用于高电压的模块化多点变流器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于形成变流器的两极子模块。在此，所述子模块包括第一子单 元，所述第一子单元具有:第一储能器;与第一储能器并联连接的、两个功率半导体切换单 元的第一串联电路，所述功率半导体切换单元分别包括具有相同的导通方向的可接通、可 关断的功率半导体，并且所述功率半导体切换单元分别能够与所述导通方向相反地导电； 和第一接线端子，所述第一接线端子连接到所述第一串联电路的功率半导体切换单元之间 的电势点。所述子模块还包括第二子单元，所述第二子单元具有:第二储能器;与第二储能 器并联连接的、两个功率半导体切换单元的第二串联电路，所述功率半导体切换单元分别 包括具有相同的导通方向的可接通、可关断的功率半导体，并且所述功率半导体切换单元 分别能够与所述导通方向相反地导电；和第二接线端子，所述第二接线端子连接到所述第 二串联电路的功率半导体切换单元之间的电势点。所述第一子单元和所述第二子单元还经 由连接部件彼此连接。所述连接部件具有:发射极连接支路，所述发射极连接支路将所述第 一串联电路的第一功率半导体切换单元的发射极连接到所述第二串联电路的第一功率半 导体切换单元的发射极;集电极连接支路，所述集电极连接支路将所述第一串联电路的第 二功率半导体切换单元的集电极连接到所述第二串联电路的第二功率半导体切换单元的 集电极;和切换支路，在所述切换支路中布置有切换单元，并且所述切换支路将所述发射极 连接支路连接到所述集电极连接支路。
[0002] 本发明还设及一种具有运种两极子模块的串联电路的变流器，其中，所述子模块 的串联电路布置在所述变流器的交流电压接线端和直流电压接线端之间。
【背景技术】
[0003] 功率电子系统在非常高的电压和功率范围内的使用已经变得越来越重要。功率电 子系统主要用于控制不同的供电网（电网禪合、高压直流输电（HGU ))之间的能量流。特 别地对于在空间上延伸的、连接有多个变流器的分支（"多终端"）的高压直流电网，可靠并 且快速地管理可能的故障具有至关重要的意义。
[0004] 迄今为止对于所需要的非常高的功率，主要使用具有晶闽管和注入的(eing巧巧gtem) 直流电流的变流器。然而，其不能满足未来日益增加的对高动态无功功率补偿、电网电压稳 定化、直流电压线缆的价廉的可用性和分支的H拉芭电网的可实现性的要求。因此，作为优 选的电路类型，主要开发了具有注入的直流电压的变流器。运种变流器类型也称为U变流器 (电压源变流器，VSC)。通常的U变流器中的一些的缺点特别地是，在变流器的直流电压侧发 生短路时，极高的放电电流从直流电压侧的电容器组流出，其可能由于极高的机械力作用 和/或电弧效应而导致损坏。
[000引在文献DE 10 103 031 Al中讨论了已知U变流器的运种缺点。其中描述的变流器 具有彼此连接成桥式电路的功率半导体阀。运些功率半导体阀中的每一个具有交流电压接 线端和直流电压接线端并且由两极子模块的串联电路构成，该两极子模块分别具有单极存 储电容器W及与存储电容器并联连接的功率半导体电路。该功率半导体电路由分别与续流 二极管反向并联连接的相同地定向的功率半导体开关、例如IGBT或GTO的串联电路构成。每 个子模块的两个接线端子中的一个连接到存储电容器，并且另一个接线端子连接到两个可 接通、可关断功率半导体开关之间的电势点。根据两个可控的功率半导体的切换状态，能够 在子模块的两个输出端子上产生对存储电容器施加的电容器电压或者零电压。基于功率半 导体阀内部的子模块的串联电路，提供所谓的注入直流电压的多级变流器，其中，电压级的 大小由相应的电容器电压的大小确定。运种多级或多点变流器与具有中央电容器组的两级 或=级变流器相比具有如下优点：在变流器的直流电压侧发生短路时，避免了高的放电电 流。此外，在多级变流器中，与两点或=点变流器相比，对谐波进行滤波的开销降低。
[0006] 对应的拓扑目前在工业上用于HGU。从上面引用的文献已知的运些拓扑的优点 之一在于其严格的模块化构造。
[0007] 然而，特别地为了构建在空间上延伸的、分支的归Gii电网，在扫GO电网中对可 能的故障的可靠并且快速的管理没有令人满意地解决。此外，未来大型海上风电场和偏远 的沙漠地区中的大型太阳能电场的使用需要对应的在空间上延伸的、分支的HGU电网。 特别地，必须能够对括G扫电网中的短路进行管理。
[0008] 能够在有负载的情况下切换高故障电流的用于极高的直流电压(DC电压）的廉价 机械开关由于基本的物理问题而不能使用。机械开关的在技术上可实现的断开时间和开关 过电压也是问题。因此，与现有技术相对应，用于运些应用的机械开关仅可作为无负载(无 电流)开关断路器来实现。
[0009] 直接用电子DC功率开关代替机械功率开关在高压领域中极其昂贵。半导体的附加 导通损耗也是问题。由于该原因，开发并且发布了所谓的混合HGCf开关，其为了避免和/ 或减小导通损耗而包含附加机械开关。然而，由于该措施，可实现的断开时间又由于机械开 关而雙损。
[0010] 图2W示意图示出了从现有技术中已知的子模块的内部电路的一个示例。在图2中 示出的子模块1与从DE 10 103 031 Al中已知的实施例的不同之处在于附加晶闽管8。其在 故障情况下用于为并联的续流二极管71免去难W承受的高浪涌电流。为了该目的，晶闽管8 必须在故障情况下被触发。作为其它部件，图2的子模块1在已知布置中包含两个可控的电 子开关73、74、包括具有高截止电压的IGBT、相关联的反向并联的续流二极管71、72W及作 为单极存储电容器实施的储能器6。
[0011] 在端子电流ix的极性与在图2中示出的技术电流方向相反的情况下，与控制的切 换状态无关，图2的子模块1不能接收能量。运一事实在故障情况下非常不利。运通常在装备 有仅能产生一个极性的端子电压化的子模块的情况下成立。
[0012] 使用所谓的四象限调节器(全桥）作为子模块，对于本领域技术人员是显而易见 的，并且从不同的公开文献中已知（例如参见文献DE 102 17 889 A1)。其可W针对每个极 性的端子电流产生对应的反向电压，即接收能量。由此，能够获得W下优点：
[0013 ] ? DC侧电流和二相侧电流在电网故障的情况下-特别是在DC电网中发生短路的情 况下-可W由变流器本身W电子的方式断开和/或进行限制。
[0014] ?与机械开关或者混合HGU开关的断开时间相比，可实现的断开时间短。
[0015] ?在正常运行中可获得更高的AC电压，从而能够实现具有电网变压器的稍微更高 的次级电压（W及所产生的更小的AC电流)的设计。运是确定尺寸时的很有价值的自由度。
[0016] 然而，极其不利的是如下事实：在电流相同的情况下，子模块的导通功率损耗加 倍。特别是在能源供应中，由于在高功率下的持续运行，运具有可观的商业意义。然而，对于 正常运行中的功能，确定尺寸为更小的AC电流的新自由度很有价值。
[0017] 具有运种子模块的变流器从文献DE 10 2008 057 288 Al中已知。其中，在在连接 部件的发射极连接支路中W及集电极连接支路中分别布置有电势隔离二极管W及任选地 布置有阻尼电阻。将电势隔离二极管布置为使得连接部件的切换支路将发射极连接支路的 电势隔离二极管的阴极连接到集电极连接支路的电势隔离二极管的阳极。通过该连接部件 的构造，在对功率半导体切换单元进行合适的控制的情况下，能够实现子模块的两个接线 端子之间的电流流动总是必须经由至少一个储能器进行。相应地设及的储能器总是与端子 电流的极性无关地建立能够使电流流动更快地衰减的反向电压。在运种解决方案中发现缺 点是，不能对于两个极性的端子电流ix都产生负端子电压。由此，不能实现定尺寸为更小的 AC电流的附加自由度。已知的直接在变流器的DC侧的下游连接HGO开关的变流器的布置 也具有该缺点。
[0018] 因此，还存在与利用级联的全桥电路能够实现的相比在技术上更好地实现子模块 的高需求。
【发明内容】
[0019] 本发明的目的在于，提出一种开头提及的类型的子模块和变流器，其中，正常运行 中的子模块的半导体功率损耗降低，可控半导体开关的数量得到限制，并且能够实现统一 地用半导体装配子模块。