Полупроводниковый блок

(19) (И) 151)5 Н О 1 1. 25/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТпо изоаеетекиям и отнеытиямПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе(56) Авторское свидетельство СССРМ 191991, кл. Н 01 1, 25/02, 1983,Авторское свидетельство СССРИ 1372426, кл, Н О 1 1, 25/02, 1986,1(Я) Использование: в вентильныхблоках преобразовательных устройствиндукционных установок, выполненныхна базе инверторов со встречно-паИзобретение относится к преобразовательной технике и может найти широкое применение при конструиро"%. вании полупроводниковых блоков преобразовательных устройств индукционных установок, выполненных на базе инверторов с встречно-параллельными диодами,Известен преобразовательнь 1 й блок, содержащий вклюценные последовательно полупроводниковые аентили, закрепленные на соединенных посредством диэлектрических шлангов водоохлаждаемых охладителях со скобами, один вывод блока образован скобой охладителя первого вентиля, а другой- выводом последнего вентиля, не связанным с его охладителями, при этом раллельными диодами. Сущность изобретения; устройство содержит парал-лельные транспортные и диодные столбы, объединенные между собой общимиохладителями, выполняющими такжеропь токоподводов и токопроводящихперемычек между тиристорами и диода-.ми. Охладители снабжены теплопроводящими пластинами, закрепленными наохладителях для размещения на нихоборудования и элементов функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями, Прижимной механизм выполнен в виде струбцины и закрепленного на ее основании центрирующего элемента, выполненного из электроизоляционного материала. 8 ил. диэлектрические шланги, последовательно соединяющие охладители указанных вентилей, выполнены равнымипо длине, а хладагент выбран с удельным сопротивлением воды 3 с 3000 Омхх см, причем соотношение длины диэлектрического шланга к площади его1. цсечения выбрано равным - = т- гдев 3. ф1 и в длина и площадь сецения ди 1электрического шланга соответственно; 0 - напряжение, приложенное к вентилю; х - ток утечки через воду,- удельное сопротивление воды, так что указанные шланги выполняют роль шунтирующих резисторов,При проектировании преобразовательных устройств индукционных ус1737568 Риг. 8 Корректор С.Шекмар убиет СССР сударстве 11изводственно-издательский омбинат "Патент", г. Умгород, ул рина Редактор вввееЗаказ 189 ВЯИИПИ Го Составитель В,Иарои Техред Л, Олийнык,вев Тиражго онитета по изобрете5, Иосква, Ж"35, Рауаск Подписноеоткрытаитановок, выполненных на базе инвер=торов с встречно-параллельными диодами, возникает необходимость последовательного и параллельного соединения тиристоров и.диодов. Используя для,этих целей данное техническое решение, требуется применять отдельные тиристорные и диодные столбы, собираемые на индивидуальных охладителях, которые необходимодополнительно соединять электрически перемычками. Все это усложняетконструкцию полупроводниковых блоков,сужает эксплуатационные возможности,требует большого количества охладителей, крепежных элементов идополнительных перемычек, а такжедиэлектрических шлангов для охлаждения и скоб для электрического соединения тиристоров и диодов, что вконечном итоге ухудшает массогабаритные показатели полупроводниковых блоков.Кроме того, для защиты тиристоров и диодов от коммутационных перенапряжений, возникающих в схемахинверторов с встречно-параллельнымидиодами, необходимо использованиедемпфирующих ВС-цепей,При использовании данного изобретения в преобразовательных устройствах необходимо Ъведение дополнительных узлов с демпфирующими ВС-цепями, которые, как правило, располагаются на значительном расстоянииот тиристоров и диодов. Это обстоятельство усложняет монтаж преобразовательных устройств и снижает надежность их работы, так как увеличениедлины монтажных проводов равносильновведению дополнительной индуктивностичто на повышенных частотах вызываетувеличение коммутационных перенапряжений на тиристорах и диодах.Следует заметить, что данное техническое решение в общем виде невозможно использовать в преобразовательных устройствах, выполненных набазе тиристоров и диодов таблеточно"го исполнения,Известен также пластинчатый вентильный блок, содержащий разъемнуюконструкцию, состоящую из двух пластин, на наружных плоскостях которыхв два ряда установлены вентили, аЭплоскости внутренних поверхностейпластин, обращенных одна к другойвыполнены таким образом, что при их наложении одна на другую образу- фется щелевидный канал, обладающиймаксимальной поверхностью соприкосно- вения с жидкостью, при этом дно кана"ла выполнено гоФрированным, а пластины охладителя скреплены болтами.К недостаткам данной конструкцииблока следует отнести,. во-первых, - 1 О сложность изготовления сборки и суженные эксплуатационные возможности,во-вторых, конструкция имеет повышенные массогабаритные показатели.Кроме того, данный пластинчатый5 блок невозможно использовать в преобразовательных устройствах, выпол"ненных на базе тиристоров и диодовтаблеточного исполнения.Известен блок силовых вентилейщ преобразовательных устройств, содержащий полупроводниковые вентили, охладители с каналами для протеканияохлаждающей жидкости и штуцерамисистемы охлаждения, изолирующие5 прокладки, конструкцию для крепления вентилей в столб, фиксирующиепластины, количество которых равночислу охладителей, с центрирующимотверстий, проходными отверстиямидля шпилек и отверстиями для крепления с охладителем, при этом Фиксирующие пластины жестко закреплены сохладителями так, что каждый тиристорвходит в центрирующее отверстие.Недостатки, При проектированииЗ 5 преобразовательных устройств индукционных установок, выполненных набазе инверторов с встречно парал-,лельными диодами, возникает необхо 40димость последовательного и параллельного соединения тиристоров идиодов, Использование для этих целей данного технического решениятребует применения отдельных тиристорных и диодных столбов, собираеф 5 мых на индивидуальных охладителях,которые необходимо дополнительносоединять электрическими перемычками, Все это усложняет конструкцию50полупроводниковых блоков, ее сборку, сужает эксплуатационные возможности, требует большого количестваохладителей, крепежных элементов идополнительных перемычек, а такжедиэлектрических шлангов для охлаждения, что в кОнечном итоге ухудшает .массогабаритные показатели блоков,При использовании данного изобретения в преобразовательных устройствах необходимо введение дополнительных узлов с демпфирующими В(:-цепями, которые, как правило, располагаются на значительном расстоянии от тиристоров и диодов, Это обстоятельство усложняет монтаж преобразовательных устройств и снижает надежность их работы, так как увеличение длины монтажных проводов равносильно введению дополнительной индуктивности, что вызывает увеличение амплитуды коммутационных перенапряжений и скорости нарастания напряжения на тиристорах и диодах.Иэ известных полупроводниковых блоков наиболее близким по техниче-. ской сущности к предлагаемому является полупроводниковьй блок, содержащий параллельный тиристорный и диодный столбы, расположенные по край. ней мере на одном общем охладителе, выполняющем Функции токопровода, при этом тиристорный столб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей, чередующихся с охладителями с каналами для хладагента и штуцерами охлаждения в крепежном каркасе, из изолирующих элементов и прижимного механизма, общий охладитель,выполнен с возможностью размещения на нем оборудования и элементов Функционально совмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями, причем полупровод никовый блок снабжен втулками с резьбой на наружной и внутренней поверхностях,.а охладитель, размещенный между двумя смежными тиристорами, выполнен в виде параллелепипеда с воэ" можностью установки на нем оборудования, Функционально совмещенного с указанными тиристорами, в торце которого выполнены отверстия для крепления его к основанию с помощью упомянутых втулок, при этом последние соединены со штуцерами.К недостаткам данной конструкции блока следует отнести;узкая эксплуатационная возможность вызвана .тем, что во-первых, невозможно проектирование и создание высокочастотных преобразовательных устройств на мощность более 100 кВт и частоту свыше 10 кГц из-за отсутствия мощных высокочастотных диодов штырьевого типа, а во-вторых, в блоке невоз ожно соединить более двух последовательно соединенных тиристоров таблеточного исполнения параллельно которым подключаются два"встречно-параллельныхдиода штырьевого типа;повышенные массогабаритные характеристики, соединенные с тем, что длямощных преобразовательных устройствнеобходимо большое количество последовательно и параллельно соединенных блоков,пониженная надежность работы пре-образовательных устройств обусловлена тем, что в конструкции блока отсутствуют.распределители импульсовуправления тиристорами, которые размещаются на значительном расстоя"нии от блока. Все это делает блок непомехоэащищенным, снижая надежностьего работы и всей преобразовательной 20 системы в целом. Кроме того, усложняется монтаж блока.Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей и снижение массогабаритных под каэателей. Цель достигается тем, что в полурроводниковом блоке, содержащем параллельные тиристорный и диодный столбы, расположенные по крайней мерена одном общем охладителе, выполняющем Функции токопровода, при этом тиристорный столб выполнен в виде це.почки таблеточных вентилей, чередую.щихся с охладителями с каналами для35 хладагента и штуцерами системы охлаждения в крепежном каркасе, из изолирующих элементов и прижимного механизма, общий охладитель выполненс возможностью размещения на нем обо 4 О рудования и элементов функциональносовмещенных с указанными полупроводниковыми вентилями, диодный столбвыполнен в виде цепочки .таблеточныхвентилей чередующихся с охладителями ф 5 в крепежном каркасе и изолирующихэлементов и прижимного механизма,все охладители выполнены общими длятиристорного и диодного столбов, охладители, размещенные между двумя 50 смежными полупроводниковыми вентилями, снабжены теплопроводящими пластинами закрепленными на охладителях для размещения на них оборудования и элементов Функционально совме щенных с указанными полупроводниковыми вентилями, прижимной механизмвыполнен в виде струбцины и закрепленного на ее основании центрируащего В.17элемента, выполненного из электроизоляционного материала .Сравнение отличительных признаковпредлагаемого технического рещения спрототипом показывает, что сходнымипризнаками являются охладители сканалами для протекания охлаждающейжидкости и штуцерами системы охлаждения, изолирующие прокладки,конструкция для крепления вентилейв столб, Но в отличии от прототипа впредлагаемом изобретении полупроводниковый блок выполнен в виде параллельных тиристорного и диодногостолбов, объединенных между собойобщими охладителями, выполняющимитакже роль топроводов и токопроводящих перемычек, между тиристорами идиодами, при этом к общим охладителям механически закреплены теплопроводящие пластины, на которьхсмонтированы резисторы, конденсаторы,диоды демпфирующих цепей, распределители импульсов управления тиристорови клеммные колодки для подключенияуправляющих электродов тиристоровк распределителям импульсов управления, причем каждая из конструкцийдля крепления вентилей в столб выполнена в виде струбцины, зажимающейстолб через изолирующие прокладки ицентрирующего элемента, изготовленного из электроизоляционного материала и закрепленного на основанииструбцины,За счет такой конструкции полупроводникового блока удается значительно упростить, снизить массогабаритные показатели, повысить эксплуата-.ционные возможности и надежность работы преобразовательных устройств,в состав которых входят данные блоКи.На фиг,1 а, 1 б представлена конструкция полупроводникового блокана фиг, 2 - электрическая принципиальная схема, на фиг. 3 - конструкция крепежного каркаса:. а - в сборе; б - конструкция струбцины, вконструкция центрирующего элемента,на фиг. 4 - конструкция общего охладителя 1 на фиг. 5 - конструкция теплопроводящей пластины с демпфирующей цепью; на фиг,68 приведеныпринципиальные электрические схемыпреобразовательных устройств (инверторов с встречно-параллельными диодами), конструкция которых может быть реализована с помощью предлагаемого полупроводникового блока (БП) .Полупроводниковый блок содержит 5параллельные тиристорный и диодныйстолбы (тиристоры 14, диоды 58), расположенные по крайней мерена одном общем охладителе 9 (10-13),выполняющим функции токопровода, приэтом тиристорный столб выполнен ввиде цепочки таблеточных вентилей(тиристоры 14, диоды 58), чередующихся с охладителями с каналами для хладоагента и штуцерами 14,15 системы охлаждения в крепежномкаркасе из изолирующих элементов16, 17, и прижимного механизма 18,общий охладитель 9-13 выполнен свозможностью размещения на нем оборудования и элементов функциональносовмещенных .с указанными полупроводниковыми вентилями, причем диодныйстолб выполнен в виде цепочки таблеточных вентилей 58 чередующих ся с охладителями 9-13 в крепежномкаркасе из изолирующих элементов 16,17 и прижимного механизма 18, всеохладители 10, 12, размещенные междудвумя смежными полупроводниковымивентилями 1 и 2, 3 и 4, снабженытеплопроводящими пластинами 19, 20закрепленными на охладителях дляразмещения на них оборудования и элементов функционально совмещенных суказанными полупроводниковыми венти-М 5 лями (резисторы 21 и 22, конденсаторы 23 и 24, диоды 25 и 26, демпфирующих цепей, распределители 27 и28. импульсов управления тиристорами 14 и клеммные колодки 29 дляподключения:уаравляющих электродовтиристоров 1:;:,;,4 к распределителямимпульсов управления 27 и 28, прижимной механизм 18 выполнен в виде 45струбцины и закрепленного на ееосновании центрирующего элемента 30выполненного из электроизоляционноПолупроводниковый блок, принци" пиальная электрическая схема которого представлена на фиг.2, собирается в следующей последовательности. Производится сборка крепежного каркаса (см,фиг.3) для чего нв основании струбцины 18 закрепляется цент рирующий элемент 30 (паз центрирую- щего элемента входит в основание струбцины 18, а на выступ струбцины9 17318 и на болтовое соединение накладываются изолирующие прокладки 16, 17,Изготавливаются два комплектакрепежного каркаса, в которые вставляются охладители 913 (см.фиг,4,а между ними в один из комплектовтиристоры 14, я другой-диоды58 (см Фиг 1). При этом на охладители 10 и 12 предварительно механически (с помощью болтовых соединений) закрепляются теплопроводящиепластины 19 и 20 (см,фиг.5) с элементами демпфирующих цепей, распределителями импульсов 27 и 28 и клеммными колодками 29 по обеим сторонампластик 19 и 20.Следует отметить, что в центрирующем элементе 30 сделано углублениепо всей длине (см.фиг.3,в) такимобраэом, что при установке тиристоров. 14 и диодов 56 их центры точносовпадают с центрами изолирующих прокладок 16 и 17,.Далее с помощью болтового соединения струбцины 18 ключом зажимается,столб тиристоров 14 и столб диоров58,Для крепления полупроводниковыхблоков в преобразовательных устройствах в струбцине 18 предусмотрены отверстия для крепления с помощью шпилек (см,фиг.1), например,к стеклотекстолитовым брускам, раз"мещенным в шкафу преобразовательного устройства.Таким образом, используя даннуюконструкцию полупроводникового блока удается значительно сократитьколичество охладителей, а значитсократить количество перемычек, болтовых соединений, диэлектрическихшлангов системы водоохлаждения,что в конечном итоге упрощает мон"таж, расширяет эксплуатационныевозможности и массогабаритные показатели блоков. Кроме того, использование. теплопроводящих пластин с демп"фирующими цепями позволяет максималь"но сократить длину монтажных прово"дов этих цепей и обеспечить охлаждение их элементов, что значительно повышает надежность работы блоков си"ловых вентилей, а значит и самих пре"образовательных устройств,1В настоящее время разработаны рабочие макеты преобразовательных устройств на базе йредл немого авто 7568 10рами полупроводникового блока, представленные на фиг,68.Так, например, преобразовательное5уст ройст во (полупроводникояый преМ)- раэователь частоты ППЧ-2,4), яыполненное на.схеме фиг.б, на мощность100 кВт частотой 2400 Гц имеет дваполупроводниковых блока на тиристо 1 О рах ТБ 253-800-11 и диодах ДЧ 143-100014, в качестве элементов демпфирующихцепей использованы:Резистор 21, 22 " три последовательно соединенных резистораС 5-478 АОм + 5 Ж,Конденсатор 23, 24 - три параллельно соединенных, конденсатораК 78-2-10008-0,1 мкф + 10 б.Диоды 25, 26 -,Д 122-40-9,2 О Д 112-25 Х.ППЧ-2,3 планируется использо 1вать для плавки алюминиевых сплавовв,графитовом тигле, для нагрева порошковых изделий в техпроцессах под рошковой металлургии и т.д,формула изобретения Полупроводниковый блок, содержа- ЗО щий параллельные тиристорный и диодный столбы, расположенные по крайнеймере на одном общем охладителе, выполняющем функции токопровода, приэтом тиристорный столб выполнен ввиде цепочки таблеточных вентилей,чередующихся с охладителями с каналами для хладагента и штуцерами системы охлаждения в крепежном каркасе,иэ изолирующих элементов и прижимного механизма, общий охладительвыполнен с возможностью размещенияна нем оборудования и элементов,Функционально совмещенных с укаэанными полупроводниковыми вентилями,.о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью расширения эксплуатационныхвозможностей .и снижения массогабаритных показателей, диодный столбвыполнен в виде цепочки таблеточных , вентилей, чередующихся с охладителями в крепежном каркасе из изолирующих элементов и прижимного механизма, все охладители выполненыобщими для тиристорного и диодногостолбов, охладители, размещенныемежду двумя смежными полупроводниковыми вентилями, снабжены теплопроводящими пластинами, закрепленныминд охладителях для размещения на11 17 И 568 12 них оборудования и элементов, функ" струбцины и закрепленного на ее осционально совмещенных с указанными новании центрирующего элемента, вы" полупроводниковыми вентилями, при- полненного из электроизоляционного жимной механизм выполнен в виде материала . Ю38