Матричный преобразователь для преобразования электрической энергии
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для преобразования энергии между источниками напряжения (питающей электрической сетью) и, по меньшей мере, одним источником тока, в частности нагрузкой. Преобразователь содержит матрицу ключей, подключающих источники напряжения к источникам тока. Матричный преобразователь отличается тем, что каждый из указанных ключей имеет два контакта, расположенных в соответствующих отдельных параллельных плоскостях, и фотопроводящую алмазную подложку, размещенную между указанными двумя контактами ключа. Каждый ключ управляется посредством источника света, облучающего алмазную подложку, размещенную между двумя контактами. Для каждого ключа источник света расположен обращенным к одному из двух контактов ключа, который снабжен множественными отверстиями для прохождения излучения от указанного источника в подложку. Технический результат - обеспечение возможности работы на высоких напряжениях при малых габаритах. 8 з.п. ф-лы, 8 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 регулирования тяговых двигателей 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 соединить и оснастить 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, оставаясь очень компактным (малогабаритным). 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 источники напряжения к источникам тока, причем указанный матричный преобразователь отличается тем, что каждый из указанных ключей имеет два контакта, расположенных в соответствующих отдельных параллельных плоскостях, и фотопроводящую алмазную подложку, размещенную между двумя контактами ключа, при этом каждый ключ управляется посредством источника света, облучающего алмазную подложку, размещенную между двумя контактами.
В отдельных вариантах осуществления матричный преобразователь согласно изобретению может иметь одну или несколько следующих особенностей, взятых в отдельности или в любом технически реализуемом сочетании:
алмазная подложка получена 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;
для каждого ключа источник света расположен обращенным к одному из двух контактов ключа, при этом указанный контакт снабжен, по меньшей мере, одним отверстием, представляющим возможность для прохождения излучения от указанного источника в алмазную подложку, размещенную между двумя контактами;
единственная алмазная подложка размещена между всеми контактами матрицы ключей;
каждый ключ преобразователя образован индивидуальной алмазной подложкой, которая поддерживается керамической подложкой, при этом указанная индивидуальная алмазная подложка соединена с поддерживающей керамической подложкой через слой стекла; и
каждый ключ имеет один контакт, подключенный к источнику напряжения через проводящую дорожку, расположенную на одной стороне керамической подложки, и один контакт, подключенный к источнику тока через токопроводящие дорожки, находящиеся на противоположной стороне керамической подложки.
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 - упрощенное перспективное изображение преобразователя согласно фигуре 1, иллюстрирующее компоновку входных соединителей и выходных соединителей на алмазной подложке;
фигура 3 - детализированный вид в разрезе алмазного ключа, устанавливаемого в преобразователь согласно фигуре 1;
фигура 4 - детализированное перспективное изображение ключа согласно фигуре 3;
фигура 5 - перспективное изображение верхней стороны матричного преобразователя в другом варианте осуществления преобразователя согласно изобретению;
фигура 6 - перспективное изображение нижней стороны преобразователя согласно фигуре 5;
фигура 7 - детализированное перспективное изображение алмазного ключа преобразователя согласно фигурам 5 и 6; и
фигура 8 - детализированный вид в разрезе по линии VIII-VIII ключа согласно фигуре 7.
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. Кроме того, для улучшения ясности чертежей некоторые элементы преобразователя показаны только на детализированных видах.
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 со сторонами 150 мм и которое снабжено отверстием в центре, при этом отверстие открыто с обеих сторон основания 3, и в нем размещена фотопроводящая алмазная подложка 4. Алмазная подложка 4 изготовлена способом, известным по сути как метод химического осаждения из паровой или газовой фазы (CVD).
Алмазная подложка 4 имеет верхнюю сторону, которая находится в контакте с тремя входными соединителями 1, и эти соединители образованы соответствующими проводящими шинами, расположенными параллельно. Каждый входной соединитель 1 выполнен в основном прямолинейным по форме, обращен к алмазной подложке 4 и в определенных местах снабжен тремя кольцевыми участками 1а, расположенными так, что кольцевые участки 1а трех входных соединителей 1 образуют матричную структуру 3×3.
Как показано на фигуре 2, на которой представлены только входные соединители 1, выходные соединители 2 и алмазная подложка 4, нижняя сторона алмазной подложки 4 находится в контакте с тремя выходными соединителями 2, образованными соответствующими проводящими шинами, расположенными параллельно и установленными под углом перпендикулярно к трем входным соединителям 1. Каждый выходной соединитель 2 выполнен в основном прямолинейным по форме, обращен к алмазной подложке 4 и в определенных местах снабжен тремя дисковидными выступами 9, расположенными так, что каждый из дисков 9 находится в совмещении с соответствующим кольцевым участком 1а входного соединителя 1, расположенного на противоположной стороне алмазной подложки 4, которая на фигуре 2 показана штрихпунктирными линиями.
На фигурах 3 и 4 более детально показана конструкция алмазного ключа 6 для оснащения матричного преобразователя. Как показано на этих фигурах, каждый кольцевой участок 1а имеет в центре отверстие, в котором верхняя сторона алмазной подложки 4 накрыта металлизированным контактом 5, показанным только на этих фигурах. Металлизированный контакт 5, электрически подключенный к входному соединителю 1 посредством алюминиевых проводов 21, присоединенных к прилегающему кольцевому участку 1а и контакту 5, и диск 9, расположенный в совмещении с ним контактом на противоположной стороне алмазной подложки 4, образуют два контакта алмазного ключа 6.
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; и
удаление оставшегося полимера путем погружения алмазной подложки в ацетон.
Электропроводность между двумя контактами 5 и 9 получается по команде путем включения источника 7 ультрафиолетового света, расположенного обращенным к контакту 5, снабженному многочисленными не металлизированными щелями 5а, которые имеют форму дуг окружностей и которые обеспечивают возможность излучению, создаваемому источником 7 света, проходить через них для облучения объема алмаза 4 между контактами 5 и 9 алмазного ключа 6, в результате чего возникает протекание электричества (электрический ток) между указанными двумя контактами. Преимущественно, источники 7 света поддерживаются пластиной 22, показанной штрихпунктирными линиями на фигуре 1 и установленной на ножках 8, опирающихся на верхнюю сторону основания, и они управляются независимо друг от друга схемой управления, представляющей собой схему управления преобразователем.
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, преобразование переменного тока в постоянный ток или преобразование постоянного тока в постоянный ток при подключении к источнику напряжения постоянного тока.
На фигурах с 5 по 8 показан другой вариант осуществления преобразователя согласно изобретению, соответствующий предпочтительному варианту осуществления. Как показано на фигурах 5 и 6, матричный преобразователь содержит керамическую подложку 13, изготовленную из нитрида алюминия (AlN) и снабженную девятью круглыми отверстиями, распределенными в виде матричной структуры 3×3, при этом каждое отверстие открыто с обеих сторон керамической подложки 13, и в нем размещена цилиндрическая алмазная подложка 14 диаметром приблизительно 10 мм, окруженная стеклянной областью 20.
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 5, верхняя сторона керамической подложки 13 снабжена тремя входными соединителями 1, выступающими от одного края керамической подложки 13 и продолжающимися на подложке 13 в виде соответствующих проводящих дорожек 11, расположенных параллельно, при этом каждая проводящая дорожка 11 выровнена (находится на одной прямой) с рядом матрицы 3×3 алмазных подложек 14. Каждая из проводящих дорожек 11 включает в себя три кольцевых участка 11а, расположенных по периферии соответствующих трех алмазных подложек 14, находящихся на одной прямой с рассматриваемым входным соединителем 1.
Как показано на фигуре 6, нижняя сторона керамической подложки 13 снабжена тремя выходными соединителями 2, расположенными под углом перпендикулярно к входным соединителям 1 и выступающими от одного края керамической подложки 13. Три выходных соединителя 2 продолжаются на подложке 13 в виде соответствующих проводящих дорожек 12, расположенных параллельно, при этом каждая проводящая дорожка 12 выровнена (находится на одной прямой) со столбцом матрицы 3×3, составленной из алмазных подложек 14. Каждая из проводящих дорожек выходных соединителей 2 включает в себя три кольцевых участка 12а, расположенных по периферии соответствующих трех алмазных подложек 14, находящихся на одной прямой с рассматриваемым выходным соединителем 2.
Как показано на фигурах 7 и 8, каждая алмазная подложка 14 имеет верхнюю сторону и нижнюю сторону, покрытые по существу по всей поверхности соответствующими металлизированными контактами 15 и 19, при этом верхний контакт 15 и нижний контакт 19 (показанные только на этих фигурах) представляют собой два контакта алмазного ключа 16. Такие металлизированные контакты 15 и 19 могут быть получены на алмазной подложке 14, 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; и
удаление оставшегося полимера путем погружения алмазной подложки в ацетон.
Верхний контакт 15 каждой алмазной подложки 14 подключен посредством алюминиевых проводов 21 к кольцевому участку 11а проводящей дорожки 11, расположенному на периферии алмазной подложки 14, а нижний контакт 19 каждой алмазной подложки 14 подключен посредством алюминиевых проводов 21 (показанных штрихпунктирными линиями на фигуре 7) к кольцевому участку 12а проводящей дорожки 12, расположенному на периферии алмазной подложки 14.
Что касается фигуры 7, то центральная часть верхнего контакта 15 алмазной подложки снабжена многочисленными неметаллизированными щелями 15а, которые выполнены в виде дуг окружностей и которые обеспечивают возможность прохождения ультрафиолетового излучения, создаваемого источником 7 света, расположенным обращенным к алмазной подложке 14, для облучения объема алмазной подложки 14, расположенного между верхним контактом 15 и нижним контактом 19, в результате чего возникает протекание электричества (электрический ток) между двумя контактами. Преимущественно, источники 7 излучения закреплены на пластине (не показанной), установленной на ножках 8, расположенных на верхней стороне основания 13, при этом источники 7 света управляются индивидуально посредством схемы управления.
Этот второй вариант осуществления обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что требуется алмазная подложка меньшей площади, чем в варианте осуществления согласно фигуре 1, в результате чего можно снизить стоимость изготовления преобразователя.
Независимо от варианта осуществления изобретения толщина алмазной подложки (полученной, например, методом химического осаждения из паровой фазы) приспосабливается к рабочему напряжению преобразователя и может изменяться, например, от 50 мкм для выдерживания напряжения приблизительно 5 кВ между двумя сторонами алмазной подложки до толщины 200 мкм для выдерживания напряжения приблизительно 20 кВ.
Преимущественно преобразователь согласно изобретению можно применять для управления тяговыми двигателями 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, включающий 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, 9; 15, 19), расположенных в соответствующих отдельных параллельных плоскостях, и фотопроводящую алмазную подложку, размещенную между указанными двумя контактами (5, 9; 15, 19) ключа (6; 16), причем каждый ключ (6; 16) управляется посредством источника (7) света, облучающего алмазную подложку (4, 14), размещенную между двумя контактами (5, 9; 15, 19), и при этом для каждого ключа (6; 16) источник (7) счета расположен обращенным к одному из двух контактов (5, 9; 15, 19) ключа, причем указанный контакт (5; 15) снабжен множественными отверстиями (5а; 15а), обеспечивающими возможность прохождения излучения от указанного источника (7) в алмазную подложку (4; 14), размещенную между двумя контактами (5, 9; 15, 19).
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что указанная алмазная подложка (4; 14) получена методом химического осаждения из паровой фазы (CVD).
3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что контакты (5, 19) образованы металлизацией алмазной подложки путем последовательного осаждения из паровой фазы титана, платины и золота.
4. Преобразователь по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что указанный источник (7) света представляет собой источник ультрафиолетового излучения.
5. Преобразователь по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что множественные отверстия представляют собой неметаллизированные щели (5а, 15а), которые имеют форму дуг откружностей.
6. Преобразователь по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что единственная алмазная подложка (4) размещена между всеми контактами (5, 9) 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 один контакт (15), подключенный к источнику (1) напряжения через проводящую дорожку (11), расположенную на одной стороне керамической подложки (13), и один контакт (19), подключенный к источнику (2) тока через проводящие дорожки (19), находящиеся на противоположной стороне указанной керамической подложки (13).
9. Преобразователь по п.7 или 8, отличающийся тем, что указанная керамическая подложка (13) выполнена из нитрида алюминия (AlN).
