DE102019008177B4 - HIGH-FREQUENCY MEDIUM-VOLTAGE DRIVE SYSTEM FOR HIGH-SPEED MACHINE APPLICATIONS - Google Patents
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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.
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.
Description
Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter der Förderkennzeichen DE-
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.
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
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
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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
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
Obwohl in
Mit Bezug auf die weiteren Details, die in der Abbildung in
Weiterhin mit Bezug auf
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
In
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
In der Ausführung in
In
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
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
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
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-
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
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
Um die Kommunikation zwischen der Steuerung 430 und dem Gate-Treiber 435 zu gewährleisten können Kupferverbindungen verwendet werden.As shown, the
To ensure communication between the
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
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
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
In
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
In noch einer weiteren Ausführungsform sind sowohl Transformator- als auch Leistungswürfel, wie in
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
Noch unter Bezugnahme auf
In
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
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
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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
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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.
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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
Noch unter Bezugnahme auf
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.
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.
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Wie ferner am Einsatz 1250 in
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
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
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