專利名稱：用于轉換電流的設備以及用于降低高壓能量分配和傳輸領域內的功率半導體單元的載荷 ...的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在高壓能量分配和傳輸領域內轉換電流的設備， 該設備帶有至少一個換流閥，該換流閥具有功率半導體的串聯(lián)電路，并且 該設備帶有用于冷卻功率半導體單元的冷卻裝置。
本發(fā)明還涉及用于在高壓能量傳輸和分配領域內降低載荷改變負擔的 方法，其中由冷卻裝置冷卻用于轉換電流的功率半導體單元。
背景技術：
這樣的設備和方法從公知的現(xiàn)有技術中已知。例如，在能量傳輸和分
配領域內，功率半導體單元例如用于高壓直流輸電(HGiJ)。由于數(shù)百千伏 的高壓，在此情況中在構成換流閥時功率半導體單元被串聯(lián)連接，其中換 流閥被布置在橋電路中以便構成換流器。每個換流器的交流電壓側與交流 電壓網(wǎng)連接，并且直流電壓側與另一個換流器連接。因此在換流器之間形 成了直流電路，以此實現(xiàn)能量在交流電壓網(wǎng)之間交換。
功率半導體單元也用于所謂的靈活AC傳輸系統(tǒng)，例如作為高速電子
開關。電子開關例如用于動態(tài)地調節(jié)傳輸線的阻抗。
從美國專利US 6,714,427 Bl中已知了一種方法，其中電功率借助于三 極高壓直流傳輸在兩個交流電壓網(wǎng)之間傳輸。在此出現(xiàn)的直流電流過三個 傳輸導體，其中在三個傳輸導體的一個內的直流電在短時內在熱學上允許 的最高值之上，并且為此在相反的方向上流動的電流在另外兩個傳輸導體 上分配。在短的時間期間后，傳輸導體的功能周期性地互換，使得高于允 許的極限值的高的直流電現(xiàn)在流過先前受到負載較低的導線。按照這種方 式可以提高先前作為三相交流導線使用的傳輸路徑的傳輸容量，并且按照 這種方式保證了隨后建立的高壓直流傳輸系統(tǒng)的費用。
在根據(jù)US 6,714,427的方法中，電流調制的周期持續(xù)時間在數(shù)分鐘的 量級內。然而，這導致了功率半導體單元的載荷改變負擔，該載荷改變負擔遠在能量傳輸和分配領域內的通常的設計以上。
功率半導體單元的載荷改變應理解為由電流載荷引起的構建功率半導 體單元的功率半導體的溫度循環(huán)。由于此溫度循環(huán)導致了例如由于不同的 熱膨脹引起的機械載荷，因此降低了所使用的功率半導體的壽命。出于該 原因，功率半導體的制造商規(guī)定了載荷改變強度，即功率半導體與溫度改 變相關地耐受一定次數(shù)的載荷改變的特征。在能量傳輸和分配領域中所使 用的功率半導體的載荷改變負擔迄今為止是低的，使得功率半導體的壽命 在考慮到載荷改變負擔時在各設備的規(guī)定的運行壽命以上。
然而，根據(jù)US 6,714,427 Bl所描述的方法的能量傳輸提高了功率半導 體單元的載荷改變負擔，該載荷改變負擔的提高要求了附加的措施，以便 能夠保證在能量傳輸和分配領域中迄今為止規(guī)定的設備壽命要求。
從現(xiàn)有技術中已知的方法在于，通過相應地將功率半導體單元的功率 半導體加大尺寸，即設計得更大而保持小的溫度改變或溫度波動。然而， 由于尺寸的加大，顯著地提高了各設備的成本。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明要解決的技術問題是，提供本文開始部分所述類型的設 備和方法，利用該設備和方法可以廉價地降低功率半導體單元的溫度改變。
本發(fā)明從本文開始部分所述的設備出發(fā)，通過使冷卻裝置具有取決于 通過功率半導體單元的電流提供冷卻的控制裝置而解決了該技術問題。
本發(fā)明從本文開始部分所述的方法出發(fā)，通過使功率半導體單元的冷 卻取決于流過功率半導體單元的電流進行而決了該技術問題。
根據(jù)本發(fā)明提供了冷卻裝置和控制裝置，它們實現(xiàn)了取決于流過功率 半導體單元的電流進行對功率半導體單元的冷卻。例如，在電流較高時冷
卻裝置的冷卻功率提高，而在電流載荷較小時冷卻降低。按照這種方式減 小了周期性溫度波動的幅值，由此顯著地延長了功率半導體單元的壽命。
在本發(fā)明的范圍內，功率半導體單元例如是單一的功率半導體，例如 盤形功率半導體。與此不同的是，在本發(fā)明的范圍內功率半導體單元是具 有多個功率半導體的模塊，其中每個模塊的功率半導體合適地相互連接。
模塊串聯(lián)地布置。優(yōu)選地，每個模塊具有自己的能量存儲器。
通過將功率半導體單元串聯(lián)，以有利的方式實現(xiàn)了換流閥。設備進一
步包括例如換流器，該換流器包括多個橋接布置的換流閥。在本發(fā)明的另 一種構造中，設備是所謂的12脈沖換流器，該換流器包括兩個相互串聯(lián)的
6脈沖電路。然而，在本發(fā)明的范圍內原則上可構思任何換流器拓樸結構。 功率半導體，特別是二極管、閘流管、IGBT或GTO。因此，功率半導體單
在本發(fā)明的范圍內，冷卻裝置例如包括帶有冷卻劑泵和換熱器的冷卻 回路，流體冷卻劑在換熱器內循環(huán)。
冷卻裝置有利地具有冷卻回5^，該冷卻回路具有換熱器和冷卻劑泵， 泵的功率可由控制裝置調節(jié)。在此，控制裝置有利地具有電流測量裝置， 該電流測量裝置設計為用于檢測流過串聯(lián)電路的電流。每個電流測量裝置 通過測量導線與計算單元連接，該計算單元例如借助于軟件根據(jù)預先給定 的內部邏輯從由電流測量裝置傳送的電流值中確定冷卻劑流量，以及確定 為此所要求的對于冷卻劑泵的電流和電壓供給。當然，與此不同的是計算 單元也包括模擬調節(jié)器，該調節(jié)器設計為用于處理模擬測量值。例如對冷 卻劑泵進行轉速控制。控制裝置負責使冷卻劑泵根據(jù)計算出的電流和電壓
賴于流過功率半導體單元的電流。按照這種方式降低了功率半導體單元的 溫度波動或溫度改變的幅值。
合適的是，冷卻裝置具有帶有換熱器和冷卻劑泵的冷卻回路，其中換 熱器的冷卻功率可由控制裝置調節(jié)。在此構造中，控制裝置也具有電流測 量裝置和計算單元或控制單元。電流測量裝置將由測量到的流過功率半導
體單元的電流而確定的電流值傳輸?shù)接嬎銌卧?。計算單元按照模擬方式或 者例如借助于內部邏輯，確定依賴于通過功率半導體單元的電流的換熱器 的電流和電壓供給。最后，控制裝置帶來對應于所計算的電流值和電壓值 的換熱器的電流和電壓供給。通過這樣的調節(jié)，例如在通過功率半導體單 元的電流較高時提供了提高的冷卻功率，而降低了被循環(huán)的冷卻劑的溫度。 根據(jù)本發(fā)明的另一種變體，冷卻裝置具有帶有換熱器、冷卻劑泵和可 控制的節(jié)流閥的冷卻回路，節(jié)流閥的流阻可由控制裝置調節(jié)。也根據(jù)本發(fā) 明的該構造，首先按照本身已知的方式確定流過功率半導體單元的電流， 并且然后將所測量到的電流值提供給計算單元使用?？刂蒲b置然后取決于
所測量到的電流而影響節(jié)流閥的調節(jié)，使得流速對應于電流而改變。
根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選構造，冷卻裝置具有帶有換熱器、制冷劑泵和 由控制裝置可調節(jié)的多路閥的冷卻回路。多路閥實現(xiàn)了對冷卻的廉價的和 同時快速的調節(jié)。
根據(jù)與此相關的合適的擴展，多路閥與相關的換流閥或相關的換流閥 組以及與用于跨接換流閥或換流閥組的旁路通道連接。通過多路閥的調節(jié)， 結果使得控制裝置以高的冷卻功率引導整個冷卻劑流動通過換流器，或通 過各組換流器。這點例如是這樣的情況，即，包括串聯(lián)的功率半導體單元 的換流閥受到高的電流，其中電流被引導通過功率半導體單元。在換流閥 的載荷較低時，通過旁路通道將換流閥部分地跨接，使得降低對換流閥的 功率半導體單元的冷卻。
有利的是將換熱器布置在旁路通道內。
根據(jù)另 一種合適的擴展，多路閥與第 一換流閥或第 一組換流閥連接， 以及與第二換流閥或第二組換流閥連接。根據(jù)電流載荷，按照這種方式通 過使控制裝置干預多路閥實現(xiàn)了通過與多路閥連接的換流閥或換流閥組的 制冷劑流量的比例。
根據(jù)與此相關的 一種合適的擴展，每個多路閥在輸入側與換熱器并且 與至少 一 個換流閥或至少 一 組換流閥的輸出連接，以及在輸出側與另外的 相關的換流閥或另外的相關的換流閥組的輸入連接。在此，利用了這樣的 事實，即，循環(huán)的制冷劑的溫度在換流閥輸出側高于換流閥輸入側。如果 使用這樣的溫度提高的制冷劑來冷卻另 一個換流閥，則對于該換流閥的制 冷功率當然降低。按照這種方式提供了本發(fā)明的造價特別低的構造。在該
擴展的范圍內可以為每個換流閥提供多路閥，該多路閥按照這種方式結合 在冷卻回路中。需要指出的是，制冷劑泵在制冷劑回路內的布置原則上是 任意的。因此，在本發(fā)明的該構造中制冷劑泵也可以布置在換熱器和多路 閥之間的流動方向上，其中多路閥在所選擇的表達中仍然在輸入側與換熱 器連接。在本發(fā)明的范圍內，"在輸入側與換熱器連接"的表達意味著循環(huán) 的制冷劑在從多路閥(多個多路閥)的輸出向各多路閥的輸入路徑上可通 過換熱器被冷卻。
根據(jù)本發(fā)明方法的 一種合適的擴展，借助于控制裝置取決于流過功率 半導體單元的電流來調節(jié)制冷劑通過制冷回路的流動速度。該擴展的設計 可能性以及優(yōu)點參考前述的說明。
在與此相關的修改中，制冷劑的來流溫度取決于流過功率半導體單元 的電流。


本發(fā)明的另外的合適的構造和優(yōu)點是如下參考附圖對本發(fā)明的實施例 的描述的主旨，在附圖中相同的參考數(shù)字指示相同地作用的部件，并且附
圖中
圖1按照示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的第 一 實施例，
圖2按照示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的另一個實施例，和
圖3按照示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的另 一個實施例。
具體實施例方式
圖1按照示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明的設備1的實施例。該設備具有兩 個換流器2a和2b,它們在時間上周期性振蕩地受到載荷。為了冷卻在形成 換流閥的條件下相互串聯(lián)連接的功率半導體單元，提供了冷卻回路3。功率 半導體單元在圖示的實施例中是盤形功率半導體。換流器2a和2b的換流閥 在圖示的實施例中布置在橋接電路中。冷卻回路3合適地具有管路，冷卻 劑在管路內循環(huán)。冷卻劑泵4用于循環(huán)，冷卻劑泵在示出的實施例中與轉 速相關。但在本發(fā)明的范圍內不必一定要求如此。
在通過標記的箭頭示出的流動方向上，冷卻劑泵4后接了換熱器5，在 流動方向上在換熱器5上連接了分支點6。冷卻劑流通過分支點6分配到換 流閥2a和2b 。換流閥2a和2b在流動方向上又后接了多路閥7 ，多路閥在 輸入側與換流閥2a以及2b的輸出連接，并且在輸出側直接連接到冷卻劑泵 上。
通過在圖1中未示出的控制裝置，可以這樣調節(jié)多路閥7的輸入側的 位置，使得通過換流閥2a和2b的流阻并且因此流速可被調節(jié)到希望的程 度。在此，控制裝置這樣調節(jié)多路閥7，使得流速取決于流過換流閥2a或 2b的串聯(lián)的功率半導體單元的電流被調節(jié)。特別地，如果功率半導體單元 的電流載荷提高則冷卻劑的流速增加。
在此也可以被稱為調節(jié)裝置的控制裝置，合適地包括用于生成四個數(shù)
字電流測量值的測量裝置，這些電流測量值對應于流過功率半導體單元的 電流。然而，在本發(fā)明的范圍內，調節(jié)也基于模擬電流值進行。這樣的測 量裝置例如包括電流轉換器以便生成輸出通道，該輸出通道與流過功率半 導體單元的電流成比例。電流轉換器的輸出信號然后通過釆樣單元采樣以 獲得采樣值。然后，采樣值又由模/數(shù)轉換器轉換為數(shù)字電流測量值。將電 流測量值傳輸?shù)接嬎銌卧?，計算單元基于電流測量值并且例如基于內部邏
輯來計算步進馬達的位置，其中每個位置與冷卻回路分支3a以及冷卻回路 分支3b的流阻確定地相關聯(lián)。按照這種方式，通過多路閥7可調節(jié)換流器 2a以及2b的流阻和冷卻。
應指出的是，僅示例性地描述了控制裝置。通過控制裝置對通過多路 閥的流阻的調節(jié)也可以按照任意其他的并且本領域一般技術人員熟悉的方 式進行。例如，也可以實現(xiàn)使得控制裝置干預冷卻劑泵以及多路閥，以便 按各自要求即取決于流過功率半導體單元的電流地來調節(jié)泵送功率以及流 阻。
當然，也可以的是，參考標記2a以及2b分別指示功率半導體單元的 單獨的串聯(lián)電路，即指示單獨的換流閥，而不指示按照已知的方式連接為 形成換流器的換流閥組。
圖2按照示意圖示出了本發(fā)明的另一個實施例，其中，該實施例與圖1 中示出的實施例的區(qū)別在于，換流閥2或換流器2作為換流閥組可通過旁 路通道8被跨接。例如，通過多路閥7的輸入的關閉，換流閥2的冷卻完 全被中斷。冷卻劑替代地通過旁路通道8以示出的箭頭方向被引導，其中 與旁路通道8連接的多路閥7的輸入當然是打開的。
圖3按照示意圖示出了本發(fā)明的另一個實施例。在所示出的實施例中， 兩個多路閥7a和7b在流動方向上布置在各自相關聯(lián)的換流閥或換流器2a 以及2b的之前，多路閥7a和7b分別在輸出側通過冷卻回路分支3a以及 3b與換流器2a以及2b連接。兩個多路閥7a、 7b通過冷卻分支3a以及3b 在輸入側與分配點6連接。多路閥7a還通過連接分支9與分支點10連接， 并且由此與換流閥2b的輸出連接。而多路閥7b通過連接分支11與分支點 12連接，并且由此在輸入側連接到換流器或換流閥2a的輸出上。通過分支 9以及11導向到多路閥7a以及7b的冷卻劑已曾用于冷卻換流器2a以及2b, 并且由此原因被加熱。因此在各自多路閥7a以及7b的輸出上在輸入側的確
定的混合范圍內可選擇冷卻劑的溫度。例如，如果多路閥7a打開了連接到 連接管路9的輸入而與冷卻回路分支3a連接的輸入保持關閉，則在多路閥 7a的輸出上可調節(jié)較高的溫度，反之亦然。
最后應指出的是，例如在圖1中示出的實施例中通過多路閥7的冷卻 劑流也可交替地開啟和關閉。換言之，與冷卻劑回路分支3a連接的多路閥 7的輸入可以在一定的時間期間內完全地打開，而與冷卻劑回^各分支3b連 接的輸入完全地關閉。在經(jīng)過一定的時間期間之后，出現(xiàn)相反的情況。
權利要求
1.一種用于在高壓能量分配和傳輸領域中轉換電流的設備(1)，所述的設備帶有至少一個換流閥(2a，2b)，所述的換流閥具有功率半導體單元的串聯(lián)電路，并且所述的設備帶有用于冷卻功率半導體單元的冷卻裝置(3，4，5，7)，其特征在于冷卻裝置(3，4，5，7)具有控制裝置，所述控制裝置提供了取決于通過功率半導體單元的電流的冷卻。
2. 根據(jù)權利要求1所述的設備(1 ),其特征在于所述冷卻裝置(3， 4, 5, 7)具有帶有換熱器(5)和冷卻劑泵(4)的冷卻回路(3)，所述冷 卻劑泵(4)的冷卻功率可由所述控制裝置調節(jié)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的設備(1 ),其特征在于所述冷卻裝置(3， 4, 5， 7)具有帶有換熱器(5)和冷卻劑泵(4)的冷卻回路(3)，其中， 所述換熱器(5)的冷卻功率可由所述控制裝置調節(jié)。
4. 根據(jù)權利要求1所述的設備(1 ),其特征在于所述冷卻裝置(3， 4, 5, 7)具有帶有換熱器(5)、冷卻劑泵(4)和可控制的節(jié)流閥的冷卻 回路(3),所述節(jié)流閥的流阻可由所述控制裝置調節(jié)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的設備(1 )，其特征在于所述冷卻裝置(3, 4， 5， 7)具有帶有換熱器(5)、冷卻劑泵(4)和至少一個可由所述控制 裝置調節(jié)的多路閥(7)的冷卻回路(3)。
6. 根據(jù)權利要求5所述的設備(1 ),其特征在于所述多路閥(7 )與 相關聯(lián)的換流閥(2b)或相關聯(lián)的換流閥(2)的組連接，以及與旁路通道(8)連接，以便跨接換流閥(2b)或相關的換流閥(2)的組。
7. 根據(jù)權利要求5所述的設備(1 ),其特征在于所述多路閥(7a， 7b)與第一換流閥(2a)或第一組換流閥(2a)連接，以及在輸入側也與至 少一個第二換流閥(2b)或第二組換流閥(2b)連接。
8. 根據(jù)權利要求7所述的設備(1 )，其特征在于每個多路閥(7a， 7b)在輸入側與所述換熱器(5)并且與至少一個換流閥(2a, 2b)或至少 一組換流閥(2a， 2b)的輸出連接，以及在輸出側與另一個相關聯(lián)的換流 閥(2a, 2b)或另一組相關聯(lián)的換流閥(2a， 2b)的輸入連接。
9. 一種用于在高壓能量分配和傳輸領域中降低功率半導體單元的載荷 改變負擔的方法，其中，由冷卻裝置(3， 4， 5, 7)冷卻用于轉換電流的功率半導體單元，其特征在于取決于流過功率半導體單元的電流進行所述功率半導體單元的冷卻。
10. 根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于借助于控制裝置取決于 流過所述功率半導體單元的電流來調節(jié)通過冷卻回路(3 )的冷卻劑的流速。
11. 根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于所述冷卻劑的來流溫度 取決于流過所述功率半導體單元的電流。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在高壓能量分配和傳輸領域內轉換電流的設備(1)，該設備帶有至少一個換流閥(2a，2b)，該換流閥(2a，2b)具有功率半導體單元的串聯(lián)電路，并且該設備帶有用于冷卻功率半導體單元的冷卻裝置(3，4，5，7)，利用該冷卻裝置(3，4，5，7)可以造價低地降低功率半導體單元的溫度改變，本發(fā)明建議冷卻裝置(3，4，5，7)帶有控制裝置，該控制裝置提供取決于通過功率半導體單元的電流的冷卻。
文檔編號H02J1/00GK101351942SQ200680049501
公開日2009年1月21日 申請日期2006年11月15日 優(yōu)先權日2005年11月16日
發(fā)明者喬爾格·多恩 申請人:西門子公司