CN101341648A - 用于模块功率单元的封装系统 - Google Patents

Abstract

一种功率输送系统包括一组可拆卸功率单元。每个功率单元包括水冷散热器、进气口和出气口。系统还包括热交换器。热交换器从单元抽取空气，使空气冷却，并通过每个单元的进气口将冷却空气再循环到单元。单元可以这样被设计使得不在散热器附近的部件在来自进气口的空气到达散热器之前通过所述空气来冷却。

Description

用于模块功率单元的封装系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2005年8月31日提交的题为“Packaging method for modularmultilevel power cells and system infrastructure”的未决美国临时专利申请No.60/713,197并且其全部内容在此用作参考。

关于联邦资助研究的声明

不适用(not application)。

联合研究协议参与者的姓名

不适用。

通过引用光盘材料而并入(INCORPORATION BY REFERENCE OFMATERIAL ON DISK)

不适用。

背景技术

1、技术领域

本申请总体上涉及功率输送系统。

2、相关技术的描述

近年来，用于中压变频驱动器(VFD)的电路已经受到关注。在过去的十年内已经引入了几种新颖的方法。例如，在如Hammond的美国专利No.5,625,545(其公开全部在此用作参考)中所述的包含串联逆变器的电路中，逆变器或功率单元110包括三相二极管桥整流器112、一个或多个直流(DC)电容器114、和H桥逆变器116。整流器112将输入118的交流(AC)电压转换成基本恒定的DC电压，该DC电压由跨接在整流器112输出端的电容器114所维持。逆变器110的输出级包括H桥逆变器116，该H桥逆变器包含两极、即左极和右极，每一极都具有两个器件。逆变器110利用H桥逆变器116中的半导体器件的脉宽调制(PWM)将DC电容器114两端的DC电压变换为AC输出120。

用于中压和高压电机控制的其它电路和驱动器是可用的。一般，中压是指高于690伏(V)并低于69千伏(kV)的额定电压。在一些实施例中，中压可以是大约1000V和大约69kV之间的电压。高压定额超过这种中压定额。在许多这样的系统中，采用模块功率单元。工业上通常寻求各种途径来降低这种系统的尺寸，提高系统的寿命和可靠性，并允许系统在一个或多个故障情况下保持运行。

在此所包含的公开试图解决上面提出的一个或多个问题。

发明内容

在实施例中，功率输送系统包括多个位于壳体结构内部的可拆卸功率单元。每个功率单元都包括水冷散热器、进气口和出气口。系统还包括热交换器。每个单元可以被设置用于将空气接收到进气口和将空气排出到空气室。热交换器可以被设置用于接收来自空气室的空气，使空气冷却，并通过每个单元的进气口使冷却空气再循环到单元。在运行期间，通过单元排出到空气室的空气可能比被接收到单元的进气口中的空气热。此外，每个单元的散热器可以连接到进水口和出水口，并且在运行期间，由单元通过出水口排出的水可能比被接收到同一单元的进水口中的水热。在一些实施例中，每个功率单元都包括多个电容器连接器和多个晶体管。电容器连接器可以被设置得比散热器的位置更靠近于进气口，散热器可以被设置得比电容器连接器的位置更靠近于出气口。在运行期间，通过单元循环的大部分空气可以在接触散热器之前与电容器连接器接触。每个功率单元还包括比散热器的位置更靠近于进气口的电路板。系统还包括位于单元和空气室之间的底板、位于空气室内用以将功率输送到单元的多个功率输送总线、和位于空气室内用以从单元接收功率并将功率输送到负载的多个功率返回总线。系统还可以包括水输送总管和水返回总管，使得每个总管都包括多个自封闭连接，其中每个连接在单元被连接到连接时打开并且在单元从连接上移除时闭合。

在替代实施例中，功率输送系统包括多个位于壳体结构内的可拆卸功率单元。每个功率单元都可以包括输入总线、输出总线、进气口、和出气口、连接到进水口和出水口的水冷散热器、水输送总管和水返回总管。每个水总管都可以包括自封闭连接，使得每个连接在单元被连接到连接时打开并且在单元从连接移除时闭合。系统还可以包括空气室和热交换器，所述热交换器接收来自空气室的空气，使空气冷却，并通过每个单元的进气口将冷却空气再循环到单元。每个单元可以被设置用于接收空气并将空气排出到空气室，并且每个单元还可以被设置用于通过其进水口接收水并从其出水口将水排出。在运行期间，由单元排出到空气室的空气可能比被接收到单元的进气口中的空气热，并且由单元通过出水口排出的水可能比被接收到单元的进水口中的水热。在一些实施例中，每个功率单元都可以包括多个电容器连接器和多个晶体管。电容器连接器可以被设置得比散热器的位置更靠近于进气口，散热器可以被设置得比电容器连接器的位置更靠近于出气口，使得通过单元循环的大部分空气在接触散热器之前与电容器连接器接触。在一些实施例中，每个功率单元还可以包括比散热器的位置更靠近于进气口的电路板。系统还可以包括位于单元和空气室之间的底板、位于空气室内用以将功率输送到单元的多个功率输送总线、和位于空气室内用以从单元接收功率并将功率输送到负载的多个功率返回总线。

在一些实施例中，功率输送系统还可以包括多个位于壳体结构内部的可拆卸功率单元，其中每个功率单元都包括进气口、出气口、和水冷散热器。系统可以包括连接到水冷散热器的水输送总管和水返回总管，其中每个总管都包括多个自封闭连接，其中每个连接在单元被连接到连接时打开并且在单元从连接移除时闭合。系统还可以包括空气室和热交换器，所述热交换器接收来自空气室的空气，使空气冷却，并通过每个单元的进气口将冷却空气再循环到单元。每个单元都可以被设置用于接收空气并将空气排出到空气室，并且在运行期间，由单元排出到空气室的空气比被接收到单元的进气口中的空气热。每个功率单元都可以包括比散热器的位置更靠近于进气口的多个电容器连接器。散热器可以被设置得比电容器连接器的位置更靠近于出气口，使得在运行期间，通过单元循环的大部分空气在接触散热器之前与电容器连接器接触。在一些实施例中，每个功率单元还可以包括比散热器的位置更靠近于进气口的电路板。系统还可以包括位于单元和空气室之间的底板、位于空气室内用以将功率输送到单元的多个功率输送总线、和位于空气室内用以从单元接收功率并将功率输送到负载的多个功率返回总线。

附图说明

图1是示出现有技术的功率单元的示范性特征的电路图。

图2示出了包括连接到负载的多个功率单元的电路。

图3A是示范性功率单元壳体结构的后透视图，图3B是前透视图，而图3C和3D示出了功率单元结构的示范性连接元件。

图4示出示范性功率单元内部结构。

图5示出多个功率单元的示范性支撑结构。

图6示出壳体内的示范性功率单元。

图7示出示范性水输送系统。

具体实施方式

在描述本方法、系统和材料之前，需要理解的是，该公开不局限于所述的特定方法、系统和材料，因为这些都可以改变。还需要理解的是，说明书中所用的术语都只是为了对特定的方案或实施例进行描述，并不用来限定其范围。例如，像文中和所附权利要求书中所用的，单数形式“一个”、“一”和“该”包括复数含义，除非上下文中有明确规定。此外，术语“包括”意思是“包含但不限于”。除非另外限定，文中采用的所有技术和科学术语都具有与本领域普通技术人员所公知的相同含义。

在各种实施例中，多级功率电路具有驱动负载的多个功率单元。图2示出了具有这种功率单元的电路的示范性实施例。在图2中，变压器210通过单相逆变器(也指功率单元)阵列将三相中压功率输送到像三相感应电动机这样的负载230。变压器210包括激励多个次级绕组214-225的初级绕组212。虽然初级绕组212被示出具有星形配置，但三角形配置(mesh configuration)也是可能的。另外，虽然次级绕组214-225被示出具有三角形配置，但星形配置的次级绕组也是可能的，或者可以采用星形和三角形绕组的组合。另外，图2中所示的次级绕组的数量只是示范性的，其它数量的次级绕组也是可能的。电路可以用于中压应用，或者，在一些实施例中用于其它应用。

任意多个序列的功率单元被连接在变压器210和负载230之间。“序列(rank)”被看作是三相集，或者跨三相功率输送系统的每一相所建立的一组功率单元。参考图2，序列250包括功率单元251-253，序列260包括功率单元261-263，序列270包括功率单元271-273，序列280包括功率单元281-283。少于四个序列或多于四个序列是可能的。中央控制系统295通过光纤或者另一有线或无线通信介质290将指令信号发送到每个单元中的本地控制器。

图2中所示的功率单元提供模块多级系统，所述模块多级系统允许如所需要的那样替换单元用以适应不同的设计需求或者替换故障单元。图3A示出示范性功率单元结构310的后透视图，图3B示出示范性功率单元结构310的前透视图。功率单元310包括框架(chassis)312和多个功率输入/输出连接器325。

参考图3C，功率单元用的功率连接器325可以包括从安装块370延伸的导电臂371。参考图3D，导电臂371的尺寸可以确保与功率总线的功率连接器380的电连接。例如，导电臂371可以安装在功率总线连接器380的一对导电臂381、382之间并与之接触。在一些实施例中，功率总线连接器380可以包括有助于形成基本刚性连接的支撑383。其它的功率连接器配置是可能的。此外，在一些实施例中，功率单元可以包括与功率总线连接器380类似的结构，而功率总线可以包括与325类似的结构。

参考图3A和3B，框架312围绕电子模块310的各种部件，诸如一个或多个电容器、印刷电路板、散热器等等。框架312可以由任意合适的材料制造，像镀锌钢或其它金属，在正常运行和许多异常运行条件期间，所述材料使功率单元与系统中的其它功率单元在机械和电磁方面隔离。框架312可以用于保护电子模块310的内部部件在运送和处理期间不受损坏，并且所述框架可以以以下方式来配置，即电子模块310能够被放置在其任意一侧而不引起对电子模块310的部件的任何损坏。根据各种实施例，框架312可以由连接在一起的几个部分组成，并且框架312的一个或多个部分可以拆卸。此外，框架312可以足够厚以防止因电子模块310的内部部件故障而引起的任何碎片跑出由框架312所围绕的空间，从而防止电子模块310附近的其它元件受到任何间接损坏。框架312也可以用来为在框架内部的电弧故障(arcing fault)提供低阻抗路径，用以减小由此引起的潜在损坏。

单元的示范性内部部件可以包括电子组件，电子组件可以包括诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块、其它晶体管、晶闸管和一个或多个整流器模块的电流控制器件或开关。IGBT对于I/O总线位置可以是单独的并且增加热性能。单元可以包括可位于单元前端311附近的一个或多个控制板或其它电子器件，具有由可以打开或移除的门或面板覆盖的可选的接入开口(access opening)315。单元的内部前区域可以包括接收用于单元操作的电容器的多个电容器连接器330。电容器(未示出)可以从电容器连接器向单元的后部321延伸或者沿其它方向延伸。电容器所处在的单元下部可以由用作框架312的下部(未示出)的壳体覆盖。

单元312可以包括水冷却系统用以在运行期间从单元散热。单元的内部水冷却管可以包含进水口连接330和出水口连接332用以分别通过一个或多个软管或导管将冷却水接收到单元中和将水从单元排出。

参考图4，软管连接可以将水输送到进水导管410和出水导管412和从进水导管410和出水导管412接收水，所述进水导管和出水导管被连接用于向和从水冷散热器416输送流体，所述水冷散热器是密封容器，所述密封容器在有效地吸收来自单元部件的热量之处、例如在连接到总线422、423和424和单元其它部件的IGBT器件之下的位置处容纳冷却水。总线422、423和424可以电连接到一个或多个电源插头325(见图3)。总线可以是任意导电的输送设备，像电线、刚性或柔性的金属片、导电聚合体或其它材料。参考图3，散热器和IGBT典型地位于单元的后部321附近。散热器用的水可以冷却IGBT。去离子的水是优选的，并且水可以再循环到位于单元外部的空气对水或水对水(water-to-water)的热交换器。

除了水冷却结构之外，返回到图3，每个单元可以包括进气口340和出气口342，所述出气口通过单元310引导空气，使得空气流经诸如电容器连接、电子和控制板、功率开关、总线连接器、和/或总线本身的部件。在一些实施例中，进气口和出气口中的每一个都可以被过滤器或护栅(grill)覆盖。优选地，单元310的部件这样放置使得空气最先流经电容器连接、和/或电路板，其中在空气流中空气稍后流经散热器。这通过将电容器连接330和电路板(在开口315下)放置在单元的前部附近、而将散热器416放在出气口342附近或单元的后区域321附近来实现。这样，在空气流过也不位于水冷散热器附近的部件时空气可以是较冷的，而在散热器也提供冷却能力的区域中空气可以是较热的。

图5示出了壳体内的多级功率单元(如9个单元)的示范性支撑结构544，其中每个功率单元或其它电子模块位于一个或多个安装轨546上，使得每个单元的后部面对底板548，并且单元的电源插座与空气室内的单元功率连接521-525接触。底板548可以由任何合适的非导电材料制成，像高强度的非导电层压材料，并且可以将空气室与热交换系统分离，所述热交换系统将热从单独的单元散热。

图6示出了包含任何数量的可替换功率单元310的示范性功率单元系统600，其中所述功率单元通过连接总线工件620连接到功率输入/输出总线工件605。底板548将功率单元310和空气室610隔开。当空气移动到单元的前部时，空气可以吸收来自单元部件的热量。将单元留在其后面并通过底板548的开口的空气典型地比进入单元的空气要热。热交换器640接收来自空气室610的暖或热空气，使空气冷却并通过空气输送空间630使冷却空气返回到单元的前部，其中所述空气输送空间位于系统壳体650内。任何适当的空气冷却系统都可以用作热交换器640。优选地，热交换器640位于壳体650的顶部上或附近，虽然其它的位置是可以的。这样，系统可以以恒定的再循环方式从单元的后部引导空气通过热交换器。在文中所述的强制空气输送系统中，在一些实施例中空气再循环可以减少空气的离子化和与这种离子化相关的电弧故障。

图7示出了也可以包含在壳体内的水输送系统。每个单元310都具有输入和输出软管连接330和332，其通过连接导管710和712连接到水输送总管740和返回总管742。水总管和导管可以由任何适于输送热和冷水的材料制成，例如不锈金属、橡胶、硅、PVC、塑料或任何其它适当的材料。软管连接330和332与连接导管710和712之间的连接可以是自封闭的，使得单个功率单元可以从系统移除而不破坏至其它单元的水路径。任何适当的密封设备、例如在连接时打开并在断开时闭合的阀，可以用于此目的。水输送总管740和返回总管742可以位于功率输送系统600(参考图6)的空气室610内。优选去离子的水可以向或从外部热交换器循环用以被冷却。

在中压系统中，进入单元的空气可以被控制为大约55℃的温度，而输送到单元的水可以被控制为大约47℃的温度。其它温度是可能的。空气和水在单元内部可以吸收热，并且在一些实施例中，跑到单元外的空气和水可能比进入单元的空气和水热几度。

通过阅读某些示范性实施例的上述详细说明和附图，本领域技术人员很容易清楚其它的实施例。应该理解的是，多种变化、修改和附加实施例是可能的并且因此所有这些变化、修改和实施例都被看作是在本申请的精神和范围之内。

Claims (20)

1、一种功率输送系统，包括：

多个位于壳体结构内部的可拆卸功率单元，每个功率单元包括水冷散热器、进气口、和出气口；以及

热交换器；

其中每个单元被设置用于将空气接收到进气口并将空气排出到空气室；并且

其中热交换器被设置用于接收来自空气室的空气，使空气冷却，并通过每个单元的进气口将冷却空气再循环到单元。

2、权利要求1的系统，其中在运行期间，由单元排出到空气室的空气比接收到单元的进气口中的空气热。

3、权利要求2的系统，其中：

每个单元的散热器连接到进水口和出水口；并且

在运行期间，由单元通过出水口排出的水比接收到同一单元的进水口中的水热。

4、权利要求1的系统，其中每个功率单元包括多个电容器连接器和多个晶体管。

5、权利要求4的系统，其中电容器连接器比散热器的位置更靠近于进气口，并且散热器比电容器连接器的位置更靠近于出气口。

6、权利要求5的系统，其中在运行期间，通过单元循环的大部分空气在接触散热器之前与电容器连接器接触。

7、权利要求5的系统，其中每个功率单元还包括比散热器的位置更靠近于进气口的电路板。

8、权利要求1的系统，还包括：

位于单元和空气室之间的底板；

位于空气室内用以将功率输送到单元的多个功率输送总线；和

位于空气室内用以从单元接收功率并将功率输送到负载的多个功率返回总线。

9、权利要求1的系统，还包括水输送总管和水返回总管，其中每个总管包括多个自封闭连接，其中每个连接在单元连接到连接时打开并且在单元从连接移除时闭合。

10、一种功率输送系统，包括：

多个位于壳体结构内部的可拆卸功率单元，每个功率单元包括输入总线、输出总线、进气口、出气口、和连接到进水口和出水口的水冷散热器；

水输送总管和水返回总管，其中每个总管包括多个自封闭连接，其中每个连接在单元连接到连接时打开并且在单元从连接移除时闭合；

空气室；和

热交换器，其接收来自空气室的空气，使空气冷却，并通过每个单元的进气口将冷却空气再循环到单元；

其中每个单元被设置用于接收空气并将空气排出到空气室，并且其中每个单元还被设置用于通过其进水口接收水并从其出水口将水排出。

11、权利要求10的系统，其中，在运行期间：

由单元排出到空气室的空气比接收到单元的进气口中的空气热；并且

由单元通过出水口排出的水比接收到单元的进水口中的水热。

12、权利要求10的系统，其中每个功率单元包括多个电容器连接器和多个晶体管。

13、权利要求12的系统，其中电容器连接器比散热器的位置更靠近于进气口，散热器比电容器连接器的位置更靠近于出气口。

14、权利要求12的系统，其中在运行期间，通过单元循环的大部分空气在接触散热器之前与电容器连接器接触。

15、权利要求12的系统，其中每个功率单元还包括比散热器的位置更靠近于进气口的电路板。

16、权利要求10的系统，还包括：

位于单元和空气室之间的底板；

位于空气室内用以将功率输送到单元的多个功率输送总线；和

位于空气室内用以从单元接收功率并将功率输送到负载的多个功率返回总线。

17、一种功率输送系统，包括：

多个位于壳体结构内部的可拆卸功率单元，每个功率单元包括进气口、出气口、和水冷散热器；

连接到水冷散热器的水输送总管和水返回总管，其中每个总管包括多个自封闭连接，其中每个连接在单元连接到连接时打开并且在单元从连接移除时闭合；

空气室；和

热交换器，其接收来自空气室的空气，使空气冷却，并通过每个单元的进气口将冷却空气再循环到单元；

其中每个单元被设置用于接收空气并将空气排出到空气室，并且在运行期间，由单元排出到空气室的空气比接收到单元的进气口中的空气热；

其中每个功率单元包括多个电容器连接器，所述电容器连接器比散热器的位置更靠近于进气口，散热器比电容器连接器的位置更靠近于出气口。

18、权利要求17的系统，其中在运行期间，通过单元循环的大部分空气在接触散热器之前与电容器连接器接触。

19、权利要求17的系统，其中每个功率单元还包括比散热器的位置更靠近于进气口的电路板。

20、权利要求17的系统，还包括：

位于单元和空气室之间的底板；

位于空气室内用以将功率输送到单元的多个功率输送总线；和

位于空气室内用以从单元接收功率并将功率输送到负载的多个功率返回总线。

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