CN102934349B - 用于模块化的多级转换器的双模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于降低联焰危险的在高压范围中的转换器的子模块（1）。该模块具有第一和第二串联连接的能量存储器（3，4）、与第一（3）或第二（4）能量存储器并联连接的并且由第一（6）和第二（7）或第三（9）和第四（10）可接通和断开的功率半导体开关单元组成的第一或第二半导体串联电路（13，15）、与在第一和第二功率半导体开关单元（6，7）之间的第一电势点相连的第一连接端子（20）、与在第三和第四功率半导体开关单元（9，10）之间的第二电势点相连的第二连接端子（21）。建议设置：在第一和第二半导体串联电路（15）之间布置的连接开关单元（8）、具有第一连接支路二极管（17）的并且将第一电势点与在能量存储器（3，4）之间的电势点相连接的第一连接支路（14）、和具有第二连接支路二极管（18）的并且将第二电势点与在能量存储器单元（3，4）之间的电势点相连接的第二连接支路（16），其中连接支路二极管（17，18）彼此反向地面向。

Description

用于模块化的多级转换器的双模块
技术领域
本发明涉及一种用于高压范围中的转换器的子模块，具有第一能量存储器、与第一能量存储器并联连接的由第一和第二可接通和断开的功率半导体开关单元组成的第一半导体串联电路、与在第一和第二功率半导体开关单元之间的电势点相连的第一连接端子、与第一能量存储器串联的第二能量存储器、与第二能量存储器并联布置的由第三和第四可接通和断开的功率半导体开关单元组成的第二半导体串联电路、以及与在第三和第四功率半导体开关单元之间的电势点相连的第二连接端子。
本发明还涉及一种用于在高压范围转换电压或电流的转换器，该转换器具有相模块，该相模块在两个直流电压接头之间延伸并且分别具有用于连接交流电压网的相的交流电压接头，其中至少一个相模块具有由双极子模块组成的串联电路。
背景技术
这样的子模块和这样的转换器已经由EP1920526B1公开。在那里描述的转换器是所谓的模块化的多级转换器并且具有相模块组件，该相模块组件在两个反向极化的直流电压接头之间延伸并且分别具有用于连接交流电压网的相的交流电压接头。在其交流电压接头和每个其直接电压接头之间每个相模块组件形成阀支路。每个阀支路还具有由双极子模块组成的串联电路。每个子模块装备了两个彼此串连连接的能量存储器。在此，每个能量存储器与分别由两个可控的功率半导体组成的第一或第二串联电路并连布置，该可控的功率半导体分别与续流二极管反向并联连接。可接通和断开的功率半导体开关例如是IGBT、GTO或诸如此类。子模块的两个连接端子分别与位于第一或第二半导体串连电路的功率半导体开关之间的电势点相连。此外，还公开了一种中间抽头或连接支路，其将在能量存储器之间的电势点与在半导体串联电路之间的电势点相连。可接通和断开的功率半导体开关与调节相连，从而在输出端子中可以产生在能量存储器上降落的电压或者在两个能量存储器上降落的电压或者零电压。
在先公知的子模块与仅具有两个可断开的功率半导体开关和一个能量存储器的简单子模块相比具有优点。由此可以提高在连接端子之间降落的子模块的电压，从而可以减少在高压应用的情况下的子模块的数量。这一点例如可以易化转换器的调节。但是，通过提高端子上的电压也提高了对单个子模块的安全性要求。由此提高了所谓的联焰（Querzünden）的危险，如果在连接端子之间布置的功率半导体开关被击穿、也就是导通，则出现联焰。这种在连接端子上的短路导致高的短路电流，该高的短路电流可以导致在子模块上的不能挽回的损害。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，降低出现联焰的危险。
本发明的技术问题通过在第一半导体串联电路和第二半导体串联电路之间布置的连接开关单元、具有第一连接支路二极管的并且将在连接开关单元和第二功率半导体开关单元之间的电势点与在能量存储器之间的电势点相连接的第一连接支路、和具有第二连接支路二极管的并且将在连接开关单元和第三功率半导体开关单元之间的电势点与在能量存储器单元之间的电势点相连接的第二连接支路来解决，其中第一连接支路二极管和第二连接支路二极管彼此反向地面向。
从本文开头所提到的转换器出发，本发明的技术问题通过应用上面提到的子模块来解决。
按照本发明，模块化的多级转换器的子模块（其被构造为所谓的双极模块）不是如现有技术那样具有四个功率半导体开关单元。按照本发明，通过称为连接开关单元的功率半导体开关单元来增加功率半导体开关单元的数量。由此，在本发明的范围内存在总共五个功率半导体开关单元的串联电路，其与同样串联连接的两个能量存储器并联地布置。连接端子与在第一和第二或第四和第五功率半导体开关单元之间的电势点相连。通过这种方式在连接端子之间包括连接开关单元在内总共布置三个功率半导体开关单元。按照本发明，几乎排除了所有三个功率半导体开关单元同时击穿的概率。按照本发明，由此降低联焰的危险。
从在第二功率半导体开关单元和连接开关单元之间的电势点以及从在连接开关单元和第四功率半导体开关单元之间的电势点到在串联连接的能量存储器之间的电势点分别延伸连接支路。在此，连接支路分别具有连接支路二极管，连接支路二极管彼此反向地面向。连接支路二极管在故障情况下防止由于能量存储器放电引起的不期望的电流。通过这种方式提供了一种子模块，利用该子模块能够在功率半导体开关单元故障的情况下可靠地避免高的短路电流。
按照本发明的优选的实施方式，第一和第二连接端子经由至少一个半导体桥开关彼此连接。半导体桥开关用于在高的冲击电流的情况下桥接子模块。
合适地，在第一和第二连接端子之间附加地设置机械的桥开关。机械的桥开关用于在故障情况下桥接子模块。子模块通常是转换器的相模块的串联电路的部件。通过桥接故障的子模块可以继续运行相模块。仅在其桥接之后才更换故障的子模块。机械开关具有足够高的电流承受能力，从而在转换器较长时间持续运行的情况下也避免了半导体桥电路的损坏。
合适地，在第一和第二连接支路中布置限流器。如果功率半导体开关单元的控制没有精确地同步，则限流器降低电流。合适地，限流器是欧姆电阻。
按照本发明的优选的实施方式，每个功率半导体开关单元和连接开关单元分别具有可接通和断开的功率半导体开关以及与之反向并联布置的续流二极管。可接通和断开的功率半导体开关例如是IGBT、GTO或诸如此类。通过从调节单元获得的相应控制信号将IGBT从在其导通方向上允许电流流过的导通状态转换到中断电流流过的截止状态。与可接通和断开的功率半导体开关并联布置反向的续流二极管，从而在断开电流时通过可接通和断开的功率半导体开关来避免高的电压峰值。
在本发明的不同的实施方式中，功率半导体开关单元和连接单元分别是反向导通的可接通和断开的功率半导体开关。反向导通的功率半导体开关、例如反向导通的IGBT是为专业人员所公知的，从而在此不需要详细介绍。使用反向导通的功率半导体开关的优点在于，可以取消反向并联的续流二极管。
作为功率半导体开关在本发明的范围内是指市场上销售的功率半导体开关，即目前耐压强度为3.3kV或者甚至为6.5kV。功率半导体开关通常具有壳体，在该壳体中功率半导体芯片例如经由接合线或者经由表面接触彼此相连。但是这种功率半导体开关同样由专业人员所公知。
附图说明
本发明的其它合适实施方式和优点是下面借助附图描述本发明的实施例的主题，其中相同的附图标记表示相同作用的部件，并且其中
图1示出了按照本发明的子模块的第一实施例，并且
图2示出了按照本发明的子模块的另一个实施例。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的子模块1的实施例。子模块1具有由第一能量存储器3和第二能量存储器4组成的能量存储器串联电路2。与能量存储器串联电路2并联地布置半导体总串联电路5，该半导体总串联电路5由第一功率半导体开关单元6、第二功率半导体开关单元7、连接开关单元8、第三功率半导体开关单元9和第四功率半导体开关单元10组成。每个功率半导体开关单元6、7、9、10和连接开关单元8具有IGBT11作为可接通和断开的功率半导体开关，该可接通和断开的功率半导体开关具有通过箭头表示的导通方向。通过附图中未示出的调节单元的相应控制信号可以将各个IGBT11从其导通状态转换到其截止状态。与每个IGBT11并联地布置反向地面向其导通方向的续流二极管12。第一功率半导体开关单元6和第二功率半导体开关单元7构成了第一半导体串联电路13，该第一半导体串联电路13经由第一连接支路14与在能量存储器3和4之间的电势点相连。由此，第一半导体串联电路与第一能量存储器3并联连接。连接支路14将在能量存储器3和4之间的电势点与在第一半导体串联电路13和连接开关单元8之间的电势点相连。
连接开关单元9和10构成了第二半导体串联电路15，该第二半导体串联电路15经由第二连接支路16与在能量存储器3和4之间的电势点相连。由此，第二连接支路16将在能量存储器3和4之间的电势点与在第二半导体串联电路15和连接开关单元8之间的电势点相连。
第一连接支路14具有第一连接支路二极管17并且第二连接支路16具有第二连接支路二极管18，该第二连接支路二极管18反向地面向第一连接支路二极管17。此外，在每个连接支路14或16中布置欧姆电阻19。
子模块1被双极地构造并且由此具有第一连接端子20以及第二连接端子21。第一连接端子20与在第一功率半导体开关单元6和第二功率半导体开关单元7之间的电势点相连。第二连接端子21位于在第三功率半导体开关单元9和第四功率半导体开关单元10之间的电势点上。
连接端子20和21在故障情况下可以通过串联电路22桥接，该串联电路22由两个可控的功率半导体23以及在它们之间布置的二极管24组成。可控的功率半导体23桥接第二或第三功率半导体开关单元。给可控的功率半导体23分别并联连接机械开关25。
连接开关单元8与功率半导体开关单元7和9一起接通和断开。这一点也适用于功率半导体开关单元6和10。由此，在连接端子20和21上降落在两个能量存储器3和4上共同降落的电容器电压或者降落零电压。
如果两个外部的功率半导体开关单元，也就是功率半导体开关单元6和10总是同时接通，并且内部的功率半导体开关单元7、8和9总是同时接通，则连接支路14和16在理想情况下没有电流流过。但是这种精确的时间上的同步通常是不可能的，从而导致关于开关时间的轻微偏差并且因此导致电流流过连接支路14和16。通过欧姆电阻19来限制该电流。
从图1中可以看出，在连接端子20和21之间总共布置了三个功率半导体开关单元7、8和9。所有三个功率半导体开关单元同时击穿或者同时故障是小概率的，从而尽可能地避免在连接端子20、21之间的短路、也就是按照本发明的子模块的联焰。
图2示出了按照本发明的子模块1的另一个实施例，该子模块1基本上相应于在图1中示出的子模块1。但是与图1中描述的实施例不同，仅设置将连接端子20和21直接彼此连接的半导体开关23。与半导体开关23并联地还设置机械短路开关25。

Claims (8)

1.一种用于高压范围中的转换器的双极子模块(1)，具有
-第一能量存储器(3)，
-第一半导体串联电路(13)，该第一半导体串联电路与所述第一能量存储器(3)并联连接并且由第一(6)可接通和断开的功率半导体开关单元和第二(7)可接通和断开的功率半导体开关单元组成，
-第一连接端子(20)，该第一连接端子与在所述第一可接通和断开的功率半导体开关单元(6)和第二可接通和断开的功率半导体开关单元(7)之间的电势点相连，
-第二能量存储器(4)，该第二能量存储器与所述第一能量存储器(3)串联地布置，
-第二半导体串联电路(15)，该第二半导体串联电路与所述第二能量存储器(4)并联布置并且由第三可接通和断开的功率半导体开关单元(9)和第四可接通和断开的功率半导体开关单元(10)组成，和
-第二连接端子(21)，该第二连接端子与在所述第三可接通和断开的功率半导体开关单元(9)和第四可接通和断开的功率半导体开关单元(10)之间的电势点相连，
其特征在于，
-连接开关单元(8)，该连接开关单元在所述第一半导体串联电路(13)和所述第二半导体串联电路(15)之间布置，
-第一连接支路(14)，该第一连接支路具有第一连接支路二极管(17)并且将在所述连接开关单元(8)和所述第二可接通和断开的功率半导体开关单元(7)之间的电势点与在所述能量存储器(3，4)之间的电势点相连接，和
-第二连接支路(16)，该第二连接支路具有第二连接支路二极管(18)并且将在所述连接开关单元(8)和所述第三可接通和断开的功率半导体开关单元(9)之间的电势点与在所述能量存储器单元(3，4)之间的电势点相连接，其中，所述第一连接支路二极管(17)和所述第二连接支路二极管(18)彼此反向地面向。
2.根据权利要求1所述的双极子模块(1)，其特征在于，所述第一和第二连接端子(20，21)经由至少一个半导体桥开关(23)彼此连接。
3.根据权利要求2所述的双极子模块(1)，其特征在于，所述第一和第二连接端子(20，21)经由至少一个机械的桥开关(25)彼此连接。
4.根据权利要求1所述的双极子模块(1)，其特征在于，在所述第一和第二连接支路(14，16)中布置限流器(19)。
5.根据权利要求4所述的双极子模块(1)，其特征在于，所述限流器是欧姆电阻(19)。
6.根据权利要求1所述的双极子模块(1)，其特征在于，每个功率半导体开关单元(6，7，9，10)和连接开关单元(8)分别具有可接通和断开的功率半导体开关(11)以及与之反向并联布置的续流二极管(12)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的双极子模块(1)，其特征在于，每个功率半导体开关单元(6，7，9，10)和连接开关单元(8)分别被构造为能够反向导通的可接通和断开的功率半导体开关。
8.一种用于在高压范围转换电压或电流的转换器，该转换器具有相模块，该相模块连接在两个直流电压接头之间并且分别具有用于连接交流电压网的相的交流电压接头，其中，至少一个相模块具有由双极子模块(1)组成的串联电路，其特征在于，所述双极子模块(1)为上述权利要求中任一项所述的双极子模块(1)。
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