KR101335135B1 - 모듈러 전력 셀 패키징 시스템 - Google Patents

모듈러 전력 셀 패키징 시스템 Download PDF

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마크 에프. 아이엘로
에드워드 앨런 치즈만
웨인 쉘던 조단
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지멘스 인더스트리 인코포레이티드
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Abstract

착탈가능한 전력셀의 그룹을 포함하는 전력 전달 시스템이 제공된다. 각 전력셀은 수냉식 열싱크, 공기 흡입구, 및 공기 배출구를 포함한다. 상기 시스템은 또한 열교환기를 포함한다. 상기 열교환기는 상기 셀로부터 공기를 끌어들여 그를 냉각하고 상기 냉각된 공기를 각 셀의 공기 흡입구를 통해 상기 셀로 재순환시킨다. 상기 셀은, 공기가 상기 열싱크에 도달하기 전에, 상기 열싱크에 인접하지 않은 컴포넌트가 상기 공기 흡입구로부터의 공기에 의해 냉각되도록 설계된다.
전력셀, 수냉식 열싱크, 공기 흡입구, 공기 배출구, 하우징 구조, 열교환기, 공기 플래넘, 재순환, 전력 전달 시스템, 취수구, 배수구, 커패시터 커넥터, 트랜지스터

Description

모듈러 전력 셀 패키징 시스템{PACKAGING SYSTEM FOR MODULAR POWER CELLS}
본 출원은 일반적으로 전력전달 시스템의 분야에 관한 것이다.
근래에, 중간 전압 가변 주파수 드라이브(VFD) 애플리케이션용 회로가 주목을 끌고 있다. 다수의 참신한 방법들이 과거 십여년간 소개되어왔다. 예를 들면, 본 문에 그 전체가 참조로서 통합된 Hammond의 미국특허 제 5,625,545에 기술된 것과 같은 직렬연결 인버터를 구비하는 회로에서, 인버터 또는 전력셀(110)은 3 상 다이오드-브리지 정류기(112), 하나 이상의 직류(DC) 커패시터(114), 및 H-브리지 인버터(116)를 포함한다. 상기 정류기(112)는 입력(118) 교류(AC) 전압을 상기 정류기(112) 출력부를 가로질러 연결된 커패시터(114)에 의해 제공되는 거의 일정한 DC 전압으로 변환한다. 상기 인버터(110)의 출력 스테이지는 각각 2 개의 디바이스를 가진 좌측 극과 우측 극의 2 개의 극을 포함하는 H-브리지 인버터(116)를 포함한다. 상기 인버터(110)는 상기 DC 커패시터(114)를 지나는 DC 전압을 H-브리지 인버터(116)에서의 반도체 디바이스의 펄스-폭 변조(PWM)를 이용하여 AC 출력(120)으로 변환한다.
중간 전압 및 고 전압 모터 제어용 다른 회로와 드라이브가 가용하다. 일반적으로, 중간 전압은 690볼트(V)이상 69킬로볼트(kV)이하의 정격 전압을 가리킨다. 일부 실시예에서, 중간 전압은 약 1000V 내지 약 69kV가 될 수도 있다. 고압 정격은 이러한 중간 전압 정격을 초과한다. 다수의 시스템에서, 모듈러 전력셀이 사용된다. 산업은 대개 이러한 시스템의 크기를 감소시키고, 상기 시스템의 수명과 신뢰성을 증가시키며, 상기 시스템으로 하여금 하나 이상의 고장 상태에서 동작을 유지할 수 있도록 하는 방법을 찾는다.
본문에 포함된 설명은 상술한 하나 이상의 문제를 해결하고자 하는 것이다.
일 실시예에서, 전력 전달 시스템은 하우징 구조내에 배치된 복수의 착탈 가능한 전력셀을 포함한다. 각 전력셀은 수냉식 열싱크, 공기흡입구, 및 공기배출구를 포함한다. 상기 시스템은 또한 열교환기를 포함한다. 각 셀은 공기를 공기흡입구로 받아들이고 상기 공기를 공기 플래넘으로 배출하도록 배치된다. 상기 열교환기는 상기 공기 플래넘으로부터 공기를 받아들여서, 상기 공기를 냉각하고, 상기 냉각된 공기를 각 셀의 공기 흡입구를 통해 셀로 재순환시키도록 배치된다. 동작하는 동안, 셀에 의해 공기 플래넘으로 배출된 공기는 상기 셀의 공기흡입구로 수용된 공기보다 더 따뜻하다. 추가하여, 각 셀의 열싱크는 취수구와 배수구에 연결되고, 동작하는 동안, 상기 셀에 의해 배수구로 배출되는 물은 동일한 셀의 취수구로 수용되는 물보다 더 따뜻하다. 일부 실시예에서, 각 전력셀은 복수의 커패시터 커넥터와 복수의 트랜지스터를 포함한다. 상기 커패시터 커넥터는 열싱크의 위치와 비교될 때 상기 공기 흡입구에 더 인접하게 배치되고, 상기 열싱크는 상기 커패시터의 위치에 비교될 때 상기 공기배출구에 더 인접하게 배치된다. 동작하는 동안, 상기 셀을 통과하여 순환하는 대부분의 공기는 상기 열싱크에 접촉하기 전에 상기 커패시터 커넥터에 접촉한다. 각 전력셀은 또한 상기 열싱크의 위치와 비교될 때 상기 공기흡입구에 더 인접하게 배치된 회로보드를 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 셀과 공기 플래넘 사이에 배치된 백플레인, 상기 셀로 전력을 전달하기 위해 상기 공기 플래넘 내에 배치된 복수의 전력 전달 버스, 및 상기 셀로부터 전력을 받고 상기 전력을 로드로 전달하기 위해 상기 공기 플래넘 내에 배치된 복수의 전력 리턴 버스를 포함한다. 상기 시스템은 또한 물 전달 매니폴드와 물 리턴 매니폴드를 포함하고, 여기서 각 매니폴드는 복수의 자동 밀봉 연결부를 포함하고, 각 연결부는 셀이 상기 연결부에 연결될 때 개방되고, 셀이 상기 연결부로부터 제거될 때 닫힌다.
또다른 실시예에서, 전력 전달 시스템은 하우징 구조내에 배치된 복수의 착탈가능한 전력셀을 포함한다. 각 전력셀은 입력 버스, 출력 버스, 공기흡입구, 공기 배출구, 취수구 및 배수구에 연결된 수냉식 싱크, 물전달 매니폴드 및 물 리턴 매니폴드를 포함한다. 각 물 매니폴드는 자동 밀봉 연결부를 가져서, 각 연결부가 셀이 상기 연결부에 연결될 때는 개방하고 셀이 상기 연결부로부터 제거될 때 닫히도록 한다. 상기 시스템은 또한 공기 플래넘, 및 상기 공기 플래넘으로부터 공기를 수용하여, 상기 공기를 냉각하고, 상기 냉각된 공기를 각 셀의 공기 흡입구를 통해 상기 셀로 재순환시키는 열교환기를 포함한다. 각 셀은 공기를 수용하고 상기 공기를 공기 플래넘으로 배출하도록 배치되고, 각 셀은 또한 자신의 취수구를 통해 물을 수용하고 자신의 배수구를 통해 물을 배출하도록 배치된다. 동작하는 동안, 셀에 의해 상기 공기 플래넘으로 배출되는 공기는 상기 셀의 공기 흡입구로 수용되는 공기보다 더 따뜻하고, 상기 셀에 의해 배수구를 통해 배출되는 물은 상기 셀의 취수구로 수용되는 물 보다 더 따뜻하다. 일부 실시예에서, 각 전력셀은 복수의 커패시터 커넥터와 복수의 트랜지스터를 포함한다. 상기 커패시터 커넥터는 상기 열싱크의 위치에 비교될 때 상기 공기 흡입구에 더 인접하게 배치되고, 상기 열싱크는 상기 커패시터 연결부의 위치에 비교될 때 상기 공기 배출구에 더 인접하게 배치되어, 상기 셀을 통해 순환하는 대부분의 공기가 상기 열싱크에 접촉하기 전에 상기 커패시터 커넥터에 접촉하도록 한다. 일부 실시예에서, 각 전력셀은 또한 상기 열싱크의 위치에 비교될 때 상기 공기 흡입구에 더 인접하게 배치되는 회로보드를 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 셀과 공기 플래넘 사이에 배치된 백 플레인, 상기 공기 플래넘 내에 배치되어 전력을 셀에 전달하는 복수의 전력 전달 버스, 및 상기 공기 플래넘 내에 배치되어 상기 셀로부터 전력을 수용하여 상기 전력을 로드로 전달하는 복수의 전력 리턴 버스를 포함한다.
일부 실시예에서, 전력 전달 시스템은 하우징 구조내에 배치된 복수의 착탈가능한 전력셀을 포함하고, 여기서 각 전력셀은 공기흡입구, 공기 배출구, 및 수냉식 싱크를 포함한다. 상기 시스템은 상기 수냉식 싱크에 연결된 물 전달 매니폴드 및 물 리턴 매니 폴드를 포함하고, 여기서 각 매니폴드는 복수의 자동 밀봉 연결부를 구비하고, 상기 각 연결부는 셀이 상기 연결부에 연결된 때 개방하고 셀이 상기 연결부로부터 제거될 때 닫힌다. 상기 시스템은 또한 공기 플래넘, 상기 공기 플래넘으로부터 공기를 수용하고, 상기 공기를 냉각하여 상기 냉각된 공기를 각 셀의 공기 흡입구를 통해 상기 셀로 재순환시키는 열교환기를 포함한다. 각 셀은 공기를 수용하고 상기 공기를 공기 플래넘으로 배출하도록 배치되고, 동작하는 동안 상기 셀에 의해 공기 플래넘으로 배출된 공기는 상기 셀의 공기 흡입구로 수용된 공기보다 더 따뜻하다. 각 전력셀은 상기 열싱크의 위치에 비교될 때 공기 흡입구로 더 인접하게 배치되는 복수의 커패시터 커넥터를 포함한다. 상기 열싱크는 커패시터 커넥터의 위치에 비교될 때 상기 공기 배출구에 더 인접하게 배치되어 동작하는 동안 상기 셀을 통과하여 순환하는 대부분의 공기가 상기 열싱크에 접촉하기 전에 상기 커패시터 커넥터에 접촉하도록 한다. 일부 실시예에서, 각 전력셀은 또한 상기 열싱크의 위치에 비교될 때 상기 공기 흡입구에 더 인접하게 배치되는 회로 보드를 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 셀과 공기 플래넘 사이에 배치된 백 플레인, 상기 공기 플래넘내에 배치되어 상기 셀로 전력을 전달하는 복수의 전력 전달 버스, 및 상기 공기 플래넘 내에 배치되어 상기 셀로부터 전력을 수용하여 상기 전력을 로드로 전달하는 복수의 전력 리턴 버스를 포함한다.
도 1은 종래 기술의 전력셀의 예시적인 특징을 나타내는 회로도이다.
도 2는 로드에 연결된 복수의 전력셀을 구비하는 회로를 도시한다.
도 3A는 예시적인 전력셀 하우징 구조의 후방 사시도이고, 도 3B는 전면 사시도이며, 반면 도 3C 및 3D는 전력셀 구조를 위한 예시적인 연결 부재를 도시한다.
도 4는 예시적인 전력셀 내부 구조를 도시한다.
도 5는 다수 전력셀의 예시적인 지지 구조를 도시한다.
도 6은 하우징에서의 예시적인 전력셀 시스템을 도시한다.
도 7은 예시적인 물 전달 시스템을 도시한다.
본 방법, 시스템 및 물질이 기술되기 전에, 상기의 것들은 변할 수 있기 때문에 본 설명은 기술된 특정한 방법론, 시스템 및 물질에 한정되지 않는 다는 것이 이해되어야한다. 또한 본 설명에서 사용된 전문용어는 특정한 버전 또는 실시예를 기술하는 목적일 뿐 그 범위를 한정하는 것을 의도하지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면 본문과 첨부된 청구범위에서 사용된 것과 같은, 단수 형태, "a", "an", 및 "the"는 문맥이 명확하게 달리 기술하지 않으면 복수의 참조를 포함한다. 추가하여, "구비한다"는 용어는 "포함하지만 한정하지 않는다"를 의미하도록 의도된다. 달리 정의되지 않는다면, 본문에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 동일한 의미를 가진다.
다양한 실시예에서, 멀티-레벨 전력 회로는 로드를 구동하기 위한 복수의 전력셀을 포함한다. 도 2는 이러한 전력셀을 가지는 회로의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 2에서, 변압기(210)는 3 상, 중간 전압 전력을 단상-인버터(전력셀이라고 하는)의 어레이를 통해 3 상 유도 모터와 같은 로드(230)로 전달한다. 상기 변압기(210)는 다수의 2 차 권선(214-225)을 여자하는 1 차 권선(212)을 포함한다. 1 차 권선(212)이 성망형 구성을 가지는 것으로 도시되었지만, 메쉬형 구성이 또한 가능하다. 또한, 2차 권선(214-225)이 메쉬형 구성을 가지는 것으로 도시되었지 만, 성망형 구성의 2 차 권선이 가능하고, 또는 성망형과 메쉬형 권선의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 2 차 권선의 수는 단순히 예시이고, 다른 수의 2 차 권선이 가능하다. 상기 회로는 일부 실시예에서, 중간 전압 애플리케이션 또는 다른 애플리케이션에 사용될 수 있다.
임의의 수의 랭크의 전력셀이 상기 변압기(210)와 로드(230) 사이에 연결된다. "랭크"는 3 상 세트 또는 전력 전달 시스템의 3 상에 각각 가로질러 설비된 전력셀의 그룹인 것으로 간주된다. 도 2를 참조하면, 랭크(250)는 전력셀(251-253)을 포함하고, 랭크(260)는 전력셀(261-263)을 포함하고, 랭크(270)는 전력셀(271-273)을 포함하고, 랭크(280)는 전력셀(281-283)을 포함한다. 4 개 미만의 랭크 또는 4 개 이상의 랭크가 가능하다. 중앙 제어 시스템(295)은 명령 신호를 광섬유 또는 기타 유선 또는 무선 통신 매체(290)를 통해 각 셀의 로컬 제어로 전송한다.
도 2에 기술된 전력셀은 셀이 상이한 설계 요구조건을 수용하는 필요에 따라 대체되거나 또는 고장난 셀을 대체하도록 하는 모듈러, 멀티레벨 시스템을 제공한다. 도 3A는 예시적인 전력셀 구조(310)의 후방 사시도를 도시하고, 도 3B는 예시적인 전력셀 구조(310)의 전면 사시도를 도시한다. 상기 전력셀(310)은 섀시(312) 및 복수의 전력 입력/출력 커넥터(325)를 포함한다.
도 3C를 참조하면, 전력셀용 전력 커넥터(325)는 장착 블록(370)으로부터 뻗어나오는 도전성 암(371)을 포함한다. 도 3D를 참조하면, 도전성 암(371)은 전력 버스용 전력 커넥터(380)와의 안전한 전기 연결을 이루도록 크기조정된다. 예를 들면, 도전성 암(371)은 전력 버스 커넥터(380)의 한 쌍의 도전성 암(381, 382) 사이에 피팅되고 그에 접촉한다. 일부 실시예에서, 전력 버스 커넥터(380)는 거의 고정된 연결을 만드는 것을 보조하는 지지체(383)를 포함한다. 다른 전력 커넥터 구성이 가능하다. 추가하여, 일부 실시예에서, 전력 버스 커넥터(380)와 유사한 구조가 상기 전력셀에 포함되지만, 전력 커넥터(325)와 유사한 구조가 상기 전력 버스에 포함될 수 있다.
도 3A 및 3B를 참조하면, 섀시(312)는 하나 이상의 커패시터, 인쇄회로기판, 열싱크 등과 같은 다양한 전자 모듈(310)의 컴포넌트를 실장한다. 상기 섀시(312)는, 정상 동작과 다수의 비정상 동작 상태 동안에 상기 전력 셀을 시스템 내의 다른 전력셀들과 기계적 및 전자기적으로 절연시키는 아연도금철 또는 기타 금속과 같은 적절한 금속으로 제조될 수 있다. 상기 섀시(312)는 상기 전자 모듈(310)의 내부 컴포넌트들이 배송 및 핸들링하는 동안 손상되는 것을 방지하는 기능을 하고, 그것은 상기 전자 모듈(310)의 컴포넌트에 대해 어떠한 손상도 일으키지 않으면서 상기 전자 모듈(310)이 자신의 임의의 측면에 배치될 수 있도록 하는 방식으로 구성된다. 다양한 실시예에 따라, 상기 섀시(312)는 함께 연결된 다수의 부분으로 구성되고, 상기 섀시(312)의 하나 이상의 부분은 착탈가능하다. 추가하여, 상기 섀시(312)는 전자 모듈(310)의 내부 컴포넌트의 손상으로부터 야기된 임의의 파편들이 상기 섀시(312)에 의해 봉입된 공간을 차지하는 것을 방지하고, 그에 의해 상기 전자 모듈(310)의 인접한 다른 컴포넌트에 대한 2차적인 손상을 방지하기에 충분한 두께이다. 상기 섀시(312)는 또한 그에 의해 야기되는 잠재적인 손상을 최소 화하기 위해 상기 섀시 내에서의 아크 손상을 위한 저임피던스 경로를 제공하도록 기능한다.
상기 셀의 예시적인 내부 컴포넌트는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 기타 트랜지스터, 사일리스터, 및 하나 이상의 정류기 모듈과 같은 전류 제어 디바이스 또는 스위치를 포함하는 전자 어셈블리를 포함한다. 상기 IGBT는 I/O 버스 위치에 대해 분리되고, 열성능을 증가시킨다. 상기 셀은, 개방되거나 또는 제거될 수 있는 도어 또는 패널에 의해 덮여지는 선택적인 액세스 개구부(315)를 가지고, 상기 셀의 전면 끝단(311)에 인접하여 배치되는 하나 이상의 제어 보드 또는 기타 전자 디바이스를 포함한다. 상기 셀의 내부 전면 영역은 셀동작을 위한 커패시터를 수용하는 복수의 커패시터 커넥터(330)를 포함한다. 상기 커패시터(도시되지 않음)는 상기 셀의 후방(321) 또는 다른 방향으로 상기 커패시터 커넥터로부터 뻗어나간다. 상기 커패시터가 배치되는 셀의 하부는 섀시(312)의 하부(도시되지 않음)로서 기능하는 하우징에 의해 커버된다.
상기 셀(312)은 동작시 상기 셀로부터 열을 제거하기 위한 수냉식 시스템을 포함한다. 상기 셀의 내부 수냉식 파이프는 하나 이상의 호스 또는 도관을 통해 각각 상기 셀로 냉각수를 수용하고 상기 셀로부터 물을 배출하기 위해 취수 연결부(330) 및 배수 연결부(332)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 상기 호스 연결부는 유체를 수냉식 열싱크(416)으로 전달하고 그로부터 전달받도록 연결된 입력 수도관(410) 및 출력 수도관(412)으로 물을 전달하고 또 그로부터 물을 수용하고, 이는 버스(422, 423, 424) 및 기타 셀의 컴 포넌트에 연결된 IGBT 디바이스 아래의 위치와 같은 셀의 컴포넌트로부터의 열을 흡수하는 데에 효과적인 위치에서 냉각수를 홀드하는 밀봉된 컨테이너이다.
버스(422, 423, 424)는 하나 이상의 전력 플러그(325)(도 3을 참조)에 전기적으로 연결된다. 버스는 와이어, 강체 또는 가요성 금속 피스, 도전성 중합체, 또는 기타 물질과 같은 전기 도전성 디바이스가 될 수 있다. 도 3을 참조하면, 상기 열싱크 및 IGBT는 일반적으로 상기 셀의 후방(321)에 인접하여 배치된다. 상기 열싱크용 물이 상기 IGBT를 냉각한다. 탈이온화된 물이 바람직하고, 상기 물은 상기 셀의 외부에 배치된 공기-물 또는 물-물 열교환기로 재순환된다.
수냉식 구조에 추가하여, 도 3을 다시 참조하면, 각 셀은 공기를 상기 셀을 통과하도록 하여 상기 공기가 커패시터 연결부, 전자 및 제어 보드, 전력 스위치, 버스 커넥터, 및/또는 버스 그 자체와 같은 컴포넌트 위로 흐르도록 하는 공기 흡입구(340) 및 공기 배출구(342)를 포함한다. 공기 흡입구 및 배출구 각각은 일부 실시예에서 필터 또는 그릴에 의해 덮여진다. 바람직하게는, 상기 셀(310) 컴포넌트는 공기가 먼저 상기 커패시터 연결부, 및/또는 회로보드를 통해 흐르고, 열싱크 위로의 공기 흐름은 공기 흐름에서 나중에 발생하도록 배치된다. 이것은 커패시터 연결부(330)와 회로보드(개구부(315) 아래)를 셀의 전면에 인접하도록 배치하고, 상기 열싱크(416)를 상기 공기 배출구(342) 또는 셀의 후방영역(321)에 인접하게 배치함으로써 발생한다. 따라서, 공기는 그것이 상기 수냉식 열싱크에 인접하지 않은 컴포넌트를 통과해서 지날때, 더 냉각되는 반면, 공기는 상기 열싱크가 또한 냉각 기능을 제공하는 영역에서 더 따뜻해진다.
도 5는 각 전력셀 또는 기타 전자 모듈이 하나 이상의 마운팅 레일(546) 상에 배치되어 각 셀의 후방이 백플레인(548)에 면하고 셀의 전력 플러그가 공기 플래넘 내의 셀 전력 연결부(521-525)에 접촉하도록 하는 하우징 내에, 9개의 셀과 같은 다수의 전력셀을 위한 예시적인 지지체 구조(544)를 도시한다. 상기 백플레인(548)은 고강도 비도전성 적층 물질과 같은 임의의 적절한 비도전성 물질로 제조되고, 그것은 상기 공기 플래넘을 상기 개별 셀에서 열을 제거하는 열교환시스템과 분리시킨다.
도 6은 버스워크(620) 연결을 통해 전력 입/출력 버스워크(605)로 연결된 임의의 수의 대체가능한 전력셀(310)을 포함하는 예시적인 전력셀 시스템(600)을 도시한다. 백플레인(548)은 상기 전력셀(310)을 상기 공기 플래넘(610)으로부터 분리시킨다. 공기가 셀의 전면으로 이동할때, 상기 공기는 상기 셀의 컴포넌트로부터 열을 흡수한다. 상기 셀을 자신의 후방에 놓아두고 상기 백플레인(548)의 개구부를 통해 지나는 공기는 일반적으로 상기 셀에 들어온 공기보다 더 따뜻하다. 열교환기(640)는 상기 공기 플래넘(610)으로부터 따뜻한 또는 뜨거운 공기를 받고, 상기 공기를 냉각하여 냉각된 공기를 시스템 하우징(650) 내에 배치된 공기 이송공간(630)을 통해 상기 셀의 전면으로 리턴한다. 임의의 적절한 공기 냉각 시스템이 상기 열교환기(640)로서 사용된다. 다른 위치도 가능하지만, 바람직하게는, 열교환기(640)는 상기 하우징(640)의 탑에 또는 그에 인접하게 배치된다. 따라서, 상기 시스템은 공기를 일정하고, 재순환방식으로 상기 셀의 후방으로부터 상기 열교환기를 통과하도록 한다. 본문에 기술된 강제 공기 이송 시스템에서, 일부 실시예 에서, 상기 공기의 재순환은 상기 공기의 이온화와 이러한 이온화에 연관된 아크 고장을 감소시킨다.
도 7은 또한 상기 하우징에 포함된 물전달 시스템을 도시한다. 각 셀(310)은 연결 도관(710, 712)을 통해 물전달(740) 및 리턴(742) 매니폴드에 연결된 입력 및 출력 호스 연결부(330, 332)를 가진다. 물 매니폴드 및 도관은 비부식성 금속, 고무, 실리콘, PVC, 플라스틱 또는 임의의 적절한 금속과 같은 뜨겁고 차가운 물을 전달하기에 적절한 물질로 만들어진다. 호스 연결부(330, 332)와 연결로(710, 712) 사이의 상기 연결부는 개별 전력셀이 다른 셀로의 물 경로를 부수지 않고서도 상기 시스템으로부터 제거될 수 있도록 하기 위해 자동밀봉된다. 연결시 개방하고 연결해제시 폐쇄하는 밸브와 같은, 임의의 적절한 밀봉 디바이스가 상기 목적을 위해 사용된다. 물전달(740) 및 리턴(742) 매니폴드는 상기 전력 전달 시스템(600)의 공기 플래넘(610)내에 배치된다(도 6을 참조). 물, 바람직하게는 탈이온화된 물이 외부 열교환기로 흐르고 그로부터 순환되어 냉각된다.
중간 전압 시스템에서, 상기 셀로 들어간 공기는 약 55℃의 온도로 제어되는 반면, 상기 셀로 전달된 물은 약 47℃의 온도까지 제어된다. 다른 온도도 가능하다. 상기 공기 및 물은 상기 셀 내부에 있는 동안 열을 흡수하고, 상기 셀에 있는 공기 및 물은, 일부 실시예에서 상기 셀에 들어간 공기 및 물보다 몇도 더 따뜻하다.
특정한 예시적인 실시예의 상기 인용된 상세한 설명과 도면을 판독하여 다른 실시예가 당업자에게는 명확하게 될 것이다. 다수의 다양한 변형, 변경, 및 추가 적인 실시예가 가능하며, 따라서 모든 이러한 변형, 변경, 및 실시예는 본 출원의 취지 및 범위를 벗어나지 않는 것으로 간주됨이 이해되어야한다.

Claims (20)

  1. 하우징 구조 내에 배치되는 복수의 착탈가능한 전력셀 - 상기 전력셀들 각각은 복수의 커패시터 커넥터, 수냉식 열싱크(heat sink), 공기 흡입구(air intake) 및 공기 배출구(air output)를 포함하고, 상기 커패시터 커넥터들은 상기 열싱크의 위치와 비교할 때 상기 공기 흡입구에 더 인접하게 배치되고, 상기 열싱크는 상기 커패시터 커넥터들의 위치와 비교할 때 상기 공기 배출구에 더 인접하게 배치됨 - ; 및
    열교환기
    를 포함하고,
    각 셀은 상기 공기 흡입구로부터 공기를 받아들이고, 공기 플래넘(air plenum)으로 상기 공기를 배출하도록 배치되고,
    상기 열교환기는 상기 공기 플래넘으로부터 상기 공기를 받아들이고, 상기 공기를 냉각시키고, 각 셀의 공기 흡입구를 통해 상기 셀들로 냉각된 상기 공기를 재순환시키도록 배치되는, 전력 전달 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    동작하는 동안, 셀에 의해 상기 공기 플래넘 내로 배출된 공기는 상기 셀의 공기 흡입구 내로 수용된 공기보다 더 따뜻한, 전력 전달 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각 셀의 열싱크는 취수구(water intake)와 배수구(water output)에 연결되고;
    동작하는 동안, 셀에 의해 상기 배수구를 통해 배출되는 물은 동일한 셀의 상기 취수구 내로 받아들인 물보다 더 따뜻한, 전력 전달 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수냉식 열싱크는 상기 복수의 전력셀 각각 내의 복수의 트랜지스터에 인접하여 배치되고,
    상기 수냉식 열싱크는 취수구를 통해서 차가운 물을 받아들이고, 상기 복수의 트랜지스터를 냉각시키고, 배수구를 통해 따뜻한 물을 물 열교환기 - 상기 물 열교환기는 상기 따뜻한 물을 냉각시키도록 구성됨 - 로 전달하도록 구성되는, 전력 전달 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    동작하는 동안, 상기 셀을 통한 공기 순환은 상기 열싱크에 접촉하기 전에 상기 커패시터 커넥터들에 접촉하는, 전력 전달 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각 전력셀은 상기 열싱크의 위치와 비교할 때 상기 공기 흡입구에 더 인접하게 배치되는 회로 보드를 더 포함하는, 전력 전달 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀들과 상기 공기 플래넘 사이에 배치된 백플레인;
    상기 셀들로 전력을 전달하기 위해 상기 공기 플래넘 내에 배치된 복수의 전력 전달 버스; 및
    상기 셀들로부터 전력을 수신하고 로드(load)로 상기 전력을 전달하기 위해 상기 공기 플래넘 내에 배치되는 복수의 전력 리턴 버스
    를 더 포함하는, 전력 전달 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    물전달 매니폴드(water delivery manifold) 및 물 리턴 매니폴드(water return manifold)를 더 포함하고, 각 매니폴드는 복수의 자동 밀봉(self-sealing) 연결부를 포함하고, 각 연결부는 셀이 상기 연결부에 연결될 때 개방하고, 셀이 상기 연결부로부터 제거될 때 폐쇄되는, 전력 전달 시스템.
  9. 하우징 구조 내에 배치되는 복수의 착탈가능한 전력셀 - 상기 전력셀들 각각은 입력 버스, 출력 버스, 공기 흡입구, 및 공기 배출구와, 취수구와 배수구에 연결된 수냉식 열싱크를 포함함 - ;
    물전달 매니폴드 및 물 리턴 매니폴드 - 각 매니폴드는 복수의 자동 밀봉 연결부를 포함하고, 각 연결부는 셀이 상기 연결부에 연결될 때 개방되고 셀이 상기 연결부로부터 제거될 때 폐쇄됨 - ;
    공기 플래넘; 및
    상기 공기 플래넘으로부터 공기를 받아서, 상기 공기를 냉각하고, 냉각된 상기 공기를 각 셀의 공기 흡입구를 통해 상기 셀들로 재순환시키는 열교환기
    를 포함하고,
    각 셀은 공기를 수용하고 상기 공기를 상기 공기 플래넘으로 배출하도록 배치되고, 각 셀은 자신의 취수구를 통해 물을 받아들이고 자신의 배수구로부터 상기 물을 배출하도록 더 배치되는, 전력 전달 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    셀에 의해 상기 공기 플래넘 내로 배출된 공기는 상기 셀의 공기 흡입구 내로 수용된 공기보다 더 따뜻하고;
    상기 셀에 의해 상기 배수구를 통해 배출된 물은 상기 셀의 취수구 내로 수용된 물보다 더 따뜻한, 전력 전달 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    각 전력셀은 복수의 커패시터 커넥터와 복수의 트랜지스터를 포함하는, 전력 전달 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 커패시터 커넥터들은 상기 수냉식 열싱크의 위치와 비교할 때 상기 공기 흡입구에 더 인접하게 배치되고, 상기 수냉식 열싱크는 상기 커패시터 커넥터들의 위치와 비교할 때 상기 공기 배출구에 더 인접하게 배치되는, 전력 전달 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    동작하는 동안, 상기 셀을 통한 공기 순환은 상기 수냉식 열싱크에 접촉하기 전에 상기 커패시터 커넥터들에 접촉하는, 전력 전달 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    각 전력셀은 상기 수냉식 열싱크의 위치와 비교할 때 상기 공기 흡입구에 더 인접하게 배치되는 회로 보드를 더 포함하는, 전력 전달 시스템.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 셀들과 상기 공기 플래넘 사이에 배치된 백플레인;
    전력을 상기 셀들로 전달하기 위해 상기 공기 플래넘 내에 배치된 복수의 전력 전달 버스; 및
    상기 셀들로부터 전력을 수용하고 상기 전력을 로드로 전달하기 위해 상기 공기 플래넘 내에 배치된 복수의 전력 리턴 버스
    를 더 포함하는, 전력 전달 시스템.
  16. 하우징 구조 내에 배치되는 복수의 착탈가능한 전력셀 - 상기 전력셀들 각각은 공기 흡입구, 공기 배출구, 및 수냉식 열싱크를 구비함 - ;
    상기 수냉식 열싱크에 연결되는 물전달 매니폴드 및 물 리턴 매니폴드 - 각 매니폴드는 복수의 자동 밀봉 연결부를 구비하고, 각 연결부는 셀이 상기 연결부에 연결될 때 개방되고 셀이 상기 연결부로부터 제거될 때 폐쇄됨 - ;
    공기 플래넘; 및
    상기 공기 플래넘으로부터 공기를 받아들여서, 상기 공기를 냉각하고, 냉각된 상기 공기를 각 셀의 공기 흡입구를 통해 상기 셀들로 재순환시키는 열교환기
    를 포함하고,
    각 셀은 공기를 수용하고 상기 공기를 공기 플래넘 내로 배출하도록 배치되고, 동작하는 동안, 셀에 의해 상기 공기 플래넘 내로 배출된 공기는 상기 셀의 공기 흡입구 내로 수용된 공기보다 더 따뜻하고,
    각 전력셀은 복수의 커패시터 커넥터를 구비하고, 상기 커패시터 커넥터들은 상기 수냉식 열싱크의 위치와 비교할 때 상기 공기 흡입구에 더 인접하게 배치되고, 상기 수냉식 열싱크는 상기 커패시터 커넥터들의 위치와 비교할 때 상기 공기 배출구에 더 인접하게 배치되는, 전력 전달 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    동작하는 동안, 상기 셀을 통한 공기 순환은 상기 수냉식 열싱크에 접촉하기 전에 상기 커패시터 커넥터들에 접촉하는, 전력 전달 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    각 전력셀은 상기 수냉식 열싱크의 위치와 비교할 때 상기 공기 흡입구에 더 인접하게 배치되는 회로 보드를 더 포함하는, 전력 전달 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 셀들과 상기 공기 플래넘 사이에 배치된 백플레인;
    상기 셀들로 전력을 전달하기 위해 상기 공기 플래넘 내에 배치된 복수의 전력 전달 버스; 및
    상기 셀들로부터 전력을 수신하여 상기 전력을 로드로 전달하기 위해 상기 공기 플래넘 내에 배치된 복수의 전력 리턴 버스를 더 포함하는, 전력 전달 시스템.
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4569428B2 (ja) * 2005-09-12 2010-10-27 株式会社デンソー 液晶表示装置
US7948340B2 (en) * 2007-08-29 2011-05-24 Siemens Industry, Inc. Three-phase multi-winding device
US10321585B2 (en) 2008-07-29 2019-06-11 Hitachi, Ltd. Power conversion apparatus and electric vehicle
JP4657329B2 (ja) * 2008-07-29 2011-03-23 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置および電動車両
US8976526B2 (en) * 2009-06-30 2015-03-10 Teco-Westinghouse Motor Company Providing a cooling system for a medium voltage drive system
GB2501706B (en) * 2012-05-01 2019-09-25 Intelligent Energy Ltd A fuel cell assembly
US9363930B2 (en) 2013-03-11 2016-06-07 Teco-Westinghouse Motor Company Passive two phase cooling solution for low, medium and high voltage drive systems
CN103166432B (zh) * 2013-03-29 2016-06-08 南车株洲电力机车研究所有限公司 一种变流设备及其功率模块安装定位装置
WO2014210125A1 (en) * 2013-06-26 2014-12-31 Siemens Industry, Inc. Printed circuit board power cell
US9153374B2 (en) 2013-06-28 2015-10-06 Teco-Westinghouse Motor Company Cooling arrangements for drive systems
CN104377969A (zh) * 2014-11-04 2015-02-25 广东明路电力电子有限公司 并联式集成封装大功率变流模组
CN105743361B (zh) * 2014-12-12 2018-10-09 台达电子工业股份有限公司 功率转换器的排布版图
JP6011656B2 (ja) * 2015-02-24 2016-10-19 株式会社明電舎 インバータ装置
RU2593461C1 (ru) * 2015-06-22 2016-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "Навиком" Модуль силовой выпрямительный
DK3206468T3 (en) 2016-02-15 2019-04-01 Siemens Ag DC converter with DC voltage
EP3449526B1 (en) * 2016-04-20 2022-01-12 Corvus Energy Inc. Backplane assembly with power and cooling substructures
DE102017115634A1 (de) 2017-07-12 2019-01-17 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Baugruppenträger für eine leistungselektronische Anlage sowie Anlage mit einem derartigen Baugruppenträger
RU188617U1 (ru) * 2018-09-10 2019-04-18 Дмитрий Валерьевич Хачатуров Конструкция силовой ячейки шкафа преобразователя частоты
US12015357B2 (en) 2019-03-18 2024-06-18 dcbel Inc. Cooling system for use in power converters
US10978755B2 (en) * 2019-03-25 2021-04-13 GM Global Technology Operations LLC Cooling plate for a rechargeable energy storage system

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6807056B2 (en) * 2002-09-24 2004-10-19 Hitachi, Ltd. Electronic equipment

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3749981A (en) * 1971-08-23 1973-07-31 Controlled Power Corp Modular power supply with indirect water cooling
US5170336A (en) * 1990-03-05 1992-12-08 Dimensions Unlimited, Inc. DC to AC inverter with improved forced air cooling method and apparatus
US5625545A (en) * 1994-03-01 1997-04-29 Halmar Robicon Group Medium voltage PWM drive and method
US5748445A (en) * 1996-08-27 1998-05-05 General Resources Corporation Heat sink and circuit enclosure for high power electronic circuits
US6046921A (en) * 1996-08-27 2000-04-04 Tracewell; Larry L. Modular power supply
US5726874A (en) * 1996-11-13 1998-03-10 Liang; Charles Power supply having a dual air flow control for reducing heat buildup
US5831847A (en) * 1997-02-05 1998-11-03 Jerome Industries Corp. Power supply with separated airflows
US6119768A (en) * 1999-04-20 2000-09-19 Marconi Communications, Inc. Outdoor equipment cabinet
US20030007370A1 (en) * 2001-07-05 2003-01-09 Rick Winter System and method for providing electric power
US6865080B2 (en) * 2002-01-16 2005-03-08 Rockwell Automation Technologies, Inc. Compact fluid cooled power converter supporting multiple circuit boards
US6909607B2 (en) * 2002-01-16 2005-06-21 Rockwell Automation Technologies, Inc. Thermally matched fluid cooled power converter
US7113405B2 (en) * 2004-05-27 2006-09-26 Eaton Power Quality Corporation Integrated power modules with a cooling passageway and methods for forming the same
US7798892B2 (en) * 2005-08-31 2010-09-21 Siemens Industry, Inc. Packaging method for modular power cells

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6807056B2 (en) * 2002-09-24 2004-10-19 Hitachi, Ltd. Electronic equipment

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Publication number Publication date
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