WO2008106908A1 - Multilevel-stromrichter mit kühlwasserverrohrung zum tragen von submodulen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a power converter for converting an electrical current with phase module branches, which have a series circuit of submodules, wherein each submodule has a power semiconductor circuit, and with a cooling fluid piping for supplying and discharging a cooling fluid for the power semiconductor circuit.
  • Such a power converter is already known, for example, from the article by A. Lesnikar and R. Marquardt "An innovative modular multi-level converter topology suitable for wide power ranks", which was published at Power Tech 2003.
  • the power converter disclosed there is known as The converter has a phase module for each phase of the alternating voltage network to be connected to it, each phase module having an AC voltage connection and two DC voltage connections
  • the phase module branches consist of a series circuit of submodules, each of which consists of two turn-off power semiconductors, to which respective reverse free-wheeling diodes are connected in parallel Reed diodes are connected in series, parallel to said series connection
  • Capacitor is provided.
  • the said components of the submodules are interconnected in such a way that either the capacitor voltage or the voltage zero drops at the bipolar output of each submodule.
  • cooling water piping and cable ducts are usually fastened to the support frame.
  • the cooling water piping provides for the supply and discharge of cooling water for cooling the power semiconductor circuit.
  • the cable channels are used for electrical connection of the power semiconductor circuit with a higher-level control unit.
  • Both the cooling water piping and the cable ducts are also made of insulating material, with deionized water used for cooling. Because of these measures, the isolation of the submodules that are in a high voltage potential during operation of the power converter is maintained.
  • the object of the invention is therefore to provide a power converter of the type mentioned, whose submodules are kept inexpensive.
  • the invention solves this problem in that the cooling fluid piping carries the submodules.
  • the submodules of the power converter are attached to the already existingméfluidverrohrung.
  • thedefuidverrohrung has a mechanical strength which is sufficient to accommodate the weight of the sub-modules safely over long periods of time.
  • suitable plastics are used which have sufficient mechanical properties. see strength and at the same time provide a sufficiently high dielectric strength.
  • the cooling fluid piping is made of an electrically non-conductive material. According to this advantageous further development, an insulated mounting of the submount is provided.
  • the cooling fluid is deionized water.
  • Deionized water is available at low cost, further reducing the cost of the power converter.
  • each submodule includes a capacitor in parallel with the power semiconductor circuit. According to this advantageous further development, a so-called multilevel
  • Multilevel power converters are known to those skilled in the art, so that need not be discussed here at this point.
  • the power semiconductor circuit is a full bridge circuit.
  • the full bridge circuit allows the greatest possible switching flexibility. So the submodules usually have two terminals. Due to the full bridge circuit, depending on the control of the power semiconductor of the full bridge circuit, the capacitor voltage, a zero voltage or inverted capacitor voltage can drop across the terminals of the respective submodule.
  • the power semiconductor circuit is a so-called Marquardt circuit having two series-connected turn-off power semiconductor, each of which a freewheeling diode is connected in parallel in opposite directions.
  • the two Terminate the respective submodule either a zero voltage or the capacitor voltage aufgargbar.
  • An inversion of the capacitor voltage is not possible with the Marquardt circuit.
  • the Marquardt circuit has only two turn-off power semiconductors with respective freewheeling diodes and is thus compared to the full bridge circuit with four turn-off power semiconductors and four associated freewheeling diodes cheaper.
  • holding means are provided for fastening the submodules to the cooling fluid tube.
  • the retaining means consist of an insulating material.
  • Figure 1 shows a power converter according to the prior art
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows a power converter 1 according to the prior art, but only a phase module branch 2 of the power converter is shown in part.
  • the phase module branch 2 consists of a series circuit of submodules 3, the structure of which is illustrated in the lower detail view of FIG.
  • each Submodule 3 has two connection terminals and consists of a capacitor 4 and a power semiconductor circuit 5 connected in parallel thereto, the power semiconductors of which have to be cooled by deionized water during operation.
  • a cooling water piping 6 For the supply and removal of the deionized water is a cooling water piping 6.
  • a holding frame 7 is provided of an insulating material, so that the necessary electrical insulation of the components 4 and 5 of each submodule 3 is provided.
  • the cooling water piping 6 is also made of an insulating material, wherein non-conductive deionized water for cooling the power semiconductor circuit 5 is used.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the power converter 1 according to the invention, of which only a part of a Phasenmodulzweiges 2 is shown figuratively.
  • the phase module branch 2 shown like the other phase module branches of the power converter, consists of a series connection of submodules 3, each submodule 3 having two connection terminals and having a capacitor 4 and a power semiconductor circuit 5 connected in parallel with the capacitor 4.
  • the power semiconductor circuit 5 is the so-called Marquardt circuit, so that at the terminals of each submodule 3 depending on the control of the two series-connected turn-off power semiconductor of the power semiconductor circuit 5 either the voltage drop across the capacitor 4 or the one zero Voltage drops.
  • no holding frame is provided according to the invention.
  • the submodules 3 are directly attached to the cooling fluid piping 6.
  • the cooling fluid piping 6 carries the submodules 3.
  • holding means 8 which are made of an insulating material, serve For example, from a suitable plastic, for example, a fiber-reinforced plastic exist.
  • the holding means are in another embodiment made of a conductive material, such as a suitable metal.

Abstract

Um einen Stromrichter (1) zum Umrichten eines elektrischen Stromes mit Phasenmodul zweigen (2), die eine Reihenschaltung aus Submodulen (3) aufweisen, wobei jedes Submodul über eine Leistungshalbleiterschaltung (5) verfügt und mit einer Kühlfluidverrohrung (6) zum Zu- und Abführen eines Kühlfluids für die Leistungshalbleiterschaltung (5), bereitzustellen, dessen Submodule kostengünstig gehalten sind, wird vorgeschlagen, dass die Kühlfluidverrohrung die Submodule trägt, wobei die Submodule mittels Haltemitteln (8) an der Kühlfluidverrohrung befestigt sind.

Description

Beschreibung
Multilevel-Stromrichter mit Kühlwasserverrohrung zum Tragen von Submodulen
Die Erfindung betrifft einen Stromrichter zum Umrichten eines elektrischen Stromes mit Phasenmodulzweigen, die eine Reihenschaltung aus Submodulen aufweisen, wobei jedes Submodul über eine Leistungshalbleiterschaltung verfügt, und mit einer Kühlfluidverrohrung zum Zu- und Abführen eines Kühlfluids für die LeistungshalbleiterSchaltung.
Ein solcher Stromrichter ist beispielsweise aus dem Beitrag von A. Lesnikar und R. Marquardt „An innovative modular mul- tilevel Converter topology suitable for wide power ränge", der auf der Power Tech 2003 erschienen ist, bereits bekannt. Der dort offenbarte Stromrichter ist als ein Anschluss an ein Wechselspannungsnetz vorgesehen. Der Stromrichter weist für jede Phase des mit ihm zu verbinden Wechselspannungsnetzes ein Phasenmodul auf, wobei jedes Phasenmodul über einen Wech- selspannungsanschluss sowie zwei Gleichspannungsanschlüsse verfügt. Zwischen jedem Gleichspannungsanschluss und jedem Wechselspannungsanschluss erstrecken sich Phasenmodulzweige, so dass eine so genannte Sechs-Puls-Brückenschaltung bereit- gestellt ist. Die Phasenmodulzweige bestehen aus einer Reihenschaltung von Submodulen, die jeweils aus zwei abschaltbaren Leistungshalbleitern bestehen, denen jeweils gegensinnige Freilaufdioden parallel geschaltet sind. Die abschaltbaren Leistungshalbleiter und die Freilaufdioden sind in Reihe ge- schaltet, wobei parallel zur besagten Reihenschaltung ein
Kondensator vorgesehen ist. Die besagten Komponenten der Sub- module sind so miteinander verschaltet, dass am zweipoligen Ausgang jedes Submoduls entweder die Kondensatorspannung oder die Spannung null abfällt. Es ist ebenfalls bekannt, solche Submodule eines Multilevel- Stromrichters mittels eines Traggerüstes zu halten, wobei das Traggerüst aus einem Isoliermaterial besteht, so dass die notwendige Isolation der Submodule bereitgestellt ist. Dar- über hinaus sind an dem Traggerüst in der Regel Kühlwasserverrohrung und Kabelkanäle befestigt. Die Kühlwasserverrohrung sorgt für das Zu- und Abführen von Kühlwasser zum Kühlen der Leistungshalbleiterschaltung. Die Kabelkanäle dienen zur elektrischen Verbindung der Leistungshalbleiterschaltung mit einer übergeordneten Steuerungs- oder Regelungseinheit. Sowohl die Kühlwasserverrohrung als auch die Kabelkanäle sind ebenfalls aus einem Isoliermaterial gefertigt, wobei deionisiertes Wasser für die Kühlung eingesetzt wird. Aufgrund dieser Maßnahmen wird die Isolation der Submodule, die sich in Betrieb des Stromrichters auf einem Hochspannungspotenzial befinden, aufrechterhalten.
Die Halterung der Submodule durch ein aus Isoliermaterial gefertigtes Traggerüst ist jedoch kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stromrichter der eingangs genannten Art bereitzustellen, dessen Submodule kostengünstig gehalten sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Kühlfluid- verrohrung die Submodule trägt.
Erfindungsgemäß sind die Submodule des Stromrichters an der ohnehin vorhandenen Kühlfluidverrohrung befestigt. Dazu weist die Kühlfuidverrohrung eine mechanische Festigkeit auf, die ausreichend ist, um das Gewicht der Submodule auch über lange Zeiträume hinweg sicher aufzunehmen. Hierzu dienen beispielsweise zweckmäßige Kunststoffe, die eine ausreichende mechani- sehe Festigkeit und gleichzeitig eine ausreichend hohe elektrische Spannungsfestigkeit bereitstellen.
Vorteilhafterweise besteht die Kühlfluidverrohrung aus einem elektrisch nicht leitenden Material. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist eine isolierte Halterung der Submo- dule bereitgestellt.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist das Kühlungsfluid deionisiertes Wasser. Deionisiertes Wasser ist kostengünstig erhältlich, so dass die Kosten des Stromrichters noch weiter reduziert werden. Zweckmäßigerweise um- fasst jedes Submodul einen Kondensator in Parallelschaltung zur Leistungshalbleiterschaltung. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist ein so genannter Multilevel-
Stromrichter bereitgestellt. Multilevel-Stromrichter sind dem Fachmann als solche bekannt, so dass an dieser Stelle hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist die Leistungshalbleiterschaltung eine Vollbrückenschaltung. Die Vollbrückenschaltung ermöglicht eine größtmögliche Schaltflexibilität. So weisen die Submodule in der Regel zwei Anschlussklemmen auf. Aufgrund der Vollbrückenschaltung kann je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Vollbrückenschaltung die Kondensatorspannung, eine Null-Spannung oder invertierte Kondensatorspannung an den Anschlussklemmen des jeweiligen Submoduls abfallen.
Abweichend hiervon ist die Leistungshalbleiterschaltung eine so genannte Marquardt-Schaltung, die zwei in Reihe zueinander geschaltete abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, denen jeweils eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Mit Hilfe der Marquardt-Schaltung ist den zwei An- schlussklemmen des jeweiligen Submoduls entweder eine Null- Spannung oder aber die Kondensatorspannung aufprägbar. Eine Invertierung der Kondensatorspannung ist mit der Marquardt- Schaltung nicht möglich. Die Marquardt-Schaltung weist jedoch lediglich zwei abschaltbare Leistungshalbleiter mit jeweiligen Freilaufdioden auf und ist somit gegenüber der Vollbrü- ckenschaltung mit vier abschaltbaren Leistungshalbleitern und mit vier jeweils zugeordneten Freilaufdioden kostengünstiger.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterentwicklung sind Haltemittel zum Befestigen der Submodule an der Kühlfluidverroh- rung vorgesehen.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung be- stehen die Haltemittel aus einem isolierenden Material.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
Figur 1 einen Stromrichter gemäß dem Stand der Technik und
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Stromrichters in schematischer Darstellung zeigen.
Figur 1 zeigt einen Stromrichter 1 gemäß dem Stand der Technik, wobei jedoch nur ein Phasenmodulzweig 2 des Stromrichters zum Teil dargestellt ist. Der Phasenmodulzweig 2 besteht aus einer Reihenschaltung von Submodulen 3, deren Aufbau in der unteren Detailansicht der Figur 1 verdeutlicht ist. Jedes Submodul 3 verfügt über zwei Anschlussklemmen und besteht aus einem Kondensator 4 sowie einer parallel dazu geschalteten Leistungshalbleiterschaltung 5, deren Leistungshalbleiter im Betrieb durch deionisiertes Wasser gekühlt werden müssen. Zum Zu- und Abführen des deionisierten Wassers dient eine Kühlwasserverrohrung 6. Zur Halterung der Submodule 3 ist eine Haltegerüst 7 aus einem isolierenden Material vorgesehen, so dass die notwendige elektrische Isolation der Bauteile 4 und 5 jedes Submoduls 3 bereitgestellt ist. Zum Aufrechterhalten der Isolation ist die Kühlwasserverrohrung 6 ebenfalls aus einem isolierenden Material gefertigt, wobei nicht leitendes deionisiertes Wasser zur Kühlung der Leistungshalbleiterschaltung 5 eingesetzt wird.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromrichters 1, von dem lediglich ein Teil eines Phasenmo- dulzweiges 2 figürlich dargestellt ist. Der gezeigte Phasen- modulzweig 2 besteht wie die übrigen Phasenmodulzweige des Stromrichters aus einer Reihenschaltung von Submodulen 3, wo- bei jedes Submodul 3 zwei Anschlussklemmen aufweist und über einen Kondensator 4 und eine parallel zum Kondensator 4 parallel geschaltete Leistungshalbleiterschaltung 5 verfügt. Bei der Leistungshalbleiterschaltung 5 handelt es sich um die so genannte Marquardt-Schaltung, so dass an den Anschluss- klemmen jedes Submoduls 3 je nach Ansteuerung der beiden in Reihe geschalteten abschaltbaren Leistungshalbleiter der Leistungshalbleiterschaltung 5 entweder die an dem Kondensator 4 abfallende Spannung oder die eine Null-Spannung abfällt. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist erfindungsgemäß kein Haltegerüst vorgesehen. Stattdessen sind die Submodule 3 an der Kühlfluidverrohrung 6 unmittelbar befestigt. Mit anderen Worten trägt die Kühlfluidverrohrung 6 die Submodule 3. Zur Befestigung der Submodule 3 an der Kühlfluidverrohrung 6 dienen Haltemittel 8, die aus einem Isoliermaterial, bei- spielsweise aus einem zweckmäßigen Kunststoff beispielsweise einem faserverstärkten Kunststoff, bestehen. Die Haltemittel sind bei einem anderen Ausführungsbeispiel aus einem leitenden Material wie beispielsweise einem zweckmäßigen Metall ge- fertigt.

Claims

Patentansprüche
1. Stromrichter (1) zum Umrichten eines elektrischen Stromes mit Phasenmodulzweigen (2), die eine Reihenschaltung aus Sub- modulen (3) aufweisen, wobei jedes Submodul über eine Leistungshalbleiterschaltung (5) verfügt und mit einer Kühlfluid- verrohrung (6) zum Zu- und Abführen eines Kühlfluids für die Leistungshalbleiterschaltung (5) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlfluidverrohrung (6) die Submodule (3) trägt.
2. Stromrichter (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühlfluidverrohrung (6) aus einem elektrisch nicht lei- tenden Material besteht.
3. Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kühlungsfluid deionisiertes Wasser ist.
4. Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jedes Submodul (3) einen Kondensator (4) in Parallelschaltung zur Leistungshalbleiterschaltung (5) umfasst.
5. Stromrichter (1) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leistungshalbleiterschaltung (5) eine Vollbrückenschal- tung ist.
6. Stromrichter (1) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leistungshalbleiterschaltung (5) zwei in Reihe geschaltete abschaltbare Leistungshalbleiter umfasst, denen jeweils eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist.
7. Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Haltemittel (8) zum Befestigen der Submodule (3) an der Kühlfluidverrohrung (6) vorgesehen sind.
8. Stromrichter (1) nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Haltemittel (8) aus einem isolierenden Material bestehen.
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