一种开关功率单元及高压直流断路器的制作方法

本发明涉及一种开关功率单元及高压直流断路器，属于高压直流断路器技术领域。

背景技术

近年来，多端直流系统快速发展，基于柔性直流输电的直流输电网络由于其良好的特性，已成为目前国际电力领域的热点之一，也将是未来电网构建的重要组成部分。具有数毫秒内开断大电流能力的直流断路器能快速切除故障设备或线路，可以保证直流系统非故障部分的稳定运行，极大地提高了系统可靠性。其工程化应用，标志着我国高端直流装备技术实现了重大突破，极大推动了我国直流输电建设和直流电网构建，对输电系统和电网的安全可靠运行将发挥重要作用。

2012年，abb的混合式高压直流断路器技术研制成功。该混合式高压直流断路器主要包括机械式开关支路(快速机械隔离开关+负载转换开关)和半导体开关支路(半导体断路器+避雷器组)。2014年，阿尔斯通完成其混合式高压直流断路器原型产品。该混合式高压直流断路器主要包括旁路开关(ufd+pes)、半导体开关支路1(晶闸管+避雷器)、半导体开关支路2(晶闸管+电容器)和避雷器组。

目前国内外研制的高压直流断路器均需包含半导体开关支路，半导体开关支路的开关速度在微秒级甚至纳秒级，造成组件动态过程中耐受电流和电压变化率达到几ka/us、kv/us。半导体开关支路中串设有igbt模块，现有igbt模块常见的结构包括半桥结构和全桥结构，其中半桥结构由两个igbt反向串联，由同正向的igbt和反向igbt并联的二极管导通和关断电流，全桥结构由四个igbt和反并联的二极管组成，器件数量是反串联结构的两倍，关断电流能力也是其两倍。这两种方式所用igbt数量多，成本高，阀串体积大。

另外，由于igbt阀为多个igbt模块串联，且分多层布置，以160kv高压直流断路器为例，总体为108个模块串联分三层布置，单层需实现36个模块串联；根据布置的对称性要求，单层阀串的数量应为偶数。又因压接型igbt串长度不应超过2米，故单层阀串数最少为4个，所以每个阀串应由9个模块串联而成。每层包含4个串联阀串，左右各2个对称分布，9个模块为串联的布置方式。按照传统igbt串联方式为两模块之间单向串联，即第一个模块与第二个模块的安装极性为同方向串联。这种方式串联电流路径较长，支路杂感较大。igbt串联支路中的杂感过大会造成igbt浪涌电流大、尖峰电压高以及脉冲顶部震荡，对主电路及驱动电路均造成影响，增加了功率器件损耗，严重时还会损坏igbt。因此，降低igbt串联支路中的杂感是主回路设计中需重点解决的问题。

例如，公布号为cn107124167a的中国专利文件公开了一种直流电子开关及其开关功率模块，该开关功率模块是由全控器件以及由4个整流二极管作为桥臂的一个子模块单元组成，图1给出了将两个开关功率模块串联时的结构示意图。该开关功率模块可以降低制造成本，且保留了双向切断电流的能力。但是，当将多个这样的开关功率模块串联压接时，存在电流通流路径长，支路杂感较大等问题。

另外，半导体组件数量随着电压等级的提高而急剧增加，如此多的功率器件的串并联，器件自身的性能的差异性，以及主回路寄生参数的影响，半导体组件单元的支路设计难度增大，加大了对半导体组件、回路参数一致性及阻尼回路设计的难度，对直流断路器的研制带来巨大的挑战。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种开关功率单元及高压直流断路器，用于解决将现有的开关功率模块单向串联压接时，存在电流通流路径长、支路杂感较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种开关功率单元，包括串联连接的正向的功率模块和反向的功率模块；所述功率模块为h桥模块，包括并联连接的第一桥臂、第二桥臂和全控器件支路，所述第一桥臂由两个不控器件阀组同向串联而成，所述第二桥臂由另外两个不控器件阀组同向串联而成，所述全控器件支路中设置有全控器件，所述第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述功率模块的输入/输出端，所述第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述功率模块的输出/输入端；正向的功率模块中的不控器件阀组与反向的功率模块中的不控器件阀组设置方向相反，正向的功率模块中的全控器件与反向的功率模块中的全控器件设置方向相反。

本发明的有益效果是：通过将两个功率模块采用正反串联压接的形式，有效减小了电流路线长度，减小了支路杂散电感，进而减小了功率器件损耗，增加了阀组可靠性。

进一步的，为了消除全控器件关断时功率模块中产生的过电压和过电流，所述第一桥臂中两个不控器件阀组的同向串联点和第二桥臂中两个不控器件阀组的同向串联点之间连接有rc吸收支路。

进一步的，所述不控器件阀组由一个或者至少两个同向串联的二极管构成，所述全控器件支路由一个或者至少两个同向串/并联的全控器件构成。

进一步的，所述全控器件为igbt。

进一步的，所述rc吸收支路并联有避雷器。

本发明还提供了一种高压直流断路器，包括并联连接的主支路、转移支路和耗能支路，所述主支路和/或转移支路中串设有开关功率单元，所述开关功率单元包括串联连接的正向的功率模块和反向的功率模块；所述功率模块为h桥模块，包括并联连接的第一桥臂、第二桥臂和全控器件支路，所述第一桥臂由两个不控器件阀组同向串联而成，所述第二桥臂由另外两个不控器件阀组同向串联而成，所述全控器件支路中设置有全控器件，所述第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述功率模块的输入/输出端，所述第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述功率模块的输出/输入端；正向的功率模块中的不控器件阀组与反向的功率模块中的不控器件阀组设置方向相反，正向的功率模块中的全控器件与反向的功率模块中的全控器件设置方向相反。

进一步的，所述第一桥臂中两个不控器件阀组的同向串联点和第二桥臂中两个不控器件阀组的同向串联点之间连接有rc吸收支路。

进一步的，所述不控器件阀组由一个或者至少两个同向串联的二极管构成，所述全控器件支路由一个或者至少两个同向串/并联的全控器件构成。

进一步的，所述全控器件为igbt。

进一步的，所述rc吸收支路并联有避雷器。

附图说明

图1是现有技术中两个开关功率模块串联时的结构示意图；

图2是高压直流断路器的结构示意图；

图3是本发明的开关功率单元的结构示意图；

图4是本发明采用的功率模块的拓扑结构示意图；

图5是采用单向串联形式的开关功率单元的拓扑示意图；

图6是将本发明的多个开关功率单元串联时的仿真结果图；

图7是将多个采用单向串联形式的开关功率单元串联时的仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供了一种高压直流断路器，其结构示意图如图2所示，包括并联连接的主支路、转移支路和耗能支路，其中主支路和转移支路中均串设有多个开关功率单元，该开关功率单元的结构示意图如图3所示，在耗能支路中设置有一个或多个避雷器或其他耗能器件。

如图3所示，本发明的开关功率单元包括串联连接的正向的功率模块和反向的功率模块，即采用两个功率模块的安装极性相反的形式进行串联。其中，正向的功率模块和反向的功率模块的具体结构完全相同，仅仅是设置的方向相反。在不考虑功率器件设置方向的情况下，每个功率模块为h桥模块，包括并联连接的第一桥臂、第二桥臂和全控器件支路，第一桥臂由两个不控器件阀组同向串联而成，第二桥臂由另外两个不控器件阀组同向串联而成，全控器件支路中设置有全控器件，第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为该功率模块的输入/输出端，第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为该功率模块的输出/输入端。另外，在第一桥臂中的两个不控器件阀组同向串联点和第二桥臂中的两个不控器件阀组同向串联点之间连接有rc吸收支路，rc吸收支路并联有避雷器。

具体的，在本实施例中，如图4所示，功率模块每个桥臂中的不控器件阀组均由一个二极管组成，全控器件支路由一个全控器件igbt组成。此时每个功率模块由一个igbt和四个二极管组成，相同关断能力下igbt数量比反串联结构和全桥结构较少，虽增加了四个二极管，但二极管成本远低于igbt。将采用该二极管桥式的开关功率单元串联设置在电力电子串联阀组，在满足双向电流开断功能的基础上，不使用并联即可满足关断直流断路器最大电流，大大缩减了全控型器件的数量，提高了器件使用率，极大地降低了成本，具有明显优势。

在正向的功率模块中，两个桥臂中的不控器件阀组以及全控器件支路中的全控器件均正向设置；在反向的功率模块中，两个桥臂中的不控器件阀组以及全控器件支路中的全控器件均反向设置，正向设置和反向设置是相对的，需要保证两个功率模块中的不控器件阀组的设置方向相反，两个功率模块中的全控器件的设置方向相反。如图3所示，即当正向的功率模块中第一桥臂中的上桥臂二极管d1的导通方向为从左到右且下桥臂二极管d2的导通方向为从右到左，且第二桥臂中的上桥臂二极管d3的导通方向为从右到左且下桥臂二极管d4的导通方向为从左到右，全控器件igbt1的导通方向为从上到下；此时反向的功率模块中第一桥臂中的上桥臂二极管d5的导通方向为从右到左且下桥臂二极管d6的导通方向为从左到右，且第二桥臂中的上桥臂二极管d7的导通方向为从左到右且下桥臂二极管d8的导通方向为从右到左，全控器件igbt2的导通方向为从下到上。另外，当正向的功率模块中第一桥臂中的上桥臂二极管d1的导通方向为从右到左且下桥臂二极管d2的导通方向为从左到右，且第二桥臂中的上桥臂二极管d3的导通方向为从左到右且下桥臂二极管d4的导通方向为从右到左，全控器件igbt1的导通方向为从下到上；此时反向的功率模块中第一桥臂中的上桥臂二极管d5的导通方向为从左到右且下桥臂二极管d6的导通方向为从右到左，且第二桥臂中的上桥臂二极管d7的导通方向为从右到左且下桥臂二极管d8的导通方向为从左到右，全控器件igbt2的导通方向为从上到下。

需要说明的是，作为其他的实施方式，功率模块桥臂中的不控器件阀组也可以由同向串联连接的若干个二极管组成，全控器件支路由同向串/并联连接的若干个igbt或者其他全控器件组成。rc吸收支路中串设有电阻和电容，根据需要在电阻的两端还可以并联一个二极管。正向的功率模块和反向的功率模块的具体结构也可以不完全相同，每个功率模块可以采用图4中具体给出的结构，也可以采用现有技术中的其他结构形式，但必须保证两个功率模块采用正反串联压接连接的形式。另外，可以选择在主支路或者转移支路中串设上述的开关功率单元，而在另一条支路中串设现有技术中的其他开关功率单元。

图5给出了将两个功率模块进行单向串联时的拓扑示意图，通过对比图3和图5中的电流通流路径可知，本发明的开关功率单元通过将两个功率模块采用极性相反的方式进行串联安装，可以有效减小电流路径长度，减小了支路杂散电感。

为了验证本发明开关功率单元的有效性，采用workbench和comsol分别对图3中采用正反方向串联开关功率单元以及图5中采用单方向串联开关功率单元两种接线方式杂散电感分布情况进行仿真，仿真结果分别如图6和图7所示。根据图6和图7可知，正反串联方式比单向串联的线路电感小约三分之一，因此正反串联的方式可以减小功率器件损耗，减小杂散电感对igbt及二极管关断时产生的电压冲击，增加阀组可靠性。

本发明所采用的两个功率模块正反向串联方式，解决了现有高压直流断路器等电力电子设备阀串层数过多、需要并联等问题，还有效解决了阀串层数多、电流路径长引起的杂感大造成的损耗大、器件易损坏的问题。此方式可大大节约直流断路器或电力电子装备的成本，并且为电力电子阀串的可靠性提升提供了一种高效简便的连接方式。