[發(fā)明專利]具有冷卻系統(tǒng)的變換器單元裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201680087211.0
• 申請日: 2016-06-28
• 公開（公告）號: CN109417859B
• 公開（公告）日: 2019-12-06
• 發(fā)明（設計）人: J·赫梅勒;L·考夫曼;O·索羅古本科;R·貝爾·弗德希拉;T·R·埃里克松
• 申請（專利權）人: ABB瑞士股份有限公司
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 11256 北京市金杜律師事務所
• 代理人: 李輝<國際申請>=PCT/EP2016/

公開了一種變換器閥裝置，包括變換器單元、第一和第二半導體開關元件、容器和兩相冷卻系統(tǒng)，所述兩相冷卻系統(tǒng)包括被布置為與所述半導體開關元件熱接觸并且至少部分地蒸發(fā)介電工作流體的至少一個蒸發(fā)器。所述兩相冷卻系統(tǒng)和所述變換器單元被布置在所述容器內，并且流體返回管線被布置為接收來自所述至少一個蒸發(fā)器的兩相流。在操作期間，所述變換器閥裝置可以包括在所述容器與所述變換器單元之間的電臨界區(qū)域，并且所述兩相冷卻系統(tǒng)被布置為生成僅包括來自由所述流體返回管線接收到的所述兩相流的所述介電工作流體的氣相或液相的單相流，并且將所述單相流輸送通過所述電臨界區(qū)域。

技術領域

本公開涉及電力電子變換器領域。具體地，本公開涉及一種用于這種變換器的兩相冷卻系統(tǒng)。

背景技術

模塊化多電平功率變換器(MMC)，也稱為鏈式鏈路變換器(CLC)，包括在變換器分支或相腳中串聯(lián)的多個變換器單元或者變換器子模塊，而變換器分支或相腳又可以被布置成Y形/星形、三角形和/或間接變換器拓撲。每個變換器單元都可以以半橋或全橋電路的形式包括用于存儲能量的電容器和功率半導體開關，諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)裝置、柵極可關斷晶閘管(GTO)裝置、集成門極換流晶閘管(IGCT)裝置或者用于將電容器連接至具有一個或兩個極性的變換器分支的MOSFET。每個變換器單元電容器的電壓可以在1kV與6kV之間；而變換器分支的電壓可以在10kV至幾百kV的范圍內。

具有處理器和相應軟件或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的MMC控制器可以負責借助于脈沖寬度調制方案來控制變換器單元并且操作功率半導體開關。MMC可以用于電力傳輸和分配中的多種應用，包括高壓直流(HVDC)應用以及靜態(tài)VAR補償器(靜止同步補償器)和/或柔性AC輸電系統(tǒng)(FACTS)應用。后者可以包括用于靜態(tài)功率因數校正以及用于基于產生或吸收無功功率的電壓質量和穩(wěn)定性目的的裝置。

在MMC變換器單元中，包括功率半導體開關的電力電子模塊代表功率損耗的主要來源，而在單元電容器中也可能會生成一些熱量。為了變換器部件的正常操作和長壽命，可能需要充分冷卻電力電子模塊和單元電容器。按照慣例，功率半導體開關元件通過強制水流冷卻，而單元電容器通過空氣的自由對流冷卻，電容器容器通過所有表面暴露于周圍的循環(huán)空氣。由于每單位體積的電容器加熱強度受到限制，并且盡管容器填充材料的導熱性相當低，但是所有電容器容器表面上的空氣冷卻可以確保熱路徑的最小長度，并且可以證明足以防止電容器中不期望的熱點溫度水平，這可能會顯著影響電容器的壽命周期。然而，隨著覆蓋區(qū)要求的增加，發(fā)熱部件被包裝地更緊密，加熱總功率密度增大，并且可能必須設想替代的冷卻概念。

專利EP 2277365 B1公開了一種用于冷卻被布置在多個模塊上的功率硅裝置的高功率驅動器堆疊系統(tǒng)，這多個模塊又堆疊在共同的支撐結構中。介電流體冷卻系統(tǒng)利用可蒸發(fā)的介電制冷劑并且包括多個流體導管、冷凝器、泵和放置在至少一個模塊上的蒸發(fā)器。

發(fā)明內容

因此，本公開的目的是提供以緊湊設計布置的變換器單元的充分冷卻。該目的通過根據獨立權利要求的變換器閥裝置實現(xiàn)。其他實施例由從屬權利要求限定。

在彼此重疊或相鄰布置的堆疊或連續(xù)的變換器單元中，電力電子模塊和單元電容器都面向相鄰變換器單元的相應部件，這需要在單元間具有足夠的電、電介質和短路設計措施。隨著覆蓋區(qū)要求的增加，發(fā)熱部件被包裝地更緊密，單元電容器附近可用的空間(特別是電力電子模塊與電容器之間可用的空間)變得稀缺。因此，在緊湊的變換器設計中，環(huán)境空氣在堆疊方向上的循環(huán)可能被阻礙或減小到阻止單元電容器經由垂直于堆疊方向的電容器表面冷卻的程度。此處，經由專用的熱連接將多余的冷卻功率從電力電子模塊的強制對流沸騰冷卻傳遞到單元電容器的冷卻系統(tǒng)確保后者的充分冷卻。