CN101548461B - 在电压中间电路变流器中用于控制直流侧的短路的半导体保护元件 - Google Patents

在电压中间电路变流器中用于控制直流侧的短路的半导体保护元件 Download PDF

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Abstract

为了提供一种用于转换电流的装置(1)，具有至少一个相模块(2a，2b，2c)，该相模块具有交流电压接头(3)和至少一个直流电压接头(p，n)，其中，在每个直流电压接头(p，n)和交流电压接头(3)之间形成一个相模块支路(11p，11n)，并且其中，每个相模块支路(11p，11n)具有由子模块(15)组成的串联电路，这些子模块分别具有至少一个功率半导体(12，13)，该装置即使经过足够长的时间也能够经受高的短路电流，本发明建议，与所述至少一个功率半导体(12，13)并联和/或串联连接半导体保护装置(9，14，20)。

Description

在电压中间电路变流器中用于控制直流侧的短路的半导体保护元件
技术领域
本发明涉及一种用于转换电流的装置，具有至少一个相模块，该相模块具有交流电压接头和至少一个直流电压接头，其中，在每个直流电压接头和每个交流电压接头之间形成一个相模块支路，并且其中，每个相模块支路具有由子模块组成的串联电路，这些子模块分别具有至少一个功率半导体。
背景技术
这样的装置在DE10103031A1中已经公开。在那里描述了一种经典的电压中间电路变流器以及一种具有分布的能量存储器的电压中间电路变流器。具有分布的或划分的能量存储器并且具有转换分级的电压的能力的电压中间电路变流器也被称为多级变流器。所描述的电压中间电路变流器被设置来连接到多相的交流电网，其中变流器经过直流电压电路与第二变流器相连。第二变流器在交流电压侧连接到另一个单相或多相交流电网或者连接到待驱动的负载。对于要连接的交流电网的每一相，该变流器具有相模块，该相模块具有用于连接交流电网的相的交流电压接头和两个直流电压接头。在每个直流电压接头和交流电压接头之间延伸一条相模块支路，该相模块支路为了获得高的电压由可关断功率半导体的串联电路组成。可关断功率半导体例如是所谓的IGBT、GTO或者IGCT。在此，与每个可关断功率半导体反向并联连接一个空程二极管。在经典的电压中间电路变流器情况下在直流电压中间电路中设置了中央电容器作为能量存储器。
但是，根据DE10103031A1还可以将电容分配到串联连接的子模块上，来替代中央能量存储器。这样，所述子模块分别具有与功率半导体并联的电容器。功率半导体包括可关断功率半导体和与可关断功率半导体反并联连接的空程二极管。由此，变流器的每个相模块支路由具有自身能量存储器的子模块的串联电路组成。
在已经公知的电压中间电路变流器中在直流电压回路中发生短路情况下在变流器中产生高的故障电流，该故障电流主要通过电感、即例如通过交流电压侧设置在相模块上的线圈来限制。在短路时产生的故障电流通过电网电压驱动并且通常通过断开将交流电压与变流器分离的断路器来中断。但是到断开断路器时某些半导体结构已经不可逆转地被损坏或毁坏。为了避免功率半导体和特别是空程二极管的毁坏，迄今为止超尺寸地设置二极管，使得即使经过较长的时间也能够经受预计的短路电流。
但是这样的解决方案没有产生满意的结果并且还是成本高的。此外，市场上通常共同地、例如在共同的外壳内提供可关断功率半导体和空程二极管，从而空程二极管的超尺寸使得需要单独地和成本高地制造功率半导体。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开头部分提到种类的装置，该装置即使经过较长的时间也能够经受高的短路电流。
上述技术问题是通过与至少一个功率半导体并联和/或串联连接的半导体保护装置解决的。
按照本发明设置一个或多个用于保护功率半导体的组件。这些组件被包括于半导体保护装置的概念中。这样的组件例如是与功率半导体并联连接的单元。然而，半导体保护装置还包括设置用于限制通过相模块支路的电流的电流限制装置。在此，功率半导体的概念既包括可关断功率半导体，即IGBT、GTO、IGCT等，也包括通常与可关断功率半导体并联连接的空程二极管。
每个子模块合适地具有至少一个并联连接了反向空程二极管的可关断功率半导体，其中半导体保护装置包括与反向空程二极管并联连接的保护元件。
优选地，保护元件是具有与预期的短路电流匹配的载流能力的另一个空程二极管。按照该优选扩展，与实际的空程二极管并联连接一个附加的空程二极管。因此，在短路情况下的电流由两个空程二极管来承担。与已经集成的空程二极管相比，如下地设置用作保护元件的空程二极管的静态正向特性曲线，使得保护元件在故障情况下承担故障电流的主要部分并且由此集成的空程二极管被卸载。此外，作为保护元件起作用的空程二极管的冲击电流能力与预期的负载匹配。在正常运行中流过各个相模块支路的电流分布在集成的空程二极管上和作为保护元件起作用的空程二极管上，其中所述分布取决于两个空程二极管的静态正向特性曲线。由此在正常运行中在电流换向情况下也加载两个空程二极管，因此作为保护元件起作用的空程二极管具有针对特殊的断开特性的要求。
在本发明的与此不同的实施例中，保护元件是晶闸管。该晶闸管在正常运行中断开，从而没有电流流过该晶闸管。通过直流电压回路中的、交流电流接头上的电压或电流传感器，或者通过测量经过相模块支路的支路电流，可以探测短路电流。然而，在本发明的范围内短路电流的探测的方式是任意的。在本发明的一种实施方式中一个或多个所述测量传感器与分析单元相连，该分析单元借助在其中执行的逻辑确定短路情况并且接着产生用于触发晶闸管的信号。为此，分析单元例如将所测量的电流与阈值电流比较并且在长时间超过阈值电流情况下确定短路情况。然后在微秒数量级的时间段之内将可关断功率半导体转换到其截止状态。短路电流只能经过并联的空程二极管流过。通过分析单元的接着的信号将晶闸管从其截止状态转换到其导通状态，在该导通状态中电流可以经过晶闸管流过。因此，短路电流既经过晶闸管也经过集成的空程二极管流过。如下设置晶闸管的静态正向特性曲线，使得该晶闸管承担故障电流的主要部分，从而集成的空程二极管被卸载。与作为保护元件起作用的晶闸管并联的可关断功率半导体的周期性的转换，在正常运行时不允许导致晶闸管的不期望的触发。例如由于太高的电压陡度而引起晶闸管的自触发。因此晶闸管必须具有足够的所谓du/dt能力。
优选地，半导体保护装置包括在每个相模块中设置的电感。电感在相模块中的设置原则上是任意的。例如，每个相模块经过电感与直流电压接头的一个或每个相连。在此电感是相模块的一部分。
优选地，电感设置在子模块的串联电路和交流电压接头之间。由此每个相模块支路借助电感与交流电压接头相连。相同相模块的相模块支路的电感由此互相相邻地设置，其中交流电压接头设置在电感之间。因此还可以互相感性地耦合这些电感，由此提高了对于在相模块和支路电流的直流电流分量之间的回路电流的总电感，并且如果回路电流对于尺寸来说是决定性的，则在节省成本的条件下较小地构造单电感。
在本发明的另一种实施方式中，半导体保护装置包括在子模块中设置的电感。在此例如每个子模块具有一个电感。与之不同，只有一个子模块或者仅几个子模块具有电感。这些电感按照本发明的该变形在相模块中分布地设置。
最后，在本发明的范围内，半导体保护装置可以包括在直流电压回路中设置的电感。在此，这些电感物理上紧邻相模块设置，使得由于在直流电压中间电路中的短路引起的故障电流，被迫经过直流电压回路的电感流过。
半导体保护装置合适地包括在相模块的交流侧设置的电感。在另一种变形中，半导体保护装置包括变压器绕组。这些变压器绕组配备了足够用于有效限制电流的漏电感。
优选地，每个子模块具有第一接线端子、第二接线端子、能量存储器和一个与能量存储器并联的具有两个串联连接的可关断功率半导体的功率半导体支路，其中，与每个可关断功率半导体并联连接一个反向空程二极管，并且功率半导体支路的第一可关断功率半导体的发射极和与第一可关断功率半导体关联的反向空程二极管的阳极的连接点形成第一接线端子，而功率半导体支路的可关断功率半导体和空程二极管的连接点形成第二接线端子。
与此不同的是，每个子模块具有第一接线端子、第二接线端子、能量存储器和一个与能量存储器并联的具有两个串联连接的可关断功率半导体的功率半导体支路，其中，与每个可关断功率半导体并联连接一个反向空程二极管，并且功率半导体支路的第一功率半导体的集电极和与第一功率半导体关联的反向空程二极管的阴极的连接点形成第一接线端子，而功率半导体支路的可关断功率半导体和空程二极管的连接点形成第二接线端子。
本发明还涉及一种用于保护这样的装置的功率半导体的方法，其中，通过测量传感器采集相模块的直流电压侧的短路，在采集了短路电流之后将可关断功率半导体转换到其分离状态并且接着将作为半导体保护元件的晶闸管转换到其导通状态。
附图说明
本发明其它合适的实施方式和优点是以下结合附图对本发明的实施例的描述的内容，其中，相同的附图标记指示起相同作用的组件，并且其中：
图1在说明在短路故障中故障电流的路径的情况下示出了按照本发明的装置的一种实施例的示意图，
图2示出了具有所谓两点拓扑结构的按照本发明的装置的一种实施例的相模块，
图3示出了具有所谓多级拓扑结构的按照本发明的装置的一种实施例的相模块，以及
图4示出了按照图3的相模块的子模块的等效电路图。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的装置1的一种实施例的示意图。所示出的装置具有三个分别可以与交流电网7的一相连接的相模块2a、2b和2c。为此每个相模块2a、2b和2c具有交流电压接头3。此外，每个相模块2a、2b和2c具有与直流电压中间电路5的正极以及与直流电压中间电路5的负极相连的正的直流电压接头p以及负的直流电压接头n。
相模块2a、2b和2c分别包括两个分别在交流电压接头3和直流电压接头p以及n之间延伸的相模块支路。在示出的实施例中总共设置了六条相模块支路。每条相模块支路具有由带有可关断功率半导体的子模块组成的串联电路。
例如，经过变压器连接到作为理想电压源示出的交流电网7。此外，在该变压器和交流电压接头3之间还可以设置附加电感。变压器的漏电感、附加电感和交流电网7的阻抗在图1中通过设置在相模块2a、2b和2c的交流侧的电感6a、6b、6c表示。在交流电网7和电感6a、6b、6c之间连接了三极的断路器8，该断路器与配备有用于采集相模块的交流电压侧的电流的测量传感器的保护设备相连。如果所采集的电流超过事先确定的阈值，则进行断路器8的转换，其中，断路器8的每个极被转换到其分离状态，在该分离状态经过断路器8的电流被中断。
在直流电压回路5中设置了电感9，确切地说在直流电压回路5的正极p以及负极n中均设置了。
此外，在图1中示出了由交流电网7驱动的短路电流10的示例性路径，该短路电流在短路情况下会出现在直流电压回路5中。可以看出，来自交流电网7的短路电流10经过断路器8、电感6a、相模块2a的功率半导体、直流电压回路5的正极和负极n中的电感9、相模块2b的功率半导体、电感6b、最后又流入交流电网7。在直流电压回路5中设置的电感9由此限制短路电流10并且在本发明范围内用作半导体保护装置。
图2示出两点技术中的相模块2a，其中又说明了短路电流10经过敏感的功率半导体的路径。要指出的是，所有可关断功率半导体在通过与分析单元相连的合适的传感器采集了短路之后紧接着被转换到其分离状态。在图2中可以看出，相模块2a由相模块支路11p和11n组成。在此相模块支路11p在交流电压接头3和正的直流电压接头p之间以及相模块支路11n在交流电压接头3和负的直流电压接头n之间延伸。每个相模块支路11p、11n又具有由子模块组成的串联电路，其中每个子模块具有可关断功率半导体12和与该可关断功率半导体反并联连接的空程二极管13。每个相模块支路的点线表示，用于每个相模块支路11p以及11n的子模块的数量和由此可关断功率半导体12以及空程二极管13的数量绝不限于两个，而是可以任意地根据施加的电压扩充。
由此，结合图1描述的短路电流经过相模块2a的交流电压接头3以及经过相模块支路11p的所有空程二极管13流到直流电压回路5的正极。由此，相模块2b的相模块支路11p的空程二极管13以及相模块支路11n的空程二极管遭受高的短路电流并且在触发断路器8之前可能被损坏。
根据图1的具有按照图2的相模块的本发明装置，包括未图形示出的优选以与功率半导体并联的、特别是与在可关断功率半导体断开的情况下加载短路电流的空程二极管并联的晶闸管或者二极管形式的半导体保护装置。此外，该装置还包括同样未示出的、例如按照与该装置的变流器低阻相连的电容器形式的中央能量存储器。
图3示出了所谓的多级变流器的相模块2a，其同样是按照本发明的装置的一种实施例。相模块2a在多级技术中包括子模块15的串联电路，这些子模块分别具有一个能量存储器，从而通过接通和断开串联电路中的子模块可以产生分级的电压变化。由于在相模块中能量存储器的中央设置，相模块2a可以配备附加的电感14，该电感连接在直流电压接头p或n和由双极的子模块15组成的各个串联电路之间。附加的电感限制了短路电流。但是相模块中电感的设置仅仅在多级技术中是具有优势的。在具有中央能量存储器的变流器中相模块中的电感对开关性能起负面作用。
图4示出了按照图3的子模块15的等效电路图。可以看出，每个子模块15具有两个可关断功率半导体12，例如IGBT。与每个可关断功率半导体12又反并联连接空程二极管13。以这种方式构成由可关断功率半导体12组成的串联电路16。与串联电路16并联连接了一个构造为电容器17的能量存储器。
每个子模块15具有第一接线端子18以及第二接线端子19。在第一接线端子18以及第二接线端子19之间设置了第一功率半导体12a。在图4中功率半导体12b设置在可关断功率半导体12a的上部。在采集了短路之后首先将可关断功率半导体转换到其分离状态。因此，短路电流经过下面的空程二极管13a流过。空程二极管13b则不受短路电流的影响。由于这个原因，仅仅与下面的空程二极管12a并联连接了保护元件20。保护元件20是另一个空程二极管，其中，该空程二极管具有这样的正向特性曲线：该正向特性曲线与集成的二极管13a相比，在故障情况下，短路电流的主要部分经过空程二极管20流过。此外，空程二极管20具有足够高的冲击电流能力。在正常运行中电流既经过空程二极管13a也经过作为保护元件起作用的空程二极管20流动。分配取决于两个空程二极管13a以及20的静态正向特性曲线。由此在换向(Abkommutieren)情况下也加载了空程二极管20，该空程二极管20因此必须具有对应的关断特性的能力。但是这样的空程二极管对专业人员是公知的，从而在此不需详细描述该二极管特性。
在市场上可以获得具有反向空程二极管13a的特别的可关断功率半导体12a，它们被设置在图4中用21表示的共同的外壳中。保护元件(在这种情况下也就是空程二极管20)被设置在外壳21外部。
当然，在本发明的范围内除了保护元件20之外，可以存在相模块2a、2b和2c中的电感14或者直流电压回路5中的电感9。
此外，在本发明的范围内，子模块15还可以至少部分地具有电感。
如果在按照图3和4的具有多级拓扑结构的变流器情况下在直流电压中间电路中出现短路，则经过相模块2a的支路电流按照主要通过电感14确定的速度上升。如果在直流电压回路中出现电感9的直流电压侧的短路，则这些电感也限制电流上升速度。例如如下构造电感14，使得在短路时还在可关断功率半导体的允许的正常电流范围之内就可以关断可关断功率半导体。由于这个原因，提供在几个微秒的数量级中的快速采集和反应。在关断了可关断功率半导体之后，只有空程二极管还流过短路电流。在采用晶闸管作为保护元件的情况下，其在几个毫秒之后就会被触发。

Claims (11)

1.一种用于转换电流的装置(1)，具有至少一个相模块(2a，2b，2c)，该相模块具有交流电压接头(3)和至少一个直流电压接头(p，n)，其中，在每个直流电压接头(p，n)和每个交流电压接头(3)之间形成一个相模块支路(11p，11n)，并且其中，每个相模块支路(11p，11n)具有由子模块(15)组成的串联电路，这些子模块分别具有至少一个功率半导体(12，13)，
其特征在于，
与所述至少一个功率半导体(12，13)并联和/或串联连接半导体保护装置(9，14，20)，
其中，每个子模块(15)具有至少一个可关断功率半导体(12)，与其并联连接反向空程二极管(13)，其中，所述半导体保护装置(9，14，20)包括与所述反向空程二极管(13)并联连接的保护元件(20)。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述保护元件是具有与预期的短路电流匹配的载流能力的空程二极管(20)。
3.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述保护元件是晶闸管。
4.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述半导体保护装置(9，14，20)包括在每个相模块中设置的电感(14)。
5.根据权利要求4所述的装置(1)，其特征在于，所述电感设置在一个或多个子模块中。
6.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述半导体保护装置(9，14，20)包括在相模块的交流电流侧设置的电感。
7.根据权利要求6所述的装置(1)，其特征在于，所述电感是具有足够用于限制电流的漏电感的变压器绕组。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述半导体保护装置包括与一个或每个直流电压接头(9)在直流电压侧连接的电感。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其特征在于，每个子模块(15)具有第一接线端子(19)、第二接线端子(18)、能量存储器(17)和一个与能量存储器(17)并联的具有两个串联连接的可关断功率半导体(12a，12b)的功率半导体支路，其中，与每个可关断功率半导体(12a，12b)并联连接一个反向空程二极管(13a，13b)，并且功率半导体支路的第一可关断功率半导体(12a)的发射极和与第一可关断功率半导体关联的反向空程二极管(13a)的阳极的连接点形成第一接线端子(19)，而功率半导体支路的可关断功率半导体(12a，12b)和空程二极管(13a，13b)的连接点形成所述第二接线端子。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其特征在于，每个子模块具有第一接线端子、第二接线端子、能量存储器和一个与能量存储器并联的具有两个串联连接的功率半导体的功率半导体支路，其中，与每个可关断功率半导体并联连接一个反向空程二极管，并且功率半导体支路的第一功率半导体的集电极和与第一功率半导体关联的反向空程二极管的阴极的连接点形成第一接线端子，而功率半导体支路的可关断功率半导体和空程二极管的连接点形成第二接线端子。
11.根据权利要求3所述的装置，其中，通过测量传感器采集相模块的直流电压侧的短路，在采集了短路电流之后将所述可关断功率半导体转换到其分离状态并且接着将所述晶闸管转换到其导通状态。
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