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DE102019008177B4 - HIGH-FREQUENCY MEDIUM-VOLTAGE DRIVE SYSTEM FOR HIGH-SPEED MACHINE APPLICATIONS - Google Patents

HIGH-FREQUENCY MEDIUM-VOLTAGE DRIVE SYSTEM FOR HIGH-SPEED MACHINE APPLICATIONS Download PDF

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DE102019008177B4
DE102019008177B4 DE102019008177.3A DE102019008177A DE102019008177B4 DE 102019008177 B4 DE102019008177 B4 DE 102019008177B4 DE 102019008177 A DE102019008177 A DE 102019008177A DE 102019008177 B4 DE102019008177 B4 DE 102019008177B4
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transformer
frequency
segmented
cube
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Paulo Guedes-Pinto
Randall Pipho
Bhaskara Palle
Ryan Edwards
Alex Skorcz
Rose Metzler
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Teco Westinghouse Motor Co
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Abstract

Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend:
eine Vielzahl von Scheiben (225), die jeweils aufweisen:
einen Transformator (230), der eine Vielzahl von segmentierten Primärwicklungen (816), die nebeneinander um einen Transformatorschenkel (815) angeordnet sind, wobei die Vielzahl von segmentierten Primärwicklungen (816) zum Koppeln mit einer Versorgungsquelle einer Eingangsleistung und eine Vielzahl von segmentierten Sekundärwicklungen (818) umfasst; und
eine Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100), die mit der Vielzahl von segmentierten Sekundärwicklungen (818) verbunden sind, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100) eine aktive Niederfrequenz-Front-Endstufe (242, 246), eine Gleichstrom-Zwischenschaltung (DC-Link) und eine Hochfrequenz-Siliziumkarbid (SiC)-Inverterstufe (244, 248) zur Kopplung mit einer Hochfrequenzlast oder einer Hochgeschwindigkeitsmaschine (145) umfasst,
wobei die Hochfrequenzlast eine Hochgeschwindigkeitsmaschine (145, 340) umfasst, die mit einer Frequenz zwischen 500-1000 Hertz arbeitet, wobei die Versorgungsquelle der Eingangsleistung mit einer Frequenz von 50/60 Hertz arbeiten soll.

Figure DE102019008177B4_0000
Medium-voltage power converter, comprising:
a plurality of discs (225), each comprising:
a transformer (230) comprising a plurality of segmented primary windings (816) arranged side by side around a transformer leg (815), the plurality of segmented primary windings (816) for coupling to a supply source of input power and a plurality of segmented secondary windings (818); and
a plurality of power cubes (240, 1100) connected to the plurality of segmented secondary windings (818), each of the plurality of power cubes (240, 1100) comprising an active low-frequency front-end stage (242, 246), a DC link, and a high-frequency silicon carbide (SiC) inverter stage (244, 248) for coupling to a high-frequency load or a high-speed machine (145),
wherein the high frequency load comprises a high speed machine (145, 340) operating at a frequency between 500-1000 Hertz, wherein the input power supply source is intended to operate at a frequency of 50/60 Hertz.
Figure DE102019008177B4_0000

Description

Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter der Förderkennzeichen DE- EE0007254 des Energieministeriums gemacht. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.This invention was made with government support under the funding code DE- EE0007254 of the Department of Energy. The government has certain rights to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Typische Mittelspannungs-(engl.: medium voltage, MV)-Leistungswandler oder sogenannte Systemantriebe bzw. Systemumrichter (engl.: drive systems) werden aus siliziumbasierten Topologien gebildet. Solche Systeme erfüllen nicht die von verschiedenen Branchen gestellten hohen Anforderungen zur Verbesserung der Gesamtsystemleistung und - kosten. Zu den besonderen Herausforderungen an die Systeme gehören der Betrieb bei höheren Grundfrequenzen, als es bei derzeitig möglich ist, z.B. bis zu 1000 Hertz (Hz) für Direktantriebsanwendungen, Hochleistungs-MV-Antriebe zur Bewältigung des Leistungsbedarfs im mittleren Leistungsbereich (z.B. bis zu 20 Megawatt (MW)), Gesamtwirkungsgrade des Wandlersystems besser als 97% und reduzierte volumetrische Leistungsdichte und Stellfläche zur Verbesserung von Systemleistungsdichte und -kosten. Aktuelle Systeme sind zu einem solchen Betrieb nicht in der Lage.Typical medium voltage (MV) power converters, or so-called system drives or system converters (drive systems), are formed from silicon-based topologies. Such systems do not meet the demanding requirements of various industries to improve overall system performance and cost. Particular challenges for the systems include operation at higher fundamental frequencies than currently possible, e.g., up to 1000 Hertz (Hz) for direct drive applications, high-power MV drives to meet mid-range power demands (e.g., up to 20 Megawatts (MW)), overall converter system efficiencies better than 97%, and reduced volumetric power density and footprint to improve system power density and cost. Current systems are not capable of such operation.

Vielmehr arbeiten traditionelle Multi-Megawatt- und Multi-Level-Mittelspannungs-Leistungswandler-Technologien auf Basis von Silizium-Bauelementen im Bereich von Grundfrequenzen von 0-120Hz, Schaltungen bei 600 Hz und Wirkungsgraden bis zu 95%. Der Betrieb bei höheren Grundfrequenzen verbietet sich auf Grund von hohen Schaltverlusten, die zu steilem System-Derating, dramatischen Systemeffizienzen und Verminderungen der Leistungsdichte führen. US 2012 / 0 327 602 A1 zeigt einen Mittelspannungs-Leistungswandler mit einem Transformator mit Primär- und Sekundärwicklung sowie einer Vielzahl von Leistungswürfeln. Ein Leistungswürfel enthält eine Gleichrichterbrücke, einen H-Brückeninverter und dazwischen angeordnete Kondensatoren. Ein System beinhaltet eine Vielzahl von Leistungszellen. DE 11 2014 002 276 T5 zeigt einen Leistungswandler mit mehreren Leistungsverstärkereinheiten, die jeweils mehrere Scheiben aufweisen. Die Leistungsverstärkereinheiten sind dafür konfiguriert, eine Leistung von 15 MVA bidirektional zwischen einem Versorgungsnetz und einem Lastnetz über 24/4, 16 kV Abspanntransformatoren zu verarbeiten. Ein Leistungswürfel umfasst ein aktives Frontend und einen H-Brückeninverter. Shenoy, P. et al., Commercializing medium voltage VFD that utilizes high voltage SiC technology, 2017 IEEE International Workshop On Integrated Power Packaging (IWIPP). IEEE, 2017. S. 1-4 , beschreibt eine VFD-Leistungsarchitektur (Variable Frequency Drive), die aus zwei identischen Wechselrichtermodulen besteht. Insbesondere wird ein VFD-System diskutiert, bei dem Schaltgeräte mit hoher Geschwindigkeit, hoher Spannung und hoher Leistungsdichte eingesetzt werden, die die Siliziumkarbid (SiC) MOSFET-Technologie verwenden. In der US 6 850 424 B2 wird ein Wechselrichter beschreiben, der sowohl einen netzseitigen als auch einen lastseitigen freilaufenden Impulsumrichter enthält, die über einen Gleichstromzwischenkreis elektrisch verbunden sind. Die beiden freilaufenden Impulsumrichter enthalten jeweils schaltbare Stromventile in Form von Halbleiterschaltern aus Siliziumkarbid mit hoher Sperrspannung. CN 1 05 225 794 A zeigt einen Drei-Phasen-, fünfpoligen Hochfrequenz-Transformator mit einer Lüftungskühlungstruktur, der einen Magnetkern umfasst. Die Struktur des Magnetkerns und der Wicklung hat wichtige Auswirkungen auf die Leistung des Transformators. Die DE 20 2010 004 898 U1 beschreibt einen Drehstromtransformator, der mindestens zwei galvanisch getrennten Unterspannungswicklungen aufweist. In der US 2017 / 0 280 593 A1 wird ein Kühlsystem für elektronische Geräte mit einem Verdampfer, einem Gestell, an dem die elektronischen Geräte über dem Verdampfer angebracht werden können, und einem Kondensator, der vom Verdampfer beabstandet ist, beschrieben. US 2014 / 0 062 635 A1 zeigt einen Magnetkern für ein magnetisches Bauteil mit Wicklung, der eine verbesserte Kühlvorrichtung enthält. Der Magnetkern erstreckt sich in Längsrichtung und enthält einen Stapel von Blechen aus magnetischem Material, sowie eine Platte aus wärmeleitendem Material. In einem Kühlrohr, das in Kontakt mit einer ersten Seite der Platte angeordnet ist, zirkuliert ein wärmetragendes Fluid. Die WO 2011/ 038 184 A1 zeigt ein gepumptes Mehrphasen-Transformatorkühlsystem, welches einen Kühlplattenverdampfer verwendet, der zwischen dem Kern und der Wicklung des Transformators angeordnet ist, von diesen isoliert ist und in thermischem Kontakt mit diesen steht.Rather, traditional multi-megawatt and multi-level medium-voltage power converter technologies based on silicon devices operate in the range of fundamental frequencies of 0-120 Hz, switching at 600 Hz, and efficiencies up to 95%. Operation at higher fundamental frequencies is prohibited due to high switching losses, which lead to steep system derating, dramatic system efficiencies, and power density reductions. US 2012 / 0 327 602 A1 shows a medium-voltage power converter comprising a transformer with primary and secondary windings and a plurality of power cubes. A power cube contains a rectifier bridge, an H-bridge inverter, and capacitors arranged between them. A system comprises a plurality of power cells. DE 11 2014 002 276 T5 shows a power converter with multiple power amplifier units, each with multiple slices. The power amplifier units are configured to process 15 MVA of power bidirectionally between a supply network and a load network via 24/4, 16 kV step-down transformers. A power cube comprises an active front end and an H-bridge inverter. Shenoy, P. et al., Commercializing medium voltage VFD that utilizes high voltage SiC technology, 2017 IEEE International Workshop On Integrated Power Packaging (IWIPP). IEEE, 2017. pp. 1-4 , describes a variable frequency drive (VFD) power architecture consisting of two identical inverter modules. Specifically, a VFD system is discussed that utilizes high-speed, high-voltage, and high-power density switching devices using silicon carbide (SiC) MOSFET technology. US 6 850 424 B2 This describes an inverter that contains both a line-side and a load-side free-running pulse converter, electrically connected via a DC link. The two free-running pulse converters each contain switchable current valves in the form of high-blocking-voltage silicon carbide semiconductor switches. CN 1 05 225 794 A shows a three-phase, five-pole high-frequency transformer with a fan-cooled structure that includes a magnetic core. The structure of the magnetic core and the winding has important effects on the performance of the transformer. DE 20 2010 004 898 U1 describes a three-phase transformer that has at least two galvanically isolated low-voltage windings. US 2017 / 0 280 593 A1 describes a cooling system for electronic devices comprising an evaporator, a frame to which the electronic devices can be mounted above the evaporator, and a condenser spaced from the evaporator. US 2014 / 0 062 635 A1 shows a magnetic core for a magnetic component with a winding, which includes an improved cooling device. The magnetic core extends longitudinally and includes a stack of laminations of magnetic material and a plate of heat-conducting material. A heat-carrying fluid circulates in a cooling tube arranged in contact with a first side of the plate. WO 2011/ 038 184 A1 shows a pumped multiphase transformer cooling system which uses a cold plate evaporator arranged between, insulated from, and in thermal contact with the core and winding of the transformer.

Aufgabe und Lösung der ErfindungTask and solution of the invention

Die Erfindung stellt einen Mittelspannungs-Leistungswandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 12 bereit. Die Erfindung stellt ferner einen Transformator mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 23 bereit. Ein Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein Mittelspannungs-Leistungswandler eine Vielzahl von Scheiben umfasst, die jeweils aufweisen: einen Transformator mit einer Vielzahl von Primärwicklungen zum Koppeln an eine Versorgungsquelle für Eingangsleistung und mit einer Vielzahl von Sekundärwicklungen; und eine Vielzahl von Leistungswürfeln, die mit der Vielzahl von Sekundärwicklungen verbunden sind, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichspannungs (DC)-Zwischenschaltung (DC-link) und eine Hochfrequenz-Siliziumkarbid (SiC)-Inverterstufe zum Koppeln mit einer Hochfrequenzlast oder einer Hochgeschwindigkeitsmaschine umfasst.The invention provides a medium-voltage power converter having the features of claim 1 or claim 12. The invention further provides a transformer having the features of claim 15 and a system having the features of claim 23. One aspect of the invention includes a medium-voltage power converter comprising a plurality of disks, each having: a transformer having a plurality of primary windings for coupling to a supply source of input power and having a plurality of secondary windings; and a plurality of power cubes connected to the plurality of secondary windings, each of the plurality of power cubes comprising a low-frequency front-end stage, a DC voltage voltage (DC) link and a high-frequency silicon carbide (SiC) inverter stage for coupling to a high-frequency load or a high-speed machine.

In einer Ausführungsform umfasst der Mittelspannungs-Leistungswandler ferner einen oder mehrere Sensoren, die mit einem Eingang des Mittelspannungs-Leistungswandlers gekoppelt sind, um Sensorinformationen zu erhalten. Der Mittelspannungs-Leistungswandler kann ferner ein Trennschaltersystem (engl.: circuit breaker system) umfassen, das zwischen der Versorgungsquelle der Eingangsleistung und dem Mittelspannungs-Leistungswandler geschaltet ist. Das Trennschaltersystem kann den Mittelspannungs-Leistungswandler zumindest teilweise auf den Sensorinformationen basierend aktiv mit der Versorgungsquelle der Eingangsleistung verbinden oder trennen. Der Mittelspannungs-Leistungswandler kann ferner eine Netzschnittstellensteuerung zum Speichern und Bereitstellen von Unterstützungsfunktionen für eine elektrische Hochgeschwindigkeitsmaschine, die mit einer mechanischen Hochgeschwindigkeitslast und einem Versorgungsnetz gekoppelt ist, beinhalten. Die Hochfrequenzlast kann eine Hochgeschwindigkeitsmaschine sein, die mit einer Frequenz zwischen 500-1000 Hertz arbeitet, wobei die Versorgungsquelle der Eingangsleistung mit einer Frequenz von 50/60 Hertz arbeiten soll. Die Niederfrequenz-Front-Endstufe kann eine SiC-basierte aktive Front-Endstufe sein. Jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln umfasst ein Gehäuse mit einer Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen (engl.: AC bus bar), die zu einer ersten Fläche des Leistungswürfels hin verschoben sind. Ein Gleichstrom-Bus (DC-bus) der Gleichstrom-Zwischenschaltung kann eine beschichtete Anordnung aufweisen, die zu einer zweiten Fläche des Leistungswürfels hin verschoben ist, wobei die beschichtete Anordnung einen ersten horizontalen Abschnitt mit Gate-Treiber-Öffnungen (engl.: gate drive openings) aufweist, die direkt dort hindurch ausgebildet sind. Der Gleichstrom-Bus kann ferner einen zweiten horizontalen Abschnitt beinhalten, der vertikal zum ersten horizontalen Abschnitt versetzt ist. Der zweite horizontale Abschnitt kann an eine Vielzahl von Kondensatoren gekoppelt sein, die eine Kapazität in der Größenordnung von etwa 7,6-11,4 Millifarad aufweisen können. Der erste horizontale Abschnitt kann Folgendes umfassen: eine Vielzahl von Wechselstrom-Busdurchgänge (AC bus clearances), über die eine Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen mit mindestens einer SiC-Vorrichtung verbunden werden sollen; und eine Vielzahl von Gate-Treiber-Schnittstellen (engl.: gate drive interfaces), über die Verbindungen zum Kommunizieren von Gate-Treiber-Signalen passend eingerichtet sind.In one embodiment, the medium-voltage power converter further comprises one or more sensors coupled to an input of the medium-voltage power converter to receive sensor information. The medium-voltage power converter may further comprise a circuit breaker system coupled between the input power supply source and the medium-voltage power converter. The circuit breaker system may actively connect or disconnect the medium-voltage power converter to the input power supply source based at least in part on the sensor information. The medium-voltage power converter may further include a grid interface controller for storing and providing support functions for a high-speed electrical machine coupled to a high-speed mechanical load and a utility grid. The high-frequency load may be a high-speed machine operating at a frequency between 500-1000 Hertz, wherein the input power supply source is to operate at a frequency of 50/60 Hertz. The low-frequency front-end stage may be a SiC-based active front-end stage. Each of the plurality of power cubes includes a housing having a plurality of AC bus bars offset toward a first surface of the power cube. A DC bus of the DC interconnect may include a plated assembly offset toward a second surface of the power cube, the plated assembly having a first horizontal section with gate drive openings formed directly therethrough. The DC bus may further include a second horizontal section vertically offset from the first horizontal section. The second horizontal section may be coupled to a plurality of capacitors, which may have a capacitance on the order of about 7.6-11.4 millifarads. The first horizontal section may include: a plurality of AC bus clearances through which a plurality of AC bus rails are to be connected to at least one SiC device; and a plurality of gate drive interfaces through which connections are suitably configured to communicate gate drive signals.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein Mittelspannungs-Leistungswandler Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Scheiben, die jeweils einen Transformator aufweisen, der eine Vielzahl von Primärwicklungen zur Verbindung mit einem gemeinsamen Kopplungspunkt eines Versorgers bei einer ersten Frequenz, und eine Vielzahl von Sekundärwicklungen, jeweils zum Koppeln mit einer aus einer Vielzahl von Leistungswürfeln der Scheibe aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln eine aktive (IGBT) Front-Endstufe mit Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (engl.: insulated gate bipolar transistor, IGBT), eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine SiC-Back-Endstufe zum Koppeln mit einer Last bei einer zweiten Frequenz umfasst, wobei die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz ist.Another aspect of the invention includes a medium voltage power converter comprising: a plurality of disks, each having a transformer having a plurality of primary windings for connection to a common coupling point of a utility at a first frequency, and a plurality of secondary windings, each for coupling to one of a plurality of power cubes of the disk, each of the plurality of power cubes comprising an active insulated gate bipolar transistor (IGBT) front end stage, a DC link, and a SiC back end stage for coupling to a load at a second frequency, the second frequency being greater than the first frequency.

In einer Ausführungsform soll, sofern eine Energiequelle anstelle einer Last vorliegt, die SiC-Back-Endstufe als Gleichrichter und die aktive IGBT-Front-Endstufe als Inverter betrieben werden, um zu ermöglichen, erzeugten Strom über den gemeinsamen Kopplungspunkt dem Versorger zuzuführen. Der Mittelspannungs-Leistungswandler kann ferner eine Steuerung beinhalten, die dafür sorgt, dass, wenn der Versorger die Stromquelle ist, die SiC-Back-Endstufe als Inverter und die aktive IGBT-Front-Endstufe als Gleichrichter arbeitet.In one embodiment, when a power source is present instead of a load, the SiC back output stage is intended to operate as a rectifier and the active IGBT front output stage as an inverter to enable the generated power to be supplied to the utility via the common coupling point. The medium-voltage power converter can further include a controller that ensures that, when the utility is the power source, the SiC back output stage operates as an inverter and the active IGBT front output stage operates as a rectifier.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein Transformator für einen Mittelspannungs-Leistungswandler Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Kernschenkeln, die zwischen einer ersten Säule und einer zweiten Säule passend angeordnet sind, wobei jeder der Vielzahl von Kernschenkeln Folgendes aufweist: einen Satz von Primärwicklungen, die um den entsprechenden Kernschenkel herum passend angeordnet sind; und einen Satz von Sekundärwicklungen, die um den Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind.Another aspect of the invention includes a transformer for a medium-voltage power converter comprising: a plurality of core legs matingly disposed between a first column and a second column, each of the plurality of core legs having: a set of primary windings matingly disposed around the respective core leg; and a set of secondary windings matingly disposed around the set of primary windings.

In einer Ausführungsform ist jeder der Vielzahl von Kernschenkeln einer Phase einer dreiphasigen Stromversorgung zugeordnet. Der Satz Primärwicklungen für einen ersten Kernschenkel kann parallelgeschaltet werden. In einer Ausführungsform ist jede aus einem ersten Satzes von Sekundärwicklungen, die um den, um einen ersten Kernschenkel herum passend angeordneten, Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, gekoppelt mit einem von einem ersten Leistungswürfel, wobei der erste Leistungswürfel eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, einem zweiten Leistungswürfel mit einer Niederfrequenz-Front-Endstufe, einer Gleichstrom-Zwischenschaltung und einer Hochfrequenz-Back-Endstufe, und einem dritten Leistungswürfel mit einer Niederfrequenz-Front-Endstufe, einer Gleichstrom-Zwischenschaltung und einer Hochfrequenz-Back-Endstufe; ist jede aus einem zweiten Satz Sekundärwicklungen, die um den, um einen zweiten Kernschenkel herum passend angeordneten, Satz Primärwicklungen herum passend angeordneten sind, gekoppelt an einen von dem ersten Leistungswürfel, dem zweite Leistungswürfel und dem dritte Leistungswürfel; und ist jede aus einem dritten Satz Sekundärwicklungen, die um den, um einen dritten Kernschenkel herum passend angeordneten, Satz Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, gekoppelt mit einem von dem ersten Leistungswürfel, dem zweiten Leistungswürfel und dem dritten Leistungswürfel.In one embodiment, each of the plurality of core legs is associated with a phase of a three-phase power supply. The set of primary windings for a first core leg may be connected in parallel. In one embodiment, each of a first set of secondary windings, which are mateably arranged around the set of primary windings mateably arranged around a first core leg, is coupled to one of a first power cube, the first power cube comprising a low-frequency front-end stage, a DC intermediate circuit, and a high-frequency back-end stage, a second power cube having a low-frequency front-end stage, a DC intermediate circuit, and a high-frequency back-end stage, and a third power cube having a low-frequency front-end stage, a DC current interposer and a high frequency back-end stage; each of a second set of secondary windings, matingly disposed around the set of primary windings matingly disposed around a second core leg, is coupled to one of the first power cube, the second power cube, and the third power cube; and each of a third set of secondary windings, matingly disposed around the set of primary windings matingly disposed around a third core leg, is coupled to one of the first power cube, the second power cube, and the third power cube.

In einer Ausführungsform stellt die Vielzahl von Sekundärwicklungen eine symmetrische Impedanz für die Vielzahl von Leistungswürfeln bereit. Jede aus dem Satz von Primärwicklungen kann von einer anderen aus dem Satz von Primärwicklungen um einen ersten Trennabstand von mindestens zwei Zoll beabstandet sein, um eine Entkopplung voneinander zu gewährleisten. Die Vielzahl von Sekundärwicklungen stellt einen Teil der symmetrischen Impedanz für die Vielzahl von Leistungswürfeln zur Gewährleistung von Steuerstabilität bereit. Jede aus dem Satz von Primärwicklungen kann von dem Satz der Sekundärwicklungen um einen zweiten Trennungsabstand von mindestens einem halben Zoll beabstandet sein.In one embodiment, the plurality of secondary windings provides a symmetrical impedance to the plurality of power cubes. Each of the set of primary windings may be spaced from another of the set of primary windings by a first separation distance of at least two inches to provide decoupling from one another. The plurality of secondary windings provides a portion of the symmetrical impedance to the plurality of power cubes to ensure control stability. Each of the set of primary windings may be spaced from the set of secondary windings by a second separation distance of at least one-half inch.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein Mittelspannungs-Leistungswandler einen Schrank mit Folgendem umfasst: einer Leistungswürfelaufnahme, um eine Vielzahl von Leistungswürfeln aufzunehmen, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln innerhalb eines entsprechenden Gehäuses eingepasst ist und eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, wobei die Vielzahl von Leistungswürfeln zur Kopplung mit einer Hochgeschwindigkeitsmaschine vorgesehen ist; und eine Vielzahl von ersten Barrieren, die geeignet sind, einen isolierten ersten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln zu leiten; und eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator zum Koppeln zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei die Transformatoraufnahme eine Vielzahl von Kühlgebläsen zum Kühlen des mindestens einen Transformators umfasst.Another aspect of the invention includes a medium-voltage power converter comprising a cabinet having: a power cube receptacle for receiving a plurality of power cubes, each of the plurality of power cubes being fitted within a respective housing and comprising a low-frequency front-end stage, a DC link, and a high-frequency back-end stage, the plurality of power cubes being adapted for coupling to a high-speed machine; and a plurality of first barriers adapted for directing an isolated first cooling airflow through one of the plurality of power cubes; and a transformer receptacle having at least one transformer for coupling between a supply terminal and the plurality of power cubes, the transformer receptacle comprising a plurality of cooling fans for cooling the at least one transformer.

In einer Ausführungsform beinhaltet der Schrank mindestens eine erste Öffnung, um den ersten Kühlluftstrom von der Transformatoraufnahme in die Leistungswürfelaufnahme umzuleiten, und mindestens eine zweite Öffnung, um einen aus der Vielzahl von Leistungswürfeln austretenden Luftstrom aus der Leistungswürfelaufnahme in die Transformatoraufnahme zu leiten. Die Vielzahl von Kühlgebläsen kann den austretenden Luftstrom absaugen. Der Schrank kann ein permeables Element beinhalten, um zu ermöglichen, dass ein zweiter Kühlluftstrom aus einer äußeren Umgebung über die Vielzahl von Kühlgebläsen durch den mindestens einen Transformator geleitet wird. Der Schrank kann als abgedichtetes Gehäuse ausgebildet sein. In einem Beispiel soll die Transformatoraufnahme luftgekühlt und die Leistungswürfelaufnahme flüssiggekühlt sein. Die Leistungswürfelaufnahme kann von der Transformatoraufnahme isoliert sein.In one embodiment, the cabinet includes at least a first opening to redirect the first cooling airflow from the transformer receptacle into the power cube receptacle, and at least a second opening to direct an airflow exiting the plurality of power cubes from the power cube receptacle into the transformer receptacle. The plurality of cooling fans can exhaust the exiting airflow. The cabinet can include a permeable element to allow a second cooling airflow from an external environment to be directed through the at least one transformer via the plurality of cooling fans. The cabinet can be configured as a sealed enclosure. In one example, the transformer receptacle is to be air-cooled and the power cube receptacle is to be liquid-cooled. The power cube receptacle can be insulated from the transformer receptacle.

In einer Ausführungsform beinhaltet die Leistungswürfelaufnahme Folgendes: einen Wärmetauscher zum Entziehen von Wärme aus dem ersten Kühlluftstrom; eine erste Öffnung, um zu ermöglichen, dass der erste Kühlluftstrom durch die Vielzahl von Leistungswürfeln geleitet wird; und eine zweite Öffnung zum Leiten eines Stroms erwärmter Luft aus der Vielzahl von Leistungswürfeln zum Wärmetauscher.In one embodiment, the power cube receptacle includes: a heat exchanger for extracting heat from the first cooling air stream; a first opening for allowing the first cooling air stream to be directed through the plurality of power cubes; and a second opening for directing a flow of heated air from the plurality of power cubes to the heat exchanger.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein System einen oder mehrere Mittelspannungs-Leistungswandler umfasst, von denen jeder einen ersten Schrank umfassen kann, der Folgendes aufweist: eine Leistungswürfelaufnahme zur Aufnahme einer Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln innerhalb eines entsprechenden Gehäuses eingepasst ist und eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst und die Vielzahl von Leistungswürfeln zur Kopplung mit einer Hochgeschwindigkeitsmaschine vorgesehen ist; eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator zur Kopplung zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln. Die Transformatoraufnahme kann eine Vielzahl von Kühlgebläsen zum Kühlen des mindestens einen Transformators beinhalten. Der mindestens eine Transformator kann Folgendes beinhalten: eine Vielzahl von Kernschenkeln, die zwischen einer ersten Säule und einer zweiten Säule passend angeordnet sind, wobei: ein erster Kernschenkel eine erste Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen, um die erste Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordneten, ersten Satz von Primärwicklungen, und einen, um den ersten Satz von Primärwicklungen herum passend angeordneten, ersten Satz von Sekundärwicklungen, aufweist; ein zweiter Kernschenkel eine zweite Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen, um die zweite Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordneten, zweiten Satz von Primärwicklungen, und einen, um den zweiten Satz von Primärwicklungen herum passend angeordneten, zweiten Satz von Sekundärwicklungen, aufweist; ein dritter Kernschenkel eine dritte Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen, um die dritte Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordneten, dritten Satz von Primärwicklungen, und einen, um den dritten Satz von Primärwicklungen herum passend angeordneten, dritten Satz von Sekundärwicklungen, aufweist.Another aspect of the invention includes a system comprising one or more medium-voltage power converters, each of which may include a first cabinet having: a power cube receptacle for receiving a plurality of power cubes, each of the plurality of power cubes being fitted within a respective housing and comprising a low-frequency front-end stage, a DC link, and a high-frequency back-end stage, the plurality of power cubes being adapted for coupling to a high-speed machine; a transformer receptacle having at least one transformer for coupling between a supply terminal and the plurality of power cubes. The transformer receptacle may include a plurality of cooling fans for cooling the at least one transformer. The at least one transformer may include: a plurality of core legs matingly disposed between a first column and a second column, wherein: a first core leg has a first plurality of cooling plates matingly disposed therein, a first set of primary windings matingly disposed around the first plurality of cooling plates, and a first set of secondary windings matingly disposed around the first set of primary windings; a second core leg has a second plurality of cooling plates matingly disposed therein, a second set of primary windings matingly disposed around the second plurality of cooling plates, and a second set of secondary windings matingly disposed around the second set of primary windings; a third core leg has a third plurality of cooling plates, a third set of primary windings arranged around the third plurality of cooling plates, and a third set of secondary windings arranged around the third set of primary windings.

In einer Ausführungsform beinhaltet das System ferner: eine erste Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt der ersten Säule passend angeordnet ist; und eine zweite Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt der zweiten Säule passend angeordnet ist. Der erste Schrank kann in Bezug auf eine äußere Umgebung abgedichtet sein, wobei mindestens eine erste Öffnung zwischen der Transformatoraufnahme und der Leistungswürfelaufnahme vorgesehen ist, um einen ersten Kühlluftstrom von der Transformatoraufnahme zur Leistungswürfelaufnahme zu gewährleisten, und mindestens eine zweite Öffnung zwischen der Transformatoraufnahme und der Leistungswürfelaufnahme vorgesehen ist, um einen Abluftstrom von der Leistungswürfelaufnahme zur Transformatoraufnahme zu gewährleisten.In one embodiment, the system further includes: a first cold plate matingly disposed against at least a portion of the first column; and a second cold plate matingly disposed against at least a portion of the second column. The first cabinet may be sealed with respect to an external environment, with at least a first opening provided between the transformer receptacle and the power cube receptacle to provide a first cooling airflow from the transformer receptacle to the power cube receptacle, and at least a second opening provided between the transformer receptacle and the power cube receptacle to provide an exhaust airflow from the power cube receptacle to the transformer receptacle.

In einem Beispiel umfasst das System ferner eine Vielzahl von ersten Barrieren, die geeignet sind, einen isolierten ersten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln zu leiten. Das System kann ferner ein erstes zweiphasiges Kühlsystem zum Kühlen des mindestens einen Transformators über die erste, zweite und dritte Vielzahl von Kühlplatten und ein zweites zweiphasiges Kühlsystem zum Kühlen von mindestens der Niederfrequenz-Front-Endstufe und der Hochfrequenz-Back-Endstufe der Vielzahl von Leistungswürfeln beinhalten.In one example, the system further comprises a plurality of first barriers configured to direct an isolated first cooling airflow through one of the plurality of power cubes. The system may further include a first two-phase cooling system for cooling the at least one transformer via the first, second, and third plurality of cold plates, and a second two-phase cooling system for cooling at least the low-frequency front-end stage and the high-frequency back-end stage of the plurality of power cubes.

In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet eine Vorrichtung einen Schrank mit einem Mittelspannungs-Leistungswandler. Der Schrank kann Folgendes beinhalten: eine Leistungswürfelaufnahme zur Aufnahme einer Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln in einem entsprechenden Gehäuse eingepasst ist und eine Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Back-Endstufe umfasst; eine Vielzahl von ersten Barrieren, die geeignet sind, um einen isolierten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln zu leiten; und eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator zur Kopplung zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln. Die Transformatoraufnahme kann Folgendes beinhalten: eine Vielzahl von Kühlgebläsen zum Leiten des Kühlluftstroms, wobei der Schrank mindestens eine erste Öffnung zum Leiten des Kühlluftstroms von der Transformatoraufnahme zur Leistungswürfelaufnahme, und mindestens eine zweite Öffnung zum Leiten eines aus der Vielzahl von Leistungswürfeln austretenden Luftstroms von der Leistungswürfelaufnahme zur Transformatoraufnahme umfasst.In another embodiment, an apparatus includes a cabinet with a medium-voltage power converter. The cabinet may include: a power cube receptacle for receiving a plurality of power cubes, each of the plurality of power cubes fitted within a respective enclosure and comprising a front-end power stage, a DC link, and a back-end power stage; a plurality of first barriers adapted to direct an isolated cooling airflow through one of the plurality of power cubes; and a transformer receptacle having at least one transformer for coupling between a supply terminal and the plurality of power cubes. The transformer receptacle may include: a plurality of cooling fans for directing the cooling airflow, the cabinet comprising at least one first opening for directing the cooling airflow from the transformer receptacle to the power cube receptacle, and at least one second opening for directing an airflow exiting the plurality of power cubes from the power cube receptacle to the transformer receptacle.

In einer Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung ferner: eine erste Vielzahl von Kühlplatten, die um einen ersten Kernschenkel des mindestens einen Transformators herum passend angeordnet sind und zwischen dem ersten Kernschenkel und einem ersten, um den ersten Kernschenkel herum passend angeordneten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind; eine zweite Vielzahl von Kühlplatten, die um einen zweiten Kernschenkel des mindestens einen Transformators herum passend angeordnet sind und zwischen dem zweiten Kernschenkel und einem, um den zweiten Kernschenkel herum passend angeordneten, zweiten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind; und eine dritte Vielzahl von Kühlplatten, die um einen dritten Kernschenkel des mindestens einen Transformators herum passend angeordnet sind, und zwischen dem dritten Kernschenkel und einem, um den dritten Kernschenkel herum passend angeordneten, dritten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind.In one embodiment, the apparatus further includes: a first plurality of cooling plates mateably disposed around a first core leg of the at least one transformer and disposed between the first core leg and a first set of primary windings mateably disposed around the first core leg; a second plurality of cooling plates mateably disposed around a second core leg of the at least one transformer and disposed between the second core leg and a second set of primary windings mateably disposed around the second core leg; and a third plurality of cooling plates mateably disposed around a third core leg of the at least one transformer and disposed between the third core leg and a third set of primary windings mateably disposed around the third core leg.

In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung ferner beinhalten: eine erste Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt einer ersten Säule des mindestens einen Transformators passend angeordnet ist; und eine zweite Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt einer zweiten Säule des mindestens einen Transformators passend angeordnet ist. Die Vorrichtung kann ferner ein erstes Zweiphasen-Kühlsystem zum Kühlen des mindestens einen Transformators über die erste, zweite und dritte Vielzahl von Kühlplatten und ein zweites Zweiphasen-Kühlsystem zum Kühlen von mindestens der Vielzahl von Leistungswürfeln umfassen. Der Schrank kann ein abgedichtetes Gehäuse sein. Die Vorrichtung kann ferner eine Vielzahl von Drosselspulen beinhalten, die innerhalb der Transformatoraufnahme eingepasst sind, wobei jede der Vielzahl von Drosselspulen zwischen dem mindestens einen Transformator und einem Entsprechenden aus der Vielzahl von Leistungswürfeln geschaltet ist.In one embodiment, the apparatus may further include: a first cold plate matingly disposed against at least a portion of a first column of the at least one transformer; and a second cold plate matingly disposed against at least a portion of a second column of the at least one transformer. The apparatus may further include a first two-phase cooling system for cooling the at least one transformer via the first, second, and third plurality of cold plates and a second two-phase cooling system for cooling at least the plurality of power cubes. The cabinet may be a sealed enclosure. The apparatus may further include a plurality of reactors matingly disposed within the transformer receptacle, each of the plurality of reactors being connected between the at least one transformer and a corresponding one of the plurality of power cubes.

Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters

  • 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Hochgeschwindigkeits-Leistungswandler-Umgebung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 is a schematic diagram of a high-speed power conversion environment according to an embodiment of the present invention.
  • 2A ist ein schematisches Schaltbild eines repräsentativen SiC-basierten modularen Leistungsbausteins gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2A is a schematic diagram of a representative SiC-based modular power device according to an embodiment of the present invention.
  • 2B ist ein schematisches Schaltbild eines Leistungswürfels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2B is a schematic diagram of a power cube according to an embodiment of the present invention.
  • 2C ist ein schematisches Schaltbild eines Leistungswürfels gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2C is a schematic diagram of a power cube according to another embodiment of the present invention.
  • 3 ist ein schematisches Schaltbild eines modularen Multi-Megawatt-Leistungswandler-Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 is a schematic diagram of a modular multi-megawatt power converter system according to another embodiment of the present invention.
  • 4 ist ein Blockdiagramm einer Schnittstellenschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 is a block diagram of an interface circuit according to an embodiment of the present invention.
  • 5 ist eine Seitenansicht eines Leistungswandler-Schranks gemäß einer Ausführungsform. 5 is a side view of a power converter cabinet according to one embodiment.
  • 6 ist eine Seitenansicht eines Leistungswandler-Schranks gemäß einer weiteren Ausführungsform. 6 is a side view of a power converter cabinet according to another embodiment.
  • 7 ist eine Seitenansicht eines Leistungswandler-Schranks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 is a side view of a power converter cabinet according to another embodiment of the present invention.
  • 8A ist ein Blockdiagramm von Details einer Kühlanordnung für einen Transformator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8A is a block diagram of details of a cooling arrangement for a transformer according to an embodiment of the present invention.
  • 8B ist eine Rückansicht eines Transformators, die eine Kühlanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weiter veranschaulicht. 8B is a rear view of a transformer further illustrating a cooling arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • 8C ist eine Querschnittsansicht einer Transformatorensäule, die eine Kühlanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weiter veranschaulicht. 8C is a cross-sectional view of a transformer column further illustrating a cooling arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • 8D ist eine Darstellung eines Transformators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8D is an illustration of a transformer according to an embodiment of the present invention.
  • 8E ist ein schematisches Schaubild der Transformatoranschlüsse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8E is a schematic diagram of the transformer connections according to an embodiment of the present invention.
  • 9 ist eine grafische Darstellung des Diagramms einer Wirkungsgradkurve eines Scheibentransformators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 9 is a graphical representation of the diagram of an efficiency curve of a disc transformer according to an embodiment of the present invention.
  • 10 ist eine grafische Darstellung einer Scheibenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10 is a graphical representation of a disk assembly according to another embodiment of the present invention.
  • 11 ist eine grafische Darstellung eines ganzen SiC-basierten Leistungswürfels gemäß einer Ausführungsform. 11 is a graphical representation of an entire SiC-based power die according to one embodiment.
  • 12 ist eine grafische Darstellung einer Gleichstrom-Bus-Anordnung gemäß einer Ausführungsform. 12 is a graphical representation of a DC bus arrangement according to one embodiment.
  • 13 ist eine Anordnung mit entkoppelten Wechselstrom- und Gleichstrom-Bussen gemäß einer Ausführungsform. 13 is an arrangement with decoupled AC and DC buses according to one embodiment.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

In verschiedenen Ausführungsformen kann ein modularer Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Mittelspannungs-Systemumrichter mittels eines Breitbandspalt-(WBG)-basierten Mittelspannungs (MV)-Leistungswandlers realisiert werden. Ein solcher Leistungswandler ermöglicht Hochgeschwindigkeitsmaschinen-Systemumrichter. In einigen Systemen können ein WBG-basierter MV-Leistungswandler und eine Hochgeschwindigkeits-Induktionsmaschine miteinander gekoppelt werden, um eine bidirektionale Leistungsübertragung zu ermöglichen. Die Leistungsübertragung erfolgt zwischen einem Versorgungsnetz und einer mechanischen Last. In weiteren Ausführungsformen kann das Leistungswandlersystem an eine elektrische oder andere Hochgeschwindigkeitslast, die als Quelle dienen kann, angeschlossen werden, so dass das System die gesammelte Energie mit geeigneter Spannung und geeignetem Strom an ein Versorgungsnetz übertragen kann.In various embodiments, a modular high-speed and high-frequency medium-voltage system converter can be realized using a wide-band gap (WBG)-based medium-voltage (MV) power converter. Such a power converter enables high-speed machine system converters. In some systems, a WBG-based MV power converter and a high-speed induction machine can be coupled to enable bidirectional power transfer. The power transfer occurs between a utility grid and a mechanical load. In further embodiments, the power conversion system can be connected to an electrical or other high-speed load that can serve as a source, allowing the system to transfer the collected energy to a utility grid at the appropriate voltage and current.

Der Systemaufbau kann für hocheffiziente Systeme auf vollständigen WBG-Vorrichtungen wie Siliziumkarbid (SiC)-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder für kostengünstige Anwendungen auf aktiven (IGBT-) Front-Endstufen mit Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (engl.: insulated gate bipolar transistor, IGBT), bei denen ein System-Derating zulässig ist und eine minimale Systemleistungsdichte und - stellfläche nicht einschränkend sind, basieren. In einer weiteren Ausführungsform kann eine hybride Leistungstopologie (z.B. IGBT- und SiC-Leistungs-MOSFET-Kombinationen) verwendet werden- für erleichterte Anforderungen an das elektrische Schalten oder aus Überlegungen zur Kostensenkung bei gleichbleibender akzeptablen Gesamtsystemleistung.The system design can be based on complete WBG devices such as silicon carbide (SiC) metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) for high-efficiency systems, or on active insulated-gate bipolar transistor (IGBT) front-end devices for low-cost applications, where system derating is permitted and minimum system power density and footprint are not constraining. In another embodiment, a hybrid power topology (e.g., IGBT and SiC power MOSFET combinations) can be used to facilitate electrical switching requirements or for cost reduction considerations while maintaining acceptable overall system performance.

In 1 ist nun ein schematisches Schaltbild einer Leistungswandlerumgebung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Genauer gesagt wird, wie in 1 dargestellt, die Leistungsumwandler-Umgebung 100 mit einem modularen Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Mittelspannungs-Systemumrichter mit einer hybriden Wandleranordnung auf zuvor beschriebene Art und Weise umgesetzt. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist ein System-Umrichter 115 über einen Punkt gemeinsamer Kopplung (engl.: point of common coupling, PCC) mit einem Versorgungsnetz (das je nach Land mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hz betrieben werden kann) durch ein Trennschaltersystem 105 verbunden. Zum Beispiel koppelt der System-Umrichter 115 wiederum an eine Hochgeschwindigkeitsmaschine 140, die wiederum an eine mechanische Hochgeschwindigkeitslast gekoppelt werden kann.In 1 Now, a schematic diagram of a power converter environment according to an embodiment of the present invention is shown. More specifically, as shown in 1 shown, the power converter environment 100 is implemented with a modular high-speed and high-frequency medium-voltage system converter with a hybrid converter arrangement in the manner described above. 1 In the illustrated embodiment, a system converter 115 is connected via a point of common coupling (PCC) to a utility grid (which may operate at a frequency of 50 or 60 Hz depending on the country) through a circuit breaker system 105. For example, the system converter 115 in turn couples to a high-speed machine 140, which in turn can be coupled to a high-speed mechanical load.

Der System-Umrichter 115 kann in einem oder mehreren Schränken implementiert werden. In einer Ausführungsform kann der System-Umrichter 115 als 1,8 - 2,3 MVA Hochfrequenz-Umrichter mit einer Nennspannung von 4160 Volt (V) und betreibbar zwischen 500-1000 Hertz (Hz) implementiert werden. Wie dargestellt, kann der System-Umrichter 115 eine Mehrscheibenanordnung mit einzelner Netzsteuerung, wo eine Wandlersystemsteuerung angeordnet ist, und 3 Scheiben, die als Subsystem 120 ausgeführt sind, beinhalten. In der Übersichts-Ansicht in 1 ist zu beachten, dass das Subsystem 120 aus Scheiben mit Hybridtechnologie besteht, nämlich aus Front-Ends, die aus IGBTs und Back-Ends, die aus SiCs bestehen - was eine Hybrid-Topologie ergibt. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Scheibe“ (engl.: „slice“) auf einen Teil eines Leistungswandlersystems, das mindestens einen Transformator und mehrere sogenannte Leistungswürfel, die Halbleiterschaltvorrichtungen umfassen, beinhaltet. Ein Slice-basiertes System koppelt also zwischen einem Netzanschluss, der bei einer ersten, niedrigen Frequenz arbeiten kann, und einem Lastanschluss, der bei einer zweiten, hohen Frequenz arbeiten kann. Und wie hier beschrieben, kann die Richtung des Leistungsflusses durch eine Scheibe je nach gegebener Systemimplementierung und Steuerungskonfiguration bidirektional sein. Zu beachten ist, dass der Begriff „niedrige Frequenz“ so wie hier verwendet sich auf eine Frequenz eines Versorgers bezieht - im Allgemeinen weniger als 100 Hz und insbesondere 50 oder 60 Hz. Und der Begriff „hohe Frequenz“ soll sich so wie hier verwendet auf den Betrieb mit einer Frequenz beziehen, die wesentlich größer ist als die Versorgungsfrequenz. Repräsentative Anwendungsfälle eines Leistungswandlers können beispielsweise an Hochfrequenz-Lasten zwischen ca. 500 Hz - 1000 Hz gekoppelt werden.The system converter 115 can be implemented in one or more cabinets. In one embodiment, the system converter 115 can be implemented as a 1.8-2.3 MVA high-frequency converter with a nominal voltage of 4160 volts (V) and operable between 500-1000 hertz (Hz). As shown, the system converter 115 can include a multi-slice arrangement with a single line controller where a converter system controller is located, and three slices implemented as subsystem 120. In the overview view in 1 It should be noted that subsystem 120 consists of slices with hybrid technology, namely front ends consisting of IGBTs and back ends consisting of SiCs, resulting in a hybrid topology. As used herein, the term "slice" refers to a portion of a power conversion system that includes at least one transformer and several so-called power cubes comprising semiconductor switching devices. A slice-based system thus couples between a line terminal capable of operating at a first, low frequency and a load terminal capable of operating at a second, high frequency. And, as described herein, the direction of power flow through a slice can be bidirectional, depending on the given system implementation and control configuration. It should be noted that the term "low frequency" as used herein refers to a utility frequency—generally less than 100 Hz, and more specifically, 50 or 60 Hz. And the term "high frequency," as used herein, refers to operation at a frequency significantly higher than the utility frequency. Representative applications of a power converter, for example, can be coupled to high-frequency loads between approximately 500 Hz and 1000 Hz.

Obwohl in 1 als Hybrid-Topologie dargestellt, ist es so zu verstehen, dass in anderen Implementierungen eine vollständige WBG-basierte Topologie vorhanden sein kann. Mit zugehöriger Elektronik wird diese Anordnung des System-Umrichters 115 hier auch als modularer Leistungsbaustein (engl.: modular power building block, MPBB) bezeichnet. Details eines bestimmten MPBBs und einer Scheibe werden im Weiteren näher beschrieben. Wie dargestellt, koppelt das Subsystem 120 zwischen einem Eingang aus dem Versorgungsnetz über ein Vakuumschütz VC1 und einem Schutz mittels transienter Spannungsunterdrückung (TVS) D1. Im Gegenzug koppelt ein Ausgang des Subsystems 120 über ein 3-phasiges, einfach abgeschirmtes Stromkabel 129 an ein weiteres Gehäuse 140, in dem sich eine elektrische Maschine 145 befindet.Although in 1 While illustrated as a hybrid topology, it should be understood that in other implementations, a full WBG-based topology may exist. With associated electronics, this arrangement of the system inverter 115 is also referred to herein as a modular power building block (MPBB). Details of a specific MPBB and slice are described in more detail below. As illustrated, the subsystem 120 couples between an input from the utility grid via a vacuum contactor VC1 and a transient voltage suppression (TVS) protector D1. In turn, an output of the subsystem 120 couples via a 3-phase, single-shielded power cable 129 to another enclosure 140 containing an electric machine 145.

Mit Bezug auf die weiteren Details, die in der Abbildung in 1 dargestellt sind, beinhaltet der System-Umrichter 115 weiterhin eine externe Kühleinheit 123, die über eine Glasfaserverbindung mit dem Subsystem 120 verbunden ist. Darüber hinaus ist eine Hochspannungs-Feedback-Platine (engl.: high voltage feedback board, HVF) 122 zwischen dem Eingang des Subsystems 120 und seinem Ausgang geschaltet. HVF 122 koppelt weiter an eine Hauptsystemsteuerplatine (engl.: main system control board, MSCB) 124, die wiederum an eine speicherprogrammierbare Systemsteuerung (engl.: programmable logic controller, PLC) des Systems 126 gekoppelt ist. Wie dargestellt, koppelt die System-PLC 126 weiter an einen Glasfaser-zu-RS232-Konverter 128, um eine Glasfaser-Schnittstelle bereitzustellen. Darüber hinaus koppelt HVF 122 an einen Empfänger 125. Die Kommunikationsblöcke 128 und 125 bieten eine Umsetzung mittels Glasfaser zur Minimierung von Latenz- und Rauscheinflüssen auf lokale Befehlskommunikationssignale zwischen dem Geschwindigkeits-Systemumrichter 115 mit variabler Frequenz und der Hochgeschwindigkeitsmaschine 140. Die Systemsteuerung MSCB 124 verarbeitet das Steuersignal von HVF 122, System-PLC 126 und Empfänger 125. Die Systemsteuerung MSCB 124 überträgt die erzeugten Aktionen (engl.: actions) über die System-PLC 126 an den Rest des Systems und Spannungsbefehlsreferenzen (engl.: voltage command references) an das Subsystem 120 für die Raumvektor-Pulsweitenmodulation (engl.: space vector pulse width modulation, SVPWM) und die Implementierungen der Spreizträger-PWM-Schaltermodulation (engl.: spread carrier PWM switch modulation).With reference to the further details shown in the figure in 1 As shown, the system inverter 115 further includes an external cooling unit 123 connected to the subsystem 120 via a fiber optic connection. In addition, a high voltage feedback board (HVF) 122 is connected between the input of the subsystem 120 and its output. The HVF 122 further couples to a main system control board (MSCB) 124, which in turn is coupled to a system programmable logic controller (PLC) 126. As shown, the system PLC 126 further couples to a fiber optic to RS232 converter 128 to provide a fiber optic interface. In addition, HVF 122 couples to a receiver 125. Communication blocks 128 and 125 provide fiber optic implementation to minimize latency and noise effects on local command communication signals between the variable frequency speed system converter 115 and the high-speed machine 140. The system controller MSCB 124 processes the control signal from HVF 122, system PLC 126, and receiver 125. The system controller MSCB 124 transmits the generated actions via the system PLC 126 to the rest of the system and voltage command references to the space vector pulse width modulation (SVPWM) subsystem 120 and the spread carrier PWM switch modulation implementations.

Weiterhin mit Bezug auf 1 sind auch Details der Hochgeschwindigkeitsmaschine 140 dargestellt. Wie veranschaulicht, kann die Hochgeschwindigkeitsmaschine 140 in einer Ausführungsform für eine Nennleistung von 4160 V und 15.000 U/min oder für andere Nennleistungen höherer Spannung und Geschwindigkeit ausgelegt sein. Die Hochgeschwindigkeitsmaschine 140 beinhaltet eine elektrische Maschine 145, die über ein abgeschirmtes Netzkabel 129 3-phasig Strom erhält. Messungen in Bezug auf die Parameter der elektrischen Maschine 145 können von verschiedenen Komponenten durchgeführt werden, einschließlich der RTDs 143, deren Ausgänge über eine Glasfaserverbindung über einen RTD-Faser-Konverter 142, Beschleunigungssensoren 152, Näherungsschalter 154 und einen Phasenlagenaufnehmers (engl.: key-phasor) 156 gesendet werden können. Wie dargestellt, können diese Komponenten mit einer Steuerung, nämlich einer Netzschnittstellensteuerung 160, in Verbindung stehen, die über Glasfaserschnittstellen weiter mit der System-PLC 126 des Systemumrichters 115 gekoppelt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Netzschnittstellensteuerung 160 innerhalb der MPBB 115 und bietet erweiterte Unterstützungsfunktionen für die Hochgeschwindigkeitsmaschine 140, ein Regler für mechanische Hochgeschwindigkeitslasten 165 (engl.: high speed mechanical load controller) und einen Netzsystemmanager 170. Darüber hinaus bietet die Netzschnittstellensteuerung 160 lokale smart-Fähigkeit (engl.: smart capability), indem sie Verbindungsinformationen speichert und verarbeitet, z.B. erweiterte Unterstützungsfunktionsalgorithmen.Furthermore, with reference to 1 Details of the high-speed machine 140 are also shown. As illustrated, in one embodiment, the high-speed machine 140 may be rated at 4160 V and 15,000 rpm, or other higher voltage and speed ratings. The high-speed machine 140 includes an electric machine 145 that receives three-phase power via a shielded power cable 129. Measurements related to the parameters of the electric machine 145 may be performed by various components, including RTDs 143, the outputs of which may be sent over a fiber optic connection via an RTD-to-fiber converter 142, accelerometers 152, proximity switches 154, and a key-phasor 156. As shown, these components may be connected to a controller, namely a network interface controller 160, which may be connected over fiber optic interfaces is further coupled to the system PLC 126 of the system inverter 115. In a preferred embodiment, the grid interface controller 160 is located within the MPBB 115 and provides advanced support functions for the high-speed machine 140, a high-speed mechanical load controller 165, and a grid system manager 170. In addition, the grid interface controller 160 provides local smart capability by storing and processing connection information, e.g., advanced support function algorithms.

Wie weiter zu sehen ist, beinhaltet die Hochgeschwindigkeitsmaschine 140 auch eine Stromversorgung 141, die als 120 VAC/24 VDC-Stromversorgung konfiguriert werden kann, die wiederum einen Sender 144 (engl.: transmitter) und einen Geber 146 (engl.: encoder) versorgt, die an eine mechanische Last gekoppelt werden können. In 1 ist die Ausführungsform in Übersichts-Ansicht dargestellt und dabei sollte verstanden werden, dass viele Varianten und Alternativen dazu möglich sind.As can be seen further, the high-speed machine 140 also includes a power supply 141 that can be configured as a 120 VAC/24 VDC power supply, which in turn powers a transmitter 144 and an encoder 146 that can be coupled to a mechanical load. 1 The embodiment is shown in an overview view and it should be understood that many variants and alternatives are possible.

In 2A ist ein schematisches Schaltbild eines repräsentativen SiC-basierten modularen Leistungsbausteins (MPBB) 200 dargestellt. In typischen Ausführungen kann die Modularität durch einen System-Umrichter mit mehreren MPBBs gewährleistet werden. Zur besseren Veranschaulichung ist jedoch in 2A nur ein einziges MPBB dargestellt. In den Ausführungsformen kann die MPBB 200 in einem oder mehreren modularen Gehäusen ausgeführt werden, z.B. in einer Reihe von Schrankgehäusen. In Bezug auf MPBB 200 sind eine Vielzahl von Scheiben 2251-2253 vorhanden. In einem Beispiel einer modularen Implementierung kann jede Scheibe 225 in einem eigenen Scheiben-Schrank umgesetzt werden. Obwohl es zur Vereinfachung der Darstellung in 2 nicht so gezeigt ist, ist es so zu verstehen, dass eine MPBB zudem einen weiteren Schrank zur Aufnahme einer Netzsteuerung und der zugehörigen Elektronikschaltungen beinhalten kann, so wie in der Übersichts-Ansicht der 1 dargestellt.In 2A A schematic diagram of a representative SiC-based modular power building block (MPBB) 200 is shown. In typical implementations, modularity can be achieved by a system converter with multiple MPBBs. However, for better illustration, 2A only a single MPBB is shown. In the embodiments, the MPBB 200 can be implemented in one or more modular housings, e.g., in a series of cabinet housings. With respect to MPBB 200, a plurality of disks 225 1 -225 3 are present. In an example of a modular implementation, each disk 225 can be implemented in its own disk cabinet. Although for simplicity of illustration in 2 If not shown, it is to be understood that an MPBB may also include a further cabinet to accommodate a network control and the associated electronic circuits, as shown in the overview view of the 1 shown.

Wie man sieht, beinhaltet jede Scheibe 225 einen Transformator 2301-2303. Jeder Transformator ist ein 3-phasiger Transformator, der eine Primärseite in einer WYE-Konfiguration und eine Sekundärseite in einer DELTA-Konfiguration konfiguriert haben kann. Genauer gesagt, beinhaltet jeder Transformator 230 eine Vielzahl von Transformatorschenkeln (drei Schenkel pro Transformator), die zwischen einem Säulenpaar des Transformators eingepasst werden können. Jeder Transformatorschenkel weist eine 3 WYE Eingangswicklungskonfiguration auf, die am Eingang parallelgeschaltet ist (WYE-Äquivalent) und eine 3 isolierte DELTA-Wicklungskonfiguration am Ausgang. Für die drei Transformatoren 2301-2303 sind alle 9 WYE-Primärkonfigurationen am Eingang (GRID) parallelgeschaltet. Wie dargestellt, koppeln die Sekundärwicklungen der Transformatoren 230 wiederum an entsprechende Leistungswürfel 240A1-240C3. So wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Leistungswürfel“ auf ein Elektronikmodul, das Halbleitervorrichtungen beinhaltet, die Schaltsignale empfangen, um Gleichrichtungs- und Wechselrichtungsoperationen zur Aufbereitung eines Stromflusses durchzuführen, einschließlich der Umwandlung einer eingehender Leistung mit einer ersten Frequenz in eine ausgehende, aufbereitete Leistung mit einer zweiten Frequenz. Je nach Richtung des Leistungsflusses kann die erste Frequenz höher sein als die zweite Frequenz oder umgekehrt.As can be seen, each slice 225 includes a transformer 230 1 -230 3 . Each transformer is a 3-phase transformer that can have a primary side configured in a WYE configuration and a secondary side in a DELTA configuration. More specifically, each transformer 230 includes a plurality of transformer legs (three legs per transformer) that can be fitted between a pair of columns of the transformer. Each transformer leg has a 3 WYE input winding configuration connected in parallel at the input (WYE equivalent) and a 3 isolated DELTA winding configuration at the output. For the three transformers 230 1 -230 3 , all 9 WYE primary configurations are connected in parallel at the input (GRID). As shown, the secondary windings of the transformers 230 in turn couple to corresponding power cubes 240 A1 -240 C3 . As used herein, the term "power cube" refers to an electronic module that includes semiconductor devices that receive switching signals to perform rectification and inversion operations to condition a power flow, including converting incoming power at a first frequency into outgoing, conditioned power at a second frequency. Depending on the direction of power flow, the first frequency may be higher than the second frequency, or vice versa.

In der Übersichts-Ansicht in 2A und wie insbesondere im Schaltplan in 2B dargestellt, ist bei einer Implementierung jeder aus einer Vielzahl von Leistungswürfeln 2401,a-c - 2403,a-c umgesetzt als voller SiC-Leistungswürfel mit einem aktiven Front-End (AFE)-Wandler 242, der gebildet ist aus einer Vielzahl von SiC-Schaltgeräten, einem Gleichstrom-Bus, der mit einer Kapazität C1 implementiert ist, und einer H-Brücken-Wandlerstufe 244, die mit einer weiteren Vielzahl von SiC-Schaltgeräten umgesetzt ist. Dabei sollte beachtet werden, dass die Komponente 242 ein Gleichrichter und die Komponente 244 ein Inverter ist, wenn die Leistung im Blockschaltbild in 2B von links nach rechts fließt. Wenn die Leistung von rechts nach links fließt, arbeitet die Komponente 242 als Inverter und die Komponente 244 als Gleichrichter. AFE bedeutet, dass die Stufe aktiv gesteuert wird. In dieser Ausführungsform ist die Schaltfrequenz der SiC-Geräte zwischen 4 und 12 kHz eingestellt, jedoch können je nach den verschiedenen Betriebsanforderungen (z.B. 2-Phasen-Kühlplatten-Temperaturbeständigkeitsgrenze) und den gewünschten Leistungszielen (z.B. Steuerstabilität der DC-Bus-Regelung) andere Schaltfrequenzen verwendet werden. So wird beispielsweise im Erzeugungsbetrieb (von rechts nach links auf dem Leistungswürfel 240) die vorgegebene Wirkleistung auf der einphasigen Wechselstrom-Seite bei 740VAC aufgenommen und von der Leistungswandlerstufe 244 nach einem PWM-Regelschema verarbeitet. Diese Leistung wird über die Kondensatorbank C1 der Gleichstrom-Zwischenschaltung, die von der Leistungsstufe 242 unter Verwendung eines SVPWM-Steuerungsschemas auf 1000VDC geregelt wird, übertragen und auf der 3-phasigen Wechselstrom-Seite bei 600V abgegeben. Die gesammelte Systemleistungsenergie wird über das Trennschaltersystem 105 in das Stromnetz übertragen, das durch auf der Netzschnittstellensteuerung 160 implementierte Steueraktionen gesteuert wird. Während des Motorbetriebs fließt die Wirkleistung nach dem oben beschriebenen entgegengesetzten Steuerungsprozess von links nach rechts. Während dieser Betriebsart kann das Hochgeschwindigkeitsmaschinensystem 140 unter Verwendung eines auf dem MSCB 124 implementierten Drehzahlregelalgorithmus gesteuert werden.In the overview view in 2A and as shown in particular in the circuit diagram in 2B As shown, in one implementation, each of a plurality of power cubes 240 1,ac - 240 3,ac is implemented as a full SiC power cube with an active front-end (AFE) converter 242 formed from a plurality of SiC switching devices, a DC bus implemented with a capacitor C1, and an H-bridge converter stage 244 implemented with another plurality of SiC switching devices. It should be noted that component 242 is a rectifier and component 244 is an inverter when the power in the block diagram is 2B flows from left to right. When power flows from right to left, component 242 operates as an inverter and component 244 as a rectifier. AFE means that the stage is actively controlled. In this embodiment, the switching frequency of the SiC devices is set between 4 and 12 kHz, but other switching frequencies can be used depending on the various operating requirements (e.g., 2-phase cold plate temperature withstand limit) and the desired performance goals (e.g., control stability of the DC bus regulation). For example, in generation mode (from right to left on power cube 240), the specified active power is drawn on the single-phase AC side at 740 VAC and processed by power converter stage 244 according to a PWM control scheme. This power is transferred via the capacitor bank C1 of the DC link, which is regulated to 1000VDC by the power stage 242 using an SVPWM control scheme, and delivered on the 3-phase AC side at 600V. The collected system power energy is transferred to the power grid via the circuit breaker system 105, which is controlled by control actions implemented on the grid interface controller 160. During motor operation, the active power flows according to the opposite Control process from left to right. During this mode of operation, the high-speed machine system 140 can be controlled using a speed control algorithm implemented on the MSCB 124.

In der Ausführung in 2C ist eine alternative Ausführungsform eines Leistungswürfels schematisch dargestellt. Hier wird der Leistungswürfel 240' mit einer Hybrid-Topologie implementiert, die ein Front-End 246 aus IGBTs, einen durch eine Kapazität C1 repräsentierten Gleichstrom-Bus und eine Back-End-Stufe 248 mit SiCs aufweist. Wie bei der obigen Diskussion kann je nach Richtung des Leistungsflusses entweder die Front-Endstufe 246 oder die Back-Endstufe 248 als Inverter oder Gleichrichter wirken. In dieser Ausführungsform wird die Front-End-Schaltfrequenz zwischen 2 kHz und 6 kHz und die Back-End-Schaltfrequenz zwischen 6 kHz und 12 kHz eingestellt, wobei jedoch je nach Betriebsanforderungen und gewünschten Leistungszielen andere Schaltfrequenzen verwendet werden können. Der Hauptvorteil der Leistungstopologie des Leistungswürfels 240' kann eine kostengünstige Systemimplementierung sein. Die Back-Endstufe 248 kann SiC-basierte Vorrichtungen (z.B. 1700V SiC-Leistungs-MOSFETS) und die Front-Endstufe 246 kann mit kostengünstigen Si-basierten Vorrichtungen (z.B. 1700V IGBTs) implementiert werden.In the execution in 2C An alternative embodiment of a power cube is schematically illustrated. Here, the power cube 240' is implemented with a hybrid topology comprising a front end 246 of IGBTs, a DC bus represented by a capacitor C1, and a back end stage 248 comprising SiCs. As with the discussion above, depending on the direction of power flow, either the front end stage 246 or the back end stage 248 can act as an inverter or rectifier. In this embodiment, the front end switching frequency is set between 2 kHz and 6 kHz, and the back end switching frequency is set between 6 kHz and 12 kHz, although other switching frequencies may be used depending on operating requirements and desired power goals. The primary advantage of the power topology of the power cube 240' can be a low-cost system implementation. The back-end stage 248 can be implemented with SiC-based devices (e.g., 1700V SiC power MOSFETs) and the front-end stage 246 can be implemented with low-cost Si-based devices (e.g., 1700V IGBTs).

In 3 ist nun eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in 3 dargestellt, ist das System 300 als Multi-Megawatt-Skalen-Leistungswandler-System 310 ausgeführt. Genauer gesagt, ist der repräsentative Leistungswandler 310 als skalierbarer, vollständig SiC-basierter Multi-Megawatt-Leistungswandler mit einer Vielzahl von modularen Antriebsgehäusen 3151-315n oder SiC-MPBBs umgesetzt, die jeweils einen Mehrscheiben-Systemumrichter 3201-320n beinhalten. Jedes MPBB 315 beinhaltet einen Mehrscheiben-Systemumrichter 320 und einen Netzschrank (Systemsteuerung, Ausgangs-/Eingangssensoren, Eingangs-/Ausgangs-Wechselstromanschlüsse). Die Anzahl der MPBBs, die einen bestimmten Leistungswandler bilden, ist designabhängig und richtet sich nach dem Leistungsbedarf.In 3 A schematic representation of a system according to another embodiment of the present invention is now shown. As in 3 As shown, the system 300 is implemented as a multi-megawatt scale power converter system 310. More specifically, the representative power converter 310 is implemented as a scalable, all-SiC-based multi-megawatt power converter with a plurality of modular drive enclosures 3151-315n or SiC MPBBs, each containing a multi-slice system converter 3201-320n . Each MPBB 315 contains a multi-slice system converter 320 and a power cabinet (system controller, output/input sensors, input/output AC connections). The number of MPBBs comprising a particular power converter is design-dependent and depends on the power requirements.

Wie dargestellt, ist der Leistungswandler 310 mit einem Netz 302 verbunden, das 3-phasig Strom mit 13,8 Kilovolt (kV) liefern kann. Wie gesehen, koppelt der Leistungswandler 310 über einen PCC an das Netz 302. Der Leistungswandler 310 wiederum kann an verschiedene Lasten koppeln, einschließlich einer elektrischen Hochgeschwindigkeitsmaschine 340, die an eine mechanische Hochgeschwindigkeitslast oder ein anderes elektrisches Maschinensystem gekoppelt werden kann (nicht dargestellt). Wie in der dargestellten Ausführungsform veranschaulicht, kann jeder Leistungswandler 310 3-phasigen Strom mit 4,16 kV bei einer bestimmten Frequenz (z.B. zwischen 500-1000 Hz) oder einer höheren Nennspannung für andere Hochgeschwindigkeitsmaschinensysteme ausgeben.As shown, the power converter 310 is connected to a grid 302 capable of supplying three-phase power at 13.8 kilovolts (kV). As seen, the power converter 310 couples to the grid 302 via a PCC. The power converter 310, in turn, can couple to various loads, including a high-speed electrical machine 340, which can be coupled to a high-speed mechanical load or other electrical machine system (not shown). As illustrated in the illustrated embodiment, each power converter 310 can output three-phase power at 4.16 kV at a specific frequency (e.g., between 500-1000 Hz) or a higher voltage rating for other high-speed machine systems.

In Bezug auf das repräsentative Leistungsumwandlungssystem 310 wird die eingehende Leistung über ein Trennschaltersystem 305 an einen Eingang eines bestimmten Antriebsgehäuses 315 bereitgestellt. In einer exemplarischen Ausführungsform kann diese Eingangsleistung bei 74 Ampere (A) bereitgestellt werden. Und in einer Ausführungsform kann jede MPBB 315, die einen Satz von Scheiben beinhaltet, eine Ausgangsleistung bei 350A liefern. In der in 3 dargestellten Übersichts-Ansicht kann jede MPBB 315, an einem Eingang der Scheiben wie vorstehend in 1 beschriebene Komponenten, einschließlich Vakuumschütz, TSV-Diode, umfassen.With respect to the representative power conversion system 310, the incoming power is provided via a circuit breaker system 305 to an input of a particular drive enclosure 315. In an exemplary embodiment, this input power may be provided at 74 amperes (A). And in one embodiment, each MPBB 315 including a set of disks may provide an output power at 350 A. In the 3 In the overview view shown, each MPBB 315 can be connected to an input of the discs as described above in 1 described components, including vacuum contactor, TSV diode.

Wie weiter veranschaulicht, können die Sensoren 3121A und 3121B jeweils am Eingang und Ausgang der Scheiben vorgesehen werden. In einer Ausführungsform können solche Sensoren 100A- und 500 LEM-Sensoren für 13,8kV/4,16 kV MPBB-Systeme umfassen, um Informationen über den Betrieb der Scheiben bereitzustellen und den Systemschutz und die Netzverbindung umzusetzen. Insbesondere kann das netzseitig gekoppelte Trennschaltersystem 305, basierend auf Sensordaten, systemgesteuert auf Wandlerbefehle reagieren, um den Leistungswandler 310 während des normalen Systembetriebs oder bei Systemfehlerereignissen mit dem Netz 302 verbunden oder nicht verbunden sein zu lassen. Zu beachten ist, dass in Ausführungsformen Sensoren wie die Sensoren 312 wie abgebildet lokal oder entfernt angeordnet sein können, um Informationen wie Spannung, Strom und Frequenz seitens des Stromnetzes zu liefern.As further illustrated, sensors 312 1A and 312 1B may be provided at the input and output of the disks, respectively. In one embodiment, such sensors may include 100A and 500A LEM sensors for 13.8kV/4.16kV MPBB systems to provide information about disk operation and implement system protection and grid connection. In particular, grid-side coupled circuit breaker system 305 may, based on sensor data, respond to converter commands in a system-controlled manner to connect or disconnect power converter 310 to grid 302 during normal system operation or during system fault events. Note that in embodiments, sensors such as sensors 312 as depicted may be located locally or remotely to provide information such as voltage, current, and frequency from the power grid.

Auf diese Weise kann ein aus einem oder mehreren MPBBs bestehender System-Umrichter zwischen einem Netzanschluss und einer hochfrequenten Last koppeln. So kann beispielsweise der Eingang der MPBBs mit einem Netzanschluss verbunden werden, der mit 3-phasig bei 60 Hz, 13,8 kV arbeitet, und der Ausgang der MPBBs liefert (liefern) Ausgangsleistung für eine hochfrequente Last, die z.B. bei 500 Hz, 4,16 kV und 3-phasig betrieben werden kann. Umgekehrt kann das MPBB einen Hochfrequenz-Generator, der z.B. bei 500 Hz, 4,16 kV 3-phasig arbeitet, mit einem 3-phasigen Netzanschluss bei 60 Hz, 13,8 kV verbinden.In this way, a system converter consisting of one or more MPBBs can couple between a grid connection and a high-frequency load. For example, the MPBB's input can be connected to a grid connection operating at 3-phase 60 Hz, 13.8 kV, and the MPBB's output can provide output power for a high-frequency load operating at 500 Hz, 4.16 kV, 3-phase, for example. Conversely, the MPBB can connect a high-frequency generator operating at 500 Hz, 4.16 kV, 3-phase, for example, to a 3-phase grid connection operating at 60 Hz, 13.8 kV.

In einer Ausführungsform kann eine Glasfaser-basierte SiC-Gate-Treiber-Schnittstelle implementiert werden, um die Immunität gegen Systemrauschen zu verbessern und eine lokale Steuersignalverwaltung zu ermöglichen. Sie kann an jede handelsübliche oder maßgeschneiderte duale SiC-basierte Gerätelösung angepasst werden. In einer Ausführungsform kann die Schnittstelle passend auf einer Schaltkreisplatine angeordnet werden, die direkt über einem Gate-Treiber der Vorrichtung angeordnet werden kann, um die induktive Kopplung während der Signalanbindung zu minimieren. Ein FPGA-Chip kann onboard verwendet werden, um lokal smart-Funktionen (engl.: smart features) zur Verbesserung der Leistung von SiC-Bauelementen zu implementieren und die Unterbringung innerhalb dieser Einheit zu vereinfachen. Die Störung von Steuerungs- und Statussignalen kann zwischen Steuerung und Halbbrücken-Gate-Treibern aufgrund von Umgebungen hohen elektrischen Rauschens in SiC-Systemen verringert werden. Eine Simplex-Glasfaserleitung kann verwendet werden, um die Schaltzustände der Halbbrücke und die Steuerung der Gate-Treiberplatine von der Steuerung zum Gate-Treiber zu übertragen. Eine Simplex-Glasfaserleitung kann verwendet werden, um Fehlerzustände und SiC-MOSFET-Temperatur vom Halbbrücken-Gate-Treiber an die Steuerung zu übertragen. Für jeden Halbbrücken-Treiber kann eine isolierte Stromversorgung verwendet werden, um Erdschleifen zwischen den einzelnen Halbbrücken-Steuerungen zu minimieren.In one embodiment, a fiber-based SiC gate driver interface may be implemented to improve system noise immunity and provide local To enable control signal management. It can be adapted to any off-the-shelf or custom-built dual SiC-based device solution. In one embodiment, the interface can be conveniently located on a circuit board, which can be placed directly above a device gate driver to minimize inductive coupling during signal interfacing. An FPGA chip can be used onboard to locally implement smart features to improve the performance of SiC devices and simplify packaging within that package. Interference of control and status signals can be reduced between the controller and half-bridge gate drivers due to high electrical noise environments in SiC systems. A simplex fiber optic cable can be used to transmit the half-bridge switching states and gate driver control from the controller to the gate driver. A simplex fiber optic cable can be used to transmit fault conditions and SiC MOSFET temperature from the half-bridge gate driver to the controller. An isolated power supply can be used for each half-bridge driver to minimize ground loops between the individual half-bridge controllers.

In 4 ist nun ein Blockdiagramm einer Schnittstellenschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Genauer gesagt, wie in 4 dargestellt, kann die Schnittstellenschaltung 400 mit einer Glasfaser-basierten SiC-Gate-Treiber-Schnittstelle implementiert werden, um die verschiedenen Schaltkomponenten einer Scheibe wie hier beschrieben zu steuern.In 4 Now, a block diagram of an interface circuit according to an embodiment of the present invention is shown. More specifically, as shown in 4 As shown, the interface circuit 400 may be implemented with a fiber optic-based SiC gate driver interface to control the various switching components of a wafer as described herein.

Wie dargestellt, beinhaltet die Schnittstellenschaltung 400 eine Würfelsteuerung 410, die verschiedene Steuer- und Schaltsignale erzeugen kann, z.B. basierend auf Rückmeldestatusinformationen sowie Steuerinformationen, die von einer übergeordneten Steuerung (z.B. einer Scheiben-Steuerung, die in 4 zur besseren Darstellung nicht gezeigt ist) empfangen werden. Die Würfelsteuerung 410 ist so dargestellt, dass sie mit einer Vielzahl von Schnittstellen 4201-420n verbunden ist. Wie man bei der repräsentativen Schnittstelle 4201 sehen kann, ist ein DC/DC-Netzteil 425 enthalten, das eine Gate-Drive-Fiber-Interface (GDFI)-Glasfaser-Schnittstellensteuerung 430 mit Strom versorgt, die wiederum mit einem allgemeinen SiC-Gate-Treiber 435 gekoppelt ist. Ein solcher Gate-Treiber kann wiederum mit einem Halbbrücken-SiC- oder IGBT-Modul 440 verbunden werden. Zu beachten ist, dass SiCs/IGBTs selbst an einer Schnittstelle 420 nicht vorhanden sind und dass sie, wie im Folgenden näher beschrieben, unter der Schnittstellenkarte und direkt auf einer Kühlplatte verbunden sind. Wie dargestellt, kann die Würfelsteuerung 410 optisch über Glasfaser unterschiedliche Informationen, einschließlich des Gatezustands und der Steuersignale, mit der Steuerung 430 kommunizieren. Ebenfalls über Glasfaserkommunikation können IGBT und Antriebsstatus an die Würfelsteuerung 410 zurückgemeldet werden (diese bidirektionalen Signale sind gemeinsam als Signale 450 dargestellt).
Um die Kommunikation zwischen der Steuerung 430 und dem Gate-Treiber 435 zu gewährleisten können Kupferverbindungen verwendet werden.
As shown, the interface circuit 400 includes a cube controller 410 that can generate various control and switching signals, e.g., based on feedback status information as well as control information received from a higher-level controller (e.g., a disk controller included in 4 not shown for clarity). The cube controller 410 is illustrated as being connected to a plurality of interfaces 420 1 -420 n . As can be seen in the representative interface 420 1 , a DC/DC power supply 425 is included that powers a Gate Drive Fiber Interface (GDFI) fiber optic interface controller 430, which in turn is coupled to a general purpose SiC gate driver 435. Such a gate driver may in turn be connected to a half-bridge SiC or IGBT module 440. Note that SiCs/IGBTs themselves are not present at an interface 420 and, as described in more detail below, they are connected beneath the interface card and directly onto a cold plate. As illustrated, the cube controller 410 may communicate various information, including gate state and control signals, to the controller 430 optically over fiber optics. IGBT and drive status can also be reported back to the cube controller 410 via fiber optic communication (these bidirectional signals are shown collectively as signals 450).
To ensure communication between the controller 430 and the gate driver 435, copper connections can be used.

Obwohl die Ausführungsformen in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt sind, kann durch die Verwendung von Kommunikation über Glasfaser ein Abstand von ca. 0,1-50 Metern zwischen Würfelsteuerung 410 und Interface-Steuerung 430 realisiert werden. Mit der Kupferverbindung zwischen den Interface-Steuerungen 430 und den Gate-Treibern 435 kann ein relativ kleiner Abstand eingehalten werden (z.B. 1,5 Zoll).Although the embodiments are not limited in this regard, by using fiber optic communication, a distance of approximately 0.1-50 meters can be realized between cube controller 410 and interface controller 430. With the copper connection between interface controllers 430 and gate drivers 435, a relatively small distance can be maintained (e.g., 1.5 inches).

Ausführungsformen können eine Kühlung von Transformatoren und Invertern auf unterschiedliche Weise ermöglichen. In einigen Fällen können beide Abschnitte, so wie sie in einem bestimmten Scheibenschrank implementiert sind, luftgekühlt sein. Und einer oder mehrere der Transformator- und Inverterabschnitte können über ein zweiphasiges Kühlsystem flüssiggekühlt sein.Embodiments may enable cooling of transformers and inverters in different ways. In some cases, both sections, as implemented in a particular disk cabinet, may be air-cooled. And one or more of the transformer and inverter sections may be liquid-cooled via a two-phase cooling system.

In verschiedenen Ausführungsformen können Kühlaufbauten für Leistungstransformatoren für eine verbesserte Wärmeabfuhr sorgen. Transformatoren und Leistungswürfel können mittels Durchluft gekühlt werden, um die Wärmeabfuhr zu verbessern (unter Ausnutzung mechanischer Barrieren). Unabhängig davon, ob es sich bei der Gesamtkühlung um Luft- oder Flüssigkeitskühlung handelt, sollte es so zu verstehen sein, dass die Leistungswürfel-Kühlung von Haupthalbleiterkomponenten (z.B. allen SiCs und IGBTs) intern mit Hilfe einer 2-Phasen-Kühlung erfolgen kann.In various embodiments, cooling structures for power transformers can provide improved heat dissipation. Transformers and power cubes can be cooled using forced air to improve heat dissipation (utilizing mechanical barriers). Regardless of whether the overall cooling is air or liquid cooling, it should be understood that power cube cooling of main semiconductor components (e.g., all SiCs and IGBTs) can be achieved internally using two-phase cooling.

In 5 ist eine Seitenansicht eines Leistungswandlerschranks gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Zu beachten ist, dass der Schrank 500 ein Scheiben-Schrank ist (mit einem einzelnen Transformator und 3 Leistungswürfeln). Dabei ist es so zu verstehen, dass, wie in 2 definiert, in einer Ausführungsform ein MPBB 3 Schrankscheiben umfassend hergestellt ist. Wie in der Querschnittsansicht in 5 dargestellt, beinhaltet der Schrank 500 einen Transformatorabschnitt 510 und einen Inverterabschnitt 550. Wie dargestellt, beinhaltet der Transformatorabschnitt 510 einen Transformator 515 mit mehreren Transformatorschenkeln 5151-5153. Bei diesem Design kann die einströmende Luft z.B. über ein Gitter oder ein anderes durchlässiges Element an einem vorderen Teil des Schrankes 500 aufgenommen werden. Wie man sieht, wird der einströmende Luftstrom mittels einer Vielzahl von Kühlgebläsen 5201-5203 durch die Transformatorschenkel 515 geleitet, die die Abluft durch die Rückseite des Schranks 500 leiten. Eine mechanische Barriere zur Trennung von Würfel- und Transformatorabschnitten kann als horizontale Barriere aus GPO-3-Polyestermaterial ausgeführt werden. Diese Barriere hat, wie dargestellt, Öffnungen bei 568 und 570.In 5 500 is a side view of a power converter cabinet according to one embodiment. Note that the cabinet 500 is a disk cabinet (with a single transformer and 3 power cubes). It should be understood that, as in 2 defined, in one embodiment, an MPBB comprising 3 cabinet panes is manufactured. As shown in the cross-sectional view in 5 As shown, the cabinet 500 includes a transformer section 510 and an inverter section 550. As shown, the transformer section 510 includes a transformer 515 with multiple transformer legs 515 1 -515 3 . In this design, the incoming air can be directed, for example, via a grille or other permeable element at a front portion of the cabinet 500. As can be seen, the incoming airflow is directed through the transformer legs 515 by means of a plurality of cooling fans 520 1 -520 3 , which direct the exhaust air through the rear of the cabinet 500. A mechanical barrier for separating the cube and transformer sections can be implemented as a horizontal barrier made of GPO-3 polyester material. This barrier has openings at 568 and 570, as shown.

Im Gegenzug wird zusätzliche Luft vom Transformatorabschnitt 510 zum Inverterabschnitt 550 über eine oder mehrere Öffnungen 568 geleitet, wo sie durch eine Vielzahl von Leistungswürfeln 5601-5603 strömt. Zu beachten ist, dass in Ausführungsformen mechanische Barrieren 5650-5653, z.B. aus GPO-3-Polyestermaterial, den Luftstrom zur korrekten Kühlung des Systems von der Öffnung 568 durch die Leistungswürfels 5601-5603 zwingen. Auf diese Weise erhält jeder Leistungswürfel zur Kühlung eine Zuleitung von Frischluft, die dann rückseitig von den Würfeln 560 und nach unten durch eine oder mehrere Öffnungen 570 zurück in den Transformatorabschnitt 510 entlüftet wird. Diese Mechanismen gewährleisten eine Luftzirkulation, wobei die Luft über Gebläse 520 nach außen geleitet wird. So erhalten die Transformatorschenkel 515 und die Leistungswürfel 560 Frischluft von außen und die Luft wird an der Rückseite des Schrankes ausgestoßen.In turn, additional air is directed from the transformer section 510 to the inverter section 550 via one or more openings 568, where it flows through a plurality of power cubes 560 1 -560 3 . Note that in embodiments, mechanical barriers 565 0 -565 3 , e.g., made of GPO-3 polyester material, force the airflow from the opening 568 through the power cubes 560 1 -560 3 for proper cooling of the system. In this way, each power cube receives a supply of fresh air for cooling, which is then exhausted from the back of the cubes 560 and downward through one or more openings 570 back into the transformer section 510. These mechanisms ensure air circulation, with the air being directed outside via fans 520. This way, the transformer legs 515 and the power cubes 560 receive fresh air from outside and the air is expelled at the rear of the cabinet.

In 6 ist nun ein Seitenansichtsdiagramm eines Leistungswandlersschranks gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Wie in der Querschnittsansicht in 6 dargestellt, beinhaltet der Schrank 600 einen Transformatorabschnitt 610 und einen Inverterabschnitt 650. Wie dargestellt, weist der Transformator 615 mehrere Transformatorschenkel 6151-6153 auf. Bei dieser Ausführung kann die Zuluft z.B. über ein Gitter an einem vorderen Teil des Schrankes 600 aufgenommen werden. Wie zu sehen ist, wird der einströmende Luftstrom mittels einer Vielzahl von Kühlgebläsen 6201-6203 durch die Transformatorschenkel 615 geleitet, die die Abluft über die Rückseite des Schranks 600 leiten. Wie in 6 dargestellt, kann der Transformatorabschnitt 610 auf die gleiche Weise luftgekühlt werden, wie vorstehend in Bezug auf 5 diskutiert. Im Gegensatz zur Ausführungsform in 5 bietet 6 jedoch eine Anordnung, in der der Inverterabschnitt 650 flüssiggekühlt ist. Somit kann der Inverterabschnitt 650 gegen den Transformatorabschnitt 610 abgedichtet bleiben, so dass kein Luftaustausch mit dem Transformatorabschnitt 610 stattfindet.In 6 A side view diagram of a power converter cabinet according to another embodiment is shown. As shown in the cross-sectional view in 6 As shown, the cabinet 600 includes a transformer section 610 and an inverter section 650. As shown, the transformer 615 has a plurality of transformer legs 615 1 -615 3. In this embodiment, the supply air can be taken in, for example, via a grille on a front part of the cabinet 600. As can be seen, the incoming air flow is directed through the transformer legs 615 by means of a plurality of cooling fans 620 1 -620 3 , which direct the exhaust air over the rear of the cabinet 600. As shown in 6 As shown, the transformer section 610 can be air-cooled in the same manner as described above with respect to 5 discussed. In contrast to the embodiment in 5 offers 6 However, an arrangement in which the inverter section 650 is liquid-cooled is possible. Thus, the inverter section 650 can remain sealed from the transformer section 610, so that no air exchange with the transformer section 610 occurs.

Wie weiter gezeigt, kann die Kühlung für den Inverterabschnitt 650 über einen Kühlabschnitt 680 erfolgen, der einen Strom von flüssigem Kühlmittel für den Inverterabschnitt 650 bereitstellt, indem er 2-Phasen-Kühlung in abgedichteter Weise verwendet. Um die Wärmeabfuhr des Leistungswürfels zu verbessern, kann die 2-Phasen-Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher zirkulieren, der extern mit dem Schrank 600 verbunden ist. Mit den im Inverterabschnitt 650 bereitgestellten Kühlgebläsen 670 kann die Luft durch den gesamten Inverterabschnitt 650 zurückzirkulieren. In einigen Ausführungsformen kann zur Umsetzung der Fähigkeit zur Flüssigkühlung innerhalb des Inverterabschnitts 650 ein erweiterter Schrank mit einem Ausstoßabschnitt (bumpout section) vorgesehen werden. Die Barrieren 6650 - 6653 leiten den Kühlluftstrom der Kühlgebläse 670 weiter durch die Leistungswürfel 6601 - 6603.As further shown, cooling for the inverter section 650 may be provided via a cooling section 680, which provides a flow of liquid coolant to the inverter section 650 using 2-phase cooling in a sealed manner. To enhance heat dissipation of the power cube, the 2-phase liquid may be circulated through a heat exchanger externally connected to the cabinet 600. With the cooling fans 670 provided in the inverter section 650, the air may be recirculated throughout the entire inverter section 650. In some embodiments, to implement the liquid cooling capability within the inverter section 650, an extended cabinet with a bumpout section may be provided. The barriers 665 0 - 665 3 direct the cooling air flow of the cooling fans 670 through the power cubes 660 1 - 660 3 .

In noch einer weiteren Ausführungsform sind sowohl Transformator- als auch Leistungswürfel, wie in 7 dargestellt, 2-phasig flüssiggekühlt, um die Wärmeabfuhr der Scheiben zu maximieren. In 7 ist nun eine Seitenansicht eines Leistungswandlerschranks gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Wie in der Querschnittsansicht in 7 dargestellt, beinhaltet der Schrank 700 einen Transformatorabschnitt 710 und einen Inverterabschnitt 750. Wie dargestellt, beinhaltet ein Transformator 715 mehrere Transformatorschenkel 7151-7153. Zu beachten ist, dass der Schrank 700 gegen die Außenluft abgedichtet ist, aber ein Luftaustausch zwischen dem Transformatorabschnitt 710 und dem Inverterabschnitt 750 über die Öffnungen 768 und 770 stattfindet. In einer Ausführungsform ist ein Wärmetauscher 790 zwischen dem Transformatorabschnitt 710 und den internen Ventilatoren 720 installiert, um die Luftzirkulation durch die Transformatorspulen und Leistungswürfel zu erhalten. Neben dem Wärmetauscher 790 können auch eine oder mehrere Kühlplatten direkt auf den Transformatorkernen angeordnet werden. So können, wie in 7 dargestellt, die Kühlplatten 796, 798 an den vorderen und hinteren Teilen des Transformators 715 angeordnet sein. Wie in der Übersichts-Ansicht in 7 dargestellt, kann der Wärmetauscher 790 Kühlmittelanschlüsse 792, 794 beinhalten, um einen Kühlmittelstrom durch den Wärmetauscher 790 zu leiten. Eine ähnliche Kühlung des Inverterabschnitts 750 mittels Leiten der gekühlten Luft, die über die Öffnung 770 bereitgestellt wird, ermöglicht die Kühlung entsprechender Leistungswürfel 760, wobei die erwärmte Luft über die Öffnung 768 zum Transformatorabschnitt 710 zurückströmt. Die Barrieren 7650 - 7653 leiten den Kühlluftstrom der Kühlgebläsen 720 weiter durch die Leistungswürfels 760.In yet another embodiment, both transformer and power cubes, as in 7 shown, 2-phase liquid cooled to maximize heat dissipation of the discs. In 7 A side view of a power converter cabinet according to another embodiment is now shown. As in the cross-sectional view in 7 As shown, the cabinet 700 includes a transformer section 710 and an inverter section 750. As shown, a transformer 715 includes multiple transformer legs 715 1 -715 3 . Note that the cabinet 700 is sealed from the outside air, but air exchange occurs between the transformer section 710 and the inverter section 750 via openings 768 and 770. In one embodiment, a heat exchanger 790 is installed between the transformer section 710 and the internal fans 720 to maintain air circulation through the transformer coils and power cubes. In addition to the heat exchanger 790, one or more cold plates can also be arranged directly on the transformer cores. Thus, as in 7 shown, the cooling plates 796, 798 are arranged on the front and rear parts of the transformer 715. As shown in the overview view in 7 As shown, the heat exchanger 790 may include coolant ports 792, 794 for directing a coolant flow through the heat exchanger 790. Similar cooling of the inverter section 750 by directing the cooled air provided via opening 770 enables cooling of corresponding power cubes 760, with the heated air flowing back to the transformer section 710 via opening 768. The barriers 765 0 - 765 3 direct the cooling air flow from the cooling fans 720 further through the power cubes 760.

In noch weiteren Ausführungsformen kann die zusätzliche Kühlung eines Transformators durch das Bereitstellen von Kälteplatten auf den Flächen der Kerne des Transformators realisiert werden. In einer Ausführungsform können jedem Kernschenkel zwischen 2 und 4 Kälteplatten mit einer Breite von z.B. 6 Zoll zugeordnet werden. Um die Wärmeübertragung der Transformatorkerne zu verbessern, können sich auf der Vorder- und Rückseite des Transformators zusätzliche Kälteplatten, die an den Säulen des Transformators angeordnet sind, befinden. So sind in der Abbildung in 8A Details einer Kühlanordnung für Transformatoren dargestellt. In einer Seitenansicht 810 in 8A sind die Transformatorschenkel 8151-8153 gezeigt. Die Kälteplatten 820 sind an der Vorder- und Rückseite der Transformatorsäulen 811, 812 passend angeordnet, die die Anschlüsse 822, 824 zum Leiten eines Stroms von flüssigem Kühlmittel umfassen. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Kälteplatten 8401-8406 vorhanden. Wie zu sehen ist, kann jede Kälteplatte 840 oberhalb und unterhalb der Kernschenkel installiert werden und jede kann einen entsprechenden Kühlmittelanschluss 842 umfassen, um einen Strom von flüssigem Kühlmittel zu gewährleisten. Wie in 8A weiter veranschaulicht, können Isolations- und Luftkanäle zwischen verschiedenen Transformatorwicklungen und Kälteplatten vorhanden sein.In still further embodiments, the additional cooling of a transformer can be realized by providing cold plates on the surfaces of the cores of the transformer. In one embodiment, each core leg can be provided with between 2 and 4 cold plates with a width of e.g. 6 inches. To improve the heat transfer of the transformer cores, additional cold plates can be located on the front and back of the transformer, which are arranged on the columns of the transformer. In the figure, 8A Details of a cooling arrangement for transformers shown. In a side view 810 in 8A The transformer legs 815 1 -815 3 are shown. The cold plates 820 are suitably arranged at the front and rear of the transformer columns 811, 812, which include the connections 822, 824 for conducting a flow of liquid coolant. In addition, a plurality of cold plates 840 1 -840 6 are provided. As can be seen, each cold plate 840 can be installed above and below the core legs and each can include a corresponding coolant connection 842 to ensure a flow of liquid coolant. As in 8A As further illustrated, insulation and air channels may be present between different transformer windings and cold plates.

Noch unter Bezugnahme auf 8A ist eine Anordnung der Wicklungen des Transformators 815 dargestellt. Genauer gesagt, beinhaltet der Transformator 815 eine getrennte Wicklungsstruktur, in der mehrere getrennte Wicklungen, sowohl primäre als auch sekundäre, für jeden Transformatorschenkel 815 vorgesehen sind. In der in 8A dargestellten Ansicht sind drei getrennte Primärwicklungen 8161-8163 für den Transformatorschenkel 8151 dargestellt. Und direkt um jede der Primärwicklungen 816 ist entsprechend eine von mehreren Sekundärwicklungen 8181-8183 gewickelt. Weitere Details zu dieser nebeneinander oder getrennt angeordneten Wicklungsanordnung werden im Folgenden beschrieben.Still with reference to 8A is shown an arrangement of the windings of the transformer 815. More specifically, the transformer 815 includes a separate winding structure in which several separate windings, both primary and secondary, are provided for each transformer leg 815. In the 8A The view shown shows three separate primary windings 816 1 -816 3 for the transformer leg 815 1. And wound directly around each of the primary windings 816 is one of several secondary windings 818 1 -818 3. Further details of this side-by-side or separate winding arrangement are described below.

8B und 8C zeigen ferner Layouts für Flüssigkeitskühlung. Insbesondere zeigt 8B eine Rückansicht eines Transformators 815, in der an dieser Rückseite des Transformators eine Kälteplatte 820 angeordnet ist. Zu beachten ist, dass eine entsprechende Kälteplatte auch auf der Vorderseite des Transformators installiert werden kann. Weiter gezeigt sind die Kühlmittelanschlüsse 822, 824. Und 8C zeigt eine Querschnittsansicht einer Transformatorensäule, die Kälteplatten, die an entsprechenden Seiten der Kernschenkel 815 passend angeordnet werden können, weiter veranschaulicht. Zu beachten ist, dass eine Kälteplatte bei einem im Allgemeinen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt der Kernschenkel 815 im Wesentlichen flach oder bündig zu einer bestimmten Fläche eines Kernschenkels angeordnet sein kann. So kann, wie in 8C dargestellt, jeder Kernschenkel 815 zusätzliche entsprechende Kälteplatten 845 aufweisen, die an deren Seiten angepasst sind. 8B and 8C also show layouts for liquid cooling. In particular, 8B A rear view of a transformer 815, in which a cold plate 820 is arranged on this rear side of the transformer. Note that a corresponding cold plate can also be installed on the front of the transformer. Also shown are the coolant connections 822, 824. And 8C shows a cross-sectional view of a transformer column, further illustrating cold plates that can be suitably arranged on corresponding sides of the core legs 815. It should be noted that with a generally rectangular or square cross-section of the core legs 815, a cold plate can be arranged substantially flat or flush with a particular surface of a core leg. Thus, as in 8C shown, each core leg 815 may have additional corresponding cold plates 845 adapted to the sides thereof.

In 8D ist nun eine Darstellung eines Transformators gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Genauer gesagt, ist in 8D eine elektrische Anordnung des Transformators 815 ohne Kühlstrukturen dargestellt, um keine Details der segmentierten Wicklungsanordnung zu verdecken. Wie dargestellt, ist der Transformator 815 mit einer Vielzahl von Kernschenkeln 815a-815c ausgebildet, die jeweils zwischen einer ersten Säule 811 und einer zweiten Säule 813 gekoppelt sind. In einer Ausführungsform können die Kernschenkel 815 und die Säulen 811, 812 aus Eisen gefertigt sein. In der Detailanordnung des ersten Kernschenkels 815a, der einer ersten Phase (Phase A) entsprechen kann, sind eine Vielzahl von Primärwicklungen 816a,1 - 816a,3 mit einer segmentierten Wicklungsstruktur vorhanden, die um den Kernschenkel 815a gewickelt sind. Zu beachten ist, dass bei einer Kühlanordnung wie hier Kühlplatten natürlich zwischen dem Kernschenkel und diesen Primärwicklungen angeordnet sein können.In 8D Now, an illustration of a transformer according to an embodiment is shown. More specifically, in 8D An electrical arrangement of the transformer 815 is shown without cooling structures in order not to obscure any details of the segmented winding arrangement. As shown, the transformer 815 is formed with a plurality of core legs 815a-815c, each coupled between a first column 811 and a second column 813. In one embodiment, the core legs 815 and the columns 811, 812 can be made of iron. In the detailed arrangement of the first core leg 815a, which can correspond to a first phase (phase A), a plurality of primary windings 816a , 1-816a ,3 with a segmented winding structure are present, which are wound around the core leg 815a. It should be noted that in a cooling arrangement such as this, cooling plates can of course be arranged between the core leg and these primary windings.

Und wie weiter veranschaulicht, sind die entsprechenden Sekundärwicklungen 818a,1 - 818a,3 direkt um die entsprechenden Primärwicklungen gewickelt. Die Trennung zwischen Primärwicklungen und Sekundärwicklungen bestimmt die äquivalente Induktivität pro Phase auf der Sekundärseite des Transformators 815. Der empfohlene Wert der Streuinduktivität zur Unterstützung der Steuerstabilität jeder AFE-Leistungsstufe wird durch einen Mindestabstand zwischen den Wicklungen erreicht. Mit anderen Worten, es kann einen entsprechenden Mindestabstand zwischen den gewickelten Primär- und Sekundärwicklungen geben. So kann beispielsweise ein Abstand von mindestens einem halben Zoll zwischen einer Primärwicklung 816 und einer entsprechenden Sekundärwicklung 818 bestehen.And, as further illustrated, the corresponding secondary windings 818 a,1 - 818 a,3 are wound directly around the corresponding primary windings. The separation between primary and secondary windings determines the equivalent inductance per phase on the secondary side of transformer 815. The recommended value of leakage inductance to support control stability of each AFE power stage is achieved by a minimum spacing between the windings. In other words, there can be a corresponding minimum spacing between the wound primary and secondary windings. For example, there can be a spacing of at least half an inch between a primary winding 816 and a corresponding secondary winding 818.

In einer Ausführungsform kann ein entsprechender Trennungsabstand 813, 817 zwischen den segmentierten Wicklungssätzen vorgesehen sein. Durch die Bereitstellung dieser segmentierten Wicklungssätze und der entsprechenden Trennungsabstände können symmetrische Sekundärimpedanzen realisiert werden. Der Impedanz-balancierte Effekt pro Phase wird durch die Erzeugung einer entkoppelnden magnetischen Wirkung zwischen den Wicklungssätzen 816 und 818 erreicht. Diese magnetische Wirkung wird durch die Einstellung eines horizontalen Mindestabstandes von zwei Zoll zwischen benachbarten Wicklungssätzen 816 und 818 realisiert. Es ist zu beachten, dass für die Transformatorschenkel 815b,c der zweiten und dritten Phase (die in 8D in eingeschränkter Form dargestellt sind) entsprechende Sätze von Primär- und Sekundärwicklungen 816b,1-3, 818b,1-3 und 816c,1-3, 818c,1-3 vorgesehen sind.In one embodiment, a corresponding separation distance 813, 817 may be provided between the segmented winding sets. By providing these segmented winding sets and the corresponding separation distances, symmetrical secondary impedances can be realized. The impedance-balanced effect per phase is achieved by creating a decoupling magnetic effect between the winding sets 816 and 818. This magnetic effect is realized by setting a minimum horizontal distance of two inches between adjacent winding sets 816 and 818. It should be noted that for the transformer legs 815b,c of the second and third phases (which are shown in 8D shown in a limited form) corresponding sets of primary and secondary windings 816 b,1-3 , 818 b,1-3 and 816 c,1-3 , 818 c,1-3 are provided.

In 8E ist nun ein schematisches Diagramm dargestellt, das die segmentierten Wicklungen in 8D mit den entsprechenden Anschlüssen jedes aus einer Vielzahl von Leistungswürfeln einer gegebenen Scheibe korreliert. Wie dargestellt, koppeln die entsprechenden Primärwicklungen eines bestimmten Transformatorschenkels (nämlich derselben Phase) mit einer gleichen Phase der Eingangsleistung. Und ebenso koppeln die entsprechenden Sekundärwicklungen eines bestimmten Phasenschenkels in einer DELTA-Konfiguration zu einem der entsprechenden Leistungswürfel (zur besseren Darstellung nicht in 8E gezeigt) einer bestimmten Scheibe. Zu beachten ist, dass in den FIGen. 8D und 8E die zusätzlichen Referenzmarken für die Primär- und Sekundärwicklungen, so wie sie um einen Transformatorschenkel herum passend angeordnet sind und im Schaltplan in 8E, die Entsprechungen zwischen Primär- und Sekundärwicklungen für eine erste Phase (AP1-AP3 und AS1-AS3) zeigen. Somit wird bei einer Anordnung wie in 8E ein Transformator für drei parallele WYE-Konfigurationen bei den Primärwicklungen und drei isolierte DELTA-Konfigurationen auf der Sekundärseite des Transformators angepasst.In 8E A schematic diagram is now shown showing the segmented windings in 8D correlated with the corresponding terminals of each of a plurality of power cubes of a given slice. As shown, the corresponding primary windings of a particular transformer leg (namely, the same phase) couple to a same phase of the input power. And similarly, the corresponding secondary windings of a particular phase leg in a DELTA configuration couple to one of the corresponding power cubes (not shown for clarity). 8E shown) of a particular disc. It should be noted that in FIGS. 8D and 8E the additional reference marks for the primary and secondary windings, as they are appropriately arranged around a transformer leg and in the circuit diagram in 8E , which show the correspondences between primary and secondary windings for a first phase (AP1-AP3 and AS1-AS3). Thus, in an arrangement as in 8E a transformer adapted for three parallel WYE configurations on the primary windings and three isolated DELTA configurations on the secondary side of the transformer.

Somit bieten Ausführungsformen bei dieser Anordnung ein hocheffizientes Leistungstransformator-Design mit symmetrischen Sekundärimpedanzen. Für jede Sekundärwicklung gibt es drei parallele Primärwicklungen. Die Anordnung der Wicklungen nebeneinander reduziert die Kopplung zwischen den Sekundärwicklungen und erhöht auch die für den Wandler wirksame äquivalente Impedanz. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Serieninduktivität pro Phase, die an der Primär- oder Sekundärseite des Transformators eingesetzt wird, um die Stabilität der Wandlersteuerung zu gewährleisten. Außerdem entfallen zusätzliche Filter am Wandlereingang. Bei Si-basierten Gerätesystemen kann die Notwendigkeit einer zusätzlichen Induktivität zulässig sein, da die AFE des Wandlers bei niedriger Frequenz geschaltet wird, um den Gesamtverlust niedrig zu halten. Der Transformator ist so konzipiert, dass er an den Punkten A und B betrieben werden kann, wie die Wirkungsgradkurve in 9 zeigt. In einer Ausführungsform liegt die Transformatorleistung im Bereich von 750kVA und 1000 kVA für eine Scheibensystem-Konfiguration. Bei symmetrischen Impedanzen werden die Wicklungen nebeneinander angeordnet gewickelt.Thus, embodiments of this arrangement provide a highly efficient power transformer design with symmetrical secondary impedances. For each secondary winding, there are three parallel primary windings. Arranging the windings side by side reduces the coupling between the secondary windings and also increases the equivalent impedance effective for the converter. This eliminates the need for an additional series inductor per phase, which is used on the primary or secondary side of the transformer to ensure converter control stability. It also eliminates the need for additional filters at the converter input. In Si-based device systems, the need for an additional inductor may be permissible because the converter's AFE is switched at low frequency to keep overall loss low. The transformer is designed to operate at points A and B, as shown by the efficiency curve in 9 In one embodiment, the transformer power is in the range of 750 kVA to 1000 kVA for a disk system configuration. With symmetrical impedances, the windings are wound side by side.

In 10 ist nun ein Blockdiagramm einer Scheibenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere wird in der Ausführungsform in 10 eine Scheibe weiterhin mit einer zusätzlichen Induktivität für aktive Front-End-Vorrichtungen mittels Drosselspulen versehen. Wie in 10 dargestellt, beinhaltet ein Scheiben-Schrank 1000 einen Transformatorabschnitt 1010 und einen Inverterabschnitt 1050. In der dargestellten Abbildung ist eine Anordnung mit luftgekühlten Transformator- und Inverterabschnitten vorgesehen. Zusätzlich (und zum Vergleich zu der in 5 dargestellten Anordnung) sind innerhalb des Transformatorabschnitts 1010 eine Vielzahl von AFE-Drosselspulen 10401-10403 vorgesehen. Mit diesen AFE-Drosselspulen wird ein Aufbau umgesetzt, der eine zusätzliche Induktivität für Si-basierte Designs ermöglicht. Die erforderliche Induktivität kann im Bereich von 5% liegen und die Schaltfrequenz wird im Bereich von 2-3 kHz gehalten. Die AFE-Drosselspulen sind in Reihe (pro Phase) zwischen jedem sekundären DELTA und der entsprechenden Würfel-AFE-Wandler-Eingangsleitung geschaltet.In 10 A block diagram of a disk arrangement according to another embodiment of the present invention is now shown. In particular, in the embodiment in 10 a disc is further provided with additional inductance for active front-end devices by means of choke coils. As in 10 As shown, a disk cabinet 1000 includes a transformer section 1010 and an inverter section 1050. In the illustrated figure, an arrangement with air-cooled transformer and inverter sections is provided. In addition (and for comparison to the 5 (as shown in the arrangement), a plurality of AFE choke coils 1040 1 -1040 3 are provided within the transformer section 1010. These AFE choke coils implement a configuration that allows for additional inductance for Si-based designs. The required inductance can be in the range of 5%, and the switching frequency is maintained in the range of 2-3 kHz. The AFE choke coils are connected in series (per phase) between each secondary DELTA and the corresponding cube AFE converter input line.

Ausführungsformen können ferner Effizienzsteigerungen bei der Konfiguration eines Leistungswürfels zur Umsetzung SiC-basierter Schaltgeräte ermöglichen. Insbesondere kann in einer Ausführungsform ein Design beschichteter Gleichstrom-Bus-Schienen verwendet werden, um die Leistung von WBG-Geräten zu verbessern. Dieses Design kann die parasitäre Induktivität zur Verbesserung der Schaltleistung von SiC-Bauelementen auf weniger als 13nH minimieren. Das Design verbessert das Schalten von Würfeln und den Kurzschlussschutz, indem es die gesamte äquivalente Schleifeninduktivität beim Schalten von SiC-Vorrichtungen minimiert. In einer bevorzugten Implementierung kann eine vollständige SiC-Gerätetopologie mit einem spezifischen SiC-Leistungsmodul-Anschlussstück-Layout (engl.: SiC power module terminal layout) verwendet werden.Embodiments may further enable efficiency improvements in the configuration of a power cube to implement SiC-based switching devices. In particular, in one embodiment, a coated DC busbar design may be used to improve the performance of WBG devices. This design may minimize parasitic inductance to improve the switching performance of SiC devices to less than 13 nH. The design improves cube switching and short-circuit protection by minimizing the total equivalent loop inductance when switching SiC devices. In a preferred implementation, a full SiC device topology with a specific SiC power module terminal layout may be used.

In einer weiteren Implementierung kann eine Würfel-Topologie für Hybridgeräte (z.B. Si IGBT-basierter Gleichrichter und SiC MOSFET-basierter Inverter) vorhanden sein, die das gleiche Konzept zur Minimierung der Induktivität des Gleichstrom-Zwischenkreises verwendet. Dies ist so zu verstehen, dass auch andere SiC-Gerätepakete mit unterschiedlichen Strom-Anschlusstück-Layouts (engl.: power terminal layouts) verwendet werden können.In another implementation, a cube topology for hybrid devices (e.g., Si IGBT-based rectifier and SiC MOSFET-based inverter) may be available, using the same concept to minimize DC link inductance. This should be understood to mean that other SiC device packages with different power terminal layouts can also be used.

In 11 ist eine grafische Darstellung eines vollständigen SiC-basierten Leistungswürfels gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Wie man sieht, ist der Leistungswürfel 1100 in einem Gehäuse 1110 implementiert. Die von einer Transformator-Sekundärseite empfangene einkommende 3-phasige Leistung wird über eine Vielzahl von Eingangs-Wechselstrom-Bus-Schienen 1180 bereitgestellt. In einer Ausführungsform sind drei solcher Eingangs-Bus-Schienen vorgesehen, um eingehende 3-phasige Leistung mit entsprechenden Front-End-SiCs zu koppeln. Wie in 11 dargestellt, werden die Wechselstrom-Bus-Schienen 1180 in Richtung eines hinteren Abschnitts des Leistungswürfel 1100 verschoben, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Dies ist der Fall, da mit dieser Platzierung der Wechselstrom-Bus-Schienen 1180 das Bus-Schienen-Design vereinfacht wird, indem sie mit einer kürzeren Länge gefertigt werden können und der Hauptteil ihrer Wärmeableitung sich nicht oberhalb der SiC-Geräte oder unterhalb einer Gleichstrom-Busschiene konzentriert. So können in der dargestellten Ausführungsform die Bus-Schienen 1180 mit SiCs einer Front-Endstufe gekoppelt werden (Details dazu sind in 11 nicht dargestellt). Zu beachten ist, dass das Schalten der SiC-Vorrichtungen über die Glasfaser-SiC-Gate-Treiber-Schnittstellen 11200-1120n gesteuert werden kann. Während 5 solcher Treiberschnittstellen in der Ausführungsform in 11 dargestellt sind, können in weiteren Ausführungsformen andere Anzahlen vorhanden sein. Für nicht regenerative Anwendungen kann ein passiver Front-End-Gleichrichter Zwei-Dioden-Leistungsmodule (engl.: dual diode power modules) beinhalten, so dass daher nur zwei Schalter gesteuert werden (Inverterseite), und daher nur zwei Treiberschnittstellen verwendet werden. Hybrid- und Voll-SiC-Topologien verwenden jeweils 5 kontrollierte Schalter (SiC-MOSFET und/oder IGBTs), weshalb 5 Treiber-Schnittstellen benötigt werden. Bei parallelen SiC-Geräten kann ein Maximum von 10 Treiber-Schnittstellen erforderlich sein. Steuersignale werden den Treiber-Schnittstellen 1120 über eine SiC-basierte Steuerplatine 1130 zur Verfügung gestellt, die über entsprechende Glasfaserverbindungen 1135 mit den Schnittstellen 1120 verbunden wird. Wie in 11 weiter veranschaulicht, werden die Treiberschnittstellen 1120 oberhalb der SiC-Module selbst angeordnet, die wiederum auf einer Kühlplattenbaugruppe 1150 angeordnet sind. Zu beachten ist, dass die Stromversorgung verschiedener Steuer- und Überwachungsschaltungen über ein Netzteil 1195 erfolgen kann.In 11 A graphical representation of a complete SiC-based power cube is shown according to one embodiment. As can be seen, the power cube 1100 is implemented in a housing 1110. The incoming 3-phase power received from a transformer secondary side is provided via a plurality of input AC busbars 1180. In one embodiment, three such input busbars are provided to couple incoming 3-phase power to corresponding front-end SiCs. As shown in 11 As shown, the AC bus bars 1180 are moved toward a rear portion of the power cube 1100 to improve heat dissipation. This is because this placement of the AC busbars 1180 simplifies the busbar design by allowing them to be manufactured with a shorter length, and the majority of their heat dissipation is not concentrated above the SiC devices or below a DC busbar. Thus, in the illustrated embodiment, the busbars 1180 can be coupled with SiCs of a front-end power stage (details are provided in 11 not shown). It should be noted that the switching of the SiC devices can be controlled via the fiber-optic SiC gate driver interfaces 1120 0 -1120 n . While 5 such driver interfaces are provided in the embodiment in 11 are shown, other numbers may be present in further embodiments. For non-regenerative applications, a passive front-end rectifier may include dual diode power modules, so that only two switches are controlled (inverter side), and therefore only two driver interfaces are used. Hybrid and all-SiC topologies each use 5 controlled switches (SiC MOSFETs and/or IGBTs), therefore 5 driver interfaces are required. For parallel SiC devices, a maximum of 10 driver interfaces may be required. Control signals are provided to the driver interfaces 1120 via a SiC-based control board 1130, which is connected to the interfaces 1120 via corresponding fiber optic connections 1135. As in 11 As further illustrated, the driver interfaces 1120 are arranged above the SiC modules themselves, which in turn are arranged on a cold plate assembly 1150. Note that the power supply for various control and monitoring circuits can be provided by a power supply 1195.

Wie weiter dargestellt, wird an einem vorderen Abschnitt des Gehäuses 1110 eine Gleichstrom-Zwischenschaltung mit einem Gleichstrom-Bus 1160 gebildet, wovon Einzelheiten im Folgenden beschrieben werden. Die Gleichstrom-Zwischenschaltung beinhaltet ferner neben dem Gleichstrom-Bus 1160 selbst eine Vielzahl von damit verbundenen Kondensatoren 1165, von denen einer in 11 repräsentativ markiert ist. In einer Ausführungsform kann der Leistungswürfel 1100 mit einem Gleichstrom-Bus 1160 implementiert werden, der mit den Kondensatoren 1165, die optimiert dimensioniert sind, gekoppelt ist. In einer speziellen Ausführungsform kann ein bestimmter Leistungswürfel für eine bessere Transienten- und Leistungsübertragungsleistung mit einer Kapazität von ca. 7,6-11,4 Millifarad (mF) implementiert werden.As further illustrated, a DC interconnection circuit having a DC bus 1160 is formed at a front portion of the housing 1110, details of which will be described below. The DC interconnection circuit further includes, in addition to the DC bus 1160 itself, a plurality of capacitors 1165 connected thereto, one of which is 11 In one embodiment, the power cube 1100 may be implemented with a DC bus 1160 coupled to the capacitors 1165 that are sized for optimum performance. In a specific embodiment, a particular power cube may be implemented with a capacitance of approximately 7.6-11.4 millifarads (mF) for better transient and power transfer performance.

Noch unter Bezugnahme auf 11 kann die Ausgangsleistung aus dem Leistungswürfel 1100 über eine Vielzahl von Ausgangs-Bus-Schienen 1170 ausgegeben werden, die, wie dargestellt, mit entsprechenden Wechselstrom-Bus-Schienen 1180 koppeln.Still with reference to 11 The output power from the power cube 1100 may be output via a plurality of output bus rails 1170 which, as shown, couple to corresponding AC bus rails 1180.

Um die Kühlung von SiCs und anderen Komponenten innerhalb des Leistungswürfel 1100 zu gewährleisten, können die Leitungen 1190, 1192 vorgesehen werden, um einen Strom von Kühlflüssigkeit oder anderen Kühlmitteln zu leiten. 11 zeigt die Ausführungsform in Übersichts-Ansicht und dabei sollte verstanden werden, dass viele Varianten und Alternativen dazu möglich sind.To ensure cooling of SiCs and other components within the power cube 1100, the lines 1190, 1192 may be provided to conduct a flow of cooling liquid or other coolants. 11 shows the embodiment in overview view and it should be understood that many variants and alternatives are possible.

Ausführungsformen bieten eine Gleichstrom-Bus-Konstruktion, die SiC-Geräteabstände verbessert. Insbesondere kann ein Gleichstrom-Bus zur mechanischen Entkopplung des Gleichstrom-Bus von den Wechselstrom-Bus-Schienen designt sein; dadurch kann der Aufbau von Wechselstrom-Bus-Schienen wie oben beschrieben weiter vereinfacht werden. Auf diese Weise können die Anschlussstückabstände der Geräte erhöht werden (z.B. von 2 mils auf 5 mils). Und mit einer Verbesserung der elektrischen Isolation kann in einer beispielhaften Ausführungsform die Gleichstrom-Zwischenschaltung bei zwischen 1000-1200VDC betrieben werden.Embodiments provide a DC bus design that improves SiC device spacing. In particular, a DC bus can be designed to mechanically decouple the DC bus from the AC busbars; this can further simplify the AC busbar construction as described above. In this way, device terminal spacing can be increased (e.g., from 2 mils to 5 mils). And with improved electrical isolation, in one exemplary embodiment, the DC interconnect can operate between 1000-1200 VDC.

In 12 ist nun eine grafische Darstellung einer Gleichstrom-Bus-Anordnung gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Wie in 12 dargestellt, kann der Gleichstrom-Bus 1200 über einen beschichteten Aufbau der eine Vielzahl von Schichten 12100-1210n umfasst umgesetzt werden. In der speziellen, dargestellten Ausführungsform ist eine fünfschichtige Anordnung realisiert, wobei jedoch in bestimmten Ausführungsformen mehr oder weniger Schichten vorhanden sein können. Wie dargestellt, ist der Gleichstrom-Bus 1200 mit abwechselnden Schichten aus leitfähigem und isolierendem Material ausgeführt. Genauer gesagt, koppeln die negativen und positiven Gleichstrom-Bus-Schichten 12101 bzw. 12103 zwischen den entsprechenden Isolationsschichten 12100, 12102 und 1210n. In einer Ausführungsform können die Gleichstrom-Bus-Schichten 12101, 12103 mittels eines vorgegebenen leitenden Materials, z.B. Kupfer, umgesetzt werden und können eine ungefähre Dicke von 50-100 mils aufweisen. Die isolierenden Schichten 12100, 12102, 1210n wiederum können mit einem isolierenden Material, z.B. isolierende PET-Materialien, ausgeführt werden. In einer bestimmten Ausführungsform können die Isolationsschichten 12100, 1210n mit einer Dicke zwischen etwa 5-10 mils und die Isolationsschicht 12102 mit einem isolierenden Material aus einer Schicht mit einer Dicke zwischen 5-20 mils ausgebildet sein.In 12 A graphical representation of a DC bus arrangement according to one embodiment is shown. As shown in 12 As shown, the DC bus 1200 may be implemented using a coated structure comprising a plurality of layers 1210 0 -1210 n . In the particular embodiment shown, a five-layer arrangement is realized, however, more or fewer layers may be present in certain embodiments. As shown, the DC bus 1200 is implemented with alternating layers of conductive and insulating material. More specifically, the negative and positive DC bus layers 1210 1 and 1210 3 , respectively, couple between the corresponding insulating layers 1210 0 , 1210 2 and 1210 n . In one embodiment, the DC bus layers 1210 1 , 1210 3 may be implemented using a predetermined conductive material, e.g., copper, and may have an approximate thickness of 50-100 mils. The insulating layers 1210 0 , 1210 2 , 1210 n , in turn, can be formed with an insulating material, e.g., insulating PET materials. In a particular embodiment, the insulating layers 1210 0 , 1210 n can be formed with a thickness between approximately 5-10 mils, and the insulating layer 1210 2 can be formed with an insulating material consisting of a layer with a thickness between 5-20 mils.

Wie ferner am Einsatz 1250 in 12 gezeigt wird mit der erhabenen Anordnung des Gleichstrom-Busses 1200, der aus einem ersten horizontalen Abschnitt 1275 und einem zweiten erhabenen horizontalen Abschnitt 1280 besteht, eine mechanische Entkopplung von Wechselstrom-Bus-Schienen vom Zwischenkreis realisiert. Wie ebenfalls dargestellt, besitzt der ausgestaltete Gleichstrom-Bus eine Vielzahl von Ausnehmungen, einschließlich der repräsentativen Ausnehmungen 1260 und 1270 auf dem ersten horizontalen Abschnitt 1275. Genauer gesagt gewährleisten die Ausnehmungen 1260 eine Ausnehmung für Wechselstrom-Busse. Über die Ausnehmung 1260 kann eine Wechselstrom-Busschiene mit einem SiC-Gerät verschraubt werden. Der zweite horizontale Abschnitt 1280 wiederum kann eine Verbindung zu den Kondensatoren der Gleichstrom-Zwischenschaltung bieten.As further shown in the 1250 insert in 12 is shown with the sublime arrangement of the DC bus 1200, which consists of a first horizontal section 1275 and a second raised horizontal section 1280, realizes mechanical decoupling of AC bus bars from the intermediate circuit. As also illustrated, the configured DC bus has a plurality of recesses, including representative recesses 1260 and 1270 on the first horizontal section 1275. More specifically, the recesses 1260 provide a recess for AC buses. An AC bus bar can be bolted to a SiC device via the recess 1260. The second horizontal section 1280, in turn, can provide a connection to the capacitors of the DC intermediate circuit.

Über die Ausnehmungen 1270 können Gate-Treiberverbindungen hergestellt werden. Über diese Position der Ausnehmungen 1270 kann die Kupferfläche des Gleichstrom-Busses maximiert und das Design der Wechselstrom-Busschiene vereinfacht werden. Das heißt, die Wechselstrom-Bus-Schienen können gerade von der Rückseite des Leistungswandlers ausgehend angeordnet werden. Dies ermöglicht eine Reduktion von Kupfer (kleinere Wechselstrom-Busse) und die Vereinfachung der Unterbringung (kleinere Abmessungen). In einer Ausführungsform wird die positive und negative SiC-Vorrichtungsverbindung zum beschichteten Gleichstrom-Bus durch drei gestanzte Kreise erreicht, die auf jeder Seite der Ausnehmungen 1260 angeordnet sind. Zur Verbesserung der Kriechstrecken von DC-Bus-Anschlussstücken können im Gegensatz zu Gruppen gestanzter Kreise andere Öffnungen für SiC-Geräte-Anschlussstückformen verwendet werden. Mit dieser beschichteten Anordnung, die den ersten horizontalen Abschnitt 1275 mit Gate-Treiber-Öffnungen direkt durch den Gleichstrom-Bus hindurch beinhaltet, wird die Entkopplung von Wechselstrom-Bus-Schienen und Gleichstrom-Bus-Schienen ermöglicht.Gate driver connections can be made via the recesses 1270. This position of the recesses 1270 allows the copper area of the DC bus to be maximized and the design of the AC busbar to be simplified. This means that the AC busbars can be arranged straight from the back of the power converter. This allows for a reduction in copper (smaller AC buses) and simplification of packaging (smaller dimensions). In one embodiment, the positive and negative SiC device connection to the coated DC bus is achieved by three stamped circles arranged on each side of the recesses 1260. To improve the creepage distances of DC bus connectors, other openings for SiC device connector shapes can be used instead of groups of stamped circles. This coated arrangement, which includes the first horizontal section 1275 with gate driver openings directly through the DC bus, enables decoupling of AC bus rails and DC bus rails.

In einer weiteren Systemkonstruktion (nicht dargestellt) wird die Isolierung um die SiC-Geräte-Anschlussstücke herum maximiert, indem die Ausnehmungen 1270 und 1260 zu einer einzigen Öffnung auf einer Isolationsschicht vereint werden, um die Abstände auf über 5 mils zu erhöhen, ohne die Schleifeninduktivität des Systems signifikant zu erhöhen. Das gleiche Verfahren kann auch auf der negativen Kupferplatte 12103 durchgeführt werden.In another system design (not shown), isolation around the SiC device terminals is maximized by combining recesses 1270 and 1260 into a single opening on an insulating layer to increase the spacing to over 5 mils without significantly increasing the system's loop inductance. The same procedure can also be performed on the negative copper plate 1210 3 .

In 13 ist eine Anordnung mit entkoppelten Wechselstrom- und Gleichstrom-Bussen dargestellt. Genauer gesagt ist, wie in 13 dargestellt, eine Anordnung der Kühlplatten 1300 vorgesehen, auf der eine Vielzahl von Gate-Treiber-Schnittstellen 13100-1310n vorhanden sind. Wie vorstehend erläutert, liefern solche Treiberschnittstellen Steuersignale für Gates von SiCs oder anderen Schaltvorrichtungen 1330, die unterhalb der Gate-Treiberplatinen passend angeordnet sind (und die mit der Kühlplattenanordnung 1300 gekoppelt sind). Wie weiter veranschaulicht, sind neben den Schaltgeräten 1330 eine Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen 13200-1320n vorhanden. Während 5 solcher Wechselstrom-Bus-Schienen dargestellt sind, können in bestimmten Ausführungsformen mehr oder weniger davon vorhanden sein. Mit dieser Anordnung können die Wechselstrom-Bus-Schienen 1320 von einem Gleichstrom-Bus entkoppelt werden (nicht in 13 dargestellt), es ist aber so zu verstehen, dass so ein Gleichstrom-Bus an einer Rückseite der Kühlplattenanordnung 1300 angeordnet ist (während sich die Wechselstrom-Bus-Schienen 1320 von einem vorderen Abschnitt der Kühlplattenanordnung 1300 aus erstrecken). Auf diese Weise bieten die Wechselstrom-Bus-Schienen 1320 eine verbesserte Unterbringung der Leistungswürfel. Zu beachten ist, dass Ausgangs-Bus-Schienen-Würfel-Verbindungen (engl.: output bus bar cube connections, nicht in 13 dargestellt) mit Wechselstrom-Bus-Schienen 13203, 1320n verbunden sein können.In 13 An arrangement with decoupled AC and DC buses is shown. More precisely, as in 13 illustrated, an arrangement of cold plates 1300 is provided on which a plurality of gate driver interfaces 1310 0 -1310 n are present. As explained above, such driver interfaces provide control signals for gates of SiCs or other switching devices 1330 that are conveniently arranged below the gate driver boards (and that are coupled to the cold plate arrangement 1300). As further illustrated, a plurality of AC bus bars 1320 0 -1320 n are present next to the switching devices 1330. While five such AC bus bars are shown, more or fewer may be present in certain embodiments. With this arrangement, the AC bus bars 1320 can be decoupled from a DC bus (not shown). 13 shown), but it is to be understood that such a DC bus is disposed at a rear side of the cold plate assembly 1300 (while the AC bus bars 1320 extend from a front portion of the cold plate assembly 1300). In this manner, the AC bus bars 1320 provide improved packaging for the power cubes. It should be noted that output bus bar cube connections (not in 13 shown) can be connected to AC bus bars 1320 3 , 1320 n .

Claims (28)

Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: eine Vielzahl von Scheiben (225), die jeweils aufweisen: einen Transformator (230), der eine Vielzahl von segmentierten Primärwicklungen (816), die nebeneinander um einen Transformatorschenkel (815) angeordnet sind, wobei die Vielzahl von segmentierten Primärwicklungen (816) zum Koppeln mit einer Versorgungsquelle einer Eingangsleistung und eine Vielzahl von segmentierten Sekundärwicklungen (818) umfasst; und eine Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100), die mit der Vielzahl von segmentierten Sekundärwicklungen (818) verbunden sind, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100) eine aktive Niederfrequenz-Front-Endstufe (242, 246), eine Gleichstrom-Zwischenschaltung (DC-Link) und eine Hochfrequenz-Siliziumkarbid (SiC)-Inverterstufe (244, 248) zur Kopplung mit einer Hochfrequenzlast oder einer Hochgeschwindigkeitsmaschine (145) umfasst, wobei die Hochfrequenzlast eine Hochgeschwindigkeitsmaschine (145, 340) umfasst, die mit einer Frequenz zwischen 500-1000 Hertz arbeitet, wobei die Versorgungsquelle der Eingangsleistung mit einer Frequenz von 50/60 Hertz arbeiten soll.A medium-voltage power converter comprising: a plurality of disks (225), each having: a transformer (230) comprising a plurality of segmented primary windings (816) arranged side by side around a transformer leg (815), the plurality of segmented primary windings (816) for coupling to a supply source of input power and a plurality of segmented secondary windings (818); and a plurality of power cubes (240, 1100) connected to the plurality of segmented secondary windings (818), each of the plurality of power cubes (240, 1100) comprising an active low-frequency front-end stage (242, 246), a DC link, and a high-frequency silicon carbide (SiC) inverter stage (244, 248) for coupling to a high-frequency load or a high-speed machine (145), wherein the high-frequency load comprises a high-speed machine (145, 340) operating at a frequency between 500-1000 Hertz, wherein the input power supply source is intended to operate at a frequency of 50/60 Hertz. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, ferner umfassend einen oder mehrere Sensoren (312), die mit einem Eingang des Mittelspannungs-Leistungswandlers gekoppelt sind, um Sensorinformationen zu erhalten.Medium voltage power converter according to Claim 1 , further comprising one or more sensors (312) connected to an input of the means voltage-power converter to obtain sensor information. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 2, ferner umfassend ein Trennschaltersystem (105), das zwischen der Versorgungsquelle der Eingangsleistung und dem Mittelspannungs-Leistungswandler geschaltet ist.Medium voltage power converter according to Claim 2 , further comprising a circuit breaker system (105) connected between the input power supply source and the medium voltage power converter. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 3, wobei das Trennschaltersystem (105) zumindest teilweise auf den Sensorinformationen basierend den Mittelspannungs-Leistungswandler aktiv mit der Versorgungsquelle der Eingangsleistung verbinden oder trennen soll.Medium voltage power converter according to Claim 3 wherein the circuit breaker system (105) is to actively connect or disconnect the medium voltage power converter from the input power supply source based at least in part on the sensor information. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Netzschnittstellensteuerung (160) zum Speichern und Bereitstellen von Unterstützungsfunktionen für die Hochgeschwindigkeitsmaschine, eine mechanische Hochgeschwindigkeitslast und ein Versorgungsnetzsystem.Medium voltage power converter according to Claim 1 , further comprising a network interface controller (160) for storing and providing support functions for the high-speed machine, a high-speed mechanical load, and a utility network system. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Niederfrequenz-Front-Endstufe eine SiC-basierte aktive Front-Endstufe umfasst.Medium voltage power converter according to Claim 1 , wherein the low-frequency front-end stage comprises a SiC-based active front-end stage. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100) ein Gehäuse mit einer Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen (1180) umfasst, die zu einer ersten Fläche des Leistungswürfels (240) hin verschoben sind.Medium voltage power converter according to Claim 1 wherein each of the plurality of power cubes (240, 1100) comprises a housing having a plurality of AC bus bars (1180) shifted toward a first surface of the power cube (240). Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 7, wobei ein Gleichstrom-Bus (1160) der Gleichstrom-Zwischenschaltung eine beschichtete Anordnung umfasst, die zu einer zweiten Fläche des Leistungswürfels (240, 1100) hin verschoben ist, wobei die beschichtete Anordnung einen ersten horizontalen Abschnitt mit Gate-Treiber (gate drive)-Öffnungen aufweist, die dort direkt hindurch ausgebildet sind.Medium voltage power converter according to Claim 7 wherein a DC bus (1160) of the DC interconnect comprises a coated assembly shifted toward a second surface of the power cube (240, 1100), the coated assembly having a first horizontal section with gate drive openings formed directly therethrough. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 8, wobei der Gleichstrom-Bus (1160) ferner einen zweiten horizontalen Abschnitt umfasst, der zum ersten horizontalen Abschnitt vertikal versetzt ist, um mit einer Vielzahl von Kondensatoren (1165) zu koppeln, wobei die Vielzahl von Kondensatoren (1165) eine Kapazität zwischen etwa 7,6 und 11,4 Millifarad aufweisen.Medium voltage power converter according to Claim 8 wherein the DC bus (1160) further comprises a second horizontal portion vertically offset from the first horizontal portion for coupling to a plurality of capacitors (1165), the plurality of capacitors (1165) having a capacitance between about 7.6 and 11.4 millifarads. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 9, wobei der zweite horizontale Abschnitt zur Kopplung mit einer Vielzahl von Kondensatoren (1165) vorgesehen ist.Medium voltage power converter according to Claim 9 , wherein the second horizontal section is provided for coupling to a plurality of capacitors (1165). Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 10, wobei der erste horizontale Abschnitt umfasst: eine Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Ausnehmungen, über die eine Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen (1180) mit mindestens einer SiC-Vorrichtung gekoppelt werden sollen; und eine Vielzahl von Gate-Treiber-Schnittstellen (gate driver interfaces), über die Verbindungen zum Kommunizieren von Gate-Treiber-Signalen passend eingerichtet sind.Medium voltage power converter according to Claim 10 , wherein the first horizontal section comprises: a plurality of AC bus recesses through which a plurality of AC bus rails (1180) are to be coupled to at least one SiC device; and a plurality of gate driver interfaces through which connections for communicating gate driver signals are suitably established. Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: eine Vielzahl von Scheiben (225), von denen jede einen Transformator (230) aufweist, der eine Vielzahl von segmentierten Primärwicklungen (816), die um einen Transformatorschenkel (815) angeordnet sind, wobei der Transformator (230) zur Verbindung mit einem gemeinsamen Kopplungspunkt eines Versorgers bei einer ersten Frequenz ausgelegt ist, wobei die Versorgungsquelle der Eingangsleistung mit einer Frequenz von 50/60 Hertz arbeiten soll, und eine Vielzahl von segmentierten Sekundärwicklungen (818) jeweils zum Koppeln an einen der Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100) der Scheibe (225) aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100) eine aktive (IGBT-) Front-Endstufe (246) mit Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor), eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Siliziumkarbid-(SiC-)Back-Endstufe (244, 248) zum Koppeln mit einer Last bei einer zweiten Frequenz umfasst, wobei die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz ist und wobei die Last eine Hochgeschwindigkeitsmaschine (145, 340) umfasst, die mit einer Frequenz zwischen 500-1000 Hertz arbeitet.A medium-voltage power converter comprising: a plurality of disks (225), each having a transformer (230) comprising a plurality of segmented primary windings (816) arranged around a transformer leg (815), the transformer (230) being configured for connection to a common coupling point of a utility at a first frequency, the input power supply source being configured to operate at a frequency of 50/60 Hertz, and a plurality of segmented secondary windings (818), each for coupling to one of the plurality of power cubes (240, 1100) of the disk (225), each of the plurality of power cubes (240, 1100) comprising an active insulated-gate bipolar transistor (IGBT) front-end stage (246), a DC link, and a silicon carbide (SiC) back-end stage (244, 248) for coupling to a load at a second frequency, wherein the second frequency is greater than the first frequency, and wherein the load comprises a high-speed machine (145, 340) operating at a frequency between 500-1000 Hertz. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 12, wobei, sofern die Last eine Energiequelle ist, die SiC-Back-Endstufe als Gleichrichter und die aktive IGBT-Front-Endstufe als Inverter betrieben werden soll, um zu ermöglichen, dem Versorger erzeugten Strom über den gemeinsamen Kopplungspunkt zuzuführen.Medium voltage power converter according to Claim 12 , where, if the load is an energy source, the SiC back power stage should be operated as a rectifier and the active IGBT front power stage as an inverter to enable the generated power to be supplied to the utility via the common coupling point. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 13, der ferner eine Steuerung umfasst, die, wenn der Versorger die Stromquelle ist, ermöglicht, die SiC-Back-Endstufe als Inverter und die aktive IGBT-Front-Endstufe als Gleichrichter zu betreiben.Medium voltage power converter according to Claim 13 , which further comprises a control which, when the utility is the power source, enables the SiC back power stage to operate as an inverter and the active IGBT front power stage to operate as a rectifier. Transformator für einen Mittelspannungs-Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder nach einem der Ansprüche 12 bis 14, umfassend: eine Vielzahl von Kernschenkeln (815), die zwischen einer ersten Säule (811) und einer zweiten Säule (812) passend angeordnet sind, wobei jeder der Vielzahl von Kernschenkeln aufweist: einen Satz von segmentierten Primärwicklungen (816), die um den entsprechenden Kernschenkel herum passend nebeneinander angeordnet sind; und einen Satz von segmentierten Sekundärwicklungen (818), die um den Satz von segmentierten Primärwicklungen (816) herum passend angeordnet sind.Transformer for a medium-voltage power converter according to one of the Claims 1 until 11 or after one of the Claims 12 until 14 , comprising: a plurality of core legs (815) arranged between a first column (811) and a second Column (812) are arranged in a suitable manner, wherein each of the plurality of core legs comprises: a set of segmented primary windings (816) arranged in a suitable manner adjacent to one another around the corresponding core leg; and a set of segmented secondary windings (818) arranged in a suitable manner adjacent to the set of segmented primary windings (816). Transformator nach Anspruch 15, wobei jeder der Vielzahl von Kernschenkeln einer Phase einer dreiphasigen Stromversorgung zugeordnet ist.Transformer according to Claim 15 wherein each of the plurality of core legs is associated with a phase of a three-phase power supply. Transformator nach Anspruch 16, wobei der Satz von segmentierten Primärwicklungen (816) für einen ersten Kernschenkel parallelgeschaltet ist.Transformer according to Claim 16 wherein the set of segmented primary windings (816) for a first core leg is connected in parallel. Transformator nach Anspruch 15, wobei: jede aus einem ersten Satz von segmentierten Sekundärwicklungen (818), die um den, um einen ersten Kernschenkel herum passend angeordneten, Satz von segmentierten Primärwicklungen (816) herum passend angeordnet sind, gekoppelt ist mit einem von einem ersten Leistungswürfel (240, 1100), wobei der erste Leistungswürfel (240, 1100) eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, einem zweiten Leistungswürfel (240, 1100), der eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, und einem dritten Leistungswürfel (240, 1100), der eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst; jede aus einem zweiten Satz von segmentierten Sekundärwicklungen (818), die um den Satz von, um einen zweiten Kernschenkel herum passend angeordneten, segmentierten Primärwicklungen (816) herum passend angeordnet sind, gekoppelt ist mit einem von dem ersten Leistungswürfel (240, 1100), dem zweiten Leistungswürfel (240, 1100) und dem dritten Leistungswürfel (240, 1100); und jede aus einem dritten Satz von segmentierten Sekundärwicklungen (818), die um den, um einen dritten Kernschenkel passend angeordneten, Satz von segmentierten Primärwicklungen (816) herum passend angeordnet sind, gekoppelt ist mit einem von dem ersten Leistungswürfel (240, 1100), dem zweiten Leistungswürfel (240, 1100) und dem dritten Leistungswürfel (240, 1100).Transformer according to Claim 15 wherein: each of a first set of segmented secondary windings (818) matingly disposed around the set of segmented primary windings (816) matingly disposed around a first core leg is coupled to one of a first power cube (240, 1100), the first power cube (240, 1100) comprising a low-frequency front-end stage, a DC intermediate circuit, and a high-frequency back-end stage, a second power cube (240, 1100) comprising a low-frequency front-end stage, a DC intermediate circuit, and a high-frequency back-end stage, and a third power cube (240, 1100) comprising a low-frequency front-end stage, a DC intermediate circuit, and a high-frequency back-end stage; each of a second set of segmented secondary windings (818) matingly disposed around the set of segmented primary windings (816) matingly disposed around a second core leg is coupled to one of the first power cube (240, 1100), the second power cube (240, 1100), and the third power cube (240, 1100); and each of a third set of segmented secondary windings (818) matingly disposed around the set of segmented primary windings (816) matingly disposed around a third core leg is coupled to one of the first power cube (240, 1100), the second power cube (240, 1100), and the third power cube (240, 1100). Transformator nach Anspruch 18, wobei die Vielzahl von segmentierten Sekundärwicklungen (818) eine symmetrische Impedanz für die Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100) bereitstellt.Transformer according to Claim 18 wherein the plurality of segmented secondary windings (818) provide a symmetrical impedance for the plurality of power cubes (240, 1100). Transformator nach Anspruch 18, wobei zur Gewährleistung einer gegenseitigen Entkopplung jede aus dem Satz von segmentierten Primärwicklungen (816) von einer anderen aus dem Satz von segmentierten Primärwicklungen (816) einen ersten Trennungsabstand von mindestens zwei Zoll besitzt.Transformer according to Claim 18 wherein, to ensure mutual decoupling, each of the set of segmented primary windings (816) has a first separation distance of at least two inches from another of the set of segmented primary windings (816). Transformator nach Anspruch 20, wobei die Vielzahl von segmentierten Sekundärwicklungen (818) zur Gewährleistung von Steuerstabilität einen Teil der symmetrischen Impedanz für die Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100) bereitstellt.Transformer according to Claim 20 wherein the plurality of segmented secondary windings (818) provide a portion of the symmetrical impedance for the plurality of power cubes (240, 1100) to ensure control stability. Transformator nach Anspruch 21, wobei jede aus dem Satz von segmentierten Primärwicklungen (816) von dem Satz von segmentierten Sekundärwicklungen (818) einen zweiten Trennungsabstand von mindestens einem halben Zoll besitzt.Transformer according to Claim 21 wherein each of the set of segmented primary windings (816) has a second separation distance of at least one-half inch from the set of segmented secondary windings (818). System, umfassend: einen Mittelspannungs-Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder nach einem der Ansprüche 12 bis 14, umfassend: einen ersten Schrank (500), der umfasst: eine Leistungswürfelaufnahme zur Aufnahme einer Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100), wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100) innerhalb eines entsprechenden Gehäuses eingepasst ist und eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, wobei die Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100) zur Kopplung an eine Hochgeschwindigkeitsmaschine vorgesehen ist; eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator (230) zum Koppeln zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100), wobei die Transformatoraufnahme beinhaltet: eine Vielzahl von Kühlgebläsen (520) zum Kühlen des mindestens einen Transformators (230); und wobei der mindestens eine Transformator (230) umfasst: eine Vielzahl von Kernschenkeln, die zwischen einer ersten Säule und einer zweiten Säule eingepasst sind, wobei: ein erster Kernschenkel eine erste Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen ersten Satz von segmentierten Primärwicklungen (816), die um die erste Vielzahl von Kühlplatten herum passend nebeneinander angeordnet sind, und einen ersten Satz von segmentierten Sekundärwicklungen (818), die um den ersten Satz von segmentierten Primärwicklungen (816) passend angeordnet sind, aufweist; ein zweiter Kernschenkel eine zweite Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen zweiten Satz von segmentierten Primärwicklungen (816), die um die zweite Vielzahl von Kühlplatten herum passend nebeneinander angeordnet sind, und einen zweiten Satz von segmentierten Sekundärwicklungen (818), die um den zweiten Satz von segmentierten Primärwicklungen (816) herum passend angeordnet sind, aufweist; ein dritter Kernschenkel eine dritte Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen dritten Satz von segmentierten Primärwicklungen (816), die um die dritte Vielzahl von Kühlplatten herum passend nebeneinander angeordnet sind, und einen dritten Satz von segmentierten Sekundärwicklungen (818), die um den dritten Satz von segmentierten Primärwicklungen (816) herum passend angeordnet sind, aufweist.System comprising: a medium voltage power converter according to one of the Claims 1 until 11 or after one of the Claims 12 until 14 , comprising: a first cabinet (500) comprising: a power cube receptacle for receiving a plurality of power cubes (240, 1100), each of the plurality of power cubes (240, 1100) fitted within a respective housing and comprising a low-frequency front-end stage, a DC link, and a high-frequency back-end stage, the plurality of power cubes (240, 1100) being provided for coupling to a high-speed machine; a transformer receptacle having at least one transformer (230) for coupling between a supply terminal and the plurality of power cubes (240, 1100), the transformer receptacle including: a plurality of cooling fans (520) for cooling the at least one transformer (230); and wherein the at least one transformer (230) comprises: a plurality of core legs fitted between a first column and a second column, wherein: a first core leg has a first plurality of cooling plates fitted therein, a first set of segmented primary windings (816) fitted adjacent to one another around the first plurality of cooling plates, and a first set of segmented secondary windings (818) fitted around the first set of segmented primary windings (816); a second core leg has a second plurality of cooling plates fitted therein, a two th set of segmented primary windings (816) matingly disposed around the second plurality of cooling plates, and a second set of segmented secondary windings (818) matingly disposed around the second set of segmented primary windings (816); a third core leg has a third plurality of cooling plates matingly disposed therein, a third set of segmented primary windings (816) matingly disposed around the third plurality of cooling plates, and a third set of segmented secondary windings (818) matingly disposed around the third set of segmented primary windings (816). System nach Anspruch 23, ferner umfassend: eine erste Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt der ersten Säule passend angeordnet ist; und eine zweite Kühlplatte, die an mindestens einen Abschnitt der zweiten Säule passend angeordnet ist.System according to Claim 23 , further comprising: a first cooling plate matingly disposed to at least a portion of the first column; and a second cooling plate matingly disposed to at least a portion of the second column. System nach Anspruch 23, wobei der erste Schrank (500) in Bezug auf eine äußere Umgebung abgedichtet ist, wobei mindestens eine erste Öffnung zwischen der Transformatoraufnahme und der Leistungswürfelaufnahme vorgesehen ist, um einen ersten Kühlluftstrom von der Transformatoraufnahme zur Leistungswürfelaufnahme zu gewährleisten, und mindestens eine zweite Öffnung zwischen der Transformatoraufnahme und der Leistungswürfelaufnahme vorgesehen ist, um einen Abluftstrom von der Leistungswürfelaufnahme zur Transformatoraufnahme zu gewährleisten.System according to Claim 23 , wherein the first cabinet (500) is sealed with respect to an external environment, wherein at least a first opening is provided between the transformer receptacle and the power cube receptacle to ensure a first cooling air flow from the transformer receptacle to the power cube receptacle, and at least a second opening is provided between the transformer receptacle and the power cube receptacle to ensure an exhaust air flow from the power cube receptacle to the transformer receptacle. System nach Anspruch 23, das ferner eine Vielzahl von ersten Barrieren umfasst, die geeignet sind, einen isolierten ersten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln (240, 1100) zu leiten.System according to Claim 23 further comprising a plurality of first barriers adapted to direct an isolated first cooling air stream through one of the plurality of power cubes (240, 1100). System nach Anspruch 23, das ferner ein erstes zweiphasiges Kühlsystem zum Kühlen des mindestens einen Transformators (230) über die erste, zweite und dritte Vielzahl von Kühlplatten umfasst.System according to Claim 23 further comprising a first two-phase cooling system for cooling the at least one transformer (230) via the first, second and third plurality of cooling plates. System nach Anspruch 27, das ferner ein zweites zweiphasiges Kühlsystem zum Kühlen von mindestens der Niederfrequenz-Front-Endstufe und der Hochfrequenz-Back-Endstufe der Vielzahl von Leistungswürfeln umfasst.System according to Claim 27 further comprising a second two-phase cooling system for cooling at least the low-frequency front-end stage and the high-frequency back-end stage of the plurality of power cubes.
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