WO2018095549A1 - Current converter - Google Patents

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WO2018095549A1
WO2018095549A1 PCT/EP2016/078963 EP2016078963W WO2018095549A1 WO 2018095549 A1 WO2018095549 A1 WO 2018095549A1 EP 2016078963 W EP2016078963 W EP 2016078963W WO 2018095549 A1 WO2018095549 A1 WO 2018095549A1
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power semiconductor
power
power converter
semiconductor devices
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Timo Christ
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other

Definitions

  • the invention relates to a power converter with a plurality of power semiconductor components. Furthermore, the invention relates to a method for cooling
  • Power semiconductor components of a power converter are power electronic circuits for
  • AC can be used in DC, DC in AC, AC in AC of other frequency and / or
  • Amplitude or DC to be converted into DC other voltage Amplitude or DC to be converted into DC other voltage.
  • Cooling with ultrapure water or deionized water conceivable. Due to the relatively large specific heat capacity of water, power semiconductor components can thus be effectively cooled. Due to the high electrical voltages that occur, however, care must be taken to ensure that the water remains clean, so that it has the required low power
  • Contaminate water are removed from the water
  • the invention has for its object to provide a power converter and a method in which the cost of cooling the power semiconductor devices is reduced. This object is achieved by a
  • a power converter in particular a
  • the power semiconductor components can be, for example, power diodes, thyristors or IGBTs
  • Power semiconductor components are thus cooled by means of anhydrous liquid cooling.
  • the power converter can be a rectifier or an inverter in high-voltage engineering.
  • anhydrous liquid coolant has a number of advantages: no deionization of the water is necessary, thus resulting in reduced
  • the coolant can reach temperatures greater than 100 ° C without forming steam
  • the power converter can be designed so that the
  • Coolant has an electrical conductivity less than 0.5 yS / cm, in particular an electrical conductivity less than 0.2 yS / cm. With such a coolant power semiconductor devices can easily
  • the power converter can be any power converter.
  • esters or oils are k
  • the power converter can be designed so that the
  • Power semiconductor devices are thermally coupled to the coolant by the power semiconductor devices are each thermally coupled to a heat sink and this heat sink is thermally coupled to the coolant.
  • the power semiconductor components can deliver the waste heat via the heat sink to the coolant.
  • the power converter can also be designed so that the
  • Power semiconductor devices are thermally coupled to the coolant by the power semiconductor devices are each thermally coupled via a heat pipe (heat pipe) with a heat sink and this heat sink is thermally coupled to the coolant. It is particularly advantageous, in each case a heat pipe between the
  • waste heat of the power semiconductor component can be easily absorbed by the heat pipe and transported (even over relatively long distances) to the heat sink. From the heat sink, the waste heat is then to the
  • Coolant delivered can also be configured such that the cooling device has a coolant circuit for cooling the power semiconductor components.
  • a coolant circuit also allows efficient removal of the waste heat of the power semiconductor devices.
  • the power converter can also be designed so that the cooling device, a coolant pump and a
  • Heat exchanger heat exchanger
  • the coolant pump is used to pump the coolant through the
  • the heat exchanger is used for
  • the power converter can also be designed so that the cooling device has a bridging branch, which bridges the heat exchanger when the temperature of the
  • Coolant falls below a (first) predetermined temperature value.
  • too cold coolant i.e., coolant having a temperature below the first predetermined
  • Too cold coolant is therefore unfavorable because too cold coolant has a high viscosity and therefore may flow too slowly through the coolant circuit.
  • the power converter can also be designed so that the cooling device has a heating device, which the
  • Coolant heats up when the temperature of the coolant falls below a (second) predetermined temperature value.
  • the heater is advantageous because with the
  • Heating device can be heated to cold coolant quickly and brought to operating temperature.
  • the power converter can also be designed so that
  • the power converter is a rectifier
  • Power semiconductor devices are power diodes, or - the power converter is a modular Multilevelumrichter having a plurality of modules, each having at least two of the power semiconductor devices and a
  • the anhydrous liquid coolant can so with
  • Disclosed is still a method for cooling of
  • Heat exchanger transported (in particular pumped) is.
  • the heat exchanger may in particular be a liquid-air heat exchanger (liquid-air heat exchanger).
  • the procedure can also be such that
  • the heat exchanger is bridged (by means of a bridging branch) when the temperature of the coolant
  • the process can proceed in such a way that
  • the coolant (by means of a heater) is heated when the temperature of the coolant falls below a (second) predetermined temperature value, so that the viscosity of the coolant is reduced.
  • the described power converter and the described method have the same or similar advantages.
  • Figure 1 shows an embodiment of a power converter having a plurality of modules
  • Figure 2 shows an embodiment of a module
  • FIG. 3 shows another embodiment of a module
  • Figure 4 shows an embodiment of a thermal
  • FIG. 5 shows an embodiment of a high-voltage
  • Figure 6 shows another embodiment of a module
  • FIG. 7 shows an exemplary sequence of the method for cooling power semiconductor components of a power converter of a high-voltage DC transmission system.
  • FIG. 1 shows a power converter 1 (high-voltage power converter 1) in the form of a modular multilevel converter 1 (modular multilevel converter, MMC).
  • This Multilevelstromrichter 1 has a first
  • the first AC voltage terminal 5 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13.
  • the first phase module branch 11 and the second phase module branch 13 form a first phase module 15 of the power converter 1. The end of the first one facing away from the first AC voltage connection 5
  • Phase module branch 11 is electrically connected to a first DC voltage connection 16; that the first
  • Phase module branch 13 is connected to a second
  • the first DC voltage terminal 16 electrically connected.
  • the first DC voltage terminal 16 is a positive one
  • the second DC voltage terminal 17 is a negative DC voltage terminal.
  • the second AC voltage terminal 7 is electrically connected to one end of a third phase module branch 18 and to one end of a fourth phase module branch 21.
  • the third phase module branch 18 and the fourth phase module branch 21 form a second phase module 24.
  • the third change ⁇ nuances ⁇ an gleich 9 is connected to one end of a fifth
  • Phase module branch 27 Phase module branch 27 and with one end of a sixth
  • Phase module branch 29 electrically connected.
  • Phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31.
  • AC terminal 9 opposite end of the fifth phase module branch 27 are electrically connected to the first DC voltage ⁇ connection 16.
  • the end of the fourth phase ⁇ modulzweigs 21 facing away from the second AC voltage terminal 7 and the end of the sixth phase module branch 29 facing away from the third AC voltage terminal 9 are electrically connected to the second DC voltage terminal 17.
  • the first phase module branch 11, the third phase module branch 18 and the fifth phase module branch 27 form a positive-side converter element 32; the second phase module branch 13, the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29 form a negative-side converter element 33.
  • Each phase module branch has a plurality of modules (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; etc.) which are electrically connected in series (by means of their galvanic current connections). Such modules are also referred to as submodules.
  • each phase module branch has n modules. The number of electrically connected in series by means of their galvanic power connections modules can be very different, at least two
  • Modules connected in series but it can also example ⁇ example, 3, 50, 100 or more modules electrically in series
  • n 36: the first phase module branch 11 thus has 36 modules 1_1, 1_2, 1_3,... 1_36.
  • the other phase module branches 13, 18, 21, 27 and 29 are of similar construction.
  • Power converter 1 are optical messages or optical signals via an optical communication link (for example via an optical waveguide) to the individual
  • Transfer modules 1_1 to 6_n For example, the control device sends one to the individual modules
  • the described modular multilevel converter thus has a multiplicity of the aforementioned identical modules, which are electrically connected in series.
  • the electrical series connection of the modules can achieve high output voltages.
  • the power converter is simply on
  • Modular multilevel converters are often used in High voltage range used, for example, as a power converter of a high-voltage DC transmission system.
  • modules 1_1, 1_2, 1_3, etc. are
  • Phase modules 15, 24, 31 are arranged, each phase module 15, 24, 31 an AC voltage terminal 5, 7, 9 and at least one DC voltage terminal 16, 17
  • the power converter 1 has a cooling device 50.
  • the cooling device 50 has a coolant reservoir 52, a pump 54 (coolant pump 54), a heater 55, a heat exchanger 56 (heat exchanger 56) and a
  • Three-way valve 57 can adjust the amount of coolant flowing (bypassing the heat exchanger 56) through the bridging branch 58.
  • the heater 55 is optional, it may be omitted.
  • Three-way valve 57 and bypass branch 58 are also optional, they may also be omitted.
  • the coolant reservoir 52, the pump 54, the heating device 55, the heat exchanger 56 and the three-way valve 57 are connected by coolant lines 60 with the individual modules 1_1 ... l_ n / 3_1 ... 3_n, etc. of the power converter 1.
  • Coolant lines 60 are shown in the embodiment by means of two parallel lines in the manner of a tube.
  • the electrical lines of the power converter are each represented by a single line.
  • the three-way valve 57 is connected via a Hin- coolant line 60a with the module 1_1; the module 1_1 is connected to the module 1_2 via a coolant line 60b; and the module 1 2 is via a coolant line 60c connected to the module 1_3.
  • the module 1_3 is connected to the next module 1_4 (not shown) via a coolant line 60, and so on.
  • the last module l_n of the phase module branch 11 is connected via a return coolant line 60d with the
  • Coolant tank 52 connected.
  • the coolant reservoir 52 is connected to the pump 54 via a coolant line 60
  • the pump 54 is connected to the heater 55 via a coolant line 60
  • the heater 55 is connected to the heat exchanger 56 via a coolant line 60.
  • the heat exchanger 56 is over a
  • Coolant line 60 connected to the three-way valve 57.
  • coolant 70 In the coolant tank 52 is a supply of coolant 70.
  • the coolant 70 may from the
  • Coolant tank 52 by means of the pump 54 through the
  • Heat exchanger 56 through the modules 1_1 ... l_n of the first phase module branch 11 and then back to
  • Coolant tank 52 are pumped.
  • Cooling device 50 a coolant circuit 72 on.
  • the modules 3_1... 3_n of the third phase module branch 18 and the modules 5_1... 5_n of the fifth phase module branch 27 are also connected to the coolant circuit 72.
  • the coolant circuit 72 can thus in the modules
  • the coolant 70 is an anhydrous liquid coolant 70.
  • the anhydrous liquid coolant 70 may in particular be an ester (for example the ester known as such
  • the oil may be, for example, a mineral oil or a vegetable oil.
  • the coolant 70 for example, an oil known as such can be used, as it is used in oil-insulated transformers for insulation purposes. Examples of such oils are oils with the name, Diala x the company Shell or oils with the
  • the electrical conductivity of the coolant 70 is
  • Such a coolant can be easily used in a high-voltage power converter or in a converter of a high-voltage direct-current transmission system (for example, at voltages between 100 kV and 500 kV).
  • This further cooling device 80 has an identical construction to the cooling device 50 of the first, third and fifth phase module branches 11, 18 and 27.
  • Converter 1 by means of a single cooling device (i.e., by means of a single coolant tank 52, a single pump 54 and a single heat exchanger 56) are cooled.
  • a single cooling device i.e., by means of a single coolant tank 52, a single pump 54 and a single heat exchanger 56
  • the coolant tank 52 contains a supply of
  • Coolant 70 The coolant tank 52 is optional: the coolant can also in sufficient quantity in the
  • Heat exchanger 56 may be present.
  • the bridging branch 58 bridges the heat exchanger 56. This is achieved by the three-way valve 57 being controlled so that the three-way valve 57 can supply the coolant 70 (partially or completely). passes through the bridging branch 58, whereby the coolant 70 is conducted past the heat exchanger 56. It is then at least a portion of the liquid coolant 70, bypassing the
  • Viscosity of the coolant 70 so that the coolant 70 can flow through the cooling circuit 72 easier. Namely, it has been found that anhydrous liquid coolants often have a higher viscosity than water at low temperatures and that the anhydrous liquid coolants therefore flow poorer through the cooler 50 at low temperatures than water. This potential disadvantage of the anhydrous liquid coolant is reduced by the bridging branch 58.
  • Coolant below a (second) predetermined temperature value then the coolant 70 is heated by the heater 55. This heats up
  • Coolant 70 to a temperature greater than the (second) predetermined temperature value. This reduces the viscosity of the coolant 70, allowing the coolant 70 to flow more easily through the cooling circuit 72.
  • the first predetermined temperature value may be equal to the second predetermined temperature value. However, the first predetermined temperature value can also be unequal to the second predetermined temperature value. For example, the first predetermined temperature value may be greater than the second predetermined temperature value.
  • Power semiconductor components of other power converters are cooled, for example, thyristors of thyristor power converters.
  • a module 201 is shown by way of example. This may be, for example, the module 1 1 of the first phase module branch 11 (or else one of the other modules shown in Figure 1) act.
  • the module is designed as a half-bridge module 201.
  • the module 201 has a first on and off switchable electronic
  • Switching element 202 (first electronic switching element 202) with a first antiparallel-connected diode 204 (first freewheeling diode 204) on. Furthermore, the module 201 has a second switchable on and off electronic switching element 206 (second electronic switching element 206) with a second antiparallel-connected diode 208 (second
  • the first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are each configured as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor).
  • the first electronic switching element 202 is electrically connected in series with the second electronic switching element 206.
  • a first (galvanic) module connection 212 At the connection point between the two electronic switching elements 202 and 206, a first (galvanic) module connection 212
  • a second (galvanic) module connection 215 is arranged at the connection of the second switching element 206, which is opposite to the connection point.
  • the second module connection 215 is furthermore connected to a first connection of the energy store 210; a second terminal of the energy storage 210 is electrically connected to the
  • the energy storage 210 is therefore electrically parallel
  • Module terminal 215 either the voltage of the energy storage 210 is output or no voltage is output (ie, a zero voltage is output).
  • the control of the first switching element 202 and the second switching element 206 takes place in the exemplary embodiment by means of the (above-mentioned) transmitted from the control device of the power converter to the module message or signal.
  • the first electronic switching element 202 is provided with a first switching element heat sink 220; the second electronic switching element 206 is connected to a second
  • Freewheeling diode 204 is provided with a first diode heatsink 226; the second freewheeling diode 208 is equipped with a second diode heatsink 228.
  • the heatsinks 220, 222, 226 and 228 are in close thermal contact with the respective device and are capable of dissipating the waste heat generated in the device
  • the heatsinks 220, 222, 226 and 228 are each in close thermal contact (thermal coupling) with the
  • the power semiconductor components here, the first electronic switching element 202, the second electronic switching element 206, the first
  • Freewheeling diode 204 and the second freewheeling diode 208) are thermally coupled to the coolant 70.
  • the heat sinks are shown only schematically in the figures.
  • the heat sinks may be coolant-flowed (liquid-flowed) heat sinks (i.e.
  • Heatsinks have coolant flowed through channels).
  • the heat sinks may each consist of solid metal, for example copper or aluminum.
  • the coolant 70 flowing into the module 201 is shown by means of an arrow 236; In the upper part of FIG. 2, the coolant 70 flowing out of the module 201 is shown by means of an arrow 238.
  • the coolant flowing through the module 201 70 so the first electronic switching element 202, the second electronic switching element 206, the first free-wheeling diode 204 and the second free-wheeling diode 208 are cooled.
  • the coolant 70 it is of course also possible that by means of the coolant 70 only individual components of the
  • cooling options may be present for the cooling of the other components, for example, a separate coolant circuit.
  • the coolant 70 absorbs the waste heat of the first electronic switching element 202, the second electronic switching element 206, the first free-wheeling diode 204 and the second
  • the coolant 70 transports the absorbed waste heat to the heat exchanger 56
  • Heat exchanger 56 outputs the waste heat of the coolant to the ambient air (preferably, the heat exchanger 56, the waste heat to the ambient air outside of the
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a module 301 of the modular multilevel converter 1.
  • This module 301 can be, for example, the module 1_2 (or also one of the other modules shown in FIG. 1).
  • first electronic switching element 202 second electronic switching element 202
  • Switching element 306 with a fourth anti-parallel connected freewheeling diode 308 on.
  • the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 are each configured as an IGBT. In contrast to
  • the module 301 of FIG. 3 is a so-called full-bridge module 301.
  • This full-bridge module 301 is characterized in that, when appropriately controlled, it is connected to a center of an electrical series connection of the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 the four
  • (Galvanic) module connection 315 selectively either the positive voltage of the energy storage 210, the negative voltage of the energy storage 210 or a voltage of zero (zero voltage) can be output. Thus, therefore, by means of the full bridge module 301, the polarity of the output voltage can be reversed.
  • the power converter 1 can have either only half-bridge modules 201, only full-bridge modules 301 or also half-bridge modules 201 and full-bridge modules 301. Via the first module connection 212 and the second module connection 215, 315 flow large electrical currents of the power converter.
  • the second electronic switching element 202 in addition to the first electronic switching element 202, the second
  • a power semiconductor component 403 is shown schematically; right in Figure 4, a heat sink 406 is shown schematically.
  • the power semiconductor component 403 may, for example, the first electronic switching element 202 or the second
  • power semiconductor device 403 can also be, for example, diode 603 of FIG. 6. Between the
  • Heat pipe 408 (heat pipe 408) is arranged.
  • the Heatpipe 408 is in close thermal contact with the
  • the heat pipe 408 takes the waste heat from the
  • Power semiconductor device 403 transports the waste heat to the heat sink 406 and releases the waste heat to the heat sink 406.
  • the heat sink 406 then outputs the waste heat to the coolant 70 flowing in the coolant line 60.
  • FIG. 5 schematically shows an exemplary embodiment of a high-voltage direct-current transmission system 501.
  • This high-voltage DC transmission system 501 has two power converters 1, as shown in FIG. These two power converters 1 are electrically connected to one another on the DC voltage side via a high-voltage direct current connection 505. The two are positive
  • DC terminals 16 of the power converters 1 are electrically connected to each other by means of a first high-voltage DC line 505a; the two negative DC voltage connections 17 of the two power converters 1 are electrically connected to one another by means of a second high-voltage direct current line 505b.
  • High voltage DC transmission system 501 can be
  • the high voltage DC link 505 then has a corresponding length.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a module 601 (diode module 601) of the power converter 1. If the power converter shown in Figure 1 is equipped exclusively with modules 601, then the power converter is not a modular Multilevelstromrichter, but a
  • the module 601 includes a
  • Power semiconductor device 603 in the form of a diode 603 (Power diode 603).
  • the diode 603 is provided with a heat sink 605.
  • the heat sink 605 thermally
  • the high voltage DC transmission system 501 may include a power converter with modules
  • FIG. 7 shows the method for cooling the
  • Step 702 Power semiconductor components of the power converter 1 shown once again by means of a flow chart.
  • Heating the coolant 70 when the temperature of the coolant is a (second)
  • Step 708 If a falls below predetermined temperature value, so that the viscosity of the coolant is reduced. Step 708:
  • Heat exchanger 56 It has been described a power converter of a high-voltage DC transmission system, the power semiconductor devices and a cooling device for cooling the
  • This power converter has a number of advantages:
  • the number of potential control electrodes can be reduced, in extreme cases, the potential control electrodes can be completely dispensed with, because the anhydrous coolant can have a substantially lower electrical conductivity than water-containing coolant. So can oils
  • One recooling system for example a heat exchanger
  • for the anhydrous coolant may be used with another
  • Assembly / component (which works with the same anhydrous agent) are built integrated (for example, with an oil-insulated transformer).

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Abstract

The invention relates to a current converter (1) comprising a plurality of power semiconductor components (202, 206, 204, 208) as well as a cooling device (50) for cooling the power semiconductor components (202, 206, 204, 208) by means of a liquid coolant (70) which is a non-aqueous liquid coolant (70).

Description

Beschreibung Stromrichter Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen von Description Converter The invention relates to a power converter with a plurality of power semiconductor components. Furthermore, the invention relates to a method for cooling
Leistungshalbleiterbauelementen eines Stromrichters. Stromrichter sind leistungselektronische Schaltungen zumPower semiconductor components of a power converter. Power converters are power electronic circuits for
Umwandeln von elektrischer Energie. Mit Stromrichtern kann Wechselstrom in Gleichstrom, Gleichstrom in Wechselstrom, Wechselstrom in Wechselstrom anderer Frequenz und/oder Converting electrical energy. With converters, AC can be used in DC, DC in AC, AC in AC of other frequency and / or
Amplitude oder Gleichstrom in Gleichstrom anderer Spannung umgewandelt werden. Amplitude or DC to be converted into DC other voltage.
Beim Betrieb eines Stromrichters können sich die When operating a power converter, the
Leistungshalbleiterbauelemente stark erwärmen. Daher muss für eine ausreichende Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente gesorgt werden. Dies trifft insbesondere auf Stromrichter von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen zu, über die große elektrische Leistungen übertragen werden. Heat power semiconductor components strongly. Therefore, sufficient cooling of the power semiconductor devices must be ensured. This applies in particular to power converters of high-voltage direct current transmission systems, over which large electrical power is transmitted.
Zur Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente ist eine For cooling the power semiconductor components is a
Kühlung mit Reinstwasser bzw. deionisiertem Wasser denkbar. Aufgrund der relativ großen spezifischen Wärmekapazität von Wasser lassen sich damit Leistungshalbleiterbauelemente effektiv kühlen. Aufgrund der hohen auftretenden elektrischen Spannungen muss jedoch ständig dafür gesorgt werden, dass das Wasser rein bleibt, damit es die benötigte geringe Cooling with ultrapure water or deionized water conceivable. Due to the relatively large specific heat capacity of water, power semiconductor components can thus be effectively cooled. Due to the high electrical voltages that occur, however, care must be taken to ensure that the water remains clean, so that it has the required low power
elektrische Leitfähigkeit behält. Daher müssen beispielsweise wiederholt störende Ionen (welche im Laufe der Zeit das electrical conductivity retains. Therefore, for example, repeated interfering ions (which over time have the
Wasser verunreinigen) aus dem Wasser entfernt werden Contaminate water) are removed from the water
(Deionisierung) . Weiterhin sind Vorkehrungen zu treffen, damit das Wasser bei Umgebungstemperaturen unter 0°C nicht einfrieren kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter und ein Verfahren anzugeben, bei denen der Aufwand für die Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente verringert ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen (Deionization). Furthermore, precautions must be taken so that the water can not freeze at ambient temperatures below 0 ° C. The invention has for its object to provide a power converter and a method in which the cost of cooling the power semiconductor devices is reduced. This object is achieved by a
Stromrichter und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen des  Power converter and by a method according to the independent claims. Advantageous embodiments of the
Stromrichters und des Verfahrens sind in den abhängigen Power converter and the process are in the dependent
Patentansprüchen angegeben. Claims specified.
Offenbart wird ein Stromrichter (insbesondere ein Disclosed is a power converter (in particular a
Stromrichter einer Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanläge) Power converter of a high-voltage DC transmission system)
- mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen und - mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen der  with a plurality of power semiconductor components and with a cooling device for cooling the
Leistungshalbleiterbauelemente mit einem flüssigen  Power semiconductor devices with a liquid
Kühlmittel, wobei Coolant, wherein
- das flüssige Kühlmittel ein wasserfreies flüssiges  - The liquid coolant an anhydrous liquid
Kühlmittel ist. Die Leistungshalbleiterbauelemente können beispielsweise Leistungsdioden, Thyristoren oder IGBT Coolant is. The power semiconductor components can be, for example, power diodes, thyristors or IGBTs
(insulated-gate bipolar transistor) sein. Die be insulated gate bipolar transistor. The
Leistungshalbleiterbauelemente sind also mittels einer wasserfreien Flüssigkeitskühlung gekühlt. Ein solcher Power semiconductor components are thus cooled by means of anhydrous liquid cooling. Such a
Stromrichter kann insbesondere ein Gleichrichter oder ein Wechselrichter in der Hochspannungstechnik sein. In particular, the power converter can be a rectifier or an inverter in high-voltage engineering.
Die Nutzung des wasserfreien flüssigen Kühlmittels weist eine Reihe von Vorteilen auf: Es ist keine Deionisierung des Wassers notwendig, somit ergeben sich verringerte The use of the anhydrous liquid coolant has a number of advantages: no deionization of the water is necessary, thus resulting in reduced
Wartungsintervalle. Das Kühlmittel kann Temperaturen größer als 100°C annehmen, ohne dass sich Dampf bildet Maintenance intervals. The coolant can reach temperatures greater than 100 ° C without forming steam
(wasserdampffreies Kühlmittel) . Aufgrund des wasserfreien flüssigen Kühlmittels entsteht weniger Korrosion, als durch ein wasserhaltiges flüssiges Kühlmittel entstehen würde. (steam-free coolant). Due to the anhydrous liquid coolant is less corrosion, as would be caused by a water-containing liquid coolant.
Weiterhin besteht keine Gefahr von Eisbildung bei Furthermore, there is no danger of ice formation
Temperaturen unter 0°C, so dass beispielsweise eine  Temperatures below 0 ° C, so that, for example, a
Einkreiskühlung realisiert werden kann, bei der das Kühlmittel durch kalte Umgebungsluft (die auch kälter als 0°C sein darf) abgekühlt wird. Einkreiskühlung can be realized, in which the Refrigerant is cooled by cold ambient air (which may be colder than 0 ° C).
Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass das The power converter can be designed so that the
Kühlmittel eine elektrische Leitfähigkeit kleiner als 0,5 yS/cm, insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit kleiner als 0,2 yS/cm, aufweist. Mit einem derartigen Kühlmittel können problemlos Leistungshalbleiterbauelemente eines Coolant has an electrical conductivity less than 0.5 yS / cm, in particular an electrical conductivity less than 0.2 yS / cm. With such a coolant power semiconductor devices can easily
Stromrichters einer Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlage gekühlt werden. Power converter of a high-voltage DC transmission system to be cooled.
Der Stromrichter kann The power converter can
Kühlmittel ein Ester  Coolant an ester
aufweist (oder ein de has (or a de
Ester oder Öle sind k  Esters or oils are k
Der Stromrichter kann so ausgestaltet sein, dass die The power converter can be designed so that the
Leistungshalbleiterbauelemente thermisch mit dem Kühlmittel gekoppelt sind, indem die Leistungshalbleiterbauelemente jeweils thermisch mit einem Kühlkörper gekoppelt sind und dieser Kühlkörper thermisch mit dem Kühlmittel gekoppelt ist. Dadurch können die Leistungshalbleiterbauelemente die Abwärme über den Kühlkörper an das Kühlmittel abgeben. Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass diePower semiconductor devices are thermally coupled to the coolant by the power semiconductor devices are each thermally coupled to a heat sink and this heat sink is thermally coupled to the coolant. As a result, the power semiconductor components can deliver the waste heat via the heat sink to the coolant. The power converter can also be designed so that the
Leistungshalbleiterbauelemente thermisch mit dem Kühlmittel gekoppelt sind, indem die Leistungshalbleiterbauelemente jeweils über eine Heatpipe (Wärmerohr) thermisch mit einem Kühlkörper gekoppelt sind und dieser Kühlkörper thermisch mit dem Kühlmittel gekoppelt ist. Besonders vorteilhaft ist es, jeweils eine Heatpipe zwischen dem Power semiconductor devices are thermally coupled to the coolant by the power semiconductor devices are each thermally coupled via a heat pipe (heat pipe) with a heat sink and this heat sink is thermally coupled to the coolant. It is particularly advantageous, in each case a heat pipe between the
Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper zu  Power semiconductor device and the heat sink to
installieren. Die Abwärme des Leistungshalbleiterbauelements kann von der Heatpipe leicht aufgenommen und (auch über relativ weite Entfernungen) zu dem Kühlkörper transportiert werden. Vom Kühlkörper wird die Abwärme dann an das to install. The waste heat of the power semiconductor component can be easily absorbed by the heat pipe and transported (even over relatively long distances) to the heat sink. From the heat sink, the waste heat is then to the
Kühlmittel abgegeben. Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Kühleinrichtung einen Kühlmittel-Kreislauf zur Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente aufweist. Mittels eines Coolant delivered. The power converter can also be configured such that the cooling device has a coolant circuit for cooling the power semiconductor components. By means of a
Kühlmittelkreislaufs können vorteilhafterweise mehrere Coolant circuit can advantageously several
Leistungshalbleiterbauelemente gleichzeitig gekühlt werden. Ein Kühlmittelkreislauf ermöglicht außerdem einen effizienten Abtransport der Abwärme der Leistungshalbleiterbauelemente. Power semiconductor devices are cooled simultaneously. A coolant circuit also allows efficient removal of the waste heat of the power semiconductor devices.
Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Kühleinrichtung eine Kühlmittelpumpe und einen The power converter can also be designed so that the cooling device, a coolant pump and a
Wärmeübertrager (Wärmetauscher) aufweist. Die Kühlmittelpumpe dient zum Pumpen des Kühlmittels durch den  Heat exchanger (heat exchanger) has. The coolant pump is used to pump the coolant through the
Kühlmittelkreislauf. Der Wärmeübertrager dient zur Coolant circuit. The heat exchanger is used for
Rückkühlung des Kühlmittels, indem der Wärmeübertrager die Abwärme des Kühlmittels an einen anderen Stoff Recooling the coolant by allowing the heat exchanger to transfer the waste heat of the coolant to another substance
(beispielsweise an der Umgebungsluft) abgibt. (for example, in the ambient air) gives off.
Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Kühleinrichtung einen Überbrückungszweig aufweist, der den Wärmeübertrager überbrückt, wenn die Temperatur des The power converter can also be designed so that the cooling device has a bridging branch, which bridges the heat exchanger when the temperature of the
Kühlmittels einen (ersten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet. Durch diesen Überbrückungszweig wird Coolant falls below a (first) predetermined temperature value. Through this bridging branch is
erreicht, dass zu kaltes Kühlmittel (d. h. Kühlmittel mit einer Temperatur unterhalb des ersten vorbestimmten achieved that too cold coolant (i.e., coolant having a temperature below the first predetermined
Temperaturwerts) schnell von den Temperature value) quickly from the
Leistungshalbleiterbauelementen aufgewärmt und auf  Power semiconductor devices warmed up and up
Betriebstemperatur gebracht wird. Zu kaltes Kühlmittel ist deshalb unvorteilhaft, weil zu kaltes Kühlmittel eine hohe Viskosität aufweist und deshalb unter Umständen zu langsam durch den Kühlmittelkreislauf fließt. Operating temperature is brought. Too cold coolant is therefore unfavorable because too cold coolant has a high viscosity and therefore may flow too slowly through the coolant circuit.
Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Kühleinrichtung eine Heizeinrichtung aufweist, die das The power converter can also be designed so that the cooling device has a heating device, which the
Kühlmittel erwärmt, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen (zweiten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet. Die Heizeinrichtung ist deshalb vorteilhaft, weil mit der Coolant heats up when the temperature of the coolant falls below a (second) predetermined temperature value. The heater is advantageous because with the
Heizeinrichtung zu kaltes Kühlmittel schnell erwärmt und auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Der Stromrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass Heating device can be heated to cold coolant quickly and brought to operating temperature. The power converter can also be designed so that
- der Stromrichter ein Gleichrichter ist und die  - the power converter is a rectifier and the
Leistungshalbleiterbauelemente Leistungsdioden sind, oder - der Stromrichter ein modularer Multilevelumrichter ist, der eine Mehrzahl von Modulen aufweist, die jeweils mindestens zwei der Leistungshalbleiterbauelemente und einen Power semiconductor devices are power diodes, or - the power converter is a modular Multilevelumrichter having a plurality of modules, each having at least two of the power semiconductor devices and a
elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei die have electrical energy storage, wherein the
Leistungshalbleiterbauelemente elektronische Schaltelemente sind. Das wasserfreie flüssige Kühlmittel kann also mit Power semiconductor components electronic switching elements are. The anhydrous liquid coolant can so with
Vorteil bei verschiedenen Arten von Stromrichtern eingesetzt werden .  Advantage to be used with different types of power converters.
Offenbart wird auch eine Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlage mit einem Stromrichter nach den vorstehend beschriebenen Varianten. Also disclosed is a high-voltage DC transmission system with a power converter according to the variants described above.
Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Kühlen von Disclosed is still a method for cooling of
Leistungshalbleiterbauelementen eines Stromrichters Power semiconductor components of a power converter
(insbesondere eines Stromrichters einer Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragungsanlage) , wobei bei dem Verfahren(In particular, a power converter of a high voltage DC transmission system), wherein in the method
- die Leistungshalbleiterbauelemente mittels eines - The power semiconductor devices by means of a
wasserfreien flüssigen Kühlmittels gekühlt werden. Dieses Verfahren kann so ablaufen, dass anhydrous liquid coolant to be cooled. This procedure can proceed in such a way that
- das flüssige Kühlmittel in einem Kühlmittel-Kreislauf zu den Leistungshalbleiterbauelementen und zu einem  - The liquid coolant in a coolant circuit to the power semiconductor devices and to a
Wärmeübertrager (Wärmetauscher) transportiert (insbesondere gepumpt) wird. Der Wärmeübertrager kann insbesondere ein Flüssigkeits-Luft-Wärmeübertrager (Flüssigkeits-Luft- Wärmetauscher) sein. Heat exchanger (heat exchanger) transported (in particular pumped) is. The heat exchanger may in particular be a liquid-air heat exchanger (liquid-air heat exchanger).
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass The procedure can also be such that
- der Wärmeübertrager (mittels eines Überbrückungszweigs) überbrückt wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen - The heat exchanger is bridged (by means of a bridging branch) when the temperature of the coolant
(ersten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, so dass mindestens ein Teil des Kühlmittels unter Umgehung des Wärmeübertragers durch den Kühlmittel-Kreislauf transportiert (insbesondere gepumpt) wird. falls below (first) predetermined temperature value, so that at least a portion of the coolant, bypassing the Heat exchanger is transported through the coolant circuit (in particular pumped) is.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass The process can proceed in such a way that
- das Kühlmittel (mittels einer Heizeinrichtung) erwärmt wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen (zweiten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, so dass die Viskosität des Kühlmittels verringert wird. Der beschriebene Stromrichter und das beschriebene Verfahren weisen gleiche beziehungsweise gleichartige Vorteile auf. - The coolant (by means of a heater) is heated when the temperature of the coolant falls below a (second) predetermined temperature value, so that the viscosity of the coolant is reduced. The described power converter and the described method have the same or similar advantages.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleich wirkende Elemente. Dazu ist in The invention is further illustrated by execution ¬ examples. The same reference numbers refer to the same or equivalent elements. This is in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters, der eine Vielzahl von Modulen aufweist, inFigure 1 shows an embodiment of a power converter having a plurality of modules, in
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls, in Figure 2 shows an embodiment of a module, in
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls, in Figure 3 shows another embodiment of a module, in
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer thermischen  Figure 4 shows an embodiment of a thermal
Kopplung zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und einem Kühlkörper, in  Coupling between a power semiconductor device and a heat sink, in
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs-FIG. 5 shows an embodiment of a high-voltage
Gleichstrom-Übertragungsanläge, in DC transmission systems, in
Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls, und in  Figure 6 shows another embodiment of a module, and in
Figur 7 ein beispielhafter Ablauf des Verfahrens zum zum Kühlen von Leistungshalbleiterbauelementen eines Stromrichters einer Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragungsanläge dargestellt .  FIG. 7 shows an exemplary sequence of the method for cooling power semiconductor components of a power converter of a high-voltage DC transmission system.
In Figur 1 ist ein Stromrichter 1 (Hochspannungs-Stromrichter 1) in Form eines modularen Multilevelstromrichters 1 (modular multilevel Converter, MMC) dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten FIG. 1 shows a power converter 1 (high-voltage power converter 1) in the form of a modular multilevel converter 1 (modular multilevel converter, MMC). This Multilevelstromrichter 1 has a first
Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten Wechsel- spannungs-ianschluss 7 und einen dritten Wechselspannungs¬ anschluss 9 auf. Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Phasenmodulzweig 13 verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11 und der zweite Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten AC voltage terminal 5, a second AC voltage I connection 7 and a third AC voltage ¬ connection 9. The first AC voltage terminal 5 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13. The first phase module branch 11 and the second phase module branch 13 form a first phase module 15 of the power converter 1. The end of the first one facing away from the first AC voltage connection 5
Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten Gleichspannungs- anschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten Phase module branch 11 is electrically connected to a first DC voltage connection 16; that the first
Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten AC voltage connection 5 opposite end of the second
Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten Phase module branch 13 is connected to a second
Gleichspannungs-ianschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungs-ianschluss 16 ist ein positiver  DC voltage terminal 17 electrically connected. The first DC voltage terminal 16 is a positive one
Gleichspannungsanschluss ; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss.  DC voltage connection; the second DC voltage terminal 17 is a negative DC voltage terminal.
Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 21 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte Wechsel¬ spannungs¬anschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften The second AC voltage terminal 7 is electrically connected to one end of a third phase module branch 18 and to one end of a fourth phase module branch 21. The third phase module branch 18 and the fourth phase module branch 21 form a second phase module 24. The third change ¬ spannungs¬anschluss 9 is connected to one end of a fifth
Phasenmodulzweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten Phase module branch 27 and with one end of a sixth
Phasenmodulzweigs 29 elektrisch verbunden. Der fünfte Phase module branch 29 electrically connected. The fifth
Phasenmodulzweig 27 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31. Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 18 und das dem dritten Phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31. The second AC terminal 7 facing away from the end of the third phase module branch 18 and the third
Wechselspannungs¬anschluss 9 abgewandte Ende des fünften Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungs¬ anschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten Wechsel- spannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten Phasen¬ modulzweigs 21 und das dem dritten Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33. AC terminal 9 opposite end of the fifth phase module branch 27 are electrically connected to the first DC voltage ¬ connection 16. The end of the fourth phase ¬ modulzweigs 21 facing away from the second AC voltage terminal 7 and the end of the sixth phase module branch 29 facing away from the third AC voltage terminal 9 are electrically connected to the second DC voltage terminal 17. The first phase module branch 11, the third phase module branch 18 and the fifth phase module branch 27 form a positive-side converter element 32; the second phase module branch 13, the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29 form a negative-side converter element 33.
Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer galvanischen Stromanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind zwei Each phase module branch has a plurality of modules (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; etc.) which are electrically connected in series (by means of their galvanic current connections). Such modules are also referred to as submodules. In the exemplary embodiment of FIG. 1, each phase module branch has n modules. The number of electrically connected in series by means of their galvanic power connections modules can be very different, at least two
Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispiels¬ weise 3, 50, 100 oder mehr Module elektrisch in Reihe Modules connected in series, but it can also example ¬ example, 3, 50, 100 or more modules electrically in series
geschaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste Phasenmodulzweig 11 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36 auf. Die anderen Phasenmodulzweige 13, 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig aufgebaut. be switched. In the exemplary embodiment, n = 36: the first phase module branch 11 thus has 36 modules 1_1, 1_2, 1_3,... 1_36. The other phase module branches 13, 18, 21, 27 and 29 are of similar construction.
Von einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung des From a control device (not shown) of the
Stromrichters 1 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über eine optische Kommunikationsverbindung (zum Beispiel über einen Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Power converter 1 are optical messages or optical signals via an optical communication link (for example via an optical waveguide) to the individual
Modulen 1_1 bis 6_n übertragen. Beispielsweise sendet die Steuereinrichtung an die einzelnen Module jeweils einen  Transfer modules 1_1 to 6_n. For example, the control device sends one to the individual modules
Sollwert zur Höhe der Ausgangsspannung, die das jeweilige Modul bereitstellen soll. Setpoint for the amount of output voltage that the respective module should provide.
Der beschriebene modulare Multilevelstromrichter weist also eine Vielzahl der genannten gleichartigen Module auf, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Durch die elektrische Reihenschaltung der Module lassen sich hohe Ausgangs- Spannungen erreichen. Der Stromrichter ist einfach an The described modular multilevel converter thus has a multiplicity of the aforementioned identical modules, which are electrically connected in series. The electrical series connection of the modules can achieve high output voltages. The power converter is simply on
unterschiedliche Spannungen anpassbar (skalierbar) und eine gewünschte Ausgangsspannung kann relativ genau erzeugt werden. Modulare Multilevelstromrichter werden oftmals im Hochspannungsbereich eingesetzt, beispielsweise als Stromrichter einer Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlage . In den Modulen 1_1, 1_2, 1_3 usw. sind different voltages adaptable (scalable) and a desired output voltage can be generated relatively accurately. Modular multilevel converters are often used in High voltage range used, for example, as a power converter of a high-voltage DC transmission system. In the modules 1_1, 1_2, 1_3, etc. are
Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet. Die  Power semiconductor components arranged. The
Leistungshalbleiterbauelemente sind also in mehreren Power semiconductor components are therefore in several
Phasenmodulen 15, 24, 31 angeordnet, wobei jedes Phasenmodul 15, 24, 31 einen Wechselspannungsanschluss 5, 7, 9 und mindestens einen Gleichspannungsanschluss 16, 17 Phase modules 15, 24, 31 are arranged, each phase module 15, 24, 31 an AC voltage terminal 5, 7, 9 and at least one DC voltage terminal 16, 17
(insbesondere zwei Gleichspannungsanschlüsse 16, 17)  (in particular two DC voltage connections 16, 17)
aufweist . having .
Der Stromrichter 1 weist eine Kühleinrichtung 50 auf. Die Kühleinrichtung 50 weist einen Kühlmittelbehälter 52, eine Pumpe 54 (Kühlmittel-Pumpe 54), eine Heizeinrichtung 55, einen Wärmeübertrager 56 (Wärmetauscher 56) und ein The power converter 1 has a cooling device 50. The cooling device 50 has a coolant reservoir 52, a pump 54 (coolant pump 54), a heater 55, a heat exchanger 56 (heat exchanger 56) and a
Dreiwegeventil 57 auf. Parallel zum Wärmeübertrager 56 ist ein Überbrückungszweig 58 angeordnet. Mittels des Three-way valve 57 on. Parallel to the heat exchanger 56, a bridging branch 58 is arranged. By means of the
Dreiwegeventils 57 lässt sich die Menge des Kühlmittels einstellen, die (unter Umgehung des Wärmeübertragers 56) durch den Überbrückungszweig 58 fließt. Die Heizeinrichtung 55 ist optional, sie kann auch weggelassen werden. Das Three-way valve 57 can adjust the amount of coolant flowing (bypassing the heat exchanger 56) through the bridging branch 58. The heater 55 is optional, it may be omitted. The
Dreiwegeventil 57 und der Überbrückungszweig 58 sind auch optional, sie können auch weggelassen werden. Three-way valve 57 and bypass branch 58 are also optional, they may also be omitted.
Der Kühlmittelbehälter 52, die Pumpe 54, die Heizeinrichtung 55, der Wärmeübertrager 56 und das Dreiwegeventil 57 sind durch Kühlmittelleitungen 60 mit den einzelnen Modulen 1_1 ... l_n / 3_1 ... 3_n, usw. des Stromrichters 1 verbunden. (DieThe coolant reservoir 52, the pump 54, the heating device 55, the heat exchanger 56 and the three-way valve 57 are connected by coolant lines 60 with the individual modules 1_1 ... l_ n / 3_1 ... 3_n, etc. of the power converter 1. (The
Kühlmittelleitungen 60 sind im Ausführungsbeispiel mittels zweier paralleler Linien in der Art eines Rohres dargestellt. Die elektrischen Leitungen des Stromrichters sind dagegen jeweils mittels einer einzelnen Linie dargestellt.) So ist beispielsweise das Dreiwegeventil 57 über eine Hin- Kühlmittelleitung 60a mit dem Modul 1_1 verbunden; das Modul 1_1 ist über eine Kühlmittelleitung 60b mit dem Modul 1_2 verbunden; und das Modul 1 2 ist über eine Kühlmittelleitung 60c mit dem Modul 1_3 verbunden. In gleicher Art und Weise ist das Modul 1_3 mit dem nächstfolgenden Modul 1_4 (nicht dargestellt) über eine Kühlmittelleitung 60 verbunden und so weiter. Das letzte Modul l_n des Phasenmodulzweigs 11 ist über eine Rück-Kühlmittelleitung 60d mit dem Coolant lines 60 are shown in the embodiment by means of two parallel lines in the manner of a tube. The electrical lines of the power converter, however, are each represented by a single line.) Thus, for example, the three-way valve 57 is connected via a Hin- coolant line 60a with the module 1_1; the module 1_1 is connected to the module 1_2 via a coolant line 60b; and the module 1 2 is via a coolant line 60c connected to the module 1_3. In the same way, the module 1_3 is connected to the next module 1_4 (not shown) via a coolant line 60, and so on. The last module l_n of the phase module branch 11 is connected via a return coolant line 60d with the
Kühlmittelbehälter 52 verbunden. Der Kühlmittelbehälter 52 ist über eine Kühlmittelleitung 60 mit der Pumpe 54  Coolant tank 52 connected. The coolant reservoir 52 is connected to the pump 54 via a coolant line 60
verbunden; die Pumpe 54 ist über eine Kühlmittelleitung 60 mit der Heizeinrichtung 55 verbunden und die Heizeinrichtung 55 ist über eine Kühlmittelleitung 60 mit dem Wärmeübertrager 56 verbunden. Der Wärmeübertrager 56 ist über eine connected; the pump 54 is connected to the heater 55 via a coolant line 60, and the heater 55 is connected to the heat exchanger 56 via a coolant line 60. The heat exchanger 56 is over a
Kühlmittelleitung 60 mit dem Dreiwegeventil 57 verbunden. Coolant line 60 connected to the three-way valve 57.
In dem Kühlmittelbehälter 52 befindet sich ein Vorrat an Kühlmittel 70. Das Kühlmittel 70 kann aus dem In the coolant tank 52 is a supply of coolant 70. The coolant 70 may from the
Kühlmittelbehälter 52 mittels der Pumpe 54 durch den  Coolant tank 52 by means of the pump 54 through the
Wärmeübertrager 56, durch die Module 1_1 ... l_n des ersten Phasenmodulzweigs 11 und danach wieder zurück zum Heat exchanger 56, through the modules 1_1 ... l_n of the first phase module branch 11 and then back to
Kühlmittelbehälter 52 gepumpt werden. Somit weist die Coolant tank 52 are pumped. Thus, the
Kühleinrichtung 50 einen Kühlmittelkreislauf 72 auf. An den Kühlmittelkreislauf 72 sind auch die Module 3_1 ... 3_n des dritten Phasenmodulzweigs 18 und die Module 5_1 ... 5_n des fünften Phasenmodulzweigs 27 angeschlossen. Mittels des Kühlmittelkreislaufs 72 können also in den Modulen Cooling device 50 a coolant circuit 72 on. The modules 3_1... 3_n of the third phase module branch 18 and the modules 5_1... 5_n of the fifth phase module branch 27 are also connected to the coolant circuit 72. By means of the coolant circuit 72 can thus in the modules
angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente gleichzeitig gekühlt werden. arranged power semiconductor devices are cooled simultaneously.
Das Kühlmittel 70 ist ein wasserfreies flüssiges Kühlmittel 70. Das wasserfreie flüssige Kühlmittel 70 kann insbesondere ein Ester (beispielsweise der als solches bekannte EsterThe coolant 70 is an anhydrous liquid coolant 70. The anhydrous liquid coolant 70 may in particular be an ester (for example the ester known as such
Midel 7131) oder ein Öl sein. Das Öl kann zum Beispiel ein Mineralöl oder ein Pflanzenöl sein. Als Kühlmittel 70 kann zum Beispiel ein als solches bekanntes Öl verwendet werden, wie es bei ölisolierten Transformatoren zu Isolierzwecken eingesetzt wird. Beispiele für solche Öle sind Öle mit der Bezeichnung , Dialax der Firma Shell oder Öle mit der Midel 7131) or an oil. The oil may be, for example, a mineral oil or a vegetable oil. As the coolant 70, for example, an oil known as such can be used, as it is used in oil-insulated transformers for insulation purposes. Examples of such oils are oils with the name, Diala x the company Shell or oils with the
bezeichnung , Nytrox der Firma Nynas . Die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels 70 ist name, Nytro x of the company Nynas. The electrical conductivity of the coolant 70 is
vorteilhafter kleiner als 0,5 yS/cm, insbesondere kleiner als 0,2 yS/cm. Solch ein Kühlmittel kann problemlos bei einem Hochspannungs-Stromrichter bzw. bei einem Stromrichter einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage (zum Beispiel bei Spannungen zwischen 100 kV und 500 kV) eingesetzt werden. more preferably less than 0.5 yS / cm, in particular less than 0.2 yS / cm. Such a coolant can be easily used in a high-voltage power converter or in a converter of a high-voltage direct-current transmission system (for example, at voltages between 100 kV and 500 kV).
Zur Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente der Module des zweiten Phasenmodulzweigs 13, des vierten Phasenmodulzweigs 21 und des sechsten Phasenmodulzweigs 29 existiert eine weitere Kühleinrichtung 80. Diese weitere Kühleinrichtung 80 ist identisch aufgebaut zu der Kühleinrichtung 50 des ersten, dritten und fünften Phasenmodulzweigs 11, 18 und 27. For cooling the power semiconductor components of the modules of the second phase module branch 13, the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29, there is a further cooling device 80. This further cooling device 80 has an identical construction to the cooling device 50 of the first, third and fifth phase module branches 11, 18 and 27.
Selbstverständlich können auch sämtliche Module des Of course, all modules of the
Stromrichters 1 mittels einer einzigen Kühleinrichtung (d. h. mittels eines einzigen Kühlmittelbehälters 52, einer einzigen Pumpe 54 und eines einzigen Wärmeübertragers 56) gekühlt werden. Alternativ ist es auch möglich, mehr als zwei Converter 1 by means of a single cooling device (i.e., by means of a single coolant tank 52, a single pump 54 and a single heat exchanger 56) are cooled. Alternatively, it is also possible to have more than two
Kühleinrichtungen zur Kühlung der Module des Stromrichters 1 einzusetzen. Use cooling devices for cooling the modules of the power converter 1.
Der Kühlmittelbehälter 52 enthält einen Vorrat des The coolant tank 52 contains a supply of
Kühlmittels 70. Der Kühlmittelbehälter 52 ist optional: das Kühlmittel kann auch in ausreichender Menge in den Coolant 70. The coolant tank 52 is optional: the coolant can also in sufficient quantity in the
Kühlmittelleitungen 60, in der Pumpe 54 und im Coolant lines 60, in the pump 54 and in the
Wärmeübertrager 56 vorhanden sein. Heat exchanger 56 may be present.
Optional ist Folgendes vorgesehen: Wenn das Kühlmittel einen (ersten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, dann überbrückt der Überbrückungszweig 58 den Wärmeübertrager 56. Dies wird dadurch erreicht, dass das Dreiwegeventil 57 so angesteuert wird, dass das Dreiwegeventil 57 das Kühlmittel 70 (teilweise oder vollständig) durch den Überbrückungszweig 58 leitet, wodurch das Kühlmittel 70 an dem Wärmeübertrager 56 vorbeigeleitet wird. Es wird dann also mindestens ein Teil des flüssigen Kühlmittels 70 unter Umgehung des Optionally, the following is provided: If the coolant falls below a (first) predetermined temperature value, then the bridging branch 58 bridges the heat exchanger 56. This is achieved by the three-way valve 57 being controlled so that the three-way valve 57 can supply the coolant 70 (partially or completely). passes through the bridging branch 58, whereby the coolant 70 is conducted past the heat exchanger 56. It is then at least a portion of the liquid coolant 70, bypassing the
Wärmeübertragers 56 durch den Kühlmittel-Kreislauf 72 Heat exchanger 56 through the coolant circuit 72nd
transportiert (insbesondere gepumpt) . Dadurch erwärmt sich das Kühlmittel 70 durch die Abwärme der transported (in particular pumped). This heats up the coolant 70 by the waste heat of the
Leistungshalbleiterbauelemente schneller (als bei Power semiconductor devices faster (than at
Durchfließen des Wärmeübertragers 56) und wird schnell auf eine Temperatur größer des (ersten) vorbestimmten Flowing through the heat exchanger 56) and rapidly to a temperature greater than the (first) predetermined
Temperaturwerts erwärmt. Dadurch verringert sich die Temperature value heated. This reduces the
Viskosität des Kühlmittels 70, so dass das Kühlmittel 70 leichter durch den Kühlkreislauf 72 fließen kann. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass wasserfreie flüssige Kühlmittel oftmals bei niedrigen Temperaturen eine höhere Viskosität aufweisen als Wasser und dass die wasserfreien flüssigen Kühlmittel deshalb bei niedrigen Temperaturen schlechter durch die Kühleinrichtung 50 fließen als Wasser. Dieser mögliche Nachteil des wasserfreien flüssigen Kühlmittels wird durch den Überbrückungszweig 58 vermindert.  Viscosity of the coolant 70, so that the coolant 70 can flow through the cooling circuit 72 easier. Namely, it has been found that anhydrous liquid coolants often have a higher viscosity than water at low temperatures and that the anhydrous liquid coolants therefore flow poorer through the cooler 50 at low temperatures than water. This potential disadvantage of the anhydrous liquid coolant is reduced by the bridging branch 58.
Weiterhin ist optional Folgendes vorgesehen: Wenn das Furthermore, the following is optionally provided: If the
Kühlmittel einen (zweiten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, dann wird das Kühlmittel 70 mittels der Heizeinrichtung 55 erwärmt. Dadurch erwärmt sich das Coolant below a (second) predetermined temperature value, then the coolant 70 is heated by the heater 55. This heats up
Kühlmittel 70 auf eine Temperatur größer des (zweiten) vorbestimmten Temperaturwerts. Dadurch verringert sich die Viskosität des Kühlmittels 70, so dass das Kühlmittel 70 leichter durch den Kühlkreislauf 72 fließen kann. Der erste vorbestimmte Temperaturwert kann dabei gleich dem zweiten vorbestimmten Temperaturwert sein. Der erste vorbestimmte Temperaturwert kann dabei aber auch ungleich dem zweiten vorbestimmten Temperaturwert sein. Beispielsweise kann der erste vorbestimmte Temperaturwert größer als der zweite vorbestimmte Temperaturwert sein. Coolant 70 to a temperature greater than the (second) predetermined temperature value. This reduces the viscosity of the coolant 70, allowing the coolant 70 to flow more easily through the cooling circuit 72. The first predetermined temperature value may be equal to the second predetermined temperature value. However, the first predetermined temperature value can also be unequal to the second predetermined temperature value. For example, the first predetermined temperature value may be greater than the second predetermined temperature value.
In gleicher Art und Weise können auch In the same way can also
Leistungshalbleiterbauelemente anderer Stromrichter gekühlt werden, beispielsweise Thyristoren von Thyristor- Stromrichtern .  Power semiconductor components of other power converters are cooled, for example, thyristors of thyristor power converters.
In Figur 2 ist beispielhaft der Aufbau eines Moduls 201 dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um das Modul 1 1 des ersten Phasenmodulzweigs 11 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Das Modul ist als ein Halbbrückenmodul 201 ausgestaltet. Das Modul 201 weist ein erstes ein- und abschaltbares elektronisches In FIG. 2, the structure of a module 201 is shown by way of example. This may be, for example, the module 1 1 of the first phase module branch 11 (or else one of the other modules shown in Figure 1) act. The module is designed as a half-bridge module 201. The module 201 has a first on and off switchable electronic
Schaltelement 202 (erstes elektronisches Schaltelement 202) mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 (erste Freilaufdiode 204) auf. Weiterhin weist das Modul 201 ein zweites ein- und abschaltbares elektronisches Schaltelement 206 (zweites elektronisches Schaltelement 206) mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 (zweite Switching element 202 (first electronic switching element 202) with a first antiparallel-connected diode 204 (first freewheeling diode 204) on. Furthermore, the module 201 has a second switchable on and off electronic switching element 206 (second electronic switching element 206) with a second antiparallel-connected diode 208 (second
Freilaufdiode 208) und einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines elektrischen Kondensators 210 auf. Das erste elektronische Schaltelement 202 und das zweite elektronische Schaltelement 206 sind jeweils als ein IGBT ( insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste elektronische Schaltelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden elektronischen Schaltelementen 202 und 206 ist ein erster (galvanischer) Modulanschluss 212 Freewheeling diode 208) and an electrical energy store 210 in the form of an electrical capacitor 210. The first electronic switching element 202 and the second electronic switching element 206 are each configured as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor). The first electronic switching element 202 is electrically connected in series with the second electronic switching element 206. At the connection point between the two electronic switching elements 202 and 206, a first (galvanic) module connection 212
angeordnet. An dem Anschluss des zweiten Schaltelements 206, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter (galvanischer) Modulanschluss 215 angeordnet. Der zweite Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem arranged. At the connection of the second switching element 206, which is opposite to the connection point, a second (galvanic) module connection 215 is arranged. The second module connection 215 is furthermore connected to a first connection of the energy store 210; a second terminal of the energy storage 210 is electrically connected to the
Anschluss des ersten Schaltelements 202, der dem Connection of the first switching element 202, the
Verbindungspunkt gegenüberliegt. Connection point opposite.
Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel The energy storage 210 is therefore electrically parallel
geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten switched to the series connection of the first
Schaltelement 202 und dem zweiten Schaltelement 206. Durch entsprechende Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten By switching the first switching element 202 and the second switching element 206 can be achieved that between the first module terminal 212 and the second
Modulanschluss 215 entweder die Spannung des Energiespeichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird) . Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden. Die Ansteuerung des ersten Schaltelements 202 und des zweiten Schaltelements 206 erfolgt im Ausführungsbeispiel mittels der (oben erwähnten) von der Steuereinrichtung des Stromrichters zu dem Modul übertragenen Nachricht bzw. Signal. Module terminal 215 either the voltage of the energy storage 210 is output or no voltage is output (ie, a zero voltage is output). By interaction of the modules of the individual phase module branches so the respective desired output voltage of the converter can be generated. The control of the first switching element 202 and the second switching element 206 takes place in the exemplary embodiment by means of the (above-mentioned) transmitted from the control device of the power converter to the module message or signal.
Das erste elektronische Schaltelement 202 ist mit einem ersten Schaltelement-Kühlkörper 220 versehen; das zweite elektronische Schaltelement 206 ist mit einem zweiten The first electronic switching element 202 is provided with a first switching element heat sink 220; the second electronic switching element 206 is connected to a second
Schaltelement-Kühlkörper 222 versehen. Die erste Switch element heatsink 222 provided. The first
Freilaufdiode 204 ist mit einem ersten Dioden-Kühlkörper 226 versehen; die zweite Freilaufdiode 208 ist mit einem zweiten Dioden-Kühlkörper 228 ausgestattet. Freewheeling diode 204 is provided with a first diode heatsink 226; the second freewheeling diode 208 is equipped with a second diode heatsink 228.
Die Kühlkörper 220, 222, 226 und 228 stehen in einem engen thermischen Kontakt mit dem jeweiligen Bauelement und sind in der Lage, die in dem Bauelement entstehende Abwärme The heatsinks 220, 222, 226 and 228 are in close thermal contact with the respective device and are capable of dissipating the waste heat generated in the device
aufzunehmen und an das flüssige Kühlmittel 70 weiterzuleiten. Daher stehen die Kühlkörper 220, 222, 226 und 228 jeweils in engem thermischen Kontakt (thermische Kopplung) mit dem and forward to the liquid coolant 70. Therefore, the heatsinks 220, 222, 226 and 228 are each in close thermal contact (thermal coupling) with the
Kühlmittel 70. So sind die Leistungshalbleiterbauelemente (hier also das erste elektronische Schaltelement 202, das zweite elektronische Schaltelement 206, die erste Coolant 70. Thus, the power semiconductor components (here, the first electronic switching element 202, the second electronic switching element 206, the first
Freilaufdiode 204 und die zweite Freilaufdiode 208) thermisch mit dem Kühlmittel 70 gekoppelt. Freewheeling diode 204 and the second freewheeling diode 208) are thermally coupled to the coolant 70.
Die Kühlkörper sind in den Figuren lediglich schematisch dargestellt. Die Kühlkörper können kühlmitteldurchströmte (flüssigkeitsdurchströmte) Kühlkörper sein (d.h. die The heat sinks are shown only schematically in the figures. The heat sinks may be coolant-flowed (liquid-flowed) heat sinks (i.e.
Kühlkörper weisen kühlmitteldurchströmte Kanäle auf) . Die Kühlkörper können jeweils aus massivem Metall bestehen, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium. Heatsinks have coolant flowed through channels). The heat sinks may each consist of solid metal, for example copper or aluminum.
Im unteren Teil der Figur 2 ist mittels eines Pfeils 236 das in das Modul 201 hineinströmende Kühlmittel 70 dargestellt; im oberen Teil der Figur 2 ist mittels eines Pfeils 238 das aus dem Modul 201 herausströmende Kühlmittel 70 dargestellt. Mittels des durch das Modul 201 strömenden Kühlmittels 70 können also das erste elektronische Schaltelement 202, das zweite elektronische Schaltelement 206, die erste Freilaufdiode 204 und die zweite Freilaufdiode 208 gekühlt werden. Alternativ ist es natürlich auch möglich, dass mittels des Kühlmittels 70 nur einzelne Bauelemente des In the lower part of FIG. 2, the coolant 70 flowing into the module 201 is shown by means of an arrow 236; In the upper part of FIG. 2, the coolant 70 flowing out of the module 201 is shown by means of an arrow 238. By means of the coolant flowing through the module 201 70 so the first electronic switching element 202, the second electronic switching element 206, the first free-wheeling diode 204 and the second free-wheeling diode 208 are cooled. Alternatively, it is of course also possible that by means of the coolant 70 only individual components of the
Moduls gekühlt werden, beispielsweise nur das erste Module are cooled, for example, only the first
elektronische Schaltelement 202 und/oder das zweite electronic switching element 202 and / or the second
elektronische Schaltelement 206. In diesem Fall können für die Kühlung der anderen Bauteile andere Kühlmöglichkeiten vorhanden sein, beispielsweise ein eigener Kühlmittel- Kreislauf. electronic switching element 206. In this case, other cooling options may be present for the cooling of the other components, for example, a separate coolant circuit.
Das Kühlmittel 70 nimmt die Abwärme des ersten elektronischen Schaltelements 202, des zweiten elektronischen Schaltelements 206, der ersten Freilaufdiode 204 und der zweiten The coolant 70 absorbs the waste heat of the first electronic switching element 202, the second electronic switching element 206, the first free-wheeling diode 204 and the second
Freilaufdiode 208 auf. Das Kühlmittel 70 transportiert die aufgenommene Abwärme zu dem Wärmeübertrager 56. Der Free-wheeling diode 208 on. The coolant 70 transports the absorbed waste heat to the heat exchanger 56
Wärmeübertrager 56 gibt die Abwärme des Kühlmittels an die Umgebungsluft ab (vorzugsweise gibt der Wärmeübertrager 56 die Abwärme an die Umgebungsluft außerhalb des Heat exchanger 56 outputs the waste heat of the coolant to the ambient air (preferably, the heat exchanger 56, the waste heat to the ambient air outside of the
Stromrichtergebäudes ab) . Converter building).
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 301 des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Bei diesem Modul 301 kann es sich beispielsweise um das Modul 1_2 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Neben den bereits aus Figur 2 bekannten ersten elektronischen Schaltelement 202, zweiten FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a module 301 of the modular multilevel converter 1. This module 301 can be, for example, the module 1_2 (or also one of the other modules shown in FIG. 1). In addition to the already known from Figure 2 first electronic switching element 202, second
elektronischen Schaltelement 206, erster Freilaufdiode 204, zweiter Freilaufdiode 208 und Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 301 ein drittes elektronisches Schaltelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 304 sowie ein viertes elektronisches electronic switching element 206, first freewheeling diode 204, second freewheeling diode 208 and energy storage 210, the module 301 shown in Figure 3, a third electronic switching element 302 with an antiparallel-connected third freewheeling diode 304 and a fourth electronic
Schaltelement 306 mit einer vierten antiparallel geschalteten Freilaufdiode 308 auf. Das dritte elektronische Schaltelement 302 und das vierte elektronische Schaltelement 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Switching element 306 with a fourth anti-parallel connected freewheeling diode 308 on. The third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 are each configured as an IGBT. In contrast to
Schaltung der Figur 2 ist der zweite Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten elektronischen Schaltelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten elektronischen Schaltelement 302 und dem vierten elektronischen Schaltelement 306. Das Modul 301 der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken- Modul 301. Dieses Vollbrücken-Modul 301 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier 2, the second module connection 315 is not electrically connected to the second electronic switching element 206 The module 301 of FIG. 3 is a so-called full-bridge module 301. This full-bridge module 301 is characterized in that, when appropriately controlled, it is connected to a center of an electrical series connection of the third electronic switching element 302 and the fourth electronic switching element 306 the four
elektronischen Schaltelemente zwischen dem ersten electronic switching elements between the first
(galvanischen) Modulanschluss 212 und dem zweiten (galvanic) module connection 212 and the second
(galvanischen) Modulanschluss 315 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 210, die negative Spannung des Energiespeichers 210 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 301 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der Stromrichter 1 kann entweder nur Halbbrücken-Module 201, nur Vollbrücken-Module 301 oder auch Halbbrücken-Module 201 und Vollbrücken-Module 301 aufweisen. Über den ersten Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 215, 315 fließen große elektrische Ströme des Stromrichters. (Galvanic) module connection 315 selectively either the positive voltage of the energy storage 210, the negative voltage of the energy storage 210 or a voltage of zero (zero voltage) can be output. Thus, therefore, by means of the full bridge module 301, the polarity of the output voltage can be reversed. The power converter 1 can have either only half-bridge modules 201, only full-bridge modules 301 or also half-bridge modules 201 and full-bridge modules 301. Via the first module connection 212 and the second module connection 215, 315 flow large electrical currents of the power converter.
Bei dem Ausführungsbeispiel des Moduls 301 werden neben dem ersten elektronischen Schaltelement 202, dem zweiten In the embodiment of the module 301, in addition to the first electronic switching element 202, the second
elektronischen Schaltelement 206, der ersten Freilaufdiode 204 und der zweiten Freilaufdiode 208 zusätzlich auch das dritte elektronische Schaltelement 302, das vierte electronic switching element 206, the first freewheeling diode 204 and the second freewheeling diode 208 in addition to the third electronic switching element 302, the fourth
elektronische Schaltelement 306, die dritte Freilaufdiode 304 sowie die vierte Freilaufdiode 308 mittels des Kühlmittels 70 des Kühlmittelkreislaufs 72 gekühlt. electronic switching element 306, the third freewheeling diode 304 and the fourth freewheeling diode 308 by means of the coolant 70 of the coolant circuit 72 cooled.
In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel der thermischen In Figure 4 is an embodiment of the thermal
Kopplung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper dargestellt. Links in Figur 4 ist schematisch ein Leistungshalbleiterbauelement 403 dargestellt; rechts in Figur 4 ist schematisch ein Kühlkörper 406 dargestellt. Das Leistungshalbleiterbauelement 403 kann beispielsweise das erste elektronische Schaltelement 202 oder das zweite Coupling between the power semiconductor device and the heat sink shown. On the left in FIG. 4, a power semiconductor component 403 is shown schematically; right in Figure 4, a heat sink 406 is shown schematically. The power semiconductor component 403 may, for example, the first electronic switching element 202 or the second
elektronische Schaltelement 206 der Figur 2 sein. Das Leistungshalbleiterbauelement 403 kann aber beispielsweise auch die Diode 603 der Figur 6 sein. Zwischen dem be electronic switching element 206 of Figure 2. The However, power semiconductor device 403 can also be, for example, diode 603 of FIG. 6. Between the
Leistungshalbleiterbauelement 403 und dem Kühlkörper 406 ist eine Heatpipe 408 (Wärmerohr 408) angeordnet. Die Heatpipe 408 steht in engem thermischen Kontakt mit dem Power semiconductor component 403 and the heat sink 406, a heat pipe 408 (heat pipe 408) is arranged. The Heatpipe 408 is in close thermal contact with the
Leistungshalbleiterbauelement 403 und dem Kühlkörper 406. Die Heatpipe 408 nimmt die Abwärme von dem  Power semiconductor device 403 and the heat sink 406. The heat pipe 408 takes the waste heat from the
Leistungshalbleiterbauelement 403 auf, transportiert die Abwärme zu dem Kühlkörper 406 und gibt die Abwärme an den Kühlkörper 406 ab. Der Kühlkörper 406 gibt dann die Abwärme an das in der Kühlmittelleitung 60 fließende Kühlmittel 70 ab .  Power semiconductor device 403, transports the waste heat to the heat sink 406 and releases the waste heat to the heat sink 406. The heat sink 406 then outputs the waste heat to the coolant 70 flowing in the coolant line 60.
In Figur 5 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 501 dargestellt. Diese Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 501 weist zwei Stromrichter 1 auf, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. Diese beiden Stromrichter 1 sind gleichspannungsseitig über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 505 elektrisch miteinander verbunden. Dabei sind die beiden positiven FIG. 5 schematically shows an exemplary embodiment of a high-voltage direct-current transmission system 501. This high-voltage DC transmission system 501 has two power converters 1, as shown in FIG. These two power converters 1 are electrically connected to one another on the DC voltage side via a high-voltage direct current connection 505. The two are positive
Gleichspannungsanschlüsse 16 der Stromrichter 1 mittels einer ersten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 505a elektrisch miteinander verbunden; die beiden negativen Gleichspannungsanschlüsse 17 der beiden Stromrichter 1 sind mittels einer zweiten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 505b elektrisch miteinander verbunden. Mittels einer derartigen DC terminals 16 of the power converters 1 are electrically connected to each other by means of a first high-voltage DC line 505a; the two negative DC voltage connections 17 of the two power converters 1 are electrically connected to one another by means of a second high-voltage direct current line 505b. By means of such
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 501 kann High voltage DC transmission system 501 can
elektrische Energie über weite Entfernungen übertragen werden; die Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 505 weist dann eine entsprechende Länge auf. electrical energy is transmitted over long distances; the high voltage DC link 505 then has a corresponding length.
In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 601 (Dioden-Modul 601) des Stromrichters 1 dargestellt. Wenn der in Figur 1 dargestellte Stromrichter ausschließlich mit Modulen 601 ausgestattet ist, dann ist der Stromrichter kein modularer Multilevelstromrichter, sondern ein FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a module 601 (diode module 601) of the power converter 1. If the power converter shown in Figure 1 is equipped exclusively with modules 601, then the power converter is not a modular Multilevelstromrichter, but a
Diodengleichrichter. Das Modul 601 enthält ein Diode rectifier. The module 601 includes a
Leistungshalbleiterbauelement 603 in Form einer Diode 603 (Leistungsdiode 603) . Die Diode 603 ist mit einem Kühlkörper 605 versehen. Dabei kann der Kühlkörper 605 thermisch Power semiconductor device 603 in the form of a diode 603 (Power diode 603). The diode 603 is provided with a heat sink 605. In this case, the heat sink 605 thermally
unmittelbar mit der Diode 603 gekoppelt sein. Der Kühlkörper 605 kann aber auch thermisch mittelbar mit der Diode 603 gekoppelt sein unter Zwischenschaltung einer Heatpipe (wie in Figur 4 dargestellt) . Die Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlage 501 kann einen Stromrichter mit Modulenbe directly coupled to the diode 603. However, the heat sink 605 may also be thermally coupled indirectly to the diode 603 with the interposition of a heat pipe (as shown in Figure 4). The high voltage DC transmission system 501 may include a power converter with modules
201, 301 gemäß den Figuren 2 und 3 und einen Stromrichter mit Modulen 601 gemäß der Figur 6 aufweisen. 201, 301 according to FIGS. 2 and 3 and a power converter with modules 601 according to FIG. 6.
In Figur 7 ist das Verfahren zum Kühlen der FIG. 7 shows the method for cooling the
Leistungshalbleiterbauelemente des Stromrichters 1 noch einmal mittels eines Ablaufdiagramms dargestellt. Verfahrensschritt 702: Power semiconductor components of the power converter 1 shown once again by means of a flow chart. Step 702:
Pumpen des wasserfreien flüssigen Kühlmittels 70 in einem Kühlmittelkreislauf 72 zu den Leistungshalbleiterbauelementen Pumping the anhydrous liquid coolant 70 in a coolant circuit 72 to the power semiconductor devices
202, 206, 204, 208 des Stromrichters 1 und zu einem 202, 206, 204, 208 of the power converter 1 and to a
Wärmeübertrager 56. Heat exchanger 56.
Verfahrensschritt 704 (optional) : Method step 704 (optional):
Überbrücken des Wärmeübertragers 56 (mittels eines  Bridging the heat exchanger 56 (by means of a
Überbrückungszweigs) , wenn die Temperatur des Kühlmittels einen (ersten) vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, so dass mindestens ein Teil des flüssigen Kühlmittels 70 unter Umgehung des Wärmeübertragers 56 durch den Kühlmittel- Kreislauf 72 transportiert wird. Bridging branch), when the temperature of the coolant falls below a (first) predetermined temperature value, so that at least a portion of the liquid coolant 70 is transported, bypassing the heat exchanger 56 through the coolant circuit 72.
Verfahrensschritt 706 (optional): Method step 706 (optional):
Erwärmen des Kühlmittels 70 (mittels einer Heizeinrichtung) , wenn die Temperatur des Kühlmittels einen (zweiten) Heating the coolant 70 (by means of a heater) when the temperature of the coolant is a (second)
vorbestimmten Temperaturwert unterschreitet, so dass die Viskosität des Kühlmittels verringert wird. Verfahrensschritt 708: falls below predetermined temperature value, so that the viscosity of the coolant is reduced. Step 708:
Aufnehmen der Abwärme der Leistungshalbleiterbauelemente der Module 1 1 ... 6 n durch das Kühlmittel 70. Verfahrensschritt 710: Receiving the waste heat of the power semiconductor components of the modules 1 1 ... 6 n by the coolant 70th Step 710:
Abtransport der Abwärme mittels des Kühlmittels 70 zum  Removing the waste heat by means of the coolant 70 for
Wärmeübertrager 56. Es wurde ein Stromrichter einer Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsanlage beschrieben, der Leistungshalbleiterbauelemente und eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Heat exchanger 56. It has been described a power converter of a high-voltage DC transmission system, the power semiconductor devices and a cooling device for cooling the
Leistungshalbleiterbauelemente mit einem flüssigen Power semiconductor devices with a liquid
wasserfreien Kühlmittel aufweist. Dieser Stromrichter weist eine Reihe von Vorteilen auf: having anhydrous coolant. This power converter has a number of advantages:
- Es ist keine Deionisierung von Kühlwasser notwendig, daraus resultieren verringerte Wartungsintervalle.  - There is no need for deionization of cooling water, resulting in reduced maintenance intervals.
- Eine Kühlmitteltemperatur über 100 °C kann ohne  - A coolant temperature above 100 ° C can without
Dampfbildung erreicht werden. Steam formation can be achieved.
- Es tritt weniger Korrosion auf, insbesondere weniger - There is less corrosion, especially less
Korrosion an gegebenenfalls in den Kühlmittelleitungen angeordneten Elementen (Potentialsteuerelektroden) zur Corrosion on optionally arranged in the coolant lines elements (potential control electrodes) for
Beeinflussung des elektrischen Potentials des Kühlmittels. Die Anzahl der Potentialsteuerelektroden kann verringert werden, im Extremfall kann auf die Potentialsteuerelektroden völlig verzichtet werden, weil das wasserfreie Kühlmittel eine wesentlich geringere elektrische Leitfähigkeit aufweisen kann als wasserhaltige Kühlmittel. So können Öle Influencing the electrical potential of the coolant. The number of potential control electrodes can be reduced, in extreme cases, the potential control electrodes can be completely dispensed with, because the anhydrous coolant can have a substantially lower electrical conductivity than water-containing coolant. So can oils
beispielsweise eine um mehrere Zehnerpotenzen geringere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als Reinstwasser. For example, have a lower by several orders of magnitude electrical conductivity than ultrapure water.
- Eine Rückkühlanlage (z.B. ein Wärmeübertrager) für das wasserfreie Kühlmittel kann mit einer anderen  - One recooling system (for example a heat exchanger) for the anhydrous coolant may be used with another
Baueinheit/Komponente (die mit dem gleichen wasserfreien Mittel arbeitet) integriert aufgebaut werden (zum Beispiel mit einem ölisolierten Transformator) . Assembly / component (which works with the same anhydrous agent) are built integrated (for example, with an oil-insulated transformer).
- Es besteht keine Gefahr durch Eisbildung bei Frost. Eine Einkreiskühlung (bei der das wasserfreie Kühlmittel auch bei Frost unmittelbar durch Luft rückgekühlt wird) kann  - There is no risk of ice formation in frost. One-circuit cooling (in which the anhydrous coolant is recooled directly by air even in the case of frost) can
realisiert werden. will be realized.

Claims

Patentansprüche claims
1. Stromrichter (1) 1. Power converter (1)
- mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (202, 206, 204, 208) und  with a plurality of power semiconductor components (202, 206, 204, 208) and
- mit einer Kühleinrichtung (50) zum Kühlen der  - With a cooling device (50) for cooling the
Leistungshalbleiterbauelemente (202, 206, 204, 208) mit einem flüssigen Kühlmittel (70), wobei Power semiconductor devices (202, 206, 204, 208) with a liquid coolant (70), wherein
- das flüssige Kühlmittel ein wasserfreies flüssiges  - The liquid coolant an anhydrous liquid
Kühlmittel (70) ist. Coolant (70) is.
2. Stromrichter nach Anspruch 1, 2. Converter according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- das Kühlmittel (70) eine elektrische Leitfähigkeit kleiner als 0,5 yS/cm, insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit kleiner als 0,2 yS/cm, aufweist.  - The coolant (70) has an electrical conductivity less than 0.5 yS / cm, in particular an electrical conductivity less than 0.2 yS / cm.
3. Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, 3. power converter according to claim 1 or 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- das Kühlmittel (70) ein Ester oder ein Öl, insbesondere ein Mineralöl, aufweist. - The coolant (70) comprises an ester or an oil, in particular a mineral oil.
4. Stromrichter 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 4. Converter according to one of the preceding claims, d a d u c h e c e n e c e s e s that
- die Leistungshalbleiterbauelemente (202, 206, 204, 208) thermisch mit dem Kühlmittel (70) gekoppelt sind, indem die Leistungshalbleiterbauelemente (202, 206, 204, 208) jeweils thermisch mit einem Kühlkörper (220, 222, 226, 228) gekoppelt sind und dieser Kühlkörper (220, 222, 226, 228) thermisch mit dem Kühlmittel (70) gekoppelt ist. - The power semiconductor devices (202, 206, 204, 208) are thermally coupled to the coolant (70) by the power semiconductor devices (202, 206, 204, 208) are each thermally coupled to a heat sink (220, 222, 226, 228) and said heat sink (220, 222, 226, 228) is thermally coupled to said coolant (70).
5. Stromrichter 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 5. A power converter according to one of the preceding claims, characterized in that a
- die Leistungshalbleiterbauelemente (403) thermisch mit dem Kühlmittel (70) gekoppelt sind, indem die  - The power semiconductor devices (403) are thermally coupled to the coolant (70) by the
Leistungshalbleiterbauelemente (403) jeweils über eine  Power semiconductor components (403) each have a
Heatpipe (408) thermisch mit einem Kühlkörper (406) gekoppelt sind und dieser Kühlkörper (406) thermisch mit dem Kühlmittel (70) gekoppelt ist. Heat pipe (408) thermally coupled to a heat sink (406) and this heat sink (406) is thermally coupled to the coolant (70).
6. Stromrichter 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 6. Converter according to one of the preceding claims, d a d u c c h e c e n e c i n e that t
- die Kühleinrichtung (50) einen Kühlmittel-Kreislauf (72) zur Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente (202, 206, 204, 208) aufweist.  - The cooling device (50) has a coolant circuit (72) for cooling the power semiconductor components (202, 206, 204, 208).
7. Stromrichter 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 7. Power converter according to one of the preceding claims, d a d u c h e c e n e c e s e s that
- die Kühleinrichtung (50) eine Kühlmittelpumpe (54) und einen Wärmeübertrager (56) aufweist.  - The cooling device (50) has a coolant pump (54) and a heat exchanger (56).
8. Stromrichter 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 8. A power converter according to one of the preceding claims, d a d u c h e c e n e c i n e that t
- die Kühleinrichtung (50) einen Überbrückungszweig (58) aufweist, der den Wärmeübertrager (56) überbrückt, wenn die Temperatur des Kühlmittels (70) einen vorbestimmten  - The cooling device (50) has a bridging branch (58) which bridges the heat exchanger (56) when the temperature of the coolant (70) has a predetermined
Temperaturwert unterschreitet. Temperature value falls below.
9. Stromrichter 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 9. Converter according to one of the preceding claims, d a d u c c h e c e n e c i n e that t
- die Kühleinrichtung (50) eine Heizeinrichtung (55)  the cooling device (50) has a heating device (55)
aufweist, die das Kühlmittel (70) erwärmt, wenn die which heats the coolant (70) when the
Temperatur des Kühlmittels (70) einen vorbestimmten  Temperature of the coolant (70) a predetermined
Temperaturwert unterschreitet. Temperature value falls below.
10. Stromrichter 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 10. Power converter according to one of the preceding claims, d a d u c h e c e n e c i n e s that
- der Stromrichter (1) ein Gleichrichter ist und die  - The power converter (1) is a rectifier and the
Leistungshalbleiterbauelemente Leistungsdioden (603) sind, oder Power semiconductor devices are power diodes (603), or
- der Stromrichter ein modularer Multilevelumrichter (1) ist, der eine Mehrzahl von Modulen (1_1, 1_2, ... l_n) aufweist, die jeweils mindestens zwei der Leistungshalbleiterbauelemente (202, 206) und einen elektrischen Energiespeicher (210) aufweisen, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente - The power converter is a modular Multilevelumrichter (1) having a plurality of modules (1_1, 1_2, ... l_n), each having at least two of the power semiconductor devices (202, 206) and an electrical energy storage (210) have, wherein the power semiconductor components
elektronische Schaltelemente (202, 206) sind. electronic switching elements (202, 206) are.
11. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage (501) mit einem Stromrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10. 11. High-voltage direct current transmission system (501) with a power converter (1) according to one of claims 1 to 10.
12. Verfahren zum Kühlen von Leistungshalbleiterbauelementen (202, 206, 204, 208) eines Stromrichters (1), wobei bei dem Verfahren 12. A method for cooling power semiconductor devices (202, 206, 204, 208) of a power converter (1), wherein in the method
- die Leistungshalbleiterbauelemente (202, 206, 204, 208) mittels eines wasserfreien flüssigen Kühlmittels (70) gekühlt werden . - The power semiconductor devices (202, 206, 204, 208) are cooled by means of an anhydrous liquid coolant (70).
13. Verfahren nach Anspruch 12, 13. The method according to claim 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- das flüssige Kühlmittel (70) in einem Kühlmittel-Kreislauf (72) zu den Leistungshalbleiterbauelementen (202, 206, 204, 208) und zu einem Wärmeübertrager (56) transportiert wird.  - The liquid coolant (70) in a coolant circuit (72) to the power semiconductor devices (202, 206, 204, 208) and to a heat exchanger (56) is transported.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, 14. The method according to claim 12 or 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- der Wärmeübertrager (56) überbrückt (58) wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels (70) einen vorbestimmten  - The heat exchanger (56) bridged (58), when the temperature of the coolant (70) is a predetermined
Temperaturwert unterschreitet, so dass mindestens ein Teil des Kühlmittels (70) unter Umgehung des Wärmeübertragers (56) durch den Kühlmittel-Kreislauf (72) transportiert wird. Temperature value below, so that at least a portion of the coolant (70), bypassing the heat exchanger (56) through the coolant circuit (72) is transported.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, 15. The method according to any one of claims 12 to 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- das Kühlmittel (70) erwärmt wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels (70) einen vorbestimmten Temperaturwert - The coolant (70) is heated when the temperature of the coolant (70) has a predetermined temperature value
unterschreitet, so dass die Viskosität des Kühlmittels (70) verringert wird. falls below, so that the viscosity of the coolant (70) is reduced.
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