CN110495084A - 一种用于mmc-hvdc子模块的保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了在用于高压直流(HVDC)电力传输的电压源转换器领域中的一种用于开关设备(22；122)的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)。该保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)包括晶闸管(12)，所述晶闸管具有主要载流端子，所使用的主要载流端子与要保护的开关设备(22；122)反向并联连接，以便在开关设备(22；122)的正常运行期间，向晶闸管(12)施加反向电压。保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)还包括触发电路(38)，该触发电路与晶闸管(12)的栅极控制端子(40)可操作地连接。触发电路(38)被配置为当施加到晶闸管(12)的反向电压达到安全阈值电压(V2)时，向晶闸管(12)的栅极控制端子(40)施加电压，由此晶闸管(12)失效并在开关设备(22；122)的主要载流端子上呈现不可逆的短路。

Description

一种用于MMC-HVDC子模块的保护装置
本发明涉及一种用于开关设备的保护装置(protection arrangement)，特别是用于电压源转换器的以开关模块形式的开关设备。
在高压直流(HVDC)电力传输中，交流(AC)电力被转换为高压直流(DC)电力用于经架空线和/或海底电缆传输。这种转换降低了每公里线和/或电缆的成本，因此当需要长距离传输时是划算的。一旦传输的电力达到其目标目的地，高压DC电力在被分配到本地网络前转换回AC电力。
在需要互连两个不同频率运行的AC网络的情况下，在电力传输网络中也通常利用AC电力到DC电力的转换。
在AC和DC网络之间的每个接口都需要HVDC电力转换器来实现AC电力和DC电力之间所需的转换，其中这样的电转换器的一种类型是电压源转换器，其包括多个串联连接的开关设备，以开关模块的形式可操作地提供步进可变电压源。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于开关设备的保护装置，包括：
晶闸管(thyristor)，其具有主要载流端子，所使用的主要载流端子与要保护的开关设备反向并联连接，以便在开关设备的正常运行期间，向晶闸管施加反向电压；和
触发电路，其与晶闸管的栅极控制端子可操作地连接，触发电路被配置为当施加到晶闸管的反向电压达到安全阈值电压时，向晶闸管的栅极控制端子施加电压，由此晶闸管失效并在开关设备的主要载流端子上呈现不可逆的短路。
通常电路设计师会尽可能地避免破坏晶闸管，而通过上述方式故意使晶闸管失效，为晶闸管将失效的实际电压提供了更大的确定性，例如，与简单地将晶闸管暴露在其主要载流端子上的破坏性电压相比，这样降低了开关设备上的正常运行电压(即施加到晶闸管的正常反向电压)与晶闸管失效电压之间所需的裕量。
此外，实现这种所需的安全裕量的降低而不会对晶闸管意外失效(例如由于宇宙射线)的可能性造成不利影响。
在本发明的优选实施方式中：
开关设备采用用于电压源转换器的开关模块的形式，此种开关模块包括与主储能设备(primary energy storage device)并联连接的多个开关元件，并且可选择性地操作以提供电压源；
触发电路包括辅助储能设备(auxiliary energy storage device)；和
所使用的触发电路被配置为在开关设备的正常运行期间，选择性地将辅助储能设备与主储能设备并联连接，以及当施加到晶闸管的反向电压达到安全阈值电压时，选择性地将辅助储能设备与主储能设备和晶闸管的栅极控制端子串联连接。
将辅助储能设备与主储能设备并联连接，使在开关设备正常运行期间，辅助储能设备上的电压基本上可以追踪主储能设备上的电压，因此对开关设备的正常运行的影响是微不足道的。
同时，将辅助储能设备与主储能设备和晶闸管的栅极控制端子串联连接，当对晶闸管施加的反向电压超过阈值电压时，允许主储能设备上的电压达到与辅助储能设备上的电压之和，从而提供合适的电压源以施加到晶闸管的栅极控制端子以引起其故意失效。
可选地，触发电路包括第一无源电流检测元件(passive current checkelement)，第一无源电流检测元件可在相应的电流阻断和电流导通状态下选择性地操作，所使用的第一无源电流检测元件在主储能设备的正极端子和辅助储能设备的负极端子之间串联电连接。
这样的装置理想地允许有选择地将辅助储能设备与主储能设备串联连接。
当第一无源电流检测元件上的电压小于第一触发电压时，第一无源电流检测元件在其电流阻断状态下运行，以及当第一无源电流检测元件上电压大于或等于第一触发电压时，第一无源电流检测元件在其电流导通状态下运行。
第一无源电流检测元件含有这种功能，有利于相对精确地限定检测元件切换到其电流导通状态下运行的电压。
优选地，第一触发电压选择等于安全阈值电压。
以这样的方式选择第一触发电压，可以允许安全阈值电压得到精确的控制。
根据本发明的另一优选实施方式，触发电路包括第二无源电流检测元件，该第二无源电流检测元件可在相应的电流阻断和电流导通状态下选择性地操作，所使用的第二无源电流检测元件在辅助储能设备的正极端子与晶闸管的栅极控制端子之间串联电连接。
这样的装置理想地允许有选择地将辅助储能设备与晶闸管的栅极控制端子串联连接。
可选地，当第二无源电流检测元件上的电压小于第二触发电压时，第二无源电流检测元件在其电流阻断状态下运行，以及当第二无源电流检测元件上电压大于或等于第二触发电压时，第二无源电流检测元件在其电流导通状态下运行。
第二触发电压可以小于或等于第一触发电压。
上述特点有助于确保只要辅助储能设备与主储能设备串联连接，辅助储能设备的正极端子就与晶闸管的栅极控制端子串联连接。
优选地，至少一个无源电流检测元件是以下之一：
-击穿二极管(breakover diode)；和
-火花放电器(spark gap)。
这种类型的部件具有理想的操作特性，而且占地面积很小，因此适合安装在例如印刷电路板上。
在本发明的另一优选实施方式中，所使用的辅助储能设备经由至少一个串联连接的电阻元件与主储能设备并联连接。
以这样的方式连接辅助储能设备有助于控制其储能速度，从而允许调整储能速度，例如，辅助储能设备上的电压能够相对精确地追踪主储能设备上的电压。
同时，包含一个或多个串联连接的电阻元件，根据主储能设备上的电压在时间尺度上(例如几微秒)发生的变化能有效地将辅助储能设备从主储能设备解耦合。
可选地，开关模块是半桥模块，其包括与主储能设备并联连接的第一和第二串联连接的开关元件。
这种半桥模块能够提供零或正电压，并能双向传导电流。
此外，每个第一和第二串联连接的开关元件都可以包括与二极管反并联(anti-parallel)连接的绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolar transistor)。
在本发明的另一个实施方式中，第一串联连接的开关元件可包括与二极管反并联连接的绝缘栅双极晶体管，并且第二串联连接的开关元件可仅由绝缘栅双极晶体管组成。可选地，保护装置还包括开关电路，该开关电路配置为在开关模块的正常运行期间重复开通晶闸管。
在这样的装置中，第二串连连接的开关元件省略了包含与绝缘栅双极晶体管(IGBT)反并联连接的二极管。从第二串连连接的开关元件中省略二极管可为第二串连连接的开关元件提供更多的物理空间，因为IGBT不包括任何“共封装(co-packed)”的二极管芯片。第二串连连接的开关元件中额外的空间也可以安装有附加的部件，例如，附加的IGBT芯片。这样可减少损耗，并增加了第二串连连接的开关元件的电流额定值。
第二串连连接的开关元件优选地是半桥开关模块中的开关元件，该半桥开关模块连接在开关模块的两个输出端之间，即当输出端上发生短路时，开关元件传导电流绕过主储能设备(所谓的开关模块的“旁路模式”)。当开关设备被纳入模块化多电平换流器(modular multi-level converter，MMC)时，这是特别有利的，因为大部分电流都在这样的开关元件中流动。通常，这样的开关元件被定位为开关模块中的下开关元件。然而，这样的开关元件可被定位为开关模块中的上开关元件。
同时，保护装置还包括开关电路，该开关电路被配置成在开关模块的正常运行期间可重复开通晶闸管，这意味着该晶闸管还充当第二开关元件的IGBT的续流二极管(freewheel diode)。
由于晶闸管与IGBT是分开的(不像第一开关元件的反并联连接的二极管)，晶闸管可以是压装设备，因此具有更高的浪涌能力且不会短路。
在又一实施方式中，每个第一和第二串联连接的开关元件都可以包括MOSFET。
每个包括MOSFET的第一和第二串联连接的开关元件都不需要单独的续流二极管，以便在开关设备的正常运行期间传导反向电流。这是因为MOSFET可双向传导电流。
晶闸管可与第一和第二MOSFET中的一个反向并联连接，优选较低(即，第二)MOSFET，以提高开关元件的故障电流能力。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于电压源转换器的开关模块，电压源转换器包括至少一种上文所述的保护装置。
本发明的开关模块共享本发明保护装置的相应优点。
下面通过非限制性示例并参考附图简要描述本发明的优选实施方式，其中：
图1示出了根据本发明第一实施方式的保护装置；
图2示出了根据本发明第二实施方式的保护装置；
图3示出了根据本发明的第三实施方式的保护装置；
图4示出了根据本发明第四实施方式的保护装置；
图5示出了根据本发明第五实施方式的保护装置；
图6(a)至6(d)说明了图1所示保护装置的运行的各个阶段；
图7示出了根据本发明第六实施方式的保护装置；
图8示出了根据本发明第七实施方式的保护装置；
图9(a)和9(b)说明了图7所示保护装置的运行的不同模式；
图10示出了基于本发明第七实施方式不构成本发明的部分的替代保护装置；和
图11示出了根据本发明的第八和第九实施方式的保护装置。
如图1所示，根据本发明第一实施方式的保护装置通常指定为参考数字10。
第一保护装置10包括晶闸管12，晶闸管12具有主要载流端子，即阴极端子14和阳极端子16，其中，所使用的主要载流端子与要保护的开关设备22反向并联连接。
在所示实施方式中，开关设备22采用用于电压源转换器(未示出)的开关模块24的形式。开关模块24包括多个开关元件26A、26B，这些开关元件与以主电容30形式(尽管也可以使用其他形式的储能设备)的主储能设备28并联连接，且模块24可选择性地操作以提供电压源。
更具体地说，在所示的实施方式中，开关模块24是半桥模块32，半桥模块32包括第一和第二串联开关元件26A、26B，第一和第二串联开关元件26A、26B以相应的绝缘栅双极晶体管(IGBTs)34的形式存在(其中每个都与相应的第一或第二二极管36A、36B反并联连接)，其与主电容30并联连接。也可使用其他类型的开关元件。在任何情况下，半桥模块32都能够在两个方向上提供零或正电压和传导电流。
所使用的晶闸管12与开关设备22(即半桥模块32)反向并联连接，通过连接晶闸管12的阴极端子14到开关设备22的第一主要载流端子18，以及连接晶闸管12的阳极端子16到开关设备22的第二主要载流端子20，以便在开关设备22正常运行期间，向晶闸管12施加反向电压。
第一保护装置10还包括触发电路38，该触发电路可操作地与晶闸管12的栅极控制端子40连接。
触发电路38被配置为当施加到晶闸管12的反向电压(即开关模块24上的电压)达到安全阈值电压V2时，向晶闸管12的栅极控制端子40施加电压。
更具体地，触发电路38包括辅助储能设备42，其以辅助电容44的形式(尽管可以使用其他形式的储能设备)，所使用的辅助电容44经由第一和第二串联连接的电阻元件46、48与主储能设备28(即主电容30)并联连接。
每个第一和第二电阻元件46、48都是电阻器，尽管在根据本发明的第二实施方式(如图2所示)的第二保护装置100中，第一电阻元件46可以被二极管50替代。
在图1所示的实施方式中，辅助电容44的电容约为1nF，而第一和第二电阻器的总电阻约为100kΩ。这为约100μs的并联连接的辅助电容44建立了时间常数(即电容x电阻)，其与开关模块24的基频周期(通常约为50Hz或60Hz)相比相对较短。然而也可使用其他电容和总电阻值。
触发电路38还包括第一无源电流检测元件52，所使用的第一无源电流检测元件52在主电容30的正极端子54与辅助电容44的负极端子56之间串联电连接，例如经由开关模块24的第一端子18(其本身经由第一开关元件26A的第一反并联二极管36A与主电容30的正极端子54串联连接)。
根据本发明的第三实施方式，在第三保护装置200中，第一无源电流检测元件52而是可直接与主电容30的正极端子54电连接，如图3所示。
在每个实施方式中，第一无源电流检测元件52采用第一击穿二极管58的形式，其在相应的电流阻断和电流导通状态下选择性操作，尤其是当该第一击穿二极管上的电压小于第一触发电压时，该第一击穿二极管在其电流阻断状态下运行，当该第一击穿二极管上的电压大于或等于第一触发电压时，该第一击穿二极管在其电流导通状态下运行。然而，也可以使用其他类型的无源电流检测元件，包括例如诸如气体放电管的火花放电器。
选择第一触发电压等于安全阈值电压V2，举例来说，对于额定运行电压约为3.3kV的开关模块24，该第一触发电压可以为3kV。
触发电路38还包括第二无源电流检测元件60，所使用的第二无源电流检测元件60在辅助电容44的正极端子62和晶闸管12的栅极控制端子40之间串联电连接。
第二无源电流检测元件60采用第二击穿二极管64的形式，该第二击穿二极管64在相应的电流阻断和电流导通状态下具有类似地选择性操作，更具体地，当第二击穿二极管上的电压小于第二触发电压时，第二击穿二极管在其电流阻断状态下运行，以及当第二击穿二极管上的电压大于或等于第二触发电压时，第二击穿二极管在其电流导通状态下运行。第二触发电压可以近似等于或略小于第一触发电压V2，并且在示例实施方式中，所示优选地约为2.9kV。
根据本发明第四实施方式的第四保护装置300如图4所示。第四保护装置300与图1所示的第一保护装置10相似，类似的特征共享相同的参考数字。
在这方面，第四保护装置300与第一保护装置10一样，包括以半桥模块32形式的开关模块324，开关模块324包括第一和第二串联连接的开关元件26A、326B。同样，第一串联连接的开关元件26A采用与第一二极管36A反并联连接的IGBT 34的形式。
然而，第四保护装置300与第一保护装置10不同的是，第二串联连接的开关元件326B本身单独采用IGBT 34的形式，即没有反并联连接的二极管。
在所示实施方式中，第二串联连接的开关元件326B是开关模块324中的下开关元件。第二串联连接的开关元件326B可是开关模块324中的上开关元件，其中第一和第二端子18、20中的一个连接到主电容30的正极端子54。
第四保护装置300与第一保护装置10进一步不同的是，第四保护装置300包括开关电路302，所述开关电路302配置为在开关模块324的正常运行期间重复开通晶闸管12。
在所示实施方式中，开关电路302包括二极管304，所述二极管304连接在晶闸管12的阳极端子16和栅极控制端子40之间。
根据本发明第四实施方式的第五保护装置400如图5所示。第五保护装置400与图1所示的第一保护装置10相似，类似的特征共享相同的参考数字。
在这方面，第五保护装置400与第一保护装置10一样，包括以半桥模块32形式的开关模块424，开关模块424包括第一和第二串联连接的开关元件426A、426B。
然而，第五保护装置400与第一保护装置10不同的是，第一和第二串联连接的开关元件426A、426B均采用MOSFET 402A、402B的形式。
如图5所示，晶闸管12与开关模块424中的第二MOSFET 402B(即下MOSFET 402B)反向并联连接。晶闸管12可与开关模块424中的第一(即上)MOSFET 402A反向并联连接。
第五保护装置400还可包括与第一或第二MOSFET 402A、402B反向并联连接的附加晶闸管，以增强第五保护装置400的保护能力。
第四和第五保护装置300、400可包括二极管50，根据第二保护装置100替换第一电阻元件46，和/或根据第三保护装置200将第一无源电流检测元件52和主电容30的正极端子54之间直接连接。
在开关模块24的正常运行期间，所使用的触发电路38被配置成将辅助电容44与主电容30并联连接，即经由如图6(a)所示的第一和第二电阻元件46、48连接。
在开关模块24的这种正常运行期间，辅助电容44与主电容30并联充电，并且由于相对较短约100μs的时间常数，辅助电容44上的电压以最小延迟跟踪主电容30上的电压V1。这样，很好的近似，辅助电容44上的电压等于主电容30上的电压V1。
如图6(b)所示，在开关模块24内发生故障的情况下，主电容30开始充电至高于正常电压的V2(经由图1中所示的第一个最上面的反并联二极管36A)。
施加在晶闸管12上的反向电压等于主电容30上高于正常电压的V2，辅助电容44以类似于主电容30充电至高于正常电压V2。该高于正常电压的V2等于安全阈值电压和第一击穿二极管58的第一触发电压，因此第一击穿二极管58切换到其电流导通状态下运行，从而在主电容30的正极端子54和辅助电容44的负极端子56之间建立第一串联导通路径66，如图6(c)所示。在这方面，相对于第一击穿二极管58切换到其电流导通状态下运行的相关时间尺度，即几微秒，第一和第二电阻元件46、48在该过程中不起作用。
一旦第一串联导通路径66建立，辅助电容44与主电容30有效串联连接，并且辅助电容44的正极端子62的电压水平上升到2V2，例如6kV。
这会在V2(即2V2-V2)的第二击穿二极管64上产生一个电压，该电压在约3kV时大于第二击穿二极管64的第二触发电压(例如2.9kV)，因此第二击穿二极管64立即切换到以其电流导通状态运行，继而在辅助电容44的正极端子62和晶闸管12的栅极控制端子40之间建立第二串联导通路径68，如图6(d)所示。
以上述方式，触发电路38可选择地配置成当主电容30的电压并因此施加到晶闸管12反向电压达到安全阈值电压V2时，将辅助电容44与每个主电容30和晶闸管12的栅极控制端子40串联连接。
这种辅助电容44、主电容30和晶闸管12的栅极控制端子40的串联连接将电压可选地经由约1kΩ的限流电阻70施加到晶闸管12的栅极控制端子40上。这与施加在晶闸管12上的反向电压V2相结合，导致晶闸管12失效，从而在开关模块24的第一和第二端子18、20之间呈现不可逆的短路。这样的短路绕过开关模块24，并防止主电容30上的电压进一步升高，从而保护开关模块24内的开关元件26A、26B，尤其避免了进一步的损坏。
图2和图3中示出的第二和第三保护装置100；200与第一保护装置10非常相似，并且类似的特征具有相同的参考数字。第二和第三保护装置100；200的功能与第一保护装置10类似。
图4和图5中示出的第四和第五保护装置300；400也与第一保护装置10的功能相类似，同时考虑到下文所列的注解。
对于第四保护装置300，在开关模块324的正常运行期间，开关电路302的二极管304使晶闸管12作为第二开关元件326B的续流二极管，即独立的IGBT 34。因此，当晶闸管12的正极电压超过一个小的正极阈值时，即在开关模块324的正常运行期间，晶闸管12会重复地开通。
晶闸管12上的栅极控制端子40的存在，使得晶闸管12可以继续作为上述与第一保护装置10的使用有关的过电压保护元件工作。
对于第五保护装置400，MOSFET 402A、402B具有可控制的“电流通道”，其电阻可通过作用于MOSFET 402A、402B的栅极和p-n“体二极管”而改变。因此，在开关模块424的正常运行期间，MOSFET 402A、402B在不需要单独的续流二极管的情况下传导反向电流。
当第五保护装置400包括与第二MOSFET 402B反向并联连接的晶闸管时，在发生故障时，通过控制动作开通晶闸管。
根据本发明第六实施方式的保护装置通常指定为参考数字500，如图7所示。
第六保护装置500类似于每个第一、第二、第三、第四和第五保护装置10；100；200；300；400，并且相似的特征共用相同的参考数字。第六保护装置500还包括晶闸管12，所使用的晶闸管12与要保护的第二开关设备122反向并联连接。
在所示实施方式中，第二开关设备122采用用于电压源转换器(未示出)的第二开关模块124的形式。更具体地，第二开关模块124是全桥模块132，全桥模块132包括第一对第一和第二串联连接的开关元件26A、26B和第二对第三和第四串联连接的开关元件26C、26D，两对串联连接的开关元件都是与主电容30并联连接。每个开关元件26A、26B、26C、26D再次采用与对应的第一、第二、第三或第四二极管36A、36B、36C、36D反并联连接的相应的IGBT34的形式。以上述方式，全桥模块132能够在两个方向上提供零、正或负电压和传导电流。
所使用的晶闸管12与第二开关设备122(即全桥模块132)反向并联连接，通过再次将晶闸管12的阴极端子14连接到第二开关设备122的第一主要载流端子18，以及再次将晶闸管12的阳极端子16连接到第二开关设备122的第二主要载流端子20，以便在第二开关设备122的正常运行期间，再次对晶闸管12施加反向电压。
第六保护装置500还包括触发电路38，该触发电路38与晶闸管12的栅极控制端子40可操作地连接，并且触发电路38配置成当施加到晶闸管12上的反向电压，即第二开关模块124上的电压达到安全阈值电压V2时，向晶闸管12的栅极控制端子40施加电压。
所使用的触发电路38的第一无源电流检测元件52再次经由第一主要载流端子18和第一开关元件26A的第一反并联二极管36A与主电容30的正极端子54串联电连接，尽管第一无源电流检测元件52可再次与主电容30的正极端子54直接电连接，例如，根据如图8所示的本发明的进一步实施方式的第七保护装置600。
在第二开关模块124的正常运行期间，所使用的触发电路的辅助电容44再次与主电容30并联连接，即经由第一和第二电阻元件46、48连接，所以与主电容30并联充电，从而使辅助电容44上的电压基本上等于主电容30上的电压V1。
考虑到第二开关模块124的全桥性质，主电容和辅助电容30、44的这种充电在如图9(a)所示的第一模式下进行，以及在如图9(b)所示的第二模式下进行。
在第一模式中，电流经由第一和第四反并联二极管36A、36D流过主电容30，并向晶闸管12施加反向电压。触发电路38的功能与上述与第一保护装置10相关的功能基本相同，即触发电路38选择性地当主电容30上的电压达到安全阈值电压V2时，继而施加到晶闸管12的栅极控制端子40的电压因为晶闸管12上施加了反向电压导致晶闸管12失效，将每个辅助电容44和主电容30与晶闸管12的栅极控制端子40串联连接。
在第二模式中，电流经由第三和第二反并联二极管36C、36B流过主电容30，如图9(b)所示，并向晶闸管12施加正向电压。
在此模式中，如果主电容30上的电压增加到安全阈值电压，即V2，则第二击穿二极管64将首先切换到其电流导通状态下运行，然后第一击穿二极管58将切换到在其电流导通状态下运行，从而在主电容和辅助电容30、44和晶闸管12的栅极控制端子40之间再次建立串联，以向栅极控制端子40施加电压。
然而，由于在第二种模式中，晶闸管12是正向偏置，因此它被触发导通，即，它只是被开通，而不是被破坏。然而，晶闸管12的这种开通会在第二开关模块124的第一和第二端子18、20之间产生临时短路，从而暂时防止主电容30上的电压进一步升高，因此，对在第二开关模块124中的开关元件26A、26B、26C、26D提供了有用程度的保护。
如图示10所示，进一步的保护装置700，不构成本发明的部分，但与每个第六和第七保护装置500；600都相似。
进一步的保护装置700同样包括第一晶闸管12，所使用的第一晶闸管12以全桥模块132的形式与第二开关设备122反向并联连接。然而，进一步的保护装置700还包括与第一晶闸管12反向并联连接的第二晶闸管712。
此外，进一步保护装置700的触发电路738还包括第三无源电流检测元件760，其形式为第三击穿二极管764，所使用的第三击穿二极管764在辅助电容44的正极端子62和第二晶闸管712的栅极控制端子740之间串联电连接。
第三击穿二极管764在相应的电流阻断和电流导通状态下具有类似的选择性操作，更具体地，当第三击穿二极管上的电压小于第二触发电压时，第三击穿二极管会在电流阻断状态下运行，并且当第三击穿二极管上的电压大于或等于第二触发电压时，第三击穿二极管会在电流导通状态下运行。
在使用中，考虑到第二开关模块124的全桥性质，主电容和辅助电容30、44的充电在上文所述的与第六保护装置500相同的第一和第二模式中进行。
在第一模式中，即当电流经由第二开关模块124的第一和第四反并联二极管36A、36D流过主电容30时，第二晶闸管712正向偏置，因此，当主电容30上的电压达到安全阈值电压V2时，触发电路738选择性地将每个辅助电容44和主电容30与第一晶闸管12的栅极控制端子40和第二晶闸管的栅极控制端子740两者串联连接，第二晶闸管712被简单地触发到导通中，并在第二开关模块124的第一和第二端子18、20上造成临时短路，其暂时防止主电容30上的电压进一步增加，从而为第二开关模块124中的开关元件26A、26B、26C、26D提供了有用程度的保护。
在第二种模式中，即当电流经由第二开关模块124的第三和第二反并联二极管36C、36B流经主电容30时，第一晶闸管12正向偏置，因此当主电容30上的电压达到安全阈值电压V2时，触发电路738选择性地将每个辅助电容44和主电容30与第一晶闸管12的栅极控制端子40和第二晶闸管的栅极控制端子740两者串联连接，第一晶闸管12被简单的触发到导通中，并在第二开关模块124的第一和第二端子18、20上造成临时短路，其暂时防止主电容30上的电压进一步增加，从而为第二开关模块124中的开关元件26A、26B、26C、26D提供了有用程度的保护。
如图11所示，根据本发明的第八和第九实施方式，进一步的保护装置800；900结合第二开关设备122(即全桥模块132)来说明。
每个第八和第九保护装置800；900都与上述保护装置10；100；200；300；400；500；600类似，类似的特征共享相同的参考数字。
然而，第八和第九保护装置800；900的不同之处在于，其相应的所使用的晶闸管12与全桥模块132相连。每个晶闸管12的主要载流端子14、16再次与全桥模块132反向并联连接，即要保护的第二开关设备122，但是当第八保护装置800中的晶闸管12的阴极端子14连接到全桥模块132的第一主要载流端子18，而其阳极端子16连接到位于第二开关元件26B和主电容30之间的第一中间端子802。类似地，第九保护装置900中的晶闸管12的阴极端子14再次连接到全桥模块132的第二主载流端子20，但其阳极端子16连接到位于第四开关元件26D和主电容30之间的第二中间端子902。
每个第八和第九保护装置800；900都包括触发电路38，该触发电路38与相应晶闸管12的栅极控制端子40可操作地连接，且当施加到相应晶闸管12上的反向电压(即全桥模块132中主电容30的电压)达到安全阈值电压V2时，触发电路配置为向所述对应的晶闸管12的栅极控制端子40施加电压。
每个触发电路38都包括辅助电容44(尽管可以使用其他形式的储能设备)，所使用的辅助电容44经由第一和第二串联连接的电阻元件46、48与主电容30并联连接。
每个触发电路38还包括第一无源电流检测元件52，其形式为第一击穿二极管58，以及第二无源电流检测元件60，其形式为第二击穿二极管64，如图1所示，两者都以与第一保护装置10相同的方式电连接(尽管图2、3、4和5中所示的变体可在第八和第九保护装置800；900的进一步实施方式中采用)。
所使用的每个第八和第九保护装置800；900都以基本上与上述第一保护装置10相同的方式工作。

Claims (15)

1.一种用于开关设备(22；122)的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)，该保护装置包括：
晶闸管(12)，其具有主要载流端子，所使用的主要载流端子与要保护的开关设备(22；122)反向并联连接，以便在开关设备(22；122)的正常运行期间，向晶闸管(12)施加反向电压；和
触发电路(38)，其与晶闸管(12)的栅极控制端子(40)可操作地连接，触发电路(38)被配置为当施加到晶闸管(12)的反向电压达到安全阈值电压(V2)时，向晶闸管(12)的栅极控制端子(40)施加电压，由此晶闸管(12)失效并在开关设备(22；122)的主要载流端子上呈现不可逆的短路。
2.根据权利要求1所述的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)，其中：
开关设备(22)采用用于电压源转换器的开关模块(24；124；324；424)的形式，此种开关模块(24；124；324；424)包括与主储能设备(28)并联连接的多个开关元件(26A、26B、26C、26D；326B；426A、426B)，并且可选择性地操作以提供电压源；
触发电路(38)包括辅助储能设备(42)；和
所使用的触发电路(38)被配置为在开关设备(22；122)的正常运行期间，选择性地将辅助储能设备(42)与主储能设备(28)并联连接，以及被配置为当施加到晶闸管(12)的反向电压达到安全阈值电压(V2)时，选择性地将辅助储能设备(42)与主储能设备(28)和晶闸管(12)的栅极控制端子(40)串联连接。
3.根据权利要求2所述的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)，其中触发电路(38)包括第一无源电流检测元件(52)，所述第一无源电流检测元件(52)在相应的电流阻断和电流导通状态下选择性地操作，所使用的第一无源电流检测元件(52)在主储能设备(28)的正极端子(54)和辅助储能设备(28)的负极端子(56)之间串联电连接。
4.根据权利要求3所述的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)，其中当第一无源电流检测元件(52)上的电压小于第一触发电压时，第一无源电流检测元件在其电流阻断状态下运行，以及当第一无源电流检测元件上电压大于或等于第一触发电压时，第一无源电流检测元件在其电流导通状态下运行。
5.根据权利要求4所述的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)，其中第一触发电压被选择为等于安全阈值电压(V2)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)，其中触发电路(38)包括第二无源电流检测元件(60)，所述第二无源电流检测元件(60)在相应的电流阻断和电流导通状态下选择性地操作，所使用的第二无源电流检测元件(60)在辅助储能设备(42)的正极端子(62)与晶闸管(12)的栅极控制端子(40)之间串联电连接。
7.根据权利要求6所述的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)，其中当第二无源电流检测元件(60)上的电压小于第二触发电压时，第二无源电流检测元件在其电流阻断状态下运行，以及当第二无源电流检测元件上电压大于或等于第二触发电压时，第二无源电流检测元件在其电流导通状态下运行。
8.根据权利要求7所述的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)，其中第二触发电压小于或等于第一触发电压。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)，其中至少一个无源电流检测元件(52，60)是以下之一：
-击穿二极管(58，64)；和
-火花放电器。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)，其中所使用的辅助储能设备(42)经由至少一个串联连接的电阻元件(46，48)与主储能设备(28)并联连接。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的保护装置(10；100；200；300；400)，其中开关模块(24；324；424)是半桥模块(32)，该半桥模块包括与主储能设备(28)并联连接的第一和第二串联连接的开关元件(26A，26B；326B；426A；426B)。
12.根据权利要求11所述的保护装置(10；100；200)，其中每个第一和第二串联连接的开关元件(26A，26B)都包括与二极管(36A，36B)反并联连接的绝缘栅双极晶体管(34)。
13.根据权利要求11所述的保护装置(300)，其中第一串联连接的开关元件(26A)包括与二极管(36A)反并联连接的绝缘栅双极晶体管(34)，并且第二串联连接的开关元件(326B)仅由绝缘栅双极晶体管(34)组成，可选地，其中保护装置(300)还包括开关电路(302)，所述开关电路(302)配置为在开关模块(324)的正常运行期间重复地开通晶闸管(12)。
14.根据权利要求11所述的保护装置(400)，其中每个第一和第二串联连接的开关元件(426A，426B)都包括MOSFET(402A，402B)。
15.一种用于电压源转换器的开关模块(24；124；324；424)，其包括至少一个根据前述任一项权利要求所述的保护装置(10；100；200；300；400；500；600；800；900)。
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