专利名称：用于转换电流的设备以及用于降低高压能量分配和传输领域内的功率半导体单元的载荷 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在高压能量分配和传输领域内转换电流的设备， 该设备带有至少一个换流阀，该换流阀具有功率半导体的串联电路，并且 该设备带有用于冷却功率半导体单元的冷却装置。
本发明还涉及用于在高压能量传输和分配领域内降低载荷改变负担的 方法，其中由冷却装置冷却用于转换电流的功率半导体单元。
背景技术：
这样的设备和方法从公知的现有技术中已知。例如，在能量传输和分
配领域内，功率半导体单元例如用于高压直流输电(HGiJ)。由于数百千伏 的高压，在此情况中在构成换流阀时功率半导体单元被串联连接，其中换 流阀被布置在桥电路中以便构成换流器。每个换流器的交流电压侧与交流 电压网连接，并且直流电压侧与另一个换流器连接。因此在换流器之间形 成了直流电路，以此实现能量在交流电压网之间交换。
功率半导体单元也用于所谓的灵活AC传输系统，例如作为高速电子
开关。电子开关例如用于动态地调节传输线的阻抗。
从美国专利US 6,714,427 Bl中已知了一种方法，其中电功率借助于三 极高压直流传输在两个交流电压网之间传输。在此出现的直流电流过三个 传输导体，其中在三个传输导体的一个内的直流电在短时内在热学上允许 的最高值之上，并且为此在相反的方向上流动的电流在另外两个传输导体 上分配。在短的时间期间后，传输导体的功能周期性地互换，使得高于允 许的极限值的高的直流电现在流过先前受到负载较低的导线。按照这种方 式可以提高先前作为三相交流导线使用的传输路径的传输容量，并且按照 这种方式保证了随后建立的高压直流传输系统的费用。
在根据US 6,714,427的方法中，电流调制的周期持续时间在数分钟的 量级内。然而，这导致了功率半导体单元的载荷改变负担，该载荷改变负担远在能量传输和分配领域内的通常的设计以上。
功率半导体单元的载荷改变应理解为由电流载荷引起的构建功率半导 体单元的功率半导体的温度循环。由于此温度循环导致了例如由于不同的 热膨胀引起的机械载荷，因此降低了所使用的功率半导体的寿命。出于该 原因，功率半导体的制造商规定了载荷改变强度，即功率半导体与温度改 变相关地耐受一定次数的载荷改变的特征。在能量传输和分配领域中所使 用的功率半导体的载荷改变负担迄今为止是低的，使得功率半导体的寿命 在考虑到载荷改变负担时在各设备的规定的运行寿命以上。
然而，根据US 6,714,427 Bl所描述的方法的能量传输提高了功率半导 体单元的载荷改变负担，该载荷改变负担的提高要求了附加的措施，以便 能够保证在能量传输和分配领域中迄今为止规定的设备寿命要求。
从现有技术中已知的方法在于，通过相应地将功率半导体单元的功率 半导体加大尺寸，即设计得更大而保持小的温度改变或温度波动。然而， 由于尺寸的加大，显著地提高了各设备的成本。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供本文开始部分所述类型的设 备和方法，利用该设备和方法可以廉价地降低功率半导体单元的温度改变。
本发明从本文开始部分所述的设备出发，通过使冷却装置具有取决于 通过功率半导体单元的电流提供冷却的控制装置而解决了该技术问题。
本发明从本文开始部分所述的方法出发，通过使功率半导体单元的冷 却取决于流过功率半导体单元的电流进行而决了该技术问题。
根据本发明提供了冷却装置和控制装置，它们实现了取决于流过功率 半导体单元的电流进行对功率半导体单元的冷却。例如，在电流较高时冷
却装置的冷却功率提高，而在电流载荷较小时冷却降低。按照这种方式减 小了周期性温度波动的幅值，由此显著地延长了功率半导体单元的寿命。
在本发明的范围内，功率半导体单元例如是单一的功率半导体，例如 盘形功率半导体。与此不同的是，在本发明的范围内功率半导体单元是具 有多个功率半导体的模块，其中每个模块的功率半导体合适地相互连接。
模块串联地布置。优选地，每个模块具有自己的能量存储器。
通过将功率半导体单元串联，以有利的方式实现了换流阀。设备进一
步包括例如换流器，该换流器包括多个桥接布置的换流阀。在本发明的另 一种构造中，设备是所谓的12脉冲换流器，该换流器包括两个相互串联的
6脉冲电路。然而，在本发明的范围内原则上可构思任何换流器拓朴结构。 功率半导体，特别是二极管、闸流管、IGBT或GTO。因此，功率半导体单
在本发明的范围内，冷却装置例如包括带有冷却剂泵和换热器的冷却 回路，流体冷却剂在换热器内循环。
冷却装置有利地具有冷却回5^，该冷却回路具有换热器和冷却剂泵， 泵的功率可由控制装置调节。在此，控制装置有利地具有电流测量装置， 该电流测量装置设计为用于检测流过串联电路的电流。每个电流测量装置 通过测量导线与计算单元连接，该计算单元例如借助于软件根据预先给定 的内部逻辑从由电流测量装置传送的电流值中确定冷却剂流量，以及确定 为此所要求的对于冷却剂泵的电流和电压供给。当然，与此不同的是计算 单元也包括模拟调节器，该调节器设计为用于处理模拟测量值。例如对冷 却剂泵进行转速控制。控制装置负责使冷却剂泵根据计算出的电流和电压
赖于流过功率半导体单元的电流。按照这种方式降低了功率半导体单元的 温度波动或温度改变的幅值。
合适的是，冷却装置具有带有换热器和冷却剂泵的冷却回路，其中换 热器的冷却功率可由控制装置调节。在此构造中，控制装置也具有电流测 量装置和计算单元或控制单元。电流测量装置将由测量到的流过功率半导
体单元的电流而确定的电流值传输到计算单元。计算单元按照模拟方式或 者例如借助于内部逻辑，确定依赖于通过功率半导体单元的电流的换热器 的电流和电压供给。最后，控制装置带来对应于所计算的电流值和电压值 的换热器的电流和电压供给。通过这样的调节，例如在通过功率半导体单 元的电流较高时提供了提高的冷却功率，而降低了被循环的冷却剂的温度。 根据本发明的另一种变体，冷却装置具有带有换热器、冷却剂泵和可 控制的节流阀的冷却回路，节流阀的流阻可由控制装置调节。也根据本发 明的该构造，首先按照本身已知的方式确定流过功率半导体单元的电流， 并且然后将所测量到的电流值提供给计算单元使用。控制装置然后取决于
所测量到的电流而影响节流阀的调节，使得流速对应于电流而改变。
根据本发明的一种优选构造，冷却装置具有带有换热器、制冷剂泵和 由控制装置可调节的多路阀的冷却回路。多路阀实现了对冷却的廉价的和 同时快速的调节。
根据与此相关的合适的扩展，多路阀与相关的换流阀或相关的换流阀 组以及与用于跨接换流阀或换流阀组的旁路通道连接。通过多路阀的调节， 结果使得控制装置以高的冷却功率引导整个冷却剂流动通过换流器，或通 过各组换流器。这点例如是这样的情况，即，包括串联的功率半导体单元 的换流阀受到高的电流，其中电流被引导通过功率半导体单元。在换流阀 的载荷较低时，通过旁路通道将换流阀部分地跨接，使得降低对换流阀的 功率半导体单元的冷却。
有利的是将换热器布置在旁路通道内。
根据另 一种合适的扩展，多路阀与第 一换流阀或第 一组换流阀连接， 以及与第二换流阀或第二组换流阀连接。根据电流载荷，按照这种方式通 过使控制装置干预多路阀实现了通过与多路阀连接的换流阀或换流阀组的 制冷剂流量的比例。
根据与此相关的 一种合适的扩展，每个多路阀在输入侧与换热器并且 与至少 一 个换流阀或至少 一 组换流阀的输出连接，以及在输出侧与另外的 相关的换流阀或另外的相关的换流阀组的输入连接。在此，利用了这样的 事实，即，循环的制冷剂的温度在换流阀输出侧高于换流阀输入侧。如果 使用这样的温度提高的制冷剂来冷却另 一个换流阀，则对于该换流阀的制 冷功率当然降低。按照这种方式提供了本发明的造价特别低的构造。在该
扩展的范围内可以为每个换流阀提供多路阀，该多路阀按照这种方式结合 在冷却回路中。需要指出的是，制冷剂泵在制冷剂回路内的布置原则上是 任意的。因此，在本发明的该构造中制冷剂泵也可以布置在换热器和多路 阀之间的流动方向上，其中多路阀在所选择的表达中仍然在输入侧与换热 器连接。在本发明的范围内，"在输入侧与换热器连接"的表达意味着循环 的制冷剂在从多路阀(多个多路阀)的输出向各多路阀的输入路径上可通 过换热器被冷却。
根据本发明方法的 一种合适的扩展，借助于控制装置取决于流过功率 半导体单元的电流来调节制冷剂通过制冷回路的流动速度。该扩展的设计 可能性以及优点参考前述的说明。
在与此相关的修改中，制冷剂的来流温度取决于流过功率半导体单元 的电流。
本发明的另外的合适的构造和优点是如下参考附图对本发明的实施例 的描述的主旨，在附图中相同的参考数字指示相同地作用的部件，并且附
图中
图1按照示意图示出了根据本发明的设备的第 一 实施例，
图2按照示意图示出了根据本发明的设备的另一个实施例，和
图3按照示意图示出了根据本发明的设备的另 一个实施例。
具体实施例方式
图1按照示意图示出了根据本发明的设备1的实施例。该设备具有两 个换流器2a和2b,它们在时间上周期性振荡地受到载荷。为了冷却在形成 换流阀的条件下相互串联连接的功率半导体单元，提供了冷却回路3。功率 半导体单元在图示的实施例中是盘形功率半导体。换流器2a和2b的换流阀 在图示的实施例中布置在桥接电路中。冷却回路3合适地具有管路，冷却 剂在管路内循环。冷却剂泵4用于循环，冷却剂泵在示出的实施例中与转 速相关。但在本发明的范围内不必一定要求如此。
在通过标记的箭头示出的流动方向上，冷却剂泵4后接了换热器5，在 流动方向上在换热器5上连接了分支点6。冷却剂流通过分支点6分配到换 流阀2a和2b 。换流阀2a和2b在流动方向上又后接了多路阀7 ，多路阀在 输入侧与换流阀2a以及2b的输出连接，并且在输出侧直接连接到冷却剂泵 上。
通过在图1中未示出的控制装置，可以这样调节多路阀7的输入侧的 位置，使得通过换流阀2a和2b的流阻并且因此流速可被调节到希望的程 度。在此，控制装置这样调节多路阀7，使得流速取决于流过换流阀2a或 2b的串联的功率半导体单元的电流被调节。特别地，如果功率半导体单元 的电流载荷提高则冷却剂的流速增加。
在此也可以被称为调节装置的控制装置，合适地包括用于生成四个数
字电流测量值的测量装置，这些电流测量值对应于流过功率半导体单元的 电流。然而，在本发明的范围内，调节也基于模拟电流值进行。这样的测 量装置例如包括电流转换器以便生成输出通道，该输出通道与流过功率半 导体单元的电流成比例。电流转换器的输出信号然后通过釆样单元采样以 获得采样值。然后，采样值又由模/数转换器转换为数字电流测量值。将电 流测量值传输到计算单元，计算单元基于电流测量值并且例如基于内部逻
辑来计算步进马达的位置，其中每个位置与冷却回路分支3a以及冷却回路 分支3b的流阻确定地相关联。按照这种方式，通过多路阀7可调节换流器 2a以及2b的流阻和冷却。
应指出的是，仅示例性地描述了控制装置。通过控制装置对通过多路 阀的流阻的调节也可以按照任意其他的并且本领域一般技术人员熟悉的方 式进行。例如，也可以实现使得控制装置干预冷却剂泵以及多路阀，以便 按各自要求即取决于流过功率半导体单元的电流地来调节泵送功率以及流 阻。
当然，也可以的是，参考标记2a以及2b分别指示功率半导体单元的 单独的串联电路，即指示单独的换流阀，而不指示按照已知的方式连接为 形成换流器的换流阀组。
图2按照示意图示出了本发明的另一个实施例，其中，该实施例与图1 中示出的实施例的区别在于，换流阀2或换流器2作为换流阀组可通过旁 路通道8被跨接。例如，通过多路阀7的输入的关闭，换流阀2的冷却完 全被中断。冷却剂替代地通过旁路通道8以示出的箭头方向被引导，其中 与旁路通道8连接的多路阀7的输入当然是打开的。
图3按照示意图示出了本发明的另一个实施例。在所示出的实施例中， 两个多路阀7a和7b在流动方向上布置在各自相关联的换流阀或换流器2a 以及2b的之前，多路阀7a和7b分别在输出侧通过冷却回路分支3a以及 3b与换流器2a以及2b连接。两个多路阀7a、 7b通过冷却分支3a以及3b 在输入侧与分配点6连接。多路阀7a还通过连接分支9与分支点10连接， 并且由此与换流阀2b的输出连接。而多路阀7b通过连接分支11与分支点 12连接，并且由此在输入侧连接到换流器或换流阀2a的输出上。通过分支 9以及11导向到多路阀7a以及7b的冷却剂已曾用于冷却换流器2a以及2b, 并且由此原因被加热。因此在各自多路阀7a以及7b的输出上在输入侧的确
定的混合范围内可选择冷却剂的温度。例如，如果多路阀7a打开了连接到 连接管路9的输入而与冷却回路分支3a连接的输入保持关闭，则在多路阀 7a的输出上可调节较高的温度，反之亦然。
最后应指出的是，例如在图1中示出的实施例中通过多路阀7的冷却 剂流也可交替地开启和关闭。换言之，与冷却剂回路分支3a连接的多路阀 7的输入可以在一定的时间期间内完全地打开，而与冷却剂回^各分支3b连 接的输入完全地关闭。在经过一定的时间期间之后，出现相反的情况。
权利要求
1.一种用于在高压能量分配和传输领域中转换电流的设备(1)，所述的设备带有至少一个换流阀(2a，2b)，所述的换流阀具有功率半导体单元的串联电路，并且所述的设备带有用于冷却功率半导体单元的冷却装置(3，4，5，7)，其特征在于冷却装置(3，4，5，7)具有控制装置，所述控制装置提供了取决于通过功率半导体单元的电流的冷却。
2. 根据权利要求1所述的设备(1 ),其特征在于所述冷却装置(3， 4, 5, 7)具有带有换热器(5)和冷却剂泵(4)的冷却回路(3)，所述冷 却剂泵(4)的冷却功率可由所述控制装置调节。
3. 根据权利要求1所述的设备(1 ),其特征在于所述冷却装置(3， 4, 5， 7)具有带有换热器(5)和冷却剂泵(4)的冷却回路(3)，其中， 所述换热器(5)的冷却功率可由所述控制装置调节。
4. 根据权利要求1所述的设备(1 ),其特征在于所述冷却装置(3， 4, 5, 7)具有带有换热器(5)、冷却剂泵(4)和可控制的节流阀的冷却 回路(3),所述节流阀的流阻可由所述控制装置调节。
5. 根据权利要求1所述的设备(1 )，其特征在于所述冷却装置(3, 4， 5， 7)具有带有换热器(5)、冷却剂泵(4)和至少一个可由所述控制 装置调节的多路阀(7)的冷却回路(3)。
6. 根据权利要求5所述的设备(1 ),其特征在于所述多路阀(7 )与 相关联的换流阀(2b)或相关联的换流阀(2)的组连接，以及与旁路通道(8)连接，以便跨接换流阀(2b)或相关的换流阀(2)的组。
7. 根据权利要求5所述的设备(1 ),其特征在于所述多路阀(7a， 7b)与第一换流阀(2a)或第一组换流阀(2a)连接，以及在输入侧也与至 少一个第二换流阀(2b)或第二组换流阀(2b)连接。
8. 根据权利要求7所述的设备(1 )，其特征在于每个多路阀(7a， 7b)在输入侧与所述换热器(5)并且与至少一个换流阀(2a, 2b)或至少 一组换流阀(2a， 2b)的输出连接，以及在输出侧与另一个相关联的换流 阀(2a, 2b)或另一组相关联的换流阀(2a， 2b)的输入连接。
9. 一种用于在高压能量分配和传输领域中降低功率半导体单元的载荷 改变负担的方法，其中，由冷却装置(3， 4， 5, 7)冷却用于转换电流的功率半导体单元，其特征在于取决于流过功率半导体单元的电流进行所述功率半导体单元的冷却。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于借助于控制装置取决于 流过所述功率半导体单元的电流来调节通过冷却回路(3 )的冷却剂的流速。
11. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述冷却剂的来流温度 取决于流过所述功率半导体单元的电流。
全文摘要
本发明提供了一种用于在高压能量分配和传输领域内转换电流的设备(1)，该设备带有至少一个换流阀(2a，2b)，该换流阀(2a，2b)具有功率半导体单元的串联电路，并且该设备带有用于冷却功率半导体单元的冷却装置(3，4，5，7)，利用该冷却装置(3，4，5，7)可以造价低地降低功率半导体单元的温度改变，本发明建议冷却装置(3，4，5，7)带有控制装置，该控制装置提供取决于通过功率半导体单元的电流的冷却。
文档编号H02J1/00GK101351942SQ200680049501
公开日2009年1月21日 申请日期2006年11月15日 优先权日2005年11月16日
发明者乔尔格·多恩 申请人:西门子公司