功率转换器子模块的制作方法

本发明涉及一种用于功率转换器的子模块，具体来说，用于电压源转换器的子模块，其在母排线的端子和所述子模块的部件的端子之间具有柔性连接器，所述子模块例如电容器或绝缘栅双极晶体管(insulated-gatebipolartransistor，igbt)。

背景技术：

高压直流电(high-voltagedirectcurrent，hvdc)电力传输使用直流电以供电力传输。这是更普遍的交流电电力传输的替代方案。使用hvdc电力传输存在许多益处。hvdc对远距离电力传输和/或在不同频率下操作的互连交流电(alternatingcurrent，ac)网络特别有用。

越来越多地提出将电压源换流器(voltagesourceconverter，vsc)用于hvdc传输。vsc使用开关元件，例如igbt，它们可独立于任何连接的ac系统而进行可控制的打开和关闭。在被称为模块化多电平转换器(modulemultilevelconverter，mmc)的一种vsc形式中，将ac端连接到dc端的每一阀包括串联连接的一系列子模块(或单元)，每一子模块包括储能元件如电容器，以及开关布置，所述开关布置可进行控制以便在子模块的端子之间串联连接储能元件或旁路储能元件。阀的子模块经控制以在不同时间连接或旁路它们相应的储能元件，以便随着时间推移使阀的电压差变化。通过使用相对较大数目的子模块和适当定时所述开关，所述阀可以合成近似正弦波且包括低水平谐波失真的步进波形。如所属领域的技术人员将理解，存在各种mmc设计。例如，mmc可为半桥式mmc或全桥式mmc。在半桥式mmc中，子模块的储能元件与半桥式开关布置连接，从而允许旁路或连接储能元件以在子模块的端子处提供具有给定极性的电压。在全桥式mmc中，子模块的储能元件与全桥式开关布置连接，从而允许旁路或连接储能元件以在子模块的端子处提供具有任一极性的电压。

先前考虑的子模块包括层压母排线，其至少具有正极板、负极板和交流电(alternatingcurrent，ac)板。在半桥式布置中，呈电容器形式的储能元件连接到母排线上的端子，并且两个开关元件如igbt连接到母排线上的端子。因穿过子模块的可高达2000a(安培)的高电流负载而使用母排线，并且对母排线进行层压以使电感最小化。

母排线的端子和电容器与igbt的对应端子之间的连接器同时提电气和刚性支撑连接。

然而，由于新hvdcvsc的额定功率增加，设备处于不断增加的电负载下。高电负载可在母排线、电容器、igbt以及它们之间的连接器中产生高热负载。例如，在操作期间，母排线可达到高达100℃。另外，由于取决于子模块的配置和操作，端子之间的电流负载不同，不同端子的热负载不同。此热负载可因热膨胀而将应力施加到子模块中的部件和连接中，这可损坏电容器和/或igbt内的敏感部件，所述敏感部件一般作为商用现货(commercialoff-the-shelf，cots)商品(即，其可能不是专门针对hvdcvsc设计)。

另外，此类热负载可由于与各个端子的位置和大小相关的容差错不匹配和/或累积而添加到施加在子模块中的部件和连接中的现有应力，这可产生转换器部件内的端子和/或内部部件(即igbt或电容器内的部件)的损坏。例如，部件之间的个别连接之间的在指定容差内的轻微不精确可在经组装子模块中的所有多个连接上相加(或“叠加”)，以使得在待连接的两个端子之间存在更大的累积的不精确。具体来说，此类不精确或偏移可在电容器和母排线之间、母排线和igbt之间以及igbt和冷却板之间的所有连接上叠加或相加。

因此，需要提供一种改善的子模块。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供一种用于功率转换器模块(apowerconvertermodule)的子模块(asub-module)，所述子模块包括：具有母排线端子(abusbarterminal)的母排线(busbar)；具有部件端子(acomponentterminal)的转换器部件(aconvertercomponent)；以及连接到所述母排线端子和所述部件端子以在其间形成电连接的柔性连接器(aflexibleconnector)，所述连接器(connector)在所述母排线端子和所述部件端子之间沿着第一轴延伸；其中所述连接器是柔性的以使得在所述母排线端子和所述部件端子之间存在至少一个自由度。

所述连接器可提供母排线端子和部件端子之间的支撑连接，以使得转换器部件通过柔性连接器而安装在母排线上。转换器部件可仅由所述柔性连接器或每一柔性连接器支撑(即，只由连接器支撑)。换句话说，转换器部件可能不由子模块中除了所述柔性连接器或每一柔性连接器之外的任何其它元件支撑。

转换器部件可为开关元件或储能元件。例如，转换器部件可以是绝缘栅双极晶体管(insulated-gatebipolartransistor，igbt)或电容器。

连接器(connector)可以沿着第一轴延伸和挤压，以使得在母排线端子和部件之间沿着第一轴至少存在轴向自由度。

连接器沿着第一轴可具有10⁵n/m或更小的刚度(stiffness)。连接器可被配置成比穿过相应部件的机械负载路径更具柔性。例如，沿着第一轴的刚度可以是穿过相关部件的机械负载路径的相应轴向刚度的50％或更小、20％或更小，或10％或更小，所述机械负载路径例如是穿过连接到部件端子的部件的内部电路的机械负载路径。

连接器可被配置成至少围绕第二轴弯曲，以使得在母排线端子和部件端子之间存在至少三个自由度。连接器可被配置成围绕第二轴弯曲，以使得在母排线端子和部件端子之间，沿着第一轴存在轴向自由度，沿着与第一与第二轴正交的第三轴存在轴向自由度，并围绕第二轴存在角度自由度。第二轴可与第一轴正交。

连接器被配置成围绕两个轴弯曲，以使得在母排线端子和部件端子之间存在至少五个自由度。所述两个轴可以是相对于彼此正交和/或相对于第一轴正交的第二和第三轴。

连接器可被配置成围绕第二轴和第三轴弯曲，以使得在母排线端子和部件端子之间，沿着第一、第二和第三轴分别存在轴向自由度，并围绕第二和第三轴存在角度自由度。

围绕与第一轴正交的第二和第三正交轴的连接器的弯曲刚度可小于穿过相关部件的机械负载路径的相应弯曲刚度。例如，所述弯曲刚度可以是相关部件的相应弯曲刚度的50％或更小、20％或更小，或10％或更小。

连接器可被配置成围绕第一轴扭转，以使得在母排线端子和部件端子之间围绕第一轴存在角度自由度。围绕第一轴的连接器的扭转刚度可小于穿过相关部件的机械负载路径的相应扭转刚度。例如，所述扭转刚度可以是相关部件的相应扭转刚度的50％或更小、20％或更小，或10％或更小。

柔性连接器可呈波纹管形式(abellows)。波纹管可为大体上轴对称。波纹管可为中空的。波纹管可具有由单件材料形成的柔性部分。柔性部分可具有波纹状轮廓。

柔性连接器可呈弹簧形式。弹簧可以是螺旋弹簧。弹簧可为中空的。

连接器可为中空的。换句话说，连接器可具有沿着第一轴延伸的开口，所述第一轴沿着连接器的柔性部分的长度，例如，沿着连接器的柔性部分的全长。

柔性连接器可具有相对的端附接部分，用于分别与部件端子和母排线端子连接。部件端子可以与对应的连接器的端附接部分以螺纹方式组装。部件端子可包括内螺纹孔，并且对应的连接器的端附接部分可包括外螺纹突出部。

通过插入穿过母排线以接合相应的端附接部分的螺钉或螺丝，母排线端子可连接到对应的连接器的端附接部分。母排线端子可具有用于与连接器连接的母排线开口，并且所述连接器或每一连接器相对于第一轴的径向范围可大于母排线开口的径向范围。母排线开口可由插入到母排线中的较大开口中的衬套界定。

连接器可包括用于在母排线端子和部件端子之间进行传导的辅助电路径，并且所述辅助电路径可包括柔性导线。辅助电路径可在连接器的柔性部分的相对侧上连接到连接器的相对的端附接部分。或者，辅助电路径可直接连接到母排线端子和/或部件端子。辅助电路径可包括液体金属导体。

转换器部件可以是包括外壳的开关元件，并且部件端子可至少部分地安置在外壳外部。

转换器部件可以是开关元件，并且所述开关元件可仅由所述柔性连接器或每一柔性连接器支撑。子模块可包括一个或多个冷却元件，每一冷却元件安装在一个或多个开关元件上。所述或每一冷却元件可仅借助于安装在一个或多个开关元件上而受支撑。

连接器可以是在转换器部件的相应母排线端子和相应部件端子之间延伸的多个连接器中的一个。转换器部件可以是多个转换器部件中的一个，每一转换器部件具有至少一个部件端子，所述至少一个部件端子通过相应的柔性连接器而连接到相应的母排线端子。

每一柔性连接器可具有相对于本发明的第一方面定义的连接器的各特征中的任一个。

可存在包括至少两个开关元件和一个储能元件的至少三个转换器部件。每一开关元件可具有至少四个部件端子，所述部件端子通过相应的柔性连接器而连接到相应的母排线端子，并且储能元件可具有部件端子，所述部件端子通过相应的柔性连接器而连接到相应的母排线端子。每一开关元件可具有六个部件端子，所述部件端子通过相应的柔性连接器而连接到相应的母排线端子。可存在连接到母排线的四个开关元件。

根据本发明的第二方面，提供一种用于电压源转换器的模块，包括：串联布置的多个子模块，每一子模块与本发明的第一方面一致。

根据本发明的第三方面，提供一种电压源转换器，例如ac-dc或dc-ac电压源转换器，其包括一个或多个模块，例如六个模块，每一模块与本发明的第二方面一致。

根据本发明的第四方面，提供一种用于与本发明的第一方面一致的子模块的柔性连接器。

根据本发明的第五方面，提供一种使用柔性连接器将转换器部件连接到母排线以形成与本发明的第一方面一致的子模块的方法，所述方法包括：以螺纹方式组装连接器的第一端附接部分与转换器部件的部件端子；将螺钉或螺母插入穿过母排线的母排线端子，从而以螺纹方式接合连接器的第二端附接部分，由此连接连接器的第二端附接部分与母排线端子。

附图说明

现在将借助于实例参看附图描述本发明，其中：

图1示意性地示出了用于功率转换器的子模块的透视图；

图2示意性地示出了用于功率转换器的子模块的横截面平面图；

图3示意性地示出了根据本发明的用于功率转换器的子模块的横截面平面图；

图4示意性地示出了图3的子模块的连接器的横截面图；

图5示意性地示出了图3的子模块的另一连接器的横截面图；

图6示意性地示出了图3的子模块的另一连接器的横截面图。

具体实施方式

如图1中所示，先前考虑的子模块100大体上包括层压母排线102、电容器104、呈绝缘栅双极晶体管106(insulated-gatebipolartransistor，igbt)形式的四个开关元件和两个冷却板108(以分解图示出，与igbt分离)。层压母排线102在储能元件和开关元件之间提供低电感电流路径。

在经组装的子模块100中，电容器104的端子110延伸到母排线102的对应端子中并穿过所述端子，并且利用紧固螺母(未示出)稳固地固定在母排线102的正面上，如通常已知的。

四个igbt106各自具有六个端子，所述端子利用带螺纹螺母紧固件连接到母排线102的对应端子，如下所述。

两个冷却板108例如通过螺钉而紧固到相应的igbt对，以在操作中冷却igbt。冷却板进行液体冷却，如为所属领域中的已知技术。

在使用时，子模块100由栅控制器(未示出)操作，所述栅控制器控制每一igbt106的接通和断开以确定整个母排线102上的电压差和从电容器104获得的电流。

子模块100定向成使得igbt106所附接到的母排线102的主要部分处于竖直平面中。

如图2中所示，冷却板108直接安装到igbt上(例如，通过螺钉)，并且在母排线102和igbt106之间存在通过连接螺丝112提供的刚性结构和电连接。母排线102为每一igbt106提供的六个母排线端子114，每一端子114包括在母排线的相应板中形成的母排线102中的开口以及插入到所述开口中的衬套116。每一衬套116与母排线102的相应板电接触，并且提供内部圆筒形表面以收容连接螺丝112并使得彼此电接触。每一连接螺丝112插入穿过相应的衬套116，并穿入igbt106的带螺纹端子118中。

在组装期间，当以螺纹方式将连接螺丝112适配到igbt106的端子118中时，igbt106更接近母排线，直到igbt106的相应端子118在衬套116的外表面上停止移动为止(由此除了通过螺丝的导电之外，还形成支撑和进一步的电接触)。

如所属领域的技术人员所了解，此布置需要在组装期间小心地逐渐转动与每一igbt106相关的六个连接螺钉中的每一个，以使得igbt106的内部部件不会受到由不相等的拧紧导致的一个或多个端子118的不相等偏转的应力。另外，因为母排线102通常极其坚硬，所以连接螺丝112的任何过度拧紧都可引起igbt的端子118或igbt的连接内部部件受损，这是因为它们将先于母排线102或衬套116弯曲。

另外，用于相互连接的一对端子可由于子模块中的容差叠加而不精确，使得连接螺丝112必须被迫就位，由此在相关部件上施加应力(例如，将应力施加到igbt106中)。

如图3中所示，根据本发明的子模块200包括母排线102、电容器104、四个igbt106(横截面中示出两个)和两个冷却板108，它们与上文图1和2的子模块100中的子模块大体上相同。

另外，子模块200包括多个柔性连接器202，所述柔性连接器202从每一母排线端子114延伸到电容器端子110和igbt端子118(在本文中被称作部件端子)中的每一个。

在此实施例中，每一柔性连接器202包括中空柔性波纹管，所述中空柔性波纹管沿着连接器202的第一轴x从母排线端部分204延伸到部件端部分206。在此实施例中，波纹管由单件铜形成，但在其它实施例中，可使用其它材料，例如铍铜合金。母排线端部分204和部件端部分206之间的部分210借助于波纹管形状而为柔性的，所述波纹管形状在连接器壁中包括多个折叠式褶皱。在此实施例中，柔性部分210中的波纹管的(导电材料的)平均截面面积是50mm²，但在其它实施例中，截面面积可更低或更高，例如20mm²或200mm²。波纹管的外径为25mm，壁厚为大约0.6mm。沿着连接器202的第一轴的长度为大约10mm。

母排线端部分204呈盘形式，所述盘具有配置成收容连接螺丝112的居中定位的螺纹孔。在此实施例中，连接螺丝的直径为8mm(也被称作“m8”)。

部件端部分206呈盘形式，所述盘具有用于收容带螺纹端子(例如电容器104的端子110)的居中定位的螺纹孔或用于插入到带螺纹端子(例如igbt106的端子118)中的居中定位的螺纹突出部。如图3中所示，与电容器104连接的连接器202的部件端部分206具有用于收容电容器104的带螺纹端子110的螺纹孔，而电容器的连接器202的部件端部分206具有用于插入到igbt的带螺纹端子118中的螺纹突出部。端部分204、206沿着第一轴的长度为大约3mm，直径为16mm。

在此实施例中，连接器的柔性部分210被配置成用于沿着从母排线端部分204延伸到部件端部分206的连接器的第一轴进行轴向挤压和延伸。柔性部分210还被配置成围绕彼此正交且与第一轴正交的第二和第三轴y、z弯曲。因此，柔性连接器在母排线端子114和部件端子118之间提供五个自由度，如图4示意性地示出。具体来说，沿着三个相应的轴(通过轴x、y和z指示)存在三个轴向(或平移)自由度，围绕轴y和z存在两个弯曲自由度(或角度自由度)。在此实施例中，波纹管的扭转较坚硬，使得围绕x轴不存在扭转自由度。

柔性部分210被配置成沿着第一轴具有合适的刚度，以在正常组装和可操作负载下适应高达1mm的延伸或挤压。在其它实施例中，刚度可适于适应高达2mm的延伸或挤压。沿着第一轴的刚度小于相关部件中的对应机械负载路径的相应轴向刚度，以使得在组装和操作期间，由互连或其它负载产生的子模块中的应力通过连接器202的柔性变形(即应变)做出反应，这与相关部件(例如，所述igbt106)的内部电路的弯曲相反。

另外，柔性部分210被配置成围绕第二和第三轴具有合适的弯曲刚度，以在正常组装和可操作负载下适应由围绕相应轴弯曲导致的部件端部分206相对于母排线端部分204的高达1mm的侧向偏转。在其它实施例中，弯曲硬度可适应高达2mm的侧向偏转。同样，围绕每一轴的弯曲刚度(弯曲硬度)小于相关部件的机械负载路径的相应弯曲刚度。

为了组装子模块200，柔性连接器202通过部件端部分206和相关部件端子之间的相对旋转而连接到相应部件。具体来说，六个连接器202被旋拧到六个电容器端子110上，以使得外部带螺纹的电容器端子110收容在相应柔性连接器的端部分206的相应内部带螺纹的开口中。另外，每一igbt的六个连接器202与相应的igbt106以螺纹方式组装，以使得在部件端部分206处的外部带螺纹的突出部收容在igbt106的内部带螺纹的端子118中。

随后，部件(即，电容器和igbt)被固持在抵靠母排线102的适当位置，以使得连接器202与相应的母排线端子114对准，并且每一连接螺丝112从母排线的正面(即，与相应部件相对的侧面)插入，并旋拧穿过母排线端子114到连接器202的母排线端部分204中的螺纹孔中。

由于每一连接器202是柔性的，所以母排线可连接到电容器104和igbt106，而不需要小心协调地或同时拧紧连接螺钉。另外，由于连接器202是柔性的，且具体地说，比穿过相应部件104、106的机械负载路径更具柔性，所有施加在母排线和相应部件之间的连接上的任何应力通过连接器202的变形来吸收，而不是通过相应部件104、106的内部电路上的应变来消减。

在此特定实施例中，每一连接器202沿着它的第一轴的轴向刚度(或弹簧常数)为大约10⁵n/m，而穿过igbt106和电容器104的相应机械负载路径的弹簧常数大得多。例如，穿过igbt106和/或电容器104的机械负载路径的弹簧常数可等于或大于10⁶n/m。

另外，在此特定实施例中，围绕第二和第三轴中的每一个弯曲的弯曲刚度(或弯曲硬度，其相当于杨氏模量e和面积二次矩i的乘积；ei)大约为50nm²。这对应于响应于在部件端子处的100n侧向负载，部件端子相对于母排线端子侧向偏转小于1mm。部件的机械负载路径的相应弯曲刚度可明显大得多，例如100nm²或更多，或200nm²或更多。

图5示出了根据本发明的连接器302的另一实施例，其与第一实施例(连接器202)的不同之处在于提供延伸穿过连接器的中空中心的辅助电路径。具体来说，辅助电路径包括柔性电缆304，所述柔性电缆304连接到母排线端部分204、206以便当连接器302在母排线端子114和部件端子110、118之间延伸时用作导体。在此特定实施例中，柔性电缆304是具有液体金属芯的绝缘电缆，如公开于《先进材料(advancedmaterials)》第11期、第25卷(1589到1592页)的palleau等人的“用于可重新配置的电路布线和3d微流体的自愈可拉伸金属线(self-healingstretchablewiresforreconfigurablecircuitwiringand3dmicrofluidics)”中。在本实例中，电缆304的直径为5mm且是柔性的，以便在所述两个端之间提供六个自由度。相对于每一共同的自由度，电缆304比波纹管/连接器的柔性部分210更具柔性，使得总体上连接器302的柔性特征仅通过波纹管的柔性部分210来大体上确定，并且使得部件104、106，具体地说，igbt106，由连接器的波纹管部分支撑。例如，沿着第一轴的轴向硬度可以是10⁵n/m或更小，并且弯曲刚度可以是50nm²或更小。

在其它实施例中，柔性电缆304可包括柔性多股编织金属线，例如，铜线。

提供柔性电缆304以相对于连接器202的第一实施例增加连接器304的载流容量。技术人员将了解，在其它实施例中，可提供柔性电缆304以使得可以降低至少连接器302的柔性部分210的截面面积，以便增加柔性(即，减小弯曲刚度)。例如，根据此第二实施例的连接器302可具有柔性波纹管部分210，所述柔性波纹管部分210的外径为25mm，并且其导电材料的平均截面面积为大约20mm²(对应于大约0.25mm的壁厚)。柔性电缆304的传导性直径可大约为6mm。因此，沿着包括波纹管和柔性电缆两者的连接器302的导电材料的平均截面面积可大约为50mm²，其大体上相当于第一实施例的实例连接器202的平均截面面积。波纹管的内部直径可为15mm。

根据本发明的连接器402的第三实施例在图6中以横截面形式示出。连接器402与第一实施例的连接器202的不同之处仅在于连接器402的柔性部分420呈中空螺旋弹簧形式而不是呈柔性波纹管形式。柔性弹簧部分420向连接器402提供与上文相对于连接器202的第一实施例所描述的相同的五个自由度，并且另外可扭转偏转(即扭转)以便在两个端部分204、206之间提供第六角度自由度(即，端部分204、206可相对于彼此扭转)。

连接器402被配置成具有扭转刚度，以允许在子模块的组装和操作期间所经历的正常负载下的端部分204、206之间高达5°的角度扭转。

在此实施例中，螺旋柔性部分420具有大约三个螺旋旋转，其中开口沿着第一轴延伸长达柔性部分420的长度，以使得连接器402是中空的。螺旋柔性部分420的直径大约为16mm，并且沿着第一轴的长度为大约10mm。形成螺旋的材料的直径为大约3mm。

所属领域的技术人员应了解，波纹管和螺旋弹簧连接器是可提供以允许母排线和部件之间柔性连接的柔性连接器的实例。在其它实施例中，可提供不同的柔性连接器。

应了解，子模块200可与上文所描述的本发明的任何实施例的柔性连接器202、302、402一起使用。

然而，连接器，例如波纹管式和螺旋弹簧式的连接器是优选的，因为它们的配置允许对刚度、弯曲刚度和扭转刚度特征进行适当配置。例如，弯曲刚度取决于面积二次矩(i)，其是几何结构的函数，具体地说，是远离弯曲部的中心线安置的材料的量的函数。另外，扭转刚度取决于扭转常数(j)，其类似于面积二次矩并且还取决于几何结构。相比之下，编织金属线大体上具有均匀的横截面，并且仅可控制直径来影响刚度和刚度特征。