Полупроводниковый блок

 

Использование: в вентильных блоках преобразовательных устройств индукционных установок, выполненных на базе инверторов со встречно-параллельными диодами. Сущность изобретения: устройство содержит параллельные транспортные и диодные столбы , объединенные между собой общими охладителями, выполняющими также роль токоподводов и токопроводящих перемычек между тиристорами и диодами . Охладители снабжены теплопроводящими пластинами, закрепленными на охладителях для размещения на них оборудования и элементов функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями. Прижимной механизм выполнен в виде струбцины и закрепленного на ее основании центрирующего элемента, выполненного из электроизоляционного материала . 8 ил. I (Л с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) И1)5 Н О1 L 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (Z1) 4802511/07 (22) 15.03,90 . (46) 30.05.92. Бюл. М 20 (71) Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) В.И.Иарон, А.К.Белкин, 8.3.Дель и F.,Н,Клименков (53) 621.314.632(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР и 1191991, кл. Н 01 I. 25/02, 1983.

Авторское свидетельство СССР

И 1372426, кл. H 01 1. 25/02, 1986, 1 (4) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ БЛОК (57) Использование: в вентильных блоках преобразовательных устройств индукционных установок, выполненных на базе инверторов со встречно-паИзобретение относится к преобразовательной технике и может найти широкое применение при конструиро" с. вании полупроводниковых блоков преобразовательных устройств индукционных установок, выполненных на базе инверторов с встречно-параллельными диодами.

Из вест ен преобра зова тел ьный блок, содержащий включенные последовательно полупроводниковые аентили, закрепленные на соединенных посредством диэлектрических шлангов водоохлаждаемых охладителях со скобами, один вывод блока образован скобой охладителя первого вентиля, а другойвыводом последнего вентиля, не связанным с его охладителями, при этом раллельными диодами. Сущность изобретения: устройство содержит парал- лельные транспортные и диодные столбы, объединенные между собой общими охладителями, выполняющими также роль токоподводов и токопроводящих перемычек между тиристорами и диода-. ми. Охладители снабжены теплопроводящими пластинами, закрепленными на охладителях для размещения на них оборудования и элементов функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями. Прижимной механизм выполнен в виде струбцины и закрегленного на ее основании центрирующего элемента, выполненного из электроизоляционного материала. 8 ил„ диэлектрические шланги, последовательноо соединяющие охладители указанных вентилей, выполнены равными по длине, а хладагент выбран с удельным сопротивлением воды 0 «6 3000 Омх к см, причем соотношение длины диэлектрического шланга к площади его

1. ц сечения выбрано равным — = т-„ где в i%i и в длина и площадь сечения ди электрического шланга соответственно; U - напряжение, приложенное к вентилю, i — ток утечки через воду, P - удельное сопротивление воды, так что указанные шланги выполняют роль шунтирующих резисторов, При проектировании преобразовательных устройств индукционных ус1737568 тановок, выполненных на базе инвер= торов с встречно-параллельными диодами, возникает необходимость последовательного и параллельного соединения тиристоров и.диодов. Используя для.этих целей данное техническое решение, требуется применять отдельные тиристорные и диодные столбы, собираемые на индивидуаль ных охладителях, которые необходимо дополнительно соединять электрически перемычками, Все это усложняет конст рук цию полупроводниковых блоков, сужает эксплуатационные возможности, требует большого количества охладителей, крепежных элементов и дополни1ельных перемычек, а также диэлектрических шлангов для охлаждения и скоб для электрического соединения тиристоров и диодов, что в конечном итоге ухудшает массогабаритные показатели полупроводниковых блоков.

Кроме того, для защиты тиристоров и диодов от коммутационных перенапряжений, возникающих в схемах инверторов с встречно-параллельными диодами, необходимо использование демпфирующих RC-цепей.

При использовании данного изобретения в преобразовательных устройствах необходимо Ъведение дополнительных узлов с демпфирующими RC-цепями, которые, как правило, располагаются на значительном расстоянии от тиристоров и диодов. Это обстоятельство усложняет монтаж преобразовательных устройств и снижает надежность их работы, так как увеличение длины монтажных проводов равносильно введению дополнительной индуктивности что на повышенных частотах вызывает увеличение коммутационных перенапряжений на тиристорах и диодах.

Следует заметить, что данное техническое решение в общем виде невозможно использовать в преобразовательных устройствах, выполненных на базе тиристоров и диодов таблеточно" го исполнения, Известен также пластинчатый вентильный блок, содержащий разъемную конструкцию, состоящую из двух пластин, на наружных плоскостях которых в два ряда установлены вентили, а плоскости внутренних поверхностей пластин, обращенных одна к другой выполнены таким образом, что при

t0 ния с охладителем, при этом фиксирующие пластины жестко закреплены с охладителями так, что каждый тиристор входит в центрирующее отверстие.

Недостатки, При проектировании

З5 преобразовательных устройств индукционных установок, выполненных на базе инверторов с встречно парал-, лельными диодами, возникает необхо40 димость последовательного и параллельного соединения тиристоров и диодов. Использование для этих целей данного технического решения требует применения отдельных тиристорных и диодных столбов, собирае"5 мых на индивидуальных охладителях, которые необходимо дополнительно соединять электрическими перемычками. Все это усложняет конструкцию

50 полупроводниковых блоков, ее сборку, сужает эксплуатационные возможности, требует большого количества охладителей, крепежных элементов и дополнительных перемычек, а также диэлектрических шлангов для охлаждения, что в кОнечном итоге ухудшает . массогабаритные показатели блоков.

При использовании данного изобретения в преобразовательных устрой t5

30 их наложении одна на другую образуется щелевидный канал, обладающий максимальной поверхностью соприкосно вения с жидкостью, при этом дно канала выполнено гофрированным, а пластины охладителя скреплены болтами.

К недостаткам данной конструкции блока следует отнести,. во-первых, сложность изготовления сборки и суженные эксплуатационные воэможности, во-вторых, конструкция имеет повышенные массогабаритные показатели.

Кроме того, данный пластинчатый блок невозможно испольэовать в преобразовательных устройствах, выполненных на базе тиристоров и диодов таблеточного исполнения.

Известен блок силовых вентилей преобразовательных устройств, содержащий полупроводниковые вентили, охладители с каналами для протекания охлаждающей жидкости и штуцерами системы охлаждения, изолирующие прокладки, конструкцию для крепления вентилей в столб, фиксирующие пластины, количество которых равно числу охладителей, с центрирующим отверстий, проходными отверстиями для шпилек и отверстиями для крепле173 7568 ствах необходимо введение дополнительных узлов с демпфирующими R(:-цепями, которые, как правило, распо1 лагаются на значительном расстоянии от тиристоров и диодов. Это обстоятельство усложняет монтаж преобразовательных устройств и снижает надежность их работы, так как увеличение длины монтажных проводов равносильно введению дополнительной индуктивности, что вызывает увеличение амплитуды коммутационных перенапряжений и скорости нарастания напряжения на тиристорах и диодах.

Из известных полупроводниковых блоков наиболее близким по техниче-. ской сущности к предлагаемому является олупроводниковь|й блок, содержащий параллельный тиристорный и диодный столбы, расположенные по край. ней мере на одном общем охладителе, выполняющем функции токопровола, при этом тиристорный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей, чередующихся с охладителями с каналами для хладагента и штуцерами охлаждения в крепежном каркасе, из изолирующих элементов и прижимного механизма, общий охладитель .выполнен с возможностью размещения на нем оборудования и элементов функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями, причем полупровод никовый блок снабжен втулками с резьбой на наружной и внутренней поверхностях,. а охладитель, размещенный между двумя смежными тиристорами, выполнен в виде параллелепипеда с воз" можностью установки на нем оборудования, функционально совмещенного с указанными тиристорами, в торце которого выполнены отверстия для крепления его к основанию с помощью упомянутых втулок, при этом последние соединены со штуцерами.

К недостаткам данной конструкции блока следует отнести: узкая эксплуатационная возможность вызвана .тем, что во-первых, невозможно проектирование и создание высокочастотных преобразовательных устройств на мощность более lOG кВт и частоту свыше 10 кГц из-за отсутствия мощных высокочастотных диодов штырьевого типа, а во-вторых, s блоке невоз ожно соединить более двух последовательно соединенных тиристоров таблеточного исполнения параллельно которым подключаются два" встречно-параллельных диода штырьевого типа;

5 повышенные массогабаритные харак. теристики, соединенные с тем, что для мощных преобразовательных устройств необходимо большое количество последовательно и параллельно соединенных блоков, пониженная надежность работы пре- образовательных устройств обусловлена тем, что в конструкции блока отсутствуют.распределители импульсов управления тиристорами, которые размещаются на значительном расстоя" нии от блока. Все это делает блок не помехозащищенным, снижая надежность его работы и всей преобразовательной

20 системы в целом.- Кроме того, усложняется монтаж блока.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей и снижение массогабаритных под казателей.

Цель достигается тем, что в полупроводниковом блоке, содержащем параллельные тиристорный и диодный стол бы, расположенные по крайней мере на одном общем охладителе, выполняющем функции токопровода, при этом тиристорный столб выполнен в виде це.почки таблеточных вентилей, чередую.щихся с охладителями с каналами для

35 хладагента и штуцерами системы охлаждения в крепежном каркасе, из изолирующих элементов и прижимного механизма, общий охладитель выполнен с возможностью размещения на нем обо4О рудования и элементов функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями, диодный столб выполнен в виде цепочки .таблеточных вентилей чередующихся с охладителями в крегежном каркасе и изолирующих элементов и прижимного механизма, все охладители выполнены общими для тиристорного и диодного .столбов, охладители, размещенные между двумя о смежными полупроводниковыми вентилями, снабжены теплопроводящими пластинами закрепленными на охладите лях для размещения на них оборудования и элементов функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями, прижимной механизм выполнен в виде струбцины и закрепленного на ее основании центрируащего Ф

37568 го материала.

7 .17 элемента, выполненного из электроизоляционного материала.

Сравнение отличительных признаков предлагаемого технического рещения с прототипом показывает, что сходными признаками являются охладители с каналами для прот ека ния охлаждающей жидкости и штуцерами системы охлаждения, изолирующие прокладки, конструкция для крепления вентилей в столб . Ho s отличии от прототипа в предлагаемом изобретении полупроводниковый блок выполнен в виде параллельных тиристорного и диодного столбов, объединенных между собой общими охладителями, выполняющими также роль топроводов и токопроводящих перемычек, между тиристорами и диодами, при этом к общим охладителям механически закреплены теплопроводящие пластины, на которых смонтированы резисторы, конденсаторы, диоды демпфирующих цепей, распределители импульсов управления тиристоров и клеммные колодки для подключения управляющих электродов тиристоров к распределителям импульсов управления, причем каждая из конструкций для крепления вентилей в столб выполнена в виде струбцины, зажимающей столб через изолирующие прокладки и центрирующего элемента, изготовленного из электроизоляционного материала и закрепленного на основании струбцины, б

За счет такой конструкции полупроводникового блока удается значительно упростить, снизить массогабаритные показатели, повысить эксплуата-. ционные возможности и надежность работы преобразовательных устройств, s состав которых входят данные блоКи.

На фиг.1 а, 1 б представлена конструкция полупроводникового блока на фиг. 2 - электрическая принципиальная схема, на фиг. 3 - конструкция крепежного каркаса:. а - в сборе; б - конструкция струбцины, вконструкция центрирующего элемента; на фиг. 4 - конструкция общего охладителя 1 на фиг. 5 - конструкция теплопроводящей пластины с демпфирующей цепью; на Фиг.6...8 приведены принципиальные электрические схемы преобразовательных устройств (инверторов с встречно-параллельными диодами), конструкция которых может быть реализована с помощью предлагаемого полупроводникового блока (БП) .

Полупроводниковый блок содержит

5 параллельные тиристорный и диодный столбы (тиристоры 1...4, диоды 5...

8), расположенные по крайней мере на одном общем охладителе 9 (10-13), выполняющим функции токопровода, при этом тиристорный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей (тиристоры 1...4, диоды g...8), чередующихся с охладителями с каналами для хладоагента и штуцерами 14, 15 системы охлаждения в крепежном каркасе из изолирующих элементов

16, 17, и прижимного механизма 18, общий охладитель 9-13 выполнен с возможностью размещения на нем обо2О рудования и элементов функционально совмещенных .с указанными полупроводниковыми вентилями, причем диодный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей 5...8 чередующихZ5 ся с охладителями 9-13 в крепежном каркасе из изолирующих элементов 16, l и прижимного механизма 18, все охладители 10, 12, размещенные между двумя смежными полупроводниковыми вентилями 1 и 2, 3 и 4, снабжены теплопроводящими пластинами 19, 20 закрепленными на охладителях для размещения на них оборудования и элементов Функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями (резисторы 21 и 22, конденса торы 23 и 24, диоды 25 и 26, демпфирующих цепей, распределители 27 и

28. импульсов управления тиристора40. ми 1... 4 и клеммные колодки 29 для подключения: уаравляющих электродов тиристоров 1:-.,":;.4 к распределителям импульсов управления 27 и 28, прижимной механизм 18 выполнен в виде струбцины и закрепленного на ее

5 основании центрирующего элемента 30,, выполненного из электроизоляционноПолупроводниковый блок, принци" пиальная электрическая схема которого представлена на фиг.2, собирается в следующей последовательности.

Производится сборка крепежного каркаса (см.фиг.3) для чего нв основании струбцины 18 закрепляется цент рирующий элемент 30 (паз центрирующего элемента входит в основание струбцины 18, а на выступ струбцины

9 173756

18 и на болтовое соединение накладываются изолирующие прокладки 16, 17, Изготавливаются два комплекта крепежного каркаса, в которые вставляются охладители 9...13 (см.фиг.4, а между ними в один из комплектов тиристоры 1...4, я другой-диоды

5...8 (см.фиг.l). При этом на охладители 10 и 12 предварительно механически (с помощью болтовых соединений) закрепляются теплопроводящие пластины 19 и 20 (см.фиг.5) с элементами демпфирующих цепей, распределителями импульсов 27 и 28 и клеммными колодками 29 по обеим сторонам пластик 19 и 20.

Следует отметить, что в центрирующем элементе 30 сделано углубление по всей длине (см.фиг.3,в) таким об- 2О разом, что при установке тиристоров, 1...4 и диодов 5...6 их центры точно совпадают с центрами изолирующих прокладок 16 и 17..

Далее с помощью болтового соеди- д нения струбцины 18 ключом зажимается, столб тиристоров 1...4 и столб диоров

5...8.

Для крепления полупроводниковых блоков в преобразовательных устройствах в струбцине 18 предусмотрены отверстия для крепления с помощью шпилек (см.фиг.1), например, к стеклотекстолитовым брускам, размещенным в шкафу преобразовательного устройства.

Таким образом, используя данную конструкцию полупроводникового блока удается значительно сократить количество охладителей, а значит сократить количество перемычек, болтовых соединений, диэлектрических шлангов системы водоохлаждения, что в конечном итоге упрощает мон" таж, расширяет эксплуатационные возможности и массогабаритные пока. затели блоков. Кроме того, использование теплопроводящих пластин с демпфирующими цепями позволяет максималь" но сократить длину монтажных проводов этих цепей и обеспечить охлаждение их элементов, что значительно повышает надежность работы блоков силовых вентилей, а значит и самих преобразовательных устройств.

Полупроводниковый блок, содержаЗО щий параллельные тиристорный и диодный столбы, расположенные по крайней мере на одном общем охладителе, выполняющем функции токопровода, при этом тиристорный столб выполнен B виде цепочки таблеточных вентилей, чередующихся с охладителями с каналами для хладагента и штуцерами системы охлаждения в крепежном каркасе, из изолирующих элементов и прижимного механизма, общий охладитель выполнен с возможностью- размещения на нем оборудования и элементов, функционально совмещенных с укаэанными полупроводниковыми вентилями, .отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей .и снижения массогабаритных показателей, диодный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей, чередующихся с охладителями в крепежном каркасе из изолирующих элементов и прижимного механизма, все охладители выполнены общими для тиристорногo и диодного столбов, охладители, размещенные между двумя смежными полупроводниковыми вентилями, снабжены теплопроводящими пластинами, закрепленными нд охладителях для размещения на

В настоящее время разработаны рабочие макеты преобразовательных устройств на базе йредл емого авторами полупроводникового блока, rfpe!>ставленные на фиг,6...8.

Так, например, преобразовательное устройс1во (полупроводниковый преобразователь частоты ППЧ-!00-2,4), яыполненное на.схеме фиг.б, на мощность

100 кВт частотой 2400 Гц имеет два полупроводниковых блока на тиристорах ТБ253-800-11 и диодах ДЧ143-100014, в качестве элементов демпфирующил цепей использованы:

Резистор 21, 22 " три последовательно соединенных резистора

С5 478А-68 Ом «+ 54, Конденсатор 23, 24 - три параллельно соединенных, конденсатора

К78-2-10008-0,1 мкф + 103.

Диоды 25, 26 - Д122-40-9, Д112-25Х-9.

ППЧ-100-2,3 планируется использо1 вать для плавки алюминиевых сплавов

e,ãðàôèòîâoì тигле, для нагрева порошковых изделий в техпроцессах ппрошковой металлургии и т.д.

Формула изобретения

11 1737Ж 12 них оборудования и элементов, функ" струбцины и закРепленного на ее осционально совмещенных с указанными новании центрирующего элемента, вы" полупроводниковыми вентилями, при- полненного из электроизоляционного жимной механизм выполнен в виде

5 материала .

3737568

Риг. с

1737568

7737568

Ри/

173756

Производственно-издательский «омбинат "Патент", г. Умгород, ул. Гагарина, 101

Редактор Е.Зубиетова ююмФФ айюиВФВ

Заказ 1898.

ВЯИИПИ Государственного

113035, ° В ЮЮ

Составитель В.Иарои

Техред Л.ООлийнык, КорректоР С.Шекмар юею

Тираж Подписное комитета ио изобретениям и открытюп» ири ГЕНГ СССР

Иосква, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5