一種中高壓換流器功率模塊的保護電路的製作方法
2023-04-28 09:40:31
一種中高壓換流器功率模塊的保護電路的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種中高壓換流器功率模塊的保護電路，在功率模塊金屬外殼與工作電源的進線端之間跨接一個電容（C1），根據功率模塊工作電源供電方式的不同，可以有選擇性地在功率模塊金屬外殼與功率模塊出線端之間也跨接一個電容（C2），構成一組保護電路，消除寄生電荷的影響；為進一步增加消除寄生電荷的作用，可在電容旁邊並聯電阻，此電阻作為電容的洩放支路。本發明所提供的保護電路結構緊湊，不影響功率模塊的原有結構設計；可有效降低驅動電路板、模塊控制電路板、工作電源等部分與金屬外殼之間的電位差，排除安全隱患，從而改善功率模塊的安全性。
【專利說明】一種中高壓換流器功率模塊的保護電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種保護電路，更具體地是涉及一種中高壓換流器功率模塊的保護電路。
【背景技術】
[0002]當前，我國正在積極推進堅強智能電網的建設，柔性高壓直流輸電是實現電網智能化的重要組成部分。在柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC)系統中，通常由兩個或多個換流站以及直流輸電線組成，換流站交流側與交流系統相連接。一端的換流站將三相交流電整流變成直流電，然後通過直流輸電線路送往另一端的換流站，該換流站再將直流電逆變成三相交流電。柔性直流輸電技術的主要優點是不增加系統的短路容量，便於實現異步電力系統互聯、弱系統聯網，等等。在柔性高壓直流輸電技術中，關鍵部分為中高壓換流器。
[0003]目前，中高壓換流器通常是由多個功率模塊級聯構成的，其主流拓撲結構包括H橋級聯(也稱為鏈式)和MMC (也稱為M2C，或者模塊化多電平)，電壓等級可以從6kV到500kV，甚至500kV以上。換流器功率模塊內部各元件有多個部分不共地，這些部分的電位是懸浮的，因此各元件之間必然存在電位差。
[0004]當功率模塊處於較低電位時，其內部各元件之間的電位差不明顯，不會影響功率模塊的安全性。但是，當功率模塊處於高電位時，其內部各元件之間的電位差可能會很大，容易引發元件之間的絕緣擊穿；且功率模塊的工作電源進線(進線I或進線2)與功率模塊的金屬外殼之間、以及功率模塊的交流出線與功率模塊的金屬外殼之間都存在寄生電荷，這些寄生電荷雖然電荷量很小(相當於皮法級的寄生電容)，但是引起的局部電位差可能較高，可達幾千伏，此時，必須採取恰當的保護措施。
[0005]如圖1所示，目前換流器保護電路主要採用以下技術方案:利用阻容電路(第I電阻R1、第I電容Cl、第2電阻R2、第2電容C2)，從功率模塊的正負直流母線(DCl和DC2)的中點引出，連接到功率模塊的金屬外殼或散熱器。由於散熱器通過螺栓固定在功率模塊的金屬外殼上面，因此這種方法可以保證金屬外殼和散熱器與功率模塊的正負直流母線間的電壓不會超過直流電壓的一半。但這樣仍然存在安全隱患，有時會導致功率模塊不能正常工作，甚至功率模塊失效。
【發明內容】
[0006]針對現有技術所存在的不足，本發明所要解決的問題在於提供一種可以有效降低中高壓換流器功率模塊內部電位差的保護電路。
[0007]為實現上述的發明目的，本發明採用下述的技術方案:
[0008]一種中高壓換流器功率模塊的保護電路，其中所述中高壓換流器由多個功率模塊級聯而成，所述保護電路由電容/電容和電阻構成；
[0009]在所述功率模塊的金屬外殼與所述功率模塊的出線端之間以及所述功率模塊的金屬外殼與工作電源之間設置所述保護電路，用來吸收所述保護電路連接兩端之間的寄生電荷。
[0010]其中較優地，所述保護電路由第一電容Cl和第二電容C2構成，設置為組合使用方式，所述第一電容Cl設置於所述功率模塊的工作電源進線與所述功率模塊的金屬外殼之間，所述第二電容C2設置於所述功率模塊的輸出線與所述功率模塊的金屬外殼之間。
[0011]其中較優地，所述保護電路由第一電容Cl構成，設置為共同使用方式，一端連接所述保護電路的金屬外殼，另一端同時連接所述功率模塊的工作電源進線和所述功率模塊的輸出線。
[0012]其中較優地，所述保護電路由電容和電阻構成，所述電容與所述電阻並聯，其中，所述電阻作為所述電容的洩放支路。
[0013]進一步較優地，當所述電容設置為組合使用方式時，單獨在第一電容旁並聯第一電阻R1，或者單獨在第二電容旁並聯第二電阻R2，或者將上述兩種方式結合使用。
[0014]進一步較優地，當所述電容設置為共同使用方式時，在第一電容旁並聯第一電阻Rl0
[0015]進一步較優地，所述電容的電容值在10納法拉到10微法拉之間。
[0016]進一步較優地，所述電阻阻值不低於I千歐姆。
[0017]與現有技術中換流器的保護電路相比，本發明所提供的保護電路結構緊湊，並聯在功率模塊金屬外殼與內部工作電源和模塊輸出之間，不影響功率模塊的原有結構設計。本發明可以有效降低驅動電路板、模塊控制電路板、工作電源等部分與金屬外殼之間的電位差，排除安全隱患，從而改善功率模塊的安全性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是現有技術中的功率模塊保護電路示意圖；
[0019]圖2是現有技術中的IOkV鏈式換流器電氣原理示意圖；
[0020]圖3是現有技術中的功率模塊主要元器件及其電氣連接關係示意圖；
[0021]圖4是本發明所提供的由電容構成的保護電路示意圖；
[0022]圖5是本發明的第一實施例中，由電容構成的保護電路示意圖；
[0023]圖6是本發明的第一實施例中，由電容和電阻構成的保護電路示意圖；
[0024]圖7是本發明的第一實施例中，包含電容和電阻的保護電路示意圖；
[0025]圖8是本發明的第一實施例中，由電容和電阻構成的保護電路示意圖；
[0026]圖9是本發明的第一實施例中，一個由電容構成的保護電路示意圖；
[0027]圖10是本發明的第一實施例中，另一個由電容和電阻構成的保護電路示意圖；
[0028]圖11是本發明的第二實施例中，由電容構成的保護電路示意圖；
[0029]圖12是本發明的第二實施例中，由電容和電阻構成的保護電路示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0031]在本發明的一個實施例中，採用IOkV鏈式換流器高壓進線端的某個功率模塊，如圖2所示，其中每相有12個功率模塊級聯，三相形成星形接法，總的線電壓為10kV，單個功率模塊的直流母線DCl和DC2之間的電壓為直流900V，其交流出線ACl和AC2之間的電壓為交流550V。
[0032]如圖3所示，功率模塊主要由金屬外殼、直流母線(DCl和DC2)、交流母線(ACl和AC2 )、散熱器、驅動電路板、模塊控制電路板、工作電源等組成。工作電源的輸出端連接模塊控制電路板，模塊控制電路板控制驅動電路板，由驅動電路板輸出來驅動由電力電子元件構成的功率電路，其中功率電路包括直流母線DCl和DC2，輸出交流母線ACl和AC2。功率模塊設置於金屬外殼I內部，還包括散熱器(未標出)，散熱器通過螺栓固定在功率模塊的金屬外殼I上面。
[0033]其中，工作電源主要是為功率模塊的模塊控制電路板以及驅動電路板供電，根據具體設計方案，其進線可以是交流(比如，通過外部交流電源通過變壓器為工作電源提供輸入；或者功率模塊的輸出交流母線ACl和AC2通過變壓器為工作電源提供輸入)，也可以是直流(比如，功率模塊的直流母線DCl和DC2作為工作電源的輸入)。若沒有任何保護電路，模塊控制電路板與功率模塊金屬外殼I之間的電位差通常會超過lkV，並能夠觀察到二者之間有放電打火現象，導致電路板工作異常。
[0034]為解決上述問題，如圖4所示，本實施例在功率模塊的金屬外殼I與工作電源的任一條進線(以進線2為例)之間跨接第一電容Cl，同時在功率模塊的金屬外殼I與功率模塊的任一條輸出交流母線(以AC2為例)之間跨接第二電容C2。
[0035]實施例1:
[0036]功率模塊的工作電源為交流電源時，本實施例以變壓器作為工作電源，變壓器的原邊進線可以是功率模塊外部的交流電源，也可以是功率模塊的交流輸出；變壓器的副邊出線接至工作電源，工作電源的輸出接至模塊控制電路板。
[0037]參見圖5所示，在功率模塊的金屬外殼I與工作電源的任一條進線(本實施例中以進線2為例)之間跨接第一電容Cl，同時在功率模塊的金屬外殼I與功率模塊的任一條交流出線(本實施例中以AC2為例)之間跨接第二電容C2，第一電容Cl和第二電容C2共同構成保護電路。第一電容Cl的作用是吸收工作電源進線與功率模塊的金屬外殼I之間的寄生電荷，第二電容C2的作用是吸收功率模塊的輸出線與金屬外殼I之間的寄生電荷。
[0038]只要第一電容Cl和第二電容C2的容值遠超過寄生電容的容值，則可將工作電源、模塊控制電路板、驅動電路板、正負直流母線以及功率模塊出線等一系列元件與功率模塊的金屬外殼I之間的電位差箝制於較低的水平。因此，可以按照以下依據選擇第一電容Cl和第二電容C2的參數:電容的額定電壓不低於功率模塊的直流電壓，額定電流為幾百毫安至幾個安培，電容值範圍在10納法拉至10微法拉之間。
[0039]在本發明的一個實施例中，第一電容Cl和第二電容C2的容值均為0.47微法拉，額定電壓為1.2kV，額定電流為I安培。
[0040]加入保護電路後，模塊控制電路板與金屬外殼I之間的電位差接近於0V，並且不會發生放電現象，能夠保證電路板的正常運行。
[0041]若要進一步增強消除寄生電荷的作用，可以在第一電阻Cl、第二電容C2旁邊分別並聯第一電阻R1、第二電阻R2 ；
[0042]如圖6所示，其中，第一電阻R1、第二電阻R2作為第一電容Cl、第二電容C2的洩放支路；或者，
[0043]如圖7所示，只在第一電容Cl旁邊並聯第一電阻Rl，第二電容C2旁邊不作處理；或者，
[0044]如圖8所示，只在第二電容C2旁邊並聯第二電阻R2，第一電容Cl旁邊不作處理。
[0045]當工作電源由功率模塊的輸出交流母線ACl和AC2供電時，如圖9所示，保護電路由第一電容Cl構成；或者，
[0046]如圖10所不,保護電路由第一電容Cl與第一電阻Rl構成，其中，第一電阻Rl為第一電容Cl的洩放支路。
[0047]在工程應用中，選取電阻的阻值主要考慮其功率損耗和溫升。一般考慮該電阻的功率損耗不超過10瓦，溫升不超過40°C ;即，該電阻的阻值需要在I千歐姆以上。
[0048]在本發明的第一實施例中，第一電阻R1、第二電阻R2的取值均取10千歐姆。
[0049]實施例2:
[0050]本實施例與實施例1的不同之處在於:功率模塊中工作電源為直流電源供電，以功率模塊的直流母線DCl、DC2供電為例。在該情況下，可以選擇功率模塊的金屬外殼I與工作電源任一條進線之間跨接第一電容Cl，保護電路簡單，結構緊湊，不影響功率模塊的原有結構設計。
[0051]如圖11所示，工作電源進線I與直流母線DC2相連接，工作電源進線2與直流母線DCl相連接，在工作電源進線I與金屬外殼I之間跨接第一電容Cl。如圖12所示，在第一電容Cl旁邊並聯第一電阻Rl作為其洩放支路。
[0052]由於散熱器通過螺栓固定在功率模塊的金屬外殼I上面，保護電路中的電容跨接在工作電源與金屬外殼I的效果與跨接在工作電源與散熱器之間的效果相同，因此，上述實施例中只列舉了電容跨接到金屬外殼I之間的實施情況。
[0053]在功率模塊中，由電力電子元件構成的功率電路可以是H橋(即單相全橋)，也可以是半橋；可以是兩電平橋，也可以是多電平橋。無論功率電路的拓撲是哪種形式，都不影響本發明的實施。
[0054]本發明所述的保護電路可有效降低驅動電路板、模塊控制電路板、工作電源等部分與金屬外殼之間的電位差，排除安全隱患，從而改善功率模塊的安全性。
[0055]以上對本發明所提供的中高壓換流器功率模塊的保護電路進行了詳細的說明。本發明不限於上述優選的使用方法，而在沒有脫離本申請主旨的情況下，對本領域的技術人員而言對它所做的任何顯而易見的改動，都將構成對本發明專利權的侵犯，將承擔相應的法律責任。
【權利要求】
1.一種中高壓換流器功率模塊的保護電路，其中所述中高壓換流器由多個功率模塊級聯而成，其特徵在於: 所述保護電路由電容/電容和電阻構成； 在所述功率模塊的金屬外殼與所述功率模塊的出線端之間以及所述功率模塊的金屬外殼與工作電源之間設置所述保護電路，用來吸收所述保護電路連接兩端之間的寄生電荷。
2.如權利要求1所述的中高壓換流器功率模塊的保護電路，其特徵在於: 所述保護電路由第一電容和第二電容構成，設置為組合使用方式；所述第一電容設置於所述保護電路的工作電源進線與所述功率模塊的金屬外殼之間，所述第二電容設置於所述保護電路的功率電路輸出線與所述保護電路的金屬外殼之間。
3.如權利要求1所述的中高壓換流器功率模塊的保護電路，其特徵在於: 所述保護電路由電容構成，設置為共同使用方式；所述電容一端連接所述功率模塊的金屬外殼，另一端連接所述功率模塊的工作電源進線以及所述功率模塊的功率電路輸出線。
4.如權利要求1所述的中高壓換流器的保護電路，其特徵在於: 所述保護電路由電容和電阻構成，所述電容與所述電阻並聯；其中，所述電阻作為所述電阻的洩放支路。
5.如權利要求2或4所述的中高壓換流器功率模塊的保護電路，其特徵在於: 當所述電容設置為組合使用方式時，在第一電容旁並聯第一電阻。
6.如權利要求2或4所述的中高壓換流器功率模塊的保護電路，其特徵在於: 當所述電容設置為組合使用方式時，在第二電容旁並聯第二電阻。
7.如權利要求2或4所述的中高壓換流器功率模塊的保護電路，其特徵在於: 當所述電容設置為組合使用方式時，在第一電容旁並聯第一電阻，同時在第二電容旁並聯第二電容。
8.如權利要求3或4所述的中高壓換流器功率模塊的保護電路，其特徵在於: 當所述電容設置為共同使用方式時，在第一電容旁並聯第一電阻。
9.如權利要求1至4中任意一項所述的中高壓換流器功率模塊的保護電路，其特徵在於: 所述電容的電容值在10納法拉到10微法拉之間。
10.如權利要求4所述的中高壓換流器的保護電路，其特徵在於: 所述電阻阻值不低於I千歐姆。
【文檔編號】H02M1/32GK103701311SQ201310628071
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】張春朋 申請人:清華大學