CN103701311A - 一种中高压换流器功率模块的保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中高压换流器功率模块的保护电路，在功率模块金属外壳与工作电源的进线端之间跨接一个电容（C1），根据功率模块工作电源供电方式的不同，可以有选择性地在功率模块金属外壳与功率模块出线端之间也跨接一个电容（C2），构成一组保护电路，消除寄生电荷的影响；为进一步增加消除寄生电荷的作用，可在电容旁边并联电阻，此电阻作为电容的泄放支路。本发明所提供的保护电路结构紧凑，不影响功率模块的原有结构设计；可有效降低驱动电路板、模块控制电路板、工作电源等部分与金属外壳之间的电位差，排除安全隐患，从而改善功率模块的安全性。

Description

一种中高压换流器功率模块的保护电路

技术领域

本发明涉及一种保护电路，更具体地是涉及一种中高压换流器功率模块的保护电路。

背景技术

当前，我国正在积极推进坚强智能电网的建设，柔性高压直流输电是实现电网智能化的重要组成部分。在柔性高压直流输电（VSC-HVDC）系统中，通常由两个或多个换流站以及直流输电线组成，换流站交流侧与交流系统相连接。一端的换流站将三相交流电整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一端的换流站，该换流站再将直流电逆变成三相交流电。柔性直流输电技术的主要优点是不增加系统的短路容量，便于实现异步电力系统互联、弱系统联网，等等。在柔性高压直流输电技术中，关键部分为中高压换流器。

目前，中高压换流器通常是由多个功率模块级联构成的，其主流拓扑结构包括H桥级联（也称为链式）和MMC（也称为M2C，或者模块化多电平），电压等级可以从6kV到500kV，甚至500kV以上。换流器功率模块内部各元件有多个部分不共地，这些部分的电位是悬浮的，因此各元件之间必然存在电位差。

当功率模块处于较低电位时，其内部各元件之间的电位差不明显，不会影响功率模块的安全性。但是，当功率模块处于高电位时，其内部各元件之间的电位差可能会很大，容易引发元件之间的绝缘击穿；且功率模块的工作电源进线（进线1或进线2）与功率模块的金属外壳之间、以及功率模块的交流出线与功率模块的金属外壳之间都存在寄生电荷，这些寄生电荷虽然电荷量很小（相当于皮法级的寄生电容），但是引起的局部电位差可能较高，可达几千伏，此时，必须采取恰当的保护措施。

如图1所示，目前换流器保护电路主要采用以下技术方案：利用阻容电路（第1电阻R1、第1电容C1、第2电阻R2、第2电容C2），从功率模块的正负直流母线（DC1和DC2）的中点引出，连接到功率模块的金属外壳或散热器。由于散热器通过螺栓固定在功率模块的金属外壳上面，因此这种方法可以保证金属外壳和散热器与功率模块的正负直流母线间的电压不会超过直流电压的一半。但这样仍然存在安全隐患，有时会导致功率模块不能正常工作，甚至功率模块失效。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明所要解决的问题在于提供一种可以有效降低中高压换流器功率模块内部电位差的保护电路。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种中高压换流器功率模块的保护电路，其中所述中高压换流器由多个功率模块级联而成，所述保护电路由电容/电容和电阻构成；

在所述功率模块的金属外壳与所述功率模块的出线端之间以及所述功率模块的金属外壳与工作电源之间设置所述保护电路，用来吸收所述保护电路连接两端之间的寄生电荷。

其中较优地，所述保护电路由第一电容C1和第二电容C2构成，设置为组合使用方式，所述第一电容C1设置于所述功率模块的工作电源进线与所述功率模块的金属外壳之间，所述第二电容C2设置于所述功率模块的输出线与所述功率模块的金属外壳之间。

其中较优地，所述保护电路由第一电容C1构成，设置为共同使用方式，一端连接所述保护电路的金属外壳，另一端同时连接所述功率模块的工作电源进线和所述功率模块的输出线。

其中较优地，所述保护电路由电容和电阻构成，所述电容与所述电阻并联，其中，所述电阻作为所述电容的泄放支路。

进一步较优地，当所述电容设置为组合使用方式时，单独在第一电容旁并联第一电阻R1，或者单独在第二电容旁并联第二电阻R2，或者将上述两种方式结合使用。

进一步较优地，当所述电容设置为共同使用方式时，在第一电容旁并联第一电阻R1。

进一步较优地，所述电容的电容值在10纳法拉到10微法拉之间。

进一步较优地，所述电阻阻值不低于1千欧姆。

与现有技术中换流器的保护电路相比，本发明所提供的保护电路结构紧凑，并联在功率模块金属外壳与内部工作电源和模块输出之间，不影响功率模块的原有结构设计。本发明可以有效降低驱动电路板、模块控制电路板、工作电源等部分与金属外壳之间的电位差，排除安全隐患，从而改善功率模块的安全性。

附图说明

图1是现有技术中的功率模块保护电路示意图；

图2是现有技术中的10kV链式换流器电气原理示意图；

图3是现有技术中的功率模块主要元器件及其电气连接关系示意图；

图4是本发明所提供的由电容构成的保护电路示意图；

图5是本发明的第一实施例中，由电容构成的保护电路示意图；

图6是本发明的第一实施例中，由电容和电阻构成的保护电路示意图；

图7是本发明的第一实施例中，包含电容和电阻的保护电路示意图；

图8是本发明的第一实施例中，由电容和电阻构成的保护电路示意图；

图9是本发明的第一实施例中，一个由电容构成的保护电路示意图；

图10是本发明的第一实施例中，另一个由电容和电阻构成的保护电路示意图；

图11是本发明的第二实施例中，由电容构成的保护电路示意图；

图12是本发明的第二实施例中，由电容和电阻构成的保护电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

在本发明的一个实施例中，采用10kV链式换流器高压进线端的某个功率模块，如图2所示，其中每相有12个功率模块级联，三相形成星形接法，总的线电压为10kV，单个功率模块的直流母线DC1和DC2之间的电压为直流900V，其交流出线AC1和AC2之间的电压为交流550V。

如图3所示，功率模块主要由金属外壳、直流母线（DC1和DC2）、交流母线（AC1和AC2）、散热器、驱动电路板、模块控制电路板、工作电源等组成。工作电源的输出端连接模块控制电路板，模块控制电路板控制驱动电路板，由驱动电路板输出来驱动由电力电子元件构成的功率电路，其中功率电路包括直流母线DC1和DC2，输出交流母线AC1和AC2。功率模块设置于金属外壳1内部，还包括散热器（未标出），散热器通过螺栓固定在功率模块的金属外壳1上面。

其中，工作电源主要是为功率模块的模块控制电路板以及驱动电路板供电，根据具体设计方案，其进线可以是交流（比如，通过外部交流电源通过变压器为工作电源提供输入；或者功率模块的输出交流母线AC1和AC2通过变压器为工作电源提供输入），也可以是直流（比如，功率模块的直流母线DC1和DC2作为工作电源的输入）。若没有任何保护电路，模块控制电路板与功率模块金属外壳1之间的电位差通常会超过1kV，并能够观察到二者之间有放电打火现象，导致电路板工作异常。

为解决上述问题，如图4所示，本实施例在功率模块的金属外壳1与工作电源的任一条进线（以进线2为例）之间跨接第一电容C1，同时在功率模块的金属外壳1与功率模块的任一条输出交流母线（以AC2为例）之间跨接第二电容C2。

实施例1：

功率模块的工作电源为交流电源时，本实施例以变压器作为工作电源，变压器的原边进线可以是功率模块外部的交流电源，也可以是功率模块的交流输出；变压器的副边出线接至工作电源，工作电源的输出接至模块控制电路板。

参见图5所示，在功率模块的金属外壳1与工作电源的任一条进线（本实施例中以进线2为例）之间跨接第一电容C1，同时在功率模块的金属外壳1与功率模块的任一条交流出线（本实施例中以AC2为例）之间跨接第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2共同构成保护电路。第一电容C1的作用是吸收工作电源进线与功率模块的金属外壳1之间的寄生电荷，第二电容C2的作用是吸收功率模块的输出线与金属外壳1之间的寄生电荷。

只要第一电容C1和第二电容C2的容值远超过寄生电容的容值，则可将工作电源、模块控制电路板、驱动电路板、正负直流母线以及功率模块出线等一系列元件与功率模块的金属外壳1之间的电位差箝制于较低的水平。因此，可以按照以下依据选择第一电容C1和第二电容C2的参数：电容的额定电压不低于功率模块的直流电压，额定电流为几百毫安至几个安培，电容值范围在10纳法拉至10微法拉之间。

在本发明的一个实施例中，第一电容C1和第二电容C2的容值均为0.47微法拉，额定电压为1.2kV，额定电流为1安培。

加入保护电路后，模块控制电路板与金属外壳1之间的电位差接近于0V，并且不会发生放电现象，能够保证电路板的正常运行。

若要进一步增强消除寄生电荷的作用，可以在第一电阻C1、第二电容C2旁边分别并联第一电阻R1、第二电阻R2；

如图6所示，其中，第一电阻R1、第二电阻R2作为第一电容C1、第二电容C2的泄放支路；或者，

如图7所示，只在第一电容C1旁边并联第一电阻R1，第二电容C2旁边不作处理；或者，

如图8所示，只在第二电容C2旁边并联第二电阻R2，第一电容C1旁边不作处理。

当工作电源由功率模块的输出交流母线AC1和AC2供电时，如图9所示，保护电路由第一电容C1构成；或者，

如图10所示，保护电路由第一电容C1与第一电阻R1构成，其中，第一电阻R1为第一电容C1的泄放支路。

在工程应用中，选取电阻的阻值主要考虑其功率损耗和温升。一般考虑该电阻的功率损耗不超过10瓦，温升不超过40℃；即，该电阻的阻值需要在1千欧姆以上。

在本发明的第一实施例中，第一电阻R1、第二电阻R2的取值均取10千欧姆。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于：功率模块中工作电源为直流电源供电，以功率模块的直流母线DC1、DC2供电为例。在该情况下，可以选择功率模块的金属外壳1与工作电源任一条进线之间跨接第一电容C1，保护电路简单，结构紧凑，不影响功率模块的原有结构设计。

如图11所示，工作电源进线1与直流母线DC2相连接，工作电源进线2与直流母线DC1相连接，在工作电源进线1与金属外壳1之间跨接第一电容C1。如图12所示，在第一电容C1旁边并联第一电阻R1作为其泄放支路。

由于散热器通过螺栓固定在功率模块的金属外壳1上面，保护电路中的电容跨接在工作电源与金属外壳1的效果与跨接在工作电源与散热器之间的效果相同，因此，上述实施例中只列举了电容跨接到金属外壳1之间的实施情况。

在功率模块中，由电力电子元件构成的功率电路可以是H桥（即单相全桥），也可以是半桥；可以是两电平桥，也可以是多电平桥。无论功率电路的拓扑是哪种形式，都不影响本发明的实施。

本发明所述的保护电路可有效降低驱动电路板、模块控制电路板、工作电源等部分与金属外壳之间的电位差，排除安全隐患，从而改善功率模块的安全性。

以上对本发明所提供的中高压换流器功率模块的保护电路进行了详细的说明。本发明不限于上述优选的使用方法，而在没有脱离本申请主旨的情况下，对本领域的技术人员而言对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种中高压换流器功率模块的保护电路，其中所述中高压换流器由多个功率模块级联而成，其特征在于：

所述保护电路由电容/电容和电阻构成；

在所述功率模块的金属外壳与所述功率模块的出线端之间以及所述功率模块的金属外壳与工作电源之间设置所述保护电路，用来吸收所述保护电路连接两端之间的寄生电荷。

2.如权利要求1所述的中高压换流器功率模块的保护电路，其特征在于：

所述保护电路由第一电容和第二电容构成，设置为组合使用方式；所述第一电容设置于所述保护电路的工作电源进线与所述功率模块的金属外壳之间，所述第二电容设置于所述保护电路的功率电路输出线与所述保护电路的金属外壳之间。

3.如权利要求1所述的中高压换流器功率模块的保护电路，其特征在于：

所述保护电路由电容构成，设置为共同使用方式；所述电容一端连接所述功率模块的金属外壳，另一端连接所述功率模块的工作电源进线以及所述功率模块的功率电路输出线。

4.如权利要求1所述的中高压换流器的保护电路，其特征在于：

所述保护电路由电容和电阻构成，所述电容与所述电阻并联；其中，所述电阻作为所述电阻的泄放支路。

5.如权利要求2或4所述的中高压换流器功率模块的保护电路，其特征在于：

当所述电容设置为组合使用方式时，在第一电容旁并联第一电阻。

6.如权利要求2或4所述的中高压换流器功率模块的保护电路，其特征在于：

当所述电容设置为组合使用方式时，在第二电容旁并联第二电阻。

7.如权利要求2或4所述的中高压换流器功率模块的保护电路，其特征在于：

当所述电容设置为组合使用方式时，在第一电容旁并联第一电阻，同时在第二电容旁并联第二电容。

8.如权利要求3或4所述的中高压换流器功率模块的保护电路，其特征在于：

当所述电容设置为共同使用方式时，在第一电容旁并联第一电阻。

9.如权利要求1至4中任意一项所述的中高压换流器功率模块的保护电路，其特征在于：

所述电容的电容值在10纳法拉到10微法拉之间。

10.如权利要求4所述的中高压换流器的保护电路，其特征在于：

所述电阻阻值不低于1千欧姆。

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