SK10392000A3 - Výkonový menič - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Tento vynález sa týka zariadenia typu výkonový menič alebo meničový modul, ktoré sú tvorené statickými spínačmi a ktoré obsahujú celok z polovodičov. Ako príklady niektorých meničov môžeme uviesť prerušovače a striedače.

Doterajší stav techniky

Striedače ( a zvlášť striedače napätia) poskytujú striedavé napätie z jednosmerného napätia.

Striedače sa využívajú obzvlášť pri riadení otáčok synchrónnych alebo asynchrónnych strojov.

V tomto prípade je nutné poskytnúť náboju, ktorý môže byt' predstavovaný každou fázou synchrónneho alebo asynchrónneho motora, trojfázový systém napätia, ktorý bude najbližší trojfázovému sínusoidovému vyváženému systému premenenému vo frekvencii a amplitúde. Striedač napätia je zariadenie, ktoré toto umožňuje, a používa zapojenie silových prvkov ako sú tyristory, GTO atď.

Nejakú dobu už existujú nové typy spínacích prvkov, ktoré môžeme definovať slovom „IGBT“ (Insulated Gate Bipolar Transistor). Jedná sa o riaditeľné súčiastky v tom zmysle, že môžeme v ľubovolnom okamžiku pripojiť do spínača požadovanú hodnotu prúdu za súčasného nastavenia napätia na riadiacej mriežke. Pri spínačoch starej generácie, z ktorých GTO alebo spínače im podobné, však môžeme iba zvoliť okamžik ich zopnutia a vypnutia.

To znamená, že v doterajších technológiách sa striedače, obsahujúce iba polovodiče typu GTO, nemôžu použiť bez ochranného prídavného obvodu (obvod snubber). Tento obvod umožňuje riadiť prepätie na ich svorkách. Keby sa tento obvod nepoužil, boli by striedače zničené pri prvom zopnutí kvôli indukovaným prepätiam, spôsobeným parazitnými indukčnosťami káblového vedenia.

V prípade spínačov tvorených z polovodičov IGBT sa naopak môžeme zaobísť bez ochranného obvodu. Keď totiž budeme čo možno najrýchlejšie spínať prúd (čím sa znížia straty), a keď sa vyhneme vzniku nežiadúcich prepätí, potom nebude nutné pripojiť tento ochranný obvod.

Pokiaľ však chceme dosiahnuť tieto hodnoty a pritom maximálne využiť súčiastku IGBT je nutné, aby hodnoty indukčnosti káblového vedenia boli veľmi slabé. Pri bežných puzdrách (napr. puzdra pre polovodiče typu GTO) je to však ešte stále obtiažne uskutočniteľné.

IGBT polovodiče sú obvykle usporiadané v podobe modulov. V praxi to znamená, že sa do rovnakého puzdra umiestni IGBT polovodiče a ich antiparalelná dióda. Stavba puzdra musí byť taká, aby naviac minimalizovala vnútornú parazitnú indukčnosť vnútri puzdra, a aby umožnila vnútorné spojenie „bus barem“, čím sa zminimalizuje parazitná indukčnosť káblového vedenia.

V súčasných technológiách vyhotovenia obsahujú tieto moduly vlastný podklad slúžiaci na mechanické prichytenie na chladič. Podklad je elektricky izolovaný od polovodičov a teda taktiež od pripojovacích svoriek príkonu a ovládania. Týmto spôsobom môže byť modul pripevnený na chladič, ktorý je pripevnení na kostru.

Izolácia modulov musí zodpovedať napätiu napájacej siete, pre ktorú bola predtým navrhnutá. Vo zvláštnom prípade sú teraz IGBT moduly a diódy (3300 V) vybavené izoláciou prispôsobenou sieťam 1500 VDC.

Hoci v prípade použitia nominálneho napájacieho napätia 3000 VDC sú však tieto izolácie a aj udržanie napätia nedostačujúce. Uvažovalo sa o sériovom zapojení polovodičov, ktoré by pomohlo odstrániť hlavne problém spojený s udržaním napätia.

Sériové zapojenie polovodičov však rieši len problém udržania napätia a nie problém izolácie IGBT modulov. Aby mohli byť IGBT moduly použité na sieti 3000 VDC bez zvláštnych opatrení, mali by byť vybavené na to určenou izoláciou.

Podstata vynálezu

Prvým cieľom tohto vynálezu je snaha vyriešiť problém nedostatočnej izolácie pri použití izolovaných IGBT modulov pre napájacie napätie zreteľne nižšie ako skutočné napájacie napätie, pri ktorom menič funguje. Vynález sa zvlášť snaží navrhnúť taký výkonový menič, ktorý by umožnil použitie izolovaných IGBT pre napätie 1500 VDC v prípade nominálneho napájacieho napätia 3000 VDC.

Druhým cieľom vynálezu je snaha navrhnúť také zariadenie, ktoré by umožnilo obmedziť poškodenie výkonového meniča v prípade poruchy izolácie IGBT modulu alebo chladiaceho bloku, izolovaného od tohto výkonového meniča.

Tretím cieľom vynálezu je stanoviť spôsob zistenia závady izolácie modulu IGBT alebo chladiaceho bloku, izolovaného od výkonového meniča.

Ďalšie ciele a výhody sa objavia v nasledujúcej popisnej časti.

Vynález sa vzťahuje na výkonový menič, akým je napríklad striedač napätia napájaný jednosmerným napájacím napätím (Ucat). Tento menič sa skladá zo statických spínačov typu IGBT a je zostavený tak, že ho tvorí aspoň jeden IGBT modul, ktorý je priamo pripevnený na chladiaci blok. Tento chladiaci blok je spojený s rebrami alebo podobnými prvkami. Menič sa vyznačuje tým, že chladiaci blok a rebra sú izolované a že chladiaci blok, na ktorom sú upevnené modul či moduly IGBT, je spojený so stredným potenciálom rebier a vysokým bodom napájacieho napätia (Ucat) výkonového meniča.

Môžeme jednoducho uvažovať o umiestnení niekoľkých IGBT modulov na ten istý chladiaci blok, ktorý bude izolovaný od rebier.

Podľa uprednostneného spôsobu vyhotovenia zaistí nastavenie do stredného potenciálu odporový delič.

Podľa jedného zvlášť uprednostneného spôsobu vyhotovenia sa napr. s IGBT modulmi spojí amplitúdový obmedzovač, ktorý umožní obmedziť napätie v prípade prepätia.

Tento vynález sa taktiež týka spôsobu zistenia závady izolácie IGBT modulu alebo chladiaceho bloku, vyznačujúci sa tým, že stredný potenciál získame cez sériovo zapojený zdroj napätia s impedanciou; tento potenciál sa meria a porovnáva so svojou teoretickou hodnotou.

Prehľad obrázkov na výkrese

Obr. 1 predstavuje perspektívny pohľad na príklad modulu výkonového meniča, ktorý používajú doterajšie technológie.

Obr.2a a 2b predstavujú schematický rez IGBT modulom, ako i modulom výkonového meniča podľa tohto vynálezu.

Obr.3 predstavuje perspektívny pohľad na jeden možný príklad vyhotovenia modulu výkonového meniča podľa toto vynálezu.

Obr.4 predstavuje perspektívny pohľad druhého spôsobu vyhotovenia modulu výkonového meniča obsahujúceho 2x3 IGBT.

Obr.5 zobrazuje princíp činnosti a použitie na moduly s izolovanými tepelnými trubicami.

Obr.6 predstavuje zariadenie určené na zisťovanie porušenia izolácie.

Obr.7 predstavuje perspektívny pohľad modulom s amplitúdovým obmedzovačom, ktorý môžeme pripojiť k modulu výkonového meniča, znázornenému na obr.3 a 4.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Ako už bolo spomínané, výkonové meniče, predstavované obvykle prerušovačmi a striedačmi, sú zariadenia využívajúce statické spínače. Tieto spínače sú tvorené súborom polovodičov ako sú tyristory, GTO, IGBT atď.

Tieto výkonové meniče bežne vyžadujú použitie chladiaceho bloku, aby dochádzalo k odvádzaniu tepla vytvoreného meničom počas jeho činnosti. Tento chladiaci blok je klasicky spojený (poprípade izolovanými trubicami) s rebrami alebo každým iným systémom s rovnakou funkciou. Príklady takýchto chladičov sú znázornené na obrázkoch 4 a 5.

V doterajších technológiách ( a ako je jasné zobr.l) je menič tvorený pomocou niekoľkých klasických spínačov 52, ( najlepšie typu GTO), ktoré sú chladené izolovanými tepelnými trubicami. Izolované tepelné trubice obsahujú jeden odpaľovací blok 54, slúžiaci ako chladiaci blok; každý tento blok je spojený pomocou trubice 5i so sústavou rebier 0.

Na obrázku môžeme vidieť zoskupenie rôznych spínačov 52 a odpaľovacích blokov 54 po sebe nasledujúcich tepelných trubíc; všetko je udržované pod tlakom pomocou zariadenia 53 (clamp).

Druhý koniec izolovaných tepelných trubíc 5i je spojený so sústavou rebier, ktoré sú schématicky znázornené bodom 0.

Tento vynález sa snaží navrhnúť také zariadenie, ktoré by využívalo IGBT moduly, a pritom by umožňovalo vyriešiť problém týkajúci sa udržania izolácie pre napájacie napätie výrazne vyššie ako napätie, pre ktoré je izolácia IGBT modulu určená. Zatiaľ majú IGBT súčiastky izoláciu prispôsobenú sieti 1500 VDC, zatiaľ čo v určitých aplikáciách používame napätie napájacej siete (Ucat) 3000 VDC.

Obr.2a predstavuje schému princípu IGBT modulu, ktorý bežne obsahuje niekoľko polovodičov 21 rozmiestnených na podklade 11. Izolácia 12 obyčajne izoluje rôzne polovodiče 21 a svorky ovládania 4 a pripojenia podkladu 11.

Obr.2b predstavuje schematický rez modulom meniča podľa tohto vynálezu, ktorý obsahuje jeden alebo viac modulov alebo IGBT puzdier K), spojených s chladiacim blokom

14. Chladiaci blok 14 je napojený na rebrá 0, čím dochádza k odvádzaniu nadbytočného tepla, vzniknutého pri činnosti IGBT puzdier.

Prvý významný rys tohto vynálezu spočíva v tom, že medzi rebrami 0 a chladiacim blokom 14 je navrhnutá dodatočná vonkajšia izolácia J_3 IGBT modulu H).

Iná dôležitá charakteristika tohto vynálezu spočíva v tom, že chladiaci blok 14, na ktorom sú pripojené IGBT modul či moduly 10, je spojený so stredným potenciálom medzi potenciálom rebier 0 (obyčajne kostra - 0V) a vysokým potenciálom napájania meniča výkonu (+ Ucat).

To umožňuje výhodne zaistiť izoláciu IGBT modulov bez toho, aby pritom ich vlastná izolácia bola prehnane namáhaná.

Táto dodatočná izolácia naviac nemusí vydržať celé napätie napájacej siete, postačí aby vydržala potenciálny rozdiel medzi stredným potenciálom a kostrou ( 0V ).

Obr.3 predstavuje perspektívny pohľad jednej vetvy troj úrovňového striedača obsahujúceho 2x2 IGBT moduly.

Pri tomto spôsobe vyhotovenia pozorujeme, že dva páry IGBT modulov (101., 102 na jednej strane a 103. 104 na druhej strane) sú k sebe obrátené, a že sú pripojené na rovnaký odparovací blok j_4 tepelnej trubice, ktorý je izolovaný od sústavy rebier 0. Toto rozmiestnenie umožňuje rýchlu a jednoduchú montáž, čo naviac zefektívňuje využitý priestor. Tento modul tvorí jednu vetvu troj úrovňového striedača.

Obr.4 predstavuje perspektívny pohľad modulu tvoriaceho dve vetvy troj úrovňového striedača obsahujúceho 2x3 IGBT moduly.

Podľa tohto uprednostneného spôsobu vyhotovenia pripojíme tri moduly, znázornené na obr.4, na modul prerušovača odporového elektrického brzdenia (neznázornený). V prípade, kedy použitie odporového elektrického brzdenia nie je nutné, môžeme nahradiť modul prerušovača brzdenia modulom amplitúdového obmedzovača, ktorý je znázornený na obr.7.

Obr.5 popisuje zvláštny prípad princípu fungovania zariadenia podľa tohto vynálezu, kedy sa použije modul výkonového meniča s izolovanými tepelnými trubicami. Príklad takéhoto modulu je znázornený na obr.3.

Chladič predstavuje tepelné trubice; jeho kondenzátor, tvorený sériou rebier 0, je nastavený do potenciálu uzemňovacej časti, zatiaľ čo IGBT moduly sú spojené s vyparovacím blokom 14. Tento vynález počíta s izoláciou 13 medzi kondenzátorom 0 a vyparovacím blokom H. Odporový delič bude udržovať vyparovací blok H v napätí, ktoré bude mať polovičnú hodnotu vstupného napätia výkonového meniča.

Napätie na výstupe meniča sa mení v závislosti na stave statických spínačov, ktoré ho tvoria. Pohybuje sa medzi 0, čo je nízky potenciál meniča, a trolejovým napätím U, ktoré predstavuje napájacie napätie meniča. Rovnako sa tak napätie svoriek polovodičov pohybuje medzi napájacím napätím meniča Ucat a 0. Naopak napätie priložené na izolácii JJ IGBT modulu sa bude pohybovať medzi (-Ucat/2) a (+Ucat/2) a jeho absolútna hodnota bude v rozmedzí medzi 0 a Ucat/2.

Obr.6 ukazuje, ako môžeme zistiť porušenie izolácie. V prípade porušenia izolácie IGBT modulu ( alebo dokonca tepelnej trubice) už nebude potenciál odparovača tepelnej trubice určený iba odporovým deličom (Rl, R2). Logicky sa bude odlišovať od potenciálu získaného odporovým deličom pred porušením izolácie. Na to stačí zmerať hodnotu potenciálu odparovača a porovnať ju s jej teoretickou hodnotou, ktorú získame napr. pri použití odporového deliča (R3, R4) s rovnakými vlastnosťami, ktorý však nebude spojený s odparovačom tepelnej trubice. Podrobne túto situáciu znázorňuje obr.5. Takto ľahko zistíme porušenie izolácie.

Obr.7 predstavuje modul amplitúdového obmedzovača, ktorý môžeme pripojiť na jeden či viac modulov, ktoré sú znázornené na obrázkoch 3 a 4, čím sa obmedzí napätie na vstupnom kondenzátore.

Je vhodné poznamenať, že tento amplitúdový obmedzovač nemá chladič. Chladič je nahradený jednoduchou doštičkou, s ktorou sú spojené rôzne IGBT moduly. Táto doštička je výhodne pripojená k zariadeniu podľa tohto vynálezu, ktoré nastavuje hodnotu potenciálu.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Výkonový menič napájaný jednosmerným napájacím napätím (Ucat), ktorý sa skladá zo statických spínačov typu IGBT, je zostavený v podobe aspoň jedného IGBT modulu (10), priamo spojeného schladiacim blokom (14), ktorý je napojený na sústavu rebier (0) alebo podobnú sústavu, vyznačujúci sa tým, že chladiaci blok (14) a rebrá (0) sú od seba izolované (13) a tým, že chladiaci blok (14) napojený na IGBT modul(y) (10), je spojený so stredným potenciálom medzi potenciálom rebier (0) a vysokým bodom napájacieho napätia (+Ucat) výkonového meniča.
2. 2. Výkonový menič podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že nastavenie do stredného potenciálu chladiaceho bloku (14) je prevedené na priemernú hodnotu potenciálu rebier (0) a vysokého bodu napájacieho napätia výkonového meniča (+Ucat).
3. 3. Výkonový menič podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že rebrá (0) sú spojené s kostrou.
4. 4. Výkonový menič podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že nastavenie do stredného potenciálu chladiaceho bloku (14) zaisťuje odporový delič (R1,R2).
5. 5. Výkonový menič podľa jedného z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že niekoľko IGBT modulov (10) tvoriacich statické spínače meniča sú umiestnené na rovnakom chladiacom bloku (14).
6. 6. Výkonový menič podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že na rovnakom chladiacom bloku (14) sú umiestnené dva páry IGBT modulov (101, 102 a 103, 104), ktoré sú dva a dva navzájom obrátené k sebe; chladiaci blok (14) je odpaľovacím blokom tepelnej trubice.

   ?Μ 4θΊΛ -Qooo

   Ί. Výkonový menič podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že klGBT modulom (10) pripojíme amplitúdový obmedzovač napätia (20).
7. 8. Spôsob zistenia poruchy izolácie výkonového meniča podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že sa zmeria hodnota stredného potenciálu, ktorú najlepšie získame odporovým deličom (Rl, R2), a porovná sa so svojou teoretickou hodnotou, získanou najlepšie pomocou iného odporového deliča R3, R4).