DE102019008177A1 - 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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Enrique Ledezma
Paulo Guedes-Pinto
Randall Pipho
Bhaskara Palle
Ryan Edwards
Alex Skorcz
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Abstract

Ein Aspekt der Erfindung beinhaltet, dass ein Mittelspannungs-Leistungswandler eine Vielzahl von Scheiben umfasst, die jeweils Folgendes aufweisen: einen Transformator mit einer Vielzahl von Primärwicklungen zum Koppeln mit einer Versorgungsquelle für Eingangsleistung und einer Vielzahl von Sekundärwicklungen; und eine Vielzahl von Leistungswürfeln, die mit der Vielzahl von Sekundärwicklungen gekoppelt sind, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichspannungsverbindung und eine Hochfrequenz-Siliziumkarbid (SiC)-Inverterstufe zum Koppeln mit einer Hochfrequenzlast oder einer Hochgeschwindigkeitsmaschine umfasst.One aspect of the invention includes that a medium voltage power converter comprises a plurality of disks, each comprising: a transformer having a plurality of primary windings for coupling to a supply source for input power and a plurality of secondary windings; and a plurality of power cubes coupled to the plurality of secondary windings, each of the plurality of power cubes comprising a low frequency front end stage, a DC link, and a high frequency silicon carbide (SiC) inverter stage for coupling to a high frequency load or high speed machine.

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 Ministry of Energy. The government has certain rights in 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 high demands of various industries to improve overall system performance and costs. The special challenges for the systems include operation at higher fundamental frequencies than is currently possible, e.g. Up to 1000 hertz (Hz) for direct drive applications, high-performance MV drives to meet the power requirements in the medium power range (e.g. up to 20 megawatts (MW)), overall efficiency of the converter system better than 97% and reduced volumetric power density and footprint to improve system power density and costs. Current systems are not capable of such an 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.Rather, traditional multi-megawatt and multi-level medium-voltage power converter technologies work on the basis of silicon components in the range of basic frequencies from 0-120Hz, circuits at 600 Hz and efficiencies of 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 reductions in power density.

Aufgabe und Lösung der ErfindungObject and solution of the invention

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.One aspect of the invention includes that a medium voltage power converter comprises a plurality of disks, each comprising: a transformer having a plurality of primary windings for coupling to a supply source for 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 including a low frequency front end stage, a DC link, and a high frequency silicon carbide (SiC) inverter stage for coupling to a high frequency load or 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 includes one or more sensors coupled to an input of the medium voltage power converter to obtain sensor information. The medium voltage power converter may further comprise a circuit breaker system connected between the supply source of the input power and the medium voltage power converter. The disconnector system can actively connect or disconnect the medium-voltage power converter based at least in part on the sensor information with the supply source of the input power. The medium voltage power converter may further include a network interface controller for storing and providing support functions for a high speed electrical machine coupled to a high speed mechanical load and a utility network. The high frequency load can be a high speed machine operating at a frequency between 500-1000 hertz with the input power supply source operating at a frequency of 50/60 hertz. The low-frequency front end stage can be an SiC-based active front end stage. Each of the plurality of power cubes includes a housing with a plurality of AC bus bars that are shifted toward a first surface of the power cube. A direct current bus (DC bus) of the direct current intermediate circuit can have a coated arrangement which is displaced toward a second surface of the power cube, the coated arrangement having a first horizontal section with gate driver openings (English: gate drive openings) that are formed directly through it. The DC bus may further include a second horizontal section that is 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 approximately 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 large number of gate driver interfaces via which connections for communicating gate driver signals are suitably set up.

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 that a medium voltage power converter comprises: 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 performance cubes of the disk, each of the plurality of performance cubes an active (IGBT) front end stage with insulated gate bipolar transistor (English: insulated gate bipolar transistor, IGBT), a DC intermediate circuit and an SiC back end stage for coupling to a load at a second frequency, wherein the second frequency is 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, if an energy source is present instead of a load, the SiC back output stage is to be operated as a rectifier and the active IGBT front output stage is to be operated as an inverter in order to enable current to be supplied to the provider via the common coupling point. The medium-voltage power converter can also include a controller which ensures that, when the supplier is the power source, the SiC back output stage functions as an inverter and the active IGBT front output stage functions 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 that a transformer for a medium voltage power converter comprises: a plurality of core legs that fit between a first pillar and a second pillar, each of the plurality of core legs having: a set of primary windings, which are appropriately arranged around the corresponding core leg; and a set of secondary windings suitably arranged 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 can be connected in parallel. In one embodiment, each of a first set of secondary windings that are arranged around the set of primary windings that fit around a first core leg is coupled to one of a first power cube, the first power cube being a low frequency front end , a DC intermediate circuit and a high-frequency back-end stage, a second power cube with a low-frequency front-end stage, a DC intermediate circuit and a high-frequency back-end stage, and a third power cube with a low-frequency front end stage, one DC intermediate circuit and a high-frequency back amplifier; each is made up of a second set of secondary windings that are fitted around the set of primary windings that fit around a second core leg, coupled to one of the first power cube, the second power cube, and the third power cube; and is each of a third set of secondary windings, which are arranged around the set of primary windings, which are arranged to fit around a third core leg, 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 provide symmetrical impedance for 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 ensure decoupling from one another. The variety of secondary windings provides part of the symmetrical impedance for the variety of performance cubes to ensure tax stability. Each of the set of primary windings can be spaced from the set of secondary windings by a second separation distance of at least half an 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 that a medium voltage power converter includes a cabinet with: a power cube receptacle to accommodate a plurality of power cubes, each of the plurality of power cubes being fitted within a corresponding housing and a low frequency front end, a direct current Intermediate circuit and a high-frequency back-end stage, wherein the plurality of power cubes is provided for coupling to a high-speed machine; and a plurality of first barriers adapted to direct an isolated first flow of cooling air through one of the plurality of power cubes; and a transformer receptacle with at least one transformer for coupling between a supply connection 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 divert the first cooling air flow from the transformer receptacle into the power cube receptacle and at least a second opening to direct an air flow emerging from the plurality of power cubes from the power cube receptacle into the transformer receptacle. The large number of cooling fans can extract the escaping air flow. The cabinet may include a permeable element to enable a second flow of cooling air from an external environment to be directed through the plurality of cooling fans through the at least one transformer. The cabinet can be designed as a sealed housing. In one example, the transformer receptacle is to be air-cooled and the power cube receptacle is liquid-cooled. The Power cubes can be isolated from the transformer.

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 mount includes: a heat exchanger for extracting heat from the first cooling air stream; a first opening to allow the first flow of cooling air to pass 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 that a system includes one or more medium voltage power converters, each of which may include a first cabinet, comprising: a power cube receptacle for receiving a plurality of power cubes, each of the plurality of power cubes within a corresponding housing is fitted and comprises a low-frequency front end stage, a DC intermediate circuit and a high-frequency back end stage and the plurality of power cubes is provided for coupling to a high-speed machine; a transformer holder with at least one transformer for coupling between a supply connection and the plurality of power cubes. The transformer receptacle can 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 suitably arranged between a first column and a second column, wherein: a first core leg has a first plurality of cooling plates arranged there, one to fit around the first plurality of cooling plates an arranged first set of primary windings and a first set of secondary windings suitably arranged around the first set of primary windings; a second core leg has a second plurality of cooling plates suitably arranged there, a second set of primary windings suitably arranged around the second plurality of cooling plates, and a second set of secondary windings suitably arranged around the second set of primary windings; a third core leg comprises a third plurality of cooling plates suitably arranged there, a third set of primary windings suitably arranged around the third plurality of cooling plates, and a third set of secondary windings suitably 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 cooling plate that mates with at least a portion of the first column; and a second cooling plate matingly disposed on at least a portion of the second column. The first cabinet can be sealed with respect to an external environment, at least one first opening being provided between the transformer receptacle and the power cube receptacle in order to ensure a first cooling air flow from the transformer receptacle to the power cube receptacle, and at least a second opening between the transformer receptacle and the power cube receptacle is provided to ensure an exhaust air flow from the power cube holder to the transformer holder.

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 includes a plurality of first barriers adapted to direct an isolated first flow of cooling air 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 cooling 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 include.

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 a further embodiment, a device 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 being fitted in a corresponding housing and comprising a front end stage, a DC intermediate circuit and a back end stage; a plurality of first barriers adapted to direct an isolated flow of cooling air through one of the plurality of power cubes; and a transformer receptacle with at least one transformer for coupling between a supply connection and the plurality of power cubes. The transformer receptacle may include: a plurality of cooling fans for directing the cooling air flow, the cabinet having at least one first opening for directing the cooling air flow from the transformer receptacle to the power cube receptacle, and at least a second opening for directing an air flow emerging from the plurality of power cubes from the power cubic receptacle for transformer mounting.

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 device further includes: a first plurality of cooling plates mating 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 mating around the first core leg; a second plurality of cooling plates, which are arranged to fit around a second core leg of the at least one transformer, and are arranged between the second core leg and a second set of primary windings suitably arranged around the second core leg; and a third plurality of cooling plates which are arranged to fit around a third core leg of the at least one transformer and are arranged between the third core leg and a third set of primary windings which are arranged to fit 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 device may further include: a first cooling plate that mates with at least a portion of a first column of the at least one transformer; and a second cooling plate matingly disposed on 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 cooling plates and a second two-phase cooling system for cooling at least the plurality of power cubes. The cabinet can be a sealed housing. The device may further include a plurality of choke coils fitted within the transformer receptacle, each of the plurality of choke coils connected between the at least one transformer and a corresponding one of the plurality of power cubes.

FigurenlisteFigure list

  • 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Hochgeschwindigkeits-LeistungswandlerUmgebung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 10 is a schematic diagram of a high speed power converter 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 10 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. 2 B 10 is a schematic circuit 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 10 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. 3rd 10 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. 4th 10 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 10 is a side view of a power converter cabinet according to an embodiment.
  • 6 ist eine Seitenansicht eines Leistungswandler-Schranks gemäß einer weiteren Ausführungsform. 6 10 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 10 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 10 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 10 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 FIG. 10 is a cross-sectional view of a transformer column that further illustrates a cooling arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • 8D ist eine Darstellung eines Transformators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8D 10 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 10 is a schematic diagram of transformer terminals 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 10 is a graphical representation of a disc transformer efficiency curve according to an embodiment of the present invention.
  • 10 ist eine grafische Darstellung einer Scheibenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10th 10 is a graphical representation of a disk assembly in accordance with another embodiment of the present invention.
  • 11 ist eine grafische Darstellung eines ganzen SiC-basierten Leistungswürfels gemäß einer Ausführungsform. 11 10 is a graphical representation of an entire SiC-based performance cube according to one embodiment.
  • 12 ist eine grafische Darstellung einer Gleichstrom-Bus-Anordnung gemäß einer Ausführungsform. 12 10 is a graphical representation of a DC bus arrangement according to an embodiment.
  • 13 ist eine Anordnung mit entkoppelten Wechselstrom- und Gleichstrom-Bussen gemäß einer Ausführungsform. 13 10 is an AC and DC bus decoupled arrangement 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 implemented using a broadband 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 converters and a high-speed induction machine are coupled together to enable bidirectional power transmission. The power transmission takes place between a supply network and a mechanical load. In further embodiments, the power converter system can be connected to an electrical or other high-speed load that can serve as a source, so that the system can transmit the collected energy with a suitable voltage and a suitable current to a supply network.

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 used for highly efficient systems on complete WBG devices such as silicon carbide (SiC) metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) or for cost-effective applications on active (IGBT) front end stages with bipolar transistor with insulated gate electrode gate bipolar transistor, IGBT), in which system derating is permissible and a minimum system power density and footprint are not restrictive. In another embodiment, a hybrid power topology (e.g., IGBT and SiC power MOSFET combinations) can be used - for easier 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 a schematic diagram of a power converter environment according to an embodiment of the present invention is now shown. More specifically, as in 1 shown the power converter environment 100 implemented with a modular high-speed and high-frequency medium-voltage system converter with a hybrid converter arrangement in the manner described above. In the in 1 The embodiment shown is a system converter 115 via a point of common coupling (PCC) with a supply network (which can be operated with a frequency of 50 or 60 Hz depending on the country) through a disconnector system 105 connected. For example, the system converter is coupling 115 again 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 as 1.8 - 2.3 MVA high-frequency converters with a nominal voltage of 4160 volts (V) and operable between 500-1000 Hertz (Hz). As shown, the system converter can 115 a multi-slice arrangement with a single network control, where a converter system control is arranged, and 3 slices, which act as a subsystem 120 are included. In the overview view in 1 it should be noted that the subsystem 120 consists of disks with hybrid technology, namely front ends consisting of IGBTs and back ends consisting of SiCs - which results in a hybrid topology. As used here, the term “slice” refers to a portion of a power converter system that includes at least one transformer and several so-called power cubes that include semiconductor switching devices. A slice-based system thus couples between a network connection that can operate at a first, low frequency and a load connection that can operate at a second, high frequency. And as described here, the direction of power flow through a disk can be bidirectional depending on the given system implementation and control configuration. It should be noted that the term “low frequency” as used here refers to a frequency of a supplier - generally less than 100 Hz and in particular 50 or 60 Hz. And the term “high frequency” is used as used here operate at a frequency that is significantly greater than the supply frequency. Representative applications of a power converter can, for example, be coupled to high-frequency loads between approx. 500 Hz - 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) Dl. 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 Represented as a hybrid topology, it should be understood that a complete WBG-based topology can be present in other implementations. With associated electronics, this arrangement of the system converter 115 also referred to here as a modular power building block (MPBB). Details of a specific MPBB and a disk are described in more detail below. As shown, the subsystem couples 120 between an input from the supply network via a vacuum contactor VC1 and protection by means of transient voltage suppression (TVS) Dl. In return, an output of the subsystem couples 120 via a 3-phase, simply shielded power cable 129 to another housing 140 in which there is an electrical machine 145 located.

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 regard to the further details shown in the figure in 1 system converter 115 an external cooling unit 123 that have an optical fiber connection with the subsystem 120 connected is. In addition, a high voltage feedback board (HVF) 122 between the input of the subsystem 120 and its output switched. HVF 122 continues to couple to a main system control board (MSCB) 124 , which in turn is connected to a programmable logic controller (PLC) of the system 126 is coupled. As shown, the system PLC couples 126 to a fiber to RS232 converter 128 to provide a fiber interface. In addition, HVF couples 122 to a recipient 125 . The communication blocks 128 and 125 offer a fiber-optic implementation to minimize the effects of latency and noise on local command communication signals between the speed system inverter 115 with variable frequency and the high-speed machine 140 . The control panel MSCB 124 processes the control signal from HVF 122 , System PLC 126 and receiver 125 . The control panel MSCB 124 transfers the generated actions via the system PLC 126 to the rest of the system and voltage command references to the subsystem 120 for space vector pulse width modulation (SVPWM) and the implementations of spread carrier PWM switch modulation.

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.Continue with reference to 1 are also details of the high speed machine 140 shown. As illustrated, the high speed machine 140 be designed in one embodiment for a nominal power of 4160 V and 15,000 rpm or for other nominal powers of higher voltage and speed. The high-speed machine 140 includes an electrical machine 145 using a shielded power cord 129 3-phase current receives. Measurements related to the parameters of the electrical machine 145 can be performed by various components, including the RTDs 143 , whose outputs via a fiber optic connection via an RTD fiber converter 142 , Acceleration sensors 152 , Proximity switch 154 and a phase position sensor (key phasor) 156 can be sent. As shown, these components can be controlled by a controller, namely a network interface controller 160 , are connected to the system PLC via fiber optic interfaces 126 of the system converter 115 is coupled. In a preferred embodiment, the network interface controller is located 160 within the MPBB 115 and offers advanced support functions for the high-speed machine 140 , a controller for high speed mechanical loads 165 (English: high speed mechanical load controller) and a network system manager 170 . In addition, the network interface control offers 160 Local smart capability by storing and processing connection information, such as 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 includes 140 also a power supply 141 which can be configured as a 120 VAC / 24 VDC power supply, which in turn is a transmitter 144 (English: transmitter) and an encoder 146 (English: encoder) supplied, which can be coupled to a mechanical load. In 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 is a schematic circuit diagram of a representative SiC-based modular power module (MPBB) 200 shown. In typical versions, the modularity can be guaranteed by a system converter with several MPBBs. For better illustration, however, is in 2A only one MPBB shown. In the embodiments, the MPBB 200 be carried out in one or more modular housings, for example in a series of cabinet housings. Regarding MPBB 200 are a variety of discs 225 1 -225 3 available. In one example of a modular implementation, each slice can 225 can be implemented in a separate window cabinet. Although to simplify the illustration in 2nd is not shown in this way, it is to be understood that an MPBB can also contain a further cabinet for accommodating a network control and the associated electronic circuits, as 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 you can see, each disc contains 225 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 configured in a DELTA configuration. More specifically, each transformer includes 230 a large number 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 that is 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 at the input (GRID) are connected in parallel. As shown, the secondary windings of the transformers couple 230 again to corresponding performance 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 inverter operations to process a current flow, including converting an incoming power at a first frequency to an outgoing, processed one Power with a second frequency. Depending on the direction of the power flow, the first frequency can 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 especially in the schematic in 2 B 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 , which is made up of a variety of SiC switching devices, a DC bus with a capacitance C1 is implemented, and an H-bridge converter stage 244 , which is implemented with another variety of SiC switching devices. It should be noted that the component 242 a rectifier and the component 244 is an inverter when the power in the block diagram in 2 B flows from left to right. If the power flows from right to left, the component is working 242 as an inverter and the component 244 as a rectifier. AFE means that the level is actively controlled. In this embodiment, the switching frequency of the SiC devices is set between 4 and 12 kHz, but depending on the various operating requirements (e.g. 2-phase cooling plate temperature resistance limit) and the desired performance goals (e.g. control stability of the DC bus control), other switching frequencies be used. For example, in the production plant (from right to left on the power cube 240 ) the specified active power is recorded on the single-phase AC side at 740VAC and by the power converter stage 244 processed according to a PWM control scheme. This power is through the capacitor bank C1 the DC intermediate circuit by the power stage 242 regulated to 1000VDC using a SVPWM control scheme, transmitted and delivered on the 3-phase AC side at 600V. The collected system power energy is through the disconnector system 105 transferred to the power grid by on the network interface control 160 implemented tax actions is controlled. During engine operation, the active power flows from left to right according to the opposite control process described above. During this mode, the high speed machine system can 140 using one on the MSCB 124 implemented speed control algorithm can be controlled.

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 execution in 2C an alternative embodiment of a performance cube is shown schematically. Here is the performance cube 240 ' implemented with a hybrid topology that is a front end 246 from IGBTs, one by one capacity C1 represented DC bus and a back-end stage 248 with SiCs. As with the discussion above, depending on the direction of the power flow, either the front power amplifier 246 or the back amplifier 248 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 between 6 kHz and 12 kHz, but other switching frequencies can be used depending on the operating requirements and desired performance goals. The main advantage of the performance topology of the performance cube 240 ' can be an inexpensive system implementation. The back amplifier 248 can use SiC-based devices (e.g. 1700V SiC power MOSFETS) and the front end stage 246 can be implemented with inexpensive 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 3rd a schematic representation of a system according to a further embodiment of the present invention is now shown. As in 3rd shown is the system 300 as a multi-megawatt scale power converter system 310 executed. More specifically, is the representative power converter 310 as a scalable, fully SiC-based multi-megawatt power converter with a variety of modular drive housings 315 1 -315 n or SiC-MPBBs, each with a multi-disc system converter 320 1 -320 n include. Every MPBB 315 includes a multi-disc system converter 320 and a network cabinet (system control, output / input sensors, input / output AC connections). The number of MPBBs that form a specific power converter depends on the design and depends on the power requirement.

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 is 310 with a net 302 connected, which can supply 3-phase electricity with 13.8 kilovolts (kV). As seen, the power converter couples 310 via a PCC to the network 302 . The power converter 310 in turn, can couple to various loads, including a high speed electrical machine 340 that can be coupled to a high speed mechanical load or other electrical machine system (not shown). As illustrated in the illustrated embodiment, any power converter can 310 Output 3-phase current with 4.16 kV at a certain frequency (e.g. between 500-1000 Hz) or a higher nominal voltage 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.Regarding the representative power conversion system 310 the incoming power is via a disconnector system 305 to an input of a certain drive housing 315 provided. In an exemplary embodiment, this input power may be provided at 74 amps (A). And in one embodiment, each MPBB 315 , which includes a set of disks, provide output power at 350A. In the in 3rd Each MPBB can display the overview view 315 , at an entrance to the windows as in above 1 described components, including vacuum contactor, TSV diode include.

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, the sensors can 312 1A and 312 1B be provided at the entrance and exit of the panes. In one embodiment, such sensors may include 100A and 500 LEM sensors for 13.8kV / 4.16kV MPBB systems to provide information about the operation of the panes and to implement system protection and network connection. In particular, the disconnector system coupled on the network side 305 , based on sensor data, system-controlled to respond to converter commands to the power converter 310 during normal system operation or in the event of system error events with the network 302 to be connected or not to be connected. It should be noted that in embodiments sensors like the sensors 312 as shown, can be local or remote 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 mains connection and a high-frequency load. For example, the input of the MPBBs can be connected to a mains connection that works with 3-phase at 60 Hz, 13.8 kV, and the output of the MPBBs supplies output power for a high-frequency load, e.g. can be operated at 500 Hz, 4.16 kV and 3-phase. Conversely, the MPBB can use a high-frequency generator, e.g. works at 500 Hz, 4.16 kV 3-phase, connect to a 3-phase mains connection 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 optic SiC gate driver interface can be implemented to improve immunity to system noise and enable local control signal management. It can be adapted to any commercial or customized dual SiC-based device solution. In one embodiment, the interface can be suitably arranged on a circuit board, which can be arranged directly above a gate driver of the device, in order to minimize the inductive coupling during the signal connection. An FPGA chip can be used onboard to implement locally smart functions to improve the performance of SiC components and to simplify the placement within this unit. The interference of control and status signals between the controller and half-bridge gate drivers due to high electrical noise environments in SiC systems can be reduced. A simplex fiber line can be used to transfer the switching states of the half-bridge and the control of the gate driver board from the controller to the gate driver. A simplex fiber line 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 4th a block diagram of an interface circuit according to an embodiment of the present invention is now shown. More specifically, as in 4th shown, the interface circuit 400 can be implemented with a fiber optic SiC gate driver interface to control the various switching components of a wafer as described here.

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 circuitry includes 400 a cube control 410 which can generate various control and switching signals, for example based on feedback status information and control information which is provided by a higher-level controller (for example a disk controller which is used in 4th is not shown for better illustration) are received. The cube control 410 is shown to have a variety of interfaces 420 1 -420 n connected is. How to look at the representative interface 420 1 can see is a DC / DC power supply 425 included, which is a gate drive fiber interface (GDFI) fiber interface control 430 powered, which in turn is coupled to a general SiC gate driver 435. Such a gate driver can in turn be used with a half-bridge SiC or IGBT module 440 get connected. It should be noted that SiCs / IGBTs themselves at an interface 420 are not available and that, as described in more detail below, they are connected under the interface card and directly on a cooling plate. As shown, the cube control 410 optically different information via fiber optic, including the gate state and the control signals, with the controller 430 communicate. IGBT and drive status can also be sent to the cube controller via fiber optic communication 410 are reported back (these bidirectional signals are common as signals 450 shown). To the communication between the controller 430 and the gate driver 435 copper connections can be used to ensure.

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, the use of fiber optic communication allows a distance of approximately 0.1-50 meters between cube control 410 and interface control 430 will be realized. With the copper connection between the interface controls 430 and the 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 can enable cooling of transformers and inverters in different ways. In some cases, both sections, as implemented in a particular pane cabinet, can be air cooled. And one or more of the transformer and inverter sections can 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 assemblies for power transformers can provide improved heat dissipation. Transformers and power cubes can be cooled using through-air to improve heat dissipation (using mechanical barriers). Regardless of whether the overall cooling is air or liquid cooling, it should be understood that the power cube cooling of main semiconductor components (e.g. all SiCs and IGBTs) can be carried out internally with the help of 2-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 a side view of a power converter cabinet according to an embodiment is shown. Note that the closet 500 is a disk cabinet (with a single transformer and 3 power cubes). It is to be understood that, as in 2nd defines, in one embodiment, an MPBB 3rd Cupboards are manufactured comprehensively. As in the cross-sectional view in 5 shown, includes the closet 500 a transformer section 510 and an inverter section 550 . As shown, the transformer section includes 510 a transformer 515 with several transformer legs 515 1 -515 3 . With this design, the incoming air can flow through a grille or another permeable element on a front part of the cabinet 500 be included. As you can see, the incoming air flow is controlled by a variety of cooling fans 520 1 -520 3 through the transformer legs 515 passed the exhaust air through the back of the cabinet 500 conduct. A mechanical barrier for separating cube and transformer sections can be implemented as a horizontal barrier made of GPO-3 polyester material. As shown, this barrier has openings 568 and 570 .

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 from the transformer section 510 to the inverter section 550 through one or more openings 568 headed through a variety of performance cubes 560 1 -560 3 flows. It should be noted that in embodiments, mechanical barriers 565 0 -565 3 , for example made of GPO-3 polyester material, the air flow for correct cooling of the system from the opening 568 through the performance cube 560 1 -560 3 to force. In this way, each power cube receives a supply of fresh air for cooling, which is then on the back of the cubes 560 and down through one or more openings 570 back to the transformer section 510 is vented. These mechanisms ensure air circulation, taking the air through blowers 520 is directed outside. So get the transformer legs 515 and the performance dice 560 Fresh air from outside and the air is expelled at the back 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 now shown. As in the cross-sectional view in 6 shown, includes the closet 600 a transformer section 610 and an inverter section 650 . As shown, the transformer has 615 several transformer legs 615 1 -615 3 on. In this version, the supply air can be supplied via a grille on a front part of the cabinet 600 be included. As can be seen, the incoming air flow is controlled by a variety of cooling fans 620 1 -620 3 through the transformer legs 615 passed the exhaust air through the back of the cabinet 600 conduct. As in 6 shown, the transformer section 610 be air cooled in the same manner as above in relation to 5 discussed. In contrast to the embodiment in 5 offers 6 however, an arrangement in which the inverter section 650 is liquid cooled. Thus, the inverter section 650 against the transformer section 610 remain sealed so that there is no air exchange with the transformer section 610 takes place.

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, the cooling for the inverter section 650 over a cooling section 680 take place, a flow of liquid coolant for the inverter section 650 by using 2-phase cooling in a sealed manner. To improve the heat dissipation of the power cube, the 2-phase liquid can circulate through a heat exchanger that is external to the cabinet 600 connected is. With those in the inverter section 650 provided cooling fans 670 the air can pass through the entire inverter section 650 circulate back. In some embodiments, liquid cooling capability may be implemented within the inverter section 650 an expanded cabinet with a bumpout section may be provided. The barriers 665 0 - 665 3 conduct the cooling air flow of the cooling fans 670 continue through the performance dice 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 are as shown in 7 shown, 2-phase liquid-cooled to maximize the heat dissipation of the panes. In 7 10 is a side view of a power converter cabinet according to another embodiment shown. As in the cross-sectional view in 7 shown, includes the closet 700 a transformer section 710 and an inverter section 750 . As shown, includes a transformer 715 several transformer legs 715 1 -715 3 . Note that the closet 700 is sealed against the outside air, but an air exchange between the transformer section 710 and the inverter section 750 over the openings 768 and 770 takes place. In one embodiment is a heat exchanger 790 between the transformer section 710 and the internal fans 720 installed to maintain air circulation through the transformer coils and power cubes. In addition to the heat exchanger 790 one or more cooling plates can also be arranged directly on the transformer cores. So, as in 7 shown the cooling plates 796 , 798 on the front and rear parts of the transformer 715 be arranged. As in the overview view in 7 shown, the heat exchanger 790 Coolant connections 792 , 794 involve a flow of coolant through the heat exchanger 790 to lead. Similar cooling of the inverter section 750 by directing the cooled air over the opening 770 is provided enables the cooling of corresponding power cubes 760 , the heated air through the opening 768 to the transformer section 710 flows back. The barriers 765 0 - 765 3 conduct the cooling air flow of the cooling fans 720 continue through the performance cube 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 implemented by providing cold plates on the surfaces of the cores of the transformer. In one embodiment, between 2 and 4 cold plates with a width of, for example, 6 inches can be assigned to each core leg. In order to improve the heat transfer of the transformer cores, additional cold plates, which are arranged on the columns of the transformer, can be located on the front and rear of the transformer. So in the illustration in 8A Details of a cooling arrangement for transformers are shown. In a side view 810 in 8A are the transformer legs 815 1 -815 3 shown. The cold plates 820 are on the front and back of the transformer columns 811 , 812 suitably arranged, the connections 822 , 824 for directing a flow of liquid coolant. In addition, a variety of cold plates 840 1 -840 6 available. As can be seen, any cold plate can 840 can be installed above and below the core leg and each can have a corresponding coolant connection 842 include to ensure a flow of liquid coolant. As in 8A further illustrated, insulation and air ducts may exist 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 referring to 8A is an arrangement of the windings of the transformer 815 shown. More specifically, the transformer includes 815 a separate winding structure in which several separate windings, both primary and secondary, for each transformer leg 815 are provided. In the in 8A The view shown is three separate primary windings 816 1 -816 3 for the transformer leg 815 1 shown. And right around each of the primary windings 816 is accordingly one of several secondary windings 818 1 -818 3 wrapped. Further details on this winding arrangement arranged side by side or separately 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 shows 8B a rear view of a transformer 815 , a cold plate in the back of the transformer 820 is arranged. It should be noted that a corresponding cold plate can also be installed on the front of the transformer. The coolant connections are also shown 822 , 824 . And 8C shows a cross-sectional view of a transformer column, the cold plates, on respective sides of the core leg 815 can be arranged appropriately, further illustrated. It should be noted that a cold plate with a generally rectangular or square cross section of the core legs 815 can be arranged substantially flat or flush with a specific surface of a core leg. So, as in 8C shown, each core leg 815 additional corresponding cold plates 845 feature that are adjusted on their sides.

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 an illustration of a transformer according to an embodiment is now shown. More specifically, is in 8D an electrical arrangement of the transformer 815 shown without cooling structures in order not to hide details of the segmented winding arrangement. As shown, the transformer is 815 with a variety of core legs 815a-815c trained, each between a first pillar 811 and a second pillar 813 are coupled. In one embodiment, the core legs 815 and the pillars 811 , 812 be made of iron. In the detailed arrangement of the first core leg 815a which can correspond to a first phase (phase A) are a large number of primary windings 816 a, 1 - 816 a, 3 with a segmented winding structure present around the core leg 815a are wrapped. It should be noted that in the case of 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 are 818 a, 1 - 818 a, 3 wrapped directly around the corresponding primary windings. The separation between primary windings and secondary windings determines the equivalent inductance per phase on the secondary side of the transformer 815 . The recommended value of the leakage inductance to support the control stability of each AFE power level is achieved by a minimum distance between the windings. In other words, there may be a corresponding minimum distance between the wound primary and secondary windings. For example, there may be a distance of at least half an inch between a primary winding 816 and a corresponding secondary winding 818 consist.

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 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 reached. This magnetic effect is achieved by setting a minimum horizontal distance of two inches between adjacent winding sets 816 and 818 realized. It should be noted that for the transformer legs 815b , c of the second and third phases (which in 8D are shown in a restricted 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 undim Schaltplan in 8E [FvS1], 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 is now a schematic diagram showing the segmented windings in 8D correlated with the corresponding connections 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. In the same way, the corresponding secondary windings of a specific phase limb in a DELTA configuration link to one of the corresponding power cubes (not shown in 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 arranged around a transformer leg and in the circuit diagram in 8E [FvS1] showing correspondences between primary and secondary windings for a first phase (AP1-AP3 and AS1-AS3). Thus, with 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 offer a highly efficient power transformer design with symmetrical secondary impedances. There are three parallel primary windings for each secondary winding. The arrangement of the windings next to each other 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 inductance per phase, which is used on the primary or secondary side of the transformer, to ensure the stability of the converter control. In addition, there are no additional filters at the converter input. For Si-based device systems, the need for additional inductance may be permissible because the converter's AFE is switched at low frequency to keep the total loss low. The transformer is designed so that it can be operated at points A and B, like the efficiency curve in 9 shows. In one embodiment, the transformer power is in the range of 750 kVA and 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 10th a block diagram of a disk arrangement according to a further embodiment of the present invention is now shown. In particular, in the embodiment in 10th a disc further provided with an additional inductance for active front-end devices by means of choke coils. As in 10th shown, includes a disk cabinet 1000 a transformer section 1010 and an inverter section 1050 . In the illustration shown, an arrangement with air-cooled transformer and inverter sections is provided. In addition (and for comparison to that in 5 arrangement shown) are within the transformer section 1010 a large number of AFE choke coils 1040 1 -1040 3 are provided. With these AFE choke coils, a structure is implemented that enables an additional inductance for Si-based designs. The required inductance can be in the range of 5% and the switching frequency is kept 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 can also enable efficiency increases in the configuration of a power cube for implementing SiC-based switching devices. In particular, in one embodiment, a coated DC bus bar design can be used to improve the performance of WBG devices. This design can use parasitic inductance to improve the switching performance of SiC devices to less minimize than 13nH. 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 complete SiC device topology with a specific SiC power module terminal layout can 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 a further implementation, a cube topology for hybrid devices (e.g. Si IGBT-based rectifier and SiC MOSFET-based inverter) can be used, which uses the same concept to minimize the inductance of the DC link. 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 performance cube is shown according to an embodiment. As you can see, the performance cube is 1100 in one housing 1110 implemented. The incoming 3-phase power received from a transformer secondary is routed through a variety of input AC bus bars 1180 provided. In one embodiment, three such input bus rails are provided to couple incoming 3-phase power with corresponding front-end SiCs. As in 11 shown are the AC bus rails 1180 towards a back section of the performance cube 1100 moved to improve heat dissipation. This is because with this placement the AC bus rails 1180 the busbar design is simplified by making them shorter in length and the majority of their heat dissipation not concentrated above the SiC devices or below a DC busbar. So in the illustrated embodiment, the bus rails 1180 can be coupled with SiCs of a front power amplifier (details on this can be found in 11 not shown). It should be noted that the switching of the SiC devices via the glass fiber SiC gate driver interfaces 1120 0 -1120 n can be controlled. While 5 such driver interfaces in the embodiment in FIG 11 are shown, other numbers may be present in further embodiments. For non-regenerative applications, a passive front-end rectifier can include two-diode power modules, so that only two switches are controlled (inverter side) and therefore only two driver interfaces are used. Hybrid and full SiC topologies each use 5 controlled switches (SiC-MOSFET and / or IGBTs), which is why 5 driver interfaces are required. A maximum of 10 driver interfaces may be required for parallel SiC devices. Control signals are the driver interfaces 1120 via a SiC-based control board 1130 provided that over appropriate fiber optic connections 1135 with the interfaces 1120 is connected. As in 11 further illustrated are the driver interfaces 1120 arranged above the SiC modules themselves, which in turn are on a cooling plate assembly 1150 are arranged. It should be noted that the power supply of various control and monitoring circuits via a power supply 1195 can be done.

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 shown, is on a front portion of the housing 1110 a DC intermediate circuit with a DC bus 1160 formed, details of which are described below. The DC intermediate circuit also includes the DC bus 1160 even a variety of capacitors connected to it 1165 , one of which is in 11 is marked representative. In one embodiment, the performance die 1100 with a DC bus 1160 be implemented with the capacitors 1165 that are optimally dimensioned. In a particular embodiment, a particular power cube can be implemented for better transient and power transfer performance with a capacitance of approximately 7.6-11.4 millifarads (mF).

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 referring to 11 can the output power from the power cube 1100 over a variety of output bus rails 1170 are output, as shown, with appropriate AC bus rails 1180 couple.

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 cool SiCs and other components within the performance cube 1100 to ensure the lines 1190 , 1192 be provided to direct a flow of coolant or other coolant. 11 shows the embodiment in an 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 bus rails; this can further simplify the construction of AC bus rails as described above. In this way, the connector spacing of the devices can be increased (e.g. from 2 mils to 5 mils). And with an improvement in electrical isolation, in an exemplary embodiment, the DC intermediate circuit can operate at between 1000-1200VDC.

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 an embodiment is now shown. As in 12 shown, the DC bus 1200 over a coated structure of a variety of layers 1210 0 -1210 n includes to be implemented. In the specific embodiment shown, a five-layer arrangement is realized, although in certain embodiments there may be more or fewer layers. As shown, the DC bus is 1200 made with alternating layers of conductive and insulating material. More specifically, the negative and positive DC bus layers couple 1210 1 respectively. 1210 3 between the corresponding insulation layers 1210 0 , 1210 2 and 1210 n . In one embodiment, the DC bus layers 1210 1 , 1210 3 using a given conductive material, such as copper, and can have an approximate thickness of 50-100 mils. The insulating layers 1210 0 , 1210 2 , 1210 n in turn can be carried out with an insulating material, for example insulating PET materials. In a particular embodiment, the insulation layers 1210 0 , 1210 n with a thickness between about 5-10 mils and the insulation layer 1210 2 be formed with an insulating material from a layer between 5-20 mils thick.

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.How also on the job 1250 in 12 is shown with the raised arrangement of the DC bus 1200 that consists of a first horizontal section 1275 and a second raised horizontal section 1280 there is a mechanical decoupling of AC bus rails from the intermediate circuit. As also shown, the designed DC bus has a plurality of recesses, including the representative recesses 1260 and 1270 on the first horizontal section 1275 . More specifically, the recesses ensure 1260 a recess for AC buses. About the recess 1260 an AC bus bar can be screwed to an SiC device. 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.About the recesses 1270 gate driver connections can be made. About this position of the recesses 1270 can maximize the copper area of the DC bus and simplify the design of the AC bus bar. This means that the AC bus bars can be arranged straight from the rear of the power converter. This enables a reduction in copper (smaller AC buses) and simplification of housing (smaller dimensions). In one embodiment, the positive and negative SiC device connection to the coated DC bus is accomplished by three punched circles on either side of the recesses 1260 are arranged. In contrast to groups of punched circles, other openings for SiC device connector shapes can be used to improve the creepage distances of DC bus connectors. With this coated arrangement, the first horizontal section 1275 With gate driver openings included directly through the DC bus, the decoupling of AC bus rails and DC bus rails is made possible.

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 construction (not shown), the insulation around the SiC device connectors is maximized by the recesses 1270 and 1260 into a single opening on an insulation layer to increase the spacing to over 5 mils without significantly increasing the loop inductance of the system. The same procedure can also be used on the negative copper plate 12103 be performed.

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 , 1324n , verbunden sein können.In 13 an arrangement with decoupled AC and DC buses is shown. More specifically, as in 13 shown an arrangement of the cooling plates 1300 provided on the a variety of gate driver interfaces 1310 0 -1310 n available. As discussed above, such driver interfaces provide control signals for gates of SiCs or other switching devices 1330 that fit beneath the gate driver boards (and that with the cooling plate assembly 1300 are coupled). As further illustrated, are next to the switchgear 1330 a variety of AC bus rails 1320 0 -1320 n available. While 5 such AC bus bars are shown, more or less may be present in certain embodiments. With this arrangement, the AC bus rails can 1320 be decoupled from a DC bus (not in 13 shown), but it is to be understood that such a direct current bus on a rear side of the cooling plate arrangement 1300 is arranged (while the AC bus rails 1320 from a front portion of the cooling plate assembly 1300 extend from). In this way, the AC bus rails offer 1320 an improved accommodation of the performance cubes. It should be noted that output bus bar cube connections (not in 13 shown) with AC bus rails 1320 3 , 1324 n , can be connected.

Während die vorliegende Erfindung unter Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann darin zahlreiche Modifikationen und Variationen davon erkennen können. Die beigefügten Ansprüche sollen alle Änderungen und Abweichungen erfassen, die unter die grundlegende Idee und dem Umfang dieser vorliegenden Erfindung fallen.While the present invention has been described with reference to a limited number of embodiments, those skilled in the art will recognize numerous modifications and variations therefrom. The appended claims are intended to cover all changes and variations that come within the basic idea and scope of this present invention.

Claims (43)

Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: eine Vielzahl von Scheiben (slices), die jeweils aufweisen: einen Transformator, der eine Vielzahl von Primärwicklungen zum Koppeln mit einer Versorgungsquelle einer Eingangsleistung und eine Vielzahl von Sekundärwicklungen umfasst; und eine Vielzahl von Leistungswürfeln (power cubes), die mit der Vielzahl von Sekundärwicklungen verbunden sind, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung (DC-Link) und eine Hochfrequenz-Siliziumkarbid (SiC)-Inverterstufe zur Kopplung mit einer Hochfrequenzlast oder einer Hochgeschwindigkeitsmaschine umfasst.Medium voltage power converter, comprising: a variety of slices, each having: a transformer comprising a plurality of primary windings for coupling to a supply source of an input power and 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 having a low frequency front end stage, a DC link, and a high frequency silicon carbide (SiC) inverter stage for coupling to a high frequency load or a high speed machine. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, ferner umfassend einen oder mehrere Sensoren, die mit einem Eingang des Mittelspannungs-Leistungswandlers gekoppelt sind, um Sensorinformationen zu erhalten.Medium voltage power converter after Claim 1 , further comprising one or more sensors coupled to an input of the medium voltage power converter to obtain sensor information. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 2, ferner umfassend ein Trennschaltersystem (circuit breaker system), das zwischen der Versorgungsquelle der Eingangsleistung und dem Mittelspannungs-Leistungswandler geschaltet ist.Medium voltage power converter after Claim 2 , further comprising a circuit breaker system which is connected between the supply source of the input power and the medium voltage power converter. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 3, wobei das Trennschaltersystem zumindest teilweise auf den Sensorinformationen basierend den Mittelspannungs-Leistungswandler aktiv mit der Versorgungsquelle der Eingangsleistung verbinden oder trennen soll.Medium voltage power converter after Claim 3 , wherein the circuit breaker system is to at least partially connect or disconnect the medium voltage power converter based on the sensor information with the supply source of the input power. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Netzschnittstellensteuerung zum Speichern und Bereitstellen von Unterstützungsfunktionen für die Hochgeschwindigkeitsmaschine, eine mechanische Hochgeschwindigkeitslast und ein Versorgungsnetzsystem.Medium voltage power converter after Claim 1 , further comprising a network interface controller for storing and providing support functions for the high-speed machine, a mechanical high-speed load and a supply network system. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenzlast eine Hochgeschwindigkeitsmaschine 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 after Claim 1 , wherein the high frequency load comprises a high speed machine operating at a frequency between 500-1000 hertz, the supply source of the input power operating at a frequency of 50/60 hertz. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 6, wobei die Niederfrequenz-Front-Endstufe eine SiC-basierte aktive Front-Endstufe umfasst.Medium voltage power converter after Claim 6 , wherein the low-frequency front end stage comprises an SiC-based active front end stage. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln ein Gehäuse mit einer Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen (AC bus bars) umfasst, die zu einer ersten Fläche des Leistungswürfels hin verschoben sind.Medium voltage power converter after Claim 1 wherein each of the plurality of power cubes includes a housing with a plurality of AC bus bars that are shifted toward a first surface of the power cube. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 8, wobei ein Gleichstrom-Bus (DC bus) der Gleichstrom-Zwischenschaltung eine beschichtete Anordnung umfasst, die zu einer zweiten Fläche des Leistungswürfels 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 after Claim 8 , wherein a direct current bus (DC bus) of the direct current intermediate circuit comprises a coated arrangement which is displaced towards a second surface of the power cube, the coated arrangement having a first horizontal section with gate driver openings, that are trained right through there. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 9, wobei der Gleichstrom-Bus ferner einen zweiten horizontalen Abschnitt umfasst, der zum ersten horizontalen Abschnitt vertikal versetzt ist, um mit einer Vielzahl von Kondensatoren zu koppeln, wobei die Vielzahl von Kondensatoren eine Kapazität zwischen etwa 7,6 und 11,4 Millifarad aufweisen.Medium voltage power converter after Claim 9 wherein the DC bus further includes a second horizontal portion vertically offset from the first horizontal portion to couple to a plurality of capacitors, the plurality of capacitors having a capacitance between about 7.6 and 11.4 millifarads. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 10, wobei der zweite horizontale Abschnitt zur Kopplung mit einer Vielzahl von Kondensatoren vorgesehen ist.Medium voltage power converter after Claim 10 , wherein the second horizontal section is provided for coupling to a plurality of capacitors. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 11, wobei der erste horizontale Abschnitt umfasst: eine Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Ausnehmungen, über die eine Vielzahl von Wechselstrom-Bus-Schienen 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 after Claim 11 , wherein the first horizontal portion comprises: a plurality of AC bus recesses through which a plurality of AC bus rails are to be coupled to at least one SiC device; and a plurality of gate driver interfaces via which connections for communicating gate driver signals are suitably set up. Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: eine Vielzahl von Scheiben, von denen jede einen Transformator aufweist, 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 an einen der Vielzahl von Leistungswürfeln der Scheibe aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln eine aktive (IGBT-) Front-Endstufe mit Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor), eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Siliziumkarbid-(SiC-)Back-Endstufe zum Koppeln mit einer Last bei einer zweiten Frequenz umfasst, wobei die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz ist.Medium voltage power converter, comprising: a plurality of disks, each having a transformer that a plurality of primary windings for connection to a common coupling point of a supplier at a first frequency and has a multiplicity of secondary windings, each for coupling to one of the multiplicity of power cubes of the disk, each of the multiplicity of power cubes having an active (IGBT) front end stage with a bipolar transistor with an insulated gate electrode (insulated gate bipolar transistor), a direct current intermediate circuit and a silicon carbide (SiC) back stage for coupling to a load at a second frequency, the second frequency being greater than the first frequency. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 13, 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 after Claim 13 , where, if the load is an energy source, the SiC back output stage is to be operated as a rectifier and the active IGBT front output stage is to be operated as an inverter in order to enable current to be supplied to the provider via the common coupling point. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 14, 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 after Claim 14 , which further comprises a controller which, when the provider is the power source, enables the SiC back output stage to be operated as an inverter and the active IGBT front output stage as a rectifier. Transformator für einen Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: eine Vielzahl von Kernschenkeln, die zwischen einer ersten Säule und einer zweiten Säule passend angeordnet sind, wobei jeder der Vielzahl von Kernschenkeln 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.A transformer for a medium voltage power converter, comprising: a plurality of core legs suitably arranged between a first pillar and a second pillar, each of the plurality of core legs having: a set of primary windings which are arranged to fit around the corresponding core leg; and a set of secondary windings that are arranged to fit around the set of primary windings. Transformator nach Anspruch 16, wobei jeder der Vielzahl von Kernschenkeln einer Phase einer dreiphasigen Stromversorgung zugeordnet ist.Transformer after Claim 16 wherein each of the plurality of core legs is associated with a phase of a three-phase power supply. Transformator nach Anspruch 17, wobei der Satz von Primärwicklungen für einen ersten Kernschenkel parallelgeschaltet ist.Transformer after Claim 17 , wherein the set of primary windings for a first core leg is connected in parallel. Transformator nach Anspruch 16, wobei: jede aus einem ersten Satz von Sekundärwicklungen, die um den, um einen ersten Kernschenkel herum passend angeordneten, Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, gekoppelt ist 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, der eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst, und einem dritten Leistungswürfel, der eine Niederfrequenz-Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Hochfrequenz-Back-Endstufe umfasst; jede aus einem zweiten Satz von zweiten Sekundärwicklungen, die um den Satz von, um einen zweiten Kernschenkel herum passend angeordneten, Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, gekoppelt ist mit einem von dem ersten Leistungswürfel, dem zweiten Leistungswürfel und dem dritten Leistungswürfel; und jede aus einem dritten Satz von Sekundärwicklungen, die um den, um einen dritten Kernschenkel passend angeordneten, Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, gekoppelt ist mit einem von dem ersten Leistungswürfel, dem zweiten Leistungswürfel und dem dritten Leistungswürfel.Transformer after Claim 16 , wherein: each of a first set of secondary windings, which are arranged to fit around the set of primary windings which are arranged to fit around a first core leg, is coupled to one of a first power cube, the first power cube being a low-frequency front-end stage , a DC intermediate circuit and a high-frequency back-stage, a second power cube that includes a low-frequency front-end stage, a DC intermediate circuit and a high-frequency back-stage, and a third power cube that has a low-frequency front Output stage, a DC intermediate circuit and a high-frequency back-end stage comprises; each of a second set of second secondary windings, which are arranged around the set of primary windings to fit around a second core leg, are 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, which are arranged to fit around the set of primary windings to fit around a third core leg, is coupled to one of the first power cube, the second power cube and the third power cube. Transformator nach Anspruch 19, wobei die Vielzahl von Sekundärwicklungen eine symmetrische Impedanz für die Vielzahl von Leistungswürfeln bereitstellt.Transformer after Claim 19 , the plurality of secondary windings providing symmetrical impedance for the plurality of power cubes. Transformator nach Anspruch 19, wobei zur Gewährleistung einer gegenseitigen Entkopplung jede aus dem Satz von Primärwicklungen von einer anderen aus dem Satz von Primärwicklungen einen ersten Trennungsabstand von mindestens zwei Zoll besitzt.Transformer after Claim 19 , wherein each of the set of primary windings has a first separation distance of at least two inches to ensure mutual decoupling from one of the set of primary windings. Transformator nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Sekundärwicklungen zur Gewährleistung von Steuerstabilität einen Teil der symmetrischen Impedanz für die Vielzahl von Leistungswürfeln bereitstellt.Transformer after Claim 21 , wherein the plurality of secondary windings to provide control stability provides part of the symmetrical impedance for the plurality of power cubes. Transformator nach Anspruch 22, wobei jede aus dem Satz von Primärwicklungen von dem Satz von Sekundärwicklungen einen zweiten Trennungsabstand von mindestens einem halben Zoll besitzt.Transformer after Claim 22 each of the set of primary windings from the set of secondary windings has a second separation distance of at least half an inch. Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: einen Schrank, umfassend: 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, wobei die Vielzahl von Leistungswürfeln zur Kopplung an eine 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 aufweist.Medium voltage power converter, comprising: a cabinet comprising: a power cube receptacle for receiving a plurality of power cubes, each of the plurality of power cubes being fitted within a corresponding housing and comprising a low-frequency front power amplifier, a DC intermediate circuit and a high-frequency back power amplifier, the plurality of power cubes being coupled a high speed machine is provided; and a plurality of first barriers adapted to direct an isolated first flow of cooling air through one of the plurality of power cubes; and a transformer receptacle with at least one transformer for coupling between a supply connection and the plurality of power cubes, the transformer receptacle having a plurality of cooling fans for cooling the at least one transformer. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 24, wobei der Schrank mindestens eine erste Öffnung zum Umleiten des ersten 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 aufweist.Medium voltage power converter after Claim 24 , wherein the cabinet at least a first opening for redirecting the first cooling air flow from the transformer receptacle to the power cube receptacle and at least a second opening to the Conducting an air flow emerging from the plurality of power cubes from the power cube holder to the transformer holder. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 25, wobei die Vielzahl von Kühlgebläsen zur Absaugung des austretenden Luftstroms vorgesehen ist.Medium voltage power converter after Claim 25 , wherein the plurality of cooling fans is provided for extracting the emerging air flow. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 24, wobei der Schrank ein permeables Element umfasst, um zu ermöglichen, dass ein zweiter Kühlluftstrom aus einer äußeren Umgebung über die Vielzahl von Kühlgebläsen durch den mindestens einen Transformator geleitet wird.Medium voltage power converter after Claim 24 , wherein the cabinet includes a permeable element to allow a second flow of cooling air from an external environment to be directed through the plurality of cooling fans through the at least one transformer. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 24, wobei der Schrank ein abgedichtetes Gehäuse umfasst.Medium voltage power converter after Claim 24 , the cabinet comprising a sealed housing. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 24, wobei die Transformatoraufnahme luftgekühlt und die Leistungswürfelaufnahme flüssiggekühlt sein soll.Medium voltage power converter after Claim 24 , with the transformer receptacle being air-cooled and the power cube receptacle being liquid-cooled. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 29, wobei die Leistungswürfelaufnahme gegenüber der Transformatoraufnahme isoliert ist.Medium voltage power converter after Claim 29 , whereby the power cube holder is isolated from the transformer holder. Mittelspannungs-Leistungswandler nach Anspruch 30, wobei die Leistungswürfelaufnahme umfasst: einen Wärmetauscher, um Wärme vom ersten Kühlluftstrom zu entziehen; eine erste Öffnung, um zu ermöglichen, dass der erste Kühlluftstrom durch die Vielzahl von Leistungswürfeln geleitet wird; und eine zweite Öffnung, um einen Strom erwärmter Luft von der Vielzahl von Leistungswürfeln zum Wärmetauscher zu leiten.Medium voltage power converter after Claim 30 wherein the power cube mount includes: a heat exchanger to extract heat from the first cooling air stream; a first opening to allow the first flow of cooling air to pass through the plurality of power cubes; and a second opening to direct a flow of heated air from the plurality of power cubes to the heat exchanger. System, umfassend: einen Mittelspannungs-Leistungswandler, umfassend: einen ersten Schrank, der umfasst: 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, wobei die Vielzahl von Leistungswürfeln zur Kopplung an eine Hochgeschwindigkeitsmaschine vorgesehen ist; eine Transformatoraufnahme mit mindestens einem Transformator zum Koppeln zwischen einem Versorgungsanschluss und der Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei die Transformatoraufnahme beinhaltet: eine Vielzahl von Kühlgebläsen zum Kühlen des mindestens einen Transformators; und wobei der mindestens eine Transformator 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 Primärwicklungen, die um die erste Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordnet sind, und einen ersten Satz von Sekundärwicklungen, die um den ersten Satz von Primärwicklungen passend angeordnet sind, aufweist; ein zweiter Kernschenkel eine zweite Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen zweiten Satz von Primärwicklungen, die um die zweite Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordnet sind, und einen zweiten Satz von Sekundärwicklungen, die um den zweiten Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, aufweist; ein dritter Kernschenkel eine dritte Vielzahl von dort passend angeordneten Kühlplatten, einen dritten Satz von Primärwicklungen, die um die dritte Vielzahl von Kühlplatten herum passend angeordnet sind, und einen dritten Satz von Sekundärwicklungen, die um den dritten Satz von Primärwicklungen herum passend angeordnet sind, aufweist.System comprising: a medium voltage power converter comprising: a first cabinet that includes: a power cube receptacle for receiving a plurality of power cubes, each of the plurality of power cubes being fitted within a corresponding housing and comprising a low-frequency front power amplifier, a DC intermediate circuit and a high-frequency back power amplifier, the plurality of power cubes being coupled a high speed machine is provided; a transformer holder with at least one transformer for coupling between a supply connection and the plurality of power cubes, the transformer holder including: a plurality of cooling fans for cooling the at least one transformer; and wherein the at least one transformer comprises: a plurality of core legs that fit between a first pillar and a second pillar, wherein: a first core leg includes a first plurality of cooling plates mating therein, a first set of primary windings mating around the first plurality of cooling plates, and a first set of secondary windings mating around the first set of primary windings; a second core leg includes a second plurality of cooling plates mated therein, a second set of primary windings mating around the second plurality of cooling plates, and a second set of secondary windings mating around the second set of primary windings ; a third core leg includes a third plurality of cooling plates mating therein, a third set of primary windings mating around the third plurality of cooling plates, and a third set of secondary windings mating around the third set of primary windings . System nach Anspruch 32, 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 32 further comprising: a first cooling plate matingly disposed on at least a portion of the first column; and a second cooling plate matingly disposed on at least a portion of the second column. System nach Anspruch 32, wobei der erste Schrank 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 32 , wherein the first cabinet is sealed from 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 between the transformer receptacle and the Power cube holder is provided to ensure an exhaust air flow from the power cube holder to the transformer holder. System nach Anspruch 32, das ferner eine Vielzahl von ersten Barrieren umfasst, die geeignet sind, einen isolierten ersten Kühlluftstrom durch einen der Vielzahl von Leistungswürfeln zu leiten.System according to Claim 32 , further comprising a plurality of first barriers adapted to direct an isolated first flow of cooling air through one of the plurality of power cubes. System nach Anspruch 32, das ferner ein erstes zweiphasiges Kühlsystem zum Kühlen des mindestens einen Transformators über die erste, zweite und dritte Vielzahl von Kühlplatten umfasst.System according to Claim 32 further comprising a first two-phase cooling system for cooling the at least one transformer via the first, second and third plurality of cooling plates. System nach Anspruch 36, 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 36 which further includes a second two-phase cooling system for cooling comprises at least the low-frequency front-end stage and the high-frequency back-end stage of the plurality of performance cubes. Vorrichtung, umfassend: einen Schrank mit einem Mittelspannungs- Leistungswandler, wobei der Schrank aufweist: eine Leistungswürfelaufnahme zur Aufnahme einer Vielzahl von Leistungswürfeln, wobei jeder der Vielzahl von Leistungswürfeln innerhalb eines entsprechenden Gehäuses eingepasst ist und eine Front-Endstufe, eine Gleichstrom-Zwischenschaltung und eine Back-Endstufe umfasst; eine Vielzahl von ersten Barrieren, die geeignet sind, einen isolierten 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 aufweist: 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 aufweist.Device comprising: a cabinet with a medium-voltage power converter, the cabinet having: a power cube receptacle for receiving a plurality of power cubes, each of the plurality of power cubes being fitted within a corresponding housing and comprising a front end stage, a DC intermediate circuit and a back end stage; a plurality of first barriers adapted to direct an isolated flow of cooling air through one of the plurality of performance cubes; and a transformer receptacle with at least one transformer for coupling between a supply connection and the plurality of power cubes, the transformer receptacle having: a plurality of cooling fans for guiding the cooling air flow, the cabinet at least one first opening for guiding the cooling air flow from the transformer receptacle to the power cube receptacle and has at least one second opening for guiding an air flow emerging from the plurality of power cubes from the power cube holder to the transformer holder. Vorrichtung nach Anspruch 38, ferner umfassend: eine erste Vielzahl von Kühlplatten, die an einen ersten Kernschenkel des mindestens einen Transformators passend angeordnet sind und zwischen dem ersten Kernschenkel und einem, um den ersten Kernschenkel herum passend angeordneten, ersten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind; eine zweite Vielzahl von Kühlplatten, die an einen zweiten Kernschenkel des mindestens einen Transformators 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 an einen dritten Kernschenkel des mindestens einen Transformators passend angeordnet sind, und die zwischen dem dritten Kernschenkel und einem, um den dritten Kernschenkel herum passend angeordneten, dritten Satz von Primärwicklungen angeordnet sind.Device after Claim 38 , further comprising: a first plurality of cooling plates matingly disposed on a first core leg of the at least one transformer and disposed between the first core leg and a first set of primary windings matingly disposed around the first core leg; a second plurality of cooling plates matingly disposed on a second core leg of the at least one transformer and disposed between the second core leg and a second set of primary windings matingly disposed around the second core leg; and a third plurality of cooling plates, which are arranged to fit a third core leg of the at least one transformer and which are arranged between the third core leg and a third set of primary windings, which is arranged around the third core leg. Vorrichtung nach Anspruch 39, ferner umfassend: 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.Device after Claim 39 further comprising: a first cooling plate matingly disposed on at least a portion of a first column of the at least one transformer; and a second cooling plate matingly disposed on at least a portion of a second column of the at least one transformer. Vorrichtung nach Anspruch 38, ferner umfassend 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.Device after Claim 38 , further comprising a first two-phase cooling system for cooling the at least one transformer via the first, second and third plurality of cooling plates and a second two-phase cooling system for cooling at least the plurality of power cubes. Vorrichtung nach Anspruch 38, wobei der Schrank ein abgedichtetes Gehäuse umfasst.Device after Claim 38 , the cabinet comprising a sealed housing. Vorrichtung nach Anspruch 38, die ferner eine Vielzahl von Drosselspulen umfasst, die innerhalb der Transformatoraufnahme eingepasst sind, wobei jeder der Vielzahl von Drosselspulen zwischen dem mindestens einen Transformator und einem Entsprechenden aus der Vielzahl von Leistungswürfeln geschaltet ist.Device after Claim 38 further comprising a plurality of choke coils fitted within the transformer receptacle, each of the plurality of choke coils being connected between the at least one transformer and a corresponding one of the plurality of power cubes.
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