly interesting application of this type of converter, a large number of semiconductor chips are required.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения преобразователь сконфигурирован с возможностью получения постоянного напряжения на двух полюсах величиной 1 кВ - 1200 кВ, 10 кВ - 1200 кВ или 100 кВ - 1200 кВ. Настоящее изобретение тем интереснее, чем выше постоянное напряжение.In accordance with another embodiment of the present invention, the converter is configured to receive a DC voltage at two poles of 1 kV - 1200 kV, 10 kV - 1200 kV, or 100 kV - 1200 kV. The present invention is all the more interesting the higher the DC voltage.
Настоящее изобретение относится также к установке для передачи электроэнергии согласно приведенному с этой целью пункту формулы изобретения. Размер подстанций такой установки может быть уменьшен по сравнению с уже известными установками при использовании преобразователя напряжения описанного во вступлении типа.The present invention also relates to a power transmission apparatus according to the claim. The size of substations of such an installation can be reduced in comparison with the already known installations when using the voltage converter described in the introduction of the type.
Другие преимущества, а также достоинства настоящего изобретения будут ясны из нижеследующего описания.Other advantages as well as advantages of the present invention will be apparent from the following description.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:
Фиг.1 изображает упрощенный вид преобразователя напряжения типа согласно настоящему изобретению;Figure 1 depicts a simplified view of a voltage converter type according to the present invention;
Фиг.2 и Фиг.3 изображают два различных известных переключающих элемента, которые могут входить в состав преобразователя напряжения в соответствии с настоящим изобретением;Figure 2 and Figure 3 depict two different known switching elements that can be included in the voltage Converter in accordance with the present invention;
Фиг.4 изображает упрощенный вид, очень схематично иллюстрирующий преобразователь напряжения в соответствии с настоящим изобретением;Figure 4 is a simplified view, very schematically illustrating a voltage converter in accordance with the present invention;
Фиг.5 изображает упрощенный вид, иллюстрирующий, как могут накладываться два переключающих элемента в одном пакете в преобразователе в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;5 is a simplified view illustrating how two switching elements in one package in a converter can be superimposed in accordance with a first embodiment of the present invention;
Фиг.6 изображает упрощенный вид, иллюстрирующий принципы получения и размещения пакетов переключающих элементов типа, показанного на Фиг.5, в преобразователе в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;6 is a simplified view illustrating the principles of receiving and placing packets of switching elements of the type shown in FIG. 5 in a converter in accordance with a first embodiment of the present invention;
Фиг.7 изображает упрощенный вид, соответствующий Фиг.5, части так называемого параллельного пакета переключающих элементов преобразователя в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig.7 depicts a simplified view corresponding to Fig.5, part of the so-called parallel package of switching elements of the Converter in accordance with the second embodiment of the present invention;
Фиг.8 изображает принципиальную схему части параллельного пакета, показанного на Фиг.7;Fig. 8 is a circuit diagram of a portion of the parallel packet shown in Fig. 7;
Фиг.9 изображает принципиальную схему, иллюстрирующую переключающий элемент преобразователя в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 9 is a circuit diagram illustrating a switching element of a converter according to a third embodiment of the present invention;
Фиг.10 изображает упрощенный вид, иллюстрирующий переключающий элемент в соответствии с Фиг.9;FIG. 10 is a simplified view illustrating a switching element in accordance with FIG. 9;
Фиг.11 изображает упрощенный вид сверху переключающего элемента, показанного на Фиг.10.11 is a simplified top view of the switching element shown in FIG. 10.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
На Фиг.1 очень схематично показана общая конструкция преобразователя 1 напряжения типа, к которому относится настоящее изобретение. Данный преобразователь имеет три фазовых вывода 2-4, подключенные к противоположным полюсам 5, 6 стороны постоянного напряжения преобразователя, например, к сети постоянного напряжения для передачи постоянного тока высокого напряжения. Каждый фазовый вывод содержит последовательное соединение переключающих элементов 7, обозначенных прямоугольниками, в данном случае в количестве 16, и это последовательное соединение разделено на две одинаковые части - ветвь 8 верхних вентилей и ветвь 9 нижних вентилей, разделенные средней точкой 10-12, которая образует фазовый выход, сконфигурированный с возможностью соединения со стороной переменного напряжения преобразователя. Фазовые выходы 10-12 могут быть подключены, возможно, через трансформатор, к трехфазной сети переменного напряжения, нагрузке и т.д. На стороне переменного напряжения установлено также фильтрующее оборудование для улучшения формы переменного напряжения на стороне переменного напряжения.Figure 1 shows very schematically the general construction of a
Компоновка 13 управления выполнена с возможностью управления переключающими элементами 7 и тем самым преобразователем с целью преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, и наоборот.The
Преобразователь напряжения имеет переключающие элементы 7 типа, имеющего, с одной стороны, по меньшей мере, два полупроводниковых чипа, каждый из которых имеет полупроводниковое устройство запираемого типа и обратный диод, подключенный параллельно ему, а с другой стороны, по меньшей мере, один запасающий энергию конденсатор, причем два примера таких переключающих элементов изображены на Фиг.2 и Фиг.3. Контакты 14, 15 переключающего элемента выполнены с возможностью соединения со смежными переключающими элементами в последовательном соединении переключающих элементов, образующем фазовый вывод. Полупроводниковые устройства 16, 17 в данном случае представляют собой IGBT-транзисторы, подключенные параллельно диодам 18, 19. Запасающий энергию конденсатор 20 подключен параллельно соответствующему последовательному соединению диодов и полупроводниковых устройств. Один контакт 14 соединен со средней точкой между двумя полупроводниковыми устройствами, а также со средней точкой между двумя диодами. Другой контакт 15 соединен с запасающим энергию конденсатором 20, в варианте осуществления, изображенном на Фиг.2, к одной его стороне, а в варианте осуществления, изображенном на Фиг.3, к другой его стороне. Отметим, что каждое полупроводниковое устройство и каждый диод, как показано на Фиг.2 и Фиг.3, может использоваться в количестве больше одного и подключаться последовательно для выдерживания требуемых напряжений, а подключенные таким образом полупроводниковые элементы могут далее управляться одновременно, чтобы действовать как одно полупроводниковое устройство.The voltage converter has
Показанные на Фиг.2 и Фиг.3 переключающие элементы могут управляться для получения одного из а) первого переключающего состояния и b) второго переключающего состояния, в котором к контактам 14, 15 прикладывается а) напряжение на конденсаторе 20 и b) нулевое напряжение. Для получения первого состояния на Фиг.2 полупроводниковое устройство 16 включается, а полупроводниковое устройство 17 выключается, а в варианте осуществления в соответствии с Фиг.3 полупроводниковое устройство 17 включается, а полупроводниковое устройство 16 выключается. Переключающие элементы переключаются во второе состояние путем изменения состояния полупроводниковых устройств, так, что в варианте осуществления в соответствии с Фиг.2 полупроводниковое устройство 16 выключается, а полупроводниковое устройство 17 включается, а на Фиг.3 полупроводниковое устройство 17 выключается, а полупроводниковое устройство 16 включается.The switching elements shown in FIGS. 2 and 3 can be controlled to obtain one of a) a first switching state and b) a second switching state in which a) voltage across
На Фиг.4 несколько более подробно изображено, как фазовый вывод преобразователя в соответствии с Фиг.1 образуется переключающими элементами показанного на Фиг.3 типа, в котором для упрощения чертежа в целом десять переключающих элементов не показано. Компоновка 13 выполнена с возможностью управления переключающими элементами путем управления их полупроводниковыми устройствами, так что они будут передавать либо нулевое напряжение, либо напряжение на конденсаторе, суммируемое с напряжениями других переключающих элементов в последовательном соединении. На данном чертеже обозначены также трансформатор 21 и фильтрующее оборудование 22. Показано, как каждая ветвь вентиля соединяется через фазовый реактор 23, 24 с фазовым выходом 10, и такие фазовые реакторы также должны присутствовать на Фиг.1 для фазовых выходов 10, 11 и 12, но для упрощения иллюстрации они не показаны.Figure 4 shows in somewhat more detail how the phase output of the converter in accordance with Figure 1 is formed by switching elements of the type shown in Figure 3, in which ten switching elements are not shown in general to simplify the drawing. The
На Фиг.5 очень схематично изображена часть пакета в виде двух наложенных переключающих элементов 7' показанного на Фиг.2 типа. Каждый переключающий элемент 7' содержит два полупроводниковых чипа 30, 31, каждый из которых имеет полупроводниковое устройство запираемого типа и обратный диод, подключенный параллельно ему, и имеет пластинчатую структуру, причем на каждой стороне каждого полупроводникового чипа имеется металлическая пластина 32-34 в сформированном таким образом подпакете 35. Показано, как переключающие элементы, следующие друг за другом в пакете, электрически изолированы относительно друг друга с помощью изолирующего слоя 36, разделяющего металлические пластины 34 и 32. Смежные переключающие элементы соединены друг с другом электрическим проводником 37 в виде провода.Figure 5 shows very schematically a part of the packet in the form of two superimposed switching elements 7 'of the type shown in Figure 2. Each switching element 7 'contains two
Показано, как каналы 38, осуществляющие перенос охлаждающей среды, такой как охлаждающая вода, соединены с каналами в металлических пластинах 32-34 с целью охлаждения полупроводниковых чипов, расположенных между этими металлическими пластинами. В данном случае вода пропускается через пластины 32, 33 и 34 для получения на них охлаждающего эффекта в соотношении 9:10:1, что означает потребность в охлаждении различных металлических пластин. Такое охлаждение, конечно, обеспечивается для всех металлических пластин в переключающих элементах преобразователя, хотя для упрощения чертежа оно показано только для нижнего переключающего элемента на Фиг.5. Разумеется, это справедливо, например, и для запасающего энергию конденсатора 20 и электрического проводника 37, которые показаны только для одного переключающего элемента.It is shown how channels 38 transferring a cooling medium, such as cooling water, are connected to channels in metal plates 32-34 in order to cool semiconductor chips located between these metal plates. In this case, water is passed through the plates 32, 33 and 34 to obtain a cooling effect on them in a ratio of 9: 10: 1, which means the need for cooling various metal plates. Such cooling, of course, is provided for all metal plates in the switching elements of the converter, although to simplify the drawing it is shown only for the lower switching element in FIG. Of course, this is true, for example, for the
На Фиг.6 показано, как четыре таких подпакета 35 переключающих элементов 7' в соответствии с Фиг.5 могут быть размещены в одном пакете и оснащены компоновками 39, сконфигурированными с возможностью приложения давления к противоположным концам 40, 41 пакета S с целью прижатия полупроводниковых чипов 30, 31 к соответствующим металлическим пластинам и друг к другу, чтобы получить электрический контакт между полупроводниковыми чипами в том же подпакете. Эта компоновка 39 содержит средство 42, выполненное с возможностью приложения давления нагруженной пружины к каждому такому пакету. Компоновка имеет две торцевые пластины 43, 44, сконфигурированные с возможностью размещения вблизи противоположных концов пакета, и удлиненные элементы 45 в виде стержней, например, из стекловолокна, соединяющие пластины 43, 44 и в то же время определяющие расстояние между ними. Пластины 43, 44 могут смещаться относительно друг друга путем затягивания или ослабления гаек 46, расположенных на резьбовых концах стержней 45. Дополнительная пластина 47 сконфигурирована с возможностью наложения на один конец пакета и может перемещаться относительно стержней 45 в их продольном направлении. Пружинные элементы 48, запасающие потенциальную энергию, выполнены с возможностью расталкивания дополнительной пластины 47 и расположенной рядом с ней торцевой пластины 44 для сжатия пакета. Благодаря этому обеспечивается очень надежный взаимный контакт полупроводниковых чипов в пакете.Figure 6 shows how four
На Фиг.6 показаны только ветвь 8 верхних вентилей преобразователя и фазовый выход 10, и в соответствии с этим данный преобразователь имеет 8 переключающих элементов, последовательно соединенных в каждой ветви вентилей. Конечно, возможно и другое число переключающих элементов, и они могут быть разделены на некоторое число пакетов, которое считается наиболее подходящим для соответствующего применения. Например, все переключающие элементы ветви вентилей можно было бы разместить в одном пакете, удерживаемом одной компоновкой 39. Такой способ размещения переключающих элементов делает компоновку его полупроводниковых чипов очень компактной с возможностью снижения размеров вентильных залов.Figure 6 shows only the branch 8 of the upper valves of the converter and the
В круге 50 справа на Фиг.6 показано, как, например, четыре полупроводниковых чипа 30 могут быть размещены параллельно между каждой металлической пластиной 32-34 переключающего элемента для совместного пропускания тока, который может протекать через них. Таким образом, полупроводниковые чипы 30, 31, изображенные на Фиг.5, а также на Фиг.6 и 7, способны устанавливать такое параллельное соединение множества полупроводниковых чипов.In the
На Фиг.7 схематически показано, как переключающие элементы преобразователя в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения могут быть размещены в так называемом «двойном» пакете, а его принципиальная схема изображена на Фиг.8. Каждый из двух параллельных пакетов 51, 52 содержит множество наложенных переключающих элементов 7b, 7d и 7a, 7с соответственно, причем в каждом из них его полупроводниковые чипы 30, 31 расположены в подпакете. Электроизолирующий слой 53 помещен между такими смежными подпакетами и разделяет их, при этом подпакеты расположены на стороне коллектора полупроводникового чипа 30. Каждый переключающий элемент подпакета содержит две металлические пластины 54, 55, проходящие к другому подпакету. Параллельные пакеты 51, 52 взаимно смещены в их продольном направлении, так что для каждого переключающего элемента относящиеся к нему две металлические пластины 54, 55 соединены и объединены с различными смежными переключающими элементами другого параллельного пакета, чтобы получить последовательное соединение двух переключающих элементов, разделенных изолирующим слоем 53 в одном параллельном пакете, при этом переключающий элемент другого параллельного пакета размещен в последовательном соединении между двумя переключающими элементами. Это означает, что две металлические пластины 54, 55 переключающего элемента 7b также относятся к переключающим элементам 7а и 7с соответственно. В результате образуется последовательное соединение переключающих элементов в параллельных пакетах в соответствии с зигзагообразной структурой в следующем порядке: 7a, 7b, 7c и 7d.7 schematically shows how the switching elements of the converter in accordance with the second embodiment of the present invention can be placed in the so-called "double" package, and its circuit diagram is shown in Fig. 8. Each of the two
Показанные на Фиг.7 параллельные пакеты 51, 52 могут содержать любое целесообразное число наложенных переключающих элементов и удерживаются одной компоновкой показанного на Фиг.6 типа, прижимающей их полупроводниковые чипы к металлическим пластинам. Преимущество такой конструкции по сравнению с конструкцией, изображенной на Фиг.5, состоит в том, что для определенного числа подключенных последовательно переключающих элементов высота пакета может быть уменьшена, и число соединений охлаждающей среды (воды) с металлическими пластинами также будет снижено.The
На Фиг.9 схематически показан переключающий элемент в преобразователе в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения. Данный переключающий элемент имеет в целом 16 полупроводниковых чипов 30, 31, соединенных последовательно. Блоки 60 управления вентилем, используемые для управления соответствующим полупроводниковым устройством полупроводниковых чипов, изображены схематично. Внешний конденсаторный делитель 61 напряжения, в котором используются два резистора 62, 63 делителя напряжения, для измерения полного напряжения на конденсаторах 20+20', а также разности напряжений U20 и U20' на этих конденсаторах, выполнен с возможностью детектирования возможных неисправностей в каком-либо из конденсаторов. Измерение напряжения на конденсаторах используется также при управлении делением напряжения между переключающими элементами в одной и той же ветви.Fig. 9 schematically shows a switching element in a converter according to a third embodiment of the present invention. This switching element has a total of 16
Переключающий элемент, который образован 16 полупроводниковыми чипами, расположенными в одном пакете, с металлическими пластинами, вставленными между ними и удерживаемыми компоновкой 39 описанного выше типа, очень схематично показан на Фиг.10. На Фиг.11 изображен вид сверху переключающего элемента, на котором стрелками 70 схематично показано, как конденсаторы соединяются с полупроводниковыми чипами. В таком переключающем элементе напряжение (U20+U20') на его конденсаторах обычно может составлять порядка 20 кВ.The switching element, which is formed by 16 semiconductor chips located in one package, with metal plates inserted between them and held by an
Столь большое число полупроводниковых чипов в одном и том же переключающем элементе или секции приводит к сокращению числа переключающих элементов в преобразователе, вследствие чего расходы в отношении соединений с преобразователем могут быть сокращены. Однако это также означает меньшее число возможных различных уровней для получения импульсов напряжения на фазовом выходе, вследствие чего переменное напряжение, сформированное в результате упомянутого преобразования, будет иметь более низкое качество.Such a large number of semiconductor chips in the same switching element or section reduces the number of switching elements in the converter, as a result of which the costs of connecting to the converter can be reduced. However, this also means a smaller number of different possible levels for receiving voltage pulses at the phase output, as a result of which the alternating voltage generated as a result of said conversion will have lower quality.
Конечно, настоящее изобретение никоим образом не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления, но множество возможностей его изменения будут понятны специалисту в пределах основной идеи настоящего изобретения, определенной в прилагаемой формуле изобретения.Of course, the present invention is in no way limited to the above-described embodiments, but many possibilities for changing it will be clear to a person skilled in the art within the framework of the main idea of the present invention defined in the attached claims.
Термин «пластины», используемый в данном описании применительно к элементам устройства, прижимаемым к противоположным концам пакетов, должен толковаться широко и дополнительно распространяется также на прямоугольные элементы и элементы с различного рода углублениями, выемками и т.п.The term "plate" used in this description with respect to the elements of the device pressed against the opposite ends of the bags should be interpreted broadly and additionally also applies to rectangular elements and elements with various kinds of recesses, recesses, etc.
Claims (19)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010142907/28A RU2440642C1 (en) | 2008-03-20 | 2008-03-20 | Voltage converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010142907/28A RU2440642C1 (en) | 2008-03-20 | 2008-03-20 | Voltage converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2440642C1 true RU2440642C1 (en) | 2012-01-20 |
Family
ID=45785794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010142907/28A RU2440642C1 (en) | 2008-03-20 | 2008-03-20 | Voltage converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2440642C1 (en) |
-
2008
- 2008-03-20 RU RU2010142907/28A patent/RU2440642C1/en active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101243515B1 (en) | A voltage source converter | |
| US9496799B2 (en) | Electrical converter system | |
| US9331595B2 (en) | Multi-level inverter | |
| KR101473515B1 (en) | A voltage source converter | |
| TW201342756A (en) | Converter power unit and bus bar thereof | |
| WO2007113979A1 (en) | Power converter and its assembling method | |
| KR20120025531A (en) | An arrangement for testing a switching cell | |
| EP2755317A1 (en) | Voltage source converter comprising a chain-link converter | |
| US20160261178A1 (en) | Power conversion circuit and device | |
| JP2016208706A (en) | Power conversion device | |
| CN106849717B (en) | Striding capacitance tri-level single electrode current module | |
| CN104081649A (en) | AC/DC multicell power converter for dual terminal hvdc connection | |
| CN102214644A (en) | Power semiconductor device and power conversion system using the device | |
| WO2013149633A1 (en) | A power converter | |
| WO2013135277A1 (en) | A clamped modular power converter | |
| US10164519B2 (en) | Semiconductor stack for converter with snubber capacitors | |
| RU2440642C1 (en) | Voltage converter | |
| US9705418B2 (en) | Power converter with oil filled reactors | |
| RU2446550C1 (en) | Voltage converter | |
| US12003185B2 (en) | Modular switching cell | |
| CN201877833U (en) | Novel high-frequency multilevel static reactive power generator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20180809 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20220311 |