在直流電壓中間電路短路時限制具有功率半導體的變流器損壞的方法

2024-04-01 04:17:05 1

專利名稱：在直流電壓中間電路短路時限制具有功率半導體的變流器損壞的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於轉換電流的裝置，具有至少一個相模塊，該相模塊具 有交流電壓接頭和至少一個與直流電壓中間電路相連的直流電壓接頭，並且具 有至少一個儲能器，其中在每個直流電壓接頭和每個交流電壓接頭之間形成相 模塊支路，並且其中每個相模塊支路具有由子模塊組成的串聯電路，這些子模 塊分別具有至少一個功率半導體，其中與每個子模塊的功率半導體並聯設置半 導體保護裝置和用於控制半導體保護裝置的控制單元，並且儲能器用於為控制 單元提供能量。
本發明還涉及一種用於限制具有功率半導體的變流器損壞的方法，該變流 器經過短路的直流電壓中間電路與至少另一個變流器或至少一個電機相連。
背景技術：
這種類型的裝置由DE10323220A1已經公知。在那裡公開了一種用於連接 到饋入能量的三相供電網的所謂的多終端變流器。公知的變流器具有相模塊， 其數量等於供電網的待連接的相數。每個相模塊具有一個交流電壓接頭和兩個 直流電壓接頭，其中相模塊的直流電壓接頭連接到直流電壓中間電路。在每個 直流電壓接頭和交流電壓接頭之間形成一個相模塊支路，其中每個相模塊支路 由子模塊的串聯電路組成。每個子模塊具有一個與功率半導體電路並聯的本身 的儲能器。功率半導體鐵路具有分別反並聯了 一個續流二極體的可關斷功率半 導體，如IGBT、 GTO等等。如果在直流電路中出現短路，則相關的子模塊的 儲能器放電。為了避免子模塊的功率半導體毀壞，與每個由直流電路中的短路 危害的功率半導體並聯一個半導體保護裝置，例如晶閘管，其在短路的情況下 被觸發並且然後承載大部分的短路電流。公知的解決方案的缺陷是，通過子模 塊的儲能器為觸發晶閘管的觸發單元提供能量。這雖然節省了觸發單元的單獨 的能量供應。但是在將變流器與三相電網連接時子模塊的儲能器還沒有充電，從而不可能觸發晶閘管。由此當直流電路中出現短路時，在接通供電網時不排 除公知的變流器的功率半導體的毀壞。

發明內容
由此本發明要解決的技術問題是，提出一種本文開頭所述種類的裝置和方 法，其中就是在接通供電網時也能可靠防止由於直流電壓側出現的短路引起的 損壞。
從本文開頭提到的裝置出發，上述技術問題通過如下解決每個相模塊的 至少一個直流電壓接頭經過直流電壓開關與直流電壓中間電路相連。
此外上述技術問題通過用於限制具有功率半導體的變流器損壞的方法解 決，該變流器經過短路的直流電壓中間電路與其它變流器或者其它電機相連， 其中由變流器的或者直流電壓中間電路的儲能器為控制單元提供能量，控制單 元確定短路並且然後控制至少一個與功率半導體並聯的半導體保護裝置，使得 短路電流既流過半導體保護裝置也流過與之並聯的功率半導體，其中在變流器 與直流電壓中間電路連接之前對每個儲能器充電。
按照本發明在接入或接通交流電網之前首先對裝置的每個儲能器充電，並 且只有在儲能器充電之後才與直流電壓中間電路相連。
為了防止短路情況下的電流，按照本發明的裝置合適地具有直流電壓開 關，每個相模塊的至少一個直流電壓接頭經過該直流電壓開關與直流電路相連。
直流電壓開關具有分離位置和接觸位置，在分離位置阻止電流經過直流電壓開 關，在接觸位置電流可以流過直流電壓開關。如果直流電壓開關處於其分離位 置，則首先可以對直流電壓中間電路的每個儲能器或者每個子模塊的每個儲能 器充電。在儲能器充電之後交流電網又與變流器分離。然後才通過直流電壓開 關切換到其接觸位置以連接直流電壓中間電路，其中在直流電壓中間電路中出 現短路的情況下並且在再次接通交流電網之後，充電的儲能器提供為了觸發半 導體保護裝置所必需的能量。直流電壓開關優選是機械的隔離開關。
每個交流電壓接頭優選經過交流電壓開關與供電網相連。通過交流電壓開 關可以特別簡單地接通供電網，其中交流電壓開關同樣具有兩個開關位置，即 分離位置和接觸位置。通過交流電壓開關從其分離位置切換到其接觸位置，供 電網與變流器相連，從而在直流電壓開關"斷開，，時儲能器被充電。合適地， 交流電壓開關是機械的功率開關。合適地，功率保護裝置包括至少一個晶閘管。晶閘管是可以價格低廉地獲 得的並且具有足夠高的耐衝擊電流強度，從而就是在接入交流電網時在直流電 路中出現快速上升的和高的短路電流的情況下，直到再次新開交流電壓開關都 不會由於產生的短路電流而損壞涉及的晶閘管。
合適地，每個子模塊包括具有與之反並聯的續流二極體的可關斷功率半導 體，其中每個儲能器設置在直流電壓中間電路中。具有這樣的中央儲能器的變 流器應用於能量傳輸和分配領域。然而通常在中央的儲能器中存儲了高的能量， 這些高的能量在所說的短路情況下被釋放。在本發明的範圍中這樣關於直流電 壓開關設置中央的儲能器的排列或接線，使得儲能器的充電以及放電就是在直 流電壓開關斷開時也是可以的。從相模塊的直流電壓接頭看過去，直流電壓開 關連接在與儲能器的接線柱之後。換言之中央的儲能器在相模塊的直流電壓接 頭和直流電壓開關之間與相模塊並聯連接在直流電壓中間電路中。
與此不同的是，每個子模塊具有一個儲能器和與儲能器並聯的功率半導體 電路。這樣的裝置也稱為多級變流器，因為代替中央的大儲能器，設置多個較 小的、互相串聯的儲能器，這些儲能器分別並聯一個功率半導體電路。
按照與此相關的合適的擴展，功率半導體電路是全橋式電路。藉助全橋式 電路可以在串聯的雙極的子模塊的兩個接線柱上施加電容器電壓、所謂的零電 壓或者反向電容器電壓。
這些可關斷功率半導體分別反並聯一個續流二極體。這樣的功率半導體電路也
稱為馬夸特(Marquardt)電路，該馬夸特電路在DE10103031A1中公開並且通 過引用成為本公開的一部分。與全橋式電路不同，按照馬夸特電路的功率半導 體電路僅具有兩個互相串聯的功率半導體，這些功率半導體與相關子模塊的儲 能器這樣相連，使得在相關子模塊的儲能器上降落的電壓或者零電壓降落在子 模塊的兩個接線柱上。利用馬夸特電路，在儲能器上降落的電壓的反向在子模 塊接線柱上是不可能的。然而馬夸特電路比全橋式電路價格低。
根據按照本發明方法的合適擴展，每個功率半導體藉助直流電壓開關與直 流電壓中間電路相連。以這種方式通過機械的功率開關、隔離開關等等，但是 也可以通過具有功率半導體例如晶閘管、IGBT等的電子開關，可以將直流電 壓中間電路與變流器分離。在此重要的是，所有的儲能器經過直流電壓開關與 直流電壓中間電^各相連。變流器、儲能器和直流電壓開關優選設置在共同的外殼中。 合適地，在將變流器與供電網連接之前斷開每個直流電壓開關。在直流電 壓開關斷開的情況下可以對儲能器充電，以提供為觸發半導體保護裝置所必需
的能量。
優選藉助交流電壓開關將變流器與供電網相連。如已經提到的，本發明的 該擴展提供了在儲能器充電時的最大可能的靈活性，其中同時提供了利用機械 開關的價格低廉的解決方案。然而替代機械的開關，還可以設置具有功率半導 體的電子開關。
為了將變流器與直流電壓中間電路連接，合適地首先斷開所有的交流電壓 開關和所有的直流電壓開關，然後為了對儲能器充電而閉合交流電壓開關，最 後在儲能器充電之後斷開每個交流電壓開關，其中為了將變流器與直流電壓中 間電路相連而閉合直流電壓開關，並且最後為了將變流器與交流電網相連而閉
合每個交流電壓開關，只要事先沒有探測到DC短路。由於該簡單的開關順序， 在由於直流電壓中間電路中的短路引起的高的短路電流通過交流電網驅動而流 過裝置的功率半導體之前，提供了對裝置的儲能器充電的價格低廉的可能性， 使得提供了用於控制半導體保護裝置所必需的能量。


本發明的其它合適的實施方式和優點是以下結合附圖對本發明的實施例 的描述的內容，其中相同的附圖標記表示作用相同的組件，並且其中 圖1示出根據現有技術的裝置， 圖2示出根據現有技術的另一個裝置， 圖3示出根據本發明的裝置的實施例， 圖4示出根據本發明的裝置的另一個實施例， 圖5示出按照圖3的裝置處於另一個開關位置， 圖6示出按照圖4的裝置處於另一個開關位置， 圖7示出按照圖3和5的裝置處於另一個開關位置， 圖8示出按照圖4和6的裝置處於另一個開關位置， 圖9示出按照圖4、 6和8的裝置處於另一個開關位置。
具體實施方式
圖1示出了按照現有技術的裝置1。該公知的裝置1包括由三個相模塊3a、 3b和3c組成的變流器2。每個相才莫塊3a、 3b和3c具有一個交流電壓接頭3。 32和33和分別用p和n表示的兩個直流電壓接頭。直流電壓接頭p以及n形成 直流電壓中間電路4的極，其中中央的電容器5作為儲能器並聯在兩個極p和 n之間。在相模塊3a、 3b和3c的每個交流電壓接頭3" 32和33和每個直流電 壓接頭p以及n之間形成相才莫塊支3各6ap、 6bp和6cp以及6an、 6bn和6cn。每 個相模塊支路由構造相同的子模塊7的串聯電路組成。在圖1中示出的實施例 中每個子模塊7具有一個可關斷功率半導體8,例如IGBT、 GTO等等，以及 與之反並聯的續流二極體9。此外在短路情況下可控晶閘管10與續流二極體9 反並聯。如果在直流電壓中間電路4中出現短路，則形成用虛線表示的短路電 流。可以看出，短路電流由僅示意性示出的供電網11經過用於連接按照本發明 的裝置1與供電網11的變壓器12饋入。在此在示出的實施例中短路電流流過 子模塊的續流二極體9以及流過與續流二極體9並聯的半導體保護裝置10、也 就是觸發的晶閘管。然而為了觸發晶閘管需要由中央的電容器5提供觸發能量。 中夬的電容器5由供電網11充電。如果在第一次接通供電網11時在直流電壓 中間電路4中已經出現短路，則晶閘管10不能如圖1中所述切換到其導通狀態， 使得產生的短路電流分配在續流二極體9和晶閘管10上。而是僅由續流二極體 9承載短路電流，從而會損壞子模塊7和可能損壞整個變流器2。
圖2示出了按照現有技術的裝置1,而其中變流器2構造為所謂的多級變 流器。與按照圖l的裝置不同，按照圖2的裝置在直流電壓中間電路4中不再 具有中央的儲能器。而是每個子模塊7具有一個以單極電容器形式的儲能器13。 電容器13與功率半導體電路14並聯，該功率半導體電路14在這種情況下由兩 個互相串聯的可關斷功率半導體8、例如IGBT、 GTO等組成。每個可關斷功 率半導體8與續流二極體9反並聯。如果在直流電壓中間電路4中出現短路， 則流過從供電網11饋入的短路電流，其路徑在圖2中用虛線表示。可以看出， 短路電流流過功率半導體短路的續流二極體9。以晶閘管10的形式的半導體保 護裝置僅與該續流二極體9並聯。通過觸發晶閘管IO，短路電流既流過晶閘管 IO也流過所說的續流二極體9,其中晶閘管IO和續流二極體9的大小提供足夠 高的載流強度，以經受住產生的短路電流。但是此處的缺陷是，未示出的觸發 電子電路由每個子模塊7的電容器13提供用以觸發晶閘管IO的能量。然而在 連接供電網ll之前，電容器13沒有充電，使得在接通供電網ll期間不能觸發晶閘管IO。由此，如果在接通供電網11時在直流電壓中間電路4中出現短路， 則該短路電流僅經過子模塊7的續流二極體9，使得會發生該續流二極體9的 損壞。然而通常將其與可關斷功率半導體8組合為一個組件，從而這導致整個 功率半導體電^各14的損壞。
圖3示出了按照本發明的裝置14,該裝置相應於圖1構造，其中每個子模 塊7由一個可關斷功率半導體8以及一個與之反並聯的續流二極體9組成。與 每個續流二極體9反並聯一個晶閘管10。直流電壓中間電路4仍然具有一個在 直流電壓中間電路4的正極p和負極n之間的中央的電容器5。與按照圖l的 公知裝置不同，根據圖3的、按照本發明的實施例具有一個直流電壓開關以及 一個設置在供電網11和變壓器12之間的交流電壓開關16。此外重要的是，電 容器5的與直流電壓中間電路4的正極相連的接線柱設置在相模塊3a、 3b和 3c的直流電壓接頭p和直流電壓開關15之間。直流電壓開關15、電容器5和 相模塊3a、 3b和3c設置在在構建所謂的高壓直流輸電設備中常見的閥室 (Ventilhalle ) 17中。
在圖3中直流電壓開關15處於其分離位置，在該分離位置電流被阻止經 過直流電壓開關15。相反交流電壓開關16處於其接觸位置，使得供電網11與 設置在閥室17中的變流器2電相連。然而由於斷開的直流電壓開關15阻止了 電流經過短路的直流電壓中間電路4。但是中央的電容器5在供電網ll接通的 情況下被充電。對電容器5充電的電流路徑在圖3中用虛線表示。可以看出， 充電電流流過子模塊7的續流二極體9。
圖4又示出所謂的多級變流器14,其在結構上相應於按照圖2的變流器。 然而按照本發明的實施例此外還包括直流電壓開關15，相模塊3a、 3b和3c的 直流電壓接頭p經過該直流電壓開關15與直流電壓中間電路相連。此外供電網 11又經過交流電壓開關16與變壓器和由此與變流器2相連。如在圖3中那樣， 直流電壓開關15處於其分離位置，其中交流電壓開關16處於其接觸位置。如 在圖3中那樣，在按照圖4的多級變流器14中在該開關位置也進行每個子模塊 7的電容器13的充電，其中充電路徑仍用虛線表示。可以看出，充電電流流過 沒有並聯晶閘管10的續流二極體9。
圖5示出了按照圖3的裝置，而其中交流電壓開關16切換到其分離位置。 例如當電容器5充電到使得在直流電壓中間電路4中故障情況下、即在短路情 況下可以觸發晶閘管10時，進行該切換。圖6示出按照圖2的實施例，其中同樣交流電壓開關16切換到其分離位 置。同樣此處只有當子模塊7的電容器13充分地充電到能夠觸發作為半導體保 護裝置的相關晶閘管10時，才切換到其分離位置。
圖7示出了按照圖5的裝置，而其中直流電壓開關15切換到其接觸位置。 由於在直流電壓中間電^各4中的短路，在直流電壓中間電^各4中並聯的中央電 容器5放電。在此又流過高的短路電流，該短路電流由於合適的電流測量可以 推斷出直流電壓中間電路4中的短路。換言之可以通過電容器5的高放電電流 而識別直流電壓中間電路4中的短路，從而可以採取合適的4晉施。
在按照圖8的多級結構中，在與圖7中相同的開關位置情況下，也就是在 直流電壓開關15閉合而交流電壓開關16斷開的情況下，電容器13不放電，因 為子模塊7的續流二極體9阻止其放電。
圖9示出了按照圖8的實施例，而其中交流電壓開關16切換到其接觸位 置。由於直流電壓中間電路4中的短路，流過由供電網ll饋入的、在幾個微秒 之內由合適的探測電子電路或者其它探測裝置識別的短路電流，該探測電子電 路或者其它探測裝置接著觸發晶閘管10。在此所需的觸發能量由事先充電的、 子模塊7的電容器13提供。在圖10中仍舊用虛線表示的短路電流由此流過續 流二極體9並同時流過並聯的晶閘管10。晶閘管10具有足夠高的耐衝擊電流 強度，以經受住高的電流沖擊(di/dt)。續流二極體9和並聯的晶閘管10的載 流強度同樣很高，使得預計的短路電流不會導致功率半導體的損壞。
以下描述按照本發明的方法的實施例。首先將整個裝置1與供電網11分 離。交流電壓開關16和直流電壓開關15都切換到其分離位置。在直流電壓開 關15繼續斷開的情況下，交流電壓開關16閉合。直流電壓中間電路4中的可 能短路由於直流電壓開關15斷開而不會導致變流器2中的由供電網ll饋入的 短路電流。但是由於交流電壓開關16閉合，變流器中以及直流電壓中間電路4 中的儲能器由供電網11充電。由此可以超過一定的時間段控制半導體保護裝 置、也就是晶閘管IO。在實踐中該時間段位於分鐘範圍，因為電容器的放電帶 有相應的時間常數。在通過供電網11對儲能器5、 13充電之後，再次斷開交流 電壓開關16並且由此將變流器與供電網11分離。在儲能器5、 13充電和交流 電壓開關16斷開的情況下，直流電壓開關15閉合。在中央的中間電路電容器 5的情況下，在短路時該中間電路電容器5經過直流電壓開關15》丈電，由此可 以識別故障。如果直流電壓開關15優選作為隔離開關實施，由於高的;^文電電流，會損壞或者毀壞直流電壓開關15。在具有在子模塊7上分布的電容的多級變流 器拓樸結構中，在接通直流電壓中間電路4時電容器中的電荷保持，因為續流 二極體9不允許放電。直流電壓開關15由此無電壓和電流地切換，/人而避免直 流電壓開關15的損壞。最後閉合交流電壓開關16。在中間電路4中短路的情 況下由供電網11驅動的短路電流流過子模塊7。根據合適的電流測量這可以快 速地、也就是在微秒的範圍內被識別，緊接著發送用於觸發半導體保護裝置、 即晶閘管10的觸發信號。通過預充電的儲能器5、 13,可以觸發晶閘管10的 觸發的控制並且由此保護並行的功率半導體8、 9。
合適地，直流電壓開關15是簡單的隔離開關。而交流電壓開關16是功率 開關。功率開關可以在由電壓驅動的電流情況下被切換到其分離位置，其中產 生的電弧被熄滅。換言之功率開關能夠極為有效地切換即使是高的功率。而隔 離開關設置為無電流地斷開，其中避免了電弧形成。由此隔離開關主要可以價 格低廉地獲得。
權利要求
1.一種用於轉換電流的裝置(1)，具有至少一個相模塊(3a，3b，3c)，該相模塊具有交流電壓接頭(31，32，33)和至少一個與直流電壓中間電路(4)相連的直流電壓接頭(p，n)，並且具有至少一個儲能器(5，13)，其中，在每個直流電壓接頭(p，n)和每個交流電壓接頭(31，32，33)之間形成相模塊支路(6ap，6bp，6cp，6an，6bn，6cn)，以及其中，每個相模塊支路(6ap，6bp，6cp，6an，6bn，6cn)具有由子模塊(7)組成的串聯電路，這些子模塊分別具有至少一個功率半導體(8，9)，其中與每個子模塊(7)的功率半導體(8，9)並聯設置半導體保護裝置(10)和用於控制所述半導體保護裝置(10)的控制單元，以及所述儲能器(5，13)用於為所述控制單元提供能量，其特徵在於，所述每個相模塊(3a，3b，3c)的至少一個直流電壓接頭(p)經過直流電壓開關(15)與所述直流電壓中間電路(4)相連。
2. 根據權利要求1所述的裝置(1 )，其特徵在於，每個交流電壓接頭(3P 32, 33 )經過交流電壓開關(16)與供電網(11 )相連。
3. 根據權利要求1或2所述的裝置(1 ),其特徵在於，所述半導體保護裝 置包括至少一個晶閘管(10)。
4. 根據上述權利要求中任一項所述的裝置(l)，其特徵在於，每個子模塊 (7)包括具有與之反並聯的續流二極體(9)的可關斷功率半導體(8)，其中每個儲能器(5)設置在所迷直流電壓中間電路(4)中。
5. 根據權利要求1至3中任一項所述的裝置(1 )，其特徵在於，每個子模 塊(7 )具有一個儲能器(13 )和與該儲能器(13 )並聯的功率半導體電路(14 )。
6. 根據權利要求5所述的裝置(1),其特徵在於，所述功率半導體電路是 全橋式電路。
7. 根據權利要求5所述的裝置(1 ),其特徵在於，所述功率半導體電路(14 ) 具有兩個互相串聯的可關斷功率半導體(8)，這些可關斷功率半導體分別反並 聯一個續流二極體(9)。
8. 根據上述權利要求中任一項所述的裝置(1)，其特徵在於，所述直流電 壓開關(15)是隔離開關。
9. 一種限制具有功率半導體(8， 9)的變流器(2)損壞的方法，該變流 器(2)經過具有短路的直流電壓中間電路(4)與至少一個變流器或者至少一 個機器相連，其中由所述變流器(2)的或者所述直流電壓中間電路(4)的儲 能器(5， 13)為控制單元供電，所述控制單元確定短路並且然後控制至少一個 與功率半導體(8, 9)並聯的半導體保護裝置(16),使得短路電流既流過半導 體保護裝置(10)也流過與之並聯的功率半導體(8, 9),其中，每個儲能器(5, 13)在變流器(2)與直流電壓中間電路(4)連接之前^皮充電。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，每個功率半導體(8, 9) 藉助直流電壓開關(15)與所述直流電壓中間電路(4)相連。
11. 根據權利要求IO所述的方法，其特徵在於，在將所述變流器(2)與 供電網(11)連接之前斷開每個直流電壓開關(15)。
12. 根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，藉助交流電壓開關(16) 將所述變流器(2)與供電網(11)相連。
13. 根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，為了將所述變流器(2) 與直流電壓中間電路(4)連接，首先斷開所有交流電壓開關(16)和所有直流 電壓開關(15)，然後為了對所述儲能器(5， 13)充電而閉合所述交流電壓開 關(16)，最後在所述儲能器(5， 13)充電之後斷開每個交流電壓開關(16), 為了將所述變流器(2)與直流電壓中間電路相連而閉合直流電壓開關(15), 並且最後為了將變流器(2)與交流電網(11)相連而閉合每個交流電壓開關， 只要事先沒有探測到DC短路。
全文摘要
提供了一種用於轉換電流的裝置(1)，具有至少一個相模塊(3a，3b，3c)，該相模塊具有交流電壓接頭(31，32，33)和至少一個與直流電壓中間電路(4)相連的直流電壓接頭(p，n)，並且具有至少一個儲能器(5，13)，其中在每個直流電壓接頭(p，n)和每個交流電壓接頭(31，32，33)之間形成相模塊支路(6ap，6bp，6cp，6an，6bn，6cn)，每個相模塊支路(6ap，6bp，6cp，6an，6bn，6cn)具有由子模塊(7)組成的串聯電路，這些子模塊分別具有至少一個功率半導體(8，9)，與每個子模塊(7)的功率半導體(8，9)並聯設置半導體保護裝置(10)和用於控制該半導體保護裝置(10)的控制單元，並且儲能器(5，13)為控制單元提供能量，該裝置就是在接通供電網時也能可靠防止由於直流電壓側出現的短路造成的損壞，按照本發明，每個相模塊(3a，3b，3c)的至少一個直流電壓接頭(p)經過直流電壓開關(15)與直流電壓中間電路(4)相連。
文檔編號H02J3/36GK101611535SQ200780051738
公開日2009年12月23日 申請日期2007年3月13日 優先權日2007年3月13日
發明者喬格·蘭, 喬格·多恩, 克勞斯·沃爾夫林格, 夸克-布·圖, 英戈·尤勒, 邁克·多馬希克 申請人:西門子公司