阅读说明：本技术 电涌放电器系统和断路器系统 (Surge arrester system and circuit breaker system ) 是由 C·蔡希达 P·凯罗利 F·阿戈斯蒂尼 D·托雷辛 L·拉西蒂 D·莱奥尼 潘志国 于 2018-05-31 设计创作，主要内容包括：一种电涌放电器系统包括电涌放电器和具有冷却接口的主动冷却系统,该冷却接口与电涌放电器接触并且可操作以从电涌放电器转移热量。主动冷却系统包括可操作以提供强制对流冷却的强制对流装置。一种断路器系统包括功率半导体开关和被构造为冷却功率半导体开关的主动冷却系统。主动冷却系统包括被配置为提供强制对流冷却的强制对流装置。功率半导体开关与主动冷却系统接触。电涌放电器被设置为与主动冷却系统相邻并与主动冷却系统接触。主动冷却系统包括冷却接口,该冷却接口被构造为用于与电涌放电器接触并且可操作以向电涌放电器提供冷却。功率半导体开关和电涌放电器交替地耗散功率。(A surge arrester system includes a surge arrester and an active cooling system having a cooling interface in contact with the surge arrester and operable to transfer heat from the surge arrester. The active cooling system includes a forced convection apparatus operable to provide forced convection cooling. A circuit breaker system includes a power semiconductor switch and an active cooling system configured to cool the power semiconductor switch. The active cooling system includes a forced convection apparatus configured to provide forced convection cooling. The power semiconductor switch is in contact with the active cooling system. A surge arrester is disposed adjacent to and in contact with the active cooling system. The active cooling system includes a cooling interface configured for contact with the surge arrester and operable to provide cooling to the surge arrester. The power semiconductor switches and the surge arresters alternately dissipate power.)

电涌放电器系统和断路器系统

政府权力

本申请是由美国政府支持在合同号N00014-14-C-0122下作出的，由海军研究办公室(OLR)授予。美国政府在本申请中具有某些权利。

技术领域

本申请总体上涉及电气系统，并且特别地但不排他地涉及电涌放电器系统和断路器系统。

背景技术

各种类型的电涌放电器系统和断路器系统仍然是感兴趣的区域。相对于某些应用，一些现有系统具有各种缺陷、缺点和不利。例如，在一些系统中，可以改善电涌放电器的冷却。因此，在该技术领域中仍然需要进一步的贡献。

发明内容

本发明的一个实施例是一种独特的电涌放电器系统。另一个实施例是独特的断路器系统。其他实施例包括用于电涌放电器和断路器系统的装置、系统、设备、硬件、方法和组合。根据本文提供的描述和附图，本申请进一步的实施例、形式、特征、方面、益处和优点将变得明显。

附图说明

本文的描述参考附图，其中，贯穿几个视图，相同的附图标记指代相同的部件，并且其中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的电涌放电器系统的非限制性示例的一些方面。

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的断路器系统的非限制性示例的一些方面。

图3示出了根据本发明的实施例的图2的断路器的非限制性示例的一些方面。

图4是示出了由以三(3)秒的间隔的10kJ的三(3)次触发引起的涉及断路器的三(3)次断开的再闭合事件，并且将具有自然对流冷却的电涌放电器的温度上升与具有主动冷却的电涌放电器的温度上升进行比较的曲线图。

图5是示出了在标称电流条件下具有在断开之间30秒间隔的多次断开的测试中自然对流冷却与主动冷却之间的比较的比较图。

图6是示出了在短路电流条件下具有在断开之间120秒间隔的多次断开的测试中自然对流冷却与主动冷却之间的比较的比较图。

图7示出了根据本发明的实施例的图2的断路器的非限制性示例的一些方面。

图8示出了根据本发明的实施例的图2的断路器的非限制性示例的一些方面。

图9示出了根据本发明的实施例的图2的断路器的非限制性示例的一些方面。

具体实施方式

为了促进对本发明的原理的理解，现在将参考附图中所示的实施例，并且将使用具体语言来描述这些实施例。然而，应当理解，并不旨在由此限制本发明的范围。在所描述的实施例中的任何改变和进一步的修改以及如本文所描述的本发明的原理的任何进一步的应用被设想为本发明所涉及领域的技术人员通常将想到的。

参照图1，根据本发明的实施例的电涌放电器系统10的非限制性示例的一些方面被示意性地示出。电涌放电器系统10包括电涌放电器12和主动冷却系统14。在一种形式中，电涌放电器12是金属氧化物变阻器(MOV)。在其它实施例中，电涌放电器12可以采取其它形式。在一些实施例中，电涌放电器系统10还包括第二主动冷却系统14，尽管一些电涌放电器系统12可以仅包括单个主动冷却系统14。主动冷却系统14包括冷却接口16，其用于与寻求被冷却的一个部件或多个部件对接，例如在图1的实施例中的电涌放电器12对接(和/或在其它实施例中的功率半导体)。在一些实施例中，主动冷却系统14还包括基座单元18。基座单元18可以与冷却接口16成一体，或者可以与冷却接口16分开定位。

用于每个主动冷却系统14的冷却接口16与电涌放电器12(例如，电涌放电器12的每侧上各有一个冷却接口16)接触，并且冷却接口16可操作以从电涌放电器12转移热量。主动冷却系统14不依赖于自然对流，而是依赖于一种形式或多种形式的强制对流。例如，在各种实施例中，主动冷却系统14包括强制对流装置20，例如风扇或泵或加压冷却剂源或提供强制对流流动的其它设备或系统，以经由强制对流(即提供强制对流冷却)去除热量。强制对流装置20是主动冷却系统14的主动部分。基座单元18和/或冷却接口16是主动冷却系统14的被动部分。强制对流装置20迫使气体或液体通过或抵靠基部单元18和/或冷却接口16和/或另一部件，以便将热22转移远离电涌放电器12。在其它实施例中，强制对流单元20迫使气体或液体通过或抵靠基部单元18和/或冷却接口16，以便将热22转移远离另一个电气部件，例如固态断路器或一个或多个功率半导体，例如用于形成固态断路器的全部或一部分，作为电涌放电器12的替代或补充，例如，根据实施例。在一些实施例中，强制对流装置20可以与基座单元18分开定位，并且在其它实施例中，强制对流装置20可以是基座单元18或者是基座单元18的一部分。

在一种形式中，主动冷却系统14包括具有单冷凝器的脉动热管(PHP)，例如，其中PHP是主动冷却系统14的被动部件，并且主动部件是用于使空气或另一流体在冷凝器(例如，强制对流装置20)上循环的分开定位的风扇或泵。例如，在一些这样的实施例中，基座单元18是PHP的冷凝器，被强制对流装置20冷却，并且冷却接口16是例如紧密地与PHP的蒸发器热耦合的蒸发器或导热垫或安装件。在其它实施例中，主动冷却系统14可以采取其它形式，并且可以包括例如水冷却器或冷板系统、空气冷却器系统、两相温差环流热交换器、脉动热管和/或回路热管(LHP)。冷却元件(例如冷却接口)可以是例如具有单冷凝器的制冷剂脉动热管、具有双冷凝器的制冷剂脉动热管、具有双冷凝器的制冷剂脉动热管、散热器，例如使用强制对流冷却、与水脉动热管绝缘的基座、冷板或蒸发器。在一些实施例中，两个或多个主动冷却系统14可以共享一个或多个强制对流装置20。

参照图2，根据本发明的实施例的断路器系统30的非限制性示例的一些方面被示意性地示出。断路器系统30从源32向负载34供应功率，其中系统的电感被表示为L_sys。断路器系统30包括形式为MOV的电涌放电器12，电涌放电器12与彼此反平行设置的两个功率半导体36并联。在一种形式中，功率半导体是固态开关。

参照图3，根据本发明的实施例的断路器系统40(例如图2的断路器系统30的实现)的非限制性示例的一些方面被示出。在一种形式中，断路器系统40被配置为处理在50V与2000V之间的以及在100A与5000A之间的功率需求。在其他实施例中，其他断路器系统可以被设置为处理高于或低于该范围的功率需求。断路器系统40包括电涌放电器12；两(2)个功率半导体36；四(4)个主动冷却系统14(例如，如上面关于图1所述)；两个(2)绝缘体42和具有夹紧端结构46的夹紧机构44，夹紧端结构46通过夹紧螺栓48和保持螺母50结合在夹紧机构中。在一种形式中，功率半导体36是集成的栅极换向晶闸管(IGCT)。在其它实施例中，其它类型的功率半导体可以被用于作为IGCT的替代或补充。这可以导致不同配置和不同数量的功率半导体36，例如，一个、两个或多个功率半导体36可以被使用于任何合适的配置或拓扑中。仅举几例，其他类型的合适的功率半导体包括例如一个或多个集成栅极双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、晶闸管和/或栅极截止晶闸管(GTO)。如图3所示，夹紧机构44将电涌放电器12、功率半导体36和主动冷却系统14(例如，主动冷却系统14的冷却接口16)被一起夹紧在绝缘体42之间以形成堆叠。图2的电路实现是使用母线(未示出)将电涌放电器12和功率半导体36耦合在一起并且耦合到源32和负载34(未示出)所获得的。

主动冷却系统14被构造成冷却多个功率半导体36，并且包括强制对流装置20，强制对流装置20被构造成提供用于冷却功率半导体36和电涌放电器12的强制对流冷却。功率半导体36被夹在多个主动冷却系统14之间(例如，在主动冷却系统14的冷却接口16之间)。电涌放电器12被设置成与多个主动冷却系统中的至少一个主动冷却系统14相邻并接触。至少一个主动冷却系统14包括被配置为用于与电涌放电器接触的冷却接口16。在图3的实施例中，电涌放电器12被设置成与两个主动冷却系统14相邻并接触。

主动冷却系统14包括呈风扇形式的强制对流装置20，但在其它实施例中，强制对流装置20可能采取其它形式，例如泵，诸如其中主动冷却系统14是水冷却器或冷板。在图3的实施例中，主动冷却系统14包括具有单冷凝器的脉动热管，但是主动冷却系统14可以备选地采取其它形式，例如，如上面关于图1的实施例所述。在图3的实施例中，基座单元18为散热片(冷凝器)的形式，基座单元18接收来自强制对流装置20的冷却空气52，以便提供强制对流冷却。在图3的实施例中，电涌放电器12和功率半导体36都接收双侧冷却，即，电涌放电器12和功率半导体36可以与相邻的主动冷却系统14(例如，主动冷却系统14的相邻冷却接口16)接触并通过其在两侧上被冷却。在一些实施例中，电涌放电器12和/或功率半导体36可以仅接收单侧冷却，即，电涌放电器12和/或功率半导体36可以与相邻的主动冷却系统14(例如，主动冷却系统14的相邻冷却接口16)接触并通过其仅在一侧上被冷却，主动冷却系统14在一些实施例中在电涌放电器12与功率半导体36之间被共享。在一种形式中，电涌放电器12的冷却是功率半导体36的冷却所附带的，因为如下所述，电涌放电器12和功率半导体36不会同时耗散功率，并且因此，在任何给定时间，仅电涌放电器12或仅功率半导体36将功率耗散到主动冷却系统14中。

因为电涌放电器12主动地被冷却，即，使用强制对流被冷却，所以相对于依赖于自然对流冷却(例如，单独的自然对流)的冷却措施电涌放电器12可以耗散能量的速率被增强。通过经由强制对流提供增强的冷却，电涌放电器12的能量耗散率增加，而不要求电涌放电器12过大以便处理热负荷。在一些实施例中，在触发(即，必须由电涌放电器12耗散的能量触发)之后通过使用强制对流冷却来降低电涌放电器12的温度，连续触发可以被吸收，例如不超过电涌放电器12的操作温度。这在具有再闭合功能的断路器的应用中是特别可取的。在一些实施例中，在具有每三(3)秒三(3)次电涌放电器断开的再闭合循环中，双侧主动冷却(强制对流冷却)与自然对流冷却相比可以将电涌放电器能量要求和电涌放电器尺寸减小66％或更多。

在图3的断路器应用中，功率半导体36的热管理已经需要主动冷却(强制对流冷却)，即，以便充分冷却功率半导体36。通过将电涌放电器12集成到功率半导体36的热系统中，电涌放电器12不需要专用冷却系统，因为功率半导体36和电涌放电器12交替地耗散功率，即，功率半导体36和电涌放电器12在不同时间将功率耗散到主动冷却系统14中，并且因此在任何给定时间主动冷却系统14仅被电涌放电器12或功率半导体36其一使用。例如，功率半导体36在正常操作期间将功率耗散到主动冷却系统14中，此时功率经由功率半导体36被递送到负载34，在该正常操作期间，电涌放电器12有效地不将电流传送到负载34，并且因此不将功率耗散到主动冷却系统14中。在功率半导体开关36断开的情况下，系统电感L可以引起电压升高，并且电涌放电器12可以作为电阻器有效地传导，并且可以将功率耗散到主动冷却系统14中，此时功率半导体36不在传导，并且因此不将功率耗散到主动冷却系统14中。因此，使用被指定用于功率半导体36的主动冷却系统14，电涌放电器12的主动冷却可以被实现。

参考图4，比较曲线图54示出了由以三(3)秒的间隔的10kJ的三(3)次触发引起的涉及断路器的三(3)次断开的再闭合事件，并且将具有自然对流冷却的电涌放电器的温度上升与具有主动冷却的电涌放电器的温度上升进行比较。具有自然对流冷却的电涌放电器的温升56基本上大于具有主动冷却的电涌放电器的温升58，并且在三(3)次每次间隔三(3)秒的连续10kJ触发之后超过用于电涌放电器的温度极限60。因此，使用自然对流冷却的电涌放电器需要超定尺寸，以便在这样的情况下可靠地完成再闭合功能。然而，具有主动冷却的电涌放电器轻易地耗散与连续10kJ触发相关联的能量，并且因此将不需要任何超定尺寸。

在标称电流下用30秒间隔测试断路器系统的多个操作，并且在短路电流下用120秒间隔测试断路器系统的多个操作是可取的。参考图5，比较曲线图62示出了在标称电流条件下的具有在断开之间30秒间隔的多次断开的测试中的自然对流冷却和主动冷却之间的比较。比较曲线图62示出了具有自然冷却的电涌放电器的温升64基本上大于具有主动冷却的电涌放电器的温升66。参考图6，比较曲线图68示出了在短路电流条件下的具有在断开之间120秒间隔的多次断开的测试中自然对流冷却与主动冷却之间的比较。比较曲线图68示出了具有自然冷却的电涌放电器的温升70基本上大于具有主动冷却的电涌放电器的温升72。因此，从图4至图6可以看出，通过提供主动冷却，在重复操作期间具有主动冷却的电涌放电器的温度基本上低于在相同操作条件下具有自然对流冷却的电涌放电器的温度。

参照图7，根据本发明的实施例的断路器系统80(例如，图2的断路器系统30的另一实现)的非限制性示例的一些方面被示出。图2的电路实现是使用母线(未示出)将电涌放电器12和功率半导体36耦合在一起并且耦合到源32和负载34(图7中未示出)所获得的。图7的实施例类似于图3的实施例，除了在图7的实施例中，使用数量为三(3)个的主动冷却系统14被，而不是图3的实施例中的使用数量为四个(4)的主动冷却系统14。与图3的实施例类似，每个固态开关36具有双侧冷却，但与图3的实施例不同，在图4的实施例中，电涌放电器12具有单侧冷却。

参照图8，根据本发明的实施例的断路器系统90(例如，图2的断路器系统30的另一实现)的非限制性示例的一些方面被示出。图2的电路实现是使用母线(未示出)将电涌放电器12和功率半导体36耦合在一起并且耦合到源32和负载34(图8中未示出)所获得的。图8的实施例类似于图3的实施例。在图8的实施例中，主动冷却系统14具有水冷却器或冷板92形式的冷却接口16，其耦合到以泵的形式的强制对流装置20。强制对流装置20将冷却的水泵送到水冷却器92中，以从电涌放电器12和功率半导体36传递热并提供强制对流冷却至电涌放电器12和功率半导体36。一些实施例可以包括散热片和风扇，以冷却用于冷却电涌放电器12和功率半导体36的水。与图3的实施例一样，在图8的实施例中，功率半导体36和电涌放电器12被夹在主动冷却系统14之间，并从主动冷却系统14接收双侧强制对流冷却。

参照图9，根据本发明的实施例的断路器系统100(例如图2的断路器系统30的另一实现)的非限制性示例的一些方面被示出。图2的电路实现是使用母线(未示出)将电涌放电器12和功率半导体36耦合在一起并且耦合到源32和负载34(图9中未被示出)的被获得的。图9的实施例包括电涌放电器12、两个(2)功率半导体36；四(4)个绝缘体42；以及两个(2)主动冷却系统14。主动冷却系统14具有呈冷却散热器102形式的冷却接口16。呈风扇形式的两个强制对流装置20将冷却空气104吹过散热器102以提供强制对流冷却。两(2)个夹紧机构44被使用以将冷却的散热器102、电涌放电器12和功率半导体36夹在绝缘体42之间。

本发明的实施例包括一种电涌放电器系统，包括：电涌放电器；以及主动冷却系统，该主动冷却系统具有与电涌放电器接触并且可操作以从该电涌放电器转移热量的冷却接口，其中主动冷却系统包括可操作以提供强制对流冷却的强制对流装置。

在改进中，冷却接口被设置在电涌放电器的第一侧上，并且电涌放电器还包括另一主动冷却系统，另一主动冷却系统具有与电涌放电器接触并被设置在电涌放电器的与第一侧相对的第二侧上的另一冷却接口，其中，另一冷却接口可操作以从电涌放电器转移热量。

在另一改进中，强制对流装置是风扇或泵。

在又一改进中，主动冷却系统包括热管系统。

在又一改进中，热管系统是脉动热管系统。

本发明的实施例包括一种断路器系统，该断路器系统包括：功率半导体开关；主动冷却系统，该主动冷却系统被构造为冷却功率半导体开关，其中主动冷却系统包括被设置为提供强制对流冷却的强制对流装置；并且其中功率半导体开关与主动冷却系统接触；并且电涌放电器被设置为与主动冷却系统相邻并与主动冷却系统接触，其中主动冷却系统包括冷却接口，该冷却接口被构造为用于与电涌放电器接触并且可操作以向电涌放电器提供冷却，其中功率半导体开关和电涌放电器交替地耗散功率。

在一个改进中，断路器系统还包括多个绝缘体。

在另一改进中，功率半导体开关、主动冷却系统和电涌放电器被一起夹紧在多个绝缘体之间。

在又一个改进中，主动冷却系统是第一主动冷却系统，还包括第二主动冷却系统，其中，电涌放电器被设置成与第一主动冷却系统和第二主动冷却系统相邻并被夹紧在第一主动冷却系统与第二主动冷却系统之间。

在又一改进中，主动冷却系统包括热管系统。

在又一改进中，热管系统包括脉动热管系统。

在又一改进中，主动冷却系统包括水冷却器或冷板。

在又一改进中，主动冷却系统包括冷却散热器。

在又一改进中，强制对流装置是风扇或泵。

本发明的实施例包括一种断路器系统，包括：多个功率半导体；多个主动冷却系统，多个主动冷却系统被配置为冷却多个电力半导体，其中多个主动冷却系统包含被配置为提供强制对流冷却的风扇或泵；并且其中，多个主动冷却系统中的主动冷却系统被设置在每个功率半导体的至少一侧上并且与每个功率半导体接触；电涌放电器被设置为与多个冷却系统中的至少一个主动冷却系统相邻并与该至少一个主动冷却系统在至少一个面上接触，其中该至少一个主动冷却系统可操作以向电涌放电器提供冷却；至少两个绝缘体；以及夹紧机构，该夹紧机构可操作以将多个功率半导体、多个主动冷却系统和电涌放电器夹紧在至少两个绝缘体之间。

在一个改进中，电涌放电器被布置成与多个冷却系统中的两个主动冷却系统相邻并被夹紧在该两个主动冷却系统之间。

在另一改进中，多个主动冷却系统包括多个热管系统。

在又一改进中，多个热管系统包括脉动热管系统。

在又一改进中，多个主动冷却系统包括多个水冷却器或冷板。

在又一改进中，多个主动冷却系统包括多个冷却的散热器。

尽管在附图和前面的描述中已经对本发明进行了详细的图示和描述，但本发明被认为是说明性的而不是限制性的，应当理解，仅示出和描述了优选实施例，并且落在本发明精神内所有改变和修改都希望受到保护。应当理解，虽然在上面的描述中使用诸如优选的、优选地、优选或更优选之类的词语来表示这样描述的特征可能是更理想的，但这些特征可能不是必需的，并且缺少这些特征的实施例可以被认为在本发明的范围内，该范围由所附权利要求限定。在阅读权利要求时，当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”这样的词语时，无意将权利要求限于仅一个项目，除非在权利要求中明确地另有相反说明。当使用“至少一部分”和/或“一部分”这样的用语时，除非明确地另有相反说明，否则该项目可以包括一部分和/或整个项目。

除非另有规定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变型被广泛地使用，并且包括直接和间接安装、连接、支撑和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合。