CN104813578A - 具有电流浪涌限制器的子模块 - Google Patents

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Abstract

为了实现一种用于模块化多级换流器的子模块(14)，该子模块具有第一和第二接线端子(12，13)、能量存储器(CZK)以及功率半导体电路(11)，其连接到能量存储器(CZK)，使得在第一开关状态下能够在接线端子(12，13)上产生降落在能量存储器(CZK)上的电压，而在第二开关状态下能够在接线端子(12，13)上产生零电压，所述子模块在能量存储器电容保持不变的情况下，实现成本低廉的子模块壳体，或者在相同的壳体的情况下，实现增大的能量存储器电容，而由此不削弱由子模块壳体提供的保护，建议将功率半导体电路(11)与布置有能量存储器(CZK)和电流浪涌限制部件(16，18)的能量存储支路(15)并联连接。

Description

具有电流浪涌限制器的子模块
技术领域
本发明涉及一种用于模块化多级换流器的子模块，具有第一和第二接线端子、能量存储器以及功率半导体电路，其连接到能量存储器，使得在第一开关状态下能够在接线端子上产生降落在能量存储器上的电压，而在第二开关状态下能够在接线端子上产生零电压。
背景技术
这种子模块例如从DE 101 03 031 B4中已知。这里，在图1中再一次示出了在那里描述的换流器。可以看到，换流器1具有三个相模块2、3和4，其分别在两个极性不同的直流电压接线端6和7之间延伸。此外，每个相模块具有一个交流电压接线端8。交流电压接线端8经由变压器5连接到在图中未进一步示出的交流电网。相模块支路9在交流电压接线端8与每个子模块的每个直流电压接线端6和7之间延伸，其中，在每个相模块支路9中布置有两极子模块10的串联电路。
在图2中更详细地示出了子模块10的拓扑。可以看到，每个子模块10具有单极中间回路电容器CZK形式的能量存储器11。中间回路电容器CZK与由两个串联连接可导通和关断的功率半导体开关T1和T2构成的串联电路11并联连接。在此，功率半导体开关T1和T2中的每一个反向并联连接一个续流二极管D1和D2。位于功率半导体开关T1和T2之间的电势点连接到第一接线端子12，其中，子模块10的另一个接线端子13直接连接到能量存储器CZK的一个极。功率半导体开关T1和T2经由未示出的对其的控制线路、即所谓的栅极接线端可导通和关断，使得子模块10可以在不同的开关状态之间来回切换。在第一开关状态下，其中，例如功率半导体开关T1导通，然而功率半导体开关T2关断，施加在能量存储器CZK上的电压降落在子模块接线端子12和13上。在相反的情况下，在第二开关状态下，子模块接线端子12和13经由导通的功率半导体开关T2彼此导电地连接，从而在子模块接线端子12、13上降落零电压。
当根据图2的子模块中的两个功率半导体开关T1和T2都失效时，产生所谓的横向触发器，其中，能量存储器CZK放电到错位位置。电流上升仅由寄生电感限制，并且可能具有几百千安的数值。这种数量级的电流可能导致明显的破坏。因此，例如可能使功率半导体开关的壳体爆裂，并且可能随着弧光产生爆炸气体。此外，子模块的破坏可能使临近的子模块损坏，从而产生连锁反应的危险。由于该原因，根据现有技术设置为，将功率半导体开关T1和T2与其各自的续流二极管D1或D2布置在能够相对于在四周乱飞的部件和爆炸气体屏蔽外部环境的子模块壳体中。在此，适宜的是，将子模块的能量存储器的电容选择为如此小，使得在发生故障的情况下壳体的强度足够大。然而，由于这种标准，换流器的容量总体受到限制，因为在换流器功率较高的情况下，也需要具有较大的电容的能量存储器，或者换句话说，需要较大的中间回路电容器。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种开头提及的类型的子模块，其在能量存储器电容保持不变的情况下，实现成本低廉的子模块壳体，或者其在预先给定的壳体的情况下，具有相对来说增大的能量存储器电容，而由此不削弱由子模块壳体提供的保护。
本发明通过将功率半导体电路与布置有能量存储器和电流浪涌限制部件的能量存储支路并联连接来解决上述技术问题。
根据本发明，在子模块中布置浪涌电流限制部件，其在发生故障的情况下减小能量存储器放电时的电流浪涌的强度。为此，电流浪涌限制部件与能量存储器串联地布置。其具有使在能量存储器突然放电时、例如在短路时产生的放电电流减小的特征。因此，可以增大能量存储器的电容，而不产生破坏子模块壳体的危险。自然，在本发明的范围内还可以在能量存储器的电容根据要求不必增大、而保持恒定时，将壳体构造为较不坚固。
有利的是，此外还设置换向部件，其在功率半导体电路改变开关状态时，支持流过子模块的电流的换向。换向部件适合如下情况：由于与能量存储器的串联电路中的电流浪涌限制部件，对于在运行期间产生的开关过程不再存在低电感换向回路。换向部件支持所述换向，从而尽管存在电流浪涌限制部件，也使得子模块能够可靠并快速地正常进行开关。为了实现换向部件，可以想到不同的方案，下面还要进一步对其进行讨论。
有利的是，功率半导体电路是由两个可导通和关断的功率半导体开关构成的串联电路，其中，第一接线端子连接到功率半导体开关之间的电势点，而第二接线端子直接连接到能量存储支路。根据本发明的该有利构造，第二接线端子或者经由电流浪涌限制部件连接到能量存储器，或者直接连接到能量存储器的一个极。换句话说，在第二种方案中，第二接线端子经由能量存储器连接到电流浪涌限制部件。根据对图2中示出的子模块的该有利扩展，确保电流浪涌限制部件能够在所谓的半桥电路中发挥其作用。
根据本发明的一个优选构造，电流浪涌限制部件被构造为扼流圈、熔断器和/或电阻。电阻可以是线性电阻或者非线性电阻。如果单独使用熔断器作为电流浪涌限制部件，则其可以作为高压部件来实现，因此构造为占用相应的空间。由于电流而在熔断器上产生的寄生电感确保足够大的电流浪涌限制，直到最后熔断器在熔断过程结束时有效地中断电流为止。对于不太强的电流，经由熔断器提供低电感换向路径。因此，熔断器同时是换向部件。
适宜的是，换向部件包括低电感地连接到功率半导体电路并且与能量存储支路并联连接的换向电容器。换向电容器具有与例如是中间回路电容器的能量存储器相比明显小的电容。其仅实现前提条件，以便促成功率半导体电路开关时的电流的快速换向。
有利的是，换向部件具有电阻，其与电流浪涌限制部件并联地布置在能量存储支路中。电阻与电流浪涌限制部件并联、例如与扼流圈并联地布置，并且在适宜的构造中还单独实现换向所需的条件。然而，优选所述电阻与低电感地连接到功率半导体电路的换向电容器一起使用。
此外，换向部件还可以具有二极管，其与电流浪涌限制部件并联地布置在能量存储支路中。这里也适用二极管不仅可以在有附加换向电容器的情况下，也可以在没有附加换向电容器的情况下使用。
有利的是，换向部件具有连接电容器，其与电流浪涌限制部件并联地布置在能量存储支路中。连接电容器不仅可以与电流浪涌限制部件、例如与扼流圈并联地布置，还可以与二极管和/或与电阻并联地布置。
本发明还涉及一种用于模块化多级换流器的换流器支路，其具有上述类型的两极子模块的串联电路。
此外，本发明还包括一种换流器，其配备有这种换流器支路。
附图说明
本发明的其它适宜的构造和优点是下面参考示出的附图对本发明的实施例的描述的内容，其中，相同的附图标记表示功能相同的部件，并且其中，
图1示出了根据现有技术的模块化多级换流器的实施例，
图2示出了根据图1的模块化多级换流器的子模块，
图3示出了根据本发明的子模块的实施例，
图4示出了根据本发明的子模块的实施例，
图5示出了根据本发明的子模块的实施例，
图6示出了根据本发明的子模块的实施例，
图7示出了根据本发明的子模块的实施例，
图8示出了根据本发明的子模块的实施例，以及
图9示出了根据本发明的子模块的实施例。
具体实施方式
已经结合开头说明性地示出的现有技术对图1和图2进行了说明。
图3示出了子模块14，其在功率半导体电路的构造方面在很大程度上对应于在图2中示出的先前已知的子模块10。因此，根据图3的子模块14也具有由这里两者都作为IGBT示出的两个功率半导体开关T1和T2构成的串联电路11。当然，这里，其它可导通和关断的功率半导体开关、例如GTO或IGCT在本发明的范围内总体也可以得到使用。功率半导体开关T1和T2中的每一个反向并联连接一个续流二极管D1或D2。第一接线端子12连接到功率半导体开关T1和T2之间的电势点。然而，第二接线端子13不像在图2中那样直接连接到能量存储器的一个极。相反，根据图3的子模块14具有能量存储支路15，其中，布置有串联的中间回路电容器CZK形式的能量存储器以及作为浪涌电流限制部件的扼流圈16。第二接线端子经由扼流圈16连接到能量存储器CZK，因此直接施加在能量存储支路15上。为了确保电流在功率半导体开关T1和T2进行开关时可靠地换向，设置换向电容器CK，其与功率半导体电路11并联并且与能量存储支路15并联地布置。在此，换向电容器CK直接、即低电感地连接到功率半导体电路11、即这里由T1和T2构成的串联电路。其具有比中间回路电容器CZK小得多的电容。由于扼流圈16，在由于功率半导体开关T1和T2发生故障而突然放电时，通过扼流圈16避免大的浪涌电流。同时，换向电容器CK确保开关电流可靠地换向。
图4示出了根据本发明的子模块的另一个实施例，其与在图3中示出的实施例的不同之处在于，除了换向电容器CK之外，换向部件还包括电阻17，其与扼流圈16并联地连接在能量存储支路15中。欧姆电阻17使得具有高频率的电流例如在瞬态过程中也能够流过能量存储支路15。由此，欧姆电阻17支持换向。
在相应地选择了电阻17时，可以去除低电感地连接到功率半导体电路11的换向电容器CK。在图5中示出了该实施例。
图6示出了与图3的实施例相对应的本发明的另一个实施例，然而其中，代替扼流圈16，在能量存储支路15中使用熔断器18作为浪涌电流限制部件。如上面已经描述的那样，熔断器18设计用于高压，因此可以视为占用空间的部件。因此，其具有足够大的电感，以有效地抑制浪涌电流。为了使得能够进行快速换向，也使用换向电容器CK，其低电感地连接到功率半导体电路11。
图7示出了根据图6的实施例，然而其中，去除了换向电容器。尽管有寄生电感，熔断器也在电流小的情况下确保开关T1和T2时的充分的换向。
在图6和图7中，也可以代替熔断器使用电阻或者用作电阻的汇流条作为电流限制部件。有利的是，该电阻是具有非线性特性的非线性电阻，其中，其在小电流的情况下，具有低电阻值，而在大电流的情况下，具有高电阻值。替选地，还可以使用具有正温度系数的电阻值的电阻。
在根据图8的实施例中，换向部件包括二极管19，其以与扼流圈16并联连接的方式布置在能量存储支路15中。此外，还设置了连接电容器CB，其同样支持换向。连接电容器CB具有比换向电容器CK还小的电容和比中间回路电容器CZK小得多的电容。
在图中未示出的本发明的一个实施例中，去除了连接电容器CB。换向部件仅包括在能量存储支路15中与扼流圈16并联连接的二极管19以及低电感地连接到功率半导体电路T1和T2的串联电路11的换向电容器CK。
图9示出了本发明的另一个实施例，其在很大程度上对应于在图8中示出的实施例，然而其中，去除了换向电容器CK。因此，换向部件仅包括二极管19和连接电容器CB。此外，二极管19具有与续流二极管D1和D2相反的导通方向。

Claims (10)

1.一种用于模块化多级换流器的子模块(14)，具有
-第一和第二接线端子(12，13)，
-能量存储器(CZK)，以及
-功率半导体电路(11)，其连接到能量存储器(CZK)，使得在第一开关状态下能够在接线端子(12，13)上产生降落在能量存储器(CZK)上的电压，而在第二开关状态下能够在接线端子(12，13)上产生零电压，
其特征在于，
将所述功率半导体电路(11)与布置有所述能量存储器(CZK)和电流浪涌限制部件(16，18)的能量存储支路(15)并联连接。
2.根据权利要求1所述的子模块(14)，
其特征在于，
设置有换向部件(CK，17，19，CB)，其使得能够在所述功率半导体电路(11)改变开关状态时，进行低电感换向。
3.根据权利要求1或2所述的子模块(14)，
其特征在于，
所述功率半导体电路具有由两个可导通和关断的功率半导体开关(T1，T2)构成的串联电路(11)，其中，第一接线端子(12)连接到所述功率半导体开关(T1，T2)之间的电势点，而第二接线端子(3)直接连接到所述能量存储支路(15)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的子模块(14)，
其特征在于，
所述电流浪涌限制部件被构造为扼流圈(16)、熔断器(18)和/或电阻。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的子模块(15)，
其特征在于，
所述换向部件具有低电感地连接到所述功率半导体电路(11)并且与所述能量存储支路(15)并联地布置的换向电容器(CK)。
6.根据权利要求2或5中任一项所述的子模块(14)，
其特征在于，
所述换向部件具有电阻(17)，该电阻与所述电流浪涌限制部件(16，18)并联地布置在所述能量存储支路(15)中。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的子模块(14)，
其特征在于，
所述换向部件具有二极管(15)，该二极管与所述电流浪涌限制部件(16，18)并联地布置在所述能量存储支路(15)中。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的子模块(14)，
其特征在于，
所述换向部件具有连接电容器(CB)，该连接电容器与所述电流浪涌限制部件(16，18)并联地布置在所述能量存储支路(15)中。
9.一种用于模块化多级换流器(1)的换流器支路(9)，其具有根据权利要求1至8中任一项所述的两极子模块(14)的串联电路。
10.一种换流器(1)，具有根据权利要求9所述的换流器支路(9)，所述换流器支路以桥式电路的方式彼此连接。
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