DE212016000298U1

DE212016000298U1 - power converters

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Publication number: DE212016000298U1
Application number: DE212016000298.8U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2019-07-15
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: WO2018095549A1; CN211700258U

Abstract

Stromrichter (1)
- mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (202, 206, 204, 208) und
- mit einer Kühleinrichtung (50) zum Kühlen der Leistungshalbleiterbauelemente (202, 206, 204, 208) mit einem flüssigen Kühlmittel (70), wobei
- das flüssige Kühlmittel ein wasserfreies flüssiges Kühlmittel (70) ist.

Power converter (1)
with a plurality of power semiconductor components (202, 206, 204, 208) and
- With a cooling device (50) for cooling the power semiconductor components (202, 206, 204, 208) with a liquid coolant (70), wherein
- The liquid coolant is an anhydrous liquid coolant (70).

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen.The invention relates to a power converter with a plurality of power semiconductor components.

Stromrichter sind leistungselektronische Schaltungen zum Umwandeln von elektrischer Energie. Mit Stromrichtern kann Wechselstrom in Gleichstrom, Gleichstrom in Wechselstrom, Wechselstrom in Wechselstrom anderer Frequenz und/oder Amplitude oder Gleichstrom in Gleichstrom anderer Spannung umgewandelt werden.Power converters are power electronic circuits for converting electrical energy. With converters, AC can be converted to DC, DC to AC, AC to AC of other frequency and / or amplitude or DC to DC other voltage.

Beim Betrieb eines Stromrichters können sich die Leistungshalbleiterbauelemente stark erwärmen. Daher muss für eine ausreichende Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente gesorgt werden. Dies trifft insbesondere auf Stromrichter von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen zu, über die große elektrische Leistungen übertragen werden.During operation of a power converter, the power semiconductor components can become very hot. Therefore, sufficient cooling of the power semiconductor devices must be ensured. This applies in particular to power converters of high-voltage direct current transmission systems, over which large electrical power is transmitted.

Zur Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente ist eine Kühlung mit Reinstwasser bzw. deionisiertem Wasser denkbar. Aufgrund der relativ großen spezifischen Wärmekapazität von Wasser lassen sich damit Leistungshalbleiterbauelemente effektiv kühlen. Aufgrund der hohen auftretenden elektrischen Spannungen muss jedoch ständig dafür gesorgt werden, dass das Wasser rein bleibt, damit es die benötigte geringe elektrische Leitfähigkeit behält. Daher müssen beispielsweise wiederholt störende Ionen (welche im Laufe der Zeit das Wasser verunreinigen) aus dem Wasser entfernt werden (Deionisierung). Weiterhin sind Vorkehrungen zu treffen, damit das Wasser bei Umgebungstemperaturen unter 0°C nicht einfrieren kann.For cooling the power semiconductor components cooling with ultrapure water or deionized water is conceivable. Due to the relatively large specific heat capacity of water, power semiconductor components can thus be effectively cooled. Due to the high electrical voltages that occur, however, care must always be taken to keep the water clean so that it retains the required low electrical conductivity. Therefore, for example, repeatedly disturbing ions (which contaminate the water over time) must be removed from the water (deionization). Furthermore, precautions must be taken so that the water can not freeze at ambient temperatures below 0 ° C.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter anzugeben, bei dem der Aufwand für die Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente verringert ist.The invention has for its object to provide a power converter, in which the cost of cooling the power semiconductor devices is reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Stromrichter nach dem unabhängigen Patentanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen des Stromrichters sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a power converter according to the independent claim. Advantageous embodiments of the power converter are specified in the dependent claims.

Offenbart wird ein Stromrichter (insbesondere ein Stromrichter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage)

- mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen und
- mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Leistungshalbleiterbauelemente mit einem flüssigen Kühlmittel, wobei
- das flüssige Kühlmittel ein wasserfreies flüssiges Kühlmittel ist. Die Leistungshalbleiterbauelemente können beispielsweise Leistungsdioden, Thyristoren oder IGBT (insulated-gate bipolar transistor) sein. Die Leistungshalbleiterbauelemente sind also mittels einer wasserfreien Flüssigkeitskühlung gekühlt. Ein solcher Stromrichter kann insbesondere ein Gleichrichter oder ein Wechselrichter in der Hochspannungstechnik sein.

Disclosed is a power converter (in particular a power converter of a high-voltage direct-current transmission system)

- With a plurality of power semiconductor devices and
- With a cooling device for cooling the power semiconductor devices with a liquid coolant, wherein
- The liquid coolant is an anhydrous liquid coolant. The power semiconductor components may be, for example, power diodes, thyristors or IGBTs (insulated-gate bipolar transistor). The power semiconductor components are thus cooled by anhydrous liquid cooling. Such a power converter may in particular be a rectifier or an inverter in high voltage engineering.

Die Nutzung des wasserfreien flüssigen Kühlmittels weist eine Reihe von Vorteilen auf: Es ist keine Deionisierung des Wassers notwendig, somit ergeben sich verringerte Wartungsintervalle. Das Kühlmittel kann Temperaturen größer als 100°C annehmen, ohne dass sich Dampf bildet (wasserdampffreies Kühlmittel). Aufgrund des wasserfreien flüssigen Kühlmittels entsteht weniger Korrosion, als durch ein wasserhaltiges flüssiges Kühlmittel entstehen würde. Weiterhin besteht keine Gefahr von Eisbildung bei Temperaturen unter 0°C, so dass beispielsweise eine Einkreiskühlung realisiert werden kann, bei der das Kühlmittel durch kalte Umgebungsluft (die auch kälter als 0°C sein darf) abgekühlt wird.The use of the anhydrous liquid coolant has a number of advantages: no deionization of the water is necessary, thus resulting in reduced maintenance intervals. The coolant can reach temperatures greater than 100 ° C without forming steam (water vapor-free coolant). Due to the anhydrous liquid coolant is less corrosion, as would be caused by a water-containing liquid coolant. Furthermore, there is no risk of ice formation at temperatures below 0 ° C, so that, for example, a single-circuit cooling can be realized in which the coolant is cooled by cold ambient air (which may also be colder than 0 ° C).

Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass das Kühlmittel eine elektrische Leitfähigkeit kleiner als 0,5 µS/cm, insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit kleiner als 0,2 µS/cm, aufweist. Mit einem derartigen Kühlmittel können problemlos Leistungshalbleiterbauelemente eines Stromrichters einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage gekühlt werden.The power converter can be configured such that the coolant has an electrical conductivity of less than 0.5 μS / cm, in particular an electrical conductivity of less than 0.2 μS / cm. With such a coolant power semiconductor components of a power converter of a high voltage DC transmission system can be cooled easily.

Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass das Kühlmittel ein Ester oder ein Öl, insbesondere ein Mineralöl, aufweist (oder ein derartiges Ester oder Öl ist). Flüssige Ester oder Öle sind kostengünstig am Markt verfügbar.The power converter can be designed such that the coolant comprises an ester or an oil, in particular a mineral oil (or is such an ester or oil). Liquid esters or oils are available on the market at low cost.

Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass die Leistungshalbleiterbauelemente thermisch mit dem Kühlmittel gekoppelt sind, indem die Leistungshalbleiterbauelemente jeweils thermisch mit einem Kühlkörper gekoppelt sind und dieser Kühlkörper thermisch mit dem Kühlmittel gekoppelt ist. Dadurch können die Leistungshalbleiterbauelemente die Abwärme über den Kühlkörper an das Kühlmittel abgeben.The power converter can be configured so that the power semiconductor components are thermally coupled to the coolant by the power semiconductor components are each thermally coupled to a heat sink and this heat sink is thermally coupled to the coolant. As a result, the power semiconductor components can deliver the waste heat via the heat sink to the coolant.

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Leistungshalbleiterbauelemente thermisch mit dem Kühlmittel gekoppelt sind, indem die Leistungshalbleiterbauelemente jeweils über eine Heatpipe (Wärmerohr) thermisch mit einem Kühlkörper gekoppelt sind und dieser Kühlkörper thermisch mit dem Kühlmittel gekoppelt ist. Besonders vorteilhaft ist es, jeweils eine Heatpipe zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper zu installieren. Die Abwärme des Leistungshalbleiterbauelements kann von der Heatpipe leicht aufgenommen und (auch über relativ weite Entfernungen) zu dem Kühlkörper transportiert werden. Vom Kühlkörper wird die Abwärme dann an das Kühlmittel abgegeben.The power converter can also be designed so that the power semiconductor components are thermally coupled to the coolant by the power semiconductor devices are each thermally coupled via a heat pipe (heat pipe) with a heat sink and this heat sink is thermally coupled to the coolant. It is particularly advantageous to install a respective heat pipe between the power semiconductor component and the heat sink. The waste heat of the power semiconductor device can easily from the heat pipe recorded and transported (even over relatively long distances) to the heat sink. From the heat sink, the waste heat is then released to the coolant.

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Kühleinrichtung einen Kühlmittel-Kreislauf zur Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente aufweist. Mittels eines Kühlmittelkreislaufs können vorteilhafterweise mehrere Leistungshalbleiterbauelemente gleichzeitig gekühlt werden. The power converter can also be configured such that the cooling device has a coolant circuit for cooling the power semiconductor components. By means of a coolant circuit advantageously a plurality of power semiconductor components can be cooled simultaneously.

Ein Kühlmittelkreislauf ermöglicht außerdem einen effizienten Abtransport der Abwärme der Leistungshalbleiterbauelemente.A coolant circuit also allows efficient removal of the waste heat of the power semiconductor devices.

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Kühleinrichtung eine Kühlmittelpumpe und einen Wärmeübertrager (Wärmetauscher) aufweist. Die Kühlmittelpumpe dient zum Pumpen des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreislauf. Der Wärmeübertrager dient zur Rückkühlung des Kühlmittels, indem der Wärmeübertrager die Abwärme des Kühlmittels an einen anderen Stoff (beispielsweise an der Umgebungsluft) abgibt.The power converter may also be configured such that the cooling device has a coolant pump and a heat exchanger (heat exchanger). The coolant pump is used to pump the coolant through the coolant circuit. The heat exchanger is used for re-cooling of the coolant by the heat exchanger emits the waste heat of the coolant to another substance (for example, in the ambient air).

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Kühleinrichtung einen Überbrückungszweig aufweist, der den Wärmeübertrager überbrückt, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen (ersten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet. Durch diesen Überbrückungszweig wird erreicht, dass zu kaltes Kühlmittel (d. h. Kühlmittel mit einer Temperatur unterhalb des ersten vorbestimmten Temperaturwerts) schnell von den Leistungshalbleiterbauelementen aufgewärmt und auf Betriebstemperatur gebracht wird. Zu kaltes Kühlmittel ist deshalb unvorteilhaft, weil zu kaltes Kühlmittel eine hohe Viskosität aufweist und deshalb unter Umständen zu langsam durch den Kühlmittelkreislauf fließt.The power converter can also be designed such that the cooling device has a bridging branch which bridges the heat exchanger when the temperature of the coolant falls below a (first) predetermined temperature value. This bridging path ensures that excessively cold coolant (i.e., coolant having a temperature below the first predetermined temperature value) is quickly warmed up by the power semiconductor devices and brought to operating temperature. Too cold coolant is therefore unfavorable because too cold coolant has a high viscosity and therefore may flow too slowly through the coolant circuit.

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Kühleinrichtung eine Heizeinrichtung aufweist, die das Kühlmittel erwärmt, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen (zweiten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet. Die Heizeinrichtung ist deshalb vorteilhaft, weil mit der Heizeinrichtung zu kaltes Kühlmittel schnell erwärmt und auf Betriebstemperatur gebracht werden kann.The power converter can also be designed such that the cooling device has a heating device which heats the coolant when the temperature of the coolant falls below a (second) predetermined temperature value. The heater is advantageous because the heater can be heated quickly to cold coolant and brought to operating temperature.

Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass

- der Stromrichter ein Gleichrichter ist und die Leistungshalbleiterbauelemente Leistungsdioden sind, oder
- der Stromrichter ein modularer Multilevelumrichter ist, der eine Mehrzahl von Modulen aufweist, die jeweils mindestens zwei der Leistungshalbleiterbauelemente und einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente elektronische Schaltelemente sind. Das wasserfreie flüssige Kühlmittel kann also mit Vorteil bei verschiedenen Arten von Stromrichtern eingesetzt werden.

The power converter can also be designed so that

- The power converter is a rectifier and the power semiconductor devices are power diodes, or
- The power converter is a modular Multilevelumrichter having a plurality of modules, each having at least two of the power semiconductor components and an electrical energy storage, wherein the power semiconductor components are electronic switching elements. The anhydrous liquid coolant can thus be used with advantage in various types of power converters.

Offenbart wird auch eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage mit einem Stromrichter nach den vorstehend beschriebenen Varianten.Also disclosed is a high-voltage DC transmission system with a power converter according to the variants described above.

Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Kühlen von Leistungshalbleiterbauelementen eines Stromrichters (insbesondere eines Stromrichters einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage), wobei bei dem Verfahren - die Leistungshalbleiterbauelemente mittels eines wasserfreien flüssigen Kühlmittels gekühlt werden.Also disclosed is a method for cooling power semiconductor components of a power converter (in particular a power converter of a high-voltage direct current transmission system), wherein in the method - the power semiconductor components are cooled by means of an anhydrous liquid coolant.

Dieses Verfahren kann so ablaufen, dass

- das flüssige Kühlmittel in einem Kühlmittel-Kreislauf zu den Leistungshalbleiterbauelementen und zu einem Wärmeübertrager (Wärmetauscher) transportiert (insbesondere gepumpt) wird. Der Wärmeübertrager kann insbesondere ein Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertrager (Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher) sein.

This procedure can proceed in such a way that

- The liquid coolant in a coolant circuit to the power semiconductor devices and to a heat exchanger (heat exchanger) transported (in particular pumped) is. The heat exchanger may in particular be a liquid-air heat exchanger (liquid-air heat exchanger).

Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass

- der Wärmeübertrager (mittels eines Überbrückungszweigs) überbrückt wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen (ersten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, so dass mindestens ein Teil des Kühlmittels unter Umgehung des Wärmeübertragers durch den Kühlmittel-Kreislauf transportiert (insbesondere gepumpt) wird.

The procedure can also be such that

- The heat exchanger (by means of a bridging branch) is bridged when the temperature of the coolant falls below a (first) predetermined temperature value, so that at least a portion of the coolant, bypassing the heat exchanger through the coolant circuit is transported (in particular pumped).

Das Verfahren kann so ablaufen, dass

- das Kühlmittel (mittels einer Heizeinrichtung) erwärmt wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen (zweiten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, so dass die Viskosität des Kühlmittels verringert wird.

The process can proceed in such a way that

- The coolant (by means of a heater) is heated when the temperature of the coolant falls below a (second) predetermined temperature value, so that the viscosity of the coolant is reduced.

Der beschriebene Stromrichter und das beschriebene Verfahren weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf.The described power converter and the described method have the same or similar advantages.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleich wirkende Elemente. Dazu ist in

1 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters, der eine Vielzahl von Modulen aufweist, in
2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls, in
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls, in
4 ein Ausführungsbeispiel einer thermischen Kopplung zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und einem Kühlkörper, in
5 ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage, in
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls, und in
7 ein beispielhafter Ablauf des Verfahrens zum zum Kühlen von Leistungshalbleiterbauelementen eines Stromrichters einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage

dargestellt.In the following the invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments. The same reference numbers refer to the same or equivalent elements. This is in

1 an embodiment of a power converter having a plurality of modules, in
2 an embodiment of a module, in
3 a further embodiment of a module, in
4 an embodiment of a thermal coupling between a power semiconductor device and a heat sink, in
5 an embodiment of a high voltage DC transmission system, in
6 another embodiment of a module, and in
7 an exemplary sequence of the method for cooling power semiconductor components of a power converter of a high-voltage DC transmission system

shown.

In 1 ist ein Stromrichter 1 (Hochspannungs-Stromrichter 1) in Form eines modularen Multilevelstromrichters 1 (modular multilevel converter, MMC) dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten Wechselspannungs¬anschluss 7 und einen dritten Wechselspannungsanschluss 9 auf. Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Phasenmodulzweig 13 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11 und der zweite Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten Gleichspannungs¬anschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungs¬anschluss 16 ist ein positiver Gleichspannungsanschluss; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss.In 1 is a power converter 1 (High-voltage power converters 1 ) in the form of a modular Multilevelstromrichters 1 (modular multilevel converter, MMC). This multilevel converter 1 has a first AC voltage connection 5 , a second AC voltage connection 7 and a third AC voltage terminal 9 on. The first AC voltage connection 5 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13 connected. The first phase module branch 11 and the second phase module branch 13 form a first phase module 15 of the power converter 1 , That the first AC voltage connection 5 opposite end of the first phase module branch 11 is with a first DC voltage connection 16 electrically connected; that the first AC voltage connection 5 opposite end of the second phase module branch 13 is with a second DC voltage connection 17 electrically connected. The first DC voltage connection 16 is a positive DC voltage connection; the second DC voltage connection 17 is a negative DC voltage connection.

Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 21 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte Wechselspannungs¬anschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften Phasenmodulzweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten Phasenmodulzweigs 29 elektrisch verbunden. Der fünfte Phasenmodulzweig 27 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31.The second AC voltage connection 7 is at one end of a third phase module branch 18 and with one end of a fourth phase module branch 21 electrically connected. The third phase module branch 18 and the fourth phase module branch 21 form a second phase module 24 , The third AC voltage terminal 9 is connected to one end of a fifth phase module branch 27 and with one end of a sixth phase module branch 29 electrically connected. The fifth phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31 ,

Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 18 und das dem dritten Wechselspannungs¬anschluss 9 abgewandte Ende des fünften Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasenmodulzweigs 21 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33.That the second AC voltage connection 7 opposite end of the third phase module branch 18 and the end of the fifth phase module branch facing away from the third AC voltage terminal 9 27 are with the first DC voltage connection 16 electrically connected. That the second AC voltage connection 7 opposite end of the fourth phase module branch 21 and the third AC voltage terminal 9 opposite end of the sixth phase module branch 29 are with the second DC voltage connection 17 electrically connected. The first phase module branch 11 , the third phase module branch 18 and the fifth phase module branch 27 form a positive-side converter part 32 ; the second phase module branch 13 , the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29 form a negative-side converter part 33 ,

Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... 1_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind zwei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 3, 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste Phasenmodulzweig 11 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36 auf. Die anderen Phasenmodulzweige 13, 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig aufgebaut.Each phase module branch has a plurality of modules ( 1_1 . 1_2 . 1_3 . 1_4 ... 1_n; 2_1 ... 2_n; etc.), which are electrically connected in series (by means of their galvanic power connections). Such modules are also referred to as submodules. In the embodiment of 1 Each phase module branch has n modules. The number of electrically connected in series by means of their galvanic power connections modules can be very different, at least two modules are connected in series, but it can also be, for example, 3, 50, 100 or more modules connected electrically in series. In the exemplary embodiment, n = 36: the first phase module branch 11 has 36 modules 1_1 . 1_2 . 1_3 , ... 1_36 on. The other phase module branches 13 . 18 . 21 . 27 and 29 are similar.

Von einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung des Stromrichters 1 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über eine optische Kommunikationsverbindung (zum Beispiel über einen Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Modulen 1_1 bis 6_n übertragen. Beispielsweise sendet die Steuereinrichtung an die einzelnen Module jeweils einen Sollwert zur Höhe der Ausgangsspannung, die das jeweilige Modul bereitstellen soll.From a (not shown) control device of the power converter 1 Optical messages or optical signals via an optical communication link (for example via an optical waveguide) to the individual modules 1_1 to 6_n transfer. For example, the control device sends to the individual modules in each case a desired value for the amount of the output voltage that is to provide the respective module.

Der beschriebene modulare Multilevelstromrichter weist also eine Vielzahl der genannten gleichartigen Module auf, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Durch die elektrische Reihenschaltung der Module lassen sich hohe Ausgangsspannungen erreichen. Der Stromrichter ist einfach an unterschiedliche Spannungen anpassbar (skalierbar) und eine gewünschte Ausgangsspannung kann relativ genau erzeugt werden. Modulare Multilevelstromrichter werden oftmals im Hochspannungsbereich eingesetzt, beispielsweise als Stromrichter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage.The described modular multilevel converter thus has a multiplicity of the aforementioned identical modules, which are electrically connected in series. The electrical series connection of the modules can achieve high output voltages. The power converter is easily adaptable to different voltages (scalable) and a desired output voltage can be generated relatively accurately. Modular multilevel converters are often used in the high voltage range, for example as converters of a high-voltage DC transmission system.

In den Modulen 1_1, 1_2, 1_3 usw. sind Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet. Die Leistungshalbleiterbauelemente sind also in mehreren Phasenmodulen 15, 24, 31 angeordnet, wobei jedes Phasenmodul 15, 24, 31 einen Wechselspannungsanschluss 5, 7, 9 und mindestens einen Gleichspannungsanschluss 16, 17 (insbesondere zwei Gleichspannungsanschlüsse 16, 17) aufweist.In the modules 1_1 . 1_2 . 1_3 etc., power semiconductor devices are arranged. The power semiconductor components are therefore in several phase modules 15 . 24 . 31 arranged, each one phase module 15 . 24 . 31 an AC voltage connection 5 . 7 . 9 and at least one DC voltage connection 16 . 17 (in particular two DC voltage connections 16 . 17 ) having.

Der Stromrichter 1 weist eine Kühleinrichtung 50 auf. Die Kühleinrichtung 50 weist einen Kühlmittelbehälter 52, eine Pumpe 54 (Kühlmittel-Pumpe 54), eine Heizeinrichtung 55, einen Wärmeübertrager 56 (Wärmetauscher 56) und ein Dreiwegeventil 57 auf. Parallel zum Wärmeübertrager 56 ist ein Überbrückungszweig 58 angeordnet. Mittels des Dreiwegeventils 57 lässt sich die Menge des Kühlmittels einstellen, die (unter Umgehung des Wärmeübertragers 56) durch den Überbrückungszweig 58 fließt. Die Heizeinrichtung 55 ist optional, sie kann auch weggelassen werden. Das Dreiwegeventil 57 und der Überbrückungszweig 58 sind auch optional, sie können auch weggelassen werden.The power converter 1 has a cooling device 50 on. The cooling device 50 has a coolant tank 52 , a pump 54 (Coolant pump 54 ), a heater 55 , a heat exchanger 56 (Heat exchanger 56 ) and a three-way valve 57 on. Parallel to the heat exchanger 56 is a bridging branch 58 arranged. By means of the three-way valve 57 you can adjust the amount of coolant that (bypassing the heat exchanger 56 ) through the bridging branch 58 flows. The heater 55 is optional, it can be omitted. The three-way valve 57 and the bridging branch 58 are also optional, they can also be omitted.

Der Kühlmittelbehälter 52, die Pumpe 54, die Heizeinrichtung 55, der Wärmeübertrager 56 und das Dreiwegeventil 57 sind durch Kühlmittelleitungen 60 mit den einzelnen Modulen 1_1 ... 1_n, 3_1 ... 3_n, usw. des Stromrichters 1 verbunden. (Die Kühlmittelleitungen 60 sind im Ausführungsbeispiel mittels zweier paralleler Linien in der Art eines Rohres dargestellt. Die elektrischen Leitungen des Stromrichters sind dagegen jeweils mittels einer einzelnen Linie dargestellt.) So ist beispielsweise das Dreiwegeventil 57 über eine Hin-Kühlmittelleitung 60a mit dem Modul 1_1 verbunden; das Modul 1_1 ist über eine Kühlmittelleitung 60b mit dem Modul 1_2 verbunden; und das Modul 1_2 ist über eine Kühlmittelleitung 60c mit dem Modul 1 3 verbunden. In gleicher Art und Weise ist das Modul 1_3 mit dem nächstfolgenden Modul 1_4 (nicht dargestellt) über eine Kühlmittelleitung 60 verbunden und so weiter. Das letzte Modul 1_n des Phasenmodulzweigs 11 ist über eine Rück-Kühlmittelleitung 60d mit dem Kühlmittelbehälter 52 verbunden. Der Kühlmittelbehälter 52 ist über eine Kühlmittelleitung 60 mit der Pumpe 54 verbunden; die Pumpe 54 ist über eine Kühlmittelleitung 60 mit der Heizeinrichtung 55 verbunden und die Heizeinrichtung 55 ist über eine Kühlmittelleitung 60 mit dem Wärmeübertrager 56 verbunden. Der Wärmeübertrager 56 ist über eine Kühlmittelleitung 60 mit dem Dreiwegeventil 57 verbunden.The coolant tank 52 , the pump 54 , the heater 55 , the heat exchanger 56 and the three-way valve 57 are through coolant lines 60 with the individual modules 1_1 ... 1_n . 3_1 ... 3-n , etc. of the power converter 1 connected. (The coolant lines 60 are shown in the embodiment by means of two parallel lines in the manner of a tube. The electrical lines of the power converter, however, are each represented by a single line.) For example, the three-way valve 57 via a return coolant line 60a with the module 1_1 connected; the module 1_1 is via a coolant line 60b with the module 1_2 connected; and the module 1_2 is via a coolant line 60c with the module 1 3 connected. In the same way is the module 1_3 with the next module 1_4 (not shown) via a coolant line 60 connected and so on. The last module 1_n of the phase module branch 11 is via a return coolant line 60d with the coolant tank 52 connected. The coolant tank 52 is via a coolant line 60 with the pump 54 connected; the pump 54 is via a coolant line 60 with the heater 55 connected and the heater 55 is via a coolant line 60 with the heat exchanger 56 connected. The heat exchanger 56 is via a coolant line 60 with the three-way valve 57 connected.

In dem Kühlmittelbehälter 52 befindet sich ein Vorrat an Kühlmittel 70. Das Kühlmittel 70 kann aus dem Kühlmittelbehälter 52 mittels der Pumpe 54 durch den Wärmeübertrager 56, durch die Module 1_1 ... 1 n des ersten Phasenmodulzweigs 11 und danach wieder zurück zum Kühlmittelbehälter 52 gepumpt werden. Somit weist die Kühleinrichtung 50 einen Kühlmittelkreislauf 72 auf. An den Kühlmittelkreislauf 72 sind auch die Module 3_1 ... 3_n des dritten Phasenmodulzweigs 18 und die Module 5_1 ... 5_n des fünften Phasenmodulzweigs 27 angeschlossen. Mittels des Kühlmittelkreislaufs 72 können also in den Modulen angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente gleichzeitig gekühlt werden.In the coolant tank 52 there is a supply of coolant 70 , The coolant 70 can from the coolant tank 52 by means of the pump 54 through the heat exchanger 56 through the modules 1_1 ... 1 n of the first phase module branch 11 and then back to the coolant tank 52 be pumped. Thus, the cooling device 50 a coolant circuit 72 on. To the coolant circuit 72 are also the modules 3_1 ... 3-n of the third phase module branch 18 and the modules 5_1 ... 5_N of the fifth phase module branch 27 connected. By means of the coolant circuit 72 Thus, arranged in the modules power semiconductor devices can be cooled simultaneously.

Das Kühlmittel 70 ist ein wasserfreies flüssiges Kühlmittel 70. Das wasserfreie flüssige Kühlmittel 70 kann insbesondere ein Ester (beispielsweise der als solches bekannte Ester Midel 7131) oder ein Öl sein. Das Öl kann zum Beispiel ein Mineralöl oder ein Pflanzenöl sein. Als Kühlmittel 70 kann zum Beispiel ein als solches bekanntes Öl verwendet werden, wie es bei ölisolierten Transformatoren zu Isolierzwecken eingesetzt wird. Beispiele für solche Öle sind Öle mit der Bezeichnung ,Diala‘ der Firma Shell oder Öle mit der bezeichnung ,Nytro‘ der Firma Nynas.The coolant 70 is an anhydrous liquid coolant 70 , The anhydrous liquid coolant 70 For example, an ester (for example the ester Midel 7131 ) or an oil. The oil may be, for example, a mineral oil or a vegetable oil. As a coolant 70 For example, an oil known as such may be used, as it is used in oil-insulated transformers for insulation purposes. Examples of such oils are oils with the name "Diala" from Shell or oils with the name "Nytro" from Nynas.

Die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels 70 ist vorteilhafter kleiner als 0,5 µS/cm, insbesondere kleiner als 0,2 pS/cm. Solch ein Kühlmittel kann problemlos bei einem Hochspannungs-Stromrichter bzw. bei einem Stromrichter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage (zum Beispiel bei Spannungen zwischen 100 kV und 500 kV) eingesetzt werden.The electrical conductivity of the coolant 70 is more advantageously less than 0.5 μS / cm, in particular less than 0.2 pS / cm. Such a coolant can be easily used in a high-voltage power converter or in a converter of a high-voltage direct-current transmission system (for example, at voltages between 100 kV and 500 kV).

Zur Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente der Module des zweiten Phasenmodulzweigs 13, des vierten Phasenmodulzweigs 21 und des sechsten Phasenmodulzweigs 29 existiert eine weitere Kühleinrichtung 80. Diese weitere Kühleinrichtung 80 ist identisch aufgebaut zu der Kühleinrichtung 50 des ersten, dritten und fünften Phasenmodulzweigs 11, 18 und 27. Selbstverständlich können auch sämtliche Module des Stromrichters 1 mittels einer einzigen Kühleinrichtung (d. h. mittels eines einzigen Kühlmittelbehälters 52, einer einzigen Pumpe 54 und eines einzigen Wärmeübertragers 56) gekühlt werden. Alternativ ist es auch möglich, mehr als zwei Kühleinrichtungen zur Kühlung der Module des Stromrichters 1 einzusetzen.For cooling the power semiconductor components of the modules of the second phase module branch 13 , the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29 There is another cooling device 80 , This further cooling device 80 is identical to the cooling device 50 the first, third and fifth phase module branch 11 . 18 and 27 , Of course, all modules of the power converter can 1 by means of a single cooling device (ie by means of a single coolant tank 52 , a single pump 54 and a single heat exchanger 56 ) are cooled. Alternatively, it is also possible to have more than two cooling devices for cooling the modules of the power converter 1 use.

Der Kühlmittelbehälter 52 enthält einen Vorrat des Kühlmittels 70. Der Kühlmittelbehälter 52 ist optional: das Kühlmittel kann auch in ausreichender Menge in den Kühlmittelleitungen 60, in der Pumpe 54 und im Wärmeübertrager 56 vorhanden sein.The coolant tank 52 contains a supply of coolant 70 , The coolant tank 52 is optional: the coolant can also be present in sufficient quantities in the coolant lines 60 in the pump 54 and in the heat exchanger 56 to be available.

Optional ist Folgendes vorgesehen: Wenn das Kühlmittel einen (ersten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, dann überbrückt der Überbrückungszweig 58 den Wärmeübertrager 56. Dies wird dadurch erreicht, dass das Dreiwegeventil 57 so angesteuert wird, dass das Dreiwegeventil 57 das Kühlmittel 70 (teilweise oder vollständig) durch den Überbrückungszweig 58 leitet, wodurch das Kühlmittel 70 an dem Wärmeübertrager 56 vorbeigeleitet wird. Es wird dann also mindestens ein Teil des flüssigen Kühlmittels 70 unter Umgehung des Wärmeübertragers 56 durch den Kühlmittel-Kreislauf 72 transportiert (insbesondere gepumpt). Dadurch erwärmt sich das Kühlmittel 70 durch die Abwärme der Leistungshalbleiterbauelemente schneller (als bei Durchfließen des Wärmeübertragers 56) und wird schnell auf eine Temperatur größer des (ersten) vorbestimmten Temperaturwerts erwärmt. Dadurch verringert sich die Viskosität des Kühlmittels 70, so dass das Kühlmittel 70 leichter durch den Kühlkreislauf 72 fließen kann. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass wasserfreie flüssige Kühlmittel oftmals bei niedrigen Temperaturen eine höhere Viskosität aufweisen als Wasser und dass die wasserfreien flüssigen Kühlmittel deshalb bei niedrigen Temperaturen schlechter durch die Kühleinrichtung 50 fließen als Wasser. Dieser mögliche Nachteil des wasserfreien flüssigen Kühlmittels wird durch den Überbrückungszweig 58 vermindert.Optionally, the following is provided: If the coolant falls below a (first) predetermined temperature value, then the bridging branch bridges 58 the heat exchanger 56 , This is achieved by using the three-way valve 57 is controlled so that the three-way valve 57 the coolant 70 (partially or completely) through the bridging branch 58 conducts, eliminating the coolant 70 at the heat exchanger 56 is bypassed. It then becomes at least a part of the liquid coolant 70 bypassing the heat exchanger 56 through the coolant circuit 72 transported (in particular pumped). Warms up the coolant 70 due to the waste heat of the power semiconductor components faster (than when flowing through the heat exchanger 56 ) and is rapidly heated to a temperature greater than the (first) predetermined temperature value. This reduces the viscosity of the coolant 70 so that the coolant 70 easier through the cooling circuit 72 can flow. Namely, it has been found that anhydrous liquid coolants often have a higher viscosity than water at low temperatures and that the anhydrous liquid coolants are therefore inferior at low temperatures by the cooler 50 flow as water. This potential disadvantage of the anhydrous liquid coolant is due to the bridging branch 58 reduced.

Weiterhin ist optional Folgendes vorgesehen: Wenn das Kühlmittel einen (zweiten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, dann wird das Kühlmittel 70 mittels der Heizeinrichtung 55 erwärmt. Dadurch erwärmt sich das Kühlmittel 70 auf eine Temperatur größer des (zweiten) vorbestimmten Temperaturwerts. Dadurch verringert sich die Viskosität des Kühlmittels 70, so dass das Kühlmittel 70 leichter durch den Kühlkreislauf 72 fließen kann. Der erste vorbestimmte Temperaturwert kann dabei gleich dem zweiten vorbestimmten Temperaturwert sein. Der erste vorbestimmte Temperaturwert kann dabei aber auch ungleich dem zweiten vorbestimmten Temperaturwert sein. Beispielsweise kann der erste vorbestimmte Temperaturwert größer als der zweite vorbestimmte Temperaturwert sein.Furthermore, the following is optionally provided: If the coolant falls below a (second) predetermined temperature value, then the coolant 70 by means of the heater 55 heated. As a result, the coolant heats up 70 to a temperature greater than the (second) predetermined temperature value. This reduces the viscosity of the coolant 70 so that the coolant 70 easier through the cooling circuit 72 can flow. The first predetermined temperature value may be equal to the second predetermined temperature value. However, the first predetermined temperature value can also be unequal to the second predetermined temperature value. For example, the first predetermined temperature value may be greater than the second predetermined temperature value.

In gleicher Art und Weise können auch Leistungshalbleiterbauelemente anderer Stromrichter gekühlt werden, beispielsweise Thyristoren von Thyristor-Stromrichtern.In the same way, power semiconductor components of other power converters can also be cooled, for example thyristors of thyristor power converters.

In 2 ist beispielhaft der Aufbau eines Moduls 201 dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um das Modul 1_1 des ersten Phasenmodulzweigs 11 (oder auch um eines der anderen in 1 dargestellten Module) handeln. Das Modul ist als ein Halbbrückenmodul 201 ausgestaltet. Das Modul 201 weist ein erstes ein- und abschaltbares elektronisches Schaltelement 202 (erstes elektronisches Schaltelement 202) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 (erste Freilaufdiode 204) auf. Weiterhin weist das Modul 201 ein zweites ein- und abschaltbares elektronisches Schaltelement 206 (zweites elektronisches Schaltelement 206) mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 (zweite Freilaufdiode 208) und einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines elektrischen Kondensators 210 auf. Das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 sind jeweils als ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste elektronische Schaltelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster (galvanischer) Modulanschluss 212 angeordnet. An dem Anschluss des zweiten Schaltelements 206, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter (galvanischer) Modulanschluss 215 angeordnet. Der zweite Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem Anschluss des ersten Schaltelements 202, der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt.In 2 is an example of the structure of a module 201 shown. This may be, for example, the module 1_1 of the first phase module branch 11 (or to one of the others in 1 represented modules) act. The module is as a half-bridge module 201 designed. The module 201 has a first switchable on and off electronic switching element 202 (first electronic switching element 202 ) with a first antiparallel connected diode 204 (first freewheeling diode 204 ) on. Furthermore, the module has 201 a second switchable on and off electronic switching element 206 (second electronic switching element 206 ) with a second antiparallel connected diode 208 (second freewheeling diode 208 ) and an electrical energy storage 210 in the form of an electrical capacitor 210 on. The first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are each configured as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor). The first electronic switching element 202 is electrically connected in series with the second electronic switching element 206 , At the connection point between the two electronic switching elements 202 and 206 is a first (galvanic) module connection 212 arranged. At the connection of the second switching element 206 , which is opposite to the connection point, is a second (galvanic) module connection 215 arranged. The second module connection 215 is still with a first connection of the energy storage 210 connected; a second connection of the energy storage 210 is electrically connected to the terminal of the first switching element 202 which is opposite to the connection point.

Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten Schaltelement 202 und dem zweiten Schaltelement 206. Durch entsprechende Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 entweder die Spannung des Energiespeichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird). Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden. Die Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 erfolgt im Ausführungsbeispiel mittels der (oben erwähnten) von der Steuereinrichtung des Stromrichters zu dem Modul übertragenen Nachricht bzw. Signal.The energy storage 210 is thus electrically connected in parallel with the series circuit of the first switching element 202 and the second switching element 206 , By appropriate control of the first switching element 202 and the second switching element 206 can be achieved that between the first module connection 212 and the second module connection 215 either the voltage of the energy store 210 is output or no voltage is output (ie a zero voltage is output). By interaction of the modules of the individual phase module branches so the respective desired output voltage of the converter can be generated. The control of the first switching element 202 and the second switching element 206 takes place in the embodiment by means of the (above-mentioned) transmitted from the controller of the power converter to the module message or signal.

Das erste elektronische Schaltelement 202 ist mit einem ersten Schaltelement-Kühlkörper 220 versehen; das zweite elektronische Schaltelement 206 ist mit einem zweiten Schaltelement-Kühlkörper 222 versehen. Die erste Freilaufdiode 204 ist mit einem ersten Dioden-Kühlkörper 226 versehen; die zweite Freilaufdiode 208 ist mit einem zweiten Dioden-Kühlkörper 228 ausgestattet.The first electronic switching element 202 is with a first switching element heat sink 220 Provided; the second electronic switching element 206 is with a second switching element heat sink 222 Provided. The first freewheeling diode 204 is with a first diode heat sink 226 Provided; the second freewheeling diode 208 is with a second diode heatsink 228 fitted.

Die Kühlkörper 220, 222, 226 und 228 stehen in einem engen thermischen Kontakt mit dem jeweiligen Bauelement und sind in der Lage, die in dem Bauelement entstehende Abwärme aufzunehmen und an das flüssige Kühlmittel 70 weiterzuleiten. Daher stehen die Kühlkörper 220, 222, 226 und 228 jeweils in engem thermischen Kontakt (thermische Kopplung) mit dem Kühlmittel 70. So sind die Leistungshalbleiterbauelemente (hier also das erste elektronische Schaltelement 202, das zweite elektronische Schaltelement 206, die erste Freilaufdiode 204 und die zweite Freilaufdiode 208) thermisch mit dem Kühlmittel 70 gekoppelt.The heat sinks 220 . 222 . 226 and 228 are in close thermal contact with the respective component and are able to absorb the waste heat generated in the component and to the liquid coolant 70 forward. Therefore, the heatsinks stand 220 . 222 . 226 and 228 each in close thermal contact (thermal coupling) with the coolant 70 , Thus, the power semiconductor components (in this case the first electronic switching element 202 , the second electronic switching element 206 , the first freewheeling diode 204 and the second free-wheeling diode 208 ) thermally with the coolant 70 coupled.

Die Kühlkörper sind in den Figuren lediglich schematisch dargestellt. Die Kühlkörper können kühlmitteldurchströmte (flüssigkeitsdurchströmte) Kühlkörper sein (d.h. die Kühlkörper weisen kühlmitteldurchströmte Kanäle auf). Die Kühlkörper können jeweils aus massivem Metall bestehen, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium.The heat sinks are shown only schematically in the figures. The heat sinks can be coolant-flowed ( liquid flow) heat sink (ie, the heat sinks have coolant flowed through channels). The heat sinks may each consist of solid metal, for example copper or aluminum.

Im unteren Teil der 2 ist mittels eines Pfeils 236 das in das Modul 201 hineinströmende Kühlmittel 70 dargestellt; im oberen Teil der 2 ist mittels eines Pfeils 238 das aus dem Modul 201 herausströmende Kühlmittel 70 dargestellt. Mittels des durch das Modul 201 strömenden Kühlmittels 70 können also das erste elektronische Schaltelement 202, das zweite elektronische Schaltelement 206, die erste Freilaufdiode 204 und die zweite Freilaufdiode 208 gekühlt werden. Alternativ ist es natürlich auch möglich, dass mittels des Kühlmittels 70 nur einzelne Bauelemente des Moduls gekühlt werden, beispielsweise nur das erste elektronische Schaltelement 202 und/oder das zweite elektronische Schaltelement 206. In diesem Fall können für die Kühlung der anderen Bauteile andere Kühlmöglichkeiten vorhanden sein, beispielsweise ein eigener Kühlmittel-Kreislauf.In the lower part of the 2 is by means of an arrow 236 that in the module 201 inflowing coolant 70 shown; in the upper part of the 2 is by means of an arrow 238 that from the module 201 outflowing coolant 70 shown. By means of through the module 201 flowing coolant 70 So can the first electronic switching element 202 , the second electronic switching element 206 , the first freewheeling diode 204 and the second free-wheeling diode 208 be cooled. Alternatively, it is of course also possible that by means of the coolant 70 only individual components of the module are cooled, for example, only the first electronic switching element 202 and / or the second electronic switching element 206 , In this case, other cooling options may be present for the cooling of the other components, for example a separate coolant circuit.

Das Kühlmittel 70 nimmt die Abwärme des ersten elektronischen Schaltelements 202, des zweiten elektronischen Schaltelements 206, der ersten Freilaufdiode 204 und der zweiten Freilaufdiode 208 auf. Das Kühlmittel 70 transportiert die aufgenommene Abwärme zu dem Wärmeübertrager 56. Der Wärmeübertrager 56 gibt die Abwärme des Kühlmittels an die Umgebungsluft ab (vorzugsweise gibt der Wärmeübertrager 56 die Abwärme an die Umgebungsluft außerhalb des Stromrichtergebäudes ab).The coolant 70 takes the waste heat of the first electronic switching element 202 , the second electronic switching element 206 , the first free-wheeling diode 204 and the second freewheeling diode 208 on. The coolant 70 transports the absorbed waste heat to the heat exchanger 56 , The heat exchanger 56 gives off the waste heat of the coolant to the ambient air (preferably gives the heat exchanger 56 the waste heat to the ambient air outside the converter building).

In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 301 des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Bei diesem Modul 301 kann es sich beispielsweise um das Modul 1_2 (oder auch um eines der anderen in 1 dargestellten Module) handeln. Neben den bereits aus 2 bekannten ersten elektronischen Schaltelement 202, zweiten elektronischen Schaltelement 206, erster Freilaufdiode 204, zweiter Freilaufdiode 208 und Energiespeicher 210 weist das in 3 dargestellte Modul 301 ein drittes elektronisches Schaltelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 304 sowie ein viertes elektronisches Schaltelement 306 mit einer vierten antiparallel geschalteten Freilaufdiode 308 auf. Das dritte elektronische Schaltelement 302 und das vierte elektronische Schaltelement 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Schaltung der 2 ist der zweite Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten elektronischen Schaltelement 302 und dem vierten elektronischen Schaltelement 306.In 3 is another embodiment of a module 301 of the modular multilevel converter 1 shown. In this module 301 For example, it may be the module 1_2 (or to one of the others in 1 represented modules) act. In addition to the already out 2 known first electronic switching element 202 , second electronic switching element 206 , first freewheeling diode 204 , second freewheeling diode 208 and energy storage 210 has the in 3 illustrated module 301 a third electronic switching element 302 with an anti-parallel third free-wheeling period 304 and a fourth electronic switching element 306 with a fourth anti-parallel connected freewheeling diode 308 on. The third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 are each configured as an IGBT. Unlike the circuit of 2 is the second module connection 315 not with the second electronic switching element 206 electrically connected, but with a center of an electrical series circuit of the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 ,

Das Modul 301 der 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken-Modul 301. Dieses Vollbrücken-Modul 301 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier elektronischen Schaltelemente zwischen dem ersten (galvanischen) Modulanschluss 212 und dem zweiten (galvanischen) Modulanschluss 315 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 210, die negative Spannung des Energiespeichers 210 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 301 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der Stromrichter 1 kann entweder nur Halbbrücken-Module 201, nur Vollbrücken-Module 301 oder auch Halbbrücken-Module 201 und Vollbrücken-Module 301 aufweisen. Über den ersten Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 215, 315 fließen große elektrische Ströme des Stromrichters.The module 301 the 3 is a so-called full bridge module 301 , This full bridge module 301 is characterized by the fact that with appropriate control of the four electronic switching elements between the first (galvanic) module connection 212 and the second (galvanic) module connection 315 Optionally either the positive voltage of the energy storage 210 , the negative voltage of the energy store 210 or a voltage of zero (zero voltage) can be output. Thus, therefore, by means of the full bridge module 301 the polarity of the output voltage can be reversed. The power converter 1 can either only half-bridge modules 201 , only full bridge modules 301 or half-bridge modules 201 and full bridge modules 301 respectively. Via the first module connection 212 and the second module connection 215 . 315 large electrical currents of the converter flow.

Bei dem Ausführungsbeispiel des Moduls 301 werden neben dem ersten elektronischen Schaltelement 202, dem zweiten elektronischen Schaltelement 206, der ersten Freilaufdiode 204 und der zweiten Freilaufdiode 208 zusätzlich auch das dritte elektronische Schaltelement 302, das vierte elektronische Schaltelement 306, die dritte Freilaufdiode 304 sowie die vierte Freilaufdiode 308 mittels des Kühlmittels 70 des Kühlmittelkreislaufs 72 gekühlt.In the embodiment of the module 301 Be next to the first electronic switching element 202 , the second electronic switching element 206 , the first free-wheeling diode 204 and the second freewheeling diode 208 in addition, the third electronic switching element 302 , the fourth electronic switching element 306 , the third free-wheeling diode 304 and the fourth freewheeling diode 308 by means of the coolant 70 of the coolant circuit 72 cooled.

In 4 ist ein Ausführungsbeispiel der thermischen Kopplung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper dargestellt. Links in 4 ist schematisch ein Leistungshalbleiterbauelement 403 dargestellt; rechts in 4 ist schematisch ein Kühlkörper 406 dargestellt. Das Leistungshalbleiterbauelement 403 kann beispielsweise das erste elektronische Schaltelement 202 oder das zweite elektronische Schaltelement 206 der 2 sein. Das Leistungshalbleiterbauelement 403 kann aber beispielsweise auch die Diode 603 der 6 sein. Zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement 403 und dem Kühlkörper 406 ist eine Heatpipe 408 (Wärmerohr 408) angeordnet. Die Heatpipe 408 steht in engem thermischen Kontakt mit dem Leistungshalbleiterbauelement 403 und dem Kühlkörper 406. Die Heatpipe 408 nimmt die Abwärme von dem Leistungshalbleiterbauelement 403 auf, transportiert die Abwärme zu dem Kühlkörper 406 und gibt die Abwärme an den Kühlkörper 406 ab. Der Kühlkörper 406 gibt dann die Abwärme an das in der Kühlmittelleitung 60 fließende Kühlmittel 70 ab.In 4 an embodiment of the thermal coupling between the power semiconductor device and the heat sink is shown. Left in 4 is schematically a power semiconductor device 403 shown; right in 4 is schematically a heat sink 406 shown. The power semiconductor device 403 For example, the first electronic switching element 202 or the second electronic switching element 206 the 2 his. The power semiconductor device 403 but can, for example, the diode 603 the 6 his. Between the power semiconductor device 403 and the heat sink 406 is a heat pipe 408 (Heat pipe 408 ) arranged. The heat pipe 408 is in close thermal contact with the power semiconductor device 403 and the heat sink 406 , The heat pipe 408 takes the waste heat from the power semiconductor device 403 on, transports the waste heat to the heat sink 406 and gives the waste heat to the heat sink 406 from. The heat sink 406 then gives the waste heat to that in the coolant line 60 flowing coolant 70 from.

In 5 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 501 dargestellt. Diese Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 501 weist zwei Stromrichter 1 auf, wie sie in 1 dargestellt sind. Diese beiden Stromrichter 1 sind gleichspannungsseitig über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 505 elektrisch miteinander verbunden. Dabei sind die beiden positiven Gleichspannungsanschlüsse 16 der Stromrichter 1 mittels einer ersten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 505a elektrisch miteinander verbunden; die beiden negativen Gleichspannungsanschlüsse 17 der beiden Stromrichter 1 sind mittels einer zweiten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 505b elektrisch miteinander verbunden. Mittels einer derartigen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 501 kann elektrische Energie über weite Entfernungen übertragen werden; die Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 505 weist dann eine entsprechende Länge auf.In 5 is schematically an embodiment of a high voltage DC transmission system 501 shown. This high voltage DC transmission system 501 has two power converters 1 on how they are in 1 are shown. These two power converters 1 are DC side over a high voltage DC connection 505 electrically connected to each other. Here are the two positive DC voltage connections 16 the power converter 1 by means of a first high-voltage direct current line 505a electrically connected to each other; the two negative DC voltage connections 17 the two power converters 1 are by means of a second high voltage direct current line 505b electrically connected to each other. By means of such a high-voltage DC transmission system 501 electrical energy can be transmitted over long distances; the high voltage direct current connection 505 then has a corresponding length.

In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 601 (Dioden-Modul 601) des Stromrichters 1 dargestellt. Wenn der in 1 dargestellte Stromrichter ausschließlich mit Modulen 601 ausgestattet ist, dann ist der Stromrichter kein modularer Multilevelstromrichter, sondern ein Diodengleichrichter. Das Modul 601 enthält ein Leistungshalbleiterbauelement 603 in Form einer Diode 603 (Leistungsdiode 603). Die Diode 603 ist mit einem Kühlkörper 605 versehen. Dabei kann der Kühlkörper 605 thermisch unmittelbar mit der Diode 603 gekoppelt sein. Der Kühlkörper 605 kann aber auch thermisch mittelbar mit der Diode 603 gekoppelt sein unter Zwischenschaltung einer Heatpipe (wie in 4 dargestellt). Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 501 kann einen Stromrichter mit Modulen 201, 301 gemäß den 2 und 3 und einen Stromrichter mit Modulen 601 gemäß der 6 aufweisen.In 6 is another embodiment of a module 601 (Diode module 601 ) of the power converter 1 shown. If the in 1 shown power converters exclusively with modules 601 equipped, then the power converter is not a modular Multilevelstromrichter, but a diode rectifier. The module 601 contains a power semiconductor device 603 in the form of a diode 603 (Power diode 603 ). The diode 603 is with a heat sink 605 Provided. In this case, the heat sink 605 thermally directly with the diode 603 be coupled. The heat sink 605 but can also thermally indirectly with the diode 603 be coupled with the interposition of a heat pipe (as in 4 shown). The high voltage DC transmission system 501 can be a power converter with modules 201 . 301 according to the 2 and 3 and a power converter with modules 601 according to the 6 respectively.

In 7 ist das Verfahren zum Kühlen der Leistungshalbleiterbauelemente des Stromrichters 1 noch einmal mittels eines Ablaufdiagramms dargestellt.In 7 is the method for cooling the power semiconductor components of the power converter 1 shown again by means of a flow chart.

Verfahrensschritt 702:Step 702:

Pumpen des wasserfreien flüssigen Kühlmittels 70 in einem Kühlmittelkreislauf 72 zu den Leistungshalbleiterbauelementen 202, 206, 204, 208 des Stromrichters 1 und zu einem Wärmeübertrager 56.Pumping anhydrous liquid coolant 70 in a coolant circuit 72 to the power semiconductor devices 202 . 206 . 204 . 208 of the power converter 1 and to a heat exchanger 56 ,

Verfahrensschritt 704 (optional):Method step 704 (optional):

Überbrücken des Wärmeübertragers 56 (mittels eines Überbrückungszweigs), wenn die Temperatur des Kühlmittels einen (ersten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, so dass mindestens ein Teil des flüssigen Kühlmittels 70 unter Umgehung des Wärmeübertragers 56 durch den Kühlmittel-Kreislauf 72 transportiert wird.Bridging the heat exchanger 56 (By means of a bridging branch), when the temperature of the coolant falls below a (first) predetermined temperature value, so that at least a portion of the liquid coolant 70 bypassing the heat exchanger 56 through the coolant circuit 72 is transported.

Verfahrensschritt 706 (optional):Method step 706 (optional):

Erwärmen des Kühlmittels 70 (mittels einer Heizeinrichtung), wenn die Temperatur des Kühlmittels einen (zweiten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, so dass die Viskosität des Kühlmittels verringert wird.Heating the coolant 70 (By means of a heater), when the temperature of the coolant falls below a (second) predetermined temperature value, so that the viscosity of the coolant is reduced.

Verfahrensschritt 708:Step 708:

Aufnehmen der Abwärme der Leistungshalbleiterbauelemente der Module 1_1 ... 6_n durch das Kühlmittel 70.Receiving the waste heat of the power semiconductor components of the modules 1_1 ... 6_n through the coolant 70 ,

Verfahrensschritt 710:Step 710:

Abtransport der Abwärme mittels des Kühlmittels 70 zum Wärmeübertrager 56.Removal of waste heat by means of the coolant 70 to the heat exchanger 56 ,

Es wurde ein Stromrichter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage beschrieben, der Leistungshalbleiterbauelemente und eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Leistungshalbleiterbauelemente mit einem flüssigen wasserfreien Kühlmittel aufweist. Dieser Stromrichter weist eine Reihe von Vorteilen auf:

- Es ist keine Deionisierung von Kühlwasser notwendig, daraus resultieren verringerte Wartungsintervalle.
- Eine Kühlmitteltemperatur über 100 °C kann ohne Dampfbildung erreicht werden.
- Es tritt weniger Korrosion auf, insbesondere weniger Korrosion an gegebenenfalls in den Kühlmittelleitungen angeordneten Elementen (Potentialsteuerelektroden) zur Beeinflussung des elektrischen Potentials des Kühlmittels. Die Anzahl der Potentialsteuerelektroden kann verringert werden, im Extremfall kann auf die Potentialsteuerelektroden völlig verzichtet werden, weil das wasserfreie Kühlmittel eine wesentlich geringere elektrische Leitfähigkeit aufweisen kann als wasserhaltige Kühlmittel. So können Öle beispielsweise eine um mehrere Zehnerpotenzen geringere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als Reinstwasser.
- Eine Rückkühlanlage (z.B. ein Wärmeübertrager) für das wasserfreie Kühlmittel kann mit einer anderen Baueinheit/Komponente (die mit dem gleichen wasserfreien Mittel arbeitet) integriert aufgebaut werden (zum Beispiel mit einem ölisolierten Transformator).
- Es besteht keine Gefahr durch Eisbildung bei Frost. Eine Einkreiskühlung (bei der das wasserfreie Kühlmittel auch bei Frost unmittelbar durch Luft rückgekühlt wird) kann realisiert werden.

It has been described a power converter of a high-voltage DC transmission system, the power semiconductor devices and a cooling device for cooling the power semiconductor devices having a liquid anhydrous coolant. This power converter has a number of advantages:

- There is no need for deionization of cooling water, resulting in reduced maintenance intervals.
- A coolant temperature above 100 ° C can be achieved without vapor formation.
- There is less corrosion, in particular less corrosion on optionally arranged in the coolant lines elements (potential control electrodes) for influencing the electrical potential of the coolant. The number of potential control electrodes can be reduced, in extreme cases, the potential control electrodes can be completely dispensed with, because the anhydrous coolant can have a substantially lower electrical conductivity than water-containing coolant. For example, oils may have lower electrical conductivity by several orders of magnitude than ultrapure water.
- A recooling system (eg a heat exchanger) for the anhydrous coolant can be built-in with another assembly / component (using the same anhydrous agent) integrated (for example with an oil-insulated transformer).
- There is no risk of ice formation in frost. A single-circuit cooling (in which the anhydrous coolant is cooled back directly by air even in the case of frost) can be realized.

Claims

Power converter (1) - with a plurality of power semiconductor components (202, 206, 204, 208) and - with a cooling device (50) for cooling the power semiconductor components (202, 206, 204, 208) with a liquid coolant (70), wherein - the liquid coolant is an anhydrous liquid coolant (70).

Power converter after Claim 1 , characterized in that - the coolant (70) has an electrical conductivity of less than 0.5 μS / cm, in particular an electrical conductivity of less than 0.2 μS / cm.

Power converter after Claim 1 or 2 , characterized in that - the coolant (70) comprises an ester or an oil, in particular a mineral oil.

Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that - the power semiconductor components (202, 206, 204, 208) are thermally coupled to the coolant (70) by the power semiconductor devices (202, 206, 204, 208) each thermally with a heat sink (220, 222, 226, 228) are coupled and this heat sink (220, 222, 226, 228) is thermally coupled to the coolant (70).

Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that - the power semiconductor components (403) are thermally coupled to the coolant (70) by the power semiconductor devices (403) each via a heat pipe (408) thermally coupled to a heat sink (406) and this heat sink (406) is thermally coupled to the coolant (70).

Converter according to one of the preceding claims, characterized in that - the cooling device (50) has a coolant circuit (72) for cooling the power semiconductor components (202, 206, 204, 208).

Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that - the cooling device (50) comprises a coolant pump (54) and a heat exchanger (56).

Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that - the cooling device (50) has a bridging branch (58) which bridges the heat exchanger (56) when the temperature of the coolant (70) falls below a predetermined temperature value.

Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that - the cooling device (50) has a heating device (55) which heats the coolant (70) when the temperature of the coolant (70) falls below a predetermined temperature value.

Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that - the power converter (1) is a rectifier and the power semiconductor components are power diodes (603), or - the power converter is a modular multilevel converter (1) having a plurality of modules (1_1, 1_2 , ... 1_n), each having at least two of the power semiconductor devices (202, 206) and an electrical energy store (210), wherein the power semiconductor devices are electronic switching elements (202, 206).

High-voltage direct current transmission system (501) having a power converter (1) according to one of Claims 1 to 10 ,