ES2863654T3 - Sistema y procedimiento para hacer funcionar un convertidor de energía eléctrica - Google Patents

Abstract

Un convertidor de energía eléctrica (104) para una fuente de energía renovable (102) que comprende: al menos un conducto de corriente alterna (CA) (176, 178, 180) acoplado a un dispositivo externo de alimentación de CA (106); al menos un conducto de corriente continua (CC) (114.116, 118, 132) acoplado a un dispositivo externo de alimentación de CC (102); al menos una estructura de inmersión (222, 322) que define al menos una cavidad de inmersión (226, 326) en la misma; una pluralidad de dispositivos semiconductores (200, 300) que comprenden: un sustrato (204, 304) situado dentro de dicha cavidad de inmersión (226, 326), dicho sustrato define una pluralidad de superficies de transferencia de calor (206, 207, 306, 307) sobre el mismo; y al menos una pastilla semiconductora (202, 302) acoplada a dicho sustrato, dicho conducto de CA y dicho conducto de CC; un sistema de retirada de calor (220) acoplado a dicha al menos una estructura de inmersión (222, 322), comprendiendo dicho sistema de retirada de calor (220): un conducto de canal de vapor (233) situado dentro de dicha cavidad de inmersión (226, 326); un conducto de retorno de líquido (242) situado dentro de dicha cavidad de inmersión (226, 326); y un conducto de salida de cavidad de inmersión (240) acoplado en comunicación de flujo a dicho conducto de canal de vapor (233) y a dicho conducto de retorno de líquido (242); y un líquido (228, 328) que llena al menos parcialmente dicha cavidad de inmersión (226, 326) de manera que dicha pastilla semiconductora está completamente sumergida y en contacto directo con dicho líquido, en el que el calor (248, 348) generado en dicho dispositivo semiconductor induce un cambio de fase en dicho líquido a un vapor para inducir un flujo de circulación natural (244.344) de dicho vapor, dicho conducto de canal de vapor (233) configurado para canalizar dicho vapor a dicho conducto de salida de cavidad de inmersión (240), estando acoplado dicho conducto de salida de cavidad de inmersión (240) a un dispositivo externo de intercambio de calor (236) que está configurado para inducir otro cambio de fase del vapor de vuelta a dicho líquido, dicho conducto de retorno de líquido (242) configurado para canalizar dicho líquido a dicha cavidad de inmersión (226, 326). Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho sustrato (204, 304) comprende al menos una lámina formada de un material que es térmicamente conductor y eléctricamente conductor. Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicha al menos una estructura de inmersión (222, 322) comprende una superficie superior de intercambio de calor (224, 234, 324, 334, 236) que se extiende sobre dicha cavidad de inmersión (226, 326). Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicho líquido (228, 328) llena parcialmente dicha cavidad de inmersión (226, 326) de manera que se define un vacío (232, 332) entre una superficie (230, 330) de dicho líquido y dicha superficie superior de intercambio de calor (224, 234, 324, 334, 236). Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicha superficie superior de intercambio de calor (224, 234, 324, 334, 236) comprende un techo (224, 324) de dicha al menos una estructura de inmersión (222, 322) que se extiende sobre dicha superficie (230, 330) de dicho líquido (228, 328) y que define parcialmente dicha cavidad de inmersión (226, 326). Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicha al menos una estructura de inmersión (222, 322) comprende además: un techo (224, 324) configurado para cooperar con una superficie (230, 330) de dicho líquido (228, 328) para recoger los vapores (246, 346) generados a partir del cambio de fase del líquido; y al menos una superficie de intercambio de calor (236) situada externa a dicha cavidad de inmersión (226, 326). Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dicha superficie externa de intercambio de calor (236) está acoplada en comunicación de flujo con dicha cavidad de inmersión (226, 326) por medio de al menos uno de: el conducto de salida de cavidad de inmersión (240); el conducto de canalización de vapor (233); y el conducto de retorno de líquido (242).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y procedimiento para hacer funcionar un convertidor de energía eléctrica

[0001] La materia descrita en el presente documento se refiere en general al control del funcionamiento de convertidores de energía eléctrica y, más específicamente, a la retirada del calor de un dispositivo semiconductor.

[0002] Se usan muchos dispositivos semiconductores conocidos para la conversión de energía eléctrica, por ejemplo, rectificadores e inversores. La mayoría de los rectificadores conocidos se usan para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) y la mayoría de los inversores conocidos se usan para convertir corriente CC en corriente CA. Algunos de estos rectificadores e inversores están integrados en conjuntos de conversión de energía total, es decir, convertidores de energía, usados en instalaciones de generación de energía eléctrica renovable que incluyen parques de generación de energía solar y parques de turbinas eólicas. Sin embargo, variables tales como la intensidad solar y la dirección y velocidad del viento producen típicamente energía eléctrica con tensión y/o frecuencia variables. Los convertidores de energía se pueden acoplar entre los dispositivos de generación de energía eléctrica en las instalaciones de generación y en una red eléctrica. Cada convertidor de energía recibe energía eléctrica generada por el dispositivo de generación asociado y transmite electricidad que tiene una tensión y una frecuencia fijas para su posterior transmisión a la red pública por medio de un transformador. El transformador se puede acoplar a una pluralidad de convertidores de energía asociados con la instalación de generación de energía eléctrica.

[0003] Los dispositivos semiconductores conocidos incluyen transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), tiristores de apagado de puerta (GTO), rectificadores controlados por silicio (SCR), transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET), transistores de unión bipolar (BJT) y diodos. Dichos IGBT y GTO generan calor cuando se ponen en servicio. Muchos sistemas de retirada de calor conocidos para dichos semiconductores incluyen una trayectoria para el flujo de calor con una alta resistencia térmica, dando como resultado de este modo una alta temperatura de unión en operación para una cantidad particular de pérdida de energía en el dispositivo semiconductor. Por ejemplo, la trayectoria de refrigeración para muchos módulos IGBT incluye una pastilla semiconductora soldada en un lado de un sustrato eléctricamente aislante, por ejemplo, nitruro de aluminio, formando de este modo una unión eléctrica en el mismo. La mayor parte del calor generado por el IGBT se canaliza desde el lado de unión del sustrato de aislamiento eléctrico, a través del sustrato, hacia el lado opuesto. Muchos de estos sustratos conocidos incluyen un mecanismo de transferencia de calor en el lado opuesto a la unión. Este mecanismo de transferencia de calor se denomina típicamente refrigeración de un solo lado.

[0004] En general, dichos sustratos eléctricamente aislantes tienen una resistencia térmica relativamente alta, y esta resistencia térmica induce a que la temperatura de la pastilla semiconductora en el lado de unión del sustrato sea más alta que en el lado opuesto del sustrato con el mecanismo de transferencia de calor. Asimismo, típicamente, la trayectoria térmica al mecanismo de transferencia de calor incluye capas adicionales de materiales que tienen una alta resistencia térmica. Dichos materiales incluyen una capa de soldadura debajo del sustrato eléctricamente aislante, una capa de cobre, un disipador térmico y una interfaz de grasa de silicio entre el módulo IGBT y el disipador térmico, donde estas resistencias térmicas también retardan la transferencia de calor desde el IGBT.

[0005] Los documentos US2011/049976 y JP2000 277962 divulgan dispositivos para retirar el calor de un dispositivo semiconductor de un convertidor de energía eléctrica.

[0006] De acuerdo con la presente invención, se proporciona un convertidor de energía eléctrica para una fuente de energía renovable como se define en las reivindicaciones adjuntas.

[0007] A continuación se describirán diversos aspectos y modos de realización de la presente invención en relación con los dibujos adjuntos, en los cuales:

La FIG. 1 ilustra un diagrama esquemático de un sistema de generación de energía ejemplar.

La FIG. 2 es un diagrama esquemático de un dispositivo semiconductor ejemplar que incluye una única pastilla semiconductora acoplada a un sustrato.

La FIG. 3 es un diagrama esquemático de un flujo de circulación natural que usa el dispositivo semiconductor mostrado en la FIG. 2.

La FIG. 4 es un diagrama esquemático de un dispositivo semiconductor ejemplar que incluye una pluralidad de pastillas semiconductoras acopladas al sustrato.

La FIG. 5 es un diagrama esquemático de un flujo de circulación natural que usa el dispositivo semiconductor mostrado en la FIG. 4.

La FIG. 6 es un diagrama esquemático de un sistema alternativo ejemplar de retirada de calor que se puede usar con los dispositivos semiconductores mostrados en las FIGS. 2 y 4.

La FIG. 7 es un diagrama de flujo de un procedimiento ejemplar de montaje de un sistema de retirada de calor para un convertidor de energía que incluye los dispositivos semiconductores mostrados en las FIGS.

2 y 4.

La FIG. 8 es un diagrama de flujo de un procedimiento ejemplar de funcionamiento de un sistema de retirada de calor para un convertidor de energía que incluye los dispositivos semiconductores mostrados en las FIGS. 2 y 4.

[0008] Como se usa en el presente documento, el término "pala" está previsto para ser representativo de cualquier dispositivo que proporcione fuerza reactiva cuando esté en movimiento en relación con un fluido circundante. Como se usa en el presente documento, el término "turbina eólica" está previsto para ser representativo de cualquier dispositivo que genere energía de rotación a partir de energía eólica y, más específicamente, convierta la energía cinética del viento en energía mecánica. Como se usa en el presente documento, el término "generador de turbina eólica" está previsto para ser representativo de cualquier turbina eólica que genere energía eléctrica a partir de energía de rotación generada a partir de energía eólica y, más específicamente, convierta la energía mecánica convertida de energía cinética del viento en energía eléctrica.

[0009] Diversos efectos técnicos de los procedimientos, aparatos y sistemas descritos en el presente documento pueden incluir al menos uno de: (a) aumentar la tasa de transferencia de calor de los dispositivos semiconductores dentro de un convertidor de energía eléctrica mediante el uso de transferencia de calor de doble cara desde las superficies de un sustrato; (b) aumentar la tasa de transferencia de calor de los dispositivos semiconductores dentro de un convertidor de energía eléctrica sumergiendo los dispositivos dentro de un fluido dieléctrico y facilitando la refrigeración directa y la transferencia de calor de dos fases; (c) facilitar un aumento en la capacidad de conversión de energía de cada dispositivo semiconductor dentro de un convertidor de energía eléctrica debido a una tasa mayor de retirada de calor de los dispositivos; (d) facilitar una disminución de las tensiones térmicas inducidas en un dispositivo semiconductor eliminando una pluralidad de capas innecesarias de materiales en el mismo, teniendo cada capa una resistencia térmica; (e) facilitar un aumento en la confiabilidad de cada dispositivo semiconductor dentro de un convertidor de energía eléctrica debido a la disminución de las tensiones térmicas inducidas en los dispositivos; (f) facilitar la retirada de calor de los dispositivos semiconductores sin depender de aparatos de refrigeración forzada, facilitando de este modo la retirada de calor independientemente de la disponibilidad de energía eléctrica para el equipo de refrigeración auxiliar, y (g) disminuir la impedancia eléctrica del circuito de conversión de energía, aumentar la tasa de conmutación de los dispositivos, y mejorar de la calidad de la energía transmitida desde los dispositivos debido a una reducción del número y diversidad de capas de material en los dispositivos semiconductores.

[0010] Diversos de los procedimientos, aparatos y sistemas descritos en el presente documento facilitan el aumento de la tasa de conversión de energía y la confiabilidad de los convertidores de energía eléctrica. Como se describe en el presente documento, dichos aumentos en las tasas de conversión de energía se facilitan al aumentar la tasa de transferencia de calor de los dispositivos semiconductores dentro de los convertidores de energía eléctrica mediante el uso de transferencia de calor de doble cara desde las superficies de un sustrato y sumergiendo los dispositivos dentro de un fluido dieléctrico para facilitar la transferencia directa bifásica de refrigeración y de calor. Además, como se describe en el presente documento, dichos aumentos de confiabilidad se facilitan eliminando una pluralidad de capas innecesarias de materiales en su interior, disminuyendo de este modo la resistencia térmica global entre los dispositivos y el fluido de retirada de calor. La resistencia térmica reducida facilita la retirada de calor mejorada de los dispositivos que facilita la disminución de las temperaturas en operación nominales y la tasa de cambios de temperatura de los mismos, disminuyendo de este modo la magnitud de las tensiones térmicas inducidas en los dispositivos semiconductores. Además, al menos algunos de los modos de realización de los procedimientos, aparatos y sistemas descritos en el presente documento se basan en fuerzas de flotabilidad para facilitar la circulación natural. Por lo tanto, la retirada de calor de los dispositivos semiconductores se facilita sin depender de aparatos de refrigeración forzada, facilitando de este modo la retirada de calor independientemente de la disponibilidad de energía eléctrica para el equipo de refrigeración auxiliar. Además, la reducción del número y la diversidad de capas de material en los dispositivos semiconductores facilita la disminución de la impedancia eléctrica del circuito de conversión de energía, una conmutación más rápida de los dispositivos y una calidad de energía mejorada.

[0011] La Fig. 1 es un diagrama esquemático de un sistema de generación de energía 100 ejemplar que incluye una pluralidad de unidades de generación de energía, tal como una pluralidad de paneles solares (no mostrados) que forman al menos una matriz solar 102. De forma alternativa, el sistema de generación de energía 100 incluye cualquier número y tipo adecuado de unidades de generación de energía, tal como una pluralidad de turbinas eólicas, células de combustible, generadores geotérmicos, generadores de energía hidroeléctrica y/u otros dispositivos que generan energía de fuentes de energía renovables y/o no renovables.

[0012] En el modo de realización ejemplar, el sistema de generación de energía 100 y/o la matriz solar 102 incluye cualquier número de paneles solares para facilitar el funcionamiento del sistema de generación de energía 100 a una salida de energía deseada. En un modo de realización, el sistema de generación de energía 100 incluye una pluralidad de paneles solares 102 y/o baterías solares acoplados entre sí en una configuración en serieparalelo para facilitar la generación de una salida de corriente y/o tensión deseada desde el sistema de generación de energía 100. Los paneles solares incluyen, en un modo de realización, uno o más de un panel fotovoltaico, un colector solar térmico o cualquier otro dispositivo que convierta la energía solar en energía eléctrica. En el modo de realización ejemplar, cada panel solar es un panel fotovoltaico que genera una energía en corriente sustancialmente continua (CC) como resultado de la energía solar que incide sobre los paneles solares.

[0013] En el modo de realización ejemplar, la matriz solar 102 está acoplada a un conjunto de conversión de energía 104, es decir, un convertidor de energía 104, que convierte la energía CC en energía de corriente alterna (CA). La energía CA se transmite a una red de distribución eléctrica 106, o "red". El convertidor de energía 104, en el modo de realización ejemplar, ajusta una amplitud de la tensión y/o corriente de la energía CA convertida en una amplitud adecuada para la red de distribución eléctrica 106, y proporciona energía CA a una frecuencia y una fase que son sustancialmente iguales a la frecuencia y fase de la red de distribución eléctrica 106. Además, en el modo de realización ejemplar, el convertidor de energía 104 proporciona energía CA trifásica a la red de distribución eléctrica 106. De forma alternativa, el convertidor de energía 104 proporciona energía CA monofásica o cualquier otro número de fases de energía CA a la red de distribución eléctrica 106.

[0014] La energía CC generada por la matriz solar 102, en el modo de realización ejemplar, se transmite a través de un conductor de convertidor 108 acoplado al convertidor de energía 104. En el modo de realización ejemplar, un dispositivo de protección 110 desconecta eléctricamente la matriz solar 102 del convertidor de energía 104, por ejemplo, si se produce un error o una avería dentro del sistema de generación de energía 100. Como se usa en el presente documento, los términos "desconectar" y "desacoplar" se usan indistintamente, y los términos "conectar" y "acoplar" se usan indistintamente. El dispositivo de protección de corriente 110 es un disyuntor, un fusible, un contactor y/o cualquier otro dispositivo que permita que la matriz solar 102 se desconecte de forma controlable del convertidor de energía 104. Un filtro de CC112 está acoplado al conductor de convertidor 108 para su uso en el filtrado de una tensión y/o corriente de entrada recibidos de la matriz solar 102.

[0015] El conductor de convertidor 108, en el modo de realización ejemplar, está acoplado a un primer conductor de entrada 114, a un segundo conductor de entrada 116 y a un tercer conductor de entrada 118 de manera que la corriente de entrada se divide entre los primer, segundo y tercer conductores de entrada 114, 116, y 118. De forma alternativa, la corriente de entrada se puede transmitir a un solo conductor, tal como el conductor de convertidor 108, y/o a cualquier otro número de conductores que permita que el sistema de generación de energía 100 funcione como se describe en el presente documento. Al menos un inductor elevador 120 está acoplado a cada uno del primer conductor de entrada 114, del segundo conductor de entrada 116 y/o del tercer conductor de entrada 118. Los inductores elevadores 120 facilitan el filtrado de la tensión y/o de la corriente de entrada recibida desde la matriz solar 102. Además, al menos una porción de la energía recibida de la matriz solar 102 se almacena temporalmente dentro de cada inductor elevador 120.

[0016] En el modo de realización ejemplar, un primer sensor de corriente de entrada 122 está acoplado al primer conductor de entrada 114, un segundo sensor de corriente de entrada 124 está acoplado al segundo conductor de entrada 116 y un tercer sensor de corriente de entrada 126 está acoplado al tercer conductor de entrada 118. Los primer, segundo y tercer sensores de corriente de entrada 122, 124 y 126 miden la corriente que fluye a través de los primer, segundo y tercer conductores de entrada 114, 116 y 118, respectivamente.

[0017] En el modo de realización ejemplar, el convertidor de energía 104 incluye un convertidor de CC a CC, o elevador 128, y un inversor 130 acoplados entre sí por un bus de CC132. El convertidor elevador 128, en el modo de realización ejemplar, está acoplado y recibe energía CC de la matriz solar 102 a través de los primer, segundo y tercer conductores de entrada 114, 116 y 118. Además, el convertidor elevador 128 ajusta la tensión y/o la amplitud de corriente de la energía CC recibida. En el modo de realización ejemplar, el inversor 130 es un inversor CC-CA que convierte la energía CC recibida del convertidor elevador 128 en energía CA para su transmisión a la red de distribución eléctrica 106. De forma alternativa, para aquellos modos de realización que incluyen dispositivos de generación de energía eléctrica tales como, sin limitación, turbinas eólicas, que generan una frecuencia y una tensión CA variables, el convertidor elevador 128 se puede reemplazar o complementar con un dispositivo de rectificación eléctrica de manera que el convertidor de energía 104 sería un conjunto de conversión de energía completa. Además, en el modo de realización ejemplar, el bus de CC132 incluye al menos un condensador 134. De forma alternativa, el bus de CC132 incluye una pluralidad de condensadores 134 y/o cualquier otro dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica que permita que el convertidor de energía 104 funcione como se describe en el presente documento. A medida que la corriente se transmite a través del convertidor de energía 104, se genera una tensión a través del bus de CC132 y la energía se almacena dentro de los condensadores 134.

[0018] El convertidor elevador 128, en el modo de realización ejemplar, incluye dos conmutadores de convertidor 136 acoplados entre sí en una disposición en serie para cada fase de energía eléctrica que produce el convertidor de energía 104. En el modo de realización ejemplar, los conmutadores de convertidor 136 son dispositivos semiconductores, por ejemplo, transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). De forma alternativa, los conmutadores de convertidor 136 son cualquier otro transistor adecuado o cualquier otro dispositivo de conmutación adecuado, incluyendo, sin limitación, tiristores de apagado de puerta (GTO). Además, cada par de conmutadores de convertidor 136 para cada fase está acoplado en paralelo con cada par de conmutadores de convertidor 136 para cada otra fase. Como tal, para un convertidor de energía trifásico 104, el convertidor elevador 128 incluye un primer conmutador de convertidor 138 acoplado en serie con un segundo conmutador de convertidor 140, un tercer conmutador de convertidor 142 acoplado en serie con un cuarto conmutador de convertidor 144 y un quinto conmutador de convertidor 146 acoplado en serie con un sexto conmutador de convertidor 148. Los primer y segundo conmutadores de convertidor 138 y 140 están acoplados en paralelo con los tercer y cuarto conmutadores de convertidor 142 y 144, y con los quinto y sexto conmutadores de convertidor 146 y 148. De forma alternativa, el convertidor elevador 128 puede incluir cualquier número adecuado de conmutadores de convertidor 136 dispuestos en cualquier configuración adecuada.

[0019] El inversor 130, en el modo de realización ejemplar, incluye dos conmutadores de inversor 150 acoplados entre sí en una disposición en serie para cada fase de energía eléctrica que produce el convertidor de energía 104. En el modo de realización ejemplar, los conmutadores de inversor 150 son dispositivos semiconductores, por ejemplo, IGBT. De forma alternativa, los conmutadores de inversor 150 son cualquier otro transistor adecuado o cualquier otro dispositivo de conmutación adecuado, incluyendo, sin limitación, los GTO. Además, cada par de conmutadores de inversor 150 para cada fase está acoplado en paralelo con cada par de conmutadores de inversor 150 para cada otra fase. Como tal, para un convertidor de energía trifásico 104, el inversor 130 incluye un primer conmutador de inversor 152 acoplado en serie con un segundo conmutador de inversor 154, un tercer conmutador de inversor 156 acoplado en serie con un cuarto conmutador de inversor 158 y un quinto conmutador de inversor 160 acoplado en serie con un sexto conmutador de inversor 162. Los primer y segundo conmutadores de inversor 152 y 154 están acoplados en paralelo con los tercer y cuarto conmutadores de inversor 156 y 158, y con los quinto y sexto conmutadores de inversor 160 y 162. De forma alternativa, el inversor 130 puede incluir cualquier número adecuado de conmutadores de inversor 150 dispuestos en cualquier configuración adecuada.

[0020] El convertidor de energía 104 incluye un sistema de control 164 que incluye un controlador de convertidor 166 y un controlador de inversor 168. El controlador de convertidor 166 está acoplado a y controla el funcionamiento del convertidor elevador 128. Más específicamente, en el modo de realización ejemplar, el controlador de convertidor 166 hace funcionar el convertidor elevador 128 para maximizar la energía recibida de la matriz solar 102. El controlador de inversor 168 está acoplado a y controla el funcionamiento del inversor 130. Más específicamente, en el modo de realización ejemplar, el controlador de inversor 168 hace funcionar el inversor 130 para regular la tensión a través del bus de CC132 y/o para ajustar la tensión, la corriente, la fase, la frecuencia y/o cualquier otra característica de la salida de energía del inversor 130 para coincidir sustancialmente con las características de la red de distribución eléctrica 106.

[0021] En el modo de realización ejemplar, el sistema de control 164, el controlador de convertidor 166 y/o el controlador de inversor 168 incluyen y/o se implementan por al menos un procesador. Como se usa en el presente documento, el procesador 202 incluye cualquier circuito programable adecuado que puede incluir uno o más sistemas y microcontroladores, microprocesadores, circuitos de ajuste de instrucción reducidos (RISC), circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC), circuitos lógicos programables (PLC), matrices de compuertas programables por campo (FPGA) y cualquier otro circuito capaz de ejecutar las funciones descritas en el presente documento. Los ejemplos anteriores son solamente ejemplares, y por tanto no se desea limitar de ninguna forma la definición y/o significado del término “procesador”. Además, el sistema de control 164, el controlador de convertidor 166 y/o el controlador de inversor 168 incluyen al menos un dispositivo de memoria (no mostrado) que almacena instrucciones y datos ejecutables por ordenador, tales como datos en operación, parámetros, puntos de ajuste, valores de umbral y/o cualquier otro dato que permita al sistema de control 164 funcionar como se describe en el presente documento.

[0022] El controlador de convertidor 166, en el modo de realización ejemplar, recibe mediciones de corriente del primer sensor de corriente de entrada 122, del segundo sensor de corriente de entrada 124 y/o del tercer sensor de corriente de entrada 126. Además, el controlador de convertidor 166 recibe mediciones de una tensión del primer conductor de entrada 114, del segundo conductor de entrada 116 y/o del tercer conductor de entrada 118 de una pluralidad de sensores de tensión de entrada (no mostrados). El controlador de inversor 168, en el modo de realización ejemplar, recibe mediciones de corriente de un primer sensor de corriente de salida 170, un segundo sensor de corriente de salida 172 y/o un tercer sensor de corriente de salida 174. Además, el controlador de inversor 168 recibe mediciones de una salida de tensión del inversor 130 de una pluralidad de sensores de tensión de salida (no mostrados). En el modo de realización ejemplar, el controlador de convertidor 166 y/o el controlador de inversor 168 reciben medidas de tensión de la tensión del bus de CC132 desde un sensor de tensión de bus de CC (no mostrado).

[0023] En el modo de realización ejemplar, el inversor 130 está acoplado a la red de distribución eléctrica 106 mediante un primer conductor de salida 176, un segundo conductor de salida 178 y un tercer conductor de salida 180. Además, en el modo de realización ejemplar, el inversor 130 proporciona una primera fase de energía CA a la red de distribución eléctrica 106 a través del primer conductor de salida 176, una segunda fase de energía CA a la red de distribución eléctrica 106 a través del segundo conductor de salida 178, y una tercera fase de energía CA a la red de distribución eléctrica 106 a través del tercer conductor de salida 180. El primer sensor de corriente de salida 170 está acoplado al primer conductor de salida 176 para medir la corriente que fluye a través del primer conductor de salida 176. El segundo sensor de corriente de salida 172 está acoplado al segundo conductor de salida 178 para medir la corriente que fluye a través del segundo conductor de salida 178, y el tercer sensor de corriente de salida 174 está acoplado al tercer conductor de salida 180 para medir la corriente que fluye a través del tercer conductor de salida 180.

[0024] Al menos un inductor 182 está acoplado a cada uno del primer conductor de salida 176, del segundo conductor de salida 178 y/o del tercer conductor de salida 180. Los inductores 182 facilitan el filtrado de la tensión de salida y/o de la corriente recibida del inversor 130. Además, en el modo de realización ejemplar, un filtro de CA184 está acoplado al primer conductor de salida 176, al segundo conductor de salida 178 y/o al tercer conductor de salida 180 para su uso en el filtrado de una tensión y/o de corriente de salida recibida de los conductores 176, 178 y 180.

[0025] En el modo de realización ejemplar, al menos un contactor 186 y/o al menos un conmutador de desconexión 188 están acoplados al primer conductor de salida 176, al segundo conductor de salida 178 y/o al tercer conductor de salida 180. Los contactores 186 y los conmutadores de desconexión 188 desconectan eléctricamente el inversor 130 de la red de distribución eléctrica 106, por ejemplo, si se produce un error o una avería dentro del sistema de generación de energía 100. Además, en el modo de realización ejemplar, el dispositivo de protección 110, los contactores 186 y los conmutadores de desconexión 188 se controlan mediante el sistema de control 164. De forma alternativa, el dispositivo de protección 110, los contactores 186 y/o los conmutadores de desconexión 188 se controlan mediante cualquier otro sistema que permita que el convertidor de energía 104 funcione como se describe en el presente documento.

[0026] El convertidor de energía 104 también incluye un cargador de bus 190 que está acoplado al primer conductor de salida 176, al segundo conductor de salida 178, al tercer conductor de salida 180 y al bus de CC132. En el modo de realización ejemplar, al menos un contactor de cargador 192 está acoplado al cargador de bus 190 para su uso en la desconexión eléctrica del cargador de bus 190 del primer conductor de salida 176, del segundo conductor de salida 178 y/o del tercer conductor de salida 180. Además, en el modo de realización ejemplar, el cargador de bus 190 y/o los contactores de cargador 192 se controlan mediante el sistema de control 164 para su uso en la carga del bus de CC132 a una tensión predeterminada.

[0027] Durante el funcionamiento, en el modo de realización ejemplar, la matriz solar 102 genera energía CC y transmite la energía CC al convertidor elevador 128. El controlador de convertidor 166 controla una conmutación de los conmutadores de convertidor 136 para ajustar una salida del convertidor elevador 128. Más específicamente, en el modo de realización ejemplar, el controlador de convertidor 166 controla la conmutación de los conmutadores de convertidor 136 para ajustar la tensión y/o la corriente recibidos de la matriz solar 102 de modo que la energía recibida de la matriz solar 102 aumente y/o se maximice.

[0028] El controlador de inversor 168, en el modo de realización ejemplar, controla una conmutación de los conmutadores de inversor 150 para ajustar una salida del inversor 130. Más específicamente, en el modo de realización ejemplar, el controlador de inversor 168 usa un algoritmo de control adecuado, tal como la modulación de ancho de pulso (PWM) y/o cualquier otro algoritmo de control, para transformar la energía CC recibida del convertidor elevador 128 en señales de energía CA trifásica. De forma alternativa, el controlador de inversor 168 causa que el inversor 130 transforme la energía CC en una señal de energía CA monofásica o en cualquier otra señal que permita que el convertidor de energía 104 funcione como se describe en el presente documento.

[0029] En el modo de realización ejemplar, cada fase de la energía CA se filtra por el filtro de CA184, y la energía CA trifásica filtrada se transmite a la red de distribución eléctrica 106. En el modo de realización ejemplar, la energía CA trifásica también se transmite desde la red de distribución eléctrica 106 al bus de CC132 mediante el cargador de bus 190. En un modo de realización, el cargador de bus 190 usa la energía CA para cargar el bus de CC132 a una amplitud de tensión adecuada, por ejemplo, durante una secuencia de arranque y/o apagado del convertidor de energía 104.

[0030] Modos de realización alternativos del sistema de generación de energía 100 incluyen otros dispositivos de generación de energía que generan energía CA, por ejemplo, turbinas eólicas, en contraste con la energía CC generada por la matriz solar 102. En general, una turbina eólica incluye un rotor que incluye un conjunto de buje rotatorio que tiene múltiples palas. Las palas transforman la energía eólica en un par de rotación mecánico que acciona uno o más generadores por medio del rotor. El funcionamiento a velocidad variable del generador de turbina eólica facilita la captura mejorada de energía en comparación con un funcionamiento a velocidad constante del generador de turbina eólica. Sin embargo, el funcionamiento a velocidad variable de la turbina eólica produce energía eléctrica que tiene tensión y/o frecuencia variables. Más específicamente, la frecuencia de la electricidad generada por la turbina eólica a velocidad variable es proporcional a la velocidad de rotación del rotor. Típicamente, los conjuntos de conversión de energía total, es decir, modos de realización alternativos del convertidor de energía 104 que incluyen un dispositivo de rectificación eléctrica, se pueden acoplar entre el generador eléctrico de la turbina eólica y la red de distribución eléctrica 106. El conjunto de conversión de energía completa recibe la energía eléctrica del generador de turbina eólica y transmite electricidad que tiene una tensión y una frecuencia fijos para su transmisión adicional a la red de distribución eléctrica 106.

[0031] En estos modos de realización alternativos, los conjuntos de conversión de energía total incluyen rectificadores para convertir la CA generada por el generador de turbina eólica en energía CC. Asimismo, dichos conjuntos de conversión de energía total incluyen un inversor sustancialmente similar al inversor 130 acoplado al rectificador por una red de bus de CC para convertir la energía CC en energía CA. Además, los rectificadores e inversores en dichos conjuntos de conversión de energía total incluyen una pluralidad de dispositivos semiconductores similares a los conmutadores de convertidor 136 dentro del convertidor elevador 128 y a los conmutadores de inversor 150 dentro del inversor 130. Además, dichos rectificadores, inversores 130 y convertidores elevadores 128 son completamente escalables para aplicaciones de conversión de energía eléctrica de cualquier tamaño, cualquier tensión, cualquier número de fases y cualquier frecuencia.

[0032] En algunos modos de realización alternativos de turbinas eólicas, se usan generadores de inducción de doble alimentación (DFIG). Dichas configuraciones incluyen convertidores DFIG que incluyen dos convertidores CA-CC trifásicos acoplados por un enlace CC. Un convertidor CA-CC está conectado a la red y al estator del generador, y el otro convertidor CA-CC está conectado al rotor del generador. Si el rotor del generador está girando a una velocidad más lenta que la velocidad síncrona, el convertidor DFIG accionará el rotor con energía reactiva. Entonces parecerá que el rotor está girando a una velocidad síncrona con respecto al estator y el estator producirá la energía deseada (frecuencia síncrona). Si el rotor del generador está girando a velocidad síncrona, el convertidor DFIG accionará el rotor con energía CC y el estator generará la energía deseada (frecuencia síncrona). Si el rotor del generador gira a una velocidad más rápida que la velocidad síncrona, el convertidor DFIG excitará el rotor con energía reactiva y, al mismo tiempo, extraerá energía real del rotor. A continuación, el rotor parecerá estar girando a una velocidad síncrona con respecto al estator y el estator generará la energía deseada (frecuencia síncrona). La frecuencia de la energía extraída del rotor se convertirá en la frecuencia síncrona y se añadirá a la energía generada por el estator.

[0033] La FIG. 2 es un diagrama esquemático de un dispositivo semiconductor 200 ejemplar que incluye una única pastilla semiconductora 202 acoplada a un sustrato 204. En el modo de realización ejemplar, el dispositivo semiconductor 200 es similar a los conmutadores de convertidor 136 dentro del convertidor elevador 128 y de los conmutadores de inversor 150 dentro del inversor 130 (todos mostrados en la FIG. 1), es decir, el dispositivo semiconductor 200 es un IGBT. La pastilla semiconductora 202 está formada principalmente de silicio. Sin embargo, la pastilla semiconductora 202 puede ser cualquier pastilla que permita el funcionamiento del dispositivo semiconductor 200 como se describe en el presente documento. La pastilla semiconductora 202 se suelda sobre un primer lado o superficie 206 de una lámina del sustrato 204. El sustrato 204 se forma a partir de un material que es eléctricamente conductor y térmicamente conductor, por ejemplo, un metal, tal como cobre, formando de este modo una unión eléctrica 208 sobre el mismo. De forma alternativa, el sustrato 204 se forma a partir de cualquier material eléctricamente conductor y térmicamente conductor que permita el funcionamiento del dispositivo semiconductor 200 como se describe en el presente documento. El sustrato 204 también define un segundo lado o superficie 207 que está opuesto a la superficie 206.

[0034] El sustrato 204 está acoplado a un suelo 210 para formar una conexión eléctrica inferior 212, es decir, un contacto de colector IGBT. La conexión eléctrica inferior 212 facilita el montaje seguro de la pastilla semiconductora 202 y su sujeción en la posición deseada dentro del convertidor de energía 104. De forma alternativa, se usa cualquier procedimiento para asegurar el sustrato 204 que permita el funcionamiento del dispositivo semiconductor 200. Una pluralidad de cables de enlace 214 están acoplados a la pastilla 202 para definir las conexiones eléctricas superiores 216, es decir, la puerta IGBT y los contactos del emisor. Los cables de enlace 214 están terminados y acoplados al cableado estándar 215 en montajes y conexiones fijos 217. De forma alternativa, en lugar de dispositivos semiconductores que usan tres conexiones eléctricas, en las que una de esas conexiones es para el control del dispositivo, por ejemplo, IGBT, algunos modos de realización usan dispositivos semiconductores que tienen dos conexiones eléctricas, es decir, un ánodo y un cátodo sin control de dispositivo, por ejemplo, diodos. Asimismo, dado que las conexiones de control no generan tanto calor como las conexiones de energía, dichas conexiones de control no necesitan sumergirse y se pueden acoplar al sustrato 204 en una localización separada de las conexiones de energía. Además, en el modo de realización ejemplar, el sustrato 204 define una pluralidad de aberturas 218 que se pueden usar para montar y/o realizar conexiones eléctricas.

[0035] En el modo de realización ejemplar, el convertidor de energía 104 incluye un sistema de retirada de calor 220 que incluye al menos una estructura de inmersión 222. La estructura de inmersión 222 incluye al menos una porción del suelo 210 y un techo 224. La estructura de inmersión 222 también incluye al menos una pared (no mostrada). La estructura de inmersión 222 define una cavidad de inmersión 226 que está al menos parcialmente llena de un líquido 228. El techo 224 se extiende sobre una superficie 230 de líquido 228 para definir un vacío 232 entre la superficie 230 y el techo 224. Se canaliza suficiente líquido 228 en el interior de la cavidad de inmersión 226 para situar la superficie 230 de manera que la pastilla semiconductora 202 se sumerja completamente y en contacto directo con el líquido 228. Al menos una porción de los alambres de unión 214 se sumergen de forma similar. El líquido 228 es cualquier sustancia, o combinación de sustancias, que cambia de fase de líquido a vapor cuando la temperatura de la superficie de la pastilla 202, el sustrato 204 y/o los alambres de unión 214 alcanzan una temperatura predeterminada debido al calor generado en el mismo, incluyendo, sin limitación, refrigerante R-134A.

[0036] En algunos modos de realización, el sistema de retirada de calor 220 incluye al menos un conducto de canalización de vapor 233 (solo se muestra uno en línea discontinua en la FIG. 2) que incluye, sin excepción, un tubo de calor o un pasador de calor. El conducto de canalización de vapor 233 se sitúa cerca de la pastilla semiconductora 202 y de los cables de enlace 214, en el que la pastilla 202 y los cables de enlace 214 transmiten energía eléctrica y generan la mayor parte del calor dentro del convertidor de energía 104. En algunos de estos modos de realización alternativos, el conducto de canalización de vapor 233 es un conducto sólido que se extiende desde una posición próxima al suelo 210 hasta una posición próxima al techo 224. Dichos conductos sólidos facilitan un cambio de fase del líquido a vapor en los mismos. En otros modos de realización alternativos, el conducto de canalización de vapor 233 se fabrica de un material poroso que recibe al menos algunas de las burbujas de vapor generadas por la pastilla 202 y los cables de unión 214.

[0037] Además, en el modo de realización ejemplar, el sistema de retirada de calor 220 incluye una superficie externa de techo 234, en la que el calor del líquido 228 se transfiere al techo 224, y el calor se transfiere desde el convertidor de energía 104 por medio de la superficie 234. En algunos modos de realización, el sistema de retirada de calor 220 también incluye al menos un dispositivo externo de intercambio de calor 236 (solo se muestra uno en la FIG. 2) acoplado en comunicación de flujo con la cavidad de inmersión 226 por medio de una abertura 238 definida en el techo 224, un conducto de salida de cavidad de inmersión 240 y al menos un conducto de retorno de líquido 242, por ejemplo, una mecha (solo se muestra uno en la FIG. 2). El techo 224 tiene una forma y la abertura 238 se sitúa para facilitar la recogida de vapor dentro del vacío 232 y la canalización de vapor hacia el conducto 240 para retirarlo de la cavidad de inmersión 226. El dispositivo externo de intercambio de calor 236 facilita la asistencia al techo 224 con la transferencia de calor desde la cavidad de inmersión 226 y se enfría por aire para facilitar la transferencia de calor desde el convertidor de energía 104. De forma alternativa, se usa cualquier medio de transferencia de calor desde el dispositivo de intercambio de calor 236, incluyendo, sin limitación, un circuito de agua de refrigeración abierto o cerrado.

[0038] Además, en el modo de realización ejemplar, el sistema de retirada de calor 220 incluye un dispositivo semiconductor 200, en el que el tamaño, la orientación, los medios de posicionamiento y los materiales del dispositivo 200 están predeterminados para facilitar la retirada del calor del mismo. El dispositivo 200 se sitúa de modo que no interfiere con una trayectoria de flujo de refrigeración (analizado con detalle más adelante). Además, en el modo de realización ejemplar, un dispositivo semiconductor 200 está en una cavidad de inmersión 226. De forma alternativa, se puede situar cualquier número de dispositivos 200 en cualquier cavidad de inmersión 226 que permita el funcionamiento del sistema de retirada de calor 220 como se describe en el presente documento, incluyendo, sin limitación, todos los dispositivos 220 de un convertidor de energía 104. Se pueden montar múltiples dispositivos semiconductores 200 en una única cavidad de inmersión 226 con líquido refrigerante común 228 si el líquido refrigerante de cambio de fase seleccionado tiene una alta resistencia eléctrica, es decir, un fluido dieléctrico tal como refrigerante R-134A. Asimismo, de forma alternativa, el convertidor de energía 104 puede incluir cualquier número de cavidades de inmersión que permitan el funcionamiento del sistema de retirada de calor 220 como se describe en el presente documento. En algunos modos de realización, el sustrato 204 puede tener características para mejorar el montaje y la refrigeración, tales como orificios 218, curvas y/o aletas (no se muestran ambos).

[0039] La FIG. 3 es un diagrama esquemático de un flujo de circulación natural 244 que usa un dispositivo semiconductor 200. En referencia a la FIG. 2 con la FIG. 3, en funcionamiento, se energiza el dispositivo semiconductor 200. A medida que la pastilla 202 y los cables de unión 214 del dispositivo 200 generan calor, las temperaturas de la pastilla 202, las superficies 206 y 207 y los cables de unión 214 aumentan, transfiriendo de este modo calor al líquido 228, incluyendo la transferencia de calor de doble cara desde las superficies 206 y 207. Una vez que se completa el calentamiento inicial, el dispositivo semiconductor 200 y el sistema de retirada de calor 220 son sustancialmente isotérmicos. Específicamente, cuando el líquido 228 alcanza una temperatura predeterminada asociada con una temperatura en operación predeterminada de la pastilla semiconductora, es decir, el punto de ebullición del líquido, el líquido 228 hierve y cambia de fase a una pluralidad de burbujas de vapor para formar una corriente de vapor 246 en el líquido 228. La menor densidad de la corriente de vapor 246 en comparación con el líquido 228 facilita el flujo de circulación natural accionado por la flotabilidad 244. En al menos algunos modos de realización, al menos un conducto de canalización de vapor 233 facilita la canalización de la corriente de vapor 246 hacia arriba. El conducto de canalización de vapor 233 también puede facilitar la formación de una corriente de vapor 246 en una interfaz caliente dentro del conducto 233, que típicamente está a una presión muy baja, y el líquido 228 en contacto con la superficie sólida termoconductora del conducto 233 se convierte en vapor al absorber calor de esa superficie.

[0040] El vapor 246 se acumula en el vacío 232 y parte del vapor 246 transfiere calor 248 a través del techo 224 (mostrado en la FIG. 3), en el que el vapor 246 cambia de fase de vapor 246 a líquido 250 cuando se conductor de convertidor el calor latente. En algunos modos de realización, parte del vapor 246 entra en el dispositivo externo de intercambio de calor 236 abriendo 238 y en el conducto de salida de cavidad de inmersión 240. El calor 248 se retira del vapor 246 y se transfiere al aire del entorno circundante. El vapor 246 se condensa a medida que se retira el calor latente, transformándose de este modo en líquido 250. El líquido 250 se canaliza a una porción inferior de la cavidad de inmersión 226 por medio del conducto de retorno de líquido 242 a través de la acción capilar y/o la acción de flotación, completando de este modo el flujo de circulación natural 244.

[0041] La FIG. 4 es un diagrama esquemático de un dispositivo semiconductor 300 ejemplar que incluye una pluralidad de pastillas semiconductoras 302 acopladas a un sustrato 304. En el ejemplo ejemplar, el dispositivo semiconductor 300 es similar a los conmutadores de convertidor 136 dentro del convertidor elevador 128 y los conmutadores de inversor 150 dentro del inversor 130 (todos mostrados en la FIG. 1), es decir, el dispositivo semiconductor 300 es un IGBT. La pastilla semiconductora 302 está formada principalmente de silicio. Sin embargo, la pastilla semiconductora 302 puede ser cualquier pastilla que permita el funcionamiento del dispositivo semiconductor 300 como se describe en el presente documento. Las pastillas semiconductoras 302 se sueldan sobre un primer lado o superficie 306 de una lámina de sustrato 304. El sustrato 304 se forma a partir de un material que es eléctricamente conductor y térmicamente conductor, por ejemplo, un metal, tal como cobre, formando de este modo una unión eléctrica 308 sobre el mismo. De forma alternativa, el sustrato 304 se forma a partir de cualquier material eléctricamente conductor y térmicamente conductor que permita el funcionamiento del dispositivo semiconductor 300 como se describe en el presente documento. El sustrato 304 también define un segundo lado o superficie 307 que está opuesto a la superficie 306.

[0042] El sustrato 304 está acoplado a un suelo 310 para formar una conexión eléctrica inferior 312, es decir, un contacto de colector IGBT. La conexión eléctrica inferior 312 facilita el montaje seguro de las pastillas semiconductoras 302 y su mantenimiento en la posición deseada dentro del convertidor de energía 104. De forma alternativa, se usa cualquier procedimiento para asegurar el sustrato 304 que permita el funcionamiento del dispositivo semiconductor 300. Una pluralidad de cables de enlace 314 están acoplados a cada pastilla 302 para definir las conexiones eléctricas superiores 316, es decir, contactos de emisor y puerta IGBT. Los cables de enlace 314 están terminados y acoplados al cableado estándar 315 en montajes fijos y conexiones 317. De forma alternativa, en lugar de dispositivos semiconductores que usan tres conexiones eléctricas, por ejemplo, IGBT, algunos modos de realización usan dispositivos semiconductores que tienen dos conexiones eléctricas, es decir, un ánodo y un cátodo, por ejemplo, diodos. Además, dado que las conexiones de control no generan tanto calor como las conexiones de energía, dichas conexiones de control no necesitan sumergirse y se pueden acoplar al sustrato 304 en una localización separada de las conexiones de energía. Además, en el modo de realización ejemplar, el sustrato 304 define una pluralidad de aberturas 318 que se pueden usar para montar y/o realizar conexiones eléctricas.

[0043] En el ejemplo ejemplar, el convertidor de energía 104 incluye un sistema de retirada de calor 320 que incluye al menos una estructura de inmersión 322. La estructura de inmersión 322 incluye al menos una porción del suelo 310 y un techo 324. La estructura de inmersión 322 también incluye al menos una pared (no mostrada). La estructura de inmersión 322 define una cavidad de inmersión 326 que está al menos parcialmente llena de un líquido 328. El techo 324 se extiende sobre una superficie 330 de líquido 328 para definir un vacío 332 entre la superficie 330 y el techo 324. Se canaliza suficiente líquido 328 dentro de la cavidad de inmersión 326 para situar la superficie 330 de manera que las pastillas semiconductoras 302 estén completamente sumergidas y en contacto directo con el líquido 328. Al menos una porción de los alambres de unión 314 se sumergen de forma similar. El líquido 328 es cualquier sustancia, o combinación de sustancias, que cambia de fase de líquido a vapor cuando la temperatura de la superficie de las pastillas 302 y/o del sustrato 304 alcanza una temperatura predeterminada debido al calor generado en el mismo, incluyendo, sin limitación, el refrigerante R-134A.

[0044] Asimismo, en el ejemplo ejemplar, el sistema de retirada de calor 320 incluye una superficie externa de techo 334, en la que el calor del líquido 328 se transfiere al techo 324 y el calor se transfiere desde el convertidor de energía 104 por medio de la superficie 334. A diferencia del sistema de retirada de calor 220 (mostrado en la FIG. 2), el sistema de retirada de calor 320 no incluye un dispositivo similar al dispositivo externo de intercambio de calor 236 (mostrado en la FIG. 2). Sin embargo, modos de realización alternativos del sistema 320 pueden incluir dichos dispositivos. Asimismo, a diferencia del sistema de retirada de calor 220, el sistema de retirada de calor 320 no incluye dispositivos similares al conducto de canalización de vapor 233 y al conducto de retorno de líquido 242 (ambos mostrados en la FIG. 2). Sin embargo, los modos de realización alternativos del sistema 320 incluyen dichos conductos. El techo 324 está conformado para facilitar la recogida de vapor dentro del vacío 332. La superficie externa de techo 334 se refrigera por aire para facilitar la transferencia de calor desde el convertidor de energía 104. De forma alternativa, se usa cualquier medio de transferencia de calor desde la superficie 334, incluyendo, sin limitación, un circuito de agua de refrigeración abierto o cerrado.

[0045] Además, en el ejemplo ejemplar, el sistema de retirada de calor 320 incluye un dispositivo semiconductor 300, en el que el tamaño, la orientación, los medios de situación y los materiales del dispositivo 300 están predeterminados para facilitar la retirada de calor del mismo. El dispositivo 300 se sitúa de modo que no interfiere con una trayectoria de flujo de refrigeración (analizado con detalle más adelante). Además, en el modo de realización ejemplar, un dispositivo semiconductor 300 está en una cavidad de inmersión 326. De forma alternativa, se puede situar cualquier número de dispositivos 300 en cualquier cavidad de inmersión 326 que permita el funcionamiento del sistema de retirada de calor 320 como se describe en el presente documento, incluyendo, sin limitación, todos los dispositivos 320 de un convertidor de energía 104. Se pueden montar múltiples dispositivos semiconductores 300 en una única cavidad de inmersión 326 con líquido refrigerante común 328 si el líquido refrigerante de cambio de fase se selecciona para que tenga una alta resistencia eléctrica, es decir, un fluido dieléctrico, tal como refrigerante R-134A. Asimismo, de forma alternativa, el convertidor de energía 104 puede incluir cualquier número de cavidades de inmersión que permitan el funcionamiento del sistema de retirada de calor 320 como se describe en el presente documento. En algunos modos de realización, el sustrato 304 puede tener características para mejorar el montaje y la refrigeración, tales como orificios 318, curvas y/o aletas (no se muestran ambos).

[0046] La FIG. 5 es un diagrama esquemático de un flujo de circulación natural 344 que usa un dispositivo semiconductor 300. En referencia a la FIG. 4 con la FIG. 5, en funcionamiento, se energiza el dispositivo semiconductor 300. A medida que la pastilla 302 y los cables de unión 314 del dispositivo 300 generan calor, las temperaturas de la pastilla 302, las superficies 306 y 307 y los cables de unión 314 aumentan, transfiriendo de este modo calor al líquido 328, incluyendo la transferencia de calor de doble cara desde las superficies 306 y 307. Una vez que se completa el calentamiento inicial, el dispositivo semiconductor 300 y el sistema de retirada de calor 320 son sustancialmente isotérmicos. Específicamente, cuando el líquido 328 alcanza una temperatura predeterminada asociada con una temperatura en operación predeterminada de la pastilla semiconductora, es decir, el punto de ebullición del líquido, el líquido 328 hierve y cambia de fase a vapor para formar una corriente de vapor 346 en el líquido 328. La menor densidad de la corriente de vapor 346 en comparación con el líquido 328 facilita el flujo de circulación natural accionado por la flotabilidad 344. La corriente de vapor 346 se acumula en el vacío 332 y hace contacto con el techo 324. El calor latente 348 se retira de la corriente de vapor 346 y se transfiere al aire en el entorno circundante. La corriente de vapor 346 se condensa a medida que se retira el calor latente y la corriente de vapor 346 se vuelve a convertir en líquido 350. El líquido 350 se canaliza a una porción inferior de la cavidad de inmersión 326 debido a la mayor densidad del líquido enfriado en comparación con el líquido más caliente 328 y la corriente de vapor 346, completando de este modo el flujo de circulación natural 344.

[0047] La FIG. 6 es un diagrama esquemático de un sistema de retirada de calor alternativo 420 ejemplar que se puede usar con los dispositivos semiconductores 200 y 300. En este modo de realización alternativo, el sistema 420 incluye un dispositivo de flujo forzado 425 que incluye, sin limitación, una bomba y un compresor. El dispositivo de flujo forzado 425 se sitúa en comunicación de flujo con, y entre, al menos una de las superficies externas 234 y 334 y/o el dispositivo externo de intercambio de calor 236 y los dispositivos semiconductores 200 y 300. El dispositivo de flujo forzado 425 aspira el líquido 450 de las superficies/dispositivo 234/236/334 y aumenta la presión del líquido 450 para formar un líquido presurizado 452, induciendo de este modo un flujo de circulación forzada 454 dentro de la cavidad de inmersión 226/326. El líquido presurizado 452 induce el flujo de líquido 228/328 a través del dispositivo semiconductor 200/300, en el que las burbujas de vapor 446 se forman como se describió anteriormente. El flujo de circulación forzado 454 induce un movimiento de burbujas de vapor 446 hacia las superficies/dispositivo 234/236/334, en el que se retira el calor 448 y se condensan las burbujas de vapor 446 para formar el líquido 450.

[0048] En este modo de realización alternativo, el dispositivo de flujo forzado 425 se sitúa en una porción inferior de la cavidad de inmersión 226/326 para facilitar el suministro del dispositivo 425 con suficiente cabezal de succión neto positivo para reducir el potencial de cavitación y para usar al menos parcialmente la fuerza de flotabilidad para inducir el flujo a través de la circulación natural para ayudar al flujo de circulación forzada 454. Por lo tanto, en el caso de una pérdida de energía eléctrica al dispositivo de flujo forzado 425, la circulación natural facilitará al menos el flujo de refrigerante parcial dentro de la cavidad de inmersión 226/326, facilitando de este modo la retirada de calor al menos parcial de los dispositivos semiconductores 200/300. Además, en otros modos de realización, el dispositivo de flujo forzado 425 se mantiene en una condición de espera hasta que las condiciones dentro de la cavidad de inmersión 226/326 garantizan una transferencia de calor adicional desde los dispositivos semiconductores 200/300. En dichas condiciones, el dispositivo de flujo forzado 425 se puede usar para facilitar la retirada de calor adicional, mejorando y/o complementando de este modo el flujo de circulación natural y facilitando un aumento en la capacidad de conversión de energía del convertidor de energía 104.

[0049] La FIG. 7 es un diagrama de flujo de un procedimiento ejemplar 500 de montaje de los sistemas de retirada de calor 200 y 300 (mostrados en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) para el convertidor de energía eléctrica 104 (mostrado en las FIGS. 1,2 y 4) incluyendo los dispositivos semiconductores 200 y 300 (mostrados en las FIGS.

2 y 4, respectivamente). En el modo de realización ejemplar, se proporciona 502 al menos una estructura de inmersión 222/322 (mostrada en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) que incluye al menos un suelo 210/310 (mostrado en las FIGS. 2 y 4, respectivamente). La estructura de inmersión 222/322 define al menos una cavidad de inmersión 226/326 (mostrada en las FIGS. 2 y 4, respectivamente). Se monta al menos un dispositivo semiconductor 200/300 504 que incluye acoplar al menos una pastilla semiconductora 202/302 (mostrada en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) a un sustrato 204/304 (mostrado en las FIGS. 2 y 4, respectivamente).

[0050] Asimismo, en el modo de realización ejemplar, el dispositivo semiconductor 200/300 está acoplado 506 al suelo 210/310. El líquido 228/328 (mostrado en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) se canaliza 508 hacia la cavidad de inmersión 226/326, llenando de este modo al menos parcialmente la cavidad de inmersión 226/326 de manera que la pastilla semiconductora 202/302 está completamente sumergida y en contacto directo con el líquido 228/328, en el que el calor generado por el dispositivo semiconductor 200/300 induce un cambio de fase en el líquido 228/328. El dispositivo semiconductor 200/300 está orientado 510 dentro de la cavidad de inmersión 226/326 de manera que se establece la trayectoria de flujo 244/344/454 (mostrada en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) para la retirada de calor por los vapores 246/346/446 (mostrada en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) formados en el líquido 228/328.

[0051] La FIG. 8 es un diagrama de flujo de un procedimiento 600 ejemplar de funcionamiento de los sistemas de retirada de calor 200 y 300 (mostrados en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) para el convertidor de energía eléctrica 104 (mostrado en las FIGS. 1,2 y 4) que incluye dispositivos semiconductores 200 y 300 (mostrados en las FIGS. 2 y 4, respectivamente). Los dispositivos semiconductores 200/300 incluyen al menos una pastilla semiconductora 202/302 (mostrada en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) acoplada a un primer lado 206/306 (mostrado en las FIGS.2 y 4, respectivamente) del sustrato 204/304 (mostrado en las FIGS.2 y 4, respectivamente) de los dispositivos semiconductores 200/300. Los dispositivos semiconductores 200/300 también incluyen un segundo lado 207/307 (mostrado en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) opuesto al primer lado 206/306. Los dispositivos semiconductores 200/300 se sitúan dentro de al menos una estructura de inmersión 222/322 (mostrada en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) que define al menos una cavidad de inmersión 226/326 (mostrada en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) en la misma. La cavidad de inmersión 226/336 está al menos parcialmente llena de líquido 228/328 (mostrado en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) de modo que la pastilla semiconductora 202/302 está completamente sumergida y en contacto directo con el líquido 228/328 y al menos una porción de ambos lados 206/207/306/307 del sustrato 204/304 está sumergida y en contacto directo con el líquido 228/328.

[0052] En el modo de realización ejemplar, al menos un dispositivo semiconductor 200/300 está energizado 602. El calor 248/348 (mostrado en las FIGS. 2 y 4, respectivamente) se genera 604 en la pastilla semiconductora 202/302 y al menos una porción del calor 248/348 se transfiere al primer lado 206/306 del sustrato 204/304 y al segundo lado 207/307 del sustrato 204/304. El calor 248/348 se retira 606 de la pastilla semiconductora 202/302 y de al menos una porción del primer lado 206/306 y del segundo lado 207/307 del sustrato 204/304. Se induce un cambio de fase 608 en el líquido 228/328.

[0053] Diversos de los modos de realización descritos anteriormente facilitan el aumento de la tasa de conversión de energía y la confiabilidad de los convertidores de energía eléctrica. Específicamente, el aparato y los sistemas de retirada de calor descritos en el presente documento usan transferencia de calor de doble cara desde las superficies de un sustrato y la inmersión de los dispositivos dentro de un fluido dieléctrico para facilitar el refrigeración directa y la transferencia de calor de dos fases. Asimismo, específicamente, se eliminan una pluralidad de capas innecesarias de materiales entre las porciones generadoras de calor de los dispositivos semiconductores y las superficies de transferencia de calor, disminuyendo de este modo la resistencia térmica general entre los dispositivos y el fluido de retirada de calor. Dicha retirada de calor mejorada de los dispositivos semiconductores aumenta las tasas de conversión de energía efectivas y la confiabilidad del dispositivo al disminuir las temperaturas en operación nominales y la tasa de cambios de temperatura de las mismas, disminuyendo de este modo la magnitud de las tensiones térmicas inducidas en los dispositivos semiconductores. Además, al menos algunos de los modos de realización de los procedimientos, aparatos y sistemas descritos en el presente documento se basan en fuerzas de flotabilidad para facilitar la circulación natural. Por lo tanto, la retirada de calor de los dispositivos semiconductores se facilita sin depender de aparatos de refrigeración forzada, facilitando de este modo la retirada de calor independientemente de la disponibilidad de energía eléctrica para el equipo de refrigeración auxiliar. Además, la reducción del número y la diversidad de capas de material en los dispositivos semiconductores facilita la disminución de la impedancia eléctrica del circuito de conversión de energía, una conmutación más rápida de los dispositivos y una calidad de energía mejorada.

[0054] Los modos de realización ejemplares de una instalación de generación de energía eléctrica, un aparato de conversión de energía eléctrica y sistemas de retirada de calor de dispositivos semiconductores y los procedimientos para montar los mismos se describen anteriormente en detalle. Los procedimientos y el sistema de control no se limitan a los modos de realización específicos descritos en el presente documento, sino que, en lugar de eso, los componentes de las instalaciones, los sistemas y aparatos, y/o los pasos de los procedimientos se pueden usar independientemente y separadamente de otros componentes y/o pasos descritos en el presente documento. Por ejemplo, el convertidor de energía y los procedimientos de retirada de calor también se pueden usar en combinación con otros aparatos y procedimientos de conversión de energía, y no se limitan a llevarse a la práctica solo con los sistemas de energía como se describe en el presente documento. Más bien, el modo de realización ejemplar se puede implementar y utilizar en conexión con muchas otras aplicaciones de conversión de energía eléctrica.

[0055] Aunque las características específicas de diversos modos de realización de la invención se pueden mostrar en algunos dibujos y no en otros, esto es solo por conveniencia. De acuerdo con los principios de la invención, cualquier característica de un dibujo se puede referir y/o reivindicar con cualquier característica de cualquier otro dibujo.

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES

   i . Un convertidor de energía eléctrica (104) para una fuente de energía renovable (102) que comprende:

   al menos un conducto de corriente alterna (CA) (176, 178, 180) acoplado a un dispositivo externo de alimentación de CA (106);

   al menos un conducto de corriente continua (CC) (114.116, 118, 132) acoplado a un dispositivo externo de alimentación de CC (102);

   al menos una estructura de inmersión (222, 322) que define al menos una cavidad de inmersión (226, 326) en la misma;

   una pluralidad de dispositivos semiconductores (200, 300) que comprenden:

   un sustrato (204, 304) situado dentro de dicha cavidad de inmersión (226, 326), dicho sustrato define una pluralidad de superficies de transferencia de calor (206, 207, 306, 307) sobre el mismo; y

   al menos una pastilla semiconductora (202, 302) acoplada a dicho sustrato, dicho conducto de CA y dicho conducto de CC;

   un sistema de retirada de calor (220) acoplado a dicha al menos una estructura de inmersión (222, 322), comprendiendo dicho sistema de retirada de calor (220):

   un conducto de canal de vapor (233) situado dentro de dicha cavidad de inmersión (226, 326);

   un conducto de retorno de líquido (242) situado dentro de dicha cavidad de inmersión (226, 326); y

   un conducto de salida de cavidad de inmersión (240) acoplado en comunicación de flujo a dicho conducto de canal de vapor (233) y a dicho conducto de retorno de líquido (242); y

   un líquido (228, 328) que llena al menos parcialmente dicha cavidad de inmersión (226, 326) de manera que dicha pastilla semiconductora está completamente sumergida y en contacto directo con dicho líquido, en el que el calor (248, 348) generado en dicho dispositivo semiconductor induce un cambio de fase en dicho líquido a un vapor para inducir un flujo de circulación natural (244.344) de dicho vapor,

   dicho conducto de canal de vapor (233) configurado para canalizar dicho vapor a dicho conducto de salida de cavidad de inmersión (240), estando acoplado dicho conducto de salida de cavidad de inmersión (240) a un dispositivo externo de intercambio de calor (236) que está configurado para inducir otro cambio de fase del vapor de vuelta a dicho líquido, dicho conducto de retorno de líquido (242) configurado para canalizar dicho líquido a dicha cavidad de inmersión (226, 326).
2. 2. Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho sustrato (204, 304) comprende al menos una lámina formada de un material que es térmicamente conductor y eléctricamente conductor.
3. 3. Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicha al menos una estructura de inmersión (222, 322) comprende una superficie superior de intercambio de calor (224, 234, 324, 334, 236) que se extiende sobre dicha cavidad de inmersión (226, 326).
4. 4. Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicho líquido (228, 328) llena parcialmente dicha cavidad de inmersión (226, 326) de manera que se define un vacío (232, 332) entre una superficie (230, 330) de dicho líquido y dicha superficie superior de intercambio de calor (224, 234, 324, 334, 236).
5. 5. Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicha superficie superior de intercambio de calor (224, 234, 324, 334, 236) comprende un techo (224, 324) de dicha al menos una estructura de inmersión (222, 322) que se extiende sobre dicha superficie (230, 330) de dicho líquido (228, 328) y que define parcialmente dicha cavidad de inmersión (226, 326).
6. 6. Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicha al menos una estructura de inmersión (222, 322) comprende además:

   un techo (224, 324) configurado para cooperar con una superficie (230, 330) de dicho líquido (228, 328) para recoger los vapores (246, 346) generados a partir del cambio de fase del líquido; y

   al menos una superficie de intercambio de calor (236) situada externa a dicha cavidad de inmersión (226, 326).
7. 7. Un convertidor de energía eléctrica (104) de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dicha superficie externa de intercambio de calor (236) está acoplada en comunicación de flujo con dicha cavidad de inmersión (226, 326) por medio de al menos uno de:

   el conducto de salida de cavidad de inmersión (240);

   el conducto de canalización de vapor (233); y

   el conducto de retorno de líquido (242).