CN113906836A - 用于功率转换器的冷却系统 - Google Patents

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H·瓦赫迪
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Abstract

公开了一种具有改进的冷却特性的功率转换装置。所述装置包括：AC端口；至少一个DC端口；机箱；至少一个功率转换模块，其安装在所述机箱中，所述模块可连接到非板载导体和所述AC端口及所述至少一个DC端口；模块热沉，其附接到所述至少一个功率转换模块中的每一者以用于冷却所述模块，其中所述非板载电感器与具有电感器热沉和冷却流体循环器中的一者或多者的模块一起安装在所述机箱中并且与该模块分离，用于冷却所述电感器。

Description

用于功率转换器的冷却系统
本申请要求于2019年3月18日提交的美国临时专利申请No.62/820,085的优先权，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及功率转换器领域，诸如整流器和逆变器，其用于不同目的，诸如住宅目的。本发明还涉及用在功率转换器中的冷却系统。
背景技术
申请人已经在序号为PCT/CA2018/051291(公开号WO2019/071359)的国际PCT专利申请中公开了功率转换器的例子，除了AC功率之外，该功率转换器还能够为家用充电单元提供DC功率。
此种多级功率转换电路使用成组的功率半导体开关来执行功率转换，并且开关在经历从断开到闭合的转换时产生热量，反之亦然。在此种功率转换电路中，当加快开关速度时，可减小电感器和电容器的尺寸，并且也可减小在此类部件中耗散的热量。然而，功率开关产生的热量与开关频率成正比。
功率转换器的冷却对于防止功率转换器故障是很重要的。
发明内容
申请人已经发现，功率转换器可设置有用于其功率开关的第一冷却系统，以便管理第一级发热的耗散，并且设置有用于其电感器和/或电容器的第二冷却系统，以便管理第二级发热的耗散，其中将功率转换器中的功率开关的开关频率选择为对应于第一冷却系统的散热能力，并且将第二冷却系统的散热能力选择为对应于在所选择的开关频率的条件下的第二发热水平。第一级发热通常比第二级发热多得多。然而，通过降低功率开关的开关频率，第二级变得重要，而第一级变得更容易管理。
本公开提供了可以单独或组合应用的补充改进。这些改进涉及新颖和创新的特征，包括具有用于接收滤波部件和非板载部件的单独部分的外壳，以及用于冷却开关和非板载部件的先进冷却系统。
在一个广泛的方面，本公开提供了一种功率转换装置，其包括外壳和两个或更多个电端口，以用于从电源接收电流并输送到负载，该负载可以是AC或DC负载。功率转换装置还具有：一个或多个功率转换电路，其可连接到电端口，该电端口具有开关并安装在所述外壳内；隔室，其至少部分地与外壳的其余部分分离，以用于接收所述至少一个功率转换模块的非板载部件；以及热沉，其用于附接到开关中的至少一个，以传递由所述至少一个开关产生的热量，其中所述隔室允许所述非板载部件连接到至少一个转换模块，并且其中所述隔室具有用于所述非板载部件的附加冷却系统。
在一些实施例中，附加冷却系统可以是本领域已知的任何冷却系统，诸如空气冷却系统、翅片冷却系统、相变材料冷却系统或液体冷却系统。
在一些实施例中，转换器中使用的功率转换电路中的一个或多个功率转换电路可以是双向功率转换器。
在一些实施例中，转换电路可以是多电平电路。在一个实施例中，转换器电路或模块可以是多电平转换器拓扑，其包括三电平、五电平或七电平拓扑。申请人已经在序号为PCT/CA2018/051291且公开号为WO2019/071359的国际PCT专利申请中公开了这种新型5电平拓扑的细节。
转换器可以是任何类型的转换电路，包括AC-DC、DC-AC或DC-DC或使用开关的隔离电路。
在一个示例中，转换器可以包括具有多个模块连接器的连接器背板，并且功率转换电路是直接、或经由诸如电缆或插座的连接装置连接到所述模块连接器的模块转换器。
在一些实施例中，功率转换装置可以具有功率转换电路，其包括降压/升压DC到DC转换器电路。
在一个示例性实施例中，转换器可以具有一个或多个挡板，以将来自所述液体冷却系统(诸如风扇)的流重定向到非板载部件，从而有助于部件的冷却。
本领域的技术人员将会理解，转化器可以使用液体冷却系统来冷却转化器，并且附加冷却系统可以通过将空气或液体集中在特定区域来形成。
在一些实施例中，隔室可以是带有额外风扇的附加冷却系统的外壳的指定部分。在一个实施例中，分隔板可以将隔室与所述至少一个转换电路分开。
在其他示例中，隔室可以是具有壁和隔板的完全分离的隔室。
在一些实施例中，非板载部件可以是用于转换器电路、DC-DC转换器或转换器电路的任何其他部分的环形电感器，其可能被认为需要额外冷却或需要较为宽敞以放置在转换器电路上。
在本公开的一些示例中，热沉可以使用诸如热环氧树脂的热界面材料附接到开关中的一个或多个开关。
在本公开的一些示例中，非板载部件连接到至少一个辅助热沉。辅助热沉可以是用于非板载部件的唯一冷却机构，或者与本文公开的任何其他冷却技术结合使用。也可以使用导热垫或热环氧树脂来完成与辅助热沉的连接。
在一个实施例中，功率转换电路可以是整流器电路，该整流器电路包括：AC输入端子，其连接到所述AC端口；至少一个高压电容器，其用于存储功率；电感器，其与所述AC输入端串联连接；低压电容器；两个高压开关，其连接在第一AC输入端子和所述高压电容器的相对端部之间；两个中间低压功率开关，其连接在所述高压电容器的所述相对端部和所述低压电容器的相对端部之间；以及两个端子低压功率开关，其连接在所述低压电容器的所述相对端部和第二AC端之间，其中DC负载可连接到所述高压电容器的所述相对端部；调制器，其从转换器控制器接收参考信号；状态选择电路，其接收所述至少一个比较信号并输出状态信号，开关脉冲发生器，其接收所述状态信号并连接到所述功率开关的栅极。在转换器电路的一个示例中，转换器电路是整流器电路，并且两个高压开关可以是二极管。
在另一个示例中，转换电路可以是双向整流器/逆变器电路，其中所述电感器与下述项串联：所述AC输入端子、所述低压电容器、连接在所述AC端口的所述第一AC端和所述高压电容器的相对端部之间的所述两个高压功率开关、连接在所述高压电容器的所述相对端部和所述低压电容器的相对端部之间的所述两个中间低压功率开关、和连接在所述低压电容器的所述相对端部和所述AC端口的所述第二AC端之间的所述两个端子低压功率开关；其中所述多个DC端口中的每一个连接到所述高压电容器的相对端；并且其中所述控制器在逆变器模式下运作，以产生信号波形，并向两个高压功率开关、所述两个中间低压功率开关和所述两个端子低压功率开关施加信号波形，信号波形包括：第一控制信号，其用于使所述低压电容器与所述DC端口和所述AC端口串联连接，并充电至与所述DC端口的电压成比例的预定值；以及第二控制信号，其用于使所述低压电容器从DC端口断开并与AC端口串联连接，从而使低压电容器放电。
在一些实施例中，连接器背板可以在转换电路和非板载部件之间提供一个或多个连接。这可以通过使用一系列内部开关来实现。
在另一个改进中，本公开提供了一种具有改进的冷却能力的转换器设备，这得益于其由独立的冷却系统支持的创新的非板载电感器。电路板可支持功率转换电路，其中功率开关沿着电路板的边缘安装并与热交换器热接触，例如具有散热片的热沉。将功率电感器安装到此种电路板上会产生机械地支撑电感器重量和冷却的问题。将电感器放置在转换器设备的外壳内的独立区域可是合适的解决方案。在一些实施例中，外壳中的独立隔室可允许更有效且更好地控制电感器的冷却。
此外，每个单独的转换器卡或模块可以配备有另外的冷却装备，诸如热沉，其同样为转换器卡上的板载电子部件提供附加的冷却。可使用空气或液体冷却，尽管空气冷却更简单。如果需要，也可使用散热管。
此外，本公开提供了具有五电平转换器电路的环形电感器的使用，其受益于五电平电路的低噪声特性，以减小滤波装备和电感器的尺寸，并使得产生更少的热量，从而允许在转换器中使用更基本的冷却系统并减小转换器的尺寸。
在一个广泛的方面，本公开提供了一种功率转换装置，其包括AC端口、至少一个DC端口、机箱和具有功率开关的至少一个功率转换模块或卡。功率转换模块安装在机箱上，并连接到非板载感应器以及AC和DC端口。该装置还具有连接到功率转换模块的热沉以用于冷却功率开关。非板载感应器与模块一起安装在机箱中，与模块分开，该模块带有热沉和/或冷却流体循环器以用于冷却它们。
在一个实施例中，它们可以安装在单独的热沉上，该热沉具有冷却它们的风扇。在机箱或外壳中，感应器可放置在单独的隔室中，其自身具有气流或冷却装置。
在一些实施例中，模块可以经由其开关连接到模块热沉。这意味着电路的开关中的一个或多个开关可以连接到热沉以改善热沉的冷却效果。
在一些实施例中，功率转换模块可以是双向功率转换模块，其可用作整流器和逆变器以提供AC和DC输出。这使得该单元除了充电之外，还可以从汽车或太阳能电池板或任何其他DC电源接收DC电流的可能性，并将其转换为AC以供使用。
在一些实施例中，转换装置具有一个以上的DC端口。这可通过在机箱内具有一个含多个输出的转换卡或多个卡来实现。
在一个实施例中，感应器具有与设备的其余部分分离的隔室，以通过使用专用于冷却感应器隔室的单独风扇，允许更容易地循环冷却液，诸如空气。
在一些实施例中，功率转换卡可以是多电平整流器/逆变器电路。在一个实施例中，功率转换模块包括一个高压电容器和电路，该高压电容器用于存储升压功率。该电路包括：一个电感器，其与下述项串联连接，即AC端口、低压电容器、连接在第一AC输入端子和所述高压电容器的相对端部之间的两个高压开关、连接在所述高压电容器的所述相对端部和所述低压电容器的相对端部之间的两个中间低压开关、以及连接在所述低压电容器的所述相对端部和第二AC端之间的两个端子低压开关，其中DC负载可连接到所述高压电容器的相对端部；以及控制器，该控制器具有用于感测所述电路中的电流和/或电压的至少一个传感器、并且连接到所述两个中间低压开关和所述两个端子低压功率开关的栅极输入。本领域技术人员将会理解，可替换地使用包括任何多电平转换电路的任何功率转换系统。
在一个实施例中，控制器多电平整流器/逆变器电路可操作用于使整流器/逆变器电路在升压模式下工作，其中所述高压电容器的电压高于所述AC输入的峰值电压，并且所述两个中间低压功率开关和所述两个端子低压功率开关响应于存在于所述低压电容器处的电压的测量值而以冗余开关状态进行切换，以便将所述低压电容器保持在所述高压电容器的期望电压的预定分数处，并且因此将所述高压电容器保持在期望的高电压，其中所述整流器电路供应所述DC负载并且吸收功率作为在所述AC输入上具有低谐波的五电平有源整流器。
在一些实施例中，机箱包括连接器背板，其具有多个模块插座和连接在模块插座中的至少一个功率转换模块。
在一些实施例中，在转换器中使用挡板来将来自冷却流体循环器或风扇的流重定向到电感器上。这将为电感器提供更好的冷却。在一个实施例中，转换装置还可以包括将所述电感器与模块分开的分隔板。在一些实施例中，使用的电感器可以是环形电感器。
在一个实施例中，功率转换装置还可以包括降压/升压转换器电路，以用于转换具有降压/升压电感器的DC功率。
在一个示例中，降压/升压电感器与转换电路电感器一起安装在机箱中。
在一些实施例中，功率转换装置可以具有模块热沉，风扇可以用于冷却模块并使用热界面材料附接到功率转换模块。热界面材料有助于模块和热沉之间的热传递。
在一些实施例中，包括转换模块电感器和降压/升压电感器的电感器可以用导热垫和/或使用热环氧树脂连接到电感器热沉。
在一些实施例中，风扇可以用于冷却模块和电感器。在一些实施例中，模块和电感器可以使用单独的风扇。
在一个更广泛的方面，本公开提供了一种提供功率转换器的方法，该功率转换器具有至少一个功率转换模块，该功率转换模块包括至少一个非板载部件和一定数目的半导体功率开关。该方法包括选择所述至少一个功率转换模块的所述一定数目的半导体功率开关的开关频率，基于所述开关在所选择的开关频率下产生的热量，为所述开关提供具有第一冷却能力的第一冷却系统，以及基于所述至少一个非板载部件在所选择的开关频率下产生的热量，为所述非板载部件提供具有第二冷却能力的第二冷却系统。
在一些示例中，该方法还可以包括基于所述开关的第一温度来调节所述第一冷却系统的所述第一冷却能力。
在一些示例中，该方法还可以包括基于所述至少一个非板载部件的第二温度来调节所述第二冷却能力和第二冷却能力。
提供了在本文描述并在下面权利要求保护的系统、方法和更广泛的技术。
附图说明
参考下面的附图将更好地理解本示例：
图1A是家用EV充电系统的物理安装示意图，该系统包括：杆顶变压器；住宅电气入口，带有负载传感器和主断路器面板；240V AC电源线，其在面板和装置之间；两条电缆连接，其在装置和电动汽车(EV)之间延伸；CAN总线连接，其在EV和装置之间；以及太阳能电池板连接。
图1B是示出根据本公开的一个实施例的具有多个DC和AC端口以及非板载部件面板的功率转换装置的框图。
图2A示出了根据实施例的具体示例的具有工作在整流器模式下的5电平拓扑电路的转换电路的电路图。
图2B示出了根据本公开的一个实施例的具有工作在逆变器模式下的5电平拓扑电路的电池装置转换器的电路图。
图3是根据本公开一个实施例的功率转换器模块的示意图。
图4是根据本公开的一个实施例的两个功率转换器模块的示意图，其开关连接到模块热沉。
图5是根据本公开的一个实施例的与图3所示的功率转换器模块一起工作的背板的示意图。
图6是根据本公开的一个实施例的非板载部件面板的示意图。
图7是根据本发明的一个实施例的功率转换装置的透视图，其非板载部件位于机箱/外壳的顶部。
图8是图7所示的功率转换装置的透视图，其具有转换模块和电感器热沉的露出。
图9是根据一个实施例的图7所示的功率转换装置的顶部透视图，其具有挡板和分离面板，其中电感器热沉从装置的背部露出。
图10是示出根据本公开的一个实施例操作功率转换器所采取的步骤的流程图。
具体实施方式
在整个说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似言语的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构、特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似言语可以但不一定都指同一实施例。
此外，本发明的所述特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或多个实施例中。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明范围的情况下，可对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖本发明提供的修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。现在将详细参考本发明的优选实施例。
图1A示出了实施例的物理环境，其中分离单相主电力从电线杆杆上变压器输送，这是北美最常见的电力输送类型。变压器通常从配电线路接收14.4kV或25kV单相电力，并且变压器可处理大约50kVA至167kVA的电力作为分相240VAC输送到少量家庭或电气入口。每个电气入口通常配置成在240VAC下处理100A至200A的电力，即大约24kVA至48kVA(通常假设1kVA相当于1kW)。如图所示，转换装置或设备经由AC连接而连接到网络，并且可连接到多个车辆和/或太阳能电池板。这可以通过装置的双向(整流器/逆变器)特性来实现，其通过从一个端口接收AC或DC功率以及从其他端口提供AC或DC的能力来提供。
本领域技术人员将会理解，尽管示出了单相入口，但是本公开的实施例不限于分开的单相240VAC电力系统，并且本文公开的实施例中的任何实施例可以适于与输送AC电压的不同电网一起工作。
电气入口通常包括：电量表；主断路器，其额定值对应于总允许负载(例如100A或200A)；以及面板，其具有用于每个家用电路的断路器，可以从分相240VAC输入获得240VAC电力或120VAC电力。虽然大多数断路器的容量在15A到30A之间，但对于大型电器来说，有些断路器可更低(即10A)，并且有些断路器可以更高，诸如40A。在一些国家，电气入口的容量较低，诸如40A到60A，在其中所有家用电路为240VAC的国家，电力不是分相，而是普通的单相240VAC(使用的电压水平可从大约100V变化到250V)。
如图1所示，转换装置/转换器通过具有较大额定电流(诸如40A至80A)的断路器连接到主面板的断路器，然而如果需要，所公开的装置可消耗超过100A。装置专用断路器的需求由电气代码决定。将装置连接到面板的电缆额定电流相当高。与电源板的连接可是直接的固定布线，或者高压插座可安装并连接到电源板，使得装置使用电缆和插头连接到电源板，例如，那些类似于用于如烤箱或干衣机的电器的电缆和插头。装置示出为连接到单个负载传感器，该传感器感测包括该装置的整个电源板所承受的负载。装置电缆可是现有技术中已知的传统装置电缆和插头。
此外，如图1A所示，转换器可以连接到太阳能电池板以及一个或多个电动车辆。
图1B是示出示例性功率转换装置10的框图，其具有AC端口18、多个DC和EV/DC端口12和14、DC/EV输入端口16和非板载部件面板20。如图1A所示，端口12和14可以连接到EV1和EV2，而DC/EV端口16可以连接到太阳能电池板以使用电池板产生的DC能量。
在一些实施例中，装置10可以适于从多个DC端口中的第一端口(诸如EV/DC端口12)接收DC电流，并将可变电压输送到第二端口(诸如EV/DC端口14)。这可以通过使用多个开关来实现，这些开关可以位于转换电路模块100上的背板22上，或者位于可以连接到背板或者直接连接到转换电路模块100的单独的开关模块上。
本领域技术人员将会理解，尽管模块100示出为双向转换模块，但是根据需要，诸如整流器、逆变器、DC-DC、降压升压模块和浪涌保护器模块的任何其他类型的模块都可以用在转换器设备中。
如图8所示，在一个示例中，第一端口12和第二端口14位于相同的功率转换电路100上，而在其他示例中，它们可以位于不同的功率转换电路上或装置的背板22上。
返回参考图1B，转换器模块100可以使用连接器114(这里示出为连接器114a、114b、114c、114d、114e，每个都连接到一个模块100)连接到背板22。转换器10还可以受益于非板载部件板20，在本实施例中，其用于容纳电感器的目的。
图2A至图2B示出了根据实施例的具体示例的类型转换电路模块100的示例的细节，其可以用于电动车辆的转换装置或设备10中。
如图2A所示，在整流器模式下工作的示例性转换电路100包括AC输入105、与AC输入105串联连接的感应滤波器110以及五电平拓扑电路115。
在一些示例中，本非限制性示例中的感应滤波器110可以是2.5mH电感器。方便地，部分由于感应滤波器110的小尺寸，本设计允许整个功率转换电路100的小几何形状。感应滤波器110可根据基于应用、额定功率、电网电压谐波、开关频率等选择的设计而变化。虽然最简单的此种滤波器是单个电感器，但是在替代实施例中，感应滤波器110可以包括电感器和电容器的组合，例如电感器(例如2mH)连接到电容器(例如30F)，其本身是接地的。滤波器的选择对设计的整体尺寸和损耗有影响，其中较大的滤波器会增加整体设计的尺寸，并且通常会导致更多的损耗。
五电平电路可以包括：高压电容器120；至少一个低压电容器125；两个高压功率开关130a、130b，其连接在第一端子135和高压电容器120的相应相对端部145a、145b之间；两个中间低压功率开关140a、140b，其各自连接在高压电容器120的两个相对端部145a、145b中的相应端部和低压电容器的相应的相对端部155a、155b之间；以及两个端子低压功率开关150a、150b，其各自连接在第二输入端子160和低压电容器125的相对端部155a、155b中的相应端部之间。
如图2B所示，功率转换模块100可以使用在双向状态下操作的功率。这意味着五电平电路必须具有高压功率开关130a、130b，并且不能用两个二极管代替它们，以便用AC负载202和DC源206在如图2A所示的整流器模式中将电压/电流从AC转换到DC，或者在如图2B所示的逆变器模式中将电压/电流从DC转换到AC。
已经由申请人在序号为PCT/CA2018/05129、公开号为WO/2019/071359的国际PCT专利申请中公开了转换器模块(模块100)的细节、其工作原理及其开关细节。
对于实际实施，包括功率转换电路100的功率转换装置可以包括用户可互换的DC车辆充电电缆和充电插头，例如，具有用于在EV中装配标准化插头/插座(即，SAE J1772、ChaDeMo或其他)的兼容格式。
本领域技术人员将会理解，任何类型的连接器都可用作背板，并且模块连接器的目的只是为了方便和简化用户的安装过程，并且任何类型的连接器都可用作背板。
此外，本领域技术人员将会理解，功率转换装置可以受益于用户界面，该用户界面可以具有屏幕，并且通过应用程序与诸如计算机或手机的终端设备有线或无线连接，从而允许用户通过此种界面手动调整变量。这种调整可以优先考虑设备的充电、给出充电时间表、管理如何消耗和分配太阳能电池板DC或者用户在全天调整设备的输入和输出方面所需的任何其他功能。
此外，本领域技术人员将理解，AC和DC输出可使用单独或相同的物理插座或电缆。在一些实施例中，插座能够与车辆的充电控制器通信。
如本文所述，在不同的实施例中，功率转换电路100可以具有非板载或板载部件，诸如电感器和开关元件。此外，功率转换电路100可以具有集成在其中的降压/升压电路。
图3示出了实施例中的功率转换器模块100，其中它只有一个DC端口和一个AC端口。端口812和814可以用于将功率转换器模块100连接到其非板载部件，在本示例中，非板载部件是用于端口814的感应滤波器/电感器110和降压/升压电感器1012。
图5示出了背板22的示例，其可以由图3中的功率转换器模块100使用。如所解释的，在本实施例中，可经由开关矩阵1302在背板22上完成所有的交换。同样，对于卡1至5有五个系列的连接器，并且每个系列的连接器具有连接器912、910、902、908和914，其分别接收功率转换器模块100的端口812、810、802、808和814，如图3所示。
现在参考图4，其示出了本公开的实施例，其中两个模块100的开关S1至S8连接到模块热沉，以便为模块提供更好的冷却，并且端口是板载的。AC、DC和数据端口808、802和810可以经由电缆连接到相应的端口，而不是使用背板22。此外，控制器410可以具有其自己的单独电路，该电路通过转换器模块/电路板背部的端口(附图中未示出)连接到模块。
在一些实施例中，开关的连接可以使用热界面材料，以提供更好的冷却。加热材料可以是本领域公知和使用的任何材料，诸如热环氧树脂。
本领域技术人员将会理解，尽管在本实施例中，开关矩阵已经示出为存在于背板连接器22上，但是在一些实施例中，可以不具有开关矩阵，或者可以受益于附加的开关，从而以不同的顺序和组合将端口彼此连接。这些开关可以存在于模块100上，或者作为单独的开关连接到背板。
在一些实施例中，转换器装置不具有用于接收模块的背板连接器22。端口812、810、802、804、806、808和814可直接连接到AC和DC端口以及面板20上的非板载电感器110和非板载电感器16的端口。
图6示出了非板载面板20的示例，其具有足够的空间用于五个模块100的非板载部件。在一个实施例中，如图10所示，电感器110可是通过连接器1802连接到面板20的一个或多个环形电感器(这里，示出了三个环形电感器)，并且降压/升压电感器1012可以是经由另一连接器1802连接到面板20的环形电感器。本领域技术人员将会理解，面板20可以具有不同的连接器，这些连接器可以用于连接不同类型的非板载部件，包括其他类型的电感器。
在一些实施例中，面板20可以连接到有助于冷却电感器的一个或多个热沉。在一些替代实施例中，电感器100和1012可以放置在热沉的夹层中，两个热沉放置在非板载部件的两侧，从而给电感器提供冷却。
面板20可以直接连接到背板，或者模块化连接到背板。类似地，非板载部件可以永久地固定在面板上，或者具有允许替换或改变它们的插座/连接器。
在一些实施例中，面板20的位置可以与转换器模块100分开。
如图8所示，在一个实施例中，本公开提供了具有机箱或外壳1102的功率转换装置1100。如图所示，面板20可以在设备1100的上部部分与模块100分开安装在机箱1102上。
本领域技术人员将会理解，作为非板载隔室工作的面板20可以是专用于非板载部件的外壳或机箱的组成部分。
在一个实施例中，转换装置1100具有一个或多个特定框架1104，其位于机箱1102后部部分，以用于附加的流体冷却系统(这里未示出)，其可以是流体循环设备、空气冷却系统、翅片冷却系统、相变材料冷却系统、液体冷却系统。在图示的实施例中，除了热沉之外，还可以使用风扇、液体冷却系统。这些附加的风扇可以专用于冷却非板载部件(即电感器)，或者与转换器的其余部分共享，但是对非板载部件具有更高的气流或冷却效果。
如图7所示，(第一)冷却系统(在本示例中是风扇1808)可以用来冷却转换器模块，以及单独的冷却系统(在本示例中是风扇1810)可以用来冷却非板载部件。同样如图所示，分离面板1206可以用于形成(第二)分离隔室，其用于非板载部件，这里是电感器1802和1804。
本领域技术人员将会理解，冷却系统，这里称为风扇1810和1808，可以具有可变的冷却能力，该冷却能力可以基于其中转换器模块100工作的频率来调节。
此外，转换器可以具有温度传感器，该温度传感器可将转换器的每个部分的温度发送到控制器，以控制冷却系统或直接控制它们。
图8示出了机箱或外壳1102的背部，其为面板20提供导体热沉暴露口1202，或者，在其中电感器直接组装在热沉的一些实施例中，热沉1304’(这里未示出)冷却非板载部件。
在本实施例中，模块热沉露出框架1204还可以允许热沉1304连接到待冷却的转换器模块100。在一个实施例中，机箱的背部具有间隙1404，该间隙允许冷却热沉1304和1304’。
应当理解，热沉1304和1304’以及它们各自的框架可以是相同尺寸或不同尺寸。
如图所示，在一些实施例中，分离面板1206可以将隔室20与转换模块100分离。这可以允许更好地循环空气和冷却导体。
图9示出了转换器装置1100以及三个模块100的非板载部件和面板/隔室20如何位于机箱或外壳1102内部。
图10示出了用于提供具有至少一个功率转换模块的功率转换器的方法的方法示例，该功率转换模块包括至少一个非板载部件和多个半导体功率开关。
如图10的框1502所示，可以选择功率转换模块的多个半导体功率开关的开关频率。如在框1504中，基于在所述选择的开关频率下从所述开关产生的热量，提供第一冷却系统，该第一冷却系统可以具有用于转换器的开关的第一冷却能力。在一些实施例中，由开关产生的热量可以随着其中开关工作频率的增加而增多。如框1506所示，可以提供第二冷却系统，基于由所述至少一个非板载部件在所选择的开关频率下产生的热量，该第二冷却系统具有用于所述非板载部件的第二冷却能力。同样，产生的热量可能取决于其中电容器工作的频率。
本领域技术人员将会理解，冷却系统的冷却能力可以通过不同的方法调节，例如，增加或提高液体或空气循环，打开更多的液体通道等。
在一个示例中，如框1506所示，该方法还可以包括调节第一和/或第二冷却系统的热容量，以向开关和非板载部件提供所需的冷却。
本领域技术人员将会理解，可以在设计和生产时或者在使用过程中通过改变冷却系统或者通过激活或去激活冷却系统的不同元件和部分来应用对加热系统的调节。
本领域技术人员将会理解，在一些示例中，系统可以基于非板载部件(诸如电感器)在允许的范围内调节开关频率，同时使用一个或两个冷却系统提供足够的冷却。
在一些实施例中，如图9所示，可以将挡板1402添加到转换器装置1100。挡板1402将空气循环引向感应器，并为感应器提供更好的冷却。
在一个实施例中，挡板1402可以提供模块100的非板载部件所需的附加的冷却质量。
在替代实施例中，隔室或面板20可以是专用于冷却感应器的完全分离的空间。
本领域技术人员将会理解，虽然在本文公开的实施例中，空气和普通风扇已经用于冷却感应器和/或模块，但是在不超出本发明范围的情况下，也可替代使用本领域已知的任何其他类型的流体冷却系统。
本领域技术人员将会理解，虽然如本文所述，功率转换模块可以是由申请人在序号为PCT/CA2018/051291、公开号为WO2019/071359的国际PCT专利申请中公开的PUC5拓扑，但是替代地，任何其他类型的功率转换电路也可以与本文公开的热沉和流体冷却设计结合使用。
本领域技术人员将会理解，任何类型的整流器、逆变器或整流器/逆变器可以组合使用，以提供本文所述的期望的AC和DC输出。此种转换电路的示例可以是多电平整流器/逆变器电路。
本领域技术人员将会理解，在本申请中描述的功率转换装置和电路，例如5电平整流器电路，可用于任何AC到DC转换系统，诸如DC电源、其他EV充电器、任何其他类型的电池装置，或者其他需要AC到DC转换的任何实施。
虽然上面的描述是参考特定的示例提供的，但是这是为了说明而不是限制本发明的目的。

Claims (31)

1.一种功率转换装置，包括：
-AC端口；
-至少一个DC端口；
-机箱；
-安装在所述机箱中的至少一个功率转换模块，连接到至少一个控制器，每个所述功率转换模块包括：由所述至少一个控制器以开关频率驱动的一定数目的半导体功率开关、至少一个板载或非板载电感器、用于所述AC端口的连接器、和用于所述至少一个DC端口的连接器；
-热沉，附连到所述至少一个功率转换模块中的每一个功率转换模块，以用于冷却所述功率开关；
-第一冷却系统，用于从被以所述开关频率驱动时的所述功率开关散热；以及
-第二冷却系统，用于在所述功率开关被以所述开关频率驱动时，至少从所述至少一个电感器散热。
2.根据权利要求1所述的功率转换装置，其中所述至少一个功率转换模块是双向功率转换模块。
3.根据权利要求1或2所述的功率转换装置，其中所述至少一个DC端口是至少两个DC端口。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率转换装置，其中所述至少一个功率转换模块是至少两个转换模块，并且所述转换装置提供DC至DC充电。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，还包括与所述模块分离的隔室，所述隔室包括所述电感器以及所述电感器热沉和冷却流体循环器中的一者或多者。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率转换装置，其中所述至少一个功率转换模块是多电平整流器/逆变器电路。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的功率转换装置，其中所述第一冷却系统包括至少一个风扇，所述至少一个风扇被布置成将空气吹过具有所述热沉的翅片的块状热沉，并被安装在所述第一空气管道中。
8.根据权利要求7所述的功率转换装置，其中所述第二冷却系统包括在第二空气管道中被布置成将空气吹过至少所述电感器的至少一个风扇。
9.一种功率转换装置，包括：
外壳；
至少两个电端口，用于在所述转换装置与至少一个电源及一个电负载之间发送和接收电流；
连接到所述至少两个电端口的至少一个功率转换电路，具有开关并位于所述外壳内；
热沉，用于附接到所述开关中的至少一个开关，并传递由所述至少一个开关产生的热量；以及，
隔室，至少部分分离地位于所述外壳内，并且用于接收所述至少一个功率转换模块的非板载部件，所述隔室具有附加冷却系统以用于冷却所述非板载部件；其中所述隔室允许所述至少一个转换模块和所述非板载部件之间的连接，并且其中所述附加冷却系统为所述非板载部件提供附加冷却。
10.根据权利要求9所述的功率转换装置，其中所述附加冷却系统是空气冷却系统。
11.根据权利要求9或10所述的功率转换装置，其中所述附加冷却系统是翅片冷却系统。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的功率转换装置，其中所述附加冷却系统是相变材料冷却系统。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的功率转换装置，其中所述附加冷却系统是液体冷却系统。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的功率转换装置，其中所述至少一个功率转换电路是双向功率转换器。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的功率转换装置，其中所述至少一个功率转换模块是多电平电路。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的功率转换装置，还包括具有多个模块连接器的连接器背板，并且其中所述至少一个功率转换电路是连接到所述模块连接器的转换模块。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的功率转换装置，其中所述至少一个功率转换电路包括降压/升压DC到DC转换器电路。
18.根据权利要求9至17中任一项所述的功率转换装置，还包括挡板，以将来自所述液体冷却系统的流重定向到所述非板载部件上。
19.根据权利要求9至18中任一项所述的功率转换装置，还包括分隔板，所述分隔板将所述隔室与所述至少一个转换电路隔开。
20.根据权利要求9至19中任一项所述的功率转换装置，其中所述非板载部件是环形电感器。
21.根据权利要求9至20中任一项所述的功率转换装置，其中所述热沉使用热界面材料附接到所述开关中的所述至少一个开关上。
22.根据权利要求9至21中任一项所述的功率转换装置，其中所述非板载部件连接到至少一个辅助热沉。
23.根据权利要求9至22中任一项所述的功率转换装置，其中所述非板载部件通过导热垫连接到所述至少一个辅助热沉。
24.根据权利要求9至23中任一项所述的功率转换装置，其中所述液体冷却系统是风扇冷却系统。
25.根据权利要求9至24中任一项所述的功率转换装置，其中所述至少一个功率转换电路是整流器电路，其包括：
AC端口；
至少一个高压电容器，用于存储功率；
电感器，与所述AC输入串联连接，
低压电容器，
两个高压开关，连接在第一AC输入端子与所述高压电容器的相对端部之间，
两个中间低压功率开关，连接在所述高压电容器的所述相对端部与所述低压电容器的相对端部之间，以及
两个端子低压功率开关，连接在所述低压电容器的所述相对端部与第二AC端子之间，
其中DC负载能够连接到所述高压电容器的所述相对端部；
调制器，从转换器控制器接收参考信号；
状态选择电路，接收所述至少一个比较信号并输出状态信号；
开关脉冲发生器，接收所述状态信号并连接到所述功率开关的栅极。
26.根据权利要求25所述的功率转换器，其中所述两个高压开关是二极管。
27.根据权利要求25所述的功率转换器，其中所述转换电路是双向整流器/逆变器电路，其中所述电感器与下述项串联连接：所述AC输入、所述低压电容器、被连接在所述AC端口的所述第一AC端子与所述高压电容器的相对端部之间的所述两个高压功率开关、被连接在所述高压电容器的所述相对端部与所述低压电容器的相对端部之间的所述两个中间低压功率开关、以及被连接在所述低压电容器的所述相对端部和所述AC端口的所述第二AC端子之间的所述两个端子低压功率开关；
其中所述多个DC端口中的每一个DC端口连接到所述高压电容器的所述相对端部；以及
其中所述控制器以逆变器模式工作，以产生信号波形并将信号波形施加至所述两个高压功率开关、所述两个中间低压功率开关和所述两个端子低压功率开关，所述信号波形包括：第一控制信号，用于使所述低压电容器与所述DC端口和所述AC端口串联连接，并被充电到与所述DC端口的电压成比例的预定值；以及第二控制信号，用于使所述低压电容器从所述DC端口断开并与所述AC端口串联连接，从而使所述低压电容器放电。
28.根据权利要求16至25中任一项所述的功率转换装置，其中所述连接器背板提供所述至少一个功率转换电路和所述非板载部件之间的连接。
29.一种用于提供功率转换器的方法，所述功率转换器具有至少一个功率转换模块，所述至少一个功率转换模块包括至少一个非板载部件和一定数目的半导体功率开关，所述方法包括：
-选择所述至少一个功率转换模块的所述一定数目的半导体功率开关的开关频率；
-基于在所选择的开关频率下从所述开关产生的热量，为所述开关提供具有第一冷却能力的第一冷却系统；
-基于由所述至少一个非板载部件在所选择的开关频率下产生的热量，为所述非板载部件提供具有第二冷却能力的第二冷却系统。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括：基于所述开关的第一温度来调节所述第一冷却系统的所述第一冷却能力。
31.根据权利要求29所述的方法，还包括：基于所述至少一个非板载部件的第二温度来调节所述第二冷却能力和第二冷却能力。
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