RU2818375C1 - Преобразователь напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи высокоавтоматизированного беспилотного грузового транспортного средства в низковольтное напряжение постоянного тока для бортовой сети с защитой ключей - Google Patents
Преобразователь напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи высокоавтоматизированного беспилотного грузового транспортного средства в низковольтное напряжение постоянного тока для бортовой сети с защитой ключей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2818375C1 RU2818375C1 RU2023121701A RU2023121701A RU2818375C1 RU 2818375 C1 RU2818375 C1 RU 2818375C1 RU 2023121701 A RU2023121701 A RU 2023121701A RU 2023121701 A RU2023121701 A RU 2023121701A RU 2818375 C1 RU2818375 C1 RU 2818375C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- board
- converter
- power
- input
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims abstract description 6
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 9
- 208000025247 virus-associated trichodysplasia spinulosa Diseases 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к преобразователю напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи высокоавтоматизированного беспилотного транспортного средства в низковольтное напряжение постоянного тока для бортовой сети с защитой ключей. DC-DC преобразователь содержит силовые ключи и располагается внутри влагозащищенного корпуса. В качестве силовых ключей используются высокочастотные силовые полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC). Транзисторы припаяны своими теплоотводами (сток) на сквозную металлизацию силовой платы и через припаянную к плате с обратной стороны изолирующую керамическую подложку с металлизацией обеспечивают теплоотвод непосредственно на поверхность одной из сторон влагозащищенного корпуса. Корпус является теплообменным радиатором. Внутри влагозащищенного корпуса установлены трансформатор, дроссели и универсальные платы системы управления с встроенными измерителями параметров схемы и CAN-интерфейсом для обмена данными с устройством верхнего уровня. Измерители параметров схемы служат для измерения входного/выходного тока, входного/выходного напряжения, температуры ключей и моточных компонентов. Достигается уменьшение массогабаритных показателей изделия, обеспечивается эффективный теплоотвод и высокая устойчивость к механическим воздействиям. 4 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразовательной технике высоких степеней защиты от различных воздействий, которые присутствуют в движущемся беспилотном высокоавтоматизированном электрическом грузовом транспортном средстве (ВАТС), более конкретно к DC-DC преобразователям для преобразования напряжения тяговой аккумуляторной батареи беспилотного высокоавтоматизированного транспортного средства в стабилизированный уровень напряжения для питания бортовой сети 24 Вольта, посредством которой осуществляется поддержание работы слаботочных бортовых потребителей.
Уровень техники
Из уровня техники известно большое количество различных видов преобразователей постоянного напряжения в постоянное с различной топологией, схемотехникой и техническими решениями, обеспечивающими различные особенные уровни защиты в тяжелых условиях применения преобразователей. Решение создания специализированного DC-DC преобразователя, посредством которого осуществляется поддержание работы слаботочных бортовых потребителей ВАТС, имеет ряд преимуществ перед аналогами.
Известно устройство конвертер напряжения для преобразования постоянного напряжения в постоянное (RU 2675726 С1, B60L 1/00, опубл. 24.12.2018), содержащее дроссель и систему управления, к которой подключены контактор и устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения на входе конвертора. Конвертор дополнительно содержит две преобразовательные ячейки, включенные последовательно по входу и последовательно с дросселем, преобразовательные ячейки выполнены по двухступенчатой схеме.
Недостатком данного решения является использование большого количества силовых полупроводниковых приборов и моточных элементов, что усложняет систему управления, уменьшает частоту преобразования и увеличивает массо-габаритные показатели как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом, в результате чего устройство имеет ограниченное применение на транспорте, а именно в условиях транспортных воздействий, возникающих на раме движущегося колесного транспортного средства на дорогах общего пользования.
Известен преобразователь напряжения с защитой ключей (RU 2549526 С2, G05F 1/00, опубл. 27.04.2015), содержащий датчики тока и напряжения, контактор, силовой транзистор, включенный последовательно с контактом контактора и шунтированный резистором, повышающий регулятор на основе двух силовых ключей и двух диодов, DC/DC преобразователь на основе полумоста и двух последовательно включенных конденсаторов, силового трансформатора, выходного выпрямителя, нагруженного на емкость и нагрузку, а также устройство управления.
Недостатками данного технического решения является наличие большого количества силовых ключей, механических контакторов и большого количества измерителей токов и напряжений, что требует также наличия дополнительной вычислительной мощности и усложнения системы управления для сбора, анализа данных и выработки управляющих воздействий.
Известен статический преобразователь для железнодорожного транспорта (RU 2762338 C1, H02M3/337, опубл. 20.12.2021), принятый за прототип, имеющий возможность работать в режиме обратного преобразования, содержащий конденсатор на входе с подключенным к нему дросселем, к выходу которого подключены два соединенных последовательно повышающих преобразователя, нагруженных каждый на свой полумостовой инвертор напряжения, при этом каждый из этих преобразователей и подключенный к нему инвертор напряжения выполнены из IGBT-модулей и силовых конденсаторов, причем каждый силовой ключ полумоста инвертора напряжения состоит, по меньшей мере, из двух последовательно соединенных IGBT-модулей, кроме того, между повышающим преобразователем и инвертором расположены последовательно резонансный конденсатор, резонансный дроссель и первичная обмотка высоковольтного трансформатора, образующие последовательный резонансный контур, вторичная обмотка этого трансформатора подключена в диагональ мостовой схемы, к выходу которой подключен силовой конденсатор.
Недостатком данного решения является избыточная функциональность в виде возможности обратного преобразования, что влечет за собой использование большого количества силовых полупроводниковых приборов и моточных элементов, что усложняет систему управления, уменьшает частоту преобразования и увеличивает массо-габаритные показатели как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом, в результате чего устройство имеет ограниченное применение на транспорте, а именно в условиях транспортных воздействий, возникающих на раме движущегося колесного транспортного средства на дорогах общего пользования.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание преобразователя напряжения DC-DC с защитой ключей для беспилотного высокоавтоматизированного электрического грузового транспортного средства, а именно для питания бортовой сети потребителей беспилотного ВАТС, который способен выдерживать воздействия, возникающие на раме движущегося колесного транспортного средства.
Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение потребительских качеств устройства за счет уменьшения массо-габаритных показателей изделия и обеспечения требуемого функционала, что, в свою очередь, достигается повышением частоты преобразования, без использования сложных схем преобразования и защиты, с одновременным обеспечением особого дизайна конструкции, который обеспечивает эффективный теплоотвод и высокую устойчивость к механическим воздействиям.
Вышеприведенный технический результат достигается при помощи заявленного преобразователя напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи высокоавтоматизированного беспилотного транспортного средства в низковольтное напряжение постоянного тока для бортовой сети с защитой ключей, содержащего силовые ключи, располагающиеся внутри влагозащищенного корпуса, в качестве которых используются высокочастотные силовые полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC), которые, в свою очередь, припаяны своим теплоотводом (сток) на сквозную металлизацию силовой платы и через припаянную к плате с обратной стороны изолирующую керамическую подложку с металлизацией обеспечивают теплоотвод непосредственно на поверхность одной из сторон влагозащищенного корпуса, который является теплообменным радиатором, кроме того, внутри влагозащищенного корпуса установлены трансформатор, дроссели и универсальные платы системы управления со встроенными измерителями параметров схемы (входного/выходного тока, входного/выходного напряжения, измерителями температуры ключей и моточных компонентов) и CAN-интерфейсом для обмена данными с устройством верхнего уровня.
Заявленное техническое решение позволяет контролировать и отслеживать основные параметры состояния каждого силового элемента преобразователя, обеспечивать стабилизированным уровнем электропитания все бортовые потребители ВАТС. Применяемые технические решения по моточным компонентам и по дизайну теплоотвода позволяют эффективно отвести тепло от элементов преобразователя, одновременно обеспечивая высокие степени защиты от атмосферных воздействий, химических воздействий и механических воздействий в виде вибрации.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, где:
1 - аккумуляторная батарея ВАТС;
2 - источник собственных нужд;
3 - входной дроссель;
4 - выходной дроссель;
5 - входной конденсатор;
6 - выходной конденсатор;
7 - силовые транзисторы со встроенными обратными диодами;
8 - силовой диод;
9 - входной датчик тока;
10 - выходной датчик тока;
11 - датчики температуры;
12 - плата драйверов;
13 - плата управления;
14 - трансформатор;
15 - нагрузка.
На фиг. 2 показан способ крепления транзисторов внутри корпуса преобразователя, где:
16 - корпус силового транзистора;
17 - диэлектрические подложки.
В данном преобразователе использовались карбид-кремниевые транзисторы поверхностного монтажа. Они напаиваются на верхнюю часть силовой платы. Для достижения достаточного теплоотвода от силовых транзисторов, были использованы диэлектрические подложки из нитрида алюминия с медным напылением с одной стороны (фиг. 2).
На фиг. 3 изображены диэлектрические подложки из нитрида алюминия с медным напылением
Данный материал обладает высокими диэлектрическими и эксплуатационными свойствами, а медное напыление позволяет напаять эти подложки напрямую на медный полигон, на нижней стороне платы, который соединен теплопроводящими переходными отверстиями с верхней стороной (фиг. 3).
На фиг. 4 изображены подложки, напаянные на медный полигон, на нижней стороне платы.
Осуществление изобретения
Импульсный DC/DC преобразователь представляет собой устройство, которое преобразует входное постоянное напряжение в диапазоне от 335 до 370 В, в пониженное постоянное выходное напряжение в диапазоне от 21 до 30 В.
Питающее напряжение поступает на вход преобразователя от аккумуляторной батареи ВАТС (1). Источник собственных нужд (2) питает плату драйверов (12) и плату управления (13). Плата управления (13) формирует прямоугольные противофазные импульсы управления для силовых транзисторов со встроенными обратными диодами (7), установленными по диагонали. Плата драйверов (12) усиливает импульсы управления по току и напряжению, которые поступают на затворы транзисторов, относительно истоков. Входной дроссель (3) и входной конденсатор (5) образуют входной Г-образный фильтр для уменьшения пульсаций во входном напряжении. Силовые транзисторы со встроенными обратными диодами (7) преобразуют постоянное напряжение в высокочастотное переменное, которое поступает на вход трансформатора (14). Трансформатор (14) понижает напряжение, после чего оно выпрямляется быстровосстанавливающимися силовыми диодами (8). Выходной дроссель (4) и выходной конденсатор (6) образуют выходной Г-образный фильтр для сглаживания выпрямленного напряжения. Датчики тока (9) и (10) формируют сигналы о входном и выходном токе преобразователя. Датчики температуры (11) формируют сигналы о температуре силовых транзисторов (7) и диодов (8). После выходного Г-образного фильтра напряжение поступает на нагрузку (15), которой является бортовая сеть 24 В ВАТС.
Отсутствие других компонентов на одной стороне силовой платы, кроме диэлектрических подложек (17), позволяет сделать тепловой контакт подложек (17) и радиатора, тем самым осуществив эффективный теплообмен между кристаллами силовых транзисторов через корпус силового транзистора (16) и окружающей средой. Такой подход является более технологичным с точки зрения массового производства и более эффективным по теплопередаче, чем обычный способ крепления транзисторов к радиатору.
Кроме того, способ охлаждения, описанный выше, позволяет улучшить массогабаритные показатели и эксплуатационные характеристики преобразователя, а применение карбид-кремниевых транзисторов увеличивает коэффициент полезного действия (КПД) всего устройства.
Применение универсальной системы управления (плата драйверов и плата управления), позволяет масштабировать мощность и функционал базового устройства.
Обмен с устройствами верхнего уровня осуществляется по интерфейсу CAN, который является надежным протоколом обмена данных для автомобильных применений.
Корпус данного устройства выполнен во влагозащищенном корпусе из алюминия, по стандарту IP-67. Это обеспечивается благодаря крышке, которая фиксируется винтами к стенкам корпуса, а по ее периметру проложен резиновый шнур, предотвращающий попадание влаги внутрь. Также на корпусе установлены специальные влагозащищенные разъемы.
За счет воздушного охлаждения допускается любая пространственная ориентация блока, что добавляет гибкости в размещении на транспортных средствах.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на любых наземных беспилотных ВАТС.
Claims (1)
- Преобразователь напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи высокоавтоматизированного беспилотного транспортного средства в низковольтное напряжение постоянного тока для бортовой сети с защитой ключей, содержащий силовые ключи, располагающиеся внутри влагозащищенного корпуса, в качестве которых используются высокочастотные силовые полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC), которые, в свою очередь, припаяны своим теплоотводом (сток) на сквозную металлизацию силовой платы и через припаянную к плате с обратной стороны изолирующую керамическую подложку с металлизацией обеспечивают теплоотвод непосредственно на поверхность одной из сторон влагозащищенного корпуса, который является теплообменным радиатором, кроме того, внутри влагозащищенного корпуса установлены трансформатор, дроссели и универсальные платы системы управления с встроенными измерителями параметров схемы - входного/выходного тока, входного/выходного напряжения, измерителями температуры ключей и моточных компонентов и CAN-интерфейсом для обмена данными с устройством верхнего уровня.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2818375C1 true RU2818375C1 (ru) | 2024-05-02 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7535707B2 (en) * | 2005-11-17 | 2009-05-19 | Rackable Systems, Inc. | Power supply cooling system |
| JP2010252461A (ja) * | 2009-04-14 | 2010-11-04 | Denso Corp | 電力変換装置 |
| US10314209B2 (en) * | 2011-05-05 | 2019-06-04 | Clean Wave Technologies, Inc. | Systems and methods for cooling of power electronic devices |
| RU2762338C1 (ru) * | 2021-07-08 | 2021-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Горизонт" | Статический преобразователь напряжения |
| DE102022201016A1 (de) * | 2022-02-01 | 2023-08-03 | Zf Friedrichshafen Ag | Leistungsmodul für einen Stromrichter mit optimierten Signalpins |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7535707B2 (en) * | 2005-11-17 | 2009-05-19 | Rackable Systems, Inc. | Power supply cooling system |
| JP2010252461A (ja) * | 2009-04-14 | 2010-11-04 | Denso Corp | 電力変換装置 |
| US10314209B2 (en) * | 2011-05-05 | 2019-06-04 | Clean Wave Technologies, Inc. | Systems and methods for cooling of power electronic devices |
| RU2762338C1 (ru) * | 2021-07-08 | 2021-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Горизонт" | Статический преобразователь напряжения |
| DE102022201016A1 (de) * | 2022-02-01 | 2023-08-03 | Zf Friedrichshafen Ag | Leistungsmodul für einen Stromrichter mit optimierten Signalpins |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lu et al. | A high power-density and high efficiency insulated metal substrate based GaN HEMT power module | |
| US7295448B2 (en) | Interleaved power converter | |
| US7289329B2 (en) | Integration of planar transformer and/or planar inductor with power switches in power converter | |
| US8094475B2 (en) | Inverter with asymmetric clocking and thermally isolated modules | |
| US8400775B2 (en) | Capacitor with direct DC connection to substrate | |
| CN111357182A (zh) | 电子电路装置 | |
| JP6169181B2 (ja) | Ｄｃ−ｄｃコンバータ装置 | |
| EP3404819B1 (en) | Power converter | |
| CN107769555B (zh) | 具有在一侧之上的至少五个电连接部的功率转换器 | |
| Kreutzer et al. | Full SiC DCDC-Converter with a Power Density of more than 100kW/dm3 | |
| WO2017005505A1 (en) | High power density inverter (ii) | |
| Su et al. | Design and evaluation of a 6.6 kW GaN converter for onboard charger applications | |
| US8675379B2 (en) | Power converting apparatus having improved electro-thermal characteristics | |
| US20220304184A1 (en) | Inverter of compact design | |
| CN102396141B (zh) | 电源装置 | |
| Yan et al. | Packaging a top-cooled 650 V/150 A GaN power modules with insulated thermal pads and gate-drive circuit | |
| US10361628B2 (en) | Power converter | |
| RU2818375C1 (ru) | Преобразователь напряжения высоковольтной аккумуляторной батареи высокоавтоматизированного беспилотного грузового транспортного средства в низковольтное напряжение постоянного тока для бортовой сети с защитой ключей | |
| Xue et al. | Modular design of receiver side power electronics for 200 kW high power dynamic wireless charging system | |
| Yano et al. | Development of compact power control unit for HEVs | |
| US8669648B2 (en) | Power semiconductor module | |
| JP2019088137A (ja) | 電力変換装置 | |
| RU2812066C1 (ru) | Трёхфазный преобразователь напряжения с защитой ключей для беспилотного высокоавтоматизированного электрического грузового транспортного средства | |
| JP2020092518A (ja) | 電力変換装置 | |
| JP2011188715A (ja) | Ｄｃ／ｄｃコンバータ |