具有与热转移管路热性及电性连接的汇流条导体的汇流条组合件的制作方法

本发明涉及一种汇流条组合件(busbarassembly)。

汇流条通常在多种行业中用于电连接部件，尤其是在其中存在大电流和/或电压负载的情况下。汇流条的一个实例用途是在高压直流电(high-voltagedirectcurrent，hvdc)电力传输和转换设备中。

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转换器(voltagesourceconverter，vsc)用于hvdc传输。vsc使用例如绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)等开关元件，它们可独立于任何连接的ac系统而进行可控制的接通和关断。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端的每个阀包括串联连接的一系列子模块(或单元)，每个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绕过储能元件。阀的子模块经控制以在不同时间连接或旁路(bypass)其相应的储能元件，以便随着时间推移使整个阀中的电压差变化。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。

实例子模块包括层压汇流条，其至少具有正极板、负极板和交流电(ac)板。在半桥式布置中，呈电容器形式的储能元件连接到汇流条上的端子，并且两个开关元件如igbt连接到汇流条上的端子。因穿过子模块的在此实例中可高达2000安培(ampere，a)的高电流负载而使用汇流条，并且对汇流条进行层压以使电感最小化。在其它实例中，电流负载可能更高。

然而，当新hvdcvsc的额定功率增加时，设备处于不断增加的电负载下。高电负载可在汇流条、电容器、igbt以及它们之间的连接器中产生高热负载。汇流条的传导材料以及部件之间的连接器(或端子)内的电阻损失(热功率消散)引起热负载。举例来说，在操作期间，汇流条可达到高达100℃。

因此需要将热量从汇流条消散开，这可使用流体冷却布置来完成。

此外，需要将汇流条组合件设计为紧凑的，以便减小其电感(即，针对效率和热负载问题)，以及便于安装。然而，汇流条组合件的紧凑布置可使得从汇流条的热消散更加困难。

汇流条不充分冷却可不利地影响其操作，或导致对其安装在的系统的限制。在供电力转换器模块使用的层压汇流条的实例中，需要限制汇流条的传导层的电感以减少半导体开关损耗，这可通过以下获得：将所述传导层放置为极为贴近(即为邻近层)且通过绝缘体板分隔开，所述绝缘体板用以限制邻近导体板之间的电场交互。所述或每个绝缘体板可包括例如玻璃强化塑料(glassreinforcedplastic，grp)或陶瓷材料。

由绝缘体材料形成的薄膜层也可设置在传导层的外部表面上，并且通过热活性胶粘剂保持于传导层上。薄膜层可增加爬电距离并且使导体电隔绝。典型薄膜层可包括电绝缘材料，例如聚对苯二甲酸伸乙酯(polyethyleneterephthalate，pet)。然而，此类薄膜绝缘体的耐久性、绝缘和机械特性通常依附于温度。

由于必须维持薄膜绝缘体的机械完整性和绝缘性能，因此薄膜绝缘体实际上可对汇流条的温度施加操作上限，并且进而对汇流条组合件的载流量施加操作限制。这可导致子模块或其它设备的额定电流基于汇流条的性能而受限。

因此，需要提供一种改进的汇流条组合件。

根据本发明的第一方面，提供一种汇流条组合件(busbarassembly)，其包括：汇流条，其包括用于电传导的一个或多个导体层(conductorlayers)；以及导电热转移管路(heattransferline)，其被配置成传送穿过其的冷却流体，其中所述热转移管路热连接和电连接到所述汇流条的导体层，使得在使用中时，在所述热转移管路和所述汇流条的所述相应导体层之间不存在电压差。

在热转移管路和收容于其中的冷却流体之间可能不存在绝缘材料。

热转移管路可机械连接到导体层。热转移管路可直接机械连接到导体层。热转移管路可通过煨接(braising)或焊接直接机械连接到导体层，使得热转移管路与导体层连续。所述煨接或焊接结合可形成汇流条的导体层和热转移管路之间的导电路径(electricallyconductivepathway)的至少一部分。

热转移管路可通过机械紧固件(mechanicalfastener)机械连接到导体层，且所述紧固件可形成汇流条的导体层和热转移管路之间的导电路径的至少一部分。所述紧固件可使导体层和热转移管路的凸缘直接连接。机械紧固件选自由铆钉、螺柱、螺钉或螺栓组成的群组中的一个。

热转移管路借由保持元件(retainingelement)抵靠所述汇流条而固持，其中保持元件通过机械连接和电连接到汇流条的导体层。在热转移管路和导体层之间存在不延伸穿过保持元件的电路径，所述保持元件可为不导电的。保持元件可围绕热转移管路的相对侧延伸到抵靠汇流条固持的侧。

保持元件可为导电的并且可由具有至少10⁵s/m(10^-5ohm.m)的导电率的材料制成。

机械紧固件可在导体层与保持元件之间延伸。保持元件可呈弯曲板形式。换句话说，保持元件可呈模制的薄片状材料形式，如弯曲或折弯的薄片铜形式。

热转移管路可呈管道形式。热转移管路可由具有至少10⁵s/m的导电率的导电材料如不锈钢(1.45*10⁶s/m)或铝(4.5*10⁷s/m)形成。热转移管路可由具有至少12w/(m.k)的导热率的导热材料形成。

保持元件可由具有至少10⁵s/m的导电率的导电材料形成。保持元件可由具有至少12w/(m.k)的导热率的导热材料形成。保持元件可由铝或不锈钢形成。

所述汇流条组合件可进一步包括：绝缘材料薄膜层，其安置于所述热转移管路的至少一部分和相应导体层之间，以及电路径，其在热转移管路和相应导体层之间穿过或围绕所述薄膜层延伸。用于热转移管路的相应导体层是热转移管路热连接和电连接到的导体层。

在汇流条组合件包括保持元件的情况下，可在保持元件的至少一部分和相应导体层之间存在由绝缘材料形成的薄膜层，且可在热转移管路和导体层之间存在穿过或围绕薄膜层延伸的电路径。所述电路径可由在导体层和保持元件或热转移管路之间延伸的机械紧固件形成。所述电路径可由导体层和保持元件或热转移管路的其中不存在中间薄膜层的一部分之间的连接形成，所述连接例如由抵靠导体层固持或结合(例如，通过煨接或焊接)到所述导体层的保持元件或热转移管路形成或由机械紧固件形成的连接。

热转移管路可连接到电绝缘套管(conduit)以用于附接到流体冷却网络，使得在使用时，所述套管使热转移管路与流体冷却网络电绝缘。

所述汇流条组合件可进一步包括流体冷却网络(fluidcoolingnetwork)，且其中所述热转移管路连接到流体冷却网络以从冷却网络收容冷却流体。热转移管路可通过一个或多个电绝缘套管连接到流体冷却网络，使得在使用中时，热转移管路与流体冷却网络电绝缘。电绝缘(不导电)的套管可具有小于10^-6s/m的传导率。所述套管可包括柔性软管。所述套管可由聚胺酯、聚乙烯或交联聚乙烯(传导率为10^-8s/m)、橡胶(传导率为10^-14s/m)或铁氟龙(传导率为10^-23s/m)形成。所述流体网络可包括电绝缘冷却流体。冷却流体可为不导电流体。冷却流体可为去离子的。冷却流体可为电介质冷却流体。冷却流体可包括去离子水或去离子水二醇混合物。冷却流体可为液体或气体。冷却流体可具有小于2*10^-4s/m的导电率。

可存在热连接和电连接到导体层的多个热转移管路。热连接和电连接到同一导体层的多个热转移管路可被布置成串联或并联。汇流条可包括多个导体层。可存在多个热转移管路，每个热转移管路热连接和电连接到仅一个导体层，且至少两个导体层可热连接和电连接到相应热转移管路。

所述多个导体层可至少包括彼此电绝缘的第一导体层和第二导体层，且和所述第一导体层电连接的所述或每个热转移管路与和所述第二导体层电连接的所述或每个热转移管路电绝缘。汇流条的每个导体层可与每个其它导体层电绝缘。汇流条组合件可进一步包括安置于导体层之间的绝缘体板以使所述导体层彼此电绝缘。

绝缘体板可具有介于1mm和5mm之间的厚度。相反地，由绝缘材料形成的薄膜层可具有介于0.1mm和0.3mm之间的厚度。

和每个相应导体层电连接的所述或每个热转移管路可与和汇流条的其它导体层电连接的任何热转移管路电绝缘，所述其它导体层与相应导体层电绝缘。汇流条可为包括彼此电绝缘的多个传导层的层压汇流条。

所述或每个热转移管路可不层压到所述汇流条或与所述汇流条层压。

所述汇流条组合件可用于电力转换器模块。汇流条组合件可形成用于电力转换器的子模块的部分，以及/或电力转换器如电压源转换器的模块的部分。

根据本发明的第二方面，提供一种用于电力转换器的子模块，其包括：根据本发明的第一方面的汇流条组合件；以及开关元件，其电连接到所述汇流条组合件的汇流条。

所述子模块可包括用于开关元件的散热器(heatsink)，且汇流条组合件的所述或每个热转移管路可流通地连接到所述散热器。所述散热器可形成用于传送冷却流体的任何流体网络的部分。

根据本发明的第三方面，提供一种使用根据本发明的第二方面的用于电力转换器的子模块进行电力转换的方法，其中电绝缘冷却流体提供到所述或每个热转移管路。

附图说明

现在将借助于实例参考附图描述本发明，在附图中：

图1示意性地示出用于电力转换器的子模块的透视图；

图2示意性地示出图1的子模块的横截面图；

图3和图4示意性地示出图1中的汇流条的透视图；

图5示意性地示出另一子模块的横截面图；

图6示意性地示出子模块的横截面图，其示出汇流条和冷却布置的细节；以及

图7示意性地示出子模块的部分的横截面图，其示出汇流条和冷却布置的细节。

具体实施方式

图1-4示出用于电力转换器的子模块10，其包括层压汇流条12、安装于汇流条12上的两个开关元件14、安装于开关元件上的冷却板(coolingplate)16，以及连接到汇流条12的端子的电容器18。汇流条12设置有冷却布置以形成汇流条冷却组合件或“汇流条组合件”。

层压汇流条12包括三个导体板或层(threeconductorplatesorlayers)20、22、24，其包括正极层(positivelayer)20、负极层(negativelayer)22和输出层(outputlayer)24(如图2中最佳示出)。每个导体层由铜形成并且大约1-3mm厚，但在其它实施例中，可使用不同导体材料(例如铝)和厚度。

图2示出子模块10的部分横截面图，为了清楚起见省略数个部件(例如，开关元件14和电容器18)。如图2中所示，导体层中的一个(负极层22)形成汇流条12的第一层。负极层22具有一个大体上的平面部分，以及如下文将描述的远离平面部分折弯以使得其大体上具有c形横截面的两个端子部分30。汇流条12进一步包括形成汇流条12的第二层的绝缘板26，其连接到第一层的后侧(在图2中为左侧)并且具有与负极层22(汇流条的第一层)的平面部分基本上相同的平面程度(planarextent)。在绝缘体板26的后侧，正极板20和输出板24布置成不重叠配置以形成汇流条12的第三层。因此，绝缘板26夹在负极板22与在一起的正极板20和输出板24之间。如下文将详细地描述，导体层中的每一个也可配置绝缘材料薄膜层(未示出)。

每个导体层具备与相应导体层连续但在本实施例中远离汇流条12的主要平面部分折弯的端子部分30、32、34。每个端子部分30、32、34包括用于与子模块的部件如电容器18连接的一系列端子，如图1中最佳示出。

在此实施例中，安装于导体板20、22、24之间的绝缘体板26由玻璃增强塑料(grp)形成并且具有与导体板20、22、24基本上相同的厚度。在其它实施例中，绝缘体板26可由不同材料形成并且具有不同于导体板的厚度。

如图3和4中所示，每个导体板20、22、24还具有用于与开关元件14的对应端子连接的一系列端子28。在此实施例中，开关元件14是绝缘栅双极晶体管(igbt)。

子模块进一步包括两个热转移管路40，其连接到汇流条12的两个相应导体层22、24并且被配置成在使用中时传送穿过其中的冷却流体以冷却导体板。在此实施例中，第一热转移管路40连接到负极层22，且第二热转移管路40连接到输出层24。在此实施例中，热转移管路40包括铝管道，其具有大约6mm的直径和大约1mm的壁厚，使得用于传送冷却流体的中央通道具有大约4mm的直径。所述管道具有大体上的圆形横截面。

在此实施例中，每个热转移管路40包括两个平行管路部分，其沿着相应导体层22、24的表面延伸并且通过具有u形形状(在图1、3和4中朝向汇流条12的下端)的一体式曲线部分结合。平行管路部分各自延伸超出相应导体层22、24的边缘并且各自例如通过螺纹连接到连接器42。在此实施例中，连接器42由传导性不锈钢或铝制成。在其它实施例中，可使用不同材料，例如聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride，pvdf)或丙烯腈丁二烯苯乙烯(acrylonitrilebutadienestyrene，abs)塑料，且材料选择可取决于供与子模块一起使用的冷却流体。在其它实施例中，可使用电绝缘连接器。

柔性软管44在此实施例中由电绝缘聚乙烯形成，从每个连接器42延伸到另一连接器42，所述另一连接器连接到冷却板16的孔口。因此，不存在沿着软管44从冷却板16到热转移管路的电传导。两个热转移管路40通过软管和连接器42、44连接到冷却板16的平行孔口，使得在相应热转移管路40中的流体之间存在并联(而非串联)关系。

在此实施例中，热转移管路40使用由不锈钢形成(但可使用其它材料)的导电保持板46连接到相应导体层20、24，所述导电保持板是弯曲的以顺应放置在导体层的表面上方的管道的轮廓。因此，保持板46在热转移管路40的任一侧以及在相应平行管路部分之间具有平坦部分，并且具有被配置成围绕相应管路部分延伸的凸状弯曲的保持部分。在另一实施例中，可能仅在管道之间存在一个平坦部分而在任一侧上不存在。

在此实施例中，保持板46沿着热转移管路的大部分长度(例如，沿着相应导体层的热转移管路40的大约75％的长度)延伸，但在其它实施例中，保持板46可具有不同长度(例如，更长或越短)，并且/或可包括沿着热转移管路的长度分布的离散保持板部分。此外，在其它实施例中，热转移管路40可沿着相应导体层的任何适合路径如弯曲或波浪状路径延伸，并且可不存在平行管路部分。保持板46或其它保持元件可相应地设计以抵靠汇流条12保持热转移管路40使得它们热连接。

导电紧固件48在此实施例中为由镀锌钢(例如硬化钢或热处理碳钢)形成的螺钉，其插入穿过保持板46并且进入相应导体层，以便使相应导体层与保持板46电连接，并且进而与相关联热转移管路40电连接。因此，在使用中时，在热转移管路与相应导体层之间不存在电压差。在此实施例中，存在沿着热转移管路的两个平行管路部分之间的板46的长度间隔开的三个螺钉48。

因此，相应紧固件48和保持板46形成从每个热转移管路40到相应导体层22、24的电路径。在此实施例中，相应保持板46也与相应导体层和相关联热转移管路40直接电接触，且每个热转移管路40也与导体层本身直接电接触。然而，在其它实施例中，如下文将详细描述，可在热转移管路40的至少一部分和/或任何保持板46与相应导体层之间存在由绝缘材料形成的薄膜层。

在使用中，子模块10连接到其它子模块10以形成电力转换器，且控制开关元件将来自交流电的功率转换成直流电或反过来也如此。

为了在使用中冷却汇流条12，将冷却流体提供到热转移管路40。通过入口管路50从冷却源(未示出)接收冷却流体到冷却板16，并且通过出口管路52返回到冷却源。入口管路50和出口管路52以及冷却板16内的内部通道形成用于传送待收容于热转移管路40中的冷却流体的流体网络的部分。冷却网络可延伸跨越多个子模块10。

在此实施例中，冷却流体是去离子水二醇混合物，其为具有小于2*10^-4s/m的传导率的电绝缘流体。冷却流体来自处于大约53℃的温度下的冷却网络并且被传送通过冷却板16以冷却igbt14。随后，冷却流体被分配到冷却板16的出口孔口以传送到每个热转移管路40。对于每个热转移管路40，冷却流体从冷却板16传送通过连接器42、入口柔性软管44、另一连接器42，并且通过热转移管路40。已流动通过热转移管路40后，流体被传送通过连接器42、出口柔性软管44、另一连接器42并且返回到冷却板16内的歧管中。

冷却流体接收处于低于汇流条12(或至少汇流条的相应导体层)的操作温度的温度下的热转移管路40中，并且因此传送冷却流体通过热转移管路的作用为使热量从相应导体层转移到热转移管路。在上文所描述且在图1-4中示出的实施例中，热量可以直接从相应导体层转移到热转移管路，并且还间接通过螺钉48和保持板46转移。

图5示出第二实例子模块11的部分横截面图(未示出igbt、电容器)。第二实例子模块11与上文所描述的子模块10的不同之处在于其具有两个设置在相应导体层22、24中的每一个上的彼此串联的热转移管路40。两个热转移管路40通过在其间延伸的另一电绝缘软管44连接。在其它实施例中，互连软管(或其它套管)和相关联连接器可为导电的，这是因为两个热转移管路电连接到汇流条的同一导体层。

因此，存在两个电连接以及热连接到相应导体板22、24中的每一个的热转移管路。连接到负极板22的热转移管路与冷却板16以及电连接到输出板24的热转移管路电绝缘。

此外，如图5所示，第二实例子模块11使用将热转移管路40连接到相应导体层20、24的两种不同方式。具体地说，如上文所描述，第一对热转移管路40通过相应固持板46热连接以及电连接到正极板20。

第二对热转移管路40通过相应导体层与热转移管路40之间的焊珠49热连接以及电连接到输出导体层24。在此实例中，焊接材料(或填充物材料)类似于母体材料(即热转移管路40和相应导体层24的材料)，并且是导电的。焊接材料与母体材料相比可具有更低的熔点。在其它实施例中，热转移管路40可使用其它金属结合方法如煨接连接到相应导体层。

图6中示出子模块的另一电连接和机械连接实例，其示出汇流条12和连接的热转移管路40的部分横截面图。在此另一实例中，汇流条12被制造成使得存在包封每个导体层的电绝缘材料薄膜层。具体地说，存在设置于汇流条12的层中的每一个之间，即第一层与第二层之间(负极层22与绝缘体板26之间)以及第二层与第三层之间(绝缘体板26与在一起的正极层20和输出层24)的薄膜层54。绝缘材料薄膜层56还设置在导体层20、22、24的外部表面上。

为层压汇流条12的导体层20、22、24提供薄膜层可增加，尤其是围绕汇流条的端子的传导层之间的爬电距离。在此实施例中，薄膜层54、56包括pet并且为大约0.1-0.3mm厚。薄膜层与导体层层压在一起，并且具有与导体层基本上相同的平面程度。

在图6中示出的实例中，热转移管路40不与相应导体层22直接电接触，这是因为在导体层22和热转移管路40之间存在外薄膜层56。然而，如上文所描述，热转移管路40通过保持板46抵靠外薄膜层56固持，以便通过外薄膜层56与相应导体层热连接。热转移管路40通过保持板46和紧固件48的电路径与导体层电连接，所述紧固件延伸通过外薄膜层56并且进入导体层22以形成机械和电连接。薄膜层56在此实施例中出于两个原因不提供电绝缘功能。第一，即使热转移管路40和导体层22之间的薄膜层56由例如pet的电绝缘材料形成，所述薄膜层厚度仍然可能不足以使导体层22与热转移管路电绝缘。第二，热转移管路40仍然会通过螺栓48与导体层22电连通。

在其它实施例中，在热转移管路40的区域中可(即，通过移除或最初不施用)缺少外薄膜层56的一部分，使得热转移管路40和/或保持板46的至少一部分与相应导体层直接电接触。

图7示出热转移管路40和汇流条12的导体层22之间的另一电连接和机械连接实例，其与图6中示出的电连接和机械连接的不同之处在于热转移管路40与相应导体层22焊接在一起。此外，相应导体层22上的外薄膜层56的一部分在焊接之前被移除，或不被施用，使得热转移管路40(或焊接层49)的至少一部分提供相应导体层20和热转移管路之间的电路径。在其它实施例中，可使用煨接来代替焊接。

在其它实施例中，如上文所描述，热转移管路可焊接或钎焊到保持板，且固定板可连接到导体层。

在一个特定实例中，热转移管路可包括铝，且冷却流体可包括去离子水(其与铝兼容)。当通过保持板紧固到导体层时，保持板也可由铝制成。

使热转移管路连接到相应导体层以使得它们同时热连接和电连接到相应导体层具有在热转移层和导体层之间不需要外绝缘层的效应。因此，可能受高温影响的此外层表面的性能不再是汇流条组合件(包括汇流条和相关联冷却布置)或对应子模块(或其它电设备)的设计中的问题。因此，可以改进导电层和传热管路之间的热转移，这是因为不需要具有最小厚度的外表面。此外，当在热转移管路和导体板之间提供绝缘材料薄膜层(例如，由于导体层/层压汇流条的标准制造实践)时，仍会实现使热转移管路和相应导体层电连接的益处。具体地说，此类薄膜层出于电绝缘的目的是多余的，这是由于在热转移管路和导体之间不存在电压差。因此，邻近热转移管路的薄膜层的性能不是汇流条组合件的设计中的因素，并且因此不必基于导体层和热转移管路之间的薄膜层的绝缘性能而限制通过汇流条组合件的电流负载，也不必取得能够使热转移管路与导体层绝缘的薄膜层。

在上述实例中，电连接到相应导体层的一个或多个热转移管路与电连接到其它导体层的任何热转移管路电绝缘。在具体实例中，通过电绝缘柔性软管和冷却流体达成电绝缘。由于冷却流体是电绝缘的，所以无需为所述一个或多个热转移管路的导电材料加绝缘层衬里。具体地说，冷却流体可与热转移管路的导电材料直接接触。

在其它实施例中，层压汇流条可包括少于三个或多于三个的导体层。

虽然在本发明的实施例中已描述，其中冷却流体通过冷却板提供到热转移管路的，但在其它实施例中，热转移管路可直接或通过分配歧管而非通过冷却板连接到冷却源。

虽然在本发明的实施例中已描述，其中热转移管路呈具有基本上圆形横截面的管道形式，但应了解，在其它实施例中，热转移管路可具有不同横截面，例如具有用于通过相应板(包括正方形、三角形和半圆形横截面)导热的至少一个平坦(或平直)侧。

应了解，在本发明的实施例中，导体层可不具有相同大小且中间导体层(即安置于至少两个其它导体层之间的层)可暴露于其中不存在外导体层的区域。因此，热转移管路可热连接和电连接到中间导体层。