电绝缘构件及包括该构件的冷却系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种包括能够与高电压直接连接的电路的电装置与该电装置的冷却构件之间的电绝缘构件。本发明还涉及一种包括这样的构件的冷却系统。
【背景技术】
[0002]铁路车辆牵引系统包括电功率转换构件、电功率传输装置和驱动车轮的具有旋转轴线的一体式牵引马达形式的用于将电功率转换成机械能的构件。该马达被固定到车架(bogie) ο
[0003]因而，链路通常包括多个转换器，以将连续型(也称作缩写词DC)电信号转换成交变型(也称作缩写词AC)，或相反地从交变型转换成连续型，或从连续型转换成连续型。在这些转换器中，逆变器由通常介于750V (伏特)到3300V之间的DC电压供电。通常，连续电压源来源于已经预先将通过变压器从架空线路电压获取的交变型电压转换的简易整流器或PMCF ( “单相强制切换整流器”的法语缩写词)。
[0004]从该DC电压源开始，逆变器将三相交变电流的三相供应到牵引马达。所述三相通过取两个电源开关的中点产生，所述电源开关串联连接并且与DC电压连接。
[0005]构成逆变器的电源开关各自为包括提供开关功能的电路的保护性外壳的形式。包括外壳以及其内含物(电源模块)的组件有时称作术语“组装件”。该组件在说明书的其余部分中将被称作“电装置”。
[0006]断路器的电路通常包括多个电连接的集成电路，其中这些集成电路由绝缘衬底间接支撑。
[0007]绝缘衬底的功能是提供其所支撑的集成电路与外壳的后表面之间的电绝缘，以耗散由集成电路的加热产生的损失，并且避免在支撑集成电路的组件上施加强热机约束。集成电路例如是绝缘栅双极晶体管(通常称为缩写词IGBT)或面结型场效应晶体管(JFETSMOSFET “金属氧化物半导体晶体管”)，或二极管。
[0008]一种减小铁路车辆中的机载牵引链的重量的方式是增大将被变压器处理的信号的切换频率。事实上，这极大地减小了与该信号的频率成反比的变压器的尺寸。因而，在变压器位于牵引链的头部处并且架空线路电压的频率介于1Hz(Hertz)到60Hz之间的常规结构中，变压器的尺寸和重量是非常高的。
[0009]这种低频率架空线路信号(10到60Hz)到高频率电信号(几kHz)的电转化通过直接连接到架空线路的功率变换器实现。因而，可以在输入端将数kHz的频率信号输入到变压器，或在多级结构的情况下输入到多个变压器，或输入到并联连接的多个变压器。
[0010]减小变压器的尺寸的对应措施是将变压器从架空线路朝向牵引链的中部移位。因而，牵引链的结构从变压器/逆变器/马达的常规结构改变成逆变器/变压器/逆变器/马达的结构。这意味着功率逆变器在牵引链的头部处的最靠近架空线路的定位，并且特别地使逆变器的一些部件连续暴露于更大的压差。
[0011]于是，串联连接的头部电源开关在这种构型中用作分压器，因为介于750V(Volts)到3300V之间的电压会施加到终端上。
[0012]因而，在有头部变压器的情况下，在部件生效阶段期间每个电路适于经受住暴露于大约十几千伏(kV)的压差一分钟。然而，如果电路直接连接到架空线路，其中架空线路的电压为例如25kV/50Hz，则这种过电压会在架空线路处形成，从而需要电路能够经受住60kV的交变电压一分钟。在这些条件下，绝缘衬底不足以确保电路的电绝缘。
[0013]还已知的是为电装置填加冷却系统，以便消耗由集成电路的受热产生的损失。这样的冷却系统通常为在水中导通的板或散热器的形式。冷却系统接地并且通过热交换使得电路的温度能够被限制。然而，对于上述高电压级别，这种类型的冷却系统无法自身电绝缘。这使得在上述情形下这样的冷却系统自身无法被使用。
[0014]对于低压或中压，针对获得良好的热冷却性能和电绝缘的已知的解决方案是使用由氮化铝制成的绝缘衬底。在更高电压下确保电绝缘的最自然的解决方案是与在I分钟内承载15kV的目前系统的产品中所使用的相比，在这样的冷却系统中使用具有更大厚度的氮化铝。
[0015]然而，申请人在执行介电测度时意识到，由于介电强度随厚度变化，这种措施是无效的。因而，如果一毫米的氮化铝可以支持X kV，两毫米的相同材料不能够支持X kV的两倍，而是支持较低的值。换言之，观察到一种现象，其中当材料的厚度增大时存在有介电强度的相应降低。
[0016]因此，申请人相信为了获得耐受60kV的AC电压I分钟的氮化铝的绝缘层，需要考虑大于15_的厚度。然而，所述厚度过大，因为这样的厚度会导致非常高的热机应力和非常差的热性能。
[0017]针对高电压等级的已知的解决方案是将板用作冷却系统，油类绝缘介质在板内循环，其中，该板不连接到任何电势。然而，这种解决方案提供差的热冷却性能。从安全性的观点来看这种解决方案也是不令人满意的，因为油是可燃的。
【发明内容】
[0018]本发明的目的是提供一种电绝缘构件以改善电装置与该电装置的冷却构件之间的电绝缘，同时确保冷却构件令人满意的热性能，其中，该电装置具有自己的电路，该电路经受长时间暴露于至少14kV的电压。
[0019]为此，本发明涉及一种权利要求限定的电绝缘构件并且涉及一种权利要求限定的冷却系统。
【附图说明】
[0020]通过阅读仅以非限制性示例的方式给出的以下描述并且参照附图，本发明的特征和优点将变得明显，在附图中:
[0021]图1示出了根据本发明的包括电装置和该电装置的冷却系统的组件的示意图；
[0022]图2示出了同样根据本发明的包括热管和电绝缘构件的图1的冷却系统的立体图；
[0023]图3示出了图1的冷却系统的纵向截面图；
[0024]图4示出了沿着图3的线IV-1V的截面；以及
[0025]图5示出了沿着图3的线V-V的截面。
【具体实施方式】
[0026]图1示出了根据本发明的包括电装置10和该电装置10的冷却系统12的组件I。电装置10经由高压电缆16连接到架空线路14并且如下文中所描述的固定到冷却系统12的一部分上。
[0027]构成组装件的电装置10具有电路18。电路18直接连接到架空线路14。该电路18为在铁路领域中使用的电路的类型。电路18有利地为功率电子电路。
[0028]架空线路14供应单相交变电流并且具有例如等于25kV的高电压值以及例如50Hz的频率值。
[0029]冷却系统12包括至少一个冷却构件20和用于使电装置10与冷却构件20之间电绝缘的构件22，其中构件22为根据本发明的构件。在图2中示出的实施例中，冷却系统12包括单个冷却构件20。在本实施例中，冷却构件20为热管(heat pipe)。
[0030]热管20适于以已知的方式连接到热交换器，例如具有散热片的热交换器(未示出)。热管20为例如由不锈钢制成的中空管的形式并且沿着纵向轴线A-A’延伸。热管20在两个端部处是封闭的，但为了简化热管20的上端部在附图中示出成是敞开的。
[0031]如图3所示，热管20通常包括布置在构件22内的热部24和布置在构件22外部的冷部26。在实施例中，热管20具有大致等于15mm的外径。
[0032]热管20还包括将热部24连接到冷部26的储存部28。储存部28容纳有冷却剂30并且在构件22内部在热部24与冷部26之间延伸。
[0033]如通常所已知的，热管20形成电装置10的冷却构件。热管20用于对电路18的电部件进行冷却，以在电装置10的运行期间通过热交换限制这些部件中的温度。热管20连接到附图中未示出的电接地点。
[0034]冷却剂30在125°C的最高温度以及10巴(bar)的最大压力下使用，其例如为甲醇。
[0035]电绝缘构件22包括至少一个电绝缘部段。在图2至图5中示出的实施例中，构件22包括上电绝缘部段32和下电绝缘部段34。构件22进一步包括布置在上部段32与下部段34之间的电导通部段36。如图3至图5所示，构件22在部段32、34、36内部还包括电绝缘材料40的层38。绝缘材料40有利地由紧凑形式的六方氮化硼制成。替代性地，绝缘材料40为由六方氮化硼和氮化铝制成的复合物。同样替代性地，绝缘材料40为由六方氮化硼和氧化铝制成的复合物。
[0036]在实施例中，每个电绝缘部段32、34抵靠导通部段36被施加(applied)，并且优选地经由诸如紧固螺