RU2242079C2 - High-voltage semiconductor valve - Google Patents

Abstract

FIELD: power and electrical engineering, electrified transport, electric drives including high-voltage ones.

SUBSTANCE: controlled semiconductor power converters (SPC) are connected in series; SPCs and relevant resistors and capacitors form cells paired in 2n physically identical modules so that first SPC is electrically connected inside each module to resistor through anode and second one, through cathode; inserted between modules in single pile are insulating gaskets; cathode of second SPC of any module is electrically connected to anode of first SPC of next module through short flexible external conducting bus, and bolted joints of capacitor leads are secured directly to external buses of cell; in addition two insulating gaskets are inserted in center of pile between n and (n + 1) modules with diode assembly of one or more pill-type diodes inserted between these gaskets so that one end of diode assembly is connected through short flexible conducting bus to cathode of second SPC of n module while other lead is loose. For further reduction of flux density height of damping-circuit capacitors is chosen to equal that of single semiconductor cell of pile.

EFFECT: eliminated overvoltages.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в энергетике, электротехнической и электроэнергетической промышленности, на электротранспорте, в электроприводе, в том числе и высоковольтном.The invention relates to a conversion technique and can be used in energy, electrical and electrical industries, in electric vehicles, in an electric drive, including high voltage.

Известны тиристорные вентили, в том числе и высоковольтные [1], в которых таблеточные тиристоры соединены последовательно через водяные охладители в единые “столбы” с единым прижимным устройством. Однако такие вентили в едином прижимном конструктиве не содержат иных активных или пассивных элементов, кроме самих тиристоров.Known thyristor valves, including high-voltage [1], in which the tablet thyristors are connected in series through water coolers in a single "pillars" with a single clamping device. However, such valves in a single clamping construct do not contain other active or passive elements, except for the thyristors themselves.

Известен вентиль, входящий в состав преобразователя мощности [2], в котором один вывод переключающего элемента (например, тиристора) соединен с выводом питания, а другой конец - с охладителем так, что элемент силовой схемы включается в вентиль. Однако предложенная в [2] конструкция не позволяет собрать ее в едином прижимном столбе. Известен также вентиль [3] с водяным охлаждением и изоляционными воздушными зазорами, состоящий из отдельных тиристорных модулей, образованных путем соединения тиристоров с элементами электрической схемы так, что модули расположены один над другим между двумя изоляционными опорными стойками. Близкое техническое решение отраженно в [4], где вентиль с водяным охлаждением и изоляционными воздушными зазорами состоит из отдельных тиристорных модулей, образованных путем соединения тиристоров с элементами электрической схемы. Но и технические решения в соответствии с [3, 4] не формируют единой прижимной конструкции.A valve is known that is part of a power converter [2], in which one terminal of a switching element (for example, a thyristor) is connected to a power terminal, and the other end is connected to a cooler so that the power circuit element is included in the valve. However, the design proposed in [2] does not allow assembling it in a single clamping column. Also known is a valve [3] with water cooling and insulating air gaps, consisting of separate thyristor modules formed by connecting thyristors with circuit elements so that the modules are located one above the other between two insulating support posts. A close technical solution is reflected in [4], where a valve with water cooling and insulating air gaps consists of separate thyristor modules formed by connecting thyristors to circuit elements. But technical solutions in accordance with [3, 4] do not form a single clamping structure.

Известен также инвертор напряжения на базе высоковольтных вентилей из цепочки последовательно включенных запираемых СПП (например, IGBT), имеющий коммутационные цепи с пониженной индуктивностью, что достигается включением вентилей “змейкой” [5]. Такое техническое решение позволяет достигать значительных рабочих напряжений, вплоть до требуемых для преобразовательных подстанций передач постоянного тока. Однако все элементы делящих цепей, в том числе резисторы и диоды, хотя и устанавливаются на токоведущих шинах жидкостных охладителей, должны быть электрически соединены между собой навесным проводным монтажом, что приводит к росту собственной индуктивности полупроводниковой ячейки и, соответственно, к росту в процессе включения или запирания СПП импульсных перенапряжений на нем.Also known is a voltage inverter based on high-voltage valves from a series of series-connected lockable SPPs (for example, IGBT), having switching circuits with reduced inductance, which is achieved by turning the valves on with a “snake” [5]. This technical solution allows you to achieve significant operating voltages, up to the required for transformer substations DC transmissions. However, all elements of the dividing circuits, including resistors and diodes, although they are installed on the current-carrying tires of liquid coolers, must be electrically connected to each other by a wire-mounted installation, which leads to an increase in the self-inductance of the semiconductor cell and, accordingly, to growth during switching on or locking SPP surge voltage on it.

Наиболее близким к предлагаемому является тиристорный вентиль, описанный в [6] и принятый нами за прототип. Вентиль состоит из собранных в единый столб с единым прижимным устройством силовых управляемых полупроводниковых приборов (СПП) таблеточной конструкции, охладителей и таблеточных резисторов, а также не входящих в единый столб конденсаторов, причем контактные площадки СПП, охладителей и таблеточных резисторов одинаковы по конфигурации и равны по площади, а каждый СПП электрически зашунтирован таблеточным резистором и конденсатором.Closest to the proposed is a thyristor valve, described in [6] and adopted by us as a prototype. The valve consists of tablet-controlled power controlled semiconductor devices (SPP) assembled in a single column with a single clamping device, coolers and tablet resistors, as well as capacitors not included in a single column, and the contact pads of the SPP, coolers and tablet resistors are identical in configuration and equal area, and each SPP is electrically shunted by a tablet resistor and capacitor.

Недостаток конструкции по [6] состоит в том, что она непосредственно не может быть распространена на вентили с последовательным соединением СПП. Попытки собирать сложные высоковольтные преобразователи из модулей, по типу описанных в [6], приводят к возникновению значительных паразитных (конструктивных) индуктивностей, которые в случае применения полностью управляемых СПП с весьма крутыми фронтами при включении и запирании(например, запираемых тиристоров или IGBT-модулей), являются причиной импульсных перенапряжений на СПП, снижают надежность и к.п.д. преобразователя в целом, неоправданно увеличивают его стоимость из-за введения запасов по номинальным параметрам СПП. Кроме того, при сборке необходимо выдерживать соответствующие классу напряжения преобразователя изоляционные расстояния, что приводит к росту габаритов изделия в целом и к росту цены и снижению конкурентоспособности. Задача предполагаемого изобретения - создание конструкции высоковольтного вентиля с минимальной собственной индуктивностью и габаритами на базе цепочки последовательно включенных СПП.The disadvantage of the design according to [6] is that it cannot directly be extended to valves with serial connection of SPP. Attempts to assemble complex high-voltage converters from modules, as described in [6], lead to the appearance of significant parasitic (structural) inductances, which in the case of using fully controlled SPPs with very steep fronts when switching on and off (for example, lockable thyristors or IGBT modules ), cause pulsed overvoltages on the SPP, reduce reliability and efficiency converter as a whole, unjustifiably increase its value due to the introduction of reserves for the nominal parameters of NGN. In addition, during assembly, it is necessary to withstand insulation distances corresponding to the voltage class of the converter, which leads to an increase in the dimensions of the product as a whole and to an increase in price and a decrease in competitiveness. The objective of the proposed invention is the creation of the design of a high-voltage valve with a minimum intrinsic inductance and dimensions based on a chain of series-connected SPP.

Сущность изобретения состоит в том, что для того, чтобы управляемые СПП могли быть включены электрически последовательно, элементы вентильного столба объединяются в ячейки, представляющие собой СПП с относящимися к ним резисторами и конденсаторами, и эти ячейки попарно объединяются в 2n конструктивно тождественных модуля так, что внутри каждого модуля первый СПП электрически соединен с резистором анодом, а второй СПП - катодом, между модулями в единый столб включены изоляционные прокладки с контактными площадками, одинаковыми по конфигурации и равными по площади контактным площадкам остальных элементов столба, причем катод второго СПП любого модуля электрически соединен с анодом первого СПП следующего за ним модуля короткой внешней гибкой токоведущей шиной, а выводы конденсаторов соединяются с внешними шинами ячейки; дополнительно в середину столба между n-ым и (n+1)-ым модулем введены две изоляционные прокладки, между которыми расположена диодная сборка из одного или более диодов таблеточной конструкции с контактными площадками, одинаковыми по конфигурации и равными по площади контактным площадкам остальных элементов столба так, что один конец диодной сборки через короткую гибкую токоведущую шину соединен с катодом второго СПП n-ого модуля, а другой конец электрически свободен. В целях дальнейшего снижения паразитной индуктивности ошиновки используются соединения с болтовым соединением выводов, причем высота конденсаторов равна высоте единичной ячейки столба, а болтовые соединения конденсаторов крепятся непосредственно к внешним шинам ячейки.The essence of the invention lies in the fact that in order for controlled SPPs to be switched on electrically in series, the elements of the valve column are combined into cells representing SPPs with their associated resistors and capacitors, and these cells are pairwise combined in 2n structurally identical modules so that inside each module, the first SPP is electrically connected to the resistor by the anode, and the second SPP is connected to the cathode; between the modules, insulating spacers with contact pads identical in configuration are included in a single column radio and equal in area to the contact pads of the remaining elements of the column, and the cathode of the second SPP of any module is electrically connected to the anode of the first SPP of the next module with a short external flexible current-carrying bus, and the capacitor leads are connected to the external busbars of the cell; in addition, in the middle of the column between the n-th and (n + 1) -th module, two insulating spacers are introduced, between which there is a diode assembly of one or more diodes of a tablet design with contact pads that are identical in configuration and equal in area to the contact pads of the remaining elements of the column so that one end of the diode assembly is connected via a short flexible busbar to the cathode of the second SPP of the nth module, and the other end is electrically free. In order to further reduce the parasitic inductance of the busbar, connections with a bolted connection of the terminals are used, and the height of the capacitors is equal to the height of a single cell of the column, and the bolted connections of the capacitors are attached directly to the external busbars of the cell.

На фиг.1. приведена электрическая принципиальная схема высоковольтного вентиля, состоящего из 2n идентичных модулей 1 и диодной сборки 2. Каждый модуль содержит два СПП - первый VI и второй V2, два резистора R1 и R2 и два конденсатора С1 и С2. Число 2n последовательно включенных модулей ограничивается только технологическими возможностями устойчивой сборки столба, обеспечивающей на всех таблеточных приборах (тиристорах, резисторах, диодах) строго перпендикулярно направленного вектора прижимного усилия Р.In figure 1. The electrical circuit diagram of a high-voltage valve is shown, consisting of 2n identical modules 1 and a diode assembly 2. Each module contains two SPPs - the first VI and second V2, two resistors R1 and R2, and two capacitors C1 and C2. The number 2n of series-connected modules is limited only by the technological capabilities of a stable column assembly, which ensures on all tablet devices (thyristors, resistors, diodes) a strictly perpendicular directional vector of clamping force R.

Реализация приведенной на фиг.1 электрической схемы при сборке вентиля конструктивно в единый столб обеспечивается включением в столб диэлектрических прокладок и наличием соответствующих коротких гибких токопроводящих шин, как показано на фиг.2, где в качестве примера принято 2n=4. Конструкция на фиг.2 содержит четыре идентичных полупроводниковых модуля 1, одну диодную сборку 2, четыре идентичные диэлектрические прокладки 3, три гибкие токоведущие шины 4 и необходимое число идентичных охладителей 5. Сборка вышеперечисленных элементов в столб осуществляется прижимным устройством 6, на фиг.2 показанным условно.The implementation of the electrical circuit shown in FIG. 1 when assembling the valve structurally into a single column is ensured by incorporating dielectric gaskets into the column and the presence of corresponding short flexible conductive buses, as shown in FIG. 2, where 2n = 4 is taken as an example. The design in figure 2 contains four identical semiconductor modules 1, one diode assembly 2, four identical dielectric spacers 3, three flexible current-carrying busbars 4 and the required number of identical coolers 5. The assembly of the above elements into the column is carried out by the clamping device 6, figure 2 shown conditionally.

Нами реализовано устройство в соответствии с фиг.2. В качестве управляемых СПП использованы запираемые тиристоры с встроенным драйвером (IGCT) типа 5SHX 06F6004 производства компании ABB Semiconductors. Охладители - стандартные водяные типа ОМ-103, модифицированные с точки зрения центровки выбранного IGCT, однако возможно применение и воздушных охладителей. Резисторы - таблеточные, типа РК153 производства ВЭИ им. В.И.Ленина. Конденсаторы изготовлены по специальному заказу с высоковольтными выводами в виде болтовых соединений по торцам; высота конденсатора вместе с гайками равна сумме высот IGCT, резистора и двух охладителей. Изоляционные прокладки - стеклотекстолитовые специального изготовления. В качестве изоляционного материала стеклотекстолит выбран по двум причинам: во-первых, его удельное пробивное напряжение поперек волокон достаточно велико, а во-вторых, в том же направлении поперек волокон он достаточно пластичен, что позволяет исключить тангенциальные составляющие прижимного усилия на таблеточных СПП. Токоведущие гибкие шины изготовлены из медной плоской “косы”; в целях дальнейшего снижения индуктивности ошиновки ее можно изготовить из двух или более “кос”, включенных параллельно.We have implemented the device in accordance with figure 2. Lockable thyristors with an integrated driver (IGCT) type 5SHX 06F6004 manufactured by ABB Semiconductors were used as controlled SPPs. Coolers - standard water type OM-103, modified in terms of alignment of the selected IGCT, however, air coolers are also possible. Resistors - tablet type RK153 production VEI them. V.I. Lenin. Capacitors are made by special order with high voltage leads in the form of bolted joints at the ends; the height of the condenser together with the nuts is equal to the sum of the heights of the IGCT, resistor and two coolers. Insulating gaskets - fiberglass special manufacturing. The fiberglass is selected as an insulating material for two reasons: firstly, its specific breakdown voltage across the fibers is large enough, and secondly, in the same direction across the fibers, it is sufficiently plastic, which eliminates the tangential components of the pressing force on the tablet SPP. Current-carrying flexible tires are made of a copper flat “braid”; in order to further reduce the busbar inductance, it can be made of two or more “braids” connected in parallel.

Как видно из фиг.2, собственная индуктивность столба практически равна собственной индуктивности последовательно включенных СПП, то есть минимальна. Индуктивность внешней ошиновки также минимальна, поскольку токоведущие выводы охладителей короткие и весьма плоские, так что их собственная индуктивность столь мала, что не поддается определению современными измерительными средствами. О гибких токоведущих шинах сказано выше; их длина настолько мала, насколько позволяет расстояние, ими охватываемое, так что и индуктивность шин предельно мала.As can be seen from figure 2, the self-inductance of the column is almost equal to the self-inductance of the series-connected SPP, that is, it is minimal. The inductance of the external busbar is also minimal, since the current-carrying leads of the coolers are short and very flat, so that their own inductance is so small that it cannot be determined by modern measuring tools. About flexible current-carrying tires is said above; their length is as small as the distance covered by them allows, so that the tire inductance is extremely small.

Таким образом, задача предполагаемого изобретения выполнена: предлагаемая конструкция высоковольтного вентиля на базе цепочки последовательно включенных СПП обеспечивает минимальную собственную индуктивность и габариты, что не может быть достигнуто при использовании конструкции вентиля - прототипа.Thus, the objective of the alleged invention has been completed: the proposed design of a high-voltage valve based on a series of series-connected SPPs provides a minimum inductance and overall dimensions that cannot be achieved using the prototype valve design.

Источники информацииSources of information

1. MODERN HVDC THYRISTOR VALVE. H.Stomberg, B.Abrahamsson, O.Saksvik. ABB Power Systems. S-771 80 Ludvika, Sweden.1. MODERN HVDC THYRISTOR VALVE. H. Stomberg, B.Abrahamsson, O.Saksvik. ABB Power Systems. S-771 80 Ludvika, Sweden.

2. Преобразователь мощности. JP2903950 B2. Приоритет 22.06.93, опубл. 19.04.99, H 02 M 7/48.2. Power converter. JP2903950 B2. Priority 06.22.93, publ. 04/19/99, H 02 M 7/48.

3. Тиристорный вентиль. JP 2980697 B2. Приоритет 08.01.91, опубл. 22.11.99, H 02 M 7/48.3. Thyristor valve. JP 2980697 B2. Priority 01/08/91, publ. 11/22/99, H 02 M 7/48.

4. Тиристорный вентиль. JP 2918327 B2. Опубл. в бюллетене "Изобр. стран мира" 0220.15.107.00. H 02 M 7/48.4. Thyristor valve. JP 2918327 B2. Publ. in the bulletin "Invented World Countries" 0220.15.107.00. H 02 M 7/48.

5. US 005870300A, МКИ H 02 M 7/5387, 09.02.1999. Voltage converter having a commutation circuit with reduced inductance. Ingemar Blidberg, Olle Ekwall. Asea Brown Boveri (ABB).5. US 005870300A, MKI H 02 M 7/5387, 02/09/1999. Voltage converter having a commutation circuit with reduced inductance. Ingemar Blidberg, Olle Ekwall. Asea Brown Boveri (ABB).

6. Таратута И.П., Чуприков B.C. Схемотехнические и конструктивные решения преобразователей частоты для регулируемого электропривода. Электротехника. №9, 2001, с. 62-65.6. Taratuta I.P., Chuprikov B.C. Circuitry and design solutions for frequency converters for an adjustable electric drive. Electrical Engineering No. 9, 2001, p. 62-65.

Claims (2)

1. Высоковольтный полупроводниковый вентиль, состоящий из собранных в единый столб с единым прижимным устройством силовых управляемых полупроводниковых приборов (СПП) таблеточной конструкции, охладителей и таблеточных резисторов, а также не входящих в единый столб конденсаторов, причем контактные площадки СПП, таблеточных резисторов и охладителей одинаковы по конфигурации и равны по площади, а каждый СПП электрически зашунтирован таблеточным резистором и конденсатором, отличающийся тем, что управляемые СПП включены последовательно, СПП с относящимися к ним таблеточными резисторами и конденсаторами образуют ячейки, попарно объединенные в 2n конструктивно тождественных модуля так, что внутри каждого модуля первый СПП электрически соединен с таблеточным резистором анодом, а второй СПП - катодом, между модулями в единый столб включены изоляционные прокладки с контактными площадками, одинаковыми по конфигурации и равными по площади контактным площадкам остальных элементов столба, причем катод второго СПП любого модуля электрически соединен с анодом первого СПП следующего за ним модуля короткой внешней гибкой токоведущей шиной, а выводы конденсаторов соединяются с внешними шинами ячейки; дополнительно в середину столба между n-м и (n+1)-м модулем введены две изоляционные прокладки, между которыми расположена диодная сборка из одного или более диодов таблеточной конструкции с контактными площадками, одинаковыми по конфигурации и равными по площади контактным площадкам остальных элементов столба так, что один конец диодной сборки через короткую гибкую токоведущую шину соединен с катодом второго СПП n-го модуля, а другой конец электрически свободен.1. High-voltage semiconductor valve, consisting of tablet-controlled power controlled semiconductor devices (SPP) assembled in a single column with a single clamping device, coolers and tablet resistors, as well as capacitors not included in a single column, the contact pads of the SPP, tablet resistors and coolers are the same in configuration and equal in area, and each SPP is electrically shunted by a tablet resistor and capacitor, characterized in that the controlled SPPs are connected in series, PPs with related tablet resistors and capacitors form cells pairwise connected in 2n structurally identical modules so that inside each module the first SPP is electrically connected to the tablet resistor by the anode and the second SPP by the cathode; insulating strips with contact pads are connected between the modules in a single column pads that are identical in configuration and equal in area to the contact pads of the remaining elements of the column, and the cathode of the second SPP of any module is electrically connected to the anode of the first SPP as follows after him module short outer flexible busbar, and the capacitor terminals are connected to external cell buses; in addition, in the middle of the column between the nth and (n + 1) -m modules, two insulating spacers are introduced, between which there is a diode assembly of one or more diodes of a tablet design with contact pads that are identical in configuration and equal in area to the contact pads of the remaining elements of the column so that one end of the diode assembly is connected to the cathode of the second SPP of the nth module through a short flexible current-carrying bus, and the other end is electrically free. 2. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что используются конденсаторы с болтовым исполнением выводов, причем высота конденсаторов равна высоте единичной ячейки столба, а болтовые соединения конденсаторов крепятся непосредственно к внешним шинам ячейки.2. The valve according to claim 1, characterized in that capacitors with bolted version of the terminals are used, the height of the capacitors being equal to the height of a single cell of the column, and the bolted connections of the capacitors are attached directly to the external busbars of the cell.

Images