[發明專利]用于高功率密度(HPD)變壓器的液體/流體冷卻系統

在審

• 申請號: 202080099296.0
• 申請日: 2020-03-31
• 公開（公告）號: CN115380342A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: Z·周;S·曼克維奇;M·杜切特;A·馬丁二世
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: H01F27/10
• 分類號: H01F27/10;H01F27/12;H01F27/08;H01F27/16;H01F27/22;H05K7/20;F28F3/12;F28F3/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋橙陽;萬欣

一種高功率密度功率轉換器(500)采用液體冷卻系統(200)來冷卻其變壓器(120)。在實施例中，變壓器(100)的線圈(135)嵌入在導熱固體(環氧樹脂或樹脂)中。樹脂嵌入線圈(135)與冷板(160)物理/熱接觸，冷板夾在線圈(135)之間和/或與線圈(135)的外表面接觸。冷板(160)可附加地或備選地與變壓器芯(145)物理/熱接觸。冷卻劑流體被泵送通過冷板(160)。在另一個實施例中，變壓器(120)浸沒在熱管理外殼(710)內的諸如油的冷卻劑流體(740)中。冷板(160)與外殼(710)物理/熱接觸。泵送通過冷板(160)的冷卻劑液體(240)將熱量從油封閉的變壓器(700)傳導走。

技術領域

本主題大體上涉及冷卻系統和高功率電子功率系統，并且更特別地涉及高功率電功率系統中的高功率密度(HPD)變壓器。本主題還涉及用于HPD變壓器的液體冷卻系統。

背景技術

變壓器概述：變壓器是一種無源電氣設備，它將電能從一個電路(“源”)傳遞到一個或多個其它電路(“(多個)負載”)，而在源和(多個)負載之間沒有任何電流傳遞。能量僅經由電場傳輸來傳遞。變壓器具有至少兩個單獨的線線圈，其各自典型地纏繞在一個或多個鐵(磁)金屬芯周圍。在變壓器的任何一個源線圈中變化的電流產生變化的磁場(磁通)，這又在纏繞在同一芯周圍的任何其它負載線圈上感應出變化的電動勢。如果負載線圈連接到電氣負載，則電流流過負載線圈。電能可在(可能許多)線圈之間傳遞，而不需要在源電路和負載電路之間的導電金屬連接。這能夠實現源電流和(多個)負載電流的完全物理絕緣。

變壓器在電功率應用中用于在低電流下增加交流電壓(升壓變壓器)或在高電流下降低交流電壓(降壓變壓器)。

高功率系統概述：中高功率系統可為大型工業廠房、工廠、大型交通工具(諸如大型船舶和飛機)、辦公樓、公寓樓或整個城市提供電力。功率轉換系統(或功率轉換器)在中和高功率電子分布式功率母線和電網中轉換電功率，例如：將較高電壓轉換到較低電壓；將較低電壓轉換到較高電壓；將電力從一個交流頻率轉換到另一個交流頻率；或從直流轉換到交流，或從交流轉換到直流。

電功率系統大體上由發電、傳輸、分配和最終使用組成。功率由一臺或多臺發電機供應，或由諸如太陽能的可再生能源系統供應。在到達其最終負載(使用電功率的設備)的過程中，功率典型地由一個或多個功率轉換器接收和傳輸。例如，發電機側轉換器可經由定子母線從發電機接收交流(AC)功率，并且可將AC功率轉換到合適的輸出頻率，諸如電網頻率。AC功率經由線路母線提供到電力網。

低電壓、中電壓和高電壓沒有嚴格限定，但例如術語“低電壓”可指小于或等于1.5kV的電壓，“中電壓”可指大于1.5 kV且小于100 kV的電壓，并且高電壓可指100 kV及以上的電壓。

高功率密度(HPD)功率系統 – 用于船舶和具有緊湊空間要求的其它環境的功率轉換器：諸如軍用和商用船舶以及飛機的某些環境對空間的利用非常重視。因此，船舶需要比在陸基環境中采用的功率轉換器更緊湊的功率轉換器。還希望減輕用于海事應用的功率轉換系統的重量。功率轉換器體積和功率轉換器重量上的減少導致提高的功率密度和對船舶的較小阻力兩者。

本系統和方法特別地但非唯一地適用于微電網，諸如在船舶和飛機上可見的微電網。(電網和微電網在本文中大體上稱為“功率系統”。)船舶和飛機的功率系統以及適合于其它緊湊物理空間的功率系統都受益于在物理上盡可能小和緊湊。對于給定的功率水平，物理尺寸越小，整個功率系統的所得功率密度就越高。高功率密度又意味著大量不需要的熱量的產生，這些熱量需要被耗散。

高功率密度(HPD)系統的一個示例是電力電子組塊(PEBB)最小可更換單元(LRU)，其是功率轉換器的結構和功能元件，并且可為將任何輸入電功率轉換為所需電壓、電流和頻率輸出的任何功率處理器。PEBB旨在用于作為模塊化和可擴展的功率轉換器架構的一部分使用，該架構典型地采用多個互連的PEBB。

PEBB典型地將功率器件、柵極驅動器、變壓器和其它部件結合到具有可構造和明確限定的功能的組塊中。