CN111262452A - 用于高速机器应用的高频中压驱动系统 - Google Patents

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Abstract

一方面，一种中压功率转换器包括多个片段，每个具有：变压器，其包括：多个初级绕组以联接到输入功率的公用电源，以及多个次级绕组；以及联接到多个次级绕组的多个供电柜，多个供电柜中的每个包括低频前端级、DC链路和高频碳化硅(SiC)逆变器级，以联接到频率负载或高速机器。

Description

用于高速机器应用的高频中压驱动系统
本发明是以政府支持在由能源部授予的批准号DE-EE0007254下完成的。政府对本发明有一定权利。
背景技术
典型的中压(MV)功率转换器或所谓的驱动系统由基于硅的拓扑结构(topology)形成。此系统不能满足为改善整体系统性能和成本由各个行业要求的高级要求。特定的系统挑战包括比当前可用的(例如，直至1000赫兹(Hz)用于直接驱动应用)高性能MV驱动器更高的基本频率操作，以处理中等功率范围(例如，直至20兆瓦(MW))内的功率需求，转换器系统整体效率好于97％，并降低了体积功率密度和占用空间，以改善系统功率密度和成本。当前的系统不能够进行此操作。
相反，基于硅装置的传统的多兆瓦和多级中压功率转换器技术在0-120Hz的基本频率、600Hz开关和直至95％的效率范围内操作。由于较高的开关损耗会导致系统刚性降额、急剧的系统效率和功率密度降低，因此禁止在较高的基础频率下操作。
发明内容
一方面，一种中压功率转换器包括多个片段(slice，有时也称为位片)，每个具有：变压器，其包括：联接到输入功率的公用电源的多个初级绕组，以及多个次级绕组；以及联接到多个次级绕组的多个供电柜(power cube)，多个供电柜中的每个包括低频前端级、DC链路和高频碳化硅(SiC)逆变器级，以联接到高频负载或高速机器。
在一个实施例中，中压功率转换器还包括一个或多个传感器，其联接到中压功率转换器的输入以获得传感器信息。中压功率转换器还可包括断路器系统，该断路器系统联接在输入功率的公用电源和中压功率转换器之间。断路器系统可至少部分地基于传感器信息来主动地将中压功率转换器与输入功率的公用电源连接或断开。中压功率转换器还可包括电网接口控制器和公用电网系统，所述电网接口控制器存储并提供对联接到高速机械负载的高速电机的支持功能。高频负载可为高速机器，以在500-1000赫兹之间的频率下操作，在其处输入功率的公用电源在50/60赫兹的频率下操作。低频前端级可为基于SiC的主动前端级。多个供电柜中的每个均包括具有朝供电柜的第一面移位的多个AC汇流条的封壳。DC链路的DC总线可具有朝供电柜的第二面移位的叠层构造，该叠层构造具有第一水平部分，该第一水平部分具有直接穿过其形成的栅极驱动器开口。DC总线还可包括从第一水平部分垂直偏移的第二水平部分。第二水平部分可联接到多个电容器，其可具有大约在7.6-11.4毫法拉之间的量级的电容。第一水平部分可包括：多个AC总线间隙，通过所述多个AC总线间隙多个AC总线可联接到至少一个SiC装置；以及多个栅极驱动器接口，通过该多个栅极驱动器接口，适配用于栅极驱动信号的通信的互连件(interconnect)。
另一方面，一种中压功率转换器包括：多个片段，每个具有变压器，该变压器包括联接到第一频率下的公用设施的公共联接点的多个初级绕组和分别联接到片段的多个供电柜中的每个的多个次级绕组，多个供电柜中的每个包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)主动前端级、DC链路和SiC后端级以联接到第二频率下的负载，第二频率大于第一频率。
在一个实施例中，当存在电源而不是负载时，SiC后端级可操作为整流器(rectifier)，且IGBT主动前端级可操纵为逆变器(inverter)，以使产生的功率能够通过公共联接点提供给公用设施。中压功率转换器还可包括控制器，当公用设施是电源时，该控制器引起SiC后端级操作为驱动器，且引起IGBT主动前端级操作为整流器。
另一方面，一种用于中压功率转换器的变压器包括：适配在第一柱(column)和第二柱之间的多个芯柱(core leg)，多个芯柱中的每个具有：围绕对应芯柱适配的一组初级绕组；以及围绕一组初级绕组适配的次级绕组。
在一个实施例中，多个芯柱中的每个与三相功率的相位相关联。用于第一芯柱的一组初级绕组可并联连接。在一个实施例中，围绕第一芯柱适配的一组初级绕组周围适配的第一组次级绕组中的每个联接到第一供电柜中的一个，第一供电柜包括低频前端级、DC链路和高频后端级，第二供电柜包括低频前端级、DC链路和高频后端级，并且第三供电柜包括低频前端级、DC链路和高频后端级；围绕第二芯柱适配的一组初级绕组周围适配的第二组次级绕组中的每个联接到第一供电柜、第二供电柜和第三供电柜中的一个；并且围绕第三芯柱适配的一组初级绕组周围适配的三组次级绕组中的每个联接到第一供电柜、第二供电柜和第三供电柜中的一个。
在一个实施例中，多个次级绕组向多个供电柜提供平衡阻抗。一组初级绕组中的每个可与一组初级绕组中的另一个间隔开至少两英寸的第一间隔距离，以提供彼此断开。多个次级绕组向多个供电柜提供一定量的平衡阻抗，以确保控制稳定性。一组初级绕组中的每个可与一组次级绕组间隔至少半英寸的第二间隔距离。
另一方面，一种中压功率转换器，包括：机柜，其具有：用于容纳多个供电柜的供电柜舱，多个供电柜中的每个都适配在对应的封壳内并且包括低频前端级、DC链路和高频后端级，多个供电柜联接到高速机器；以及多个第一屏障，其适于隔离并引导第一冷却空气流通过多个供电柜中的一个；以及变压器舱，其具有至少一个变压器以联接在公用连接与多个供电柜之间，变压器舱包括多个冷却风扇以冷却至少一个变压器。
在一个实施例中，机柜包括：至少一个第一开口，用于将第一冷却空气流的从变压器舱转移到供电柜舱；以及至少一个第二开口，以将离开多个供电柜的空气流从供电柜舱引导至变压器舱。多个冷却风扇可排出离开的空气流。机柜可包括可穿透部件，以使来自周围环境的第二冷却空气流能够经由多个冷却风扇引导通过至少一个变压器。机柜可实现为密封的封壳。在一个示例中，变压器舱将是空气冷却的，且供电柜舱将是液体冷却的。供电柜舱可与变压器舱隔离。
在一个实施例中，供电柜舱包括：用于从第一冷却空气流中移除热量的热交换器；能够使第一冷却空气流引导通过多个供电柜的第一开口；以及用于将加热的空气流从多个供电柜引导至热交换器的第二开口。
另一方面，一种系统包括一个或多个中压功率转换器，其中每个可包括第一机柜(cabinet)，该第一机柜具有：容纳多个供电柜的供电柜舱，多个供电柜中的每个适配在对应封壳内，并且包括低频前端级、DC链路和高频后端级，多个供电柜联接到高速机器；变压器舱，其具有至少一个变压器，以联接在公用连接和多个供电柜之间。变压器舱可包括多个冷却风扇，以冷却至少一个变压器。至少一个变压器可包括：多个芯柱，其适配在第一柱和第二柱之间，在其处：第一芯柱具有围绕其适配的多个第一冷板，围绕多个第一冷板适配的第一组初级绕组，以及围绕第一组初级绕组适配的第一组次级绕组；第二芯柱具有围绕其适配的多个第二冷板、围绕多个第二冷板适配的第二组初级绕组，以及围绕第二组初级绕组适配的第二组次级绕组；第三芯柱具有围绕其适配的多个第三冷板、围绕多个第三冷板适配的第三组初级绕组，以及围绕第三组初级绕组适配的第三组次级绕组。
在一个实施例中，该系统还包括：围绕第一柱的至少一部分适配的第一冷板；以及围绕第二柱的至少一部分适配的第二冷板。第一机柜可相对于周围环境密封，其中在变压器舱和供电柜舱之间设有至少一个第一开口，以提供从变压器舱到供电柜舱的第一冷却空气流，并且在变压器舱和供电柜舱之间设有一个第二开口，以提供从供电柜舱到变压器舱的排气流。
在一个示例中，该系统还包括多个第一屏障，其适于隔离并引导第一冷却空气流通过多个供电柜中的一个。该系统还可包括：第一两相冷却系统，其经由多个第一、第二和第三冷板来冷却至少一个变压器；以及第二两相冷却系统，其至少冷却多个供电柜的低频前端级和高频后端级。
在另一个实施例中，一种设备包括具有中压功率转换器的机柜。机柜可包括：用于容纳多个供电柜的供电柜舱，多个供电柜中的每个都适配在对应的封壳内，并且包括前端级、DC链路和后端级；多个第一屏障，其适于隔离并引导冷却空气流通过多个供电柜中的一个；以及变压器舱，其具有至少一个变压器，以联接在公用连接和多个供电柜之间。变压器舱可包括：多个冷却风扇，以引导冷却空气流，机柜包括至少一个第一开口，用于将冷却空气流从变压器舱引导至供电柜舱，以及至少一个第二开口，用于将离开多个供电柜的空气流从供电柜舱引导至变压器舱。
在一个实施例中，该设备还包括：多个第一冷板，其围绕至少一个变压器的第一芯柱适配，并且插入第一芯柱与围绕第一芯柱适配的第一组初级绕组之间；多个第二冷板，其围绕至少一个变压器的第二芯柱适配，并且插入第二芯柱与围绕第二芯柱适配的第二组初级绕组之间；以及多个第三冷板，其围绕至少一个变压器的第三芯柱适配，并且插入第三芯柱和围绕第三芯柱适配的第三组初级绕组之间。
在一个实施例中，该设备还可包括：第一冷板，其围绕至少一个变压器的第一柱的至少一部分适配；以及第二冷板，其围绕至少一个变压器的第二柱的至少一部分适配。该设备还可包括：第一两相冷却系统，其经由多个第一、第二和第三冷板来冷却至少一个变压器；以及第二两相冷却系统，其用于冷却至少多个供电柜。机柜可为密封的封壳。该设备还可包括适配在变压器舱内的多个电抗器(reactor，有时也称为反应器)，多个电抗器中的每个联接在至少一个变压器和多个供电柜中的对应一个之间。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的高速功率转换环境的示意图。
图2A是根据本发明的一个实施例的代表性的基于SiC的模块化功率构建块的示意图。
图2B是根据本发明的一个实施例的供电柜的示意图。
图2C是根据本发明的另一个实施例的供电柜的示意图。
图3是根据本发明的另一个实施例的模块化多兆瓦功率转换器系统的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的接口电路的框图。
图5是根据一个实施例的功率转换机柜的侧视图。
图6是根据另一实施例的功率转换机柜的侧视图。
图7是根据本发明的又另一个实施例的功率转换机柜的侧视图。
图8A是根据本发明的一个实施例的用于变压器的冷却布置的细节的框图。
图8B是变压器的后视图，其进一步示出了根据本发明的一个实施例的冷却布置。
图8C是变压器柱的横截面视图，其进一步示出了根据本发明的一个实施例的冷却布置。
图8D是根据本发明的一个实施例的变压器的图示。
图8E是根据本发明的一个实施例的变压器连接的示意图。
图9是根据本发明的一个实施例的片段变压器效率曲线的图形说明图。
图10是根据本发明的另一实施例的片段布置的图形说明。
图11是根据一个实施例的全基于SiC的供电柜的图形说明。
图12是根据一个实施例的DC总线装置的图形说明。
图13是根据一个实施例的具有断开的AC和DC总线的布置。
具体实施方式
在各个实施例中，可利用基于宽带隙(WBG)的中压(MV)功率转换器来实现高速和频率模块化中压驱动系统。此功率转换器能够实现高速机器驱动系统。在某些系统中，基于WBG的MV功率转换器和高速感应电机可联接在一起以提供双向功率传输能力。功率传输发生在公用电网和机械负载之间。在其它实施例中，功率转换器系统可连接至可用作源的电负载或其它高速负载，使得该系统可在适当的电压和电流下将收集到的能量传输至公用配电网。
系统构造可基于全WBG装置，如用于高效系统的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或用于低成本应用的基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的系统，在其处系统降额(de-rating)是允许的，并且最小系统功率密度和占用空间不是限制性的。在另一个实施例中，可使用混合功率拓扑结构(例如，IGBT和SiC功率MOSFET组合)用于简化电气开关要求或用于低成本考虑，同时保持可接受的整体系统性能。
现在参考图1，示出了根据本发明的一个实施例的功率转换环境的示意图。更具体地，如图1中所示，功率转换环境100以具有如上所述的混合转换器配置的高速和频率模块化中压驱动系统来实现。在图1中所示的实施例中，驱动系统115通过断路器系统105经由公共联接点(PCC)连接来联接到公用配电网(取决于国家，其可以以50或60Hz的频率操作)。例如，驱动系统115又联接到高速机器140，该高速机器140又可联接到高速机械负载。
驱动系统115可在一个或多个机柜中实现。在一个实施例中，驱动系统115可实现为具有4160伏(V)的标称电压并且可在500-1000赫兹(Hz)之间操作的1.8-2.3MVA高频变速驱动器。如所示，驱动系统115可包括具有单个电源控制器的多片段布置，在其处驻留有转换器系统控制器，并且3个片段实现为子系统120。在图1的高级视图中，注意子系统120由包括混合技术的片段形成，即由IGBT形成的前端和由SiC形成的后端，导致了混合拓扑结构。如本文所使用的，用语“片段”用于指包括至少一个变压器和包括半导体开关装置的多个所谓的供电柜的功率转换系统的一部分。因此，基于片段的系统联接在可以以第一低频操作的电网连接和可以以第二高频操作的负载连接之间。并且如本文所述，取决于给定的系统实施方式和控制配置，通过片段的功率流的方向可为双向的。注意，如本文所使用的，用语“低频”旨在指公用设施(utility)的频率，通常小于100Hz，并且更具体地为50或60Hz。并且如本文中所使用的，用语“高频”旨在指在实质上大于公用设施频率的频率下的操作。例如，如本文中的功率转换器的代表性使用情况可联接至大约500Hz-1000Hz之间的高频负载。
虽然在图1中以混合拓扑结构示出，理解的是，在其它实施方式中，可能存在全基于WBG的拓扑结构。利用相关的电子设备，驱动系统115的此布置在本文中也称为模块化功率构建块(MPBB)。给定的MPBB和片段的详细信息将在下面进一步描述。如所见，子系统120在经由真空接触器VC1从公用配电网的输入与瞬态电压抑制(TVS)保护D1之间联接。子系统120的输出又经由三相单屏蔽电力线缆129联接到容纳电机145的另一个封壳140。
参考图1的图示中所示的更多细节，驱动系统115还包括通过光纤链路联接到子系统120的远程冷却单元123。另外，高压反馈板(HVF)122联接在至子系统120的输入与其输出之间。HVF 122进一步联接到主系统控制板(MSCB)124，其又联接到系统可编程逻辑控制器(PLC)126。如所示，系统PLC 126进一步联接到光纤到RS232转换器128以提供光纤接口。另外，HVF 122联接到接收器125。通信块128和125提供了光纤实施方式，以最小化对可变频率速度驱动系统115和高速机器140之间的本地命令通信信号的等待时间和噪声影响。系统控制器MSCB 124处理从HVF 122、系统PLC 126和接收器125接收的控制信号。系统控制器MSCB124经由系统PLC 126将产生的动作传输到系统的其余部分，并且将电压命令参考传输至子系统120，用于空间矢量脉宽调制(SVPWM)和扩展载波PWM开关调制实施方式。
仍然参看图1，还示出了高速机器140的细节。如所示，在一个实施例中，高速机器140可额定为4160V和15000RPM，或在更高的电压和速度下的其它额定值。高速机器140包括电机145，其通过屏蔽电力线缆129接收三相功率。可通过包括RTD 143的各种构件来进行有关电机145的参数的测量，这些输出可经由RTD到光纤转换器142、加速度计152、接近度探针154和键相器(key phasor)156通过光纤链路发送。如所示，这些构件可与控制器、即电网接口控制器160通信，其进一步经由光纤接口联接到驱动系统115的系统PLC 126。在一个优选实施例中，电网接口控制器160位于MPBB 115内，并为高速机器140、高速机械负载控制器165和电网系统管理器170提供高级支持功能。此外，电网接口控制器160通过存储和处理互连信息，例如高级支持功能算法，来提供本地智能能力。
如进一步看到的，高速机器140还包括电源141，其可被配置为120 VAC/24 VDC电源，该电源依次为发射器144和可联接至机械负载的编码器146供电。尽管在图1的实施例中以此高水平示出，但是许多变型和备选方案是可能的。
现在参看图2A，示出了代表性的基于SiC的模块化功率构建块(MPBB)200的示意图。在典型的实施方式中，可通过具有多个MPBB的驱动系统来提供模块化。然而为了便于图示，在图2A中仅示出了单个MPBB。在实施例中，MPBB 200可实现在一个或多个模块化壳体中，例如，多个机柜封壳。参看MPBB 200，存在多个片段2251-2253。在一个示例模块化实施方式中，每个片段225可在其自己的片段机柜中实施。另外，尽管为了便于图示在图2中未示出，理解的是，MPBB还可包括用于容纳电源控制器(mains controller)及其相关的电子电路的另一机柜，如在图1的高级视图中所示。
如所见，每个片段225包括变压器2301-2303。每个变压器都是三相变压器，其可具有以WYE配置的形式的初级配置，和以DELTA配置的次级配置。更具体地，每个变压器230包括多个变压器腿(每个变压器三个腿)，其可适配在一对变压器柱之间。每个变压器腿具有在输入端并联连接的3个WYE输入绕组配置(等效于WYE)，以及输出端处的3个隔离的DELTA绕组配置。对于三个变压器2301-2303，所有9个WYE初级配置都在输入(GRID)处并联连接。如所示，变压器230的次级绕组继而联接到对应的供电柜240A1-240C3。如本文中所使用的，用语“供电柜”是指包括半导体装置的电子模块，其接收开关信号以执行整流和反相操作以调节输入功率的流动，包括将第一频率的输入功率转换为第二频率的输出调节功率。取决于功率流的方向，第一频率可高于第二频率，或反之亦然。
在图2A的高级视图中，并且如图2B的示意图中更具体地示出的，在一个实施方式中，多个供电柜2401,a-c-2403,a-c中的每个都实现为包括以下的全SiC供电柜：由多个SiC开关装置形成的主动前端(AFE)转换器242、实现成带有电容C1的DC总线以及实现成带有其它多个SiC开关装置的H桥转换器级244。注意，当功率在图2B的框图中从左向右流动时，则构件242是整流器，且构件244是逆变器。当功率从右向左流动时，则构件242充当逆变器，并且构件244充当整流器。AFE表示级已受到主动控制。在该实施例中，SiC装置的开关频率设置在4和12kHz之间，然而可取决于各种操作要求(例如，两相冷板热能力极限)和期望的性能目标(例如，DC总线调节控制稳定性)使用其它开关频率。例如，在发电操作模式期间(在供电柜240上从右到左)，所命令的有功功率(active power)取自在740VAC下操作的单相AC侧，并由功率转换器级244使用PWM控制方案进行处理。使用SVPWM控制方案，此功率由功率级242通过在1000VDC下调节的DC链路电容器组C1传输，并且此功率沉积在600V下的三相AC侧。所收集的系统功率能量通过断路器系统105传输到电网，该断路器系统由在电网接口控制器160上执行的控制动作命令。在运转(motoring)操作期间，有功功率按照上述相反的控制过程从左向右流动。在其操作模式期间，可使用在MSCB 124上实现的速度控制算法来控制高速机器系统140。
在图2C的实施方式中，以示意形式示出了供电柜的一个备选实施例。这里，供电柜240'实现为具有混合拓扑结构，其具有由IGBT形成的前端246、表示为电容C1的DC总线、以及实现为具有SiC的后端级248。与以上论述一样，取决于功率流的方向，前端级246和后端级248中的任一个可用作逆变器或整流器。在该实施例中，将前端开关频率设置在2kHz和6kHz之间，并且将后端开关频率设置在6kHz和12kHz之间，然而取决于各种操作要求和期望的性能目标，可使用其它开关频率。供电柜240'的功率拓扑结构的主要优点可为具有成本竞争力的系统实施方式。后端级248可利用基于SiC的装置(例如1700V SiC功率MOSFET)，且前端级246可使用低成本的基于Si的装置(例如1700V IGBT)来实现。
现在参看图3，示出了根据本发明的另一个实施例的系统的示意图。如图3中所示，系统300实施为多兆瓦级功率转换器系统310。更具体地，代表性的功率转换器310实施为可伸缩的多兆瓦全基于SiC的功率转换器，其实施为具有多个模块化驱动器封壳3151-315n或SiC MPBB，其分别包括多片段驱动系统3201-320n。每个MPBB 315包括多片段驱动系统320和电源机柜(系统控制器、输出/输入传感器、输入/输出AC连接)。形成给定电源转换器的MPBB的数量是基于功率要求的特定设计。
如所示，功率转换器310联接到可提供在13.8千伏(kV)下的三相功率的电网302。如所见，功率转换器310通过PCC联接到电网302。功率转换器310又可联接到各种负载，包括可联接到高速机械负载的高速机器340或另一电机系统(未示出)。如所示，在所示的实施例中，对于其它高速机器系统实施方式，每个功率转换器310可在给定频率下(例如，在500-1000Hz之间)以4.16kV或以更高额定电压输出三相功率。
参照代表性的功率转换系统310，通过断路器系统305将输入功率提供给给定的驱动器封壳315的输入。在一个示例实施例中，可在74安培(A)下提供这种进入功率。并且在一个实施例中，包括一组片段的每个MPBB 315可在350A下输出功率。在图3中所示的高级视图中，每个MPBB 315可在至片段的输入处包括如上所论述的图1中的构件，包括真空接触器、TSV二极管。
如进一步所示，可分别在片段的输入和输出处提供传感器3121A和3121B。在一个实施例中，此传感器可包括用于13.8kV/4.16kV MPBB系统的100A和500LEM传感器，以提供关于片段的操作的信息并实现系统保护和电网连接。更具体地，基于感测信息，在公用设施侧处联接的用于电网连接的断路器系统305可在系统控制下响应转换器命令，以在正常系统操作期间或系统故障事件期间维持从电网302连接或断开的功率转换器310。注意，在实施例中，诸如传感器312的传感器可如所示位于本地，或位于远程，以从电网侧提供包括电压、电流和频率的信息。
以此方式，由一个或多个MPBB形成的驱动系统可联接在电网连接和高频负载之间。例如，MPBB的输入可联接到以60 Hz、13.8 kV以三相操作的电网连接，并且MPBB的输出向高频负载提供输出功率，该高频负载可例如在500 Hz、4.16 kV和三相下操作。相反，MPBB可将例如以500Hz、4.16kV三相操作的高频发生器联接到以60Hz、13.8kV的三相电网连接。
在一个实施例中，可实现光纤SiC栅极驱动器接口，以增强系统抗噪声能力并提供本地控制信号管理。其可适用于任何商业或定制的双基于SiC装置解决方案。在一个实施例中，该接口可适配在可直接位于装置栅极驱动器的顶部上的电路板上，以最小化信号对接期间的电感联接。FPGA板载芯片可用于本地实现智能特征，以提高SiC装置的性能并简化该对象内的封装。由于SiC系统的高电噪声环境，可减轻控制器和半桥栅极驱动器之间的控制和状态信号校正。单工光纤(simplex fiber optic)可用于将半桥开关状态和栅极驱动器板控制从控制器传送到栅极驱动器。单工光纤可用于将故障状态和SiC MOSFET温度从半桥栅极驱动器传输到控制器。对于每个半桥栅极驱动器都可使用隔离电源，以最小化各个半桥控制之间的接地环路。
现在参看图4，示出了根据本发明的一个实施例的接口电路的框图。更具体地，如图4中所示，接口电路400可实现成带有光纤SiC栅极驱动器接口，以提供对如本文所述的片段的各种开关构件的控制。
如所示，接口电路400包括柜控制器410，其可例如基于反馈状态信息以及从更高级控制器(例如，片段控制器，为了便于图示，在图4中未示出)接收的控制信息来生成各种控制和开关信号。柜控制器410示为联接到多个接口4201-420n。如关于代表性接口4201所见，包括有DC/DC电源425，该DC/DC电源425向栅极驱动光纤接口(GDFI)光纤接口控制器430提供功率，继而又联接到通用SiC栅极驱动器435。此栅极驱动器继而又可联接到半桥SiC或IGBT模块440。注意，SiC/IGBT本身不存在于接口420上，并且它们联接在接口板下方且直接在冷板上，如下文进一步描述。如所示，柜控制器410可与控制器430光纤传送各种信息，其包括栅极状态和控制信号。同样通过光纤通信，IGBT和驱动器状态可传送回柜控制器410(总的来说，这些双向信号示为信号450)。铜互连可用于提供控制器430和栅极驱动器435之间的通信。
尽管实施例在这方面不受限制，但是通过使用光纤通信，可在柜控制器410和接口控制器430之间实现大约0.1-50米之间的距离。并且利用在接口控制器430和栅极驱动器435之间的铜联接，可维持相对小的距离(例如1.5英寸)。
实施例可以以不同的方式提供变压器和逆变器的冷却。在某些情况下，如在给定的片段机柜中实施的两个区段都可进行空气冷却。并且变压器和逆变器区段中的一个或多个可通过两相冷却系统进行液体冷却。
在各种实施例中，电力变压器的冷却构造可提供用于改善的散热。变压器和供电柜可通过空气冷却来增强散热传递(利用机械屏障)。无论整体冷却是空气冷却还是液体冷却，都应理解主要半导体(即，所有SiC和IGBT)构件的内部供电柜冷却可使用两相冷却来完成。
现在参看图5，示出了根据一个实施例的功率转换机柜的侧视图。请注意，机柜500是片段机柜(具有单个变压器和3个供电柜)。理解的是，在一个实施例中，MPBB制造成具有如图2中所限定的3个机柜片段。如图5的横截面视图中所示，机柜500包括变压器区段510和逆变器区段550。如所示，变压器区段510包括具有多个变压器腿5151-5153的变压器515。在该设计中，进入的空气可例如经由机柜500的前部上的格栅或其它可穿透构件来接收。如所见，进入的气流通过多个冷却风扇5201-5203引导通过变压器腿515，所述风扇通过机柜500的后部排出空气。分离柜和变压器区段的机械屏障可实现为由GPO-3聚酯材料形成的水平屏障。如所示，该屏障在568和570处具有开口。
额外的空气继而又经由一个或多个开口568从变压器区段510引导至逆变器区段550，在此处该空气穿过多个供电柜5601-5603。注意的是，在实施例中，例如由GPO-3聚酯材料形成的机械屏障5650-5653迫使空气流从开口568经过供电柜5601-5603，用于适当的系统冷却动作。以此方式，每个供电柜都接收新鲜空气的方向用于冷却，所述新鲜空气然后从柜560的后部排出，并且并通过一个或多个开口570向下排回到变压器区段510中。通过这些机构，提供了空气循环，在其处该空气通过风扇520引出。因此，变压器腿515和供电柜560从外部接收新鲜空气，并且空气在机柜的背面排出。
现在参考图6，示出了根据另一实施例的功率转换机柜的侧视图图表。如图6的横截面视图中所示，机柜600包括变压器区段610和逆变器区段650。如所示，变压器615具有多个变压器腿6151-6153。在此设计中，可例如经由机柜600的前部上的格栅来接收进入的空气。如所见，进入的气流通过多个冷却风扇6201-6203引导通过变压器腿615，所述风扇通过机柜600的后部排出空气。如图6中所示，可以以与以上关于图5所论述的相同的方式对变压器区段610进行空气冷却。然而，与图5的实施例相反，图6提供了其中逆变器区段650被液体冷却的布置。因此，逆变器区段650可相对于变压器区段610保持密封，从而不与变压器区段610进行空气交换。
如进一步所示，可经由冷却区段680提供对逆变器区段650的冷却，该冷却区段680以密封方式使用两相冷却为逆变器区段650提供液体冷却剂流。为了增强供电柜散热，可使两相液体通过外部联接到机柜600的热交换器进行循环。通过在逆变器区段650内提供的冷却风扇670，空气可贯穿逆变器区段650再循环。在一些实施例中，为了实现这种用于逆变器区段650内的液体冷却的能力，可提供具有凸出区段的扩展机柜。屏障6650-6653进一步引导由冷却风扇670产生的冷却空气流通过供电柜6601-6603。
在又另一个实施例中，如图7中所示，变压器和供电柜二者都进行2相液体冷却，以最大化片段散热传递。现在参看图7，示出了根据又另一个实施例的功率转换机柜的侧视图。如图7的横截面视图中所示，机柜700包括变压器区段710和逆变器区段750。如所示，变压器715包括多个变压器腿7151-7153。注意的是，机柜700与外界空气密封，但是在变压器区段710和逆变器区段750之间通过开口768和770进行空气交换。在一个实施例中，热交换器790安装在变压器区段710和内部风扇720之间，以保持空气通过变压器线圈和供电柜的循环。除了热交换器790之外，一个或多个冷却板也可直接位于变压器芯上。因此，如图7中所示，冷却板796,798可适配于变压器715的前部和后部。如图7的高级视图中所示，热交换器790可包括冷却剂端口792,794，以引导冷却剂流通过热交换器790。通过经由开口770提供的冷却空气的方向对逆变器区段750进行类似的冷却使得能够冷却相应的供电柜760，其中加热的空气经由开口768流回变压器区段710。屏障7650-7653进一步将由冷却风扇720产生的冷却空气流引导通过供电柜760。
在又其它实施例中，可通过提供位于变压器芯面上的冷板来实现对变压器的额外冷却。在一个实施例中，每个芯柱可与2至4个之间具有例如6英寸的宽度的冷板相关联。为了增强变压器芯的热传递，可在前和后的芯变压器面上分别放置额外的冷板，即适配于变压器柱。因此，在图8A的图示中，示出了用于变压器的冷却布置的细节。如图8A的侧视图810中所示，示出了变压器腿(transformer leg)8151-8153。冷板820适配于变压器柱811,812的前侧和后侧，其包括端口822,824以引导液体冷却剂流。另外，存在多个冷板8401-8406。如所见，每个冷板840可安装在芯柱的顶部和底部上，并且每个可包括各自的冷却剂端口842以提供液体冷却剂流。如在图8A中进一步示出的，在不同的变压器绕组和冷板之间可能存在绝缘和空气通道。
仍然参看图8A，示出了变压器815的绕组的布置。更具体地，变压器815包括分开的绕组结构，其中为每个变压器腿815提供多个分开的初级和次级绕组二者。在图8A中所示的视图中，示出了用于变压器腿8151的三个分开的初级绕组8161-8163。并且多个次级绕组8181-8183中的相应一个直接缠绕在初级绕组816中的每个上。下面描述关于这种并排或分开的绕组布置的更多细节。
图8B和8C进一步示出了液体冷却布局。具体地，图8B示出了变压器815的后视图，在其中冷板820适配到变压器的该后侧。注意的是，对应的冷板也可安装在变压器的前侧上。进一步示出了冷却剂端口822,824。并且图8C示出了变压器柱的横截面视图，其进一步示出了可适配于芯柱815的对应侧上的冷板。并注意，以芯柱815的大体矩形或正方形的横截面，冷板可相对于芯柱的给定面基本平坦或齐平。因此，如图8C中所示，每个芯柱815可具有适合于其侧面的附加的对应冷板845。
现在参考图8D，示出了根据一个实施例的变压器的图示。更具体地，在图8D中，示出了没有任何冷却结构的变压器815的电气布置，以免模糊分段绕组构造的细节。如所示，变压器815形成为带有多个芯柱815a-815c，每个联接在第一柱811和第二柱813之间。在一个实施例中，芯柱815和柱811,812可由铁形成。利用分段绕组结构，在可对应于第一相(相A)的第一芯柱815a的详细布置中，存在多个初级绕组816a,1-816a,3，它们缠绕在芯柱815a周围。当然要注意的是，以本文的冷却布置，可将冷板插入芯柱和这些初级绕组之间。
并且如进一步示出的，对应的次级绕组818a,1-818a,3直接围绕相应的初级绕组。初级绕组和次级绕组之间的分离确定了变压器815的次级侧处每相的等效电感。通过在绕组之间实现最小间距，实现了建议的漏电感值，以帮助控制每个AFE功率级的稳定性。换句话说，在缠绕的初级绕组和次级绕组之间可能存在最小的对应间隔距离。例如，在初级绕组816和对应的次级绕组818之间可存在至少半英寸的间隔。
在一个实施例中，可在分段的绕组组之间适配对应的间隔距离813,817。通过提供这些分段的绕组组和相应的间隔距离，可实现平衡的次级阻抗。通过在绕组816和818组之间创建去耦磁效应，实现了每相的阻抗平衡效应。通过在相邻的绕组816和818组之间设置两英寸的最小水平间距来实现这种磁效应。注意的是，为第二相和第三相的变压器腿815b,c提供了对应的初级绕组和次级绕组816b,1-3,818b,1-3和816c,1-3,818c,1-3组(其在图8D中以受限形式示出)。
现在参看图8E，示出了将图8D的分段绕组与给定片段的多个供电柜中的每个的对应连接相关联的示意图。如所示，给定变压器腿的对应初级绕组(即以同相)联接到输入功率的同相。并且类似地，给定相脚(phase leg)的对应次级绕组以DELTA配置联接到给定片段的相应供电柜中的每个(为便于图示，未在图8E中示出)。注意的是，图8D和图8E中的用于初级绕组和次级绕组的附加参考标记示出了如围绕变压器腿适配并且在图8E的示意图中的第一相(AP1-AP3和AS1-AS3)的初级和次级绕组之间的对应关系。因此，利用如图8E中的布置，变压器适于在初级绕组上并联的三个WYE配置和在变压器的次级绕组上的三个隔离的DELTA配置。
因此，利用这种布置，实施例提供了具有平衡的次级阻抗的高效电力变压器设计。针对每个次级绕组存在三个平行的初级绕组。绕组的并排布置减少了次级绕组之间的联接，并且还增加了由转换器看到的等效阻抗。这消除了对于在变压器初级或次级处插入的每相额外的串联电感的需要，以确保转换器控制稳定性。它还消除了对于在转换器输入处的任何附加滤波器的需求。对于基于Si的装置系统，由于转换器的AFE在低频下切换以保持较低的总损失含量，因此可能允许对于额外的电感的需要。设计变压器，例如其可在A点和B点工作，如由图9的效率曲线所示。在一个实施例中，对于片段系统配置，变压器额定值在750kVA和1000kVA的范围内。为了平衡阻抗，绕组以并排的布置缠绕。
现在参考图10，示出了根据本发明的另一个实施例的片段布置的框图。更具体地，在图10的实施例中，通过电抗器，为主动前端装置将片段进一步提供成具有附加电感。如图10中所示，片段机柜1000包括变压器区段1010和逆变器区段1050。在所示的图示中，提供了具有空气冷却的变压器和逆变器区段的布置。另外(并且通过与图5中所示的布置相比)，在变压器区段1010内，提供了多个AFE电抗器10401-10403。通过这些AFE电抗器，实现了一种构造，该构造可为基于Si装置的设计提供额外的电感。所需的电感可在5％的范围内，并且开关频率保持在2-3 kHz的范围内。AFE电抗器是每个次级DELTA与对应的柜AFE转换器输入线之间串联的(每相)连接器。
实施例可进一步提供用于实现基于SiC的开关装置的供电柜的配置效率。具体地，在一个实施例中，可使用叠层的DC汇流条设计来增强WBG装置性能。此设计可将寄生电感最小化至小于13nH，用于更好的SiC装置开关性能。该设计通过最小化在SiC装置切换期间看到的总等效环路电感来改善柜切换和短路保护。在一个优选的实施方式中，全SiC装置拓扑结构可与特定的SiC功率模块端子布局一起使用。
在另一实施方式中，可存在利用相同的DC总线电感最小化概念的混合装置柜拓扑结构(例如，基于Si IGBT的整流器和基于SiC MOSFET的逆变器)。理解的是，也可使用具有不同电力端子布局的其它SiC装置封装。
如图11中所示，示出了根据一个实施例的全基于SiC的供电柜的图形说明。如所见，供电柜1100在封壳1110中实现。经由多个输入AC汇流条1180提供如从变压器次级接收的输入三相功率。在一个实施例中，提供了三个这样的输入汇流排，以将输入的三相功率联接到对应的前端SiC。如图11中所示，AC汇流条1180朝供电柜1100的后部移位，用于改善散热释放。这是如此，因为利用AC汇流条1180的该放置，简化了汇流条设计，在于它们可以以较短的长度制造，并且其散热体积不会集中在SiC装置上或DC汇流条下。因此，在所示的实施例中，汇流条1180可联接至前端级的SiC(其细节未在图11中示出)。注意的是，可通过光纤SiC栅极驱动器接口11200-1120n来控制SiC装置的切换。尽管在图11的实施例中示出了5个这样的驱动器接口，但是在其它实施例中可存在不同的数字。对于非再生应用，被动前端整流器可包括双二极管功率模块，因此仅控制两个开关(逆变器侧)，因此仅使用两个驱动器接口。混合和全SiC拓扑结构均各使用5个受控开关(SiC MOSFET和/或IGBT)，因此需要5个驱动器接口。如果存在并联SiC装置，则可能需要最多10个驱动器接口。通过基于SiC的控制板1130将控制信号提供给驱动器接口1120，该控制板通过对应的光纤互连件1135联接到接口1120。如图11中进一步所示，驱动器接口1120适配于SiC模块自身上方，而该SiC模块又配置在冷板组件1150上。注意的是，可经由电源1195向各种控制和监测电路提供电力。
如进一步示出的，在封壳1110的前部处，DC链路形成为带有DC总线1160，其细节在下面描述。除了DC总线1160本身之外，DC链路还包括联接至其的多个电容器1165，在图11中标识了其中一个代表性的电容器。在一个实施例中，可利用联接到具有最佳尺寸的电容器1165的DC总线1160来实现供电柜1100。在一个特定实施例中，可利用大约7.6-11.4毫法拉(mF)之间的电容来实现给定的供电柜，以获得更好的瞬态和功率传输性能。
仍然参看图11，可经由多个输出汇流条1170从供电柜1100输出输出功率，如所示，所述输出汇流条1170联接到AC汇流条1180中的对应一个。
为了提供对供电柜1100内的SiC和其它构件的冷却，可提供导管1190,1192以引导冷却液或其它冷却介质的流动。虽然在图11的实施例中以这种高水平示出，但理解的是，许多变型和备选方案是可能的。
实施例提供了改善SiC装置间隙的DC总线构造。更具体地，可将DC总线设计为将DC总线与AC总线机械分离；如上所述，还允许简化AC汇流条的构造。以此方式，可增加设备端子间隙(例如，从2密耳到5密耳)。并且随着电气绝缘改进，在一个示例实施例中，DC链路总线可在1000-1200VDC之间操作。
现在参看图12，示出了根据一个实施例的DC总线布置的图形说明。如图12中所示，DC总线1200可经由包括多个层12100-1210n的叠层构造来实现。然而，在所示特定实施例中，实现了五层布置，然而在特定实施例中可存在更多或更少的层。如所示，DC总线1200实施成带有导电和绝缘材料的交替层。更具体地，负DC总线层12101和正DC总线层12103分别联接在对应的绝缘层12100,12102和1210n之间。在一个实施例中，DC总线层12101,12103可利用给定的导电材料例如铜来实现，并且可具有大约50-100密耳的厚度。绝缘层12100,12102,1210n继而可利用诸如PET绝缘材料的绝缘材料来实现。在一个给定的实施例中，绝缘层12100,1210n可配置为具有大约5-10密耳之间的厚度，并且绝缘层12102可适配成具有5-20密耳之间厚的绝缘材料层。
如在图12的插图1250中进一步示出的，DC总线1200的升高的布置包括第一水平部分1275和升高的第二水平部分1280，实现了AC汇流条与DC链路的机械断开。同样如所示，形成的DC总线提供多个间隙，包括在第一水平部分1275上的代表性间隙1260和1270。更具体地，间隙1260提供AC总线间隙。通过间隙1260，可将AC汇流条扭转到SiC装置。第二水平部分1280继而又可提供与DC链路的电容器的连接。
经由间隙1270，可进行栅极驱动器连接。通过间隙1270的该位置，可最大化DC总线铜面积并且可简化AC汇流条设计。即，AC汇流条可从功率转换器的背面以直线方式定位。这样允许减少铜(较小的AC总线)并简化包装(较小的物理空间)。在一个实施例中，通过使用在间隙1260的每一侧设置的三个压花圆(embossed circle)来实现到DC叠层总线的正和负SiC装置连接。为了提高DC总线端子爬电距离，可使用其它SiC装置端子形状开口，而不是压花圆组。利用这种包括具有直接通过DC总线的栅极驱动器开口的第一水平部分1275的层叠构造，使得AC总线和DC总线的断开成为可能。
在另一种系统构造(未示出)中，通过将间隙1270和1260组合在绝缘层上的单个开口中以使间隙增加5密耳以上而不会显著增加系统环路电感，从而使SiC装置端子周围的绝缘最大化。可在负铜板12103上执行相同的步骤。
现在参看图13，示出了具有断开的AC和DC总线的布置。更具体地，如图13中所示，在存在多个栅极驱动器接口13100-1310n的情况下，提供了冷板1300组件。如上所述，此驱动器接口将控制信号提供给SiC的栅极或适配在栅极驱动器板下方(并且其联接至冷板组件1300)的其它开关装置1330。如进一步所示，从开关装置1330延伸的是多个AC汇流条13200-1320n。尽管示出了5个这样的AC汇流条，但是在特定实施例中可存在更多或更少。利用这种布置，AC汇流条1320可与DC总线(图13中未示出)断开，但是理解的是，这种DC总线适配于冷板组件1300的后部(而AC汇流条1320从冷板组件1300的前部延伸)。以此方式，AC汇流条1320提供了改进的供电柜封装。注意的是，输出汇流条柜连接(图13中未示出)可联接至AC汇流条13203,1320n。
尽管已经关于有限数量的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到由此的许多修改和变化。所附权利要求书旨在覆盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这样的修改和变化。

Claims (43)

1.一种中压功率转换器，包括：
多个片段，每个片段具有：
变压器，其包括多个初级绕组以联接到输入功率的公用电源和多个次级绕组；以及
联接到所述多个次级绕组的多个供电柜，所述多个供电柜中的每个包括低频前端级、DC链路和高频碳化硅(SiC)逆变器级，以联接到高频负载或高速机器。
2.根据权利要求1所述的中压功率转换器，还包括一个或多个传感器，其联接到所述中压功率转换器的输入以获得传感器信息。
3.根据权利要求2所述的中压功率转换器，还包括断路器系统，其联接在输入功率的公用电源和所述中压功率转换器之间。
4.根据权利要求3所述的中压功率转换器，其中，所述断路器系统将至少部分地基于所述传感器信息将所述中压功率转换器与所述输入功率的公用电源主动地连接或断开。
5.根据权利要求1所述的中压功率转换器，还包括电网接口控制器，以存储并向所述高速机器、高速机械负载和公用电网系统提供支持功能。
6.根据权利要求1所述的中压功率转换器，其中，所述高频负载包括以500-1000赫兹之间的频率工作的高速机器，其中所述输入功率的公用电源将以50/60赫兹的频率操作。
7.根据权利要求6所述的中压功率转换器，其中，所述低频前端级包括基于SiC的主动前端级。
8.根据权利要求1所述的中压功率转换器，其中，所述多个供电柜中的每个包括具有朝所述供电柜的第一面移位的多个AC汇流条的封壳。
9.根据权利要求8所述的中压功率转换器，其中，所述DC链路的DC总线包括朝所述供电柜的第二面移位的叠层构造，所述叠层构造具有第一水平部分，所述第一水平部分具有直接穿过其形成的栅极驱动器开口。
10.根据权利要求9所述的中压功率转换器，其中，所述DC总线还包括第二水平部分，所述第二水平部分从所述第一水平部分垂直地偏移以联接至多个电容器，所述多个电容器具有在大约7.6至11.4毫法拉之间的电容。
11.根据权利要求10所述的中压功率转换器，其中，所述第二水平部分将联接至多个电容器。
12. 根据权利要求11所述的中压功率转换器，其中，所述第一水平部分包括：
多个AC总线间隙，通过所述多个AC总线间隙可将多个AC汇流条联接至至少一个SiC装置；以及
多个栅极驱动器接口，通过所述多个栅极驱动器接口，适配用于栅极驱动信号的通信的互连件。
13.一种中压功率转换器，包括：
多个片段，分别具有变压器，所述变压器包括多个初级绕组以联接到第一频率下的公用设施的公共联接点且包括多个次级绕组以分别联接到所述片段的多个供电柜中的一个，所述多个供电柜中的每个包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)主动前端级、DC链路和碳化硅(SiC)后端级，以在第二频率下联接到负载，所述第二频率大于所述第一频率。
14.根据权利要求13所述的中压功率转换器，其中，当所述负载是电源时，所述SiC后端级将操作为整流器，并且所述IGBT主动前端级将操作为逆变器，以使得能够将所产生的功率通过公共联接点提供给所述公用设施。
15.根据权利要求14所述的中压功率转换器，还包括控制器，当所述公用设施是电源时，所述控制器引起所述SiC后端级操作为逆变器并且引起所述IGBT主动前端级操作为整流器。
16.一种用于中压功率转换器的变压器，包括：
在第一柱和第二柱之间适配的多个芯柱，所述多个芯柱中的每个具有：
围绕所述对应的芯柱适配的一组初级绕组；以及
围绕所述一组初级绕组适配的一组次级绕组。
17.根据权利要求16所述的变压器，其中，所述多个芯柱中的每个与三相功率的相位相关联。
18.根据权利要求17所述的变压器，其中，用于第一芯柱的所述一组初级绕组并联连接。
19.根据权利要求16所述的变压器，其中：
围绕第一芯柱适配的所述一组初级绕组周围适配的第一组次级绕组中的每个联接到第一供电柜、第二供电柜和第三供电柜中的一个，所述第一供电柜包括低频前端级、DC链路和高频后端级，所述第二供电柜包括低频前端级、DC链路和高频后端级，并且所述第三供电柜包括低频前端级、DC链路和高频后端级；
围绕第二芯柱适配的所述一组初级绕组周围适配的第二组次级绕组中的每个联接到所述第一供电柜、所述第二供电柜和所述第三供电柜中的一个；以及
围绕第三芯柱适配的所述一组初级绕组周围适配的第三组次级绕组中的每个联接到所述第一供电柜、所述第二供电柜和所述第三供电柜中的一个。
20.根据权利要求19所述的变压器，其中，所述多个次级绕组向所述多个供电柜提供平衡阻抗。
21.根据权利要求19所述的变压器，其中，所述一组初级绕组中的每个与所述一组初级绕组中的另一个间隔开至少两英寸的第一间隔距离，以提供彼此断开。
22.根据权利要求21所述的变压器，其中，所述多个次级绕组向所述多个供电柜提供一定量的平衡阻抗，以确保控制稳定性。
23.根据权利要求22所述的变压器，其中，所述一组初级绕组中的每个与所述一组次级绕组间隔开至少半英寸的第二间隔距离。
24.一种中压功率转换器，包括：
机柜，其包括：
用于容纳多个供电柜的供电柜舱，所述多个供电柜中的每个都适配在对应的封壳内并且包括低频前端级、DC链路和高频后端级，所述多个供电柜联接到高速机器；以及
多个第一屏障，其适于隔离并引导第一冷却空气流通过所述多个供电柜中的一个；以及
变压器舱，其具有至少一个变压器，以联接在公用连接与所述多个供电柜之间，所述变压器舱包括多个冷却风扇，以冷却所述至少一个变压器。
25.根据权利要求24所述的中压功率转换器，其中，所述机柜包括：至少一个第一开口，以将第一冷却空气流从所述变压器舱转移到所述供电柜舱；以及至少一个第二开口，以将离开所述多个供电柜的空气流从所述供电柜舱引导至所述变压器舱。
26.根据权利要求25所述的中压功率转换器，其中，所述多个冷却风扇将排出离开的空气流。
27.根据权利要求24所述的中压功率转换器，其中，所述机柜包括可穿透构件，以使来自周围环境的第二冷却空气流能够经由所述多个冷却风扇引导通过所述至少一个变压器。
28.根据权利要求24所述的中压功率转换器，其中，所述机柜包括密封的封壳。
29.根据权利要求24所述的中压功率转换器，其中，所述变压器舱将是空气冷却的，并且所述供电柜舱将是液体冷却的。
30.根据权利要求29所述的中压功率转换器，其中，所述供电柜舱与所述变压器舱隔离。
31.根据权利要求30所述的中压功率转换器，其中，所述供电柜舱包括：
热交换器，以从第一冷却空气流中去除热量；
第一开口，以能够使第一冷却空气流引导通过所述多个供电柜；以及
第二开口，以将加热的空气流从所述多个供电柜引导到所述热交换器。
32.一种系统，包括：
中压功率转换器，其包括：
第一机柜，其包括：
用于容纳多个供电柜的供电柜舱，所述多个供电柜中的每个都适配在对应的封壳内并且包括低频前端级、DC链路和高频后端级，所述多个供电柜联接到高速机器；
变压器舱，其具有至少一个变压器，以联接在公用连接与所述多个供电柜之间，所述变压器舱包括：
多个冷却风扇，以冷却所述至少一个变压器；以及
所述至少一个变压器，其包括：
在第一柱和第二柱之间适配的多个芯柱，其中：
第一芯柱具有围绕其适配的多个第一冷板，围绕所述多个第一冷板适配的第一组初级绕组，以及围绕所述第一组初级绕组适配的第一组次级绕组；
第二芯柱具有围绕其适配的多个第二冷板，围绕所述多个第二冷板适配的第二组初级绕组，以及围绕所述第二组初级绕组适配的第二组次级绕组；
第三芯柱具有围绕其适配的多个第三冷板，围绕所述多个第三冷板适配的第三组初级绕组，以及围绕所述第三组初级绕组适配的第三组次级绕组。
33. 根据权利要求32所述的系统，还包括：
第一冷板，其围绕所述第一柱的至少一部分适配；以及
第二冷板，其围绕所述第二柱的至少一部分适配。
34.根据权利要求32所述的系统，其中，所述第一机柜相对于周围环境密封，其中在所述变压器舱和所述供电柜舱之间设有至少一个第一开口，以提供从所述变压器舱到所述供电柜舱的第一冷却空气流，并且在所述变压器舱和所述供电柜舱之间设有至少一个第二开口，以提供从所述供电柜舱到所述变压器舱的排气流。
35.根据权利要求32所述的系统，还包括多个第一屏障，所述多个第一屏障适于隔离并引导第一冷却空气流通过所述多个供电柜中的一个。
36.根据权利要求32所述的系统，还包括第一两相冷却系统，以经由所述多个第一冷板、所述多个第二冷板和所述多个第三冷板来冷却所述至少一个变压器。
37.根据权利要求36所述的系统，还包括第二两相冷却系统，以至少冷却所述多个供电柜的所述低频前端级和所述高频后端级。
38.一种设备，包括：
包括中压功率转换器的机柜，所述机柜包括：
供电柜舱，用于容纳多个供电柜，所述多个供电柜中的每个都适配在对应的封壳内，并且包括前端级、DC链路和后端级；
多个第一屏障，其适于隔离并引导冷却空气流通过所述多个供电柜中的一个；以及
变压器舱，其具有至少一个变压器，以联接在公用连接与所述多个供电柜之间，所述变压器舱包括
多个冷却风扇，以引导冷却空气流，所述机柜包括至少一个第一开口，用于将所述冷却空气流从所述变压器舱引导至所述供电柜舱，并且包括至少一个第二开口，用于将离开所述多个供电柜的空气流从所述供电柜舱引导至所述变压器舱。
39.根据权利要求38所述的设备，还包括：
多个第一冷板，其围绕所述至少一个变压器的第一芯柱适配，并且插入所述第一芯柱与第一组初级绕组之间，所述第一组初级绕组围绕所述第一芯柱适配；
多个第二冷板，其围绕所述至少一个变压器的第二芯柱适配，并且插入所述第二芯柱与第二组初级绕组之间，所述第二组初级绕组围绕所述第二芯柱适配；以及
多个第三冷板，其围绕所述至少一个变压器的第三芯柱适配，并且插入所述第三芯柱与第三组初级绕组之间，所述第三组初级绕组围绕所述第三芯柱适配。
40. 根据权利要求39所述的设备，还包括：
第一冷板，其围绕所述至少一个变压器的第一柱的至少一部分适配；以及
第二冷板，其围绕所述至少一个变压器的第二柱的至少一部分适配。
41.根据权利要求38所述的设备，还包括：第一两相冷却系统，以经由所述多个第一冷板、所述多个第二冷板和所述多个第三冷板来冷却所述至少一个变压器；以及第二两相冷却系统，以至少冷却所述多个供电柜。
42.根据权利要求38所述的设备，其中，所述机柜包括密封的封壳。
43.根据权利要求38所述的设备，还包括：多个电抗器，其适配在所述变压器舱内，所述多个电抗器中的每个联接在所述至少一个变压器与所述多个供电柜中的对应一个之间。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111933410A (zh) * 2020-08-03 2020-11-13 上海交通大学 具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011038184A1 (en) * 2009-09-24 2011-03-31 Parker Hannifin Corporation Embedded cooling of wound electrical components
CN102054570A (zh) * 2010-11-19 2011-05-11 济南济变志亨电力设备有限公司 光伏发电用双分裂干式升压变压器
CN102163926A (zh) * 2010-12-31 2011-08-24 中电普瑞科技有限公司 基于igbt模块并联的大功率变流器
CN102171449A (zh) * 2009-06-30 2011-08-31 特科－西屋发动机公司 用于风力发电机的功率转换器
CN102187561A (zh) * 2009-06-30 2011-09-14 特科－西屋发动机公司 用于逆变器和提供模块化功率转换的可插入功率单元
US20120327602A1 (en) * 2009-06-30 2012-12-27 Kulkarni Devdatta P Providing A Cooling System For A Medum Voltage Drive System
US20130234636A1 (en) * 2012-03-09 2013-09-12 Rockwell Automation Technologies, Inc. Split laminated dc bus structure
CN103401434A (zh) * 2013-06-21 2013-11-20 国家电网公司 一种大功率变流器功率单元
CN203482103U (zh) * 2013-08-05 2014-03-12 特变电工新疆新能源股份有限公司 用于连接直流电容母排和igbt并联功率模块的叠层母排
WO2014108498A1 (de) * 2013-01-11 2014-07-17 Breuer Motoren Gmbh & Co. Kg Elektromotorischer antrieb
CN203851040U (zh) * 2014-05-06 2014-09-24 特变电工新疆新能源股份有限公司 一种紧凑型功率模块结构
US20140293663A1 (en) * 2013-03-28 2014-10-02 Enrique Ledezma Modular Configurable Multi-Megawatt Power Amplifier
CN206807311U (zh) * 2017-04-28 2017-12-26 浙江日风电气股份有限公司 一种风冷功率单元
CN208112497U (zh) * 2018-05-10 2018-11-16 上海电气电力电子有限公司 一种模块化风电变流器功率单元

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102171449A (zh) * 2009-06-30 2011-08-31 特科－西屋发动机公司 用于风力发电机的功率转换器
CN102187561A (zh) * 2009-06-30 2011-09-14 特科－西屋发动机公司 用于逆变器和提供模块化功率转换的可插入功率单元
US20120327602A1 (en) * 2009-06-30 2012-12-27 Kulkarni Devdatta P Providing A Cooling System For A Medum Voltage Drive System
WO2011038184A1 (en) * 2009-09-24 2011-03-31 Parker Hannifin Corporation Embedded cooling of wound electrical components
CN102054570A (zh) * 2010-11-19 2011-05-11 济南济变志亨电力设备有限公司 光伏发电用双分裂干式升压变压器
CN102163926A (zh) * 2010-12-31 2011-08-24 中电普瑞科技有限公司 基于igbt模块并联的大功率变流器
US20130234636A1 (en) * 2012-03-09 2013-09-12 Rockwell Automation Technologies, Inc. Split laminated dc bus structure
WO2014108498A1 (de) * 2013-01-11 2014-07-17 Breuer Motoren Gmbh & Co. Kg Elektromotorischer antrieb
US20140293663A1 (en) * 2013-03-28 2014-10-02 Enrique Ledezma Modular Configurable Multi-Megawatt Power Amplifier
CN103401434A (zh) * 2013-06-21 2013-11-20 国家电网公司 一种大功率变流器功率单元
CN203482103U (zh) * 2013-08-05 2014-03-12 特变电工新疆新能源股份有限公司 用于连接直流电容母排和igbt并联功率模块的叠层母排
CN203851040U (zh) * 2014-05-06 2014-09-24 特变电工新疆新能源股份有限公司 一种紧凑型功率模块结构
CN206807311U (zh) * 2017-04-28 2017-12-26 浙江日风电气股份有限公司 一种风冷功率单元
CN208112497U (zh) * 2018-05-10 2018-11-16 上海电气电力电子有限公司 一种模块化风电变流器功率单元

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111933410A (zh) * 2020-08-03 2020-11-13 上海交通大学 具有通风冷却结构的多模块多绕组高频变压器组件及系统

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