模块化多电平转换器和转换器单元的制作方法

本公开涉及电气设备，更具体而言涉及模块化多电平转换器和转换器单元。

背景技术：

模块化多电平转换器(mmc)由于其增强的模块化程度、可扩展性、具有降低的损耗的极好的谐波性能，已经成为用于电网连接电力转换器的流行选择。在半桥(hb)或全桥(fb)mmc单元短路故障的情况下，开关中的一个开关在短路模式中故障。另一个开关在同一时间接通，导致跨单元电容器短路，引起单元电容器将能量以非常大的电流放电到开关中(例如，针对静态同步补偿器(statcom)的电流范围为500ka至1ma，针对高压(hv)直流(dc)hvdc功率转换器的电流范围为1ma-2ma)。

基于所使用的半导体模块封装技术(即，印刷封装或键合线)mmc单元短路保护概念不同。基于键合线的半导体模块常用于低-中功率转换器，而印刷封装模块常用于高功率转换器。快速旁路开关(fbs)可以被接通，以电气连接单元的交流(ac)端子，从而在短路的情况下旁路单元。

然而，尤其是针对基于键合线的模块，存在很高的半导体模块爆炸的风险。此外，在单元内的非常大的峰值短路电流要求总线设计可以承受较大的机械应力。这导致了单元成本的增加。

栅极驱动器(gd)通常装备有保护电路，以感测大电流并安全地关断开关。然而，使用gd的安全关断并不总是有效的，并且强制性的具有二次保护电路。mmc单元在开关短路故障期间必须克服的两个主要问题是：

-放电到开关中的大单元电容器的能量在工业绝缘栅双极晶体管(igbt)模块的情况下引起爆炸，或者需要昂贵的印刷封装开关与密封封条来承受此类能量。

-开关在短路故障期间在高阻抗模式中爆炸或失效之前，必须在单元输出上具有快速且稳定的旁路。要注意的是，因为存在大型臂式反应器，该反应器会在故障单元两端引发电弧，引起阀结构严重损坏，所以流经单元输出的电流不可以中断。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本实用新型旨在提供一种在mmc单元中提供改进的短路保护。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种转换器单元。该转换单元用于模块化多电平转换器。该转换器单元包括与单元的储能器和单元的多个半导体开关中的每个半导体开关串联连接的直流熔断器装置，以用于当半导体开关中的一个半导体开关发生故障时防止单元短路。

在一些实施例中，转换器单元还包括旁路开关，所述旁路开关被配置为在所述单元的第一交流端子与第二交流端子之间提供直接连接，当所述半导体开关中的一个半导体开关发生故障时，旁路所述单元的所述开关。

在一些实施例中，所述半导体开关被布置在并联电力电子组块中。

在一些实施例中，所述直流熔断器装置包括用于每个电力电子组块的相应的直流熔断器，使得每个电力电子组块的所述半导体开关与所述相应的直流熔断器串联连接。

在一些实施例中，所述相应的直流熔断器中的每个相应的直流熔断器与所述储能器的相应的子储存器串联连接。

在一些实施例中，所述相应的直流熔断器中的每个相应的直流熔断器与整个所述储能器串联连接。

在一些实施例中，所述直流熔断器装置包括并联熔断器配置，所述并联熔断器配置在所述储能器的至少一部分与所述半导体开关中的至少一个半导体开关之间串联连接，所述并联熔断器配置包括被并联连接的至少两个直流熔断器。

在一些实施例中，所述单元是半桥单元或全桥单元。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种模块化多电平转换器，包括转换器臂，转换器臂包括多个串联连接的根据本公开所述的转换器单元。

通过使用根据本公开的实施例，可以至少解决前述问题的至少一部分并且实现相应的效果。例如，通过直流熔断器的方式，流经故障的半导体开关的峰值短路电流被减少。

附图说明

将通过示例的方式并参考附图描述实施例，其中：

图1示意性地图示了在mmc单元中的短路故障。

图2是根据本实用新型的一些实施例的包括dc熔断器的mmc单元的示意性电路图。

图3a至图3c是根据本实用新型的一些实施例的可以在mmc单元中使用的不同示例fbs开关的示意性电路图。

图4a是根据本实用新型的一些实施例的具有解耦合dc总线的mmc单元的示意性电路图。

图4b是根据本实用新型的一些实施例的具有通用dc总线的mmc单元的示意性电路图。

图4c是根据本实用新型的一些实施例的具有并联连接dc熔断器的mmc单元的示意性电路图。

具体实施方式

下面将参考附图更全面地描述实施例，其中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，以下实施例通过示例的方式提供，使得本公开将是彻底和完整的，并且将本公开的范围充分传达给本领域的技术人员。在整个实施方式中，相似的数字指相似的元件。

要注意的是，每当适当的情况下，任何方面的任何特征都可以被应用于任何其他方面。同样，任何方面的任何优点都可以应用于任何其他方面。所涵盖实施例的其他目的、特征和优点将从以下详细公开、从所附从属权利要求以及从附图中显而易见。

通常，除非本文中另有明确地定义，否则在权利要求书中所使用的所有术语将按照其在技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一/一个/该元件、装置、部件、方式、步骤等”的所有引用应被开放式地解释为表示元件、装置、部件、方式、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必按照所公开的确切顺序执行。针对本实用新型的不同特征/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，而不是将任何顺序或层次赋予到特征/部件。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于模块化多电平转换器(mmc)的转换器单元，包括与单元的储能器和单元的多个半导体开关中的每个半导体开关串联连接的dc熔断器装置，以用于当半导体开关中的一个半导体开关发生故障时防止单元短路。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种mmc，包括转换器臂，转换器臂包括多个串联连接的根据本公开所述的转换器单元。

图1图示了mmc单元1的短路故障，在这种情况下mmc单元1是hb单元(但概念与fb单元相似)。单元1包括储能器2(例如，包括电容器)和多个阀t(此处是第一阀t1和第二阀t2)，形成单元的hb拓扑。每个阀t包括半导体开关4(例如，igbt和反并联二极管3)。在图1中图示的情况下，第二阀t2的半导体开关4具有故障的导通(也称为接通或闭合)，而第一阀t1的半导体开关4接通(即导通)，如在图中由箭头所指示的，导致通过第一阀t1和第二阀t2的半导体开关4从储能器2的正向侧到负向侧产生短路电流。

图2图示了包括dc熔断器装置6的mmc单元1，该dc熔断器装置6与储能器2串联连接，并被布置为用于中断如在图1中图示的短路电流。该图展示了具有dc熔断器装置6和fbs开关5的hb单元1的一般配置，fbs开关5被布置为用于旁路在mmc转换器臂中的所述单元而在单元1的第一ac端子ac1与第二ac端子ac2之间提供直接连接。类似的保护概念也适用于fb单元。

dc熔断器装置6可以在小于10μs的时间内中断超过100ka的短路电流，并可以被用于电池短路保护。

因为mmc臂反应器电流不应被中断，并且故障开关4保证稳定短路的能力可能不可能实现，所以可以需要fbs开关5(尤其是对于键合线模块)并防止在栅极单元的损失期间单元的过度充电。

用于fbs开关5的选项如在图3a、图3b和图3c(包括子图3c1、3c2和3c3)中图示的，并且包括：

-在<4ms中动作的快速机械旁路开关(图3a)。

-与慢速机械开关并联的相控晶闸管(pct)或双向可控晶闸管(bct)(图3b)。针对这种快速旁路概念，可能不需要来自晶闸管相邻单元的散热器和gd电源。

-通过以下项激活pct/bct(针对这种快速旁路概念可能需要晶闸管散热器)：

从相邻单元供电的gd(图3c1)，

用于快速触发的并且由机械开关激活的自触发机制的从单元电容器供电的gd，以在单元电容器能量被放电后将晶闸管保持在接通状态中(图3c2和3c3)。

图4a、4b和4c图示了具有阀并联连接的多个电力电子组块(pebb)的mmc单元，用于提供单元的阀t(例如包括igbt模块)。因此，每个pebb包括用于每个阀t1和t2的半导体开关4和阀反并联二极管3。dc熔断器与储能器2串联连接(此处包括用于每个pebb的相应的子存储器(例如电容器)，从而获得解耦合的dc总线)。

在图4a的示例中，dc熔断器装置6包括用于每个并联pebb的相应的dc熔断器6a、6b或6c，dc熔断器与储能器2串联连接(此处包括用于每个pebb的相应的子存储器(例如电容器)，从而获得解耦合的dc总线)。熔断器的电阻和电感公差可以很宽(例如，距标称值的偏差高达20％)。因此，具有解耦合的dc总线可以改进在并联路径之间的均流。dc储能器2的分布式子存储器可以经由阻抗装置40的阻抗(r/l/rl)连接，以防止一些子存储器(例如电容器)的过充电。此外，因为只有与故障开关对应的熔断器被激活，所以该拓扑的另一个优点是允许经由故障开关4的低峰值通流的设计。因此，单元1可以被使用以经由剩余的健康开关利用增加的电流短期传导主电流。这可以帮助放宽fbs开关5的要求。该概念同样适用于fb单元。

在图4b的示例中，dc熔断器装置6包括用于每个并联pebb的相应的dc熔断器6a或6b，dc熔断器与储能器2串联连接。然而，在该示例中，通用dc总线被使用(即，针对不同的pebb中的每个pebb，储能器2不被划分到相应的子存储器中)。均流可以由熔断器的电阻和电感公差决定。因此，熔断器的参数扩散可能需要严格的公差。由于只有与故障开关4串联的熔断器6a或6b被激活，该拓扑结构允许经由故障开关4的低峰值通流的设计。因此，单元1可以被使用以经由剩余的健康开关4利用增加的电流短期传导主电流。这可以帮助放宽fbs开关5的要求。该概念同样适用于fb单元。

在图4c中的示例中，dc熔断器装置包括并联连接的dc熔断器6a和6b，以匹配并联连接pebb的每个阀t的并联开关4的额定电流。在并联开关4(例如igbt)中的均流可能不受具有这种拓扑结构的dc熔断器装置6的影响。针对这种拓扑结构，经由故障开关4的通流峰值可能是单个熔断器6a或6b的通流峰值的“n”倍。因此，需要仔细选择熔断器，使得熔断器的净通电i²t小于单个开关的起弧i²t。该概念同样适用于fb单元。因此，dc熔断器装置6包括并联熔断器配置，该并联保险配置串联在储能器2(或其一部分)与多个半导体开关4中的至少一个(例如全部)半导体开关4之间。并联熔断器配置包括至少两个彼此并联(即相互连接)的dc熔断器6a和6b，其中并联的dc熔断器中的每个并联的dc熔断器在相同的储能器2(或其一部分)与相同的半导体开关4中的至少一个半导体开关4之间串联连接。

在本实用新型的一些实施例中，单元1还包括旁路开关5，其被配置为在单元1的第一ac端子ac1与第二ac端子ac2之间提供直接连接。旁路开关5被配置为当所述半导体开关中的一个半导体开关发生故障时旁路所述单元的半导体开关4。

在本实用新型的一些实施例中，半导体开关4被布置在并联电力电子组块(pebb)中。在一些实施例中，dc熔断器装置6包括用于每个pebb的相应的dc熔断器6a、6b或6c，使得每个pebb的半导体开关4与所述相应的dc熔断器串联连接。在一些实施例中，相应的dc熔断器6a、6b或6c中的相应的每个dc熔断器与能量存储器2的相应的子存储器串联连接。在一些其它实施例中，相应的dc熔断器6a、6b或6c中的每个相应的dc熔断器与整个储能器2串联。

在本实用新型的一些实施例中，dc熔断器装置6包括并联熔断器配置，并联熔断器配置在储能器2的至少一部分与半导体开关4中的至少一个半导体开关之间串联连接。并联熔断器配置包括被并联连接的至少两个dc熔断器6a和6b。

在本实用新型的一些实施例中，单元1是半桥(hb)单元。在一些其它实施例中，单元1是全桥(fb)单元。

本公开主要参考数个实施例在上文中进行了描述。然而，如本领域技术人员容易理解的，如所附权利要求所限定的，在本公开的范围内，与以上公开的实施例不同的其他实施例同样是可能的。