Силовий напівпровідниковий перетворювач з природним повітряним охолодженням

1. Силовий напівпровідниковий перетворювач переважно з природним повітряним охолодженням, що містить напівпровідникові прилади та індивідуальні охолоджувачі, що знаходяться з ними в тепловому та електричному контакті, встановлені у вигляді вертикальних та горизонтальних рядів, індивідуальні охолоджувачі орієнтовані ребрами вздовж конвекційного повітряного потоку та утворюють паралельну систему повітряного охолодження напівпровідникових приладів, яка має закритий знизу та з боків загальний канал нагрітого повітря, а напівпровідникові прилади разом з силовими шинами та іншими елементами утворюють силову електричну схему перетворювача, який відрізняється тим, що силові шини частково або повністю розташовані в загальному каналі нагрітого повітря. 2. Силовий напівпровідниковий перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що в загальному каналі нагрітого повітря розташовані й інші нагрівні елементи силової схеми, наприклад запобіжники та шунти. 3. Силовий напівпровідниковий перетворювач за п.1, який відрізняється тим, що стінки каналу нагрітого повітря виконані комбінованими з силових струмоведучих шин та ізоляційних уставок. Корисна модель стосується галузі електротехніки - конструкція силових напівпровідникових перетворювачів. Відомий напівпровідниковий перетворювач з природним повітряним охолодженням [по а.с. СРСР №999184, кл. Н05К7/20, H01L23/00], який містить шафу перетворювача з перфорацією у стінках, групові та індивідуальні охолоджувачі, розміщені ребрами вздовж повітряного потоку, напівпровідникові прилади, що утворюють катодну та анодну групи електричних мостів, торцеві кінці ребер охолоджувачів розміщені у площинах, паралельних відповідним стінкам з перфорацією. Недоліком такої конструкції перетворювача є послідовно-паралельна схема охолодження, при якій кожний розміщений вище охолоджувач та напівпровідниковий прилад охолоджується повітрям, підігрітим охолоджувачем, розміщеним нижче, що знижує ефективність охолодження напівпровідникових приладів. Крім того, конструкція розвинує незначну силу тяги повітряного потоку у зв'язку з тим, що нагріте повітря після проходження через охолоджувачі змішується з холодним навколишнім повітрям, що знижує загальну температуру повітря на виході. Але, як відомо, сила тяги повітряного потоку при інших рівних умовах залежить від різниці температури або густини охолоджуючого повітря на вході та виході системи охолодження. В такій конструкції через низьку ефективність системи охолодження розрахункове значення струму навантаження напівпровідникових приладів практично не перебільшує 15 відсотків від його номінального значення. Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі, яка заявляється, є напівпровідниковий перетворювач [за деклараційним патентом України №53181 кл. Н05К7/20 від 29.03.2002р. (публікація 15.01.2003р., бюл. №1)], який містить напівпровідникові прилади та індивідуальні охолоджувачі, що знаходяться в тепловому та електричному контакті, встановлені у вигляді вертикальних та горизонтальних рядів, індивідуальні охолоджувачі орієнтовані ребрами вздовж конвекційного повітряного потоку та утворюють паралельну систему повітряного охолодження напівпровідникових приладів, яка має закритий знизу та з боків загальний канал нагрітого повітря, а напівпровідникові прилади разом з силовими шинами та іншими елементами створюють силову електричну схему перетворювача. При цьому силові шини та інші елементи електричної схеми, що гріються, розташовуються поза каналом нагрітого повітря. В такому перетворювачі ефективність охолодження та, відповідно, припустиме навантаження силових напівпровідникових приладів при інших однакових умовах визначається силою тяги, СО ю со о> 7353 яка розвивається нагрітим повітрям в загальному каналі, що залежить від різниці температур охолоджуючого повітря на вході в індивідуальні охолоджувачі та температури цього повітря в загальному каналі. При цьому зазначена різниця температур визначається головним чином потужністю утрат, які відводяться, в напівпровідникових приладах, так як інші елементи електричної схеми, які гріються, в даному перетворювачі розташовані поза каналом нагрітого повітря та у нагріванні повітря в загальному каналі участі не беруть. Це призводить до того, що у перетворювачі за деклараційним патентом №53181 неможливо завантажити напівпровідникові прилади за струмом вище 20-25 відсотків від номінального значення. В основу корисної моделі поставлена задача збільшення ефективності охолодження напівпровідникового перетворювача з природним повітряним охолодженням та відповідного збільшення припустимого струменевого навантаження напівпровідникових приладів. Поставлена задача досягається тим, що в напівпровідниковому перетворювачі переважно з природним повітряним охолодженням, який містить напівпровідникові прилади та індивідуальні охолоджувачі, що знаходяться з ними в тепловому та електричному контакті, встановлені у вигляді вертикальних та горизонтальних рядів, які створюють паралельну систему повітряного охолодження, що має закритий знизу та з боків канал нагрітого повітря, силові струмоведучі шини та інші тепловиділяючі елементи частково або повністю розташовуються в загальному каналі нагрітого повітря. В такому перетворювачі нагрівання охолоджуючого повітря в загальному каналі системи охолодження визначається не тільки тепловими збитками в напівпровідникових приладах, але і збитками в силовій ошиновці, контактних з'єднаннях та інших елементах електричної схеми перетворювача, розташованих в цьому каналі. Після проходження охолоджувачів нагріте повітря додатково підігрівається нагрітими силовими шинами та іншими елементами, які розташовані в загальному каналі. Це призводить до збільшення сили тяги в каналі нагрітого повітря, збільшенню швидкості переміщення охолоджуючого повітря крізь охолоджувачі, що відповідно, покращує охолодження напівпровідникових приладів та дозволяє збільшити їх струменеве навантаження. Корисна модель може бути реалізована як на штирьових, так і на таблеточних напівпровідникових приладах з різними схемами перетворювачів. Загальний вигляд корисної моделі, яка патентується, пояснюється на слідуючих кресленнях: Фіг. 1. Перетворювач на штирьових напівпровідникових приладах - вигляд спереду; Фіг.2. Перетворювач на штирьових напівпровідникових приладах - вигляд збоку в розрізі А-А; Фіг.З. Перетворювач на штирьових напівпровідникових приладах - вигляд ззаду в розрізі Г-Г; Фіг.4. Перетворювач на штирьових напівпровідникових приладах - вигляд зверху в розрізі Б-Б; Фіг.5. Схема електрична силової частини перетворювача з трьохфазною нульовою схемою; Фіг.6. Перетворювач на таблеточних напівпровідникових приладах - вигляд спереду; Фіг.7. Перетворювач на таблеточних напівпровідникових приладах - вигляд збоку в розрізі А-А; Фіг.8. Перетворювач на таблеточних напівпровідникових приладах - вигляд ззаду в розрізі Г-Г; Фіг.9. Перетворювач на таблеточних напівпровідникових приладах - вигляд зверху в розрізі Б-Б; Фіг. 10. Схема електрична силової частини перетворювача з трьохфазною мостовою схемою перетворювача. Стрілками зображений напрямок руху повітряного охолоджуючого потоку. Перетворювач, наведений на Фіг. 1-4, має штирьові напівпровідникові прилади 1, які розташовані в тепловому та електричному контактах з індивідуальними ребристими охолоджувачами 2. Охолоджувачі орієнтовані ребрами вздовж конвекційного повітряного потоку та створюють паралельну систему природного повітряного охолодження. Обшир між охолоджувачами закритий ізолюючими переділками 3 та 4, які закривають прохід холодного повітря повз охолоджувачів. Переділки 3 та 4 разом з охолоджувачами, а також з боковими та задньою стінками утворюють закритий знизу та з боків загальний канал нагрітого повітря 5. Напівпровідникові прилади та охолоджувачі з'єднані шинами 6, котрі проходять крізь загальний канал нагрітого повітря та виходять на тильну сторону перетворювача. Напівпровідникові прилади, охолоджувачі та силові шини ізольовані від металоконструкції. Задня стінка перетворювача створена ізоляційною панеллю 7 з вставками у вигляді збірної шини 8, як це зображено на Фіг. 1-4. Задня стінка перетворювача може бути виконана також металевою, через яку проходять ізольовані силові шини, що за межами цієї стінки з'єднуються згідно електричній схемі перетворювача, наведеній на Фіг.5. Електрична схема перетворювача може містити інші елементи, наприклад, запобіжники, і в одному плечі (фазі) може бути встановлений один або декілька паралельно або послідовно з'єднаних напівпровідникових приладів. Для зменшення аеродинамічного опору в каналі нагрітого повітря шини 6 встановлені на ребро по відношенню до потоку охолоджуючого повітря. Перетворювач, зображений на Фіг.6-9 містить таблеточні напівпровідникові прилади 1, встановлені між індивідуальними ребристими охолоджувачами 2, які забезпечують їх двостороннє охолодження. Напівпровідникові прилади та охолоджувачі мають між собою тепловий та електричний контакти. Охолоджувачі 2 орієнтовані ребрами вздовж конвекційного повітряного потоку та створюють паралельну систему природного повітряного охолодження. Обшир між охолоджувачами закритий ізолюючими переділками 3. Напівпровідникові прилади та охолоджувачі стягнуті між собою ізолюючими шпильками 9 крізь плоскі пружинні траверси 10 та центруючі опори 11, створюючи силовий блок 12, закріплений на боковій стінці 13 та кронштейні 14. Переділки 3 разом з задньою та боковою стінками створюють закритий знизу та з боків канал нагрітого повітря 5. Напівпровідникові 7353 прилади та охолоджувачі з'єднані силовими шинами 6, які проходять крізь канал нагрітого повітря та з'єднані на задній стінці згідно електричній схемі перетворювача, наведеній на Фіг. 10. Задня стінка перетворювача створена ізоляційною панеллю 7 з уставками у вигляді збірних шин 8 позитивної та негативної полярності ("+" та "-"). Задня стінка, як і в перетворювачі, зображеному на Фіг. 1-4, може бути виконана металевою, крізь яку проходять ізольовані шини та з'єднуються за межами цієї стінки. Перетворювачі, зображені на Фіг. 1-4 та 6-9, в частині системи охолодження ідентичні та працюють слідуючим чином. При протіканні струму навантаження крізь напівпровідникові прилади 1 та з'єднуючі їх між собою за допомогою контактних поєднань силові шини, в них виділяється тепло, яке відводиться у зовнішнє середовище потоком охолоджуючого повітря. Теплообмін в перетворювачі забезпечується тим, що тепловий потік, який виділяється в напівпровідникових приладах, передається ребристим охолоджувачам 2 та сприймається повітрям, яке проходить крізь ці охолоджувачі. В паралельній системі повітряного потоку, яка розглядається, на вхід усіх індивідуальних охолоджувачів поступає повітря практично однакової температури, яка дорівнює навколишньому середовищу, що після проходження крізь охолоджувачі нагрівається та поступає в загальний повітряний канал 5, де додатково підігрівається силовими шинами 6 та іншими гріючимися елементами, розташованими в цьому каналі. Внаслідок такого додаткового нагрівання охолоджуючого повітря в загальному повітряному каналі густина повітря в ньому зменшується, збі льшуючи тим самим силу тяги в загальному каналі, яка, як відомо, залежить від перепаду тиску Н між холодним повітрям на вході в охолоджувачі та нагрітим повітрям на виході загального каналу та визначається згідно [кн. Г.А. Третьякова та ін. "Тепловий розрахунок потужних перетворювачів з повітряним охолодженням", м. Москва, Енергоіздат, 1986р.] за формулою: ДН = дп(р о -Рвих.).(1) де: АН - перепад тиску; Ро т а Рвих. • відповідно густина повітря на вході в охолоджувачі та на виході з загального повітряного каналу; h - висота каналу нагрітого повітря; g - прискорення вільного падіння. Збільшення сили тяги повітряного потоку за рахунок додаткового підігрівання повітря в повітряному каналі призводить до збільшення швидкості повітря, яке проходить крізь охолоджувачі, та, відповідно, до збільшення ефективності охолодження напівпровідникових приладів, що дозволяє збільшити струмове навантаження. Таким чином, внесення силової ошиновки та інших гріючих елементів в загальний канал нагрітого повітря призводить до збільшення припустимого струму навантаження напівпровідникових приладів. З практики відомо, що збитки потужності в силовій ошиновці складають 15-20 відсотків від загальних утрат в напівпровідникових приладах. Використовуючи рішення, яке патентується, можна збільшити струмове навантаження напівпровідникових приладів при природньому повітряному охолодженні на 5-7 відсотків. г-г я A + ч S a + + + і с fcfct С Фіг. 5 В й в-в 7353 A-A эдг / / Фіг. 6 r-r Фіг. 9 r—fel— i^T Фіг. 10 Комп'ютерна верстка Д. Шеверун Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 4 2 , 01601