Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ КОММУТАЦИИ СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ

Настоящее изобретение касается электрического коммутационного устройства, в частности, для коммутации сильных электрических токов.

Из предшествующего уровня техники известно электрическое коммутационное устройство, содержащее множество управляемых электронных выключателей, каждый из которых содержит первый главный электрод, второй главный электрод и электрод управления.

Эти управляемые выключатели выбирают из любых электронных компонентов, содержащих по меньшей мере один электрод управления коммутацией. Как правило, эти управляемые выключатели являются полупроводниками, такими как транзисторы или тиристоры. Например, каждый управляемый выключатель может быть полевым транзистором, и в этом случае первый главный электрод называют «электродом стока», второй главный электрод называют «электродом истока» и электрод управления называют «электродом затвора».

В таком коммутационном устройстве обычно все управляемые выключатели подключены параллельно между первыми и вторыми главными электродами, и их электродами управления управляет общая схема управления.

Если коммутационное устройство содержит большое число управляемых выключателей, между моментами, в которые переключаются удаленные друг от друга выключатели, возникают относительно большие смещения по времени. Эти временные смещения затрудняют управление коммутационным устройством в целом, что приводит к снижению характеристик и надежности такого устройства.

Эти смещения связаны, в частности, с паразитными сопротивлениями в средствах электрического соединения между выключателями. Такие паразитные сопротивления могут представлять собой любую комбинацию паразитных индуктивностей и паразитных емкостей и зависят, в частности, от длины этих средств электрического соединения.

Вместе с тем, средства электрического соединения выключателя в схеме являются более или менее длинными в зависимости от положения выключателя в схеме. Таким образом, паразитные сопротивления, связанные с каким-либо выключателем, различаются в зависимости от положения этого выключателя в схеме.

Настоящее изобретение призвано, в частности, устранить этот недостаток и предложить быстродействующее электрическое коммутационное устройство, в котором переключения выключателей происходят по существу одновременно, несмотря на присутствие паразитных сопротивлений.

В этой связи объектом настоящего изобретения является электрическое коммутационное устройство, содержащее множество управляемых электронных выключателей, каждый из которых содержит первый главный электрод, второй главный электрод и электрод управления, отличающееся тем, что:

- выключатели расположены таким образом, что образуют матрицу, содержащую по меньшей мере два столбца, каждый из которых содержит по меньшей мере два выключателя, и по меньшей мере две строки, каждая из которых содержит один из выключателей каждого столбца,

- первый главный электрод каждого выключателя каждого столбца электрически соединен с первой электрической ветвью этого столбца, при этом первые ветви столбцов электрически соединены между собой в первом электрическом узле,

- второй главный электрод каждого выключателя каждого столбца электрически соединен со второй электрической ветвью этого столбца, при этом вторые ветви столбцов электрически соединены между собой во втором электрическом узле,

- устройство содержит по меньшей мере две отдельные ветви управления, при этом электрод управления каждого выключателя каждой строки электрически соединен с одной и той же ветвью управления этой строки.

Такое матричное расположение позволяет ограничить диспропорции между паразитными сопротивлениями.

Действительно, все выключатели одной строки расположены одинаково в соответствующем столбце и соединены с другими выключателями столбца при помощи одинаковых средств соединения. Таким образом, выключатели одной строки связаны с по существу идентичными паразитными сопротивлениями.

При этом изобретение может использовать отдельные ветви управления для управления выключателями по строкам таким образом, чтобы выключатели каждой строки, связанные с по существу идентичными паразитными сопротивлениями, переключались по существу одновременно.

Другим преимуществом такого матричного расположения является то, что строки не зависят друг от друга, поэтому коммутационное устройство может продолжать работать в аварийном режиме в случае нарушения работы в одной строке.

Кроме того, это матричное расположение позволяет также ограничить индуктивности контура, которые могут появляться в схеме, содержащей электрическое коммутационное устройство.

Следует напомнить, что индуктивности контура являются паразитными индуктивностями в силовой цепи, проходящей через первый и второй главные электроды выключателей. Эти индуктивности контура обычно создают перенапряжение на контактах выключателей во время их переключения.

Учитывая компоновку в виде матрицы, токи, проходящие через главные электроды, циркулируют параллельно в одном направлении. Такой монтаж позволяет снизить индуктивность контура и одновременно подключать параллельно большое число управляемых выключателей.

Коммутационное устройство в соответствии с настоящим изобретением может также содержать один или несколько следующих отличительных признаков, взятых отдельно или в любых технически возможных комбинациях:

- каждую ветвь управления активируют при помощи общего устройства активации;

- каждая ветвь управления содержит элемент управления, электрически соединенный с электродом управления каждого выключателя соответствующей строки и соединенный с устройством электрического питания;

- каждая ветвь управления содержит соответствующее устройство электрического питания;

- устройства электрического питания гальванически изолированы друг от друга;

- каждая ветвь управления соединена с электродами управления выключателей по меньшей мере двух смежных строк;

- каждый столбец содержит по меньшей мере один диод, содержащий анод, соединенный с первой электрической ветвью, и катод, соединенный с второй электрической ветвью;

- каждый выключатель является транзистором;

- каждый столбец содержит первую подложку, содержащую первую проводящую дорожку, образующую первую электрическую ветвь этого столбца, вторую подложку, расположенную по существу параллельно первой подложке и содержащую вторую проводящую дорожку, образующую вторую электрическую ветвь столбца;

- второй главный электрод каждого выключателя соединен с второй дорожкой при помощи проводящего шарика;

- вторая подложка содержит нижнюю сторону, на которой выполнена вторая дорожка, и верхнюю сторону, противоположную нижней стороне и содержащую третью проводящую дорожку, электрически соединенную с второй дорожкой при помощи элементов соединения, проходящих через вторую подложку;

- первая подложка содержит по меньшей мере одну дорожку управления, электрически соединенную с электродом управления по меньшей мере одного выключателя, и устройство содержит штырек управления, соединенный с этой дорожкой управления и проходящий перпендикулярно к первой подложке от этой дорожки управления до платы управления, содержащей по меньшей мере одну ветвь управления строки;

- коммутационное устройство содержит по меньшей мере один штырек обратной связи, электрически соединенный с второй электрической дорожкой и проходящий перпендикулярно к второй подложке до платы управления;

- по меньшей мере, один элемент управления по меньшей мере частично расположен на первой подложке;

- коммутационное устройство содержит плату развязки, содержащую по меньшей мере две схемы развязки, при этом каждая схема развязки расположена параллельно столбцу, чтобы ограничить помехи между столбцами.

Объектом изобретения является также инверторная стойка, содержащая:

- описанные выше идентичные первое и второе коммутационные устройства,

- первый контакт, называемый положительным контактом, соединенный с первой ветвью каждого столбца первого коммутационного устройства,

- по меньшей мере, один проводящий мост, электрически соединяющий вторую ветвь столбца первого коммутационного устройства с первой ветвью столбца второго коммутационного устройства,

- второй контакт, называемый контактом фазы, электрически соединенный с проводящим мостом, и

- третий контакт, называемый отрицательным контактом, соединенный с второй ветвью каждого столбца второго коммутационного устройства.

Инвертор, содержащий такую инверторную стойку, предназначен, например, для применения в железнодорожном транспортном средстве с целью преобразования постоянного тока, поступающего из контактной линии, в переменный ток для питания электричеством локомотива поезда.

Объектом изобретения является железнодорожное транспортное средство на электрической тяге, содержащее по меньшей мере один электрический двигатель, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере один инвертор, содержащий три описанные выше инверторные стойки и предназначенный для питания электричеством локомотива.

Объектом изобретения является также система электрической тяги, в частности, для применения в железнодорожных транспортных средствах, автотранспортных средствах или в авиации, отличающаяся тем, что содержит описанное выше коммутационное устройство.

Наконец, объектом изобретения является система преобразования или производства энергии, в частности, для применения в ядерных электростанциях, в ветровых энергетических установках или в гидроэлектростанциях, отличающаяся тем, что содержит описанное выше коммутационное устройство.

Настоящее изобретение будет более понятно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематичный вид электрического коммутационного устройства согласно примеру варианта выполнения изобретения;

фиг.2 - вид сверху инверторной стойки, содержащей два коммутационных устройства, каждое из которых содержит матрицу выключателей, аналогичную показанной на фиг.1;

фиг.3 - деталь фиг.2 с показом столбца матрицы выключателей, показанной на этой фиг.2;

фиг.4 - электрическая схема, представляющая собой столбец, показанный на фиг.3;

фиг.5 - вид в поперечном разрезе инверторной стойки, показанной на фиг.2;

фиг.6 - упрощенная электрическая схема инверторной стойки, показанной на фиг.2.

На фиг.1 показано электрическое коммутационное устройство 10, содержащее множество управляемых электронных выключателей, при этом каждый выключатель обозначен позицией 12.

Каждый управляемый электронный выключатель 12 классически содержит первый главный электрод 12А, второй главный электрод 12В и электрод 12С управления.

Например, каждый управляемый электронный выключатель 12 является полевым транзистором типа VJFET. В этом случае первый главный электрод 12А называют «электродом стока», второй главный электрод 12В называют «электродом истока» и электрод 12С управления называют «электродом затвора».

Как показано на фиг.1, выключатели 12 расположены таким образом, что образуют матрицу 14, содержащую по меньшей мере два столбца 16, например шесть столбцов 16, при этом каждый столбец 16 содержит по меньшей мере два выключателя 12, например десять выключателей 12.

Матрица 14 содержит также строки 18, например десять строк 18, каждая из которых содержит один из выключателей 12 каждого столбца 16.

Каждый столбец 16 содержит первую электрическую ветвь 20, с которой электрически соединен первый главный электрод 12А каждого выключателя 12 этого столбца 16. Первые ветви 20 электрически соединены между собой в первом электрическом узле 22.

Каждый столбец 16 содержит также вторую электрическую ветвь 24, с которой электрически соединен второй главный электрод 12В каждого выключателя 12 этого столбца 16. Вторые ветви 24 электрически соединены между собой во втором электрическом узле 26.

Кроме того, электрод управления каждого выключателя 12 каждой строки 18 электрически соединен с ветвью 28 управления этой строки 18.

Каждая ветвь 28 управления содержит, например, элемент 30 управления, электрически соединенный с электродом управления каждого выключателя 12 соответствующей строки 18 при помощи линии 32 управления. Элемент 30 управления электрически соединен также с каждым вторым главным электродом 12В каждого выключателя 12 строки 18 при помощи линии 38 обратной связи, чтобы привязать электроды 12С управления к этим вторым главным электродам 12В.

Кроме того, каждый элемент 30 управления соединен с соответствующим устройством 36 электрического питания при помощи линии 34 питания.

Следует отметить, что ветви 28 управления, в частности элементы 30 управления и устройства 36 питания, гальванически изолированы друг от друга, чтобы избежать помех между этими ветвями 28 управления.

Предпочтительно каждую ветвь 28 управления активируют при помощи общего устройства 40 активации, образующего устройство общего управления коммутационным устройством 10. Таким образом, каждую ветвь 28 управления можно активировать одновременно, чтобы управлять переключением всех выключателей 12 соответствующей строки 18.

Следует отметить, что управление переключениями выключателей 12 по строкам, а не всеми вместе, позволяет ограничить временную разницу в переключении.

Действительно, паразитные сопротивления, связанные с соответствующим выключателем 12, зависят, в частности, от длины средств электрического соединения этого выключателя с первым 22 и вторым 26 электрическими узлами, то есть от удаления этого выключателя 12 относительно первого 22 и второго 26 электрических узлов. Иначе говоря, первый выключатель, находящийся близко к первому электрическому узлу 22, будет связан с меньшим паразитным сопротивлением со стороны этого первого электрического узла 22 (со стороны стока), чем второй выключатель этого же столбца, находящийся дальше от этого первого электрического узла 22. Кроме того, первый выключатель будет больше удален от второго электрического узла 26, чем второй выключатель, поэтому он будет связан с более значительным паразитным сопротивлением со стороны второго узла 26 (со стороны истока), чем этот второй выключатель.

С другой стороны, все выключатели 12 одной строки 18 одинаково удалены от электрических узлов 22, 26 относительно друг друга, поэтому паразитные сопротивления, связанные с этими выключателями 12, являются по существу идентичными. Таким образом, эти выключатели одной строки 18 можно переключать по существу одновременно, и ими управляет одна ветвь 28 управления.

Кроме того, поскольку ветви 28 управления не зависят друг от друга, они позволяют независимо коммутировать строки 18 выключателей без помех, которые могли бы приводить к временным смещениям при переключении.

На фиг.2-6 показан пример выполнения коммутационного устройства, показанного на фиг.1.

В частности, на фиг.2 показана инверторная стойка 42, содержащая два коммутационных устройства, то есть первое коммутационное устройство 10А и второе коммутационное устройство 10В, соответствующие матрицы 14А, 14В которых аналогичны матрице 14, описанной со ссылками на фиг.1.

Такая инверторная стойка 42 предназначена, в частности, для применения в железнодорожном транспортном средстве с целью преобразования постоянного тока, снимаемого с контактной линии, в переменный ток для питания электричеством локомотива поезда.

Каждое коммутационное устройство 10А, 10В содержит шесть по существу идентичных столбцов 16, один из которых детально показан на фиг.3. Для большей ясности электрическая схема этого столбца 16 показана отдельно на фиг.4.

Каждый столбец 16 содержит первую изолирующую подложку 44, например, из керамики, содержащую первую проводящую дорожку 46, например, из меди или алюминия, образующую первую электрическую ветвь 20 столбца 16.

Каждый выключатель 12 этого столбца 16 соединен с первой дорожкой 46 таким образом, чтобы первый главный электрод 12А каждого из этих выключателей 12 был соединен с проводящей дорожкой 46. Например, каждый выключатель 12 этого столбца 16 закреплен на этой дорожке 46 пайкой, однако в варианте его можно соединить с этой дорожкой 46 при помощи любого другого средства.

Каждый столбец 16 содержит также вторую изолирующую подложку 48, например, из керамики, расположенную по существу параллельно первой подложке 44 и содержащую нижнюю сторону с второй проводящей дорожкой 50, образующей вторую электрическую ветвь 24 столбца 16, и верхнюю сторону, противоположную нижней стороне, содержащую третью проводящую дорожку 52. Вторая дорожка 50 и третья дорожка 52 электрически соединены при помощи элементов 54 соединения, называемых также «сквозными», проходящими через вторую подложку 48.

Второй главный электрод 12В каждого выключателя 12 электрически соединен с второй дорожкой 50, например, при помощи проводящего шарика 56 (называемого “bump” - контактным столбиком). В варианте второй главный электрод каждого выключателя 12 можно соединить с второй дорожкой при помощи проводных средств соединения. Однако параллельное расположение подложек 44, 48, в частности, их дорожек 46, 50, 52, в сочетании с такими проводящими шариками позволяет уменьшить индуктивность контура.

Кроме того, первая подложка 44 содержит также по меньшей мере одну дорожку 58 управления, например пять дорожек 58 управления, каждая из которых соединена с электродом 12С управления по меньшей мере одного выключателя 12 при помощи провода 60.

Например, согласно варианту выполнения, описанному со ссылками на фиг.2-6, каждая дорожка 58 управления соединена с электродом управления двух выключателей 12. Иначе говоря, одна ветвь 28 управляет двумя последовательными строками 18. Такое расположение можно предусмотреть за счет того, что паразитные сопротивления, связанные с выключателями 12 двух последовательных строк 18, отличаются относительно незначительно, поэтому задержка коммутации между этими выключателями 12 является достаточно короткой и не мешает работе инверторной стойки 42.

В варианте каждую строку 18 выключателей 12 можно соединить с отдельной ветвью 28 управления, как показано на фиг.1. Однако выполнение соответствующей ветви управления для каждой строки 18 требует больше места, чем при одной ветви управления, общей для двух строк 18, поэтому, как правило, предпочтительно иметь одну ветвь управления, общую для двух последовательных строк 18.

Каждая ветвь 28 управления содержит штырек 62 управления, образующий вместе с проводом 60 линию 32 управления. Этот штырек 62 управления соединен с дорожкой 58 управления, проходя перпендикулярно к первой подложки 44 от этой дорожки 58 управления до платы 64 управления, показанной на фиг.5.

Каждая ветвь 28 управления содержит также штырек 66 обратной связи, образующий линию 38 обратной связи, электрически соединенную с третьей электрической дорожной 52, следовательно, также с второй электрической дорожкой 50, и проходящий перпендикулярно к второй подложке 48 до платы 64 управления.

Следует отметить, что плата 64 управления расположена непосредственно над выключателями 12, и штырьки управления 62 и обратной связи 66 расположены близко друг к другу. Таким образом, минимизируют паразитную индуктивность ветви 28 управления, что необходимо для обеспечения очень быстрого переключения выключателей 12.

Плата 64 управления содержит средства 36 питания и элементы 30 управления каждой ветви 28 управления, а также устройство 40 общего управления. Следует напомнить, что средства 36 питания, соответственно элементы 30 управления гальванически изолированы друг от друга, чтобы избежать между ними помех.

В варианте элементы 30 управления могут быть выполнены по меньшей мере частично на подложке 44, чтобы находиться как можно ближе к выключателям 12. За счет этого еще больше уменьшаются паразитные сопротивления контура 28 управления.

Предпочтительно каждый столбец 16 содержит также по меньшей мере один диод 68, например пять диодов 68, каждый из которых содержит анод, соединенный с первой электрической ветвью 46, и катод, соединенный с второй электрической ветвью 50. Такие диоды 68, называемые антипараллельными, классически позволяют избегать прерывания тока на контактах выключателей 12.

Факультативно каждый столбец 16 содержит термистор 69, расположенный на верхней стороне второй подложки 48. Такой термистор 69 предназначен для сбора данных о температуре столбца 16 с целью контроля за устройством.

Как показано на фиг.2, столбцы 16 первого коммутационного устройства 10А подключены параллельно при помощи первого общего соединительного контакта 70, образующего первый электрический узел 22, с которым соединена первая дорожка 46 каждого столбца 16, и при помощи второго общего соединительного контакта 72, образующего второй электрический узел 26, к которому подключена третья дорожка 52 каждого столбца 16.

Аналогично, столбцы 16 второго коммутационного устройства 10В подключены параллельно при помощи второго общего соединительного контакта 72, с которым соединена первая дорожка 46 каждого столбца 16, и третьего общего соединительного контакта 74, к которому подключена третья дорожка 52 каждого столбца 16.

Следует отметить, что инверторная стойка 42 содержит проводящие мосты 76, в частности, показанные на фиг.5, каждый из которых электрически соединяет третью дорожку 52 столбца 16 первого устройства 10А с первой дорожкой 46 столбца 16 второго устройства 10В. Таким образом, столбцы 16 первого 10А и второго 10В коммутационных устройств, соединенные проводящим мостиком 76, образуют вместе элементарный участок 77 инверторной стойки.

Следует отметить, что каждый проводящий мостик 76 соединен также с вторым соединительным контактом 72.

Первый 70, второй 72 и третий 74 контакты образуют соответственно положительный контакт, контакт фазы и отрицательный контакт инвертора.

Согласно не показанному на фигурах варианту выполнения, положительный 70 и отрицательный 74 контакты расположены близко друг к другу с одной стороны инверторной стойки 42, чтобы уменьшать паразитное сопротивление контура за счет известного так называемого «шинного» эффекта.

Предпочтительно инверторная стойка 42 содержит плату 78 развязки, показанную на фиг.5. Плата развязки содержит шесть независимых схем 80 развязки, при этом каждая схема 80 развязки связана с соответствующим элементарным участком 77. Схемы 80 развязки схематично показаны на фиг.6.

На этой фиг.6 для большей ясности комплект выключателей 12 каждого столбца 16 каждого коммутационного устройства 10А, 10В показан в виде эквивалентного выключателя 82.

Каждая схема 80 развязки расположена параллельно с элементарным участком 77 инверторной стойки, чтобы ограничить помехи между этими элементарными участками 77. Для этого каждая схема 80 развязки содержит набор 84 конденсаторов, параллельно соединенных между собой (на фиг.6 показаны в виде эквивалентного конденсатора), последовательно соединенный с набором резисторов 86, соединенных между собой параллельно (на фиг.6 показаны в виде эквивалентного резистора).

Следует отметить, что изобретение не ограничивается описанным выше вариантом выполнения и может охватывать различные версии, не выходя при этом за рамки, определенные формулой изобретения.

В частности, коммутационным устройством можно оборудовать любую коммутационную структуру, например, плечо прерывателя или однофазный мост с принудительным переключением (PMCF), и/или оборудовать электрическую тяговую систему, например, для применения в железнодорожных транспортных средствах, автотранспортных средствах, в авиации, или любую другую систему преобразования и производства энергии, например, для применения в ядерных электростанциях, ветровых энергетических установках или в гидроэлектростанциях.