变流器和高压直流电流传输设施的制作方法

本实用新型涉及一种变流器，所述变流器具有多个功率半导体器件。此外，本实用新型涉及一种高压直流电流传输设施。

背景技术：

变流器是用于转换电能的功率电子电路。借助变流器，能够将交流电流转换为直流电流，将直流电流转换为交流电流，将交流电流转换为其它频率和/或幅度的交流电流，或者将直流电流转换为其它电压的直流电流。

在运行变流器时，功率半导体器件可强烈地加热。因此必须确保功率半导体器件的充分冷却。这尤其针对高压直流电流传输设施的变流器，经由所述高压直流电流传输设施传输大的电功率。

为了冷却功率半导体器件，可设想用超纯水或去离子水进行冷却。由于水的比热容相对较大，因此能够有效地冷却功率半导体器件。然而，由于所出现的高的电压，必须始终确保：将水保持纯净，从而使其保持所需的低的电导率。因此，例如必须反复从水中去除干扰的离子(所述离子随着时间污染水)(去离子)。此外应采取预防措施，从而使水在低于0℃的环境温度下不会冻结。

技术实现要素：

本实用新型的所基于的目的是，提出一种变流器和一种方法，其中减少用于冷却功率半导体器件的耗费。

所述目的根据本实用新型通过一种变流器和具有所述变流器的高压电流传输设施来实现，所述变流器具有多个功率半导体器件，和具有用于借助液态的冷却剂冷却所述功率半导体器件的冷却装置，其特征在于，液态的所述冷却剂是无水的液态的冷却剂。变流器和方法的有利的实施形式在下文中给出。

公开一种变流器(尤其是高压直流电流传输设施的变流器)

-具有多个功率半导体器件，和

-具有用于借助液态的冷却剂冷却所述功率半导体器件的冷却装置，其中

-所述液态的冷却剂是无水的液态的冷却剂。功率半导体器件例如能够是功率二极管、晶闸管或igbt(绝缘栅双极晶体管)。也就是说，功率半导体器件借助于无水的液体冷却来冷却。这种变流器尤其能够是高压技术中的整流器或逆变器。

无水的液态的冷却剂的使用具有一系列优点：不需要水的去离子化，因此产生减少的维护间隔。冷却剂能够具有大于100℃的温度，而不会形成蒸汽(无水蒸气的冷却剂)。由于无水的液态的冷却剂，与通过含水的液态的冷却剂可能产生的腐蚀相比，产生更少的腐蚀。此外不存在在温度低于0℃时结冰的风险，使得例如能够实现单回路冷却，其中冷却剂通过冷的环境空气(所述环境空气也允许低于0℃)被冷却。

变流器能够设计为，使得冷却剂具有小于0.5μs/cm的电导率，尤其小于0.2μs/cm的电导率。借助这种冷却剂能够毫无问题地冷却高压直流电流传输设施的变流器的功率半导体器件。

变流器能够设计为，使得冷却剂具有酯或油，尤其矿物油(或者是这种酯或油)。液态的酯或油可在市场低成本地购置。

变流器能够设计为，使得功率半导体器件与冷却剂热耦合，其方式为：功率半导体器件分别与冷却体热耦合，并且所述冷却体与冷却剂热耦合。由此，功率半导体器件能够将废热经由冷却体输出给冷却剂。

变流器也能够设计为，使得功率半导体器件与冷却剂热耦合，其中功率半导体器件分别经由热管(加热管)与冷却体热耦合，并且所述冷却体与冷却剂热耦合。特别有利的是，在功率半导体器件和冷却体之间分别安装有热管。功率半导体器件的废热能够被热管容易地吸收并且(也在相对远的距离上)输送至冷却体。然后，所述废热从冷却体输出给冷却剂。

变流器也能够设计为，使得冷却装置具有用于冷却功率半导体器件的冷却剂回路。借助于冷却剂回路，能够有利地同时冷却多个功率半导体器件。冷却剂回路还能够实现有效地运走功率半导体器件的废热。

变流器也能够设计为，使得冷却装置具有冷却剂泵和热交换器(换热器)。冷却剂泵用于泵送冷却剂穿过冷却剂回路。热交换器用于重新冷却冷却剂，其方式为：热交换器将冷却剂的废热输出给另一物质(例如输出给环境空气)。

变流器也能够设计为，使得冷却装置具有桥接支路，当冷却剂的温度低于(第一)预定的温度值时，所述桥接支路桥接热交换器。通过所述桥接支路实现，过冷的冷却剂(意即，具有低于第一预定的温度值的温度的冷却剂)快速地被功率半导体器件加热并且被带到运行温度上。过冷的冷却剂因此是不利的，因为过冷的冷却剂具有高的粘度进而可能会过慢地流动经过冷却剂回路。

变流器也能够设计为，使得冷却装置具有加热装置，当冷却剂的温度低于(第二)预定的温度值时，所述加热装置加热冷却剂。加热装置因此是有利的，因为借助加热装置能够快速地加热过冷的冷却剂并且能够将其带到运行温度上。

变流器也能够设计为，使得

-所述变流器是整流器，并且所述功率半导体器件是功率二极管，或者

-所述变流器是模块化的多级换流器，所述模块化的多级换流器具有多个模块，所述模块分别具有功率半导体器件中的至少两个和一个电的能量储存装置，其中功率半导体器件是电子开关元件。也就是说，无水的液态的冷却剂能够有利地用于不同类型的变流器。

还公开一种高压直流电流传输设施，其具有根据上述变型形式的变流器。

此外公开一种用于冷却变流器(尤其是高压直流电流传输设施的变流器)的功率半导体器件的方法，其中在所述方法中

-所述功率半导体器件借助于无水的液态的冷却剂冷却。

所述方法能够进行为，使得

-液态的冷却剂在冷却剂回路中输送至所述功率半导体器件并且输送(尤其泵送)至所述热交换器(换热器)。所述热交换器尤其能够是液体-空气热交换器(液体-空气换热器)。

所述方法也能够进行为，使得

-当所述冷却剂的温度低于(第一)预定的温度值时，(借助于桥接支路)桥接所述热交换器，使得所述冷却剂的至少一部分在绕过所述热交换器的条件下被输送(尤其泵送)穿过所述冷却剂回路。

所述方法能够进行为，使得

-当所述冷却剂的温度低于(第二)预定的温度值时，(借助于加热装置)加热所述冷却剂，使得所述冷却剂的粘度减小。

所描述的变流器和所描述的方法具有相同的或类似的优点。

附图说明

下面根据实施例详细阐述本实用新型。在此，相同的附图标记表示相同的或起相同作用的元件。为此

在图1中示出变流器的一个实施例，所述变流器具有多个模块，

在图2中示出模块的一个实施例，

在图3中示出模块的另一实施例，

在图4中示出在功率半导体器件和冷却体之间热耦合的一个实施例，

在图5中示出高压直流电流传输设施的一个实施例，

在图6中示出模块的另一实施例，和

在图7中示出用于冷却高压直流电流传输设施的变流器的功率半导体器件的方法的示例性流程图。

具体实施方式

在图1中示出呈模块化多级变流器1(modularmultilevelconverter,mmc)的形式的变流器1(高压变流器1)。所述多级变流器1具有第一交流电压端子5、第二交流电压端子7和第三交流电压端子9。第一交流电压端子5与第一相位模块支路11和第二相位模块支路13电连接。第一相位模块支路11和第二相位模块13形成变流器1的第一相位模块15。第一相位模块支路11的背离第一交流电压端子5的端部与第一直流电压端子16电连接；第二相位模块支路13的背离第一交流电压端子5的端部与第二直流电压端子17电连接。第一直流电压端子16是正的直流电压端子；第二直流电压端子17是负的直流电压端子。

第二交流电压端子7与第三相位模块支路18的一个端部并且与第四相位模块支路21的一个端部电连接。第三相位模块支路18和第四相位模块支路21形成第二相位模块24。第三交流电压端子9与第五相位模块支路27的一个端部和第六相位模块支路29的一个端部电连接。第五相位模块支路27和第六相位模块支路29形成第三相位模块31。

第三相位模块支路18的背离第二交流电压端子7的端部和第五相位模块支路27的背离第三交流电压端子9的端部与第一直流电压端子16电连接。第四相位模块支路21的背离第二交流电压端子7的端部和第六相位模块支路29的背离第三交流电压端子9的端部与第二直流电压端子17电连接。第一相位模块支路11、第三相位模块支路18和第五相位模块支路27形成正侧的变流器部分32；第二相位模块支路13、第四相位模块支路21和第六相位模块支路29形成负侧的变流器部分33。

每个相位模块支路具有多个模块(1_1,1_2,1_3,1_4…1_n；2_1…2_n；等)，所述模块(借助于其直流电流端子)电串联地连接。这种模块也称为子模块。在图1的实施例中，每个相位模块支路具有n个模块。借助于其直流电流端子电串联地连接的模块的数量能够是非常不同的，至少是两个模块串联连接，但是也能够是例如3个、50个、100个或更多个模块串联地电连接。在实施例中，n＝36：因此第一相位模块支路11具有36个模块1_1,1_2,1_3,......1_36。其它相位模块支路13、18、21、27和29类似地构造。

光学消息或光学信号从变流器1的(未示出的)控制装置经由光学通信连接(例如经由光波导)传输至各个模块1_1至6_n。例如，控制装置分别将关于输出电压的高度的期望值发送给各个模块，相应的模块应提供所述输出电压。

也就是说，所描述的模块化多级变流器具有多个所提及的相同类型的模块，所述模块串联地电连接。通过所述模块的串联的电连接，可实现高的输出电压。变流器能够简单地匹配于不同的电压(可扩展)，并且能够相对准确地产生期望的输出电压。模块化多级变流器通常用于高压区域中，例如作为高压直流电流传输设施的变流器。

在模块1_1,1_2,1_3等中设置有功率半导体器件。也就是说，功率半导体器件设置在多个相位模块15、24、31中，其中每个相位模块15、24、31具有交流电压端子5、7、9和至少一个直流电压端子16、17(尤其两个直流电压端子16、17)。

变流器1具有冷却装置50。冷却装置50具有冷却剂容器52、泵54(冷却剂泵54)、加热装置55、热交换器56(换热器56)和三通阀57。平行于热交换器56设置有桥接支路58。借助于三通阀57能够调节冷却剂的(绕过所述热交换器56)流动穿过桥接支路58的量。加热装置55是可选的，其也能够被省去。三通阀57和桥接支路58也是可选的，其也能够被省去。

冷却剂容器52、泵54、加热装置55、热交换器56和三通阀57通过冷却剂管路60与所述变流器1的各个模块1_1…1_n,3_1…3_n等连接。(冷却剂管路60在实施例中借助于两个平行的线以管的类型示出。而变流器的电线路分别借助于单个线示出。)因此，例如三通阀57经由去向-冷却剂管路60a与模块1_1连接；模块1_1经由冷却剂管路60b与模块1_2连接；并且模块1_2经由冷却剂管路60c与模块1_3连接。以相同的方式和方法，模块1_3经由冷却剂管路60与下一模块1_4(未示出)连接，等等。相位模块支路11的最后一个模块1_n经由回向-冷却剂管路60d与冷却剂容器52连接。冷却剂容器52经由冷却剂管路60与泵54连接；泵54经由冷却剂管路60与加热装置55连接，并且加热装置55经由冷却剂管路60与热交换器56连接。热交换器56经由冷却剂管路60与三通阀57连接。

在冷却剂容器52中存在冷却剂70的储备。冷却剂70能够从冷却剂容器52中借助于泵54泵送穿过热交换器56，第一相位模块支路11的模块1_1...1_n，并且然后再次返回至冷却剂容器52。因此，冷却装置50具有冷却剂回路72。第三相位模块支路18的模块3_1...3_n和第五相位模块支路27的模块5_1...5_n也连接到冷却剂回路72上。也就是说，借助于冷却剂回路72，能够同时冷却设置在模块中的功率半导体器件。

冷却剂70是无水的液态的冷却剂70。无水的液态的冷却剂70尤其能够是酯(例如本身已知的酯midel7131)或油。油能够是例如矿物油或植物油。例如能够将本身已知的油用作为冷却剂70，因为所述油在油隔离的变压器中用于隔离目的。这种油的实例是shell公司的品名为“diala”的油或者是nynas公司的品名为“nytro”的油。

冷却剂70的电导率有利地小于0.5μs/cm，尤其是小于0.2μs/cm。这种冷却剂能够毫无问题地用在高压变流器或高压直流电流传输设施的变流器中(例如，在100kv和500kv之间的电压下)。

为了冷却第二相位模块支路13、第四相位模块支路21和第六相位模块支路29的模块的功率半导体器件，存在另外的冷却装置80。所述另外的冷却装置80与第一、第三和第五相位模块支路11、18和27的冷却装置50相同地构造。显然，变流器1的所有模块也能够借助于唯一的冷却装置(意即，借助于唯一的冷却剂容器52、唯一的泵54和唯一的热交换器56)来冷却。替选地，也可行的是，使用多于两个的冷却装置来冷却变流器1的模块。

冷却剂容器52包含冷却剂70的储备。冷却剂容器52是可选的：所述冷却剂也能够以足够的量存在于冷却剂管路60、泵54和热交换器56中。

可选地提出下述内容：如果冷却剂低于(第一)预定的温度值，那么桥接支路58桥接热交换器56。这通过如下方式实现：将三通阀57操控为，三通阀57将冷却剂70(部分地或完全地)引导穿过桥接支路58，由此冷却剂70在热交换器56旁边经过输送热交换器。也就是说，随后液态的冷却剂70的至少一部分在绕过热交换器56的条件下被输送(尤其泵送)穿过冷却剂回路72。因此，冷却剂70(与在穿流热交换器56时相比)通过功率半导体器件的废热更快地加热，并且被快速地加热到大于(第一)预定的温度值的温度上。由此减小了冷却剂70的粘度，使得冷却剂70能够更容易地流过冷却回路72。即已经发现：无水的液态的冷却剂通常在低温下具有比水更高的粘度，并且无水的液态的冷却剂因此在低温下比水更差地流过冷却装置50。通过桥接支路58减少无水的液态的冷却剂的这种可能的缺点。

此外，可选地提出下述内容：如果冷却剂低于(第二)预定的温度值，那么借助于加热装置55加热冷却剂70。由此，冷却剂70被加热到大于(第二)预定的温度值的温度上。由此减小了冷却剂70的粘度，使得冷却剂70更容易地流过冷却回路72。第一预定的温度值在此能够等于第二预定的温度值。但是，在此，第一预定的温度值也能够不等于第二预定的温度值。例如，第一预定的温度值能够大于第二预定的温度值。

以相同的方式和方法，也能够冷却其它变流器的功率半导体器件，例如晶闸管变流器的晶闸管。

在图2中，示例性地示出模块201的构造。在此，其例如能够是第一相位模块支路11的模块1_1(或者也是在图1中所示出的其它模块之一)。所述模块设计为半桥模块201。模块201具有可接通和切断的第一电子开关元件202(第一电子开关元件202)，其具有反向并联连接的第一二极管204(第一续流二极管204)。此外，模块201具有可接通和切断的第二电子开关元件206(第二电子开关元件206)，其具有反向并联连接的第二二极管208(第二续流二极管208)和呈电容器210形式的电的能量储存装置210。第一电子开关元件202和第二电子开关元件206分别构造为igbt(绝缘栅双极晶体管)。第一电子开关元件202与第二电子开关元件206串联地电连接。在这两个电子开关元件202和206之间的连接点处，设置有(电流的)第一模块端子212。在第二开关元件206的与连接点相对置的端子处，设置有(电流的)第二模块端子215。此外，第二模块端子215与能量储存装置210的第一端子连接；能量储存装置210的第二端子与第一开关元件202的与连接点相对置的端子电连接。

也就是说，能量储存装置210与由第一开关元件202和第二开关元件206构成的串联电路并联地电连接。通过相应地操控第一开关元件202和第二开关元件206能够实现：在第一模块端子212和第二模块端子215之间输出能量储存装置210的电压或者不输出电压(意即，输出零电压)。因此，通过各个相位模块支路的模块的相互作用，能够产生变流器的相应所期望的输出电压。在实施例中，借助于(上文提到的)从变流器的控制装置传输至模块的消息或信号进行第一开关元件202和第二开关元件206的操控。

第一电子开关元件202设有第一开关元件冷却体220；第二电子开关元件206设有第二开关元件冷却体222。第一续流二极管204设有第一二极管冷却体226；第二续流二极管208配备有第二二极管冷却体228。

冷却体220、222、226和228与相应的器件紧密地热接触，并且能够吸收在器件中产生的废热和将其再传导给液态的冷却剂70。因此，冷却体220、222、226和228分别与冷却剂70紧密地热接触(热耦合)。因此，功率半导体器件(在此，即为第一电子开关元件202、第二电子开关元件206、第一续流二极管204和第二续流二极管208)与冷却剂70热耦合。

冷却体在附图中仅示意性地示出。冷却体能够是冷却剂穿流的(液体穿流的)冷却体(意即，冷却体具有冷却剂穿流的通道)。冷却体能够分别由固体金属构成，例如铜或铝。

在图2的下部部分中，借助于箭头236示出流入模块201中的冷却剂70；在图2的上部部分中，借助于箭头238示出从模块201流出的冷却剂70。也就是说，借助于流过模块201的冷却剂70，能够冷却第一电子开关元件202、第二电子开关元件206、第一续流二极管204和第二续流二极管208。替选地，当然也可行的是，借助于冷却剂70仅冷却模块的个别器件，例如仅冷却第一电子开关元件202和/或第二电子开关元件206。在这种情况下，为了冷却其它构件能够存在其它冷却可行性，例如，自身的冷却剂回路。

冷却剂70吸收第一电子开关元件202、第二电子开关元件206、第一续流二极管204和第二续流二极管208的废热。冷却剂70将所吸收的废热输送至热交换器56。热交换器56将冷却剂的废热输出给环境空气(优选地，热交换器56将废热输出给变流器建筑物外部的环境空气)。

在图3中示出模块化多级变流器1的模块301的另一实施例。所述模块301能够是例如模块1_2(或者也能够是在图1中示出的其它模块之一)。除了已经从图2中已知的第一电子开关元件202、第二电子开关元件206、第一续流二极管204、第二续流二极管208和能量储存装置210以外，在图3中示出的模块301具有第三电子开关元件302以及第四电子开关元件306，所述第三电子开关元件具有反向并联连接的第三续流二极管304，所述第四电子开关元件具有第四反向并联连接的续流二极管308。第三电子开关元件302和第四电子开关元件306分别构造为igbt。与图2的电路不同的是，第二模块端子315不与第二电子开关元件206电连接，而是与由第三电子开关元件302和第四电子开关元件306构成的电的串联电路的中点电连接。

图3的模块301是所谓的全桥模块301。所述全桥模块301的特征在于，在相应地操控位于(电流的)第一模块端子212和(电流的)第二模块端子315之间的四个电子开关元件的情况下，能够选择性地输出能量储存装置210的正电压、能量储存装置210的负电压或者值为零的电压(零电压)。由此，也就是说，能够借助于全桥模块301，反转所述输出电压的极性。变流器1能够仅具有半桥模块201、仅具有全桥模块301或者还具有半桥模块201和全桥模块301。变流器的大电流流动经过第一模块端子212和第二模块端子215、315。

在模块301的实施例中，除了第一电子开关元件202、第二电子开关元件206、第一续流二极管204和第二续流二极管208以外，附加地还有第三电子开关元件302、第四电子开关元件306、第三续流二极管304和第四续流二极管308借助于冷却剂回路72的冷却剂70冷却。

在图4中示出在功率半导体器件和冷却体之间的热耦合的实施例。在图4的左部示意性地示出功率半导体器件403；在图4中的右部示意性地示出冷却体406。功率半导体器件403能够例如是图2的第一电子开关元件202或第二电子开关元件206。但是，功率半导体器件403也例如能够是图6的二极管603。在功率半导体器件403和冷却体406之间设置有热管408(加热管408)。热管408与功率半导体器件403和冷却体406紧密地热接触。热管408吸收功率半导体器件403的废热，将废热输送至冷却体406并且将废热输出给冷却体406。然后，冷却体406将废热输出给在冷却剂管路60中流动的冷却剂70。

在图5中示意性地示出高压直流电流传输设施501的实施例。所述高压直流电流传输设施501具有两个变流器1，如在图1中所示出的那样。这两个变流器1在直流电压侧经由高压直流电流连接505彼此电连接。在此，变流器1的两个正的直流电压端子16借助于第一高压直流电流线路505a彼此电连接；这两个变流器1的两个负的直流电压端子17借助于第二高压直流电流线路505b彼此电连接。借助于这种高压直流电流传输设施501，能够远程地传输电能；于是，所述高压直流电流连接505具有相应的长度。

在图6中示出变流器1的模块601(二极管模块601)的另一实施例。如果在图1中示出的变流器仅配备有模块601，那么变流器不是模块化多级变流器，而是二极管整流器。模块601包含呈二极管603(功率二极管603)形式的功率半导体器件603。二极管603设有冷却体605。在此，冷却体605能够与二极管603直接热耦合。但是，冷却体605也能够在中间接入热管的情况下与二极管603间接地热耦合(如在图4中所示出的那样)。高压直流电流传输设施501能够具有根据图2和3的具有模块201、301和根据图6的具有模块601的变流器。

在图7中再次借助于流程图示出用于冷却变流器1的功率半导体器件的方法。

方法步骤702：

将无水的液态的冷却剂70在冷却剂回路72中泵送至变流器1的功率半导体器件202、206、204、208和热交换器56。

方法步骤704(可选)：

当冷却剂的温度低于(第一)预定的温度值时，(借助于桥接支路)桥接所述热交换器56，使得液态的冷却剂70的至少一部分在绕过热交换器56的条件下被输送穿过冷却剂回路72。

方法步骤706(可选)：

当冷却剂的温度低于(第二)预定的温度值时，(借助于加热装置)加热冷却剂70，使得减小冷却剂的粘度。

方法步骤708：

通过冷却剂70吸收模块1_1...6_n的功率半导体器件的废热。

方法步骤710：

借助于冷却剂70将废热运走至热交换器56。

已经描述了高压直流电流传输设施的变流器，所述变流器具有功率半导体器件和用于借助液态的无水冷却剂冷却所述功率半导体器件的冷却装置。所述变流器具有一系列优点：

-不需要将冷却水去离子，从中产生减少的维护间隔。

-能够在不形成蒸汽的情况下达到高于100℃的冷却剂温度。

-发生较少的腐蚀，尤其在必要时设置在冷却剂管路中的用于影响冷却剂的电位的元件(电位控制电极)处发生较少的腐蚀。能够减少电位控制电极的数量，在极端情况下能够完全弃用电位控制电极，因为无水冷却剂能够具有比含水的冷却剂显著更低的电导率。因此，油例如能够具有比超纯水低多个数量级的电导率。

-用于无水的冷却剂的再冷却设施(例如，热交换器)能够与另一结构单元/组件(其借助于相同的无水的介质工作)集成地构造(例如，与油隔离的变压器)。

-在霜冻时不存在通过结冰引起的风险。能够实现单回路冷却(其中无水的冷却剂即使在霜冻的情况下也直接通过空气再冷却)。