CN106059257A - 冷却式功率转换组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种冷却式功率转换组件，其包括：第一室(100)；与第一室(100)至少部分地隔开的第二室(200)；位于第一室(100)中的至少一个第一类型装置(1)；位于第二室(200)中的至少一个第二类型装置(2)；以及冷却装置，该冷却装置包括第一冷却元件(3)和第二冷却元件(4)。第一冷却元件(3)适于将热传递出第一室(100)，并且第二冷却元件(4)适于将热传递出第二室(200)。第一冷却元件(3)与所述至少一个第一类型装置(1)直接接触，并且第二冷却元件(4)通过气态冷却介质与所述至少一个第二类型装置(2)传热连接。

Description

冷却式功率转换组件
技术领域
本发明涉及冷却式功率转换组件(cooled power conversionassembly)。
背景技术
已知的功率转换组件包括位于壳体中的发热装置以及适于将热传递出壳体的至少一个热交换器，所述至少一个热交换器利用了液体冷却剂的循环。
与上述的功率转换组件相关联的问题中的一个问题是功率转换组件的复杂性。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有简单的冷却装置的冷却式功率转换组件。本发明的目的通过下文中所描述的冷却式功率转换组件来实现。
本发明基于下述思想：使用基部至空气式冷却元件(base-to-aircooling element)对冷却式功率转换组件的高热密度装置进行冷却，以及使用空气至空气式冷却元件(air-to-air cooling element)对冷却式功率转换组件的低热密度装置进行冷却。
本发明的冷却式功率转换组件简单且价格低廉。
附图说明
在下文中将参照附图借助于优选实施方式对本发明进行更详细的描述，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施方式的冷却式功率转换组件的主要结构；
图2示出了根据本发明的另一实施方式的冷却式功率转换组件的主要结构；
图3示出了包括根据本发明的又一实施方式的冷却式功率转换组件的功率转换器柜；
图4示出了从不同方向观察的图3的功率转换器柜；以及
图5示出了图3的功率转换器柜的简化的内部结构。
具体实施方式
图1示出了冷却式功率转换组件的主要结构，该冷却式功率转换组件包括壳体6、第一室100、第二室200、两个第一类型装置1、六个第二类型装置2、用于对第一室和第二室进行冷却的冷却装置、冷却通道64、冷却通道风扇装置76和第二室风扇装置72。第一室100和第二室200位于壳体6内。第一类型装置1位于第一室100中，并且第二类型装置2位于第二室200中。
冷却装置包括两个第一冷却元件3和两个第二冷却元件4。每个第一冷却元件3均适于将热传递出第一室100。每个第一冷却元件3均包括位于第一室100中的第一部分31和位于第一室100外部的第二部分32。每个第一冷却元件3的第一部分31与对应的第一类型装置1直接接触。第一类型装置1与对应的第一冷却元件3之间的热传递适于通过热传导来进行。
每个第二冷却元件4均适于将热传递出第二室200。每个第二冷却元件4均包括位于第二室200中的第一部分41和位于第二室200外部的第二部分42。每个第二冷却元件4仅通过气态冷却介质与对应的第二类型装置2传热连接。第二冷却元件4中的任一者都不与第二类型装置2直接接触。此外，第二冷却元件4中的任一者都不与产生热的任何装置直接接触。第二类型装置2与对应的第二冷却元件4之间的热传递适于通过热对流来进行。
在替代性实施方式中，第二冷却元件中的至少一者包括叠置在一起的多个单独的冷却元件。所述多个单独的冷却元件中的每一者均适于通过基本上相同的冷却介质流来冷却。
冷却通道64延伸穿过壳体6。冷却通道64具有第一端部641和第二端部642。冷却通道风扇装置76适于提供冷却通道的第一端部641与冷却通道的第二端部642之间的冷却通道冷却介质流。冷却通道冷却介质流被从冷却通道的第一端部641向冷却通道的第二端部642引导。
第二室200内的气态冷却介质是空气。在第一室100内和冷却通道64内也具有空气。冷却通道风扇装置76将壳体6外部的空气吸至冷却通道的第一端部641，并且将空气从冷却通道的第二端部642吹送至壳体6的外部。由于冷却通道64中存在空气，因而可以认为：每个第一冷却元件3均适于用作基部至空气式冷却元件，并且每个第二冷却元件4均适于仅用作空气至空气式冷却元件。
第二室200通过分隔壁62与第一室100隔开。第一室100与第二室200之间基本上没有冷却介质流。第一室100和第二室200中的每一者还与冷却通道64隔开并与壳体6的外部隔开。第一室100和第二室200是异物防护室。第一室100与冷却通道64之间基本上没有冷却介质流，或者第一室100与壳体6的外部之间基本上没有冷却介质流。另外，第二室200与冷却通道64之间基本上没有冷却介质流，或者第二室200与壳体6的外部之间基本上没有冷却介质流。冷却通道64不是异物防护通道。在替代性实施方式中，第二室与第一室仅部分地隔开。
第一冷却元件3的第二部分32和第二冷却元件4的第二部分42位于冷却通道64中。第二冷却元件4的第二部分42位于第一冷却元件3的第二部分32的上游，这意味着第二冷却元件4的第二部分42定位得比第一冷却元件3的第二部分32更靠近于冷却通道的第一端部641。
第二室风扇装置72适于在第二室200中提供第二室冷却介质流。第二室冷却介质流适于增强从第二类型装置2至第二冷却元件4的第一部分41的热传递。由于第二室200与第一室100隔开，因而第二室风扇装置72并不适于在第一室100中提供冷却介质流。
图1的冷却式功率转换组件是冷却式频率转换器。左侧的第一类型装置1包括整流器单元的二极管模块11。二极管模块11包括整流器单元的二极管，所述二极管适于对整流器单元的输入电流进行整流。二极管模块11与左侧的第一冷却元件3的第一部分31直接热传递接触。右侧的第一类型装置1包括逆变器单元的开关模块12。开关模块12包括逆变器单元的可控开关，可控开关适于对逆变器单元的输入电流进行转换。可控开关具有高的热密度，因此，可控开关需要有效的冷却。在实施方式中，可控开关包括诸如绝缘栅双极型晶体管或IGBT的已知的半导体开关。
在替代性实施方式中，冷却式功率转换组件是DC对DC转换器、逆变器、或适于将电能从一种形式转换成另一种形式的一些其它的组件。DC对DC转换器或直流转换器包括具有高的热密度的可控开关。一般而言，所述至少一个第一类型装置的热密度高于所述至少一个第二类型装置的热密度。
第二类型装置2包括保护装置和连接装置。保护装置适于保护所述至少一个第一类型装置1，并且保护装置包括用于此目的的保险丝。连接装置适于将第一类型装置1连接至电源和负载。连接装置包括用于将二极管模块11连接至电源的接触器以及用于将开关模块12连接至诸如电动马达的负载的另一接触器。连接装置和保护装置的热密度较低。
在实施方式中，所述至少一个第一类型装置包括逆变器单元的开关模块，逆变器单元适于将来自光伏电池装置的电力供给至电网。在该实施方式中，连接装置适于将逆变器单元连接至光伏电池装置和电网。光伏电池装置用作用于逆变器单元的电源，并且电网用作用于逆变器单元的负载。连接装置包括接触器、开关、连接器和断路器中的至少一者。
第一冷却元件3中的每一者和第二冷却元件4中的每一者均包括散热片，所述散热片的第二部分位于冷却通道64中。散热片适于将热传递到冷却通道冷却介质流中。在替代性实施方式中，第一冷却元件和第二冷却元件中的至少一者包括诸如紧凑型热虹吸管的热虹吸管或者紧凑型热虹吸式热交换器(cothex)。还可以使用另外类型的热管。
在图1的实施方式中，冷却通道64对于第一室100和第二室200而言是共用的。图2示出了根据本发明的另一实施方式的冷却式功率转换组件。图2的冷却式功率转换组件包括两个冷却通道，即用于第一室100’的第一冷却通道65’和用于第二室200’的第二冷却通道66’。第一冷却通道65’与第二冷却通道66’隔开。除了与冷却通道有关的差异以外，图2的冷却式功率转换组件与图1的冷却式功率转换组件类似。
第一冷却通道65’具有第一端部651’和第二端部652’。设置有适于提供第一端部651’与第二端部652’之间的冷却介质流的第一冷却通道风扇装置77’。第一冷却通道65’内的冷却介质流被从第一端部651’向第二端部652’引导。
第二冷却通道66’具有第一端部661’和第二端部662’。设置有适于提供第一端部661’与第二端部662’之间的冷却介质流的第二冷却通道风扇装置78’。第二冷却通道66’内的冷却介质流被从第一端部661’向第二端部662’引导。
图3示出了包括根据本发明的又一实施方式的冷却式功率转换组件的功率转换器柜。图3中从冷却通道的第一端部641”的方向图示了功率转换器柜。图3示出了：壳体6”包括第二类型装置部段702”、控制部件部段703”、AC布线部段704”、DC部件部段705”、DC布线部段706”和冷却通道部段764”。第二类型装置部段702”和DC部件部段705”包括第二室200”。冷却通道部段764”包括冷却通道。
图4中从冷却通道的第二端部642”的方向图示了图3的功率转换器柜。图4示出了：壳体6”包括第一室部段701”和滤波器装置部段707”。第一室部段701”包括第一室。
图3的功率转换器柜是可改变大小的柜。包括控制部件部段703”和AC布线部段704”的端部部分是柜的共用部分，而柜的其余部分形成了可以复制或倍增的复制部分。在功率转换器柜包括共用部分和多个复制部分的实施方式中，从一个复制部分向另一复制部分延伸有母线。
图5示出了图3的功率转换器柜的简化的内部结构。功率转换器柜包括壳体6”、第一室100”、第二室200”、第三室300”、第一类型装置1”、两个第二类型装置2”、滤波器装置、母线装置、用于对第一室和第二室进行冷却的冷却装置、冷却通道64”以及冷却通道风扇装置76”。第一室100”和第二室200”位于壳体6”内。第一类型装置1”位于第一室100”中，并且第二类型装置2”位于第二室200”中。
第二室200”包括将第二室200”分成第二类型装置部段702”和DC部件部段705”的分隔壁。图5示出了第二室200”的第二类型装置部段。图5中并未图示分隔壁。分隔壁在与图5的图像平面平行的平面中延伸。
冷却装置包括第一冷却元件3”和第二冷却元件4”。第一冷却元件3”适于将热传递出第一类型装置1”。第一冷却元件3”包括位于第一室100”中的第一部分31”和位于冷却通道64”中的第二部分32”。第一冷却元件3”的第一部分31”与第一类型装置1”直接接触。
第二冷却元件4”适于将热传递出第二室200”。第二冷却元件4”包括位于第二室200”中的第一部分41”和位于冷却通道64”中的第二部分42”。第一部分41”位于第一室100”与第二室200”之间。第二冷却元件4”仅通过气态冷却介质与第二类型装置2”传热连接。
冷却通道64”延伸穿过壳体6”。冷却通道64”具有第一端部641”和第二端部642”。冷却通道风扇装置76”适于提供冷却通道的第一端部641”与冷却通道的第二端部642”之间的冷却通道冷却介质流。
壳体6”内的气态冷却介质是空气。冷却通道风扇装置76”将壳体6”外部的空气吸入冷却通道的第一端部641”，并且将空气从冷却通道的第二端部642”吹送至壳体6”的外部。第一冷却元件3”适于用作基部至空气式冷却元件，第二冷却元件4”适于用作空气至空气式冷却元件。
母线装置包括DC母线86”和AC母线88”。DC母线86”和AC母线88”两者均位于第一室100”中并且位于由第一室100”形成的空气循环通道中。
第二室200”通过分隔壁62”与第一室100”部分地隔开。第二冷却元件4”的第一部分41”也参与将第一室100”与第二室200”隔开。冷却介质从第二室200”的上部分流入第一室100”中，并且从第一室100”的下部分流入第二室200”中。冷却介质通过使冷却介质冷却下来的第二冷却元件4”的第一部分41”流入第一室100”中。
第一室100”和第二室200”中的每一者均与冷却通道64”以及壳体6”的外部隔开。第一室100”和第二室200”是异物防护(ingressprotected)室。冷却通道64”不是异物防护通道。
第一冷却元件3”的第二部分32”和第二冷却元件4”的第二部分42”位于冷却通道64”中。第二冷却元件4”的第二部分42”位于第一冷却元件3”的第二部分32”的上游。
第三室300”与第一室100”隔开。第三室300”包括第一子室301”以及与第一子室301”隔开的第二子室302”。第三室300”包括第三冷却元件303”，第三冷却元件303”适于将热从第二子室302”传递至第一子室301”。第三冷却元件303”是空气至空气式冷却元件。
壳体6”的外部与第一子室301”之间存在强制冷却介质流。此外，第二子室302”内存在单独的强制冷却介质流。
滤波器装置适于通过对功率转换组件的开关频率进行筛选来提高由功率转换组件供给的功率的质量。滤波器装置包括本领域中已知的LCL滤波器。滤波器装置的电容器组件84”位于第一室100”中，并且该电容器组件84”适于通过在第一室100”与第二室200”之间循环的强制冷却介质流来冷却。滤波器装置的电感器组件82”位于第三室300”的第二子室302”中。
在第一室100”与第二室200”之间循环的强制冷却介质流还适于对第二类型装置2”和母线装置进行冷却。强制冷却介质流还在一定程度上参与对第一类型装置1”进行冷却。在图5中并未图示用于提供强制冷却介质流的装置。
对于本领域技术人员而言将明显的是，本发明的构思可以以多种方式来实施。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内改变。

Claims (13)

1.一种冷却式功率转换组件，包括：
第一室(100)；
第二室(200)，所述第二室(200)与所述第一室(100)至少部分地隔开；
至少一个第一类型装置(1)，所述至少一个第一类型装置(1)位于所述第一室(100)中；
至少一个第二类型装置(2)，所述至少一个第二类型装置(2)位于所述第二室(200)中；以及
冷却装置，所述冷却装置包括第一冷却元件(3)和第二冷却元件(4)，所述第一冷却元件(3)适于将热传递出所述第一室(100)，并且所述第一冷却元件(3)包括位于所述第一室(100)中的第一部分(31)和位于所述第一室(100)外部的第二部分(32)，所述第二冷却元件(4)适于将热传递出所述第二室(200)，并且所述第二冷却元件(4)包括位于所述第二室(200)中的第一部分(41)和位于所述第二室(200)外部的第二部分(42)，
其特征在于，所述第一冷却元件(3)与所述至少一个第一类型装置(1)直接接触，并且所述第二冷却元件(4)通过气态冷却介质与所述至少一个第二类型装置(2)传热连接。
2.根据权利要求1所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述冷却式功率转换组件包括壳体(6)，所述第一室(100)和所述第二室(200)位于所述壳体(6)内。
3.根据权利要求2所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述第一室(100)与所述第二室(200)定位成彼此相邻、并且通过分隔壁(62)至少部分地彼此隔开。
4.根据权利要求2或3所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述冷却式功率转换组件包括冷却通道(64)和冷却通道风扇装置(76)，所述冷却通道(64)延伸穿过所述壳体(6)，所述冷却通道风扇装置(76)用于提供所述冷却通道的第一端部(641)与所述冷却通道的第二端部(642)之间的冷却通道冷却介质流，所述第一冷却元件(3)的所述第二部分(32)位于所述冷却通道(64)中的第一位置处，所述第二冷却元件(4)的所述第二部分(42)位于所述冷却通道(64)中的在所述第一位置的上游的第二位置处。
5.根据权利要求1所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述冷却式功率转换组件包括第二室风扇装置(72)，所述第二室风扇装置(72)用于在所述第二室(200)内提供第二室冷却介质流，所述第二室冷却介质流适于增强从所述至少一个第二类型装置(2)至所述第二冷却元件(4)的所述第一部分(41)的热传递。
6.根据权利要求1所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述冷却式功率转换组件适于将电能从一种形式转换为另一种形式，并且所述至少一个第一类型装置(1)的热密度高于所述至少一个第二类型装置(2)的热密度。
7.根据权利要求6所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述至少一个第一类型装置(1)包括整流器单元的二极管模块(11)以及/或者逆变器单元的开关模块(12)。
8.根据权利要求6或7所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述至少一个第二类型装置(2)包括保护装置和/或连接装置，所述保护装置适于保护所述至少一个第一类型装置(1)，并且所述连接装置适于将所述至少一个第一类型装置(1)连接至电源和/或负载。
9.根据权利要求1所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述第一室(100)和所述第二室(200)是异物防护室。
10.根据权利要求1所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述第一冷却元件(3)包括热管或散热片，以及所述第二冷却元件(4)包括热管或散热片。
11.根据权利要求10所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述第一冷却元件(3)包括热虹吸管，以及/或者所述第二冷却元件(4)包括热虹吸管。
12.根据权利要求1所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述冷却式功率转换组件包括滤波器装置和第三室(300”)，所述第三室(300”)包括：第一子室(301”)；第二子室(302”)，所述第二子室(302”)与所述第一子室(301”)隔开；第三冷却元件(303”)，所述第三冷却元件(303”)适于将热从所述第二子室(302”)传递至所述第一子室(301”)；以及用于提供所述壳体(6”)的外部与所述第一子室(301”)之间的强制冷却介质流的装置，其中，所述滤波器装置的电感器组件(82”)位于所述第二子室(302”)中，并且所述第三冷却元件(303”)是空气至空气式冷却元件。
13.根据权利要求12所述的冷却式功率转换组件，其特征在于，所述冷却式功率转换组件包括用于提供在所述第一室(100”)与所述第二室(200”)之间循环的强制冷却介质流的装置，其中，所述滤波器装置的电容器组件(84”)位于所述第一室(100”)中，并且所述电容器组件(84”)适于通过在所述第一室(100”)与所述第二室(200”)之间循环的所述强制冷却介质流来冷却。
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