带有撬棒电路的转换器单元的制作方法

1.本公开涉及模块化多电平链式链接转换器(mmc)的转换器单元。


背景技术：

2.由于增强的模块化、可扩展性以及损耗降低的谐波性能，mmc已成为并网转换器的热门选择。朝向单元级别保护构思的发展最近已经成为焦点。在半桥(half
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bridge，hb)或全桥(full
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bridge，fb)mmc单元的所谓击穿故障中，单元电容器经由半导体开关的支路短路，从而导致单元电容器能量以非常大的电流(例如对于静态同步补偿器(statcom)在500ka到1ma的范围内、或者对于高压直流(high
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voltage direct current，hvdc)转换器在1至2ma的范围内)放电到开关中。
3.栅极驱动器(gate driver，gd)通常配备有保护电路，以感测较大的电流并安全关闭(即不导通)开关。从过去的经验来看，已经确定了使用gd的安全关闭并不是总起作用，并且可能必须有辅助保护电路。在开关击穿故障期间，mmc单元应克服的两个问题是：
4.‑
放电到开关中的较大的单元电容器能量可能导致爆炸(例如在使用接合线的工业开关模块(例如绝缘栅双极型晶体管，igbt)的情况下)，或者导致需要更昂贵的具有气密密封的压接封装开关(例如集成门极换向晶闸管(gate
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commutated thyristor，igct)、双模绝缘栅晶体管(bi
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mode insulated gate transistor，bigt)、晶闸管、stackpak igbt或注入增强栅晶体管(injection
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enhanced gate transistor，iegt))来处理这些能量。
5.‑
在击穿故障期间，在高阻抗模式下开关爆炸或故障之前，可能有必要在单元输出上具有快速稳定的旁路。需要注意的是，由于较大的臂电抗器的存在，流经单元输出的电流不能被中断，这会在故障的单元上引发电弧，从而导致转换器的阀结构的严重损坏。
6.为了解决这些问题，可以使用连接在单元电容器两端的直流(direct current，dc)撬棒晶闸管。当检测到击穿故障时，触发撬棒晶闸管开启(即导通)。然后，来自电容的较大的涌入电流在开关的故障的支路和晶闸管之间共享，从而放宽了开关封装的能量处理要求。晶闸管可以被设计成使得大部分电容器能量经由晶闸管而不是经由开关放电。晶闸管可能故障短路，并长持续时间(例如>1年)内保持处于低阻抗，通常直到下一维修停止。
7.例如，如果开关是压接封装igct，由于igct的特性是在二极管保持健康的情况下故障短路，因此可以获得通过二极管桥和故障的晶闸管的稳定的单元输出旁路。通过在mmc单元中引入dc撬棒晶闸管已经解决了以上提及的两个问题。
8.图1a示出了正常操作期间的转换器单元，而图1b示出了dc撬棒晶闸管被激活并进入短路，由此该单元通过二极管被旁通。
9.需要注意的是，为了使这种方法起作用，二极管必须保持健康。例如，工业igbt模块使用接合线将igbt和二极管芯片连接到功率端子。当在接合线模块发生击穿故障时，较大的涌入电流可能损坏接合线，从而使接合线蒸发并产生由强磁场引起的机械应力。因此，这可能会导致开路故障，而不像导致短路电路故障的压接封装模块(例如igct)中一样。在击穿电流由于开关的开路故障而中断时，可能会在igbt模块内引发电弧。这导致igbt组件
内部升高的温度以及最终增加的压力，并可能最终导致igbt模块爆炸。从爆炸排出的气体以及转换器臂上的电流中断然后可能导致故障的单元上的电弧放电，从而导致转换器中的另外的故障。
10.因此，即使当撬棒晶闸管导通时，二极管(与故障的开关反并联)也可能不得不在谐振时段的负半周期期间携带较大的电流，即使它们在击穿事件本身中保留下来，也可能会降低接合线的寿命和可靠性。因此，在这样的事件之后，不能保证健康的二极管。
11.拥有dc撬棒晶闸管肯定可以防止接合线模块爆炸。但在此类事件后，二极管的可靠性是有问题的，并且无法保证可靠、低阻抗、长期的单元输出旁路。


技术实现要素：

12.本发明的目的是提供一种转换器单元，其对由于击穿事件引起的dc电容器放电以及故障的单元的快速和可靠旁通两者具有改进的处理。
13.根据本发明的一方面，提供了一种用于功率转换器的转换器单元。单元包括多个半导体器件，该多个半导体器件在单元中形成具有至少一个开关支路的半桥或全桥拓扑，该至少一个开关支路包括串联连接的多个半导体器件，每个半导体器件包括开关和反并联二极管。单元还包括连接在至少一个开关支路两端的能量存储装置。单元还包括连接在至少一个开关支路两端的撬棒支路，所述撬棒支路包括被布置成当撬棒开关被切换到导通时短路能量存储装置的多个串联的半导体撬棒开关。单元还包括第一ac端子和第二ac端子，其中所述ac端子中的至少一个在所述开关支路的多个串联连接的半导体器件中的两个之间连接到至少一个开关支路中的一个，并且在所述撬棒支路的多个串联连接的撬棒开关中的两个之间连接到撬棒支路，由此第一ac端子和第二ac端子被布置成当撬棒开关中的一个切换到导通时经由所述撬棒开关旁通半导体器件。
14.根据本发明的另一方面，提供了一种功率转换器，例如mmc，该功率转换器包括本公开的多个串联连接的转换器单元。
15.通过使用多个串联连接的撬棒开关(例如晶闸管)，输出端之间的单元旁通路径可以通过所述撬棒开关中的至少一个而不是通过故障的开关的反并联二极管来形成，从而提高了单元以及因此整个转换器的故障处理和可靠性。
16.应当注意，这些方面中的任何一个的任何特征可以适用于任何其他方面，只要合适。同样地，这些方面中的任何一个的任何优点可以应用于其他方面中的任何一个。从以下详细公开内容、从所附从属权利要求以及从附图中，所附实施例的其他目的、特征和优点将变得显而易见。
17.一般来说，权利要求中使用的所有术语应根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非在此明确定义。对“一/一个/元件、设备、部件、装置、步骤等”的所有引用应被公开解释为指该元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另有明确说明。除非明确说明，本文公开的任何方法的步骤不必以公开的确切顺序执行。对本公开的不同特征/部件使用“第一”、“第二”等仅旨在将特征/部件与其他类似特征/部件区分开来，而不是赋予特征/部件任何顺序或层次。
附图说明
18.将参照附图通过示例的方式描述实施例，在附图中：
19.图1a和图1b示出了根据现有技术的转换器单元。
20.图2是根据本发明的实施例的在此为呈双星拓扑的mmc的形式的功率转换器的示意电路图。
21.图3a是根据本发明的实施例的半桥转换器单元的示意电路图。
22.图3b是示出根据本发明的实施例的当撬棒支路导通时图3a的半桥转换器单元中的dc能量存储放电路径和ac旁通路径的示意电路图。
23.图4a是根据本发明的实施例的全桥转换器单元的示意电路图。
24.图4b是示出根据本发明的实施例的当撬棒支路导通时图4a的全桥转换器单元中的dc能量存储放电路径和ac旁通路径的示意电路图。
25.图5是根据本发明的实施例的具有反向撬棒开关的半桥转换器单元的示意电路图。
26.图6是根据本发明的实施例的具有反向撬棒开关的全桥转换器单元的示意电路图。
具体实施方式
27.现在将在下文中参考附图更全面地描述实施例，在附图中示出了某些实施例。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其他实施例是可能的。相反，通过示例的方式提供以下实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。在整个描述中，相同的数字指代相同的元件。
28.本发明提出了一种分开式dc撬棒电路布置，其具有串联的多个单向撬棒开关，以便除了处理电容器能量放电之外，还提供快速和可靠的单元输出旁路。撬棒开关在此以晶闸管为例，这在本发明的一些实施例中是优选的，但是应当注意，在其他实施例中也可以替代地使用其他半导体开关。晶闸管作为撬棒开关的有利特性包括，它们可以快速切换到导通状态，并且然后在故障后长时间内以低阻抗保持导通。附加地，它们还用于能够处理非常高的放电能量的气密密封封装，从而使得它们适合撬棒电路应用。
29.图2示出了功率转换器1，在此为具有串联连接(也称为链式链接或级联)转换器单元4的转换器臂3的mmc的形式，在此为双星拓扑(也称为双星形或双y形)的交流(ac)到直流(dc)转换器1包括三个相2，每个相具有连接到正dc端子dc+的第一转换器臂3a和连接到负dc端子dc
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的第二转换器臂3b，每个臂被示出为与臂电抗器串联。
30.mmc或双y形转换器拓扑在本文中作为示例给出。所开发的单元保护方法适用于功率转换器1的任何转换器单元4，例如其可以用于构建任何链式链接拓扑，例如三角形、y形、双y形、模块化矩阵转换器等。另外，转换器1不限于如图所示的ac
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dc转换器，而是可以例如是ac
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ac转换器或静态同步补偿器(statcom)。
31.分别在图3和图4中示出了用于hb和fb单元4的所建议的分开式dc撬棒电路布置。每个单元包括能量存储装置5(例如包括电容器、超级电容器或电池装置)，以及连接在能量存储装置5两端(即与其并联)并包括至少两个半导体器件t的至少一个开关支路6。每个半导体器件t包括单向开关s和反并联二极管d。如图3所示的hb单元4通常包括具有串联的第
一半导体器件t1和第二半导体器件t2的单个开关支路6。如图4所示的fb单元4通常包括第一开关支路6a和第二开关支路6b两者，其中附加的第二开关支路6b与第一开关支路6a并联连接，并且包括串联的第一半导体器件t3和第二半导体器件t4。
32.对于hb单元4，两个撬棒开关(晶闸管)c(第一晶闸管c1和第二晶闸管c2，每个能够承受全dc电压)串联连接在撬棒支路7中，该撬棒支路以最小的电感并联连接到单元电容器5(并且因此也与开关支路6并联)。在gd未能成功关闭健康的开关s的在击穿故障(或开关的开路故障)的情况下，dc撬棒晶闸管c被触发开启。
33.从过去的经验来看，晶闸管c将传导大部分单元电容器能量，从而放宽开关s模块的能量处理要求。因此，可以防止接合线模块的爆炸。而且，在传导如此大量的能量之后，晶闸管不能(传导)进入低阻抗、长持续时间的短路模式。因此，如从图3b的图示所见，单元输出被导通的第二晶闸管c2旁通。这不取决于单元输出旁通的二极管d。单个门脉冲触发器可以与所有晶闸管并联，因为晶闸管如何触发并不重要。要注意的是，尽管需要具有单元dc电压额定值的两个串联连接的晶闸管，但是与单个晶闸管相比，每个晶闸管的能量处理能力降低到一半。
34.对于fb单元4适用部分也是如此。串联连接的三个晶闸管c(第一晶闸管c1、第二晶闸管c2和第三晶闸管c3，每个能够承受全dc电压，但通常仅具有1/3的能量处理能力)以最小的电感并联连接到单元电容器5。在击穿故障的情况下，全部三个晶闸管都被触发开启。如图4b所见，对于hf单元，单元输出被导通的第二晶闸管c2旁通。
35.对于hf单元和fb单元4，半导体器件t(尤其是其二极管d)可以关于通过第一ac端子a和第二ac端子b之间的单元的ac传导路径被旁通。如图3和图4所示，第一ac端子a在开关支路的第一半导体器件t1和第二半导体器件t2之间连接(通常通过直接电连接)到开关支路(在此是用于hf单元的唯一开关支路6和用于fb单元的第一开关支路6a)；并且在撬棒支路的第一撬棒开关c1和第二撬棒开关c2之间连接到撬棒支路7。
36.附加地，对于如图4所示的fb单元，第二ac端子b在开关支路6b的第一半导体器件t3和第二半导体器件t4之间连接(通常通过直接电连接)到第二开关支路6b；并且在第二撬棒开关和第三撬棒开关c2和c3之间连接到撬棒支路7。对于hb单元，第二ac端子b可以以常规方式连接，如图3所示。
37.在一些实施例中，撬棒开关c中的一个、一些或全部可以用例如包括晶闸管的反并联反向撬棒开关cr来补充。这方面的一些示例分别在图5和图5中针对hf单元和fb单元4进行了说明。可以看出，与和第二撬棒开关c2反并联的反向撬棒开关(如图5和图6所示)一起可能特别有用，以便能够处理例如dc极间故障(在该dc极间故障中存在从负dc端子dc
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到正dc端子dc
+
的在相反方向上行进的电流)。然后，反向撬棒开关可以与其反向并联的撬棒开关c一起形成双向开关设备，例如双向受控晶闸管(bi
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directional controlled thyristor，bct)，其也可以被称为相位控制晶闸管(phase control thyristor，pct)。
38.如图5和图6可见，在反向电流的情况下，电流可以通过反向撬棒开关cr从第二ac端子b流到第一ac端子a。
39.例如，mmc hb的关键故障之一是dc极间故障。在这种故障的情况下，二极管d(在hb的情况下为d2，在fb的情况下为d2和d3)携带仅受到臂电抗器阻抗限制的较大的电流(例如在10值20ka的范围内)，通常持续半个至一个基本周期，直到ac断路器跳闸以切断电流。这
对二极管浪涌电流额定值提出了要求。在接合线模块的情况下，二极管浪涌电流额定值(即浪涌电流与标称电流之比)与压接封装设备相比可能相对有限。如果具有所建议的分开式dc撬棒保护的第二撬棒开关c2被以例如bct替换，那么对于这种故障情况，反向撬棒开关可以被触发开启。反向撬棒开关cr将与二极管共享故障电流，从而显著提高二极管的浪涌电流处理能力。对于这种故障情况，它还有助于延长接合线二极管的寿命。
40.进一步，已经看出，statcom可能需要处理高达2.1p.u.(每单位)的非常高的瞬态过电压(transient overvoltage，tov)。在这种情况下，转换器臂3通常是超额定的(随着增加的电抗器阻抗高达50％)以便处理如此高的tov。在正常操作(即在公共耦合点(point of common coupling，pcc)处具有1.0p.u.的电压)期间，许多单元(约30％)通常被旁通，这些单元主要仅在tov条件下需要。为了旁通fb单元，第一开关s1和s3两者或者第二开关s2和s4两者被开启。利用所提出的分开式dc撬棒，在具有与第二撬棒开关c2反并联的反向撬棒开关cr(见图6)的情况下，反向撬棒开关cr可以被开启以旁通单元，从而减少传导损耗，因为仅使用了一个开关而不是两个开关来旁通单元。在tov期间，转换器1在电感模式下操作，这自然有助于晶闸管换向，从而使单元4从旁通模式返回到单元插入模式。
41.在本发明的一些实施例中，功率转换器1是包括本公开的多个串联连接(级联或链式链接)的转换器单元的mmc。功率转换器1可以具有任何合适的拓扑。mmc或双星(y形)转换器拓扑在本文中作为示例给出。所开发的单元保护方法适用于功率转换器1的任何转换器单元4，例如其可以用于构建任何链式链接拓扑，例如三角形、y形、双星形、模块化矩阵转换器等。另外，转换器1不限于如图所示的ac
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dc转换器，而是可以例如是ac
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ac转换器或静态同步补偿器(statcom)。在一些实施例中，如当前对于一些应用优选的那样，mmc是ac到dc转换器，例如呈双星拓扑的形式。
42.在本发明的一些实施例中，至少一个开关支路6由一个开关支路构成，该开关支路包括第一半导体器件t1和第二半导体器件t2，从而形成半桥拓扑。然后，在一些实施例中，多个串联连接的半导体撬棒开关c由第一撬棒开关c1和第二c2撬棒开关构成。然后，在一些实施例中，第一ac端子a在第一半导体器件t1和第二半导体器件t2之间连接到开关支路6，并且在第一撬棒开关c1和第二撬棒开关c2之间连接到撬棒支路7。
43.在本发明的一些其他实施例中，至少一个开关支路由第一开关支路6a和第二开关支路6b构成，每个开关支路包括第一半导体器件t1或t3和第二半导体器件t2或t4，从而形成全桥拓扑。然后，在一些实施例中，多个串联连接的半导体撬棒开关由第一撬棒开关c1、第二撬棒开关c2和第三撬棒开关c3构成。然后，在一些实施例中，第一ac端子a在第一开关支路6a的第一半导体器件t1和第二半导体器件t2之间连接到第一开关支路6a，并且在第一撬棒开关c1和第二撬棒开关c2之间连接到撬棒支路7，第二ac端子b在第二开关支路6b的第一半导体器件t3和第二半导体器件t4之间连接到第二开关支路6b，并且在第二撬棒开关c2和第三撬棒开关c3之间连接到撬棒支路7。
44.在本发明的一些实施例中，反向撬棒开关cr连接在第二撬棒开关c2两端、与第二撬棒开关反并联，由此反向撬棒开关cr被设置成当所述反向撬棒开关被切换到导通时，允许电流从第二端子b经由所述反向撬棒开关流到第一端子a。在一些实施例中，第二撬棒开关c2和反向撬棒开关cr包含在双向控制晶闸管(bct)中。
45.在本发明的一些实施例中，撬棒开关c中的每一个包括晶闸管。使用晶闸管可能是
方便的，但是可以替代地使用其他合适的半导体开关。
46.在本发明的一些实施例中，半导体器件t的开关s中的每一个包括绝缘栅双极晶体管(igbt)、双模绝缘栅晶体管(bigt)或集成门极换向晶闸管(igct)，优选地是适用于一些应用的igbt。
47.在本发明的一些实施例中，半导体器件t的开关s中的每一个经由接合线连接。如上所讨论那样，当使用接合线时，本发明可能特别有用，但是当不使用接合线时，也可以使用本发明的实施例。
48.上面主要参考几个实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，在由所附权利要求限定的本公开的范围内，除了上面公开的实施例之外的其他实施例同样是可能的。