Матричный преобразователь для преобразования электрической энергии
Использование: для управления тяговыми электродвигателями. Технический результат заключается в обеспечении работы при высоких напряжениях и в изоляции контактов ключей преобразователя. Матричный преобразователь для преобразования электрической энергии между, по меньшей мере, одним источником (1) напряжения, в частности питающей электрической сетью, и, по меньшей мере, одним источником (2) тока, в частности нагрузкой, при этом указанный преобразователь включает в себя матрицу ключей (6), подключающих указанные источники (1) напряжения к указанным источникам (2) тока, отличающийся тем, что каждый из указанных ключей (6) имеет два контакта (5), которые взаимно соединены через фотопроводящий слой (4) алмаза, при этом каждый ключ (6) управляется посредством источника (7) света, облучающего слой (4) алмаза, размещенный между двумя контактами (5) ключа (6). 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к матричному преобразователю для преобразования электрической энергии между источником напряжения, таким как питающая электрическая сеть, и источником тока, таким, как электродвигатель. Изобретение особенно применимо для управления тяговыми двигателями на железнодорожном транспорте.
В заявке на патент США 2001/0026427 А1 раскрыт матричный преобразователь, содержащий матрицу 3×3, составленную из двунаправленных ключей и предназначенную для приведения в действие (питания) асинхронного двигателя от трехфазной сети. Благодаря модульной конфигурации (топологии) такой матричный преобразователь при соответствующем управлении различными ключами обеспечивает преимущество, заключающееся в возможности непосредственного преобразования имеющегося переменного тока в переменный ток различного напряжения и различной частоты, в отличие от преобразователей с фиксированной структурой, которые обычно используются и в которых для получения того же самого результата необходимо последовательно соединять и оснасить конденсаторами фильтров выпрямитель переменного тока в постоянный ток, преобразователь постоянного тока в постоянный ток и источник бесперебойного питания с преобразованием постоянного тока в переменный ток.
Однако в таком матричном преобразователе двунаправленные ключи образованы интегральными схемами, содержащими объединенные диоды и биполярные транзисторы с изолированным затвором, которым присущ недостаток, заключающийся в том, что они не способны выдерживать высокие напряжения, поскольку у наиболее устойчивых биполярных транзисторов с изолированным затвором, которые в настоящее время имеются в продаже, рабочее напряжение ограничено значением приблизительно 6,5 кВ. Кроме того, недостатком такого биполярного транзистора с изолированным затвором является то, что его управляющий затвор должен быть изолирован от коллектора и от эмиттера, что создает проблемы, когда напряжение на выводах биполярного транзистора с изолированным затвором становится высоким.
Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании матричного преобразователя нового типа, который может работать при высоких напряжениях. Другая задача изобретения заключается в создании матричного преобразователя, в котором управление ключами естественным путем изолировано от контактов указанных ключей.
С этой целью в соответствии с изобретением предложен матричный преобразователь для преобразования электрической энергии между, по меньшей мере, одним источником напряжения, в частности питающей электрической сетью, и, по меньшей мере, одним источником тока, в частности нагрузкой, при этом указанный преобразователь включает в себя матрицу ключей, подключающих указанные источники напряжения к указанным источникам тока, причем указанный матричный преобразователь отличается тем, что каждый из указанных ключей имеет два контакта, которые взаимно соединены через фотопроводящий слой алмаза, при этом каждый ключ управляется посредством источника света, облучающего слой алмаза, размещенный между двумя контактами ключа.
В отдельных вариантах осуществления матричный преобразователь согласно изобретению может иметь одну или несколько следующих особенностей, взятых в отдельности или в любом технически реализуемом сочетании:
контакты матрицы ключей расположены в одной и той же плоскости;
слой алмаза ключа образован алмазной подложкой, полученной методом химического осаждения из паровой фазы (CVD);
контакты образованы металлизацией алмазной подложки путем последовательного осаждения из паровой фазы титана, платины и золота;
источник света представляет собой источник ультрафиолетового излучения;
единственная алмазная подложка поддерживает все контакты матрицы ключей;
каждый ключ преобразователя образован индивидуальной алмазной подложкой, которая поддерживается керамической подложкой, при этом индивидуальная алмазная подложка соединена с поддерживающей керамической подложкой через слой стекла;
каждый ключ имеет два контакта, подключенных соответственно к источнику напряжения и к источнику тока посредством проводящих дорожек, находящихся на поддерживающей керамической подложке;
керамическая подложка выполнена из нитрида алюминия (AlN);
керамическая подложка имеет сторону, которая противоположна стороне, поддерживающей проводящие дорожки, и которая охлаждается принудительно охлаждающей текучей средой.
Задачи, особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятными при прочтении нижеследующего описания двух вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве неограничивающего примера со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фигура 1 - перспективное изображение матричного преобразователя в конкретном примере осуществления изобретения;
фигура 2 - разрез алмазного ключа матричного преобразователя согласно фигуре 1;
фигура 3 - перспективное изображение матричного преобразователя в другом варианте осуществления преобразователя согласно изобретению;
фигура 4 - детализированный вид алмазного ключа преобразователя согласно фигуре 3.
Чтобы сделать чертежи более ясными, показаны только те элементы, которые необходимы для понимания изобретения. Аналогичные элементы показаны под одинаковыми ссылочными номерами от одной фигуры к другой.
На фигуре 1 показан конкретный пример осуществления матричного преобразователя согласно изобретению. Этот матричный преобразователь имеет три входных соединителя 1, которые снабжаются энергией, например, от трехфазной сети, и три выходных соединителя 2, которые предназначены, например, для подачи энергии к асинхронному двигателю.
Как показано на этой фигуре, матричный преобразователь содержит основание 3, которое изготовлено из пластмассы, которое выполнено по существу квадратным по форме и на котором в центре закреплена алмазная подложка 4. Алмазная подложка 4 изготовлена способом, известным по сути как метод химического осаждения из паровой или газовой фазы (CVD), и она, например, имеет ширину приблизительно 150 мм и толщину приблизительно 50 мкм.
Алмазная подложка 4 имеет верхнюю сторону, снабженную девятью парами металлизированных контактов 5, расположенных в виде матрицы 3×3, при этом каждая пара металлизированных контактов 5 образует контакты 5 соответствующего алмазного ключа 6, и эти контакты разнесены на расстояние приблизительно 10 мм с тем, чтобы выдерживать большую разность потенциалов между указанными двумя контактами. Такие металлизированные контакты 5 могут быть получены на алмазной подложке 4, например, методом металлизации, содержащим следующие стадии:
осаждение фоточувствительного полимера (смолы) на верхнюю сторону алмазной подложки;
удаление полимера с участков, подлежащих металлизации, путем экспонирования их излучению через маску;
металлизация путем последовательного осаждения из паровой фазы титана, платины и золота на поверхность алмазной подложки, частично покрытой полимером;
удаление оставшегося полимера путем погружения алмазной подложки в ацетон.
Как показано на фигурах 1 и 2, источник 7 ультрафиолетового света расположен обращенным в сторону промежутка между двумя контактами 5 каждого алмазного ключа 6, при этом каждый из источников 7 света имеет световой пучок (показанный на фигурах штрихпунктирными линиями), делающий возможным облучение по команде алмазной поверхности 4 между двумя контактами 5 соответствующего алмазного ключа 6 с тем, чтобы вызывать протекание электричества (электрический ток) между двумя контактами 5. Преимущественно источники 7 света поддерживаются пластиной (не показанной на фигурах), установленной на ножках 8, опирающихся на верхнюю сторону основания 3, и они управляются независимо друг от друга схемой управления, представляющей собой схему управления преобразователем.
Три входных соединителя 1 и три выходных соединителя 2 преобразователя размещены в совмещении с тремя рядами и тремя столбцами матрицы алмазных ключей 6, при этом конец каждого из соединителей 1 и 2 закреплен на основании. Каждый входной соединитель 1 электрически соединен посредством алюминиевых проводов 9 с одним из двух контактов 5 каждого из трех алмазных ключей 6, расположенных на одной прямой с входным соединителем 1, при этом другой контакт 5 алмазного ключа 6 соединен с выходным соединителем 2, расположенным в совмещении со столбцом, включающим алмазный ключ 6.
Такой матричный преобразователь предоставляет преимущество вследствие наличия алмазных ключей, которые могут выдерживать высокие напряжения на контактах и которые естественным путем обеспечивают возможность протекания электрического тока через преобразователь в обоих направлениях. Кроме того, такой преобразователь управляется посредством алмазных ключей с оптическим управлением, и такое управление дает преимущество, вытекающее из естественной изоляции от электрического потенциала на контактах ключа. Наконец, поскольку его конфигурация (топология) является модульной за счет оптического управления, такой матричный преобразователь делает возможным преобразование любого типа, например однофазное или трехфазное непосредственное преобразование переменного тока в переменный ток, или преобразование переменного тока в постоянный ток, или преобразование постоянного тока в постоянный ток при подключении к источнику напряжения постоянного тока.
На фигуре 3 показан другой вариант осуществления преобразователя согласно изобретению. Как показано на этой фигуре, матричный преобразователь содержит керамическую подложку 13, изготовленную из нитрида алюминия, AlN, на которой закреплены три входных соединителя 1 и три выходных соединителя 2. Керамическая подложка 13 снабжена девятью полостями, распределенными в виде матричной структуры 3×3, при этом в каждой полости расположена квадратная алмазная подложка 14 со сторонами приблизительно 10 мм, окруженная стеклом 20, что более подробно показано на фигуре 4. Стеклянная область 20, необязательно заполненная керамикой, образует границу раздела между алмазной подложкой 14 и керамической подложкой 13, что обеспечивает преимущество вследствие получения коэффициента α расширения, близкого к 3,5, что делает возможным ослабление сил, вызванных неодинаковым расширением алмаза (α=1) и подложки из AlN (α=4,5).
Как показано на фигуре 4, каждая алмазная подложка 14 снабжена двумя металлизированными контактами 15, расположенными в двух диаметрально противоположных местах, при этом контакты 15 образуют два контакта алмазного ключа 16 и подключены посредством алюминиевых проводов 21 к соответствующим соединительным контактам 19а, расположенным на подложке 13 из AlN на периферии слоя 20 стекла. Соединительные контакты 19а соединены с токопроводящими дорожками 19, образованными путем металлизации поверхности подложки 13 из AlN, при этом токопроводящие дорожки 19 размещены таким образом, что они соединяют входной соединитель 1 с одним из контактов 15 каждого из трех алмазных ключей 16, расположенных в одном и том же ряду матрицы, а другие три контакта 15 алмазных ключей 16 соединены с соответствующими тремя выходными соединителями 2.
Источники 7 ультрафиолетового света (показанные только на фигуре 3) расположены обращенными в сторону соответствующей одной из алмазных подложек 14, при этом каждый источник света 7 может срабатывать по команде, облучая промежуток между двумя контактами 15 соответствующего алмазного ключа 16 для того, чтобы вызвать прохождение электричества (электрический ток) между указанными двумя контактами 15. Источники 7 света преимущественно закреплены на пластине 22, показанной на фигуре 3 штрихпунктирными линиями и установленной на ножках 8, расположенных на верхней стороне керамической подложки 13, при этом источники 7 света управляются индивидуально посредством схемы управления.
Преимущественно нижняя поверхность керамической подложки 13 охвачена или контактирует с охлаждающей текучей средой, передаваемой посредством трубопровода (не показанного на фигурах), что делает возможным отведение теплоты, выделяющейся на алмазных ключах 16 во время работы матричного преобразователя. В каждом случае толщина алмазных подложек приспосабливается к рабочему напряжению преобразователя и может изменяться, например, от толщины 50 мкм для выдерживания разности потенциалов между выводами алмазного ключа с охлаждающей текучей средой приблизительно 5 кВ до 200 мкм для выдерживания разности потенциалов приблизительно 20 кВ.
Этот второй вариант осуществления обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что требуется алмазная подложка меньшей площади, чем в варианте осуществления из фигуры 1, в результате чего можно снизить стоимость изготовления такого преобразователя.
Преимущественно преобразователь согласно изобретению можно применять для управления тяговыми электродвигателями на железнодорожных транспортных средствах при использовании напряжения контактной сети, а его модульная конфигурация обеспечивает возможность согласования с напряжениями контактной сети различного вида только путем изменения управления алмазными ключами.
Конечно, изобретение никоим образом не ограничено описанными и показанными вариантами осуществления, которые даны только для примера. Остаются возможными модификации, особенно касающиеся изготовления различных элементов или использования эквивалентных заменяющих методов, без выхода за рамки объема защиты изобретения.
1. Матричный преобразователь для преобразования электрической энергии между, по меньшей мере, одним источником (1) напряжения, в частности питающей электрической сетью, и, по меньшей мере, одним источником (2) тока, в частности нагрузкой, при этом указанный преобразователь включает в себя матрицу ключей (6; 16), подключающих указанные источники (1) напряжения к указанным источникам (2) тока, отличающийся тем, что каждый из указанных ключей (6; 16) имеет два контакта (5; 15), которые взаимно соединены через фотопроводящий слой (4; 14) алмаза, при этом каждый ключ (6; 16) управляется посредством источника (7) света, облучающего слой (4; 14) алмаза, размещенный между двумя контактами (5; 15) ключа (6; 16).
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что указанные контакты (5; 15) матрицы ключей (6; 16) расположены в одной и той же плоскости.
3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанный слой алмаза ключа (6; 16) образован алмазной подложкой (4; 14), полученной методом химического осаждения из паровой фазы (CVD).
4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что контакты (5; 15) образованы металлизацией алмазной подложки (4; 14) путем последовательного осаждения из паровой фазы титана, платины и золота.
5. Преобразователь по п.3 или 4, отличающийся тем, что указанный источник (7) света представляет собой источник ультрафиолетового излучения.
6. Преобразователь по любому из пп.3-5, отличающийся тем, что единственная алмазная подложка поддерживает все контакты (5; 15) матрицы ключей (6).
7. Преобразователь по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что каждый ключ (16) преобразователя образован индивидуальной алмазной подложкой (14), которая поддерживается керамической подложкой (13), при этом указанная индивидуальная алмазная подложка (14) соединена с поддерживающей керамической подложкой через слой (20) стекла.
8. Преобразователь по п.7, отличающийся тем, что каждый ключ (16) имеет два контакта (15), подключенных соответственно к источнику (1) напряжения и к источнику (2) тока посредством проводящих дорожек (19), находящихся на указанной поддерживающей керамической подложке (13).
9. Преобразователь по п.6 или 7, отличающийся тем, что указанная керамическая подложка (13) выполнена из нитрида алюминия (AlN).
10. Преобразователь по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что указанная керамическая подложка (13) имеет сторону, которая противоположна стороне, поддерживающей токопроводящие дорожки (19), и которая охлаждается принудительно охлаждающей текучей средой.
