CN103947099B - 功率电子模块 - Google Patents

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Abstract

在提供高压直流(HVDC)功率传输和无功功率补偿的电压源转换器领域，需要一种改进的功率电子模块，该改进的功率电子模块呈现高效率，提供安全的故障模式，并且可以容错。本申请提供了一种功率电子模块(30)，用在提供高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源转换器的链环转换器中，该功率电子模块包括与储能器件(34)并联连接的第一组串联连接的开关元件(32)。所述第一组串联连接的开关元件(32)包括第一锁存开关元件(38)和第一非锁存开关元件(40)。

Description

功率电子模块
技术领域
本发明涉及一种功率电子模块，用在提供高压直流(HVDC)功率传输和无功功率补偿的电压源转换器的链环转换器中。
背景技术
电压源转换器通常用于相互连接具有不同功率特性(例如，电压幅度和频率)的电网络。功率转换器的设计和结构依赖于所需功率转换的性质和所连接的电网络的功率需求，这可以基于预期应用的类型和尺寸而显著地变化。
功率转换的一个示例是在功率传输领域。例如，在HVDC功率传输网络中，AC电功率通常被转换为用于通过架空线和/或海底电缆进行传输的直流(DC)功率。这种转换意味着不需要对由传输线或电缆带来的AC电容性或电感性负载效应进行补偿。这反过来降低了每公里线路和/或电缆的成本，因此当功率需要被长距离传输时，AC功率到DC功率的转换变得节省成本。
AC到DC和DC到AC功率转换通常还用在处于需要将在不同频率下运行的两个AC网络相互连接的环境中的功率传输网络中。在AC与DC网络之间的每个接口处需要转换器以实现该AC与DC网络之间所需的转换。
上述电压源转换器包括在其链环转换器内设置的多个功率电子模块。每个功率电子模块包括电压存储和/或电压源，所述电压存储和/或电压源被选择性地切入和切出该链环转换器，以改变该链环转换器两端产生的电压。
常规功率电子模块10，例如在DE10103031中所提出的功率电子模块被示意性地显示在图1中。该常规功率电子模块10包括在具有DC存储电容器16的半桥配置中所设置的第一绝缘栅双极型晶体管(IGBT)12和第二IGBT14。IGBTs12和14中的每个IGBT具有与其相关联的相应的第一二极管18和第二二极管20。
该常规功率电子模块10还需要消弧晶闸管22，这是因为IGBTs12和14的电流处理能力弱，并且还需要旁路开关24，这是因为IGBTs12和14通常不用于开路模式，该开路模式在包括数以百计串联连接并在很高电压下操作的这种功率电子模块的转换器中是不安全的。
在有助于改进常规功率电子模块10容错的同时，这种消弧晶闸管22需要占据相当大空间的笨重且庞大的夹持结构(未示出)。
对诸如机械或温度开关的旁路开关24的需求增加了该模块的成本，并产生了本身的可靠性问题。
此外，IGBTs12和14及其相关的二极管18、20具有相对高的导通电压，并因此产生高传导损耗，这导致了低电路效率。
因此，需要一种改进的功率电子模块，该改进的功率电子模块呈现高效率，提供安全的故障模式，并且可以容错。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种功率电子模块，用在提供高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源转换器的链环转换器中，该功率电子模块包括与储能器件并联连接的第一组串联连接的开关元件，所述第一组串联连接的开关元件包括第一锁存开关元件和第一非锁存开关元件。
锁存开关元件呈现比非锁存开关元件低得多的传导损耗，因此在所述第一组串联连接的开关元件中包含第一锁存开关元件提高了电路效率。锁存开关元件还具有高得多的浪涌电流能力，因此可以更加容错，并且通常不用于更安全的短路模式。
同时，当通过改变所述非锁存开关元件的切换速度来操作该模块时，包含第一非锁存开关元件提供了减缓电压或电流的步进变化的选择。这种减缓，即限定电流的变化率和/或电压的变化率提高了所述模块的可靠性并限制了由模块产生的电磁干扰。这还避免了在所述模块中对一个或更多个无源缓冲部件的需要。
在本发明的优选实施例中，第一组串联连接的开关元件在具有第一输出端子和第二输出端子的半桥配置中与所述储能器件并联连接。
半桥配置在一定程度上上为功率电子模块提供了所需的功能，同时通过减少所述功率电子模块中的部件数量来降低相关的电压源转换器的尺寸和成本。
可选地，所述第一锁存开关元件被电连接在所述第一输出端子与第二输出端子之间。
将所述第一锁存开关元件以这种方式进行设置意味着在实际功率转换应用中，例如HVDC功率传输中，所述第一锁存开关元件承载大部分电流，并且所述第一锁存开关元件的低传导损耗允许优化该模块产生的损耗。另外，所述第一锁存开关元件的短路故障模式避免了对旁路开关的需要。
此外，像这样对第一锁存开关元件进行定位使得第一非锁存开关元件被定位在第二输出端子与储能器件之间。这允许最有效地利用其可变的切换速度以减缓电压或电流的步进变化。
优选地，位于所述第一输出端子与第二输出端子之间的所述开关元件利用压缩封装构成。以这种方式来形成所述开关元件是有利的，这是因为利用这种封装构成的开关元件不用于安全的短路电路，因此允许相关电压源转换器的非中断操作。
本发明的功率电子模块可以进一步包括第二组串联连接的开关元件，所述第二组串联连接的开关元件包括第二锁存开关元件和第二非锁存开关元件，并且所述第一组串联连接的开关元件和第二组串联连接的开关元件在全桥配置中与所述储能器件并联连接。
在功率传输应用中，例如HVDC中，包含第二组这种串联连接的开关元件允许所述模块通过选择性地将储能器件切换进相应电压源转换器内的电路中以产生电压从而阻止故障电流流经转换器来提供一定程度的DC故障阻碍。
另外，在无功功率应用中，全桥配置提供有用的功能，例如静态补偿器(STATCOM)。
在本发明的优选实施例中，所述第一锁存开关元件和第二锁存开关元件中的每个锁存开关元件被电连接到所述储能器件的同一端子。将所述第一和第二锁存开关元件电连接到储能器件的同一端子使得由所述第一和第二锁存开关元件创建的电路路径能够限定一旁路路径，该旁路路径产生最小的损耗并提供安全的短路路径。这种旁路路径在局部部件或系统故障的情况下，能使电压源转换器非中断操作。
可选地，所述第一锁存开关元件和第二锁存开关元件中的每个锁存开关元件被电连接到所述储能器件的负端子。与非锁存器件相比，锁存开关元件倾向于需要高得多的门单元功率消耗，因此将锁存开关元件以前述方式进行连接简化了对所述开关元件中的每个元件的供电。
所述锁存开关元件或每个锁存开关元件可以是晶闸管型半导体器件或包括晶闸管型半导体器件。
优选地，所述晶闸管型半导体器件从以下各项中选择：
集成门极换流晶闸管；
门极关断晶闸管；以及
门极换流晶闸管。
这种以低传导损耗操作的器件具有所需的故障模式，并且可以容错容忍故障。
所述非锁存开关元件或每个非锁存开关元件是晶体管型半导体器件或包括晶体管型半导体器件。
优选地，所述晶体管型半导体器件从以下各项中选择：
绝缘栅双极晶体管；
双极晶体管；以及
场效应晶体管。
这种器件的切换速度可被改变并且这些器件呈现固有的限流效应。
在本发明的另一优选实施例中，所述锁存开关元件或至少一个锁存开关元件以及所述非锁存开关元件或至少一个非锁存开关元件包括与其并联连接的反向并联二极管。包含这种反向并联二极管允许通过在某些功率电子模块中的反向并联二极管以及在电压源转换器内的其他功率电子模块中的锁存开关元件来传导故障电流，从而允许向连接到转换器的AC网络呈现双向短路(即，消弧)，以指引电流离开DC网络中的故障部位。
可选地，本发明的功率电子模块包括电源单元，所述电源单元被电耦合到所述锁存开关元件或每个锁存开关元件，所述锁存开关元件或每个电源单元以所述储能器件的负端子为参照。包含这种以储能器件的负端子为参照的电源单元避免了需要通过隔离变压器对所述锁存开关元件或每个锁存开关元件进行供电。
所述储能器件可以是以下各项之一：电容器、燃料电池、光电电池、电池，以及具有相关滤波器的辅助AC生成器。
当在由于位置和运输困难而使设备可用性改变的地方需要功率转换的情况下，这种灵活性是有用的。
可选地，所述功率电子模块包括检测器，所述检测器被设置成与所述功率电子模块连接，以检测所述非锁存开关元件或每个非锁存开关元件的开路故障。对这种开路故障进行检测允许接通相关的锁存开关元件以提供短路电流路径，因此允许储能器件的放电。在此之后，功率电子模块30能够继续对锁存开关元件的栅极驱动供电，或可替换地，可以引起锁存开关元件的有意故障。
根据本发明的第二方面，提供了一种电压源转换器，所述电压源转换器包括如上所述的功率电子模块。如上所述，本发明的电压源转换器享有本发明的功率电子模块的优点。
所述电压源转换器可以包括至少一个检测器，所述检测器或每个检测器被配置为检测与各个非锁存开关元件相关的开路故障，并使所述电压源转换器建立经过一个或更多个锁存开关元件的短路路径。
这种配置有利于允许所述电压源转换器在局部部件或系统故障的情况下继续操作。
附图说明
现将以非限制性示例的方式，参照附图对本发明的优选实施例进行简要的描述，其中：
图1示出了常规的功率电子模块；
图2示出了根据本发明的第一实施例的功率电子模块；
图3示出了根据本发明的第二实施例的功率电子模块；
图4示出了根据本发明的另一实施例的电压源转换器。
具体实施方式
如图2所示，根据本发明的第一实施例的功率电子模块大体上由附图标记30表示。
模块30包括第一组串联连接的开关元件32，所述串联连接的开关元件32与电容器36形式的储能器件34并联。
第一组串联连接的开关元件32包括第一锁存开关元件38和第一非锁存开关元件40，第一锁存开关元件38和第一非锁存开关元件40在半桥配置中与储能器件34连接。
所述半桥配置具有第一和第二输出端子42、44。第一输出端子42被电连接到储能器件34的负端子46，而第二输出端子44被电连接在开关元件38、40之间。
在本发明的其他实施例中(未示出)，第一输出端子42可替代地被电连接到储能器件34的正端子48，而第二输出端子44被再次电连接在开关元件38、40之间。
第一锁存开关元件38是采用第一集成门极换流晶闸管(IGCT)50形式的晶闸管型半导体器件。第一IGCT50具有与其并联连接的相应的第一反向并联二极管52。
在本发明的其他实施例中，第一锁存开关元件38还可以是不同的晶闸管型半导体器件，例如，门极关断(GTO)晶闸管或门极换流晶闸管(GCT)。
第一非锁存开关元件40是采用第一绝缘栅双极晶体管(IGBT)54形式的晶体管型半导体器件，第一IGBT54具有与其并联连接的第二反向并联二极管56。
在本发明的其他实施例中，第一非锁存开关元件40可以是另一形式的晶体管型半导体器件，例如以双极晶体管或场效应晶体管(FET)的形式。
如图2所示，第一功率电子模块30不需要包括消弧晶闸管、旁路开关或缓冲电路，所述消弧晶闸管、旁路开关或缓冲电路是如图1中所示的常规功率电子模块所需要的。
第一IGCT50被电连接在第一输出端子42与第二输出端子44之间，在图2所示的实施例中，这意味着第一IGCT50被电连接到储能器件34的负端子46。在这种方式中，第一IGCT50能够选择性地使第一模块30提供零输出电压。
第一IGBT54被电连接到储能器件34的正端子48，因而能够选择性地使第一模块30提供正输出电压。
在本发明将第一输出端子42电连接到储能器件34的正端子48(并且第二输出端子被连接在开关元件38、40之间)的实施例(未示出)中，通过将第一IGCT50连接在第一输出端子和第二输出端子42、44之间，第一IGCT50也被电连接到储能器件34的正端子48。
回到图2中所示的实施例，位于第一输出端子与第二输出端子42、44之间的开关元件，即第一锁存开关元件38是压缩封装的开关元件。
第一功率电子模块30还包括电源单元90，该电源单元90被电耦合到第一锁存开关元件38，并以储能器件34的负端子46为参照。
另外，第一功率电子模块30包括设置为与其连接的检测器92。检测器92被配置为检测非锁存开关元件40的开路故障。
在使用中，第一功率电子模块30操作如下，具体参照(正如由设置成与电容器36并联的第一组串联连接的开关元件所限定的)半桥中的可能切换，即换流事件中的每个事件，即：(i)第一IGBT54的接通；(ii)第一IGBT54的关断；(iii)第一IGCT50的接通；以及(iv)第一IGCT50的关断。
(i)第一IGBT的接通
第一IGBT54，即第一非锁存开关元件40的接通使在第一反向并联二极管52中流动的电流快速下降至零。
第一反向并联二极管52只能适应有限的电流变化率，即第一反向并联二极管52仅具有有限的di/dt能力(例如500A/μs)，因而流经第一反向并联二极管52的电流的变化率通过减慢第一IGBT54的接通来进行控制。可以实现用以减缓第一IGBT54的接通的一种方法是：在第一IGBT54的栅极驱动电路中包含较大的栅极电阻器(未示出)，从而避免需要电抗元件以限制电流变化。
(ii)第一IGBT的关断
关断第一IGBT54使已经流进第一IGBT54的电流换流到第一反向并联二极管52。
第一反向并联二极管52是相对慢的二极管，其具有高的瞬时正向电压，因此第一IGBT54的关断被减慢以降低第一IGBT54两端的电压过冲的风险和随之产生的电压存储器件34的剧烈放电。
(iii)第一IGCT的接通
第一IGCT50，即第一锁存开关元件38的接通使第二反向并联二极管56中的电流快速下降至零。
第一IGCT50的锁存性质意味着它的接通速度不能由门极控制来改变，因而与第一IGBT54相关的第二反向并联二极管56承受非常高的电流上的换流变化，即非常高的di/dt(例如500A/μs)。然而，设计成和IGBT一起使用的反向并联二极管56具有高di/dt性能，因此毫无困难地适应这种电流上的高换流变化。此外，第一IGCT50具有非常高的接通di/dt性能，因此不受这种事件破坏。
(iv)第一IGCT的关断
关断第一IGCT50使已经流进第一IGCT50的电流换流到第二反向并联二极管56和电压存储器件34，即电容器36。
第二反向并联二极管56是快速二极管，如上所述，该二极管能够承受相应的高di/dt。
另外，由电压存储器件34、第二反向并联二极管56和第一IGCT50构成的回路具有低电感，使得电压上的关断变化即dv/dt，以及电压过冲被限制。
第一IGCT50或其相关的第一反向并联二极管52的故障将导致经过第一模块30的短路。如果第一IGBT54此刻导通，那么第一IGBT54会经历这种故障，即短路，比如，电流的突增，即击穿。为了有助于消除这种事件，第一IGBT54(或其他晶闸管型半导体器件)可以额外包括击穿保护器(未示出)。当检测到第一IGBT54的去饱和时，这种保护器会快速关断第一IGBT54。
第一IGBT54或其相关的第二反向并联二极管56的故障将导致经过储能器件34，即电容器36的电流路径变成开路。为了有助于解决这种故障，第一模块30包括检测器92，该检测器92被配置成检测所述开路并接通第一IGCT50来提供短路电流路径。这样的步骤允许电容器36的放电，并且在此之后，第一模块30将继续向第一IGCT50栅极驱动供电，或可选地，将引起第一IGCT50的有意故障。
根据本发明的第二实施例的功率电子模块70被示意性地显示在图3中。第二模块70享有第一模块30的多个特征，并且这些共有特征由相同的附图标记来表示。
除了第一锁存开关元件38和第一非锁存开关元件40，即第一IGCT50，第一IGBT54，以及相应的第一和第二反向并联二极管52、56之外，第二功率电子模块70包括与储能器件34并联连接的第二组串联连接的开关元件72。
第二组串联连接的开关元件72包括第二IGCT76形式的第二锁存开关元件74，以及第二IGBT80形式的第二非锁存开关元件78。第二IGCT76包括与其并联连接的第三反向并联二极管82，并且第二IGBT80包括与其并联连接的第四反向并联二极管84。
第一组和第二组串联连接的开关元件32、72，即第一和第二IGCT50、76，第一和第二IGBT54、80，以及相关的反向并联二极管52、56、82、84在全桥配置中与储能器件34并联连接。
特别地，第一和第二IGCT50、76被连接到储能器件34的同一负端子46，以限定经过第二模块70的旁路路径86。
第二模块70中的(正如由设置成与电容器36并联的第一组和第二组串联连接的开关元件32、72所限定的)全桥中的每一半以与按照第一模块30所描述的半桥基本类似的方式起作用。
图4示出了根据本发明的实施例的电压源转换器100。
电压源转换器100是三相转换器，该转换器包括三个分支102，这些分支中的每个分支对应于一个各自的相。每个分支102包括多个第一功率电子模块30。
在本发明的其他实施例中(未示出)，该电压源转换器可以包括少于或多于三个分支。所述分支或每个分支还可以包括一个或更多个第一功率电子模块30和/或一个或更多个第二功率电子模块70。
在检测到与各个非锁存的开关元件40、78相关的开路故障时，相应的检测器92使电压源转换器100建立经过一个或更多个锁存开关元件38、74的短路路径。

Claims (13)

1.一种功率电子模块(30)，用在提供高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源转换器的链环转换器中，
该功率电子模块(30)包括与储能器件(34)并联连接的第一组串联连接的开关元件(32)，所述第一组串联连接的开关元件包括第一锁存开关元件(38)和第一非锁存开关元件(40)，所述第一锁存开关元件(38)和所述第一非锁存开关元件(40)在具有第一输出端子和第二输出端子(42，44)的半桥配置中与所述储能器件(34)并联连接，其中，所述第一锁存开关元件(38)被直接连接在所述第一输出端子与第二输出端子(42，44)之间以建立经过所述第一锁存开关元件的、所述功率电子模块的短路路径，并且在所述功率电子模块的使用中被接通或关断；
或者，所述功率电子模块(30)包括：
与储能器件(34)并联连接的第一组串联连接的开关元件(32)和与该储能器件(34)并联连接的第二组串联连接的开关元件(72)，所述第一组串联连接的开关元件(32)包括第一锁存开关元件(38)和第一非锁存开关元件(40)，所述第一锁存开关元件(38)在所述功率电子模块的正常使用中被接通或关断，所述第二组串联连接的开关元件(72)包括第二锁存开关元件(74)和第二非锁存开关元件(78)，所述第二锁存开关元件在所述功率电子模块的正常使用中被接通或关断，其中，所述第一组和第二组串联连接的开关元件(32，72)在具有第一输出端子和第二输出端子的全桥配置中与该储能器件(34)并联连接，并且其中，所述第一锁存开关元件和第二锁存开关元件(38、74)被电连接到该储能器件(34)的同一端子以在所述第一输出端子与所述第二输出端子之间以建立经过所述第一锁存开关元件和第二锁存开关元件(38、74)的、所述功率电子模块的短路路径。
2.根据权利要求1所述的功率电子模块，其中，所述第一锁存开关元件(38)利用压缩封装构成。
3.根据权利要求1所述的功率电子模块，其中，所述第一锁存开关元件和第二锁存开关元件(38，74)中的每个锁存开关元件被电连接到所述储能器件(34)的负端子(46)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率电子模块，其中，所述锁存开关元件或每个锁存开关元件(38，74)包括晶闸管型半导体器件。
5.根据权利要求4所述的功率电子模块，其中，所述晶闸管型半导体器件从以下各项中选择：
集成门极换流晶闸管；
门极关断晶闸管；以及
门极换流晶闸管。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的功率电子模块，其中，所述非锁存开关元件或每个非锁存开关元件(40，78)包括晶体管型半导体器件。
7.根据权利要求6所述的功率电子模块，其中，所述晶体管型半导体器件从以下各项中选择：
绝缘栅双极晶体管；
双极晶体管；以及
场效应晶体管。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的功率电子模块，其中，所述锁存开关元件或至少一个锁存开关元件(38，74)以及所述非锁存开关元件或至少一个非锁存开关元件(40，78)包括与其并联连接的反向并联二极管(52，82，56，84)。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的功率电子模块，包括电源单元(90)，所述电源单元(90)被电耦合到所述锁存开关元件或每个锁存开关元件(38)，所述电源单元或每个电源单元以所述储能器件(34)的负端子(46)为参照。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的功率电子模块，其中，所述储能器件(34)是以下各项之一：电容器、燃料电池、光电电池、蓄电池，以及具有相关滤波器的辅助AC生成器。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的功率电子模块，包括检测器(92)，所述检测器(92)被设置成与所述功率电子模块连接，以检测所述非锁存开关元件或每个非锁存开关元件(40)的开路故障。
12.一种电压源转换器，包括多个根据权利要求1至11中任一项所述的功率电子模块(30)。
13.根据权利要求12所述的电压源转换器，包括至少一个检测器(92)，所述检测器或每个检测器(92)被配置为检测与各个非锁存开关元件(40，78)相关的开路故障，并使所述电压源转换器建立经过一个或更多个锁存开关元件(38，74)的短路路径。
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