CN109845422B - 电屏蔽的直流链路汇流排 - Google Patents
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Abstract
一种屏蔽的直流链路(“DC链路”)汇流排包括中央平面元件，中央平面元件包括第一表面和与第一表面轴向相对的第二表面。屏蔽的DC链路汇流排还包括设置在第一表面上的第一传导薄层和设置在第二表面上的第二传导薄层。此外，第一传导薄层和第二传导薄层电联接。
Description
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2016年10月25日提交的第62/412,592号美国临时专利申请的权益，该申请由此通过引用以其整体并入。
技术领域
本文中公开的主题涉及一种用于功率电子系统的直流链路(“DC链路”)汇流排，且更具体地涉及一种用于包括快速开关功率逆变器的功率电子系统的电屏蔽的DC链路汇流排。
背景技术
至少一些DC链路用于大规模功率电子系统中以将电流从功率源传导到封壳内的系统。具体而言，一些DC链路汇流排用于将电流从电存储元件(诸如，电容器组)传导到容纳在机柜内的一个或多个功率逆变器。在机柜内，功率逆变器将直流转换成交流以用作电功率。
许多已知的功率逆变器包括快速开关半导体开关元件，诸如，碳化硅(“SiC”)半导体开关元件。这种半导体开关元件能够通过增加的开关频率降低开关损耗，且因此提供优于更常规的功率逆变器的优点。然而，快速开关功率逆变器的增加的开关频率和/或增加的转换速率可能导致较高频率噪声的产生，该噪声可能流到DC链路汇流排上，使许多常规的DC链路汇流排充当天线发射器。
发明内容
在一个方面，提供了一种屏蔽的直流链路(“DC链路”)汇流排。屏蔽的DC链路汇流排包括中央平面元件，中央平面元件包括第一表面和与第一表面轴向相对的第二表面。屏蔽的DC链路汇流排还包括设置在第一表面上的第一传导薄层和设置在第二表面上的第二传导薄层。此外，第一传导薄层和第二传导薄层电联接。
在另一方面，提供了一种功率转换系统。功率转换系统包括多个电容器、至少一个功率逆变器，以及屏蔽的DC链路汇流排，屏蔽的DC链路汇流排电联接到该多个电容器和该至少一个功率逆变器。屏蔽的DC链路汇流排包括中央平面元件，中央平面元件包括第一表面和与第一表面轴向相对的第二表面。屏蔽的DC链路汇流排还包括设置在第一表面上的第一传导薄层和设置在第二表面上的第二传导薄层。此外，第一传导薄层和第二传导薄层电联接。
在又一方面，提供了一种功率生成系统。功率生成系统包括功率源、多个电容器、至少一个功率逆变器，以及屏蔽的DC链路汇流排，屏蔽的DC链路汇流排电联接到功率源、该多个电容器和该至少一个功率逆变器。屏蔽的DC链路汇流排包括中央平面元件，中央平面元件包括第一表面和与第一表面轴向相对的第二表面。屏蔽的DC链路汇流排还包括设置在第一表面上的第一传导薄层和设置在第二表面上的第二传导薄层。此外，第一传导薄层和第二传导薄层电联接。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号代表附图各处相似的部分，其中：
图1是包括屏蔽的直流链路(“DC链路”)汇流排的示例性功率转换系统的透视图；
图2是容纳图1中示出的DC链路汇流排的机柜的内部的前视图；
图3是图1中示出的DC链路汇流排的分解图；
图4是图1中示出的DC链路汇流排的中央平面元件的分解图；
图5是图1中示出的DC链路汇流排的顶视图；以及
图6是容纳图1的DC链路汇流排的机柜的内部的前视图，其中DC链路汇流排电联接到机柜。
除非另外指示，否则本文中提供的附图意在示出本公开内容的实施例的特征。这些特征被认为可在多种系统中适用，这些系统包括本公开内容的一个或多个实施例。因而，附图不意在包括本文中公开的实施例的实施所需要的由本领域普通技术人员已知的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将对多个用语进行参照，其应限定成具有以下含意。
除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数参照。
“可选”或“可选地”意思是随后描述的事件或情形可能发生或可能不发生，且该描述包括事件发生的情况以及事件不发生的情况。
如本文中在说明书和权利要求书各处使用的那样，近似语言可适用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能方面改变的情况下变化的任何数量表达。因此，由一个或多个诸如“大约”和“大致”的用语修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情况下，近似语言可与用于测量值的仪器的精度对应。在这里以及说明书和权利要求书各处，范围限制可组合和/或互换，此类范围被确定且包括其中包含的所有子范围(除非上下文或语言另外指示)。
如本文中使用的那样，用语“薄层”、“层”和“片”描述任何宽的平坦的材料件，其包括(如下文描述的那样)宽、平坦、传导和绝缘的材料件。
虽然本文中大体上关于光伏阵列(“PV阵列”)进行描述，但本文中描述的系统可适用于任何类型的发电系统，包括例如太阳能发电系统、燃料电池、地热发电机、水力发电机和/或从可再生和/或不可再生能源生成功率的其他装置。
本公开内容的实施例涉及一种功率转换系统，其中直流从功率源(诸如，PV阵列)通过屏蔽的直流链路(“DC链路”)汇流排传输到快速开关功率逆变器，诸如碳化硅(“SiC”)功率逆变器。快速开关功率逆变器将直流电流转换成交流电流。然而，在该过程中生成高频噪声。该高频噪声流到DC链路汇流排上，在该处，高频噪声顺着缩短的路径返回到功率逆变器或分流到地线。因此，响应于流到DC链路汇流排上的高频交流的存在，阻碍DC链路汇流排作为天线辐射。此外，由DC链路汇流排生成的辐射由DC链路汇流排中包括的电屏蔽减弱。
图1是示例性电功率生成系统100的透视图。电功率生成系统100包括PV阵列102、电存储元件104、至少一个功率逆变器106、机柜108和DC链路汇流排110。电存储元件104、至少一个功率逆变器106、机柜108和DC链路汇流排110在本文中被称为功率转换系统116。
PV阵列102包括多个太阳能电池。因此，PV阵列102收集太阳能且使收集的太阳能转换成电能。确切地说，PV阵列102将太阳能转换成直流电流。
在示例性实施例中，电存储元件104包括多个电联接的电容器。例如，存储元件104是电容器组，其包括并联联接的多个电容器(下文参照图2进行描述)。电存储元件104电联接到PV阵列102。此外，由PV阵列102生成的直流被供应至电存储元件104，且作为电能存储在电存储元件104内。
功率逆变器106包括一组或多组快速开关半导体开关元件，诸如多组SiC开关元件112和114(或“开关元件”)，且通过开关元件112和114的开关动作将直流转换成交流。功率逆变器106通过DC链路汇流排110电联接到存储元件104。在操作期间，功率逆变器106生成高频交流或噪声(作为副产物)。功率逆变器106还在一个或多个输出端子(未示出)处联接到装置或系统(诸如，电网、马达或变速马达)，和/或接收交流电流且对交流电流进行操作的任何其他装置。
机柜108是用于电存储元件104、功率逆变器106和DC链路汇流排110的保护封壳。机柜108电接地，且由导电材料(诸如，特定的金属或若干金属的合金)构成。
图2是机柜108的内部201的前视图。如示出且如上文描述的那样，电存储元件104包括多个电容器，诸如，电容器202。虽然示出了三十个电容器202，但可设想任何合适数量的电容器且任何合适数量的电容器在该公开内容的范围内。例如，电容器的数量可取决于系统100的功率要求而变化。
电容器202通过DC链路汇流排110电联接到功率逆变器106。更具体地，电容器202联接到DC链路汇流排110，且DC链路汇流排110联接到功率逆变器106。因此，如下文更详细地描述的那样，直流电流通过电容器202放电且通过DC链路汇流排110流到功率逆变器106，在该处，直流电流转换成交流电流。
图3是DC链路汇流排110的分解图。在示例性实施例中，DC链路汇流排110包括中央平面元件302、第一传导薄层304、第二传导薄层306、第一绝缘薄层308和第二绝缘薄层310。如本文中描述的那样，第一传导薄层304和第二传导薄层306配置成用作电磁屏蔽且用于减弱由DC链路汇流排110生成的电磁辐射。此外，如本文中描述的那样，第一传导薄层304和第二传导薄层306提供路径，通过该路径，由功率逆变器106生成的交流能够返回到功率逆变器106。在一些实施例中，DC链路汇流排110不包括第一绝缘薄层308和/或第二绝缘薄层310。
图4是DC链路汇流排110的2级拓扑中央平面元件302的分解图。如示出的那样，中央平面元件302包括多个层或板。例如，中央平面元件302包括第一绝缘层402、联接到第一绝缘层402的第一传导层404、联接到第一传导层404的第二绝缘层406、联接到第二绝缘层406的第二传导层408，以及联接到第二传导层408的第三绝缘层410。该结构代表2级逆变器拓扑的布局，但可扩展到任何数量的级，诸如，例如，任何2+n级逆变器拓扑。换言之，可在交错或交插的布置(例如，按照与2级布置中相同的顺序)中增加任何数量(n)的传导层和任何数量(n)的绝缘层以扩展逆变器拓扑结构。
返回参照图3，中央平面元件302包括第一表面312和第二表面314。第一表面312与第二表面314轴向相对。此外，第一表面312是第一绝缘层402的表面。类似地，第二表面314是第三绝缘层410的表面。
第一传导薄层304和第二传导薄层306包括任何合适的传导材料，诸如，例如，铜材料或任何合适的铜合金。第一绝缘薄层308和第二绝缘薄层310包括任何合适的绝缘材料，诸如，例如，任何合适的塑料材料、任何合适的玻璃纤维材料或任何合适的玻璃环氧树脂材料。在示例性实施例中，第一传导薄层304电联接到第二传导薄层306，诸如，例如，通过穿过每个传导薄层304和306的一个或多个螺钉或螺栓。然而，设想到任何合适的电联接机构且其在该公开内容的范围内。
图5是DC链路汇流排110的顶视图。在示例性实施例中，DC链路汇流排110包括第一正输入端子502、第一负输入端子504、第二正输入端子506和第二负输入端子508。正输入端子和负输入端子502,504,506和508联接到功率源。例如，正输入端子502和负输入端子504联接到PV阵列102。类似地，正输入端子506和负输入端子508联接到另一功率源，诸如，另一PV阵列或电网电压。然而，在一些实施例中，不使用正输入端子506和负输入端子508。
DC链路汇流排110还包括多个正和负成对的电容器端子，诸如，例如，正和负成对的电容器端子510。虽然示出了三十对电容器端子对510，但设想到任何合适数量的电容器端子对且其在该公开内容的范围内。电容器端子对510还并联地电联接。另外，电容器端子对510联接到电容器202。
DC链路汇流排110还包括多对输出端子(或“激励端口”)，诸如，例如，成对的输出端子570和572。在示例性实施例中，每对输出端子570和572包括正端子和负端子。另外，虽然示出了十八对输出端子570和572，但设想到任何数量的输出端子对且其在该公开内容的范围内。此外，输出端子对570和572联接到功率逆变器106。
图6是机柜108的内部201的前视图，其中DC链路汇流排110电联接到机柜108。DC链路汇流排110包括第一接触垫598和第二接触垫599。接触垫598电联接到传导元件602，且接触垫599电联接到传导元件604。虽然示出了圆形接触垫598和599，但设想到任何合适的接触垫形状(诸如，跨过DC链路汇流排110的长度或边缘的矩形接触垫形状)且其在该公开内容的范围内。
如下文描述的那样，传导元件602和604还联接到机柜108，且用于将在DC链路汇流排110的第二传导薄层306上流动的交流传导到地线。在一些实施例中，传导元件602和604是传导的条带或传导的羊毛状物。此外，在一些实施例中，传导元件602和604是传导材料的织造或编织的条带。然而，传导元件602和604可包括任何合适的传导材料。
在操作中，且返回参照图3，DC链路汇流排110从PV阵列102接收直流电流。更具体地，直流电流从一个或多个输入端子(诸如，输入端子502-508中的一个或多个)流到DC链路汇流排110上。直流电流由中央平面元件302分配到电容器202中的每一个。例如，在示例性实施例中，直流电流由中央平面元件302的第二传导层408(其通过输入端子502和504电联接到PV阵列102)分配到电容器202中的每一个。
电容器202通过DC链路汇流排110向功率逆变器106放电。更具体地，直流电流从电容器202放电且通过电容器端子对510流入功率逆变器106中。例如，在示例性实施例中，直流电流通过电容器端子对510流入中央平面元件302的第一传导层404中且流入功率逆变器106中，功率逆变器106电联接到DC链路汇流排110的第一传导层404。
如上文描述的那样，功率逆变器106包括开关元件112和114且将直流电流转换成交流电流以用于功率生成和分配目的。然而，作为副产物，功率逆变器106产生高频交流电或噪声，高频交流电或噪声往回流到DC链路汇流排110上，在该处，高频交流电或噪声使DC链路汇流排110作为天线元件在电磁频谱中辐射。因此，功率逆变器106的开关元件112和114生成不需要的噪声作为副产物，其继而使DC链路汇流排110生成不需要的电磁辐射。
为了减小或减弱这种效果，对从功率逆变器106流到DC链路汇流排110上的交流提供通过DC链路汇流排110的第一传导薄层304和第二传导薄层306到逆变器106的返回路径。更具体地，如上文描述的那样，第一传导薄层304电联接到第二传导薄层306，诸如，通过每个薄层304和306之间延伸的传导螺栓。因此，从第一传导薄层304通过DC链路汇流排110流到第二传导薄层306的交流能够通过每个薄层304和306之间的电连接沿着缩短的路径流到第二传导薄层306。此外，当交流流到第二传导薄层306时，电流能够返回到功率逆变器106。确切地说，如上文描述的那样，第二传导薄层306联接到中央平面元件302的第一传导层404且与第一传导层404电接触，第一传导层404继而电联接到功率逆变器106。因此，交流从薄层304流到薄层306，从薄层306流到第一传导层404上，且最后从第一传导层404流到功率逆变器106中。
另外，不返回到功率逆变器106的在DC链路汇流排110上流动的交流流到DC链路汇流排110的第一传导薄层304和/或第二传导薄层306上，其中的任一者或两者(如上文描述的那样)通过到机柜108的一个或多个连接来电气接地。因此，从功率逆变器106流到DC链路汇流排110上的交流具有来自DC链路汇流排110的两个流出路径。第一路径通过薄层304和306到功率逆变器106，且第二路径通过薄层304和306且通过机柜108到地线。此外，由DC链路汇流排110生成的电磁辐射由第一传导薄层304和第二传导薄层306(其用作DC链路汇流排110的电屏蔽)减弱。
如上文描述的那样，功率转换系统的实施例便于将电功率从功率源(诸如，PV阵列)通过屏蔽的DC链路汇流排传输到功率逆变器。实施例还将高频交流引回到其源，且/或将高频交流通过容纳DC链路汇流排的机柜分流到地线。因此，由DC链路生成的电磁辐射减少，且由DC链路汇流排生成的辐射由DC链路汇流排中包括的传导薄层或屏蔽减弱。
本文中描述的功率转换系统的示例性技术效果包括例如：(a)将直流电从功率源通过屏蔽的DC链路汇流排(其通过机柜电气接地)传输至功率逆变器；以及(b)限制或减少由屏蔽的DC链路汇流排产生的电磁辐射。
上文详细地描述了功率转换系统和相关构件的示例性实施例。该系统不限于本文中描述的特定实施例，而相反，系统的构件和/或方法的步骤可与本文中描述的其他构件和/或步骤独立地且单独地使用。例如，本文中描述的构件的配置还可与其他过程组合使用，且不限于与如本文中描述的系统和相关方法一起实施。相反，示例性实施例可与期望电功率转换和发电的许多应用组合来实现和使用。
虽然本公开内容的各种实施例的特定特征可能在一些图中示出且未在其他图中示出，但这仅是为了方便。根据本公开内容的原理，图的任何特征可与任何其他图的任何特征组合进行参照和/或要求享有权益。
该书面描述使用示例来公开本公开内容的实施例(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本公开内容，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本文中描述的实施例的可申请专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他实施例具有不与权利要求书的字面语言不同的结构元件，或如果它们包括带有与权利要求书的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这样的其他示例在权利要求书的范围内。
Claims (18)
1.一种屏蔽的直流链路(“DC链路”)汇流排，其包括：
包括第一表面和第二表面的中央平面元件，所述第一表面与所述第二表面轴向相对；
设置在所述第一表面上的第一传导薄层；以及
设置在所述第二表面上的第二传导薄层，其中所述第一传导薄层和所述第二传导薄层电联接，其中，所述中央平面元件包括第一绝缘层、联接到所述第一绝缘层的第一传导层、联接到所述第一传导层的第二绝缘层、联接到所述第二绝缘层的第二传导层，以及联接到所述第二传导层的第三绝缘层。
2.根据权利要求1所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述中央平面元件包括与多个传导层交插的多个绝缘层。
3.根据权利要求1所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述屏蔽的DC链路汇流排还包括设置在所述第一传导薄层上的第一绝缘薄层。
4.根据权利要求1所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述屏蔽的DC链路汇流排还包括设置在所述第二传导薄层上的第二绝缘薄层。
5.根据权利要求1所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述屏蔽的DC链路汇流排还包括多对输入和输出端子，其中所述多对输入和输出端子配置成电联接到至少一个功率逆变器。
6.根据权利要求5所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述多对输出端子包括多对正端子和负端子。
7.根据权利要求1所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述屏蔽的DC链路汇流排还包括多对电容器端子，其中所述多对电容器端子中的每一对配置成电联接到多个电容器中的一个。
8.根据权利要求7所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述多对电容器端子以并联和串联中的至少一种电联接。
9.根据权利要求1所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述第一传导薄层包括铜薄层。
10.根据权利要求1所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述第二传导薄层包括铜薄层。
11.根据权利要求1所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述第一传导薄层与所述第一表面电接触。
12.根据权利要求1所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述第二传导薄层与所述第二表面电接触。
13.根据权利要求1所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述屏蔽的DC链路汇流排还包括传导元件，其配置成将所述DC链路电联接到地线。
14.根据权利要求13所述的屏蔽的DC链路汇流排，其特征在于，所述传导元件配置成电联接到容纳所述DC链路的机柜。
15.一种功率转换系统，其包括：
多个电容器；
至少一个功率逆变器；以及
根据权利要求1-14中任一项所述的屏蔽的直流链路(“DC链路”)汇流排，其电联接到所述多个电容器和所述至少一个功率逆变器。
16.根据权利要求15所述的功率转换系统，其特征在于，所述功率转换系统还包括设置在所述第一传导薄层上的第一绝缘薄层。
17.根据权利要求15所述的功率转换系统，其特征在于，所述功率转换系统还包括设置在所述第二传导薄层上的第二绝缘薄层。
18.一种功率生成系统，其包括：
功率源；
多个电容器；
至少一个功率逆变器；以及
根据权利要求1-14中任一项所述的屏蔽的直流链路(“DC链路”)汇流排，其电联接到所述功率源、所述多个电容器和所述至少一个功率逆变器。
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