[发明专利]具有冷却系统的变换器单元装置

说明书

公开了一种变换器阀装置，包括变换器单元、第一和第二半导体开关元件、容器和两相冷却系统，所述两相冷却系统包括被布置为与所述半导体开关元件热接触并且至少部分地蒸发介电工作流体的至少一个蒸发器。所述两相冷却系统和所述变换器单元被布置在所述容器内，并且流体返回管线被布置为接收来自所述至少一个蒸发器的两相流。在操作期间，所述变换器阀装置可以包括在所述容器与所述变换器单元之间的电临界区域，并且所述两相冷却系统被布置为生成仅包括来自由所述流体返回管线接收到的所述两相流的所述介电工作流体的气相或液相的单相流，并且将所述单相流输送通过所述电临界区域。

技术领域

本公开涉及电力电子变换器领域。具体地，本公开涉及一种用于这种变换器的两相冷却系统。

背景技术

模块化多电平功率变换器(MMC)，也称为链式链路变换器(CLC)，包括在变换器分支或相脚中串联的多个变换器单元或者变换器子模块，而变换器分支或相脚又可以被布置成Y形/星形、三角形和/或间接变换器拓扑。每个变换器单元都可以以半桥或全桥电路的形式包括用于存储能量的电容器和功率半导体开关，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)装置、栅极可关断晶闸管(GTO)装置、集成门极换流晶闸管(IGCT)装置或者用于将电容器连接至具有一个或两个极性的变换器分支的MOSFET。每个变换器单元电容器的电压可以在1kV与6kV之间；而变换器分支的电压可以在10kV至几百kV的范围内。

具有处理器和相应软件或现场可编程门阵列(FPGA)的MMC控制器可以负责借助于脉冲宽度调制方案来控制变换器单元并且操作功率半导体开关。MMC可以用于电力传输和分配中的多种应用，包括高压直流(HVDC)应用以及静态VAR补偿器(静止同步补偿器)和/或柔性AC输电系统(FACTS)应用。后者可以包括用于静态功率因数校正以及用于基于产生或吸收无功功率的电压质量和稳定性目的的装置。

在MMC变换器单元中，包括功率半导体开关的电力电子模块代表功率损耗的主要来源，而在单元电容器中也可能会生成一些热量。为了变换器部件的正常操作和长寿命，可能需要充分冷却电力电子模块和单元电容器。按照惯例，功率半导体开关元件通过强制水流冷却，而单元电容器通过空气的自由对流冷却，电容器容器通过所有表面暴露于周围的循环空气。由于每单位体积的电容器加热强度受到限制，并且尽管容器填充材料的导热性相当低，但是所有电容器容器表面上的空气冷却可以确保热路径的最小长度，并且可以证明足以防止电容器中不期望的热点温度水平，这可能会显著影响电容器的寿命周期。然而，随着覆盖区要求的增加，发热部件被包装地更紧密，加热总功率密度增大，并且可能必须设想替代的冷却概念。

专利EP 2277365 B1公开了一种用于冷却被布置在多个模块上的功率硅装置的高功率驱动器堆叠系统，这多个模块又堆叠在共同的支撑结构中。介电流体冷却系统利用可蒸发的介电制冷剂并且包括多个流体导管、冷凝器、泵和放置在至少一个模块上的蒸发器。

发明内容

因此，本公开的目的是提供以紧凑设计布置的变换器单元的充分冷却。该目的通过根据独立权利要求的变换器阀装置实现。其他实施例由从属权利要求限定。

在彼此重叠或相邻布置的堆叠或连续的变换器单元中，电力电子模块和单元电容器都面向相邻变换器单元的相应部件，这需要在单元间具有足够的电、电介质和短路设计措施。随着覆盖区要求的增加，发热部件被包装地更紧密，单元电容器附近可用的空间(特别是电力电子模块与电容器之间可用的空间)变得稀缺。因此，在紧凑的变换器设计中，环境空气在堆叠方向上的循环可能被阻碍或减小到阻止单元电容器经由垂直于堆叠方向的电容器表面冷却的程度。此处，经由专用的热连接将多余的冷却功率从电力电子模块的强制对流沸腾冷却传递到单元电容器的冷却系统确保后者的充分冷却。