Преобразователь, имеющий промежуточный контур постоянного напряжения
Изобретение касается преобразователя, имеющего промежуточный контур постоянного напряжения, для преобразования входного напряжения в переменное напряжение с предопределенной амплитудой и частотой для управления одно- или многофазной нагрузкой.
Силовые модули сегодняшних инверторов охлаждаются с помощью охлаждаемого воздухом или водой радиатора охлаждения, который состоит из материала, хорошо проводящего тепло, напр., алюминия. Для лучшего перехода тепла к радиатору охлаждения на радиаторе охлаждения теплопроводящей пастой крепится подложка, состоящая из меди или других материалов. На подложке напаяна керамика, снабженная с обеих сторон медным кашированием. На обращенной от подложки стороне этой кашированной медью керамики расположены электронные компоненты силового модуля. При этом толщина кашированной медью керамики, в первую очередь, зависит от требуемой электрической прочности. С другой стороны, толщина кашированной медью керамики определяет проход тепла в направлении радиатора охлаждения. Это означает, чем выше класс мощности силового модуля, тем труднее становится отвод тепла в направлении радиатора охлаждения.
Другой недостаток заключается в том, что контактирование отдельных силовых модулей из-за обладающего проводимостью радиатора охлаждения должно быть соответственно большим для соблюдения требуемых безопасных расстояний. Поэтому занимающая мало места, компактная конструкция реализуема только с трудом.
Задачей настоящего изобретения является предложить преобразователь, имеющий промежуточный контур постоянного напряжения, для преобразования входного напряжения в переменное напряжение, от которого может улучшенным образом отводиться тепло, и который одновременно имеет меньший занимаемый объем.
Эта задача решается с помощью преобразователя с признаками п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения.
Для решения задачи предлагается преобразователь, имеющий некоторое количество модулей, выполненных с возможностью укладки в стопу друг над другом. Каждый модуль включает в себя керамический радиатор охлаждения, имеющий установочную поверхность, на которой помещены электронные компоненты одной фазы, при этом керамический радиатор охлаждения имеет в области установочной поверхности один или несколько каналов, по которым при эксплуатации преобразователя может протекать охлаждающая среда. Преобразователь включает в себя также по меньшей мере один конденсатор промежуточного контура, а также входные и выходные силовые разъемы на первом держателе, основная плоскость которого расположена перпендикулярно плоскости установочной поверхности. Преобразователь включает в себя, кроме того, блок управления для управления электронными компонентами фазы, причем этот блок управления расположен на втором держателе, основная плоскость которого расположена перпендикулярно плоскости установочной поверхности.
Применение керамического радиатора охлаждения позволяет получить компактную и модульную конструкцию преобразователя.
У преобразователя, имеющего несколько модулей, уложенных в стопу друг над другом, этот или эти предназначенные для модулей конденсаторы промежуточного контура могут быть расположены вместе на первом держателе. Также при наличии нескольких модулей может применяться один общий блок управления для управления электронными компонентами данных модулей, который расположен на втором держателе.
Возможность укладки нескольких модулей в стопу друг над другом обеспечивается применением активно охлаждаемого керамического радиатора охлаждения. Благодаря тому, что радиатор охлаждения снабжен одним или несколькими каналами, по которым при эксплуатации преобразователя может протекать охлаждающая среда, можно обойтись без применявшихся до сих пор радиаторов охлаждения из алюминия. Также больше не нужна требовавшаяся до сих пор нижняя пластина, которая посредством теплопроводной пасты присоединена к металлическому радиатору охлаждения. Это позволяет при конструировании преобразователя увеличить степени свободы в отношении масштабирования.
Меньший по сравнению с традиционным преобразователем занимаемый объем получается благодаря применению керамического радиатора охлаждения, который позволяет расположить указанный или указанные конденсаторы промежуточного контура на первом держателе, а блок управления - на втором держателе, при этом первый и второй держатель расположены каждый перпендикулярно плоскости установочной поверхности. Благодаря этому могут значительно уменьшаться длины проводников между отдельными компонентами, что связано с преимуществами более низких индуктивностей рассеяния. В результате получаются более низкие потери при переключении. В частности, можно управлять электронными компонентами отдельных фаз, напр., одной половины мостовой схемы, с большей частотой.
По одному из целесообразных вариантов осуществления по меньшей мере на двух противоположных сторонах установочной поверхности расположено по одному конструкционному держателю, причем эти конструкционные держатели в направлении, перпендикулярном установочной поверхности, выдаются за установочную поверхность, так что электронные компоненты лежат тогда в углублении, образованном между установочной поверхностью и конструкционными держателями, при этом конструкционные держатели на своих находящихся в направлении протяженности концах имеют участки прилегания к соседнему модулю. Конструкционные держатели позволяют получить прочную механическую конструкцию радиатора охлаждения. Кроме того, через конструкционные держатели может производиться подвод и отвод охлаждающей среды, в частности, при наличии нескольких модулей, уложенных в стопу друг над другом. Это облегчает охлаждение электронных компонентов преобразователя.
По одному из целесообразных вариантов осуществления толщина радиатора охлаждения в области установочной поверхности в направлении, перпендикулярном плоскости установочной поверхности, составляет от 3 мм до 5 мм. Толщина конструкционных держателей в направлении, перпендикулярном плоскости установочной поверхности, составляет целесообразным образом от 15 мм до 20 мм. Это означает, что высота одного единственного модуля составляет от 15 мм до 20 мм и соответствует толщине конструкционного держателя. Если, напр., надо включить несколько модулей параллельно, то это может осуществляться путем укладывания желаемого количества модулей в стопу друг над другом. В результате получается модульный узел, имеющий определенное количество отдельных модулей, которые подключены к одной общей системе охлаждения. Одновременно получается компактная конструкция, высота которой зависит от количества модулей, уложенных в стопу друг над другом. Для этого количества модулей, уложенных в стопу друг над другом, как уже пояснялось, может быть предназначен и быть соединен с ним общий первый держатель, имеющий указанный или указанные конденсаторы промежуточного контура и общий второй держатель, имеющий общий блок управления.
По другому целесообразному варианту осуществления через указанный или указанные конструкционные держатели к указанному или указанным каналам радиатора охлаждения возможен подвод и отвод из них охлаждающей среды. Это особенно целесообразно, когда через один из конструкционных держателей охлаждающая среда подводится к указанному или указанным каналам радиатора охлаждения, а через другой из этих двух конструкционных держателей охлаждающая среда отводится от каналов радиатора охлаждения.
По другому целесообразному варианту осуществления в указанном или указанных конструкционных держателях предусмотрен распространяющийся перпендикулярно плоскости установочной поверхности подводящий сборный канал для подвода охлаждающей среды к указанному или указанным каналам и распространяющийся перпендикулярно плоскости установочной поверхности отводящий сборный канал для отвода охлаждающей среды, при этом соответствующий объем подводящего сборного канала и отводящего сборного канала очень сильно превышает объем указанного или указанных каналов, расположенных в области установочной поверхности. Благодаря этому может обеспечиваться хороших отвод тепла посредством охлаждающей среды. В частности, благодаря большему объему подводящего сборного канала и отводящего сборного канала по сравнению с объемом указанного или указанных каналов может гарантироваться, что даже при большом количестве модулей уложенных в стопу друг над другом, возможен равномерный отвод тепла от электронных компонентов каждого отдельного модуля.
По другому целесообразному варианту осуществления конструкционные держатели выполнены из керамического материала и цельно с радиатором охлаждения, имеющим установочную поверхность. По одному из альтернативных вариантов осуществления конструкционные держатели состоят из иного материала, чем радиатор охлаждения, имеющий установочную поверхность, и соединены друг с другом с геометрическим или с силовым замыканием. В то время как цельный вариант осуществления радиатора охлаждения, при котором конструкционные держатели и радиатор охлаждения, имеющий установочную поверхность, выполнены из керамического материала, позволяет получить замечательный отвод тепла, вариант, при котором конструкционные держатели состоят из иного материала, напр., алюминия, может изготавливаться с более низкими затратами. При этом отвод тепла несколько хуже, чем при первом названном варианте.
По другому целесообразному варианту осуществления для закрытия углубления на обеих сторонах углубления предусмотрено по уплотнительной пластине, которые включают в себя проход для разъемов управления или разъемов питания и нагрузки. Благодаря наличию уплотнительных пластин гарантирована возможность защиты простым образом электронных компонентов, расположенных внутри углубления, от влияний извне, таких как, напр., грязь и влага. Защита сверху осуществляется при этом либо другим модулем над упомянутым модулем, либо посредством особой оконечной пластины.
В частности, предусмотрено, что разъемы управления проходят через первую из уплотнительных пластин, при этом разъемы управления вне модуля механически и электрически посредством штекерного соединения соединены со вторым держателем. Таким образом обеспечивается простое изготовление преобразователя. В частности, штекерное соединение может также использоваться тогда, когда несколько модулей уложены в стопу друг над другом с получением модульного узла.
В частности, также предусмотрено, что разъемы питания и разъем нагрузки проходят через вторую из уплотнительных пластин, при этом разъемы питания вне модуля механически и электрически соединены с первой основной стороной первого держателя. При этом целесообразно, если ширина данных разъемов питания и нагрузки распространяется по большей части ширины углубления, для повышения способности пропускать токи большой силы за счет большой площади разъемов. Кроме того, большая площадь способствует также режиму быстрого переключения, т.е. эксплуатации преобразователя с высокой частотой.
По другому варианту осуществления указанный или указанные конденсаторы промежуточного контура расположены на второй основной стороне держателя. Другими словами, это означает, что модули расположены на первой основной стороне первого держателя. При этом получается компактная конструкция, имеющая для оптимизации индуктивности малые длины проводников.
Также целесообразно, если первый и второй разъем питания состоят из расположенных друг над другом и отделенных друг от друга изоляционным слоем шин из листовой стали. Благодаря этому, во-первых, могут передаваться высокие токи. Во-вторых, шины из листовой стали могут изготавливаться простым и экономичным образом. Благодаря параллельной прокладке шин из листовой стали первого и второго разъема питания обеспечивается емкостной эффект между разъемами питания. Благодаря этому желаемым образом может достигаться уменьшение паразитарных индуктивностей. Кроме того, это обеспечивает возможность также упомянутого проведения тока по большой площади для обеспечения способности пропускать токи большой силы, низких потерь и режима быстрого переключения. Кроме того, благодаря параллельной прокладке шин из листовой стали предпочтительно используется эффект вихревого тока.
По другому целесообразному варианту осуществления разъем нагрузки выполнен в виде другой шины из листовой стали, которая проложена над шинами из листовой стали разъемов питания и отделена от них изоляционным слоем. Это расположение позволяет получить простую и механически прочную конструкцию. Кроме того, может также гарантироваться высокая способность разъема нагрузки пропускать токи большой силы.
По другому варианту осуществления несколько расположенных друг над другом модулей механически соединены друг с другом для образования модульного узла. Например, модули модульного узла могут быть прижаты друг к другу с получением узла посредством резьбовых прутков. Эти резьбовые прутки могут быть, напр., проведены через сверления в конструкционных держателях. Как уже упоминалось выше, не требуется предусматривать в модульном узле для каждого модуля самостоятельный блок управления, а также специально предназначенные конденсаторы промежуточного контура. Более того, эти функциональные узлы могут изготавливаться для всех модулей модульного узла вместе, в частности, когда управление и переключение модулей должно осуществляться по параллельной электрической схеме.
Также целесообразно, если преобразователь включает в себя некоторое количество модульных узлов, соответствующее количеству фаз.
По другому целесообразному варианту осуществления каждый модульный узел соединен с одним общим вторым держателем. Этот второй держатель имеется предпочтительно в т.н. евроформате, независимо от количества соединенных друг с другом модулей модульного узла.
По другому целесообразному варианту осуществления все модульные узлы преобразователя механически и электрически соединены с первым держателем. Так, например, при мостовой схеме B6 может быть предусмотрено соединение всех конденсаторов промежуточного контура с первым держателем.
Ниже изобретение поясняется подробнее на одном из примеров осуществления на чертеже. Показано:
фиг.1: вид в плане модуля предлагаемого изобретением преобразователя;
фиг.2: вид сбоку модуля с фиг.1;
фиг.3: вид модуля с фиг.1 со стороны, через которую осуществляется управление электронными компонентами модуля;
фиг.4: вид сбоку модуля с фиг.1 со стороны, противоположной виду на фиг.2;
фиг.5: вид модуля с фиг.1 со сторон разъемов нагрузки;
фиг.6: вид модуля с фиг.1 снизу;
фиг.7: вид в перспективе модульного узла, который состоит из четырех расположенных друг над другом модулей, выполненных, как показано на фиг.1-6;
фиг.8: показано изображение в перспективе модульного узла, имеющего всего семь модулей, уложенных в стопу друг над другом, выполненных в соответствии с фиг.1-6, при этом с модулями соединен второй держатель для блока управления;
фиг.9: показан вид в плане предлагаемого изобретением преобразователя, у которого на первом держателе закреплены три модульных узла для обеспечения соответствующих фаз, при этом каждый из модульных узлов состоит из соответствующих семи модулей в соответствии с фиг.1-6, уложенных в стопу друг над другом;
фиг.10: вид преобразователя с фиг.9 сбоку;
фиг.11: преобразователь с фиг.9 и 1 - на другом виде сбоку; и
фиг.12: преобразователь с фиг.9-11 снизу.
На фиг.1-6 показан один из примеров осуществления предлагаемого изобретением модуля 10, который может использоваться отдельно или, укладываясь в стопу друг над другом и объединяясь в модульный узел, в предлагаемом изобретением преобразователе, имеющем промежуточный контур постоянного напряжения, для преобразования входного напряжения в переменное напряжение с предопределенной амплитудой и частотой, для управления не показанной на фигурах одно- или многофазной нагрузкой.
На фигурах одинаковые элементы снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями.
На фиг.1 показан вид модуля 10 в плане. Модуль 10 включает в себя керамический радиатор 11 охлаждения, имеющий установочную поверхность 12. На изображении фиг.1 установочная поверхность 12 распространяется параллельно плоскости чертежа. На установочной поверхности 12 выполнены обладающие проводимостью области 21, 22, 23, на которых установлено несколько электронных компонентов 24. Электронные компоненты 24 представляют собой, например, один или несколько полупроводниковых переключающих элементов, а также один или несколько диодов. Посредством установочной поверхности 12 производится монтаж схемы электронных компонентов между собой. Для этого известным специалисту образом монтаж схемы электронных компонентов осуществляется, например, с помощью проводниковых проволок (т.н. микронных токопроводящих проволочек), которые соединяют либо электронные компоненты 24 непосредственно друг с другом, либо электронные компоненты с обладающей проводимостью областью 21, 22, 23 на установочной поверхности 1. В модуле 10 монтаж схемы электронных компонентов 24 выполнен таким образом, что они образуют ветвь одной фазы преобразователя. Например, для этого возможен монтаж электронных компонентов 24 в виде половины мостовой схемы.
На двух противоположных сторонах установочной поверхности 12 радиатора 11 охлаждения, состоящего из керамического материала, расположено по одному конструкционному держателю 13, 17. При этом конструкционные держатели 13, 16 на изображении, показанном на фиг.2, распространяются по всей длине боковых кромок радиатора 11 охлаждения в направлении листа сверху вниз. Конструкционные держатели 13, 17 выдаются за установочную поверхность 12 в направлении, перпендикулярном установочной поверхности 12, т.е. перпендикулярном плоскости листа. При этом электронные компоненты 24 расположены в углублении, образованном между установочной поверхностью 12 и конструкционными держателями 13, 17. Таким образом, на показанном изображении конструкционные держатели распространяются, из плоскости чертежа в направлении наблюдателя. Участки конструкционных держателей 13, 17, обозначенные ссылочными обозначениями 44 и 45, образуют обращенные к наблюдателю участки прилегания соседнего модуля. На противоположных сторонах конструкционных держателей 13, 17 конструкционные держатели имеют ответные участки 46, 47 прилегания, как, например, можно лучше увидеть на видах сбоку фиг.2 и 3.
В то время как толщина конструкционных держателей 13, 17 перпендикулярно плоскости установочной поверхности составляет от 15 мм до 20 мм и задает тем самым «высоту» модуля, толщина радиатора 11 охлаждения в области установочной поверхности 12 перпендикулярно плоскости установочной поверхности 12 составляет от 3 мм до 5 мм. Толщина конструкционного держателя на фиг.2 обозначена 48, толщина радиатора охлаждения в области установочной поверхности - ссылочным обозначением 49.
На фиг.1-6 не видны предусмотренные в керамическом радиаторе 11 охлаждения каналы, которые проходят в области установочной поверхности (прямолинейно, извиваясь и т.п.). При эксплуатации преобразователя по этим каналам протекает охлаждающая среда для охлаждения электронных компонентов 24, расположенных на установочной поверхности 12, напр. вода. Подвод к каналу или каналам радиатора 11 охлаждения или, соответственно, отвод охлаждающей среды осуществляется в описанном здесь примере осуществления через два конструкционных держателя 13, 17, расположенных на противоположных сторонах радиатора охлаждения. Для этой цели конструкционный держатель 13 располагает подводящим сборным каналом 14, а конструкционный держатель 17 - отводящим сборным каналом 18. Подводящий сборный канал 15 и отводящий сборный канал 18 распространяются перпендикулярно плоскости установочной поверхности 12. Подводящий сборный канал 15 и отводящий сборный канал 18 - на фигурах не видно - надлежащим образом гидравлически соединены с каналами радиатора 11 охлаждения. При этом целесообразно, если соответствующий объем подводящего сборного канала 14 и отводящего сборного канала 18 очень сильно превышает объем канала или каналов, расположенных в области установочной поверхности 12 радиатора 11 охлаждения, чтобы гарантировать хороший отвод тепла, создаваемого электронными компонентами. Для этой цели подводящий сборный канал 14 и отводящий сборный канал 18 могут быть соединены внутри соответствующего конструкционного держателя 13, 17 с соответствующей полостью или переходить в нее.
Как, например, явствует из изображений сбоку фиг.2 и 3, подводящий сборный канал 15 и отводящий сборный канал 18 на своем нижнем конце имеют два штуцера, выдающихся за основную сторону радиатора 11 охлаждения. Эти штуцеры могут вставляться в соответствующие выемки подводящего сборного канала 14 и отводящего сборного канала 18 соседнего модуля для образования модульного узла. Для уплотнения соединения между двумя соседними модулями 10 штуцеры подводящего сборного канала 14 и отводящего сборного канала 18 окружены соответствующими уплотнениями 39, 40 (напр., круглыми кольцами). Уплотнения 39, 40 могут защемляться в соответствующих выемках сопряженного подводящего сборного канала и отводящего сборного канала соседнего модуля.
В описанном на фиг.1-6 примере осуществления предлагаемого изобретением модуля 10 конструкционные держатели 13, 17, как и радиатор 11 охлаждения, состоят из керамического материала и выполнены цельно. Это означает, радиатор 11 охлаждения с его установочной поверхностью 12 и конструкционные держатели 13, 17 образуют один, в частности неразъемный, блок.
В другом примере осуществления конструкционные держатели 13, 17 могут состоять из иного материала, чем радиатор 11 охлаждения, имеющий установочную поверхность 12. Предпочтительно этот другой материал является хорошо проводящим тепло и механически стабильным. Из соображений экономии предлагается, например, вариант осуществления конструкционных держателей 13, 17 из алюминия или другого металла. Тогда конструкционные держатели 13, 17 конструктивно соединены с радиатором 11 охлаждения, имеющим установочную поверхность 12, с геометрическим и/или с силовым замыканием.
Чтобы можно было соединить друг с другом несколько модулей 10-1, …, 10-n (где n представляет собой, в принципе, любое число) для образования модульного узла 100, конструкционный держатель 13 имеет крепежный участок 15, имеющий сверление 16. Соответствующим образом конструкционный держатель 17 имеет крепежный участок 19, имеющий сверление 20. Только в качестве примера крепежные участки 15, 19 располагаются друг напротив друга. Сверления 16, 19 распространяются по всей высоте или, соответственно, толщине конструкционного держателя 13, 17 или, соответственно, его крепежных участков 15, 19.
Как вытекает из фиг.7, которая изображает модульный узел 100, имеющий в качестве примера n=4 модулей 10-1, …, 10-4, уложенных в стопу друг над другом, через сверления 16 и 20 продето по резьбовому прутку 103 или, соответственно, 105. В качестве внешнего ограничения модульного узла 100 в области каждого из крайних наружных модулей 10-1 и 10-4 расположены прижимные пластины 101 и 102, при этом резьбовые прутки 103 и 105 пронизывают также прижимные пластины 101 и 102. Посредством гаек 104 или, соответственно, 106, навернутых на два противоположных конца резьбовых прутков 103, 105, модули 10-1-10-4 стянуты друг с другом.
Соответствующим образом на фиг.7 можно видеть, что каждый из подводящих сборных каналов 14 данного количества модулей 10-1-10-4 распространяются по всей толщине модульного узла 100. Соответствующим образом отводящие сборные каналы 18 этого количества модулей 10-1-10-4 распространяются по всей высоте модульного узла 100. Ссылочным обозначением 107 обозначен общий подвод модульного узла, а ссылочным обозначением 108 - общий отвод модульного узла 100. Благодаря расположению общего подвода 107 на верхней прижимной пластине 101, а общего отвода 108 - на нижней прижимной пластине 102, гарантировано осуществление равномерного отвода тепла от электронных компонентов различных модулей 10-1-10-4.
Ниже снова делается ссылка на вариант осуществления отдельного модуля 10 и фиг.1-6. Для закрытия углубления, образованного между установочной поверхностью 12 и конструкционным держателем 13, 17, на обеих открытых сторонах углубления предусмотрено по уплотнительной пластине 30, 31. Уплотнительные пластины 30, 31 состоят из изолирующего материала, напр. полимерного материала.
Сквозь уплотнительную пластину 30 проходит некоторое количество разъемов 25, 26 управления (каждый в виде некоторого количества контактных штырьковых выводов). Разъемы 25, 26 управления вне модуля 10 электрически и механически соединены с описываемым ниже блоком управления. С помощью разъемов 25, 26 управления может осуществляться управление полупроводниковыми переключающими элементами модуля 10. Как можно лучше всего увидеть из фиг.3, уплотнительная пластина 30 на своем направленном вверх конце имеет два выступа 41, 42. Эти выступы 41, 42 могут механически вставляться в соответствующие гнезда или лапки уплотнительной пластины модуля, находящегося в стопе над ними, чтобы гарантировать герметичное окончание объема углубления. Кроме того, из фиг.3 хорошо видно, что разъемы 25, 26 управления распространяются из плоскости уплотнительной пластины 30 примерно перпендикулярно.
Сквозь уплотнительную пластину 31 проходит шина 32 из листовой стали первого разъема 33 питания (напр., минусового полюса), шина 36 из листовой стали второго разъема 37 питания (напр., плюсового полюса), а также шина 27 из листовой стали разъема 29 нагрузки. Как лучше всего можно видеть на видах сбоку фиг.2, 4 и 5, между слоями 32 и 26 листовой стали расположен изоляционный слой 35, а между слоями 27 и 32 листовой стали - изоляционный слой 28. Как явствует также из названных видов сбоку, слои 27, 32 и 36 листовой стали в показанном здесь примере осуществления распространяются из радиатора 11 охлаждения в сторону на различные длины, при этом они проходят параллельно плоскости установочной поверхности 12. Собственно контактные поверхности, т.е. первый разъем 33 питания, второй разъем 37 питания, а также разъем 29 нагрузки, загнуты относительно плоскости прохождения шин 27, 32, 36 из листовой стали вниз под 90° (т.е. здесь в направлении установочной поверхности 12). Тогда посредством этих «лапок» осуществляется электрическое и/или механическое контактирование упомянутых разъемов. Этот вариант осуществления является только примером.
Первый разъем 33 питания и второй разъем 37 питания имеют по некоторому количеству сверлений 34, 38, в которые в описанном ниже держателе 110 запрессовываются контактные штырьковые выводы 113. Это можно наглядно увидеть на фиг.10. Через разъем 29 нагрузки продеты два винта или болта 29A с резьбой, так что питаемая нагрузка может подключаться посредством не изображенных подробнее, привернутых к ним проводников.
В то время как шины 32, 36 из листовой стали разъемов 33, 37 питания и шины 27 из листовой стали разъема 29 нагрузки состоят из металла, предпочтительно меди или медного сплава, изоляционные слои 28, 35 состоят из изолирующего материала, напр. макролона или полиэтилена (ПЭ).
Как лучше всего явствует из фиг.1, обращенный от разъема 29 нагрузки конец шины 27 из листовой стали соединен с обладающей проводимостью областью 21 на установочной поверхности 12 керамического радиатора 11 охлаждения. Соединение может осуществляться, например, пайкой. Соответствующим образом шины 32, 36 из листовой стали первого и второго разъема 33, 37 питания могут быть соединены электропроводящим соединением с обладающими проводимостью областями 22, 23 на установочной поверхности 12 керамического радиатора 11 охлаждения.
На фиг.7 на изображении в перспективе показан один из примерных вариантов осуществления модульного узла 100, имеющего только в качестве примера четыре модуля 10-1, …, 10-4, уложенных в стопу друг над другом, которые выполнены каждый, как описано на фиг.1-6. Механическое соединение посредством резьбовых прутков 103 и 105, а также подвод и отвод охлаждающей среды уже пояснялись.
Из изображения в перспективе фиг.7 хорошо видно, что разъемы 25, 26 управления каждого модуля 10-1-10-4 направлены в одну и ту же сторону модульного узла 100. Соответствующим образом расположены разъемы 29 нагрузки, имеющие винты 29A, а также разъемы 33, 37 питания на другой стороне модульного узла 100. Так, можно легко видеть, что, в частности, данные разъемы 33 и 37 питания этих четырех модулей 10-1-10-4, уложенных в стопу друг над другом, лежат в одной общей плоскости, которая распространяется перпендикулярно плоскости установочных поверхностей 12 данных модулей 10-1-10-4 и перпендикулярно направлению распространения шин 27, 32, 36 из листовой стали. Плоскость, в которой лежат разъемы 25, 26 управления, параллельна плоскости, в которой лежат разъемы 29 нагрузки, имеющие винты 29A.
Модульный узел 100, который показан на фиг.7, служит, например, для управления одной фазой не показанной нагрузки. Для этого управление электронными компонентами каждого модуля 10-1-10-4 осуществляется с помощью схемы управления вместе и параллельно, так что на разъемах 29 нагрузки имеется в распоряжении соответствующий ток нагрузки, который подается к этой фазе нагрузки. Таким образом, с помощью данного количества модулей 10, уложенных в стопу друг над другом, может устанавливаться возможная для модульного узла 100 максимальная мощность.
В другом варианте осуществления возможно также подключение к разъемам нагрузки различных модулей 10-1-10-4 различных фаз одной или нескольких нагрузок.
На фиг.8 на изображении в перспективе показан модульный узел 100, имеющий теперь уже, в качестве примера, семь модулей 10-1, …, 10-7, уложенных в стопу друг над другом. Ссылочным обозначением 120 обозначен держатель, напр. печатная плата, а котором установлены компоненты не изображенного блока управления. С помощью соответствующих контактных элементов на не видимой на фиг.8 задней стороне электрически и механически контактируются разъемы 25, 26 управления. Позиционирование держателя 120 осуществляется посредством расположенных на каждом модуле 10 (точнее, конструкционном держателе 13) позиционирующих шипов 43, которые вставляются в соответствующие выемки 121 держателя 120. На обращенной к наблюдателю основной стороне держателя 120 расположены компоненты блока управления.
Как можно легко видеть из этого изображения, основная плоскость держателя 120 блока управления расположена перпендикулярно плоскости установочных поверхностей 12 модулей 10-1-10-7 модульного узла 100.
На фиг.9-12 изображен один из примеров осуществления предлагаемого изобретением преобразователя 1, имеющего три модульных узла 100-1, 100-2, 100-3, которые описаны выше, из различных перспектив. При этом модульный узел 100-1 служит для предоставления тока для первой фазы не изображенной нагрузки. Соответствующим образом модульный узел 100-2 предоставляет ток для второй фазы нагрузки, а модульный узел 100-3 - ток для третьей фазы нагрузки. Преобразователь 1 представляет собой, например, преобразователь B6. Это означает, что каждый модульный узел 100-1, 100-2, 100-3 выполнен в виде половины мостовой схемы. Тогда электронные компоненты каждого модуля 10 каждого модульного узла 100-1, 100-2, 100-3 соединены по параллельной схеме.
Только в качестве примера каждый модульный узел 100-1 имеет семь (т.е. n=7) модулей, уложенных в стопу друг над другом, которые описывались с связи с фиг.1-6. Конечно, могло бы быть также выбрано другое количество n.
Как следует из вида в плане фиг.9, модульные узлы 100-1, 100-2 и 100-3 посредством своих разъемов 29 нагрузки, имеющих соответствующие контактные штырьковые выводы 113, механически и электрически закреплены на уже упомянутом держателе 110. Этот вид контактирования, который может осуществляться с помощью холодной сварки, лучше виден на виде сбоку фиг.10. На обращенной на фиг.9 к наблюдателю основной стороне держателя 110 расположен обладающий проводимостью слой 111. Этот плоскостно расположенный на основной стороне держателя 110, обладающий проводимостью слой 111 служит для электрического экранирования.
Как можно видеть из изображения сбоку фиг.10 и 11, на другой основной стороне держателя 110 расположены несколько конденсаторов 112, которые представляют собой т.н. конденсаторы промежуточного контура. Легко видно, что основная плоскость держателя 110, на котором расположены (соединенные по параллельной схеме) конденсаторы промежуточного контура, расположена перпендикулярно плоскости установочных поверхностей модулей 10 каждого модульного узла 100-1, 100-2, 100-3.
Как, например, можно видеть на виде снизу на фиг.12, каждый модульный узел 100-1, 100-2, 100-3 снабжается охлаждающей средой из собственного циркуляционного контура охлаждения. Благодаря этому становится возможным равномерное охлаждение всех электронных компонентов всех модульных узлов 100-1, 100-2, 100-3.
Из изображений фиг.9 и 10 особенно хорошо видно, что осуществленный здесь принцип расположения электронных компонентов одной или нескольких фаз в первой плоскости, расположения конденсатора промежуточного контура на держателе, расположение его основной плоскости перпендикулярна плоскости установочной поверхности электронных компонентов отдельных модулей, и расположения блока управления на держателе, основная плоскость которого тоже расположена перпендикулярно плоскости установочной поверхности, позволяет получить особенно компактный и, в частности, имеющий желаемую модульную конструкцию преобразователь 1.
В показанном здесь примере осуществления эти названные три плоскости располагаются каждая перпендикулярно друг другу. В одной из модификаций могло бы также быть предусмотрено вращение этих модульных узлов 100-1, 100-2 и 100-3 относительно основной плоскости держателя 110 таким образом, чтобы основная плоскость держателя 110 лежала параллельно основным плоскостям держателей 120-1, 120-2 и 120-3 для каждого из блоков управления модульных узлов 100-1, 100-2 и 100-3. Это требует только адаптации в отношении варианта осуществления шин 32, 36 и 27 из листовой стали, а также принадлежащих им разъемов 33, 37 и 29 нагрузки.
Это компактное и занимающее мало места расположение становится возможным благодаря применению керамических радиаторов охлаждения указанных модулей. Благодаря тому, что модули могут укладываться в стопу друг над другом в любом количестве, при параллельной схеме соединения может масштабироваться мощность каждого модульного узла. Укладывание в стопу отдельных модулей приводит к эффективному монтажу, так как не требуются никакие дополнительные издержки в отношении разъемов охлаждения отдельных радиаторов охлаждения. Кроме того, может также осуществляться нагрев блока управления через держатель 120 и непосредственный контакт с торцевыми сторонами конструкционных держателей 13, 17.
Кроме того, при названном расположении плоскостей друг относительно друга, благодаря коротким проводниковым соединениям, могут минимизироваться паразитарные индуктивности. В частности, благодаря этому в каждом модуле могут реализовываться маленькие коммутирующие ячейки. Склонность к самовозбуждению может учитываться посредством демпфирующего сопротивления в сочетании с конденсаторами 112 промежуточного контура. Демпфирующее сопротивление может предусматриваться на установочной поверхности 12 каждого модуля 10.
При параллельной схеме соединения нескольких модулей в модульном узле, независимо от количества модулей в этом модульном узле, требуется предоставление только одной топологии драйвера блока управления. Предпочтительно держатель 120 предоставляется в евроформате (т.е. размером 100 мм × 160 мм), так что с помощью многослойной конструкции реализуемы короткие маршруты для синхронизации значений времени действия. При необходимости, если количество модулей модульного узла слишком мало, отдельные штекерные гнезда могут оставаться свободными. Электронные компоненты блока управления служат для низкоиндуктивного, идентичного (т.е. синхронного) управления отдельными модулями. Легкий монтаж блока управления осуществляется с помощью разъемов 25, 26 управления путем вставного монтажа. Оптимальное присоединение держателя 120 к конструкционным держателям 13, 17 осуществляется с помощью удерживающих винтов для создания давления прижима, оптимизированного для охлаждения. Эти удерживающие винты на фиг.8 обозначены ссылочным обозначением 50.
Благодаря возможности исполнения шин 27, 32 и 36 из листовой стали с большой площадью и возможности прокладывания их параллельно друг другу обеспечивается желаемое уменьшение паразитарных индуктивностей. Кроме того, гарантируется высокая способность пропускать токи большой силы для минимизации потерь. Это позволяет переключать электронные компоненты, в частности полупроводниковые переключающие компоненты, с высокой частотой.
1. Преобразователь, имеющий промежуточный контур постоянного напряжения, для преобразования входного напряжения в переменное напряжение с предопределенной амплитудой и частотой для управления одно- или многофазной нагрузкой, имеющий
- некоторое количество модулей (10; 10-1, …, 10-7), выполненных с возможностью укладки в стопу друг над другом, при этом каждый модуль (10; 10-1, …, 10-7) включает в себя керамический радиатор (11) охлаждения, имеющий установочную поверхность (12), на которой помещены электронные компоненты (24) одной фазы, при этом керамический радиатор (11) охлаждения имеет в области установочной поверхности (12) один или несколько каналов, по которым при эксплуатации преобразователя (1) может протекать охлаждающая среда;
- по меньшей мере один конденсатор (112) промежуточного контура, а также входные и выходные силовые разъемы, которые расположены на первом держателе (110), основная плоскость которого расположена перпендикулярно плоскости установочной поверхности (12);
- блок управления для управления электронными компонентами (24) фазы, причем этот блок управления расположен на втором держателе (120), основная плоскость которого расположена перпендикулярно плоскости установочной поверхности (12).
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере на двух противоположных сторонах установочной поверхности (12) расположено по одному конструкционному держателю (13, 17), причем эти конструкционные держатели (13, 17) в направлении, перпендикулярном установочной поверхности (12), выдаются за установочную поверхность (12), так что электронные компоненты (24) лежат тогда в углублении, образованном между установочной поверхностью (12) и конструкционными держателями (13, 17), при этом конструкционные держатели (13, 17) на своих находящихся в направлении протяженности концах имеют участки (44, …, 47) прилегания к соседнему модулю (10; 10-1, …, 10-7).
3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что толщина радиатора (11) охлаждения в области установочной поверхности (12) в направлении, перпендикулярном плоскости установочной поверхности (12), составляет от 3 мм до 5 мм.
4. Преобразователь по п.2 или 3, отличающийся тем, что толщина конструкционных держателей (13, 17) в направлении, перпендикулярном плоскости установочной поверхности (12), составляет от 15 мм до 20 мм.
5. Преобразователь по одному из пп.2-4, отличающийся тем, что через указанный или указанные конструкционные держатели (13, 17) возможен подвод к указанному или указанным каналам радиатора (11) охлаждения и отвод из них охлаждающей среды.
6. Преобразователь по п.5, отличающийся тем, что в указанном или указанных конструкционных держателях (13, 17) предусмотрен распространяющийся перпендикулярно плоскости установочной поверхности (12) подводящий сборный канал (14) для подвода охлаждающей среды к указанному или указанным каналам и распространяющийся перпендикулярно плоскости установочной поверхности (12) отводящий сборный канал (18) для отвода охлаждающей среды, при этом соответствующий объем подводящего сборного канала (14) и отводящего сборного канала (18) очень сильно превышает объем указанного или указанных каналов, расположенных в области установочной поверхности (12).
7. Преобразователь по одному из пп.2-6, отличающийся тем, что конструкционные держатели (13, 17) выполнены из керамического материала и цельно с радиатором (11) охлаждения, имеющим установочную поверхность (12).
8. Преобразователь по одному из пп.2-6, отличающийся тем, что конструкционные держатели (13, 17) состоят из иного материала, чем радиатор (11) охлаждения, имеющий установочную поверхность (12), и соединены друг с другом с геометрическим или с силовым замыканием.
9. Преобразователь по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что для закрытия углубления на обеих сторонах углубления предусмотрено по уплотнительной пластине (30, 31), которые включают в себя проход для разъемов управления или разъемов питания и нагрузки.
10. Преобразователь по п.9, отличающийся тем, что разъемы управления проходят через первую из уплотнительных пластин (30), при этом разъемы управления вне модуля (10; 10-1, …, 10-7) механически и электрически соединены со вторым держателем (120) посредством штекерного соединения.
11. Преобразователь по п.9 или 10, отличающийся тем, что разъемы питания и разъем нагрузки проходят через вторую из уплотнительных пластин (31), при этом разъемы питания вне модуля (10; 10-1, …, 10-7) механически и электрически соединены с первой основной стороной первого держателя (110).
12. Преобразователь по п.11, отличающийся тем, что указанный или указанные конденсаторы (112) промежуточного контура расположены на второй основной стороне держателя (110).
13. Преобразователь по одному из пп.9-12, отличающийся тем, что первый и второй разъем питания состоят из расположенных друг над другом и отделенных друг от друга изоляционным слоем (35) шин (32, 36) из листовой стали.
14. Преобразователь по одному из пп.9-12, отличающийся тем, что разъем нагрузки выполнен в виде другой шины (27) из листовой стали, которая проложена над шинами (32, 36) из листовой стали разъемов питания и отделена от них изоляционным слоем (28).
15. Преобразователь по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что несколько расположенных друг над другом модулей (10; 10-1, …, 10-7) механически соединены друг с другом для образования модульного узла (100-1, 100-2, 100-3).
16. Преобразователь по п.15, отличающийся тем, что он включает в себя некоторое количество модульных узлов (100-1, 100-2, 100-3), соответствующее количеству фаз.
17. Преобразователь по п.15 или 16, отличающийся тем, что каждый модульный узел (100-1, 100-2, 100-3) соединен с одним общим вторым держателем (120-1, 120-2, 120-3).
18. Преобразователь по одному из пп.15-17, отличающийся тем, что каждый модульный узел (100-1, 100-2, 100-3) соединен с первым держателем (110).
