模块化多电平换流器半桥功率单元的制作方法

本实用新型涉及电力输配电领域，特别地，涉及一种基于相变散热的模块化多电平换流器(MMC)半桥功率单元。

背景技术：

柔性高压直流输电技术采用全控型电力电子开关实现对变流器的控制，具有控制灵活、交流侧系统电流谐波畸变小、无功可自由补偿及不依赖交流系统实现换向等优点。大多数柔性高压直流输电系统采用模块化多电平变流器拓扑，模块化多电平换流器(MMC)是一种新型的电压变换电路，其通过将多个子模块级联的方式，可以叠加输出很高的电压，并且还具有输出谐波少、模块化程度高等特点，在电力系统中具有广泛的应用前景。

图1中示出了MMC半桥功率单元电气原理图，MMC半桥功率单元主要由旁路开关4、上管IGBT(绝缘栅双极晶体管)1、下管IGBT 1、母线电容3及放电电阻2组成。上管IGBT 1的集电极(C)与母线电容3的正(+) 相连接，上管IGBT 1的发射极(E)与下管IGBT 1的集电极(C)相连接，同时与第一交流输出端口5相连接；下管IGBT 1的发射极(E)与母线电容 3的负(-)相连接，同时与第二交流输出端口6相连接；放电电阻2并联在母线电容3的正负之间，当系统停电维护时，把母线电容3上存储的能量泄放掉。

在MMC半桥功率单元工作期间，IGBT 1和放电电阻2会产生大量的热，尤其是对于容量大的系统，传统的MMC半桥功率单元通常采用水冷的散热方式，如图2和图3中所示，传统的MMC半桥功率单元100包括功率组件 110和用于冷却功率组件110的水冷系统120，功率组件110可以包括如图1 中电气原理图中所示出的电气部件，诸如IGBT器件111、放电电阻112、母线电容113等。发热部件IGBT器件111、放电电阻112安装在的水冷系统120 的水冷板123的正表面上，冷却去离子水通过进水水嘴121进入水冷板123 的腔体中并(通过循环系统的驱动)从出水水嘴122流出，同时把发热部件IGBT器件111及放电电阻112产生的热量不停歇的传导出半桥功率单元的外面，保证系统的可靠工作。

水冷板123的内部设计有多路流道，保证较低温度的冷却去离子水通过进水水嘴121进入流道，把发热部件(IGBT器件111和放电电阻112)产生的热量，通过循环系统，变成较高温度的去离子水，通过出水水嘴122流出流道。水冷板123中设置的多路流道以及用于驱动去离子水流动的循环系统 (例如，与流动相关联的泵、阀、管道等等)都将使水冷系统120的制造成本变高。水冷系统120的复杂构造也使MMC功率单元维护不方便，并且水冷系统120容易出现漏水问题，且漏水保护较难实现。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的MMC半桥功率单元的水冷系统的成本很高、 MMC功率单元维护不方便、容易出现漏水问题且漏水保护较难实现的不足，本实用新型提供一种基于相变散热的MMC半桥功率单元。

根据本实用新型的一个总体方面，一种模块化多电平换流器半桥功率单元可以包括功率组件和相变散热组件，功率组件可以包括发热部件，相变散热组件可以包括用于吸热相变的第一腔体部和用于散热相变的第二腔体部，第二腔体部可以通过导流部件与第一腔体部流体连通，发热部件可以设置在第一腔体部的外表面上，以使发热部件与容纳在第一腔体部中的传热介质进行热交换。

可选地，模块化多电平换流器半桥功率单元还可以包括风道，第二腔体部可以设置在风道中，以使流动通过风道的空气与容纳在第二腔体部中的传热介质进行热交换。

可选地，第二腔体部可以设置在功率组件的上方。

可选地，第二腔体部可以设置在功率组件的顶部框架上的支撑板上。

可选地，第二腔体部可以包括流体连通的多个腔体管和多个散热片。

可选地，导流部件可以包括多个导管，多个腔体管可以与多个导管一一对应地连接，每个散热片可以与各个腔体管流体连通。

可选地，多个散热片可以竖直设置，多个腔体管可以水平设置，多个散热片的设置方向可以与多个腔体管的设置方向垂直。

可选地，发热部件可以包括放电电阻和IGBT器件，放电电阻和IGBT 器件的一侧可以安装在第一腔体部的外表面上；

功率组件还可以包括设置在相变散热组件一端的母线电容、设置在相变散热组件下方的旁路开关、以及连接在母线电容和相变散热组件上的叠层母排、设置在旁路开关上方的模块控制机盒、以及设置在相变散热组件的另一端的绝缘面板。

可选地，叠层母排可以包括第一部分和第二部分，第一部分可以安装在母线电容上，第二部分可以安装在放电电阻和IGBT器件的另一侧上；

模块控制机盒可以设置在第一腔体部、放电电阻和IGBT器件以及叠层母排的下方；

旁路开关可以设置在模块控制机盒的下方。

可选地，模块控制机盒可以包括：模块控制板，包括通信光纤接头，并包括采样及调制处理电路；连接底板，包括对外连接端子，并包括高压采集电路；安装底板，包括外围电气连线，并且模块控制板和连接底板安装在安装底板上；U型连接器，U型连接器的公头安装在连接底板，U型连接器的母头安装在模块控制板上；以及控制导轨，安装在安装底板上并连接模块控制板，使得模块控制板能够沿着控制导轨滑动。

通过将具有高换热效率的相变散热组件集成到MMC半桥功率单元中，使得MMC半桥功率单元的冷却系统采用风冷的方式，无需复杂的冷却水循环系统(多路流道、泵、阀、管道等等)，可以大大降低成本，方便模块维护且有效地避免因为漏水带来的安全性问题。

附图说明

图1示出了MMC半桥功率单元的电气原理图。

图2示出了现有技术中MMC半桥水冷功率单元的结构示意图。

图3示出了现有技术中MMC半桥功率单元的水冷板的结构示意图。

图4示出了根据本实用新型的实施例的基于相变散热的MMC半桥功率单元的发热部件和相变散热组件的透视图。

图5示出了根据本实用新型的实施例的基于相变散热的MMC半桥功率单元的发热部件和相变散热组件的侧视透视图。

图6示出了根据本实用新型的实施例的基于相变散热的MMC半桥功率单元的透视图。

图7示出了根据本实用新型的实施例的基于相变散热的MMC半桥功率单元的内部空间结构的示意图。

图8示出了根据本实用新型的实施例的基于相变散热的MMC半桥功率单元中的叠层母排和发热部件的连接关系的透视图。

图9示出了根据本实用新型的实施例的基于相变散热的MMC半桥功率单元中的模块控制机盒的透视图。

附图标号说明：

1-IGBT；2-放电电阻；3-母线电容；4-旁路开关；5-第一交流输出端口； 6-第二交流输出端口；100-传统的MMC半桥功率单元；110-功率组件； 111-IGBT器件；112-放电电阻；113-母线电容；120-水冷系统；121-进水水嘴； 122-出水水嘴；123-水冷板；200-MMC半桥功率单元；210-功率组件；211-IGBT 器件；212-放电电阻；213-母线电容；214-旁路开关；215-叠层母排；215a- 第一部分；215b-第二部分；216-绝缘面板；217-模块控制机盒；220-第一腔体部；223-外表面；230-第二腔体部；213-腔体管；232-散热片；233-支撑板； 240-导管；250-风道；261-第一交流输出端口；262-第二交流输出端口；263- 通信光纤接头；264-母线测试正端子；265-母线测试负端子；271-模块控制板； 272-连接底板；273-安装底板；274-控制导轨；275-U型连接器。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能够更好地理解本实用新型的技术构思，下面将结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细描述，在附图中，相同的标号始终表示相同的部件。

现参照图4至图8描述根据本实用新型的实施例的基于相变散热的 MMC半桥功率单元200。

如图4至图8所示，基于相变散热的MMC半桥功率单元200可以包括功率组件210和相变散热组件，功率组件210包括功率元件，例如IGBT器件和放电电阻等发热部件。例如，功率组件210可以主要包括如图1中电气原理图所示的电气部件：IGBT器件211、放电电阻212、母线电容213等，还可以包括旁路开关214、叠层母排215、模块控制机盒217、绝缘面板216 以及其它部件。其中，IGBT器件211和放电电阻212是MMC半桥功率单元 200中的主要发热部件。

根据本实用新型的实施例，基于相变散热的MMC半桥功率单元将相变散热组件集成到MMC半桥功率单元中，以利用相变材料在发生相变时吸热或放热来对功率组件210进行冷却。相变是指物质在外部参数(例如，温度、压力、磁场等等)连续变化之下，从一种相(态)忽然变成另一种相，最常见的是液态与气态之间的变化。

如图4所示，相变散热组件可以包括用于吸热相变的第一腔体部220和用于散热相变的第二腔体部230，第二腔体部230可以通过导流部件与第一腔体部220流体连通。优选地，导流部件可以包括多个导管240。第一腔体部220和/或第二腔体部230中可以容纳用于相变传热的传热介质。发热部件 (例如，IGBT器件211和放电电阻212)可以设置在第一腔体部220的外表面223上，以使发热部件与容纳在第一腔体部220中的传热介质进行热交换。

如图4所示，第二腔体部230可以设置在第一腔体部220的上方，但该设置方式仅为示例，并且不限于此。例如，第二腔体部230可以部分地设置在第一腔体部220的上方(例如，第二腔体部230略高于第一腔体部220)，只要能够满足用于相变传热的传热介质的往复流动即可。例如，在使用在液态与气态之间进行相变的相变材料作为传热介质时，液态的传热介质在吸热后(例如，在第一腔体部220处)转变为气态的传热介质，气态的传热介质由于其密度小而向上流动(例如，流动到第二腔体部230中)，而气态的传热介质在被冷却之后会转变为液态的传热介质，液态的传热介质可以在重力作用下回流(例如，回流到第一腔体部220中)。在这种情况下，依靠重力的作用，可以使用于散热相变的第二腔体部230设置在用于吸热相变的第一腔体部220的上方或部分地设置在用于吸热相变的第一腔体部220的上方。此外，也可以使第二腔体部230设置为平行于或低于或略低于第一腔体部220，例如，可以在第一腔体部220中设置毛细管，通过利用毛细管的虹吸效应将液态的传热介质吸引到第一腔体部220中。还可以设想其它构造，例如针对不同的相变材料可以改变第一腔体部220和第二腔体部230之间的相对位置。

为了使MMC半桥功率单元200结构紧凑且空间利用合理，第一腔体部 220可以设置在功率组件210的一侧，如图4中所示，第一腔体部220可以竖直地设置，IGBT器件211和放电电阻212可以竖直地安装在第一腔体部 220的外表面223上。第二腔体部230可以设置在功率组件210的上方，如图4中所示，可以在功率组件210的顶部框架上设置水平的支撑板233，第二腔体部230可以设置在功率组件210的顶部框架上的支撑板233上。第一腔体部220与支撑板233可以呈90度的直角分布。

如图4至图5所示，第一腔体部220可以通过多个导管240与第二腔体部230流体连通，多个导管240可以竖直地设置，导管240的一端可以连接到第一腔体部220的顶部，导管240的另一端可以连接到第二腔体部230的底部。

如图5中可以更清楚地看到，第二腔体部230可以包括流体连通的多个腔体管231和多个散热片232。多个腔体管231可以与多个导管240一一对应地连接，每个散热片232可以与各个腔体管231流体连通。具体地，多个导管240中的每个导管240可以与多个腔体管231中的每个腔体管231一一对应地连接并流体连通。多个腔体管231可以沿水平方向设置在支撑板233 之上，多个腔体管231可以整体上与多个导管240成90度布局，其中在连接处形成弯曲的弯管部。虽然图4至图5中示出了多个腔体管231整体上沿水平方向设置，但并不限于此，多个腔体管231还可以相对于水平方向倾斜地设置。

图4至图5中示出了8个导管240，但本实用新型不限于此。可以设置一个或更多个导管240，导管240的数量可以根据MMC半桥功率单元200 的发热量需求来决定。

如图5中所示，第二腔体部230的多个腔体管231和多个散热片232可以一一对应且内部连通。散热片232可以为具有内部腔体的板状，优选地，散热片232可以是中空的薄板形散热片，以在散热片232内部形成腔体。多个腔体管231中的每个腔体管231可以穿过各个散热片232，每个腔体管231 可以与每个散热片232的内部空间流体连通。如图5中所示，多个腔体管231 与多个散热片232可以以交叉方式布置。多个散热片232的设置方向可以与多个腔体管231的设置方向垂直。例如，在多个腔体管231可以沿水平方向布置的情况下，多个散热片232可以沿竖直方向布置。虽然图5中示出了多个散热片232沿竖直方向设置，但并不限于此，多个散热片232还可以相对于竖直方向倾斜地设置。

由多个腔体管231和多个散热片232组成的第二腔体部230可以整体上平放在支撑板233上，支撑板233可以固定地安装在MMC半桥功率单元200 的顶部框架上。

如图6中所示，还可以在功率组件210以及相变散热组件的上方设置风道250，并且第二腔体部230可以设置在风道250中，空气可以(例如，通过设置在风道250内部或其它合适位置的风机的驱动)流动穿过风道250并与容纳在第二腔体部230中的传热介质进行热交换。在本实用新型中，通过在相变散热组件的上方设置风道250并将第二腔体部230设置在风道250中，可将流动的冷空气集中在风道250中，引导空气在第二腔体部230周围流动。但本实用新型并不限于此，还可以不设置风道250，并将第二腔体部230暴露于MMC半桥功率单元200周围的空气中，只要能够使第二腔体部230与周围的流动空气进行热交换即可。

现将参照图4至图6描述根据本实用新型的基于相变散热的MMC半桥功率单元200的冷却过程。

当发热部件放电电阻212和IGBT器件211产生的热量传导到第一腔体部220且温度达到一定的数值(相变温度)时，容纳在第一腔体部220中的液态传热介质开始气化，转变成气体，气体通过各个导管240及多个腔体管231进入到多个散热片232内部的腔体内。气化的传热介质均匀地分布在多个散热片232内部的腔体空间中，流经风道250的空气在经过第二腔体部230 (特别是，经过多个散热片232)的外表面的同时，将热量从第二腔体部230 带走。当热量从第二腔体部230(特别是，多个散热片232)散发之后，多个散热片232以及多个腔体管231内部的气态传热介质在温度降低的条件下冷凝成液态的传热介质，并重新回流到第一腔体部220的内部，开始下一个循环的气化-液化过程。

在此冷却过程中，第一腔体部220和第二腔体部230中的传热介质不断的发生相变并利用相变潜热对功率组件210进行冷却，在此过程中无需设置如水冷系统中所设置的驱动液体流动的循环系统，从而减少MMC半桥功率单元200的部件数量并降低成本。此外，在相变散热组件中，传热介质不断地在气化-液化，并且在封闭的空间内进行，因此大大降低了漏水的可能。在 MMC半桥功率单元200出现故障时，只需要将第一腔体部220和第二腔体部 230整体地拆卸掉，或将功率组件210从相变散热组件拆卸掉，而无需顾及其它部分(如传统的水冷系统中的泵、阀、管道等等)，因此方便了MMC半桥功率单元200的维护。

下面将描述根据本实用新型的实施例的基于相变散热的MMC半桥功率单元200中的功率组件210的构造。功率组件210可以主要包括如图1中电气原理图所示的电气部件：IGBT器件211、放电电阻212、母线电容213、旁路开关214、叠层母排215、模块控制机盒217、绝缘面板216以及其它部件。

如图7至图8中所示，功率组件210可以包括作为主要的发热部件并被设置在相变散热组件的第一腔体部220上的IGBT器件211和放电电阻212，放电电阻212和IGBT器件211的一侧可以安装在第一腔体部220的外表面 223上。功率组件210还可以包括设置在相变散热组件一端的母线电容213、设置在相变散热组件下方的旁路开关214、连接在母线电容213和相变散热组件上的叠层母排215、设置在旁路开关214上方的模块控制机盒217、设置在相变散热组件的另一端的绝缘面板216以及容纳这些电气部件的箱体。

如图7至图8中所示，叠层母排215可以呈L型并包括第一部分215a(0 度安装面)和第二部分215b(90度安装面)。第一部分215a可以安装在母线电容213上并通过设置在第一部分215a上的接线孔与母线电容213的正负接线端子连接起来，第二部分215b可以安装在放电电阻212和IGBT器件211 的另一侧上并通过设置在第二部分215b上的接线孔与安装在第一腔体部220 上的放电电阻212和IGBT器件211的接线端子连接起来。

模块控制机盒217可以设置在第一腔体部220、放电电阻212和IGBT器件211以及叠层母排215的下方以及旁路开关214的上方。模块控制机盒217 可以水平地放置，方便空间利用和维护。

旁路开关214可以位于MMC半桥功率单元200的最底端，旁路开关214 的第一端口可以通过过渡铜牌与叠层母排215的正端连接起来，旁路开关214 的第二端口可以通过过渡铜牌与叠层母排215的负端连接起来。

如图6所示，绝缘面板216可以设置为MMC半桥功率单元200的外部箱体的一部分。绝缘面板216对外可以包含有第一交流输出端口261、第二交流输出端口262、模块控制机盒217的对外接口(诸如，通信光纤接头263)、母线测试正端子264、母线测试负端子265。

母线测试正端子264可以通过MMC半桥功率单元200内部的高压线缆与叠层母排215中的正母排连接起来，母线测试负端子265可以通过MMC 半桥功率单元200内部的高压线缆与叠层母排215的负母排连接起来。母线测试端子264、265可以主要是为了通过外部调试装备，给MMC半桥功率单元200的直流母线供电。在整个MMC系统未带电的情况下，可以进行单个 MMC半桥功率单元200的性能测试。

模块控制机盒217的对外接口(诸如，通信光纤接头263)可以布置在 MMC半桥功率单元200的正面，通过通信光纤RX及TX与外部的阀控装备连接起来。同时，在模块控制机盒217中的模块控制板271(下文将详细描述)出现故障时需要维护的时候，可以直接把模块控制板271从模块控制机盒217内抽出，方便维护。

第二交流输出端口262可以通过MMC半桥功率单元200内部的铜牌和叠层母排215的负端连接起来，第一交流输出端口261可以通过MMC半桥功率单元200内部的铜牌和叠层母排215的正端连接起来。交流输出端口261、 262可以固定在绝缘面板216上，通过过渡铜牌和外接功率回路连接。

绝缘面板216的厚度可以与外接过渡铜牌与MMC半桥功率单元机箱的爬电有关，一般为了保证爬电距离，需要在绝缘面板216的侧背开槽处理。

下面将描述根据本实用新型的实施例的基于相变散热的MMC半桥功率单元200中的模块控制机盒217的构造。

如图9中所示，模块控制机盒217可以包括模块控制板271、连接底板 272、安装底板273、U型连接器275、控制导轨274。

模块控制板271可以仅有两路对外的接口，一路是RX/TX的通信光纤接头263，通过通信光纤，与外围的阀控系统进行信息的交互，另一路是U型连接器275，通过U型连接器275与安装底板273进行信号的交互。U型连接器275的母头可以安装在模块控制板271上，U型连接器275的公头可以安装在连接底板272上。

连接底板272可以包含高压采集电路及对外连接端子，高压采集电路可以采用差分电路的采样型式，将采样完成的低压信号通过U型连接器275发送到模块控制板271上。连接底板272的对外连接端子将与外围器件的连接端口信号直接通过U型连接器275发送到模块控制板271上。关键的采样及调制处理电路可以基本上全部布局到模块控制板271上。外围的电气连线可以全部集中在安装底板273上，从而减少模块控制板271的外围连接端口，提高了模块控制板271的可维护性及可靠性。

控制导轨274可以安装在安装底板273上并连接模块控制板271，使得模块控制板271能够沿着控制导轨274滑动。

当模块控制板271出现故障需要维护时，可以断开U型连接器275，把模块控制板271从控制导轨274中向前抽出，进行单板维护。模块控制板271 及连接底板272可以作为一体化组件并安装在安装底板273上，安装底板273 和MMC半桥功率单元200内部的机箱组件安装连接。

根据本实用新型的实施例的基于相变散热的MMC半桥功率单元通过将相变散热组件集成到MMC半桥功率单元，可以大大减小MMC半桥功率单元的散热系统的成本，方便模块维护，并避免了因漏水带来的安全性问题。此外，还使MMC半桥功率单元的内部电气部件在空间上布局更加合理，使 MMC半桥功率单元的机箱内的空间利用率提高。另外，还提供了便于维护的模块控制机盒。

上面对本实用新型的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定其范围的本实用新型的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行组合、修改和完善(例如，可以对本实用新型的不同技术特征进行组合以得到新的技术方案)。这些组合、修改和完善也应在本实用新型的保护范围内。