PL196819B1 - Zespół elektrycznych przełączników statycznych zasilanych napięciem stałym - Google Patents

Abstract

1. Zespó l elektrycznych prze laczników sta- tycznych zasilanych napi eciem sta lym, przy czym przelaczniki te maj a posta c co najmniej jednego modu lu tranzystora bipolarnego z izo- lowan a bramk a zamocowanego bezpo srednio do rozpraszacza ciep la, który jest po laczony z zeberkami ch lodz acymi lub innymi podobnymi elementami, znamienny tym, ze miedzy roz- praszaczem (14) ciep la a zeberkami ch lodz a- cymi (0) znajduje si e izolacja (13), a rozpra- szacz (14) ciep la, do którego jest zamocowany co najmniej jeden modu l (10) tranzystora bipo- larnego z izolowan a bramk a, jest przylaczony do wyj scia dzielnika rezystancyjnego (R1, R2), przy czym dzielnik rezystancyjny jest przy la- czony mi edzy zeberkami ch lodz acymi (0) i punk- tem przy lozenia napi ecia zasilania (+Ucat) tego zespo lu przelaczników. PL PL PL PL

Description

RZECZPOSPOLITA POLSKA	(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (21) Numer zgłoszenia: 342138	(11) 196819
(13)	B1
Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej	(22) Data zgłoszenia: 26.01.1999 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: 26.01.1999, PCT/BE99/00011 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 05.08.1999, WO99/39428 PCT Gazette nr 31/99	(51) Int.Cl. H02M 7/00 (2007.01)

(54) Zespół elektrycznych przełączników statycznych zasilanych napięciem stałym (73) Uprawniony z patentu:

ALSTOM BELGIUM S.A.,Charleroi,BE (30) Pierwszeństwo:

28.01.1998,EP,98870015.9 (43) Zgłoszenie ogłoszono:

21.05.2001 BUP 11/01 (72) Twórca(y) wynalazku:

Jean-Emmanuel Masselus, Mont-Sur-Marchienne,BE Alexis Colasse,Jambes,BE Jean-Marie Bodson,Wavre,BE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

29.02.2008 WUP 02/08 (74)

Pełnomocnik:

Grabowska Małgorzata,

SULIMA-GRABOWSKA-SIERZPUTOWSKA, Biuro Patentów i Znaków Towarowych sp.j.

⁽⁵⁷⁾ 1. Zespół elektrycznych przełączników statycznych zasilanych napięciem stałym, przy czym przełączniki te mają postać co najmniej jednego modułu tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką zamocowanego bezpośrednio do rozpraszacza ciepła, który jest połączony z ż eberkami chł odzą cymi lub innymi podobnymi elementami, znamienny tym, że między rozpraszaczem (14) ciepła a żeberkami chłodzącymi (0) znajduje się izolacja (13), a rozpraszacz (14) ciepła, do którego jest zamocowany co najmniej jeden moduł (10) tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką, jest przyłączony do wyjścia dzielnika rezystancyjnego (R1, R2), przy czym dzielnik rezystancyjny jest przyłączony między żeberkami chłodzącymi (0) i punktem przyłożenia napięcia zasilania (+Ucat) tego zespołu przełączników.

PL 196 819 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół elektrycznych przełączników statycznych zasilanych napięciem stałym, przy czym przełączniki te mają postać co najmniej jednego modułu tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką, zamocowanego bezpośrednio do rozpraszacza ciepła, który jest połączony z żeberkami chłodzącymi lub innymi podobnymi elementami.

Przykładami przetwornic napięcia są przerywacze i przekształtniki. Przekształtniki, a w szczególności przekształtniki napięcia służą do zamiany napięcia stałego na napięcie przemienne. Szczególnie ważną dziedziną zastosowania takich przetwornic jest sterowanie prędkością maszyn synchronicznych i asynchronicznych.

Obciążenie, które może być reprezentowane przez każdą fazę silnika synchronicznego lub asynchronicznego, musi być zaopatrywane w napięcie trójfazowe, które jak najdokładniej odpowiada zrównoważonemu sinusoidalnemu napięciu trójfazowemu o zmiennej częstotliwości i amplitudzie. Przekształtnik napięcia jest urządzeniem umożliwiającym osiągnięcie tego celu, które to urządzenie zwykle wykorzystuje układy z komponentami mocy, takimi jak tyrystory, tyrystory przełączające typu GTO itd.

Istnieją przełączniki statyczne, które można określić nazwą „IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - tranzystor bipolarny z izolowaną bramką). Te urządzenia są elementami sterowanymi w takim sensie, ż e w dowolnym momencie w przełączniku możliwe jest uzyskanie żądanego prądu przez przyłożenie odpowiedniego napięcia do jego bramki, podczas gdy w przełącznikach poprzedniej generacji, reprezentowanych na przykład przez tyrystory przełączające lub podobne urządzenia, możliwe jest jedynie wybranie chwili, w której się je włącza lub wyłącza.

To - zgodnie ze stanem techniki, gdy do wytwarzania przekształtników używa się tylko elementów półprzewodników typu GTO - powoduje, że przekształtniki nie mogą być eksploatowane bez odpowiedniego obwodu zabezpieczającego (obwód ograniczający), który pozwala na kontrolowanie nadmiernego napięcia na zaciskach końcowych. Istotnie, bez stosowania takiego zabezpieczenia nastąpiłoby ich uszkodzenie podczas pierwszego przełączenia na skutek nadmiernych napięć indukowanych przez pasożytnicze induktancje przewodów.

Z drugiej jednak strony, w przypadku przełączników zbudowanych z tranzystorów typu IGBT możliwe będzie zrezygnowanie z obwodu zabezpieczającego. Istotnie, przełączając prąd tak szybko, jak to tylko możliwe w celu zredukowania strat i zapobiegnięcia powstawaniu niedopuszczalnych przepięć, dodawanie tych obwodów zabezpieczających będzie niepotrzebne.

Niemniej jednak, aby móc osiągnąć takie warunki i jak najlepiej wykorzystać możliwości tranzystorów typu IGBT, konieczne jest zredukowanie induktancji przewodów do bardzo małych wartości, co jednak jest trudne do osiągnięcia przy stosowaniu takich konwencjonalnych obudów, jakich używa się z elementami pół przewodnikowymi typu GTO.

Tranzystory IGBT stosuje się zwykle w postaci modułów. W praktyce tranzystory IGBT i połączone z nimi przeciwrównolegle diody umieszcza się w tej samej obudowie. Obudowa taka musi być skonstruowana w taki sposób, aby zminimalizowane zostały wewnętrzne induktancje pasożytnicze wewnątrz obudowy i połączenia wewnętrzne mogły być wykonane za pośrednictwem szyny, która do minimum ogranicza pasożytnicze induktancje przewodów.

Zgodnie ze stanem techniki i sytuacją pokazaną na rysunku pos. I, przetwornica napięcia 01 składa się z kilku konwencjonalnych przełączników 52, najlepiej typu GTO, chłodzonych za pomocą izolowanych rurek cieplnych. Izolowane rurki cieplne składają się z sekcji odparowującej 54 działającej jako rozpraszacz ciepła i każda z nich jest połączona rurką 51 z żeberkami chłodzącymi 0.

Przedstawiono zespół poszczególnych przełączników 52 i sekcje odparowujące 54 kolejnych rurek cieplnych. Zespół ten jest ściskany za pomocą odpowiedniego urządzenia 53 (zacisk).

Drugi koniec izolowanych rurek cieplnych 51 jest połączony z żeberkami chłodzącymi 0.

Z tego względu istnieje zapotrzebowanie na urz ądzenie wykorzystujące moduły IGBT, dzię ki czemu zostanie jednocześnie rozwiązany problem izolacji dla napięcia zasilania znacznie większego od napięcia, dla którego przeznaczona jest izolacja modułu IGBT. W chwili obecnej tranzystory IGBT mają izolację przystosowaną do sieci napięcia stałego 1500 V, podczas gdy w niektórych zastosowaniach napięcia sieci zasilającej (Ucat) wynoszą 3000 V.

Odizolowanie modułów należy tak zaprojektować, aby odpowiadało napięciu sieci zasilania, dla którego urządzenie jest przeznaczone. W szczególnej sytuacji diody 3300 V i moduły IGBT mają izolację przystosowaną do sieci o napięciu stałym 1500 V.

PL 196 819 B1

Jednakże w przypadku zastosowania znamionowego stałego napięcia zasilania 3000 V zaobserwowano, że ta izolacja, jak również znamionowe wartości napięcia są niewystarczające. Co się tyczy w szczególności wartości znamionowych napięć, brano już pod uwagę szeregowe łączenie elementów półprzewodnikowych w celu rozwiązania tego problemu.

Łączenie szeregowe półprzewodników rozwiązuje jednak tylko problem znamionowych wartości napięcia, a nie rozwiązuje problemu izolacji modułów IGBT. Aby można było je stosować bez szczególnych zabezpieczeń w sieci napięcia stałego 3000 V, moduły IGBT muszą mieć odpowiadającą takim warunkom izolację.

Istnieje zapotrzebowanie na rozwiązanie problemu niewystarczającej izolacji w przypadku zastosowania izolowanych modułów tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką przeznaczonych dla napięcia zasilającego znacznie niższego od rzeczywistego napięcia zasilania, przy jakim pracuje przetwornica napięcia. W szczególności istnieje zapotrzebowanie na takie rozwiązanie, które umożliwi użycie izolowanych tranzystorów w postaci modułów tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką dla napięcia stałego 1500 V w przypadku, kiedy znamionowe stałe napięcie zasilania wynosi 3000 V.

Ponadto istnieje zapotrzebowanie na urządzenie, które pozwala ograniczyć uszkodzenie przetwornicy napięcia w razie uszkodzenia izolacji w module tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką lub w izolowanym rozpraszaczu ciepła (blok chłodzący) przetwornicy napięcia.

Zgodny z wynalazkiem zespół elektrycznych przełączników statycznych zasilanych napięciem stałym, charakteryzuje się tym, że między rozpraszaczem ciepła a żeberkami chłodzącymi znajduje się izolacja, a rozpraszacz ciepła, do którego jest zamocowany co najmniej jeden moduł tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką, jest przyłączony do wyjścia dzielnika rezystancyjnego, przy czym dzielnik rezystancyjny jest przyłączony między żeberkami chłodzącymi i punktem przyłożenia napięcia zasilania tego zespołu przełączników.

Korzystnie wyjście dzielnika rezystancyjnego ma potencjał pośredni o wartości średniej z potencjału żeberek chłodzących i potencjału napięcia zasilania tego zespołu przełączników.

Ponadto korzystnie żeberka chłodzące są uziemione.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku na tym samym rozpraszaczu ciepł a jest rozmieszczonych kilka modułów tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką stanowiących przełączniki statyczne tego zespołu przełączników.

Korzystnie w tym samym rozpraszaczu ciepła są rozmieszczone naprzeciw siebie dwie pary modułów tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką, przy czym rozpraszacz ciepła ma postać rurek cieplnych z sekcją odparowującą.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku moduły tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką są połączone z ogranicznikiem napięcia szczytowego.

Korzystnie, zespół elektrycznych przełączników statycznych zasilanych napięciem stałym ponadto ma źródło napięcia odniesienia z zewnętrzną końcówką i ma miernik różnicy napięcia pomiędzy napięciem na rozpraszaczu ciepła a napięciem odniesienia włączony pomiędzy rozpraszacz ciepła i zewnę trzną końcówkę ź ródł a napię cia odniesienia.

Korzystnie rozpraszacz ciepła jest połączony z dzielnikiem rezystancyjnym, przy czym źródło napięcia odniesienia stanowi drugi dzielnik rezystancyjny.

Przedmiot wynalazku jest ukazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 i 2 przedstawiają w przekroju schematycznym moduł tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką oraz moduł przetwornicy napięcia, fig. 3 - w widoku perspektywicznym przykład wykonania moduł przetwornicy napięcia według wynalazku, fig. 4 - w widoku perspektywicznym drugi przykład modułu przetwornicy napięcia zawierającego dwa razy po trzy moduły tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką, fig. 5 - zasadę działania i zastosowanie modułów przetwornicy napięcia z izolowanymi rurkami cieplnymi, fig. 6 - urządzenie przeznaczone do wykrywania przebicia izolacji, fig. 7 - ogranicznik napięcia szczytowego, który może współpracować z modułem przetwornicy napięcia pokazanym na fig. 3 i 4, w widoku perspektywicznym.

Jak wspomniano, przetwornice napięcia zbudowane zwykle z przerywaczy (chopper) i przekształtników są urządzeniami wykorzystującymi przełączniki statyczne. Same przełączniki są zbudowane z wielu takich elementów półprzewodnikowych, jak tyrystory, tyrystory przełączające, tranzystory typu IGBT itd.

Zwykle te przetwornice napięcia wymagają stosowania rozpraszaczy ciepła, które odprowadzają ciepło generowane przez pracującą przetwornicę. Sam rozpraszacz ciepła jest połączony w konwencjonalny sposób, np. za pomocą rurek izolowanych, z żeberkami chłodzącymi lub innymi elemen4

PL 196 819 B1 tami spełniającymi taką samą funkcję. Przykłady takich rozpraszaczy ciepła opisano w odniesieniu do fig. 4 i 5.

Figura 1 przedstawia moduł tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką. Ten moduł zwany modułem IGBT zawiera zwykle kilka elementów półprzewodnikowych 21 ułożonych na płycie podstawy 11. W celu odizolowania różnych elementów półprzewodnikowych 21 obwodów sterowania i zacisków przyłączeniowych 4 od płyty podstawy 11 zwykle stosuje się izolację 12.

Jak pokazano na fig. 2 moduł przetwornicy zawiera jeden lub większą liczbę modułów IGBT 10, czyli obudów, przymocowanych do rozpraszacza 14 ciepła, który z kolei jest połączony z żeberkami chłodzącymi 0 pozwalającymi na odprowadzanie ciepła generowanego przez obudowy modułów IGBT podczas pracy przetwornicy napięcia.

Zgodnie z pierwszą ważną cechą wynalazku, na zewnątrz modułu IGBT 10, między żeberkami chłodzącymi 0 a rozpraszaczem 14 ciepła, jest wykonana dodatkowa izolacja 13.

Zgodnie z inną ważną cechą wynalazku, rozpraszacz 14 ciepła, do którego jest przymocowany moduł lub moduły IGBT 10, jest połączony z węzłem elektrycznym mającym potencjał o wartości pośredniej między potencjałem żeberek chłodzących 0, równym zwykle potencjałowi ziemi (0V), a maksymalnym potencjałem napięcia zasilania (+Ucat) przetwornicy napięcia.

To korzystnie pozwala na zapewnienie odpowiedniej izolacji modułów IGBT bez nadmiernego przeciążenia ich własnej izolacji.

Ponadto ta dodatkowa izolacja nie musi zostać dobrana w taki sposób, aby musiała wytrzymywać całe napięcie sieci zasilającej, ale tylko różnicę potencjałów między potencjałem pośrednim i uziemieniem (OV).

Figura 3 przedstawia w widoku perspektywicznym jedną gałąź trójpoziomowego przekształtnika zawierającego dwa razy po dwa moduły IGBT.

Zgodnie z tym przykładem wykonania można zauważyć, że dwie pary modułów IGBT, 101 i 102 z jednej strony oraz 103 i 104 z drugiej strony, są umieszczone naprzeciw siebie i przymocowane do tego samego rozpraszacza 14 ciepła rurki cieplnej, która sama jest izolowana od żeberek chłodzących 0. Taki układ pozwala na łatwy i prosty montaż, który maksymalnie ogranicza zajmowane dotychczas miejsce. Utworzono zatem gałąź przekształtnika trójpoziomowego.

Figura 4 przedstawia w widoku perspektywicznym moduł tworzący dwie gałęzie przekształtnika trójpoziomowego, zawierającego dwa razy po trzy (2x3) moduły IGBT.

Zgodnie z korzystnym przykładem wykonania, trzy pokazane na fig. 4 moduły współpracują z moduł em przerywacza do hamowania rezystorowego (nie pokazanym na rysunku). W przypadku, w którym funkcja hamowania rezystorowego jest niepotrzebna, modu ł przerywacza hamują cego moż na zastąpić ogranicznikiem napięcia 20 szczytowego, takim jak pokazano na fig. 7.

Figura 5 przedstawia zasadę działania urządzenia zgodnego z wynalazkiem w szczególnym przypadku zastosowania modułu przetwornicy napięcia z izolowanymi rurkami cieplnymi, jaki pokazano na fig. 3.

Rozpraszacz ciepła stanowi rozpraszacz w postaci rurek cieplnych, a jego skraplacz, przedstawiony w postaci pewnej liczby żeberek chłodzących 0, jest połączony z potencjałem ziemi, podczas gdy moduły IGBT są przymocowane do rozpraszacza 14 ciepła. Według wynalazku, między tym skraplaczem a rozpraszacza 14 ciepła znajduje się izolacja 13. Rozpraszacz 14 ciepła za pomocą dzielnika rezystancyjnego zostanie przyłączony do napięcia równego połowie wejściowego napięcia przetwornicy napięcia.

Napięcie wyjściowe przetwornicy napięcia zmienia się w zależności od stanu jego przełączników statycznych, z których jest on zbudowany i waha się w zakresie od 0V, które jest najniższym potencjałem modułu przetwornicy napięcia, do Ucat, które jest napięciem zasilania przetwornicy napięcia. Podobnie, również napięcie na końcówkach elementów półprzewodnikowych leży w zakresie między napięciem zasilania Ucat a 0V. Natomiast napięcie przyłożone do izolacji 12 modułów IGBT będzie leżeć w zakresie [-Ucat/2] do [+Ucat/2], a wyrażone w wartości bezwzględnej, między OV a Ucat/2.

Figura 6 przedstawia urządzenie do wykrywania przebicia izolacji. W przypadku przebicia izolacji modułu IGBT lub nawet rurki cieplnej, potencjał sekcji odparowującej rurki cieplnej nie będzie już wyznaczany wyłącznie przez dzielnik rezystancyjny (R1, R2). Będzie on a priori różny od potencjału wyznaczonego przez dzielnik rezystancyjny przed wystąpieniem przebicia. Dlatego wystarczy dokonywać pomiaru wartości potencjału sekcji odparowującej i porównywać ją z wartością teoretyczną, którą będzie wyznaczać np. drugi dzielnik rezystancyjny (R3, R4) o takiej samej charakterystyce, ale

PL 196 819 B1 który nie został połączony z sekcją odparowującą rurki cieplnej, jak to szczegółowo przedstawiono na fig. 5. To pozwoli na łatwe wykrywanie uszkodzenia izolacji.

Figura 7 przedstawia ogranicznik 20 napięcia szczytowego, który może współpracować z jednym lub większą liczbą modułów, takich jakie pokazano na fig. 3 i 4, i ograniczać napięcie na kondensatorze wejściowym. Należy zauważyć, że ten ogranicznik 20 napięcia szczytowego nie ma rozpraszacza ciepła. Został on zastąpiony zwykłą płytą, do której przymocowano poszczególne moduły IGBT. Tę płytę najlepiej połączyć z urządzeniem do ustalania potencjału zgodnie z wynalazkiem.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Zespół elektrycznych przełączników statycznych zasilanych napięciem stałym, przy czym przełączniki te mają postać co najmniej jednego modułu tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką zamocowanego bezpośrednio do rozpraszacza ciepła, który jest połączony z żeberkami chłodzącymi lub innymi podobnymi elementami, znamienny tym, że między rozpraszaczem (14) ciepła a żeberkami chłodzącymi (0) znajduje się izolacja (13), a rozpraszacz (14) ciepła, do którego jest zamocowany co najmniej jeden moduł (10) tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką, jest przyłączony do wyjścia dzielnika rezystancyjnego (R1, R2), przy czym dzielnik rezystancyjny jest przyłączony między żeberkami chłodzącymi (0) i punktem przyłożenia napięcia zasilania (+Ucat) tego zespołu przełączników.
2. 2. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że wyjście dzielnika rezystancyjnego (R1, R2) ma potencjał pośredni o wartości średniej z potencjału żeberek chłodzących (0) i potencjału napięcia zasilania (+Ucat) tego zespołu przełączników.
3. 3. Zespół według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że żeberka chłodzące (0) są uziemione.
4. 4. Zespół według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że na tym samym rozpraszaczu (14) ciepła jest rozmieszczonych kilka modułów (10) tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką stanowiących przełączniki statyczne tego zespołu przełączników.
5. 5. Zespół według zastrz. 4, znamienny tym, że na tym samym rozpraszaczu (14) ciepła są rozmieszczone naprzeciw siebie dwie pary modułów (101, 102 i 103, 104) tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką, przy czym rozpraszacz (14) ciepła ma postać rurek cieplnych z sekcją odparowującą.
6. 6. Zespół według zastrz. 4, znamienny tym, że moduły (10) tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką są połączone z ogranicznikiem (20) napięcia szczytowego.
7. 7. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto ma źródło napięcia odniesienia z zewnętrzną końcówką i ma miernik różnicy napięcia pomiędzy napięciem na rozpraszaczu (14) ciepła a napięciem odniesienia włączony pomiędzy rozpraszacz ciepła (14) i zewnętrzną końcówkę źródła napięcia odniesienia.
8. 8. Zespół według zastrz. 7, znamienny tym, że rozpraszacz (14) ciepła jest połączony z dzielnikiem rezystancyjnym (R1, R2), przy czym źródło napięcia odniesienia stanowi drugi dzielnik rezystancyjny (R3, R4).