用于向高压电位下的电气组件供电的供电装置和开关模块的制作方法

本实用新型涉及一种用于向高压电位下的电气组件供电的供电装置和开关模块。

背景技术：

在高压电位、也就是在相对于接地电位1kV以上的电位下工作的电气或电子组件例如由转换器布置已知。转换器布置通常具有对应于转换器的通信组件以及用于控制转换器的功率半导体开关的控制组件。这些和其他组件需要在组件或转换器工作期间必须提供的供电电压。

从WO 2009/003834 A1中已知一种供电装置，其提供了一种布置在接地电位的能量供应单元。WO 2009/003834 A1的能量供应单元经由光波导体形式的电位分离装置与待供电的组件连接。从能量供应单元到组件的能量传输借助光波导体进行。从接地电位到高压电位的这样的供应能量的传输相对复杂且成本高。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，提出一种上面提到的、尽可能低成本且可靠的供电装置。

本实用新型利用这类的供电装置，通过由至少一个串联电阻与供电单元组成的串联电路以及安全元件来解决该技术问题，其中，该串联电路能够与能量存储器连接，该供电单元能够与待供电的组件连接，借助该安全元件能够在短路情况下电气中断流过供电单元的短路电流。

根据本实用新型，供电装置相应地在运行时、诸如组件待供电时布置在高压电位上。优选地，取消供电装置和组件之间的电位隔离。用于向组件供电的能量可以借助供电装置从高压电位下的能量存储器中获得并且提供给组件。以这种方式，不能够由接地电位供电的电气组件有利地也可以被供应能量。

安全元件满足对于在供电单元中或上发生故障的情况的安全功能。在供电单元发生短路的情况下会导致有短路电流流过供电单元。短路电流在此会导致串联电阻热过载。在这种情况下，安全元件中断该短路电流并且有利地防止过载。以这种方式可以防止串联电阻的绝缘失效，从而防止整个供电单元以及相邻部件的损坏。安全元件合适地布置为与串联电阻以及与供电单元串联。短路电流的中断可以例如通过中断串联电路来实现。当短路电流流经的电流路径被中断时，短路电流肯定会被中断。

能量存储器合适地是电容器或电池或电容器和/或电池的串联电路。能量存储器经由其端子与该串联电路连接或可连接。为了与能量存储器连接，串联电路包括连接端子，串联电路在该连接端子之间延伸。

优选地，一旦流过串联电路的电流超过预定的电流最大值或阈值，则安全元件中断串联电路。由此确保例如在供电单元的端子上发生短路的短路情况下实现串联电路的快速中断。

安全元件优选地是纯无源的。纯无源的安全元件在他那一侧不需要附加的能量供应或控制，因此成本特别低并且结构简单。

安全元件例如可以包括在短路情况下可以断开的保险丝。保险丝合适地被设置和设计为，使得其在超过预定电流值的电流情况下断开或者以其他方式不可操作。以这种方式，串联电路被安全地电气中断。保险丝合适地布置在串联电路中、例如布置在串联电阻和供电单元之间。保险丝进一步被设计为，使得在额定条件下(特别是额定电流流过串联电路的情况下)不会断开。

优选的，安全元件是牺牲元件。牺牲元件中断串联电路，其中，牺牲元件永久失去其作用能力，从而其不能被恢复。因此可以同时实现电气串联电路的特别可靠的断开或中断。

安全元件被设计为在短路情况下至少部分地蒸发，被视为是特别有利的。以这种方式，在串联电路被中断之后，在供电装置中没有相应的必须被清除的部分。

当安全元件被集成在串联电阻中、例如集成在串联电阻的壳体中时，由此可以实现安全元件的特别紧凑的形状。

此外，至少一个串联电阻可以被实现为平面电阻。其他串联电阻可以布置为与该串联电阻串联。

根据本实用新型的一种实施方式，供电单元包括可控的、可接通且可开断的开关元件。该开关元件例如可以是IGBT、MOSFET等。供电单元还可以包括多个这种开关元件的串联电路。

优选的，开关元件可以借助控制单元以脉冲形式进行控制。在此，开关元件在运行中在短时间内被接通和断开。根据一种变形，当用于向组件供电的供电电压低于预设的电压阈值时，可以借助控制单元接通开关元件。相应的，当供电电压超过另一个电压阈值时，可以断开或禁用开关元件。以这种方式提供了双脉冲控制，其防止了待供电的组件上的过电压并且同时可以根据需要从能量存储器提供电力。

本实用新型的非常简单且可靠的实施方式例如给出的是，串联电路在设置为用于连接到能量存储器的、高压侧的第一和第二连接端子之间延伸，其中串联电阻直接与第一连接端子相连，并且其中供电单元包括开关电源，使得开关电源包括彼此串联连接的可接通且可断开的开关元件以及电压抽头，其中开关电源的第一接头与串联电阻连接并且开关电源的第二接头与第二连接端子连接，其中在电压抽头处布置用于与待供电的组件连接的低压侧的第一和第二连接端子。

优选地，设置与开关元件或开关电源并联布置的电阻元件。附加的电阻元件和串联电阻共同为能量存储装置提供放电电阻的附加功能。

优选地，串联电路在设置为用于连接到能量存储器的、高压侧的第一和第二连接端子(X1，X2)之间延伸，其中供电单元包括可变电阻以及与其串联的电压抽头，并且其中安全元件被布置为与供电单元串联。可变电阻合适地通过其电阻值可变地调节的电阻元件实现。

合适地，供电装置设计为在输出侧或在能量存储器侧针对1kV至20kV的电压。因此，高压设备中的转换器的能量存储器可以有利地应用于供电装置。

合适地，供电装置设计为在低压侧针对100V至1kV的电压。供电装置具有低压侧，其与待供电的组件连接或可以连接。在低压侧，供电装置因此可以提供100V至1kV之间的供电电压。

供电单元可以级联地实施。例如在此至少一个另外的电源与开关元件并联地布置。借助该另外的电源可以在低压侧与应用相关地进一步降低电压。

本实用新型特别适用于模块化多级转换器。每个模块化多级转换器分别包括在直流电压极和交流电压接头之间，或两个交流电压接头之间延伸的换流臂。每个换流臂具有多个双极开关模块的串联电路。每个开关模块包括能量存储器以及多个功率半导体开关单元，其分别具有可接通且可断开的、可控的半导体开关。在每个开关模块中，必须向用于控制半导体开关的控制组件和通信组件提供能量。能量供应有利地通过从开关模块本身的能量存储器中提取能量来实现。开关模块例如可以实现为半桥电路或全桥电路。

根据本实用新型的一种实施方式，提供了针对模块化多级转换器的这种开关模块，其包括功率半导体开关以及能量存储器，其中根据本实用新型的供电装置与能量存储器并联连接。

本应用的一个特别的优点是，在能量存储器上或在能量存储器内发生短路的情况下，借助安全元件防止对开关模块的损害。

附图说明

以下将参照图1至图3来进一步解释本实用新型。

图1以示意图的形式示出了具有根据本实用新型的供电装置的开关模块的实施例；

图2以示意图的形式示出了在短路情况下的图1的实施例；

图3示出了根据本实用新型的供电装置的另一个实施例。

具体实施方式

具体而言，图1示出了用于模块化多级转换器的开关模块2的供电装置1。开关模块2被构建在半桥电路中。开关模块2因此包括具有第一功率半导体开关单元3和第二功率半导体开关单元4的串联电路，每个功率半导体开关单元分别包括半导体开关5和续流二极管6。与两个功率半导体开关单元并联地布置以电容器形式的能量存储器7。开关模块2借助其端子8和9与其他相同构造的开关模块串联连接。在模块化多级转换器的运行中，开关模块2处于通常不恒定的高压电位。在能量存储器7处降落大约3kV的电压Uc。

供电装置1包括由串联电阻11和供电单元12组成的串联电路10。供电单元12包括另外的电阻元件121与开关元件13组成的并联电路。在所示实施例中，开关元件13是IGBT(integrated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)。串联电路10在高压侧与能量存储器7并联连接。

在所示实施例中，供电单元12还包括以中压电容器14形式的电压抽头。在中压电容器14处布置了低压侧的连接端子15、16。通过连接端子15、16，供电装置1可以与待供电的组件连接。在运行时，在连接端子15、16上施加200V 的供电电压Uv。如果根据组件还需要更低的供电电压、例如15V的供电电压，则连接端子可以与能够将电压从200V转换为15V的另外的电源相连。

开关元件13的栅极与控制器17连接。借助控制器17来控制开关元件13 的断开和闭合或禁用。该控制依据在电压抽头14上降落的电压进行。如果供电电压Uv低于预定的阈值，则接通开关元件13。如果其超过预定的阈值，则禁用开关元件13。以这种方式产生对开关元件13的脉冲式的控制。

在串联电阻11和供电单元12之间布置安全元件20a。该安全元件20a设置为在故障情况下中断串联电路10。安全元件20a包括牺牲元件，其被构建为，在流过串联电路10的电流超过电流阈值时，该牺牲单元被蒸发，其中串联电阻 11和供电单元12之间的电气连接被断开。替代地或者与安全元件20a结合，供电装置包括安全元件20b，其布置在供电单元12内部。在故障情况下，安全元件20b中断流过出现故障的开关元件13的短路电流。安全元件20a，20b在所示实施例中构造相同。

图2示出了在故障情况下的图1的供电装置和开关模块2。由于在中压电容器14中或在连接端子15、16上的故障而由箭头18表示的短路导致供电电压Uv 降至零。在这种情况下，控制器17保持开关元件13始终断开。这又导致流过串联电阻11的短路电流19并且可以导致其热过载。

短路电流19高于安全元件20a的电流阈值。在所描述的故障情况下，安全元件20a蒸发，这在图2中通过虚线21表示。在串联电阻11的热过载导致供电装置1或开关模块2损坏之前，短路电流19以这种方式被中断。安全元件20b 的工作方式是相对应的。

图3示出了供电装置1a。在此在图1至图3中相同的和类似的元件具有相同的附图标记。

安全元件20c与供电单元12串联布置。安全元件20c的结构对应于安全元件20a的结构。与电压抽头14串联布置了可变电阻22。可变电阻22可以包括诸如半导体开关的开关元件，借助该开关元件可以提高或降低可变电阻22的电阻值。

开关模块2可以包括用于能量存储器的放电电阻，其与能量存储器7并联布置。