Силовой преобразователь

1 Предмет изобретения Настоящее изобретение относится к такому устройству как силовому преобразователю или модулю преобразователя, состоящего из статических ключей, включающих набор полупроводников. Примерами силовых преобразователей являются импульсные прерыватели и инверторы. Технологические предпосылки создания изобретения Инверторы, и в частности инверторы напряжения, предназначены для получения переменного напряжения из постоянного напряжения. Особенно важной областью применения является регулирование частоты вращения синхронных или асинхронных машин. В этом случае необходимо обеспечить нагрузку, которая может быть представлена каждой фазой синхронного или асинхронного двигателя,трехфазной системой напряжений, которая настолько близка, насколько это возможно к сбалансированной синусоидальной трехфазной системе с изменяющейся частотой и изменяющейся амплитудой. Инвертор напряжения является устройством,позволяющим достичь этой цели, и которое обычно использует модули с силовыми элементами, такими как тиристоры, GTO (запираемые тиристоры) и т.д. Недавно появились новые типы статических ключей, которые можно определить термином"IGBT" (биполярный транзистор с полевым управлением). Эти устройства являются управляемыми элементами в том смысле, что можно в любой момент задать требуемый ток в ключе, регулируя напряжение на его управляющем затворе, тогда как для старого поколения ключей, представленного,например, GTO или аналогичными элементами,можно задать лишь момент их открытия и момент их закрытия. Это означает, согласно известному уровню техники, то есть в случае, когда для изготовления инверторов используются только полупроводникиGTO типа, что они не могут использоваться без присоединенной защитной цепи (демпфирующей цепи), которая позволяет регулировать перенапряжения между их выводами. Действительно, если бы такой цепи не было,они были бы разрушены при первом переключении вследствие перенапряжений, вызванных паразитными индуктивностями проводов. С другой стороны, для ключей, сформированных из IGBT полупроводников, можно обходиться без защитной цепи. Действительно, переключая ток настолько быстро, насколько это возможно для уменьшения потерь и избегая создания мешающих перенапряжений, нет необходимости добавлять эту защитную цепь. Однако чтобы достичь этих пределов и более полно использовать IGBT элементы, необходимо уменьшать индуктивность проводов до очень низких значений, чего трудно добиться с обычными корпусами, которые используются для полупроводников GTO типа.IGBT полупроводники обычно монтируются в форме модуля. Практически IGBT полупроводники и их встречный диод помещают в один корпус. Конструкция корпуса должна быть такой, чтобы минимизировать внутренние паразитные индуктивности в пределах корпуса и обеспечить внутреннее соединение шиной, которая минимизирует паразитную индуктивность проводов. Согласно известному уровню техники, эти модули имеют базовую плиту, которая служит для механической установки на радиатор. Базовая плита электрически изолирована от полупроводников,и, следовательно, от силовых и управляющих соединительных выводов. Таким образом, модуль может прикрепляться к радиатору, который непосредственно соединен с землей. Изоляция модулей должна быть разработана так, чтобы соответствовать напряжению питания сети, для которой она разрабатывалась. Например,диоды и IGBT модули на 3300 В в настоящее время обладают изоляцией, адаптированной к сети 1500 В постоянного напряжения. Однако в случае использования номинального постоянного напряжения питания - 3000 В видно,что эта изоляция, также как и номинальное напряжение модуля, недостаточны. Так как о номинальном напряжении модуля особенно заботятся, предложение о размещении полупроводников последовательно уже предусмотрено для решения этой проблемы. Однако размещение полупроводников последовательно решает только проблему номинального напряжения, но не проблему изоляции IGBT модулей. Для использования без определенных мер предосторожности в сети 3000 В постоянного напряжения необходимо применять IGBT модули с изоляцией, предназначенной для этой цели. Цели изобретения Первой целью настоящего изобретения является решение проблемы недостаточной изоляции в случае использования изолированных IGBT модулей на напряжение питания заметно меньшее, чем напряжение питания, при котором работает преобразователь. В частности, настоящее изобретение предлагает преобразователь, который позволяет использовать изолированные IGBT на постоянное напряжение 1500 В в случае номинального постоянного напряжения питания 3000 В. Второй целью настоящего изобретения является предложение устройства, которое позволяет ограничить повреждение преобразователя в случае дефекта изоляции как IGBT модуля, так и изолированного блока радиатора (блока охлаждения) силового преобразователя. Третьей целью настоящего изобретения является предложение способа обнаружения дефекта изоляции как IGBT модуля, так и изолированного блока радиатора силового преобразователя. Другие цели и преимущества станут очевидными из последующего описания. 3 Основные характерные элементы изобретения Настоящее изобретение относится к силовому преобразователю, такому как инвертор напряжения, питаемый постоянным напряжением питания(напряжением контактной сети) (U к.с.), причем этот преобразователь, состоящий из статических ключей IGBT типа, имеет форму, по крайней мере,одного IGBT модуля, прикрепленного непосредственно к блоку радиатора, связанного с ребрами или аналогичным блоком, и отличается тем, что обеспечивается изоляция между блоком радиатора и ребрами, и тем, что блок радиатора, к которому прикрепляется IGBT модуль или модули, соединен с промежуточным потенциалом, находящимся между потенциалом ребер и верхней точкой напряжения питания (U к.с.) силового преобразователя. В самом простом случае можно предусмотреть монтаж нескольких IGBT модулей на одном блоке радиатора, изолированном от ребер. Согласно предпочтительной реализации установка промежуточного потенциала выполнена при помощи резистивного делителя. Согласно особенно предпочтительной реализации, ограничитель амплитуды напряжения, который позволяет ограничить напряжение в случае перенапряжения, связан, например, с IGBT модулями. Настоящее изобретение относится также к способу обнаружения дефекта в изоляции как IGBT модуля, так и блока радиатора, отличающемуся тем, что промежуточный потенциал, полученный от источника напряжения с последовательным сопротивлением, измеряют и сравнивают с теоретическим значением. Описание чертежей Фиг. 1 представляет перспективный вид образца модуля силового преобразователя, подобного модулю, использованному в известном уровне техники. Фиг. 2 а и 2b представляют частичную схемуIGBT модуля, также как и модуля силового преобразователя по настоящему изобретению. Фиг. 3 представляет перспективный вид образца реализации модуля силового преобразователя по настоящему изобретению. Фиг. 4 представляет перспективный вид второй реализации модуля силового преобразователя,включающего два по три (2 х 3)IGBT. Фиг. 5 представляет принцип действия и применение модулей с изолированным радиатором. Фиг. 6 представляет устройство, предназначенное для обнаружения пробоя изоляции. Фиг. 7 представляет перспективный вид модуля ограничителя амплитуды, который может быть связан с модулем преобразователя, представленным на фиг. 3 и 4. Описание нескольких предпочтительных реализаций изобретения Как уже упоминалось, силовые преобразователи, обычно состоящие из импульсных прерывателей и из инверторов, являются устройствами,которые используют статические ключи. Эти клю 002062 4 чи непосредственно состоят из набора таких полупроводников как тиристоры, GTO, IGBT и т.д. Традиционно, эти силовые преобразователи требуют использования блока радиатора для удаления тепла, выделенного преобразователем при работе. Этот блок радиатора обычно непосредственно связан, возможно, изолированными трубками, с ребрами или с любой другой системой, имеющей аналогичную функцию. Примеры таких блоков радиатора приведены на фиг. 4 и 5. Согласно известному уровню техники и как представлено на фиг. 1, преобразователь выполнен при помощи нескольких обычных ключей 52,предпочтительно GTO типа, охлажденных изолированным радиатором. Изолированный радиатор состоит из блока испарителя 54, работающего в качестве блока радиатора, каждый из которых связан трубкой 51 с блоком ребер 0. Изображен пакет различных ключей 52 и блоков испарителей 54 последовательных радиаторов. Этот пакет сжат посредством подходящего устройства 53 (зажима). Другой конец изолированного радиатора 51 связан с блоком ребер, представленным на схеме ссылкой 0. Настоящее изобретение предлагает устройство, использующее IGBT модули, которое позволяет решить проблему номинала изоляции для напряжения питания заметно большего, чем напряжение,для которого разработана изоляция IGBT модуля. В настоящее время IGBT элементы обладают изоляцией, адаптированной к сети 1500 В постоянного напряжения, принимая во внимание, что в некоторых применениях используется постоянное напряжение питания сети (U к.с.) 3000 В. Фиг. 2 а представляет основную схему IGBT модуля. IGBT модуль обычно включает несколько полупроводников 21, смонтированных на базовой плите 11. Обычно обеспечивается изоляция 12 для изоляции различных полупроводников 21, а также управляющих и соединительных выводов 4 от базовой плиты 11. Фиг. 2b представляет, в виде участка схемы,модуль преобразователя согласно настоящему изобретению, включающий один или большее количество IGBT модулей или корпусов 10, прикрепленных к блоку радиатора 14, который непосредственно связан с ребрами 0 для удаления тепла, выделенного IGBT корпусами при работе. Согласно первой важной характеристике настоящего изобретения, дополнительная изоляция 13 вне IGBT модуля 10 обеспечивается между ребрами 0 и блоком радиатора 14. Согласно другой важной характеристике настоящего изобретения, блок радиатора 14, к которому прикрепляется IGBT модуль или модули 10,соединен с промежуточным потенциалом, находящимся между потенциалом ребер 0, обычно заземленным (0 V), и верхним потенциалом питания силового преобразователя (+U к.с.). 5 Это позволяет гарантировать изоляцию IGBT модулей без чрезмерного напряжения их собственной изоляции. Кроме того, эта дополнительная изоляция не должна обладать такими размерами, чтобы выдержать полное напряжение питания сети, а должна только выдержать разность потенциалов между промежуточным потенциалом и землей (0 V). Фиг. 3 представляет перспективный вид плеча трехуровневого инвертора, включающего два по два IGBT модуля. Согласно этой реализации, видно, что две пары IGBT модулей 101, 102 с одной стороны и 103,104 с другой стороны расположены друг напротив друга и прикреплены к одному блоку испарителя 14 радиатора, который непосредственно изолирован от блока ребер 0. Это устройство обеспечивает легкий и простой монтаж, который сокращает используемый объем, насколько это возможно. Этот модуль формирует плечо трехуровневого инвертора. Фиг. 4 представляет перспективный вид модуля, формирующего два плеча трехуровневого инвертора, включающего два по три (2 х 3) IGBT модуля. Согласно этой предпочтительной реализации,три модуля, описанных на фиг. 4, связаны с модулем импульсного прерывателя реостатного торможения (не представлен). В случае, когда функция реостатного торможения не нужна, модуль импульсного прерывателя торможения может быть заменен модулем ограничителя амплитуды, представленным на фиг. 7. Фиг. 5 описывает принцип работы устройства согласно настоящему изобретению в частном случае применения, относительно модуля преобразователя с изолированным радиатором, представленного на фиг. 3. Конденсор радиатора трубчатого типа, представленный рядом ребер 0, заземлен, тогда какIGBT модули прикреплены к блоку испарителя 14. Согласно настоящему изобретению, обеспечивается изоляция 13 между конденсором 0 и испарителем 14. Блок испарителя 14 будет подключен к напряжению, которое составляет половину входного напряжения преобразователя, посредством резистивного делителя. Выходное напряжение преобразователя изменяется как функция состояния статических ключей,из которых он состоит, и находится между 0, являющимся нижним потенциалом преобразователя,и U контактной сети, являющимся напряжением питания преобразователя. Аналогично напряжение на выводах полупроводников также находится между напряжением питания преобразователя U к.с. и 0. С другой стороны, напряжение, приложенное к изоляции 13 IGBT модулей, будет лежать между [U к.с./2] и [+U к.с./2] и, в абсолютном значении,будет лежать между 0 и U к.с./2. Фиг. 6 показывает, как может быть выполнено обнаружение пробоя изоляции. В случае пробоя изоляции IGBT модуля или даже радиатора, потенциал испарителя радиатора больше не будет опре 002062 6 деляться исключительно резистивным делителем(R1, R2). Он будет априорно отличаться от потенциала, полученного резистивным делителем перед пробоем изоляции. Для этого достаточно измерить значение потенциала испарителя и сравнить его с теоретическим значением, которое можно получить, например, посредством резистивного делителя (R3, R4) с теми же характеристиками, но который не связан с испарителем радиатора, как представлено в деталях на фиг.5. Это позволяет легко обнаружить дефект изоляции. Фиг. 7 представляет модуль ограничителя амплитуды, который может быть связан с одним или большим количеством модулей, представленных на фиг. 3 и 4, для ограничения напряжения на входном конденсаторе. Следует отметить, что этот ограничитель амплитуды не обладает радиатором. Последний заменен той самой плитой, к которой прикрепляются различные IGBT модули. Эта плита соединена с устройством установки потенциала согласно настоящему изобретению. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Силовой преобразователь, питаемый постоянным напряжением питания (напряжением контактной сети) (U к.с.) и состоящий из статических ключей типа биполярного транзистора с полевым управлением (IGBT), имеющий форму, по крайней мере, одного IGBT модуля (10), прикрепленного непосредственно к блоку радиатора (14), связанному с ребрами (0) или аналогичным им блоком, отличающийся тем, что он снабжен электрической изоляцией (13), установленной между блоком радиатора (14) и ребрами (0), при этом блок радиатора(14), к которому прикрепляется IGBT модуль или модули (10), соединен с источником промежуточного потенциала, значение потенциала которого находится между потенциалом ребер (0) и верхней точкой напряжения питания (+U к.с.) силового преобразователя. 2. Силовой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок радиатора (14) подключен к источнику промежуточного потенциала, потенциал которого равен среднему значению между потенциалами ребер (0) и верхней точкой напряжения питания силового преобразователя. 3. Силовой преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что ребра (0) заземлены. 4. Силовой преобразователь по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что блок радиатора (14) подключен к источнику промежуточного потенциала в виде резистивного делителя (R1, R2). 5. Силовой преобразователь по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что несколько IGBT модулей (10), образующих статические ключи преобразователя, монтируются на одном блоке радиатора (14). 6. Силовой преобразователь по п.5, отличающийся тем, что две пары IGBT модулей (101, 102 и 103, 104), расположенные друг напротив друга два по два, смонтированы на одном блоке радиатора(14), причем блок радиатора (14) является блоком испарителя радиатора. 7. Силовой преобразователь по п.5, отличающийся тем, что ограничитель амплитуды напряжения (20) связан с IGBT модулями (10). 8 8. Способ обнаружения дефекта в изоляции силового преобразователя по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что промежуточный потенциал, полученный делителем (R1,R2), измеряют и сравнивают с его значением, полученным другим делителем (R3, R4).