CN103094885A - 转换器系统以及具有这种转换器系统的功率电子系统 - Google Patents

转换器系统以及具有这种转换器系统的功率电子系统 Download PDF

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Abstract

本发明的名称为转换器系统以及具有这种转换器系统的功率电子系统，说明一种包括相电压源(2)和n个部分转换器系统(3.1,…,3.n)的转换器系统(1)，其中n≥1，并且在n=1的情况下，所述部分转换器系统(3.1)在连接点(A)与相电压源(2)连接，并且在n>1的情况下，所述多个部分转换器系统(3.1,…,3.n)在连接点(A)与相电压源(2)连接。此外，电源开关(4)串联在相电压源(2)和连接点(A)之间。为快速切断经过部分转换器系统(3.1,…,3.n)的故障电流，断路元件(5)串联在相电压源(2)、电源开关(4)和连接点(A)之间。此外，说明一种包括m个转换器系统(1)的功率电子系统，其中m>1。

Description

转换器系统以及具有这种转换器系统的功率电子系统
技术领域
本发明涉及功率电子电路领域。本发明基于一种转换器系统以及一种根据独立权利要求前序部分的包括这种转换器系统的功率电子系统。
背景技术
如今转换器系统被用在多个应用领域。在DE 102005040543A1中说明包括转换器系统的在电压上特别简单缩放的功率电子系统。DE 102005040543A1的所述功率电子系统包含至少两个相模块，其中每个相模块具有第一部分转换器系统和第二部分转换器系统。每个部分转换器系统包含一个电感和与其串联的n个串联二极开关单元，其中n ≥2，并且每个开关单元具有包括控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关和一个容性蓄能器。对于每个相模块，第一部分转换器系统的电感与第二部分转换器系统的电感串联。此外，对于每个相模块，第一部分转换器系统的电感与第二部分转换器系统的电感的连接点构成一个相端子。典型地，电气交流电压网，即相电压源或者电气负荷总是与所述相端子连接。
此外典型地，电源开关与所述相端子连接，所述电源开关用于：例如在相模块的部分转换器系统内故障的情况下或者为转换器系统维护目的，断开通常与所述功率电子系统连接的电气交流电压网或者与所述功率电子系统连接的电气负荷。在图1中示出根据现有技术的这种功率电子系统。
在相模块的部分转换器系统内故障的情况下，在通过电源开关在所述相端子处断开功率电子系统之前，导致的故障电流典型地经由相关相端子流出或者流入电气交流电压网，或者流出或者流入电气负荷。在所述断开完成之前，所述转换器系统、尤其是所述转换器系统的组件可能一直遭受损失并且因此所述功率电子系统可能一直遭受损失，使得必须修理或者维护所述转换器系统并且可用性下降。
发明内容
因此本发明的任务是，说明一种转换器系统，在所述转换器系统中，改善地克服在所述转换器系统的部分转换器系统中的故障情况下出现的故障电流是可能的。本发明的另一任务是，说明一种包括转换器系统的功率电子系统，所述功率电子系统可以被很简单和模块化地实现。
所述任务通过权利要求1的特征或者通过权利要求9的特征解决。在从属权利要求中说明本发明的有利扩展方案。
根据本发明的转换器系统包含相电压源和一般而言n个部分转换器系统，其中n ≥ 1，并且在n=1的情况下，所述部分转换器系统在连接点与该相电压源连接，并且在n>1的情况下，所述多个部分转换器系统在所述连接点与该相电压源连接。此外，电源开关串联在相电压源和所述连接点之间。根据本发明，现在断路元件串联在相电压源、电源开关和所述连接点之间，所述断路元件允许在电源开关断开相电压源之前快速且安全地中断例如由于在部分转换器系统内的故障而出现且流经部分转换器系统的故障电流。因此，在电源开关最后断开之前，能够很简单地控制在故障情况下例如在部分转换器系统内出现的故障电流。
根据本发明的功率电子系统包含m个先前所提到的根据本发明的转换器系统，其中m>1并且所述转换器系统的相电压源处于可确定的电势，以便有利地达到相电压源的共同的且定义的电势参考点。因为对于每个转换器系统，断路元件串联在相电压源、电源开关和所述连接点之间，所以存在如下可能性：中断仅仅流经转换器系统的一个部分转换器系统或者转换器系统的多个部分转换器系统的故障电流，而不必中断其它转换器系统的断路元件。因此，继续运行具有不受故障电流影响的转换器系统的功率电子系统是可能的。当然，始终存在这种可能性：借助于所有断路元件进行完全断开，因此引起整个功率电子系统更安全的状态。因此总的来说，在电源开关进行最后的断开之前，可以很简单地控制故障情况下在一个或者多个转换器系统的一个部分转换器系统或者多个部分转换器系统中出现的故障电流。 
从接下来结合附图对本发明的有利实施形式的详细描述，可以看出本发明的所述任务、优点和特征以及其它任务、优点和特征。
附图说明
图1示出根据现有技术的功率电子系统的实施形式，
图2示出根据本发明的转换器系统的第一实施形式，
图3示出根据本发明的转换器系统的第二实施形式，
图4示出根据本发明的功率电子系统的第一实施形式，
图5示出根据本发明的功率电子系统的第二实施形式，
图6示出根据本发明的功率电子系统的第三实施形式，
图7示出根据本发明的转换器系统的开关单元的第一实施形式，
图8示出根据本发明的转换器系统的开关单元的第二实施形式。
在图中所应用的参考标记和其含义在参考标记列表中归纳列出。基本上在图中相同的部分标以相同的参考标记。所描述的实施形式示例性地代表发明主题并且没有限制作用。
具体实施方式
图1示出先前已经提到的根据现有技术的转换器系统的实施形式。此外，图2现在示出根据本发明的转换器系统1的第一实施形式。图3说明根据本发明的转换器系统1的第二实施形式。按照图2和图3的转换器系统1包含相电压源2和一般而言n个部分转换器系统3.1, …, 3.n，其中n ≥ 1。在n=1的情况下，如示例性地在图2中所示，部分转换器系统3在连接点A与相电压源2连接。在n>1的情况下，如示例性地在图3中所示，部分转换器系统3.1, …, 3.n在连接点A与相电压源2连接。此外，根据图2和图3，电源开关4串联在相电压源和所述连接点之间。
按照本发明，现在断路元件5一般串联在相电压源2、电源开关4和所述连接点A之间，所述断路元件5允许在电源开关4断开相电压源2之前快速且安全地中断例如由于在部分转换器系统3.1, …, 3.n内的故障而出现且流经部分转换器系统3.1, …, 3.n的故障电流。因此，在电源开关4断开相电压源2之前，能够很简单地控制在故障情况下例如在部分转换器系统3.1, …, 3.n内出现的故障电流。优选地，所述电源开关4被实施为机械开关。
优选地，断路元件5由具有双向通电方向的可控开关构成，使得能够有利地中断不同极性的故障电流。
具有双向通电方向的可控开关可以被实施为具有烟火触发的机械开关。如在图2和图3中示例性地所示，具有双向通电方向的可控开关也可以由两个反并联连接的可控双向功率半导体开关构成，所述功率半导体开关具有控制的单向通电方向。相应的具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关又可以具有带绝缘设置的栅电极的双极性晶体管和与所述双极性晶体管反并联连接的二极管。作为备选，也可考虑的是：相应的可控双向功率半导体开关具有功率MOSFET，所述功率MOSFET具有与其反并联连接的二极管。
如在图3中示例性地示出，作为另一备选方案也有可能的是，相应的具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关具有反向阻断晶闸管。专业人员所熟知的每类晶闸管是可能的，尤其是包括换流控制电极的集成晶闸管(IGCT - 集成门极换流晶闸管)。因为仅仅使用晶闸管，简单地构造断路元件5的实施形式是可能的，因此很坚固地和极经济地实现所述断路元件5的实施形式是可能的。此外有可能的是，相应的具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关具有带绝缘设置的栅电极的对称双极性晶体管(IGBT–绝缘设置的栅电极双极性晶体管)。
所述部分转换器系统3.1, …, 3.n包含电感L和与其串联的p个串联二极开关单元6，其中p ≥ 2，并且每个开关单元6包括具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关和容性蓄能器。所述部分转换器系统3.1, …, 3.n通过所述电感L与连接点A连接。部分转换器系统3.1, …, 3.n的开关单元6的相应的具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关尤其被构成为门极可关断晶闸管(GTO-门极可关断晶闸管)或者包括换流控制电极的集成晶闸管(IGCT-集成门极换流晶闸管)，所述集成晶闸管包括反并联连接的二极管。有可能的是，将具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关例如构成为功率MOSFET，所述功率MOSFET具有额外反并联连接的二极管，或者构成为带绝缘设置的栅电极的双极性晶体管(IGBT)，所述双极性晶体管具有额外反并联连接的二极管。在图7中示例性地示出根据本发明的转换器系统的开关单元的第一实施形式，其中具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关互联成半桥电路并且容性蓄能器与所述半桥电路并联。此外，在图8示例性地示出根据本发明的转换器系统的开关单元的第二实施形式，其中具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关互联成全桥电路并且容性蓄能器与所述全桥电路并联。
图4中示出根据本发明的功率电子系统的第一实施形式。此外，图5示出根据本发明的功率电子系统的第二实施形式。此外，图6示出根据本发明的功率电子系统的第三实施形式。一般而言，根据本发明的功率电子系统包含m个先前提到的根据本发明的转换器系统1，其中m>1，并且转换器系统1的相电压源2处于可确定的电势N1，由此可有利地达到相电压源2的共同的且定义的电势参考点。图5和图6中示例性地示出m=3个转换器系统1，其中每个转换器系统1具有n=2个部分转换器系统3.1, 3.2。为清楚起见，没有示出转换器系统1的相电压源2。因此，根据本发明的功率电子系统可能被简单且模块化地构造并且在电功率方面尤其可以被简单地缩放。因为对于每个转换器系统1，在相电压源2、电源开关4和连接点A之间串联断路元件5，存在如下可能性：中断仅仅流经转换器系统1的一个部分转换器系统3.1, …, 3.n或者转换器系统1的多个部分转换器系统3.1, …, 3.n的故障电流，而不必中断其它转换器系统1的断路元件5。因此，继续运行具有不受故障电流影响的转换器系统1的功率电子系统是可能的。显而易见，当然始终存在如下可能性：借助于所有断路元件5进行完全断开，因此将整个功率电子系统转到更安全的状态。因此总的来说，在电源开关4进行最后的断开之前，可以很简单地控制故障情况下在一个或者多个转换器系统1的一个部分转换器系统3.1, …, 3.n或者多个部分转换器系统3.1, …, 3.n中出现的故障电流。
参考标记列表
1　　　　　　转换器系统
2　　　　　　相电压源
3.1, …3.n　　部分转换器系统
4　　　　　　电源开关
5　　　　　　断路元件
6　　　　　　开关单元
A　　　　　　连接点
L　　　　　　电感
N1　　　　　可确定的电势。

Claims (9)

1. 一种包括相电压源(2)和n个部分转换器系统(3.1, …, 3.n)的转换器系统(1)，其中n ≥ 1，并且在n=1的情况下，所述部分转换器系统(3.1)在连接点(A)与所述相电压源(2)连接，并且在n>1的情况下，所述多个部分转换器系统(3.1, …, 3.n)在所述连接点(A)与所述相电压源(2)连接，其中，电源开关(4)串联在所述相电压源(2)和所述连接点(A)之间，其特征在于，所述断路元件(5)串联在所述相电压源(2)、所述电源开关(4)和所述连接点(A)之间。
2. 按照权利要求1的转换器系统(1)，其特征在于，所述断路元件(5)由具有双向通电方向的可控开关构成。
3. 按照权利要求2的转换器系统(1)，其特征在于，所述具有双向通电方向的可控开关由两个具有控制的单向通电方向的反并联连接的可控双向功率半导体开关构成。
4. 按照权利要求3的转换器系统(1)，其特征在于，相应的具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关具有带绝缘设置的栅电极的双极性晶体管和与所述双极性晶体管反并联连接的二极管，或者所述相应的可控双向功率半导体开关具有功率MOSFET，所述MOSFET具有与其反并联连接的二极管。
5. 按照权利要求3的转换器系统(1)，其特征在于，所述相应的具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关具有反向阻断晶闸管。
6. 按照权利要求2的转换器系统(1)，其特征在于，所述具有双向通电方向的可控开关被实施为具有烟火触发的机械开关。
7. 按照前述权利要求1到6之一的转换器系统(1)，其特征在于，所述电源开关(5)被实施为机械开关。
8. 按照前述权利要求1到7之一的转换器系统(1)，其特征在于，所述部分转换器系统(3.1, …, 3.n)包含电感(L)和与其串联的p个串联二极开关单元(6)，p ≥ 2，并且每个开关单元(6)包括具有控制的单向通电方向的可控双向功率半导体开关和容性蓄能器，其中所述部分转换器系统(3.1, …, 3.n)通过所述电感(L)与所述连接点(A)连接。
9. 功率电子系统，其特征在于，设置m个按照前述权利要求1到8之一所述的转换器系统(1)，其中m>1，以及所述转换器系统(1)的相电压源(2)处于可确定的电势(N1)。
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