包括链式变换器和保护电路的电气设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电气设备。
【背景技术】
[0002]当操作电路或电网时，流过电路或电网的电流通常保持在电路或电网的预定额定电流范围内。然而，电路或电网中的故障或其它异常操作条件可能导致发展为超过电路或电网的额定电流的高故障电流。
【发明内容】
[0003]根据本发明的一个方面，提供一种电气设备，包括:
[0004]第一端子和第二端子，用于连接至电路；
[0005]链式变换器，连接在所述第一端子与第二端子之间，所述链式变换器包括多个链节模块，每个链节模块包括至少一个开关元件(例如，单个开关元件或两个或多个开关元件)和至少一个能量储存装置，每个链节模块的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源；以及
[0006]保护装置，连接在包括所述多个链节模块中至少两个链节模块的电气单元两端，所述保护装置包括多个串联的半导体器件，其中所述保护装置选择性地提供导电路径以允许在所述电气设备中流动的至少部分电流旁路所述电气单元。
[0007]可以理解地是，为了本发明的目的，术语“连接在两端”和术语“并联连接”的意义是一样的。类似地，在第二部件“两端”连接第一部件意在指第一部件与第二部件是“并联”连接的。
[0008]可以理解地是，在电气单元两端连接(即，并联)保护装置意在指在多个链节模块两端连接(即，并联)多个串联的半导体器件。在电气单元两端连接保护装置指保护装置被配置为允许在保护装置中流动的电流完全地旁路电气单元。换言之，在保护装置的多个串联的半导体器件中流动的电流被禁止流入形成电气单元的一部分的多个链节模块。
[0009]还可以理解地是，在根据本发明的电气设备中电气单元两端连接保护装置与半导体器件和链节模块的配置的区别在于，其中每个半导体器件与相应链节模块一一对应地并联连接，(即，每个半导体器件连接在单个链节模块两端)。半导体器件和链节模块的这种一一对应的连接意味着在半导体器件中流动的电流可以仅完全旁路单个链节模块而不是多个链节模块。
[0010]根据本发明的电气设备可以是包括至少一个链式变换器以实施其功能的任意类型的电气设备。例如，该电气设备可以是使用至少一个链式变换器用于电压变换功能的电压源变换器，或者可以形成该电压源变换器的一部分。
[0011]在电气设备的正常操作过程中，链式变换器是可操作以提供阶梯式可变电压源。保护装置没有直接涉及电气设备的正常操作。正是这样，在使用中，保护装置被配置为对电气设备的正常操作可能具有的任何影响最小化。
[0012]在电气设备的故障操作条件情况下，故障电流可以流经电气设备。故障电流的存在不仅会损坏链式变换器的一个或多个部件，还可能导致链式变换器脱网一段时间。这导致对损坏的链式变换器增加的维修和保养成本、以及对于依赖电气设备工作的终端用户的不便。
[0013]在电气设备中包括保护装置使得能够形成导电路径，以允许在电气设备中流动的电流的至少一部分旁路电气单元且从而减小流经电气单元的电流的量。这进而减小了损坏电气单元的一个或多个链节模块的过电流的风险。以这种方式，保护装置保护电气单元的链节模块免于被流经电气设备的任何故障电流不利地影响。
[0014]应当理解的是，电气单元中链节模块的数量范围可以从链式变换器的两个链节模块到所有链节模块。
[0015]保护装置包括多个串联的半导体器件，使得单个串联的半导体器件的故障不会在连接有保护装置的电气单元两端引起外部短路。这是重要的，因为在形成链节模块的一部分的截止状态自换向半导体器件两端造成外部短路可能导致所述或每个相应能量储存装置经由导电的自换向半导体器件不受控地放电，称为“2型短路”事件。避免2型短路可能是困难的，所以将它们发生的风险最小化是有利的。相比之下，在保护装置中使用单个半导体器件可能具有发生前述2型短路的风险。
[0016]另外，如上所述的保护装置的配置提供在优化保护装置以提高效率的设计方面更大的灵活性。例如，尽管要求保护装置的总额定电压与电气单元的总额定电压匹配，但是保护装置的每个串联的半导体器件的额定电压可以独立于电气单元的每个链节模块的单个额定电压进行优化。与此相反，使用单个半导体器件作为连接在单个链节模块两端的保护装置意味着单个半导体器件的额定电压必须与单个链节模块的额定电压匹配，这可能不利地影响保护装置在成本、尺寸和重量方面的效率。
[0017]另外，与连接多个半导体器件(每个在多个链节模块的相应一个的两端)所需的结构部件(例如，线夹)的数量相比，如上所述的保护装置的配置减少了连接电气单元两端的保护装置所需的结构部件的数量。这进而导致电气设备在总成本、尺寸和重量方面的节约。
[0018]多个串联的半导体器件可以是下述中任意一个:
[0019]多个串联的无源半导体器件，例如，二极管；
[0020]多个串联的有源半导体器件，例如晶闸管；或者
[0021]与至少一个无源半导体器件串联连接的至少一个有源半导体器件。
[0022]因为所述或每个无源半导体器件可以被设计为在某些条件满足时自动传导电流，所以在保护装置中使用至少一个无源半导体器件消除或减少对与电源和通信链路相关联的控制器(例如，门驱动电路)的需求。另一方面，在保护装置中使用至少一个有源半导体器件提供对形成导电路径的有源控制，以确保仅在某些条件下(例如，电气设备的故障操作条件)形成导电路径。
[0023]由于有源和无源半导体器件的不同特性，与至少一个无源半导体器件串联连接的至少一个有源半导体器件的结合还提供在优化电气设备以提高效率的设计方面的灵活性。例如，当多个串联的半导体器件包括晶闸管和二极管时，晶闸管和二极管不同的正向额定电压和反向额定电压允许保护装置被设计为具有仅晶闸管或二极管不能实现的特定正向额定电压和反向额定电压。
[0024]在本发明的实施例中，在使用中，当电气单元的至少一个链节模块被配置为在非旁路模式中提供非零电压时，保护装置可以被切换至反向偏置状态，并且当电气单元的所有链节模块被配置为在旁路模式中提供零电压并且电气单元中电流的方向允许保护装置被切换至正向偏置状态时，保护装置可以被切换至正向偏置状态。
[0025]以这种方式的电气设备的配置要求在形成导电路径之前，电气单元的所有链节模块处于旁路模式。由此，为了将保护装置对电气设备的正常操作可能具有的任何影响最小化，电气单元的链节模块的切换可以被控制为将电气设备处于正常操作时保护装置能够形成导电路径的过程时间最小化。这对保护装置的多个串联的半导体器件仅包括无源半导体器件的配置的保护装置特别有利。
[0026]在电气设备正常操作过程中保护装置确实形成导电路径的情形下，如上所述的保护装置的配置将当保护装置被随后反向偏置时可能发生的电流超调最小化。
[0027]在这种实施例中，电气设备还可以包括开关控制单元，其中开关控制单元控制电气单元的各个链节模块的切换以选择性地将电气单元的至少一个链节模块配置为非旁路模式，以便在电气设备的正常操作过程中保持保护装置处于反向偏置状态。
[0028]使用这种开关控制单元防止了在电气设备的正常操作过程中不期望地形成导电路径。
[0029]可选地，多个串联的半导体器件可以包括:至少一个无源半导体器件，例如，二极管，并且保护装置可以包括开关元件以选择性地禁止或允许所述或每个无源半导体器件导通。这种开关元件可以与串联的半导体器件不同或者为形成多个串联的半导体器件之一的有源半导体器件的形式。
[0030]在本发明的其它实施例中，保护装置可以包括至少一个控制电路和至少一个有源半导体器件，所述或每个控制电路被连接在有源半导体器件或多个有源半导体器件的相应一个有源半导体器件的控制电极和阳极两端，其中所述或每个控制电路的阻抗可变化以选择性地允许将非零电压施加在相应有源半导体器件的控制电极和阴极两端，以便将该有源半导体器件切换至导通状态。
[0031]控制电路可以包括具有非线性电压-电流特性的电阻元件。这种电阻元件可以包括，但不限于，压敏电阻(例如，氧化锌压敏电阻或碳化硅压敏电阻)、稳压二极管、火花隙或击穿二极管。
[0032]所述或每个控制电路可以被设计为在某些条件满足时将有源半导体器件自动切换至导通状态，即导电状态。例如，在本发明的实施例中，使用至少一个控制电路，当所述或每个控制电路两端具有匹配或超过预定电压阈值的电压时，所述或每个控制电路的阻抗变化以允许将非零电压施加在相应有源半导体器件的控制电极和阴极两端。这免除了对在有必要切换保护装置的一个或多个串联的半导体器件以形成导电路径时能够感测