CN110677029A - 一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑，其中半桥功率模块的改进拓扑为在半桥功率模块的功率输出端口上并联了单向电子开关，电子开关的阳极接模块功率输出端口的高压端，电子开关的阴极接模块功率输出端口的低压端，电子开关的驱动门极与电子开关的阴极在内部或外部短接。半桥功率模块的另一种改进拓扑为在半桥功率模块的功率输出端口上并联了双向电子开关，电子开关的驱动门极与电子开关的阴极在内部或外部短接。全桥功率模块的改进拓扑为在全桥功率模块的功率输出端口上并联了双向电子开关，电子开关的驱动门极与电子开关的阴极在内部或外部短接。

Description

一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑

技术领域

本发明属于直流输电技术领域，具体涉及一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑。

背景技术

模块化多电平换流器通常会在功率模块的功率输出端口上并联机械式旁路开关，使得功率模块发生故障时，通过闭合机械式旁路开关，将功率模块旁路，从而维持桥臂的电流通路畅通。

当旁路开关发生拒动故障时或者功率模块因黑模块等故障无法发出闭合旁路开关的命令时，功率模块由于无法进入旁路状态，其直流电容器将被不断充电，导致功率模块因电容充电至过高电压而损毁甚至爆炸，使得桥臂电流通路断流，从而危及柔性直流输电换流阀的安全。

为此，需要在功率模块的保护方式以及功率模块的拓扑结构上进行相应改进，以使得功率模块发生旁路开关拒动或黑模块等故障时，桥臂电流通路仍能维持畅通。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑，使得功率模块发生旁路开关拒动以及黑模块故障时，仍能够维持桥臂电流通路的畅通。

为达到上述目的，本发明所述一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑，包括功率模块，所述功率模块的功率输出端口并联有电子开关和旁路开关，当功率模块端口电压低于电子开关动作电压时，电子开关不导通；当功率模块端口电压高于电子开关动作电压时，无需外部施加触发信号，电子开关自动因过压而导通。

进一步的，功率模块为全桥功率模块或半桥功率模块。

进一步的，电子开关为双向电子开关或单向电子开关。

进一步的，单向电子开关的阳极接模块功率输出端口的高压端，电子开关的阴极接模块功率输出端口的低压端。

进一步的，电子开关为两个反向并联联接的单向电子开关。

进一步的，电子开关的门极引线与电子开关的阴极短接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

功率模块因黑模块或旁路开关拒动等故障而发生过电压时，电子开关可以自动因为过电压而击穿并在击穿后维持短路状态，从而维持模块化多电平换流器桥臂电流的连续，避免桥臂电流发生断流，从而避免因为单个功率模块的故障而导致模块化多电平换流器的桥臂整体闭锁。

功率模块的功率输出端口并联单向电子开关时，既对功率模块提供过压保护，又避免过多增加成本。

进一步的，当功率模块的功率输出端口并联双向电子开关或者反向并联两个电子开关，使得在电子开关过压击穿时，电子开关始终处于正向击穿状态。

进一步的，将电子开关的门极与阴极在外部或内部短接，可以有效地防止电子开关发生误导通。

附图说明

图1模块输出端口并联双向电子开关的全桥功率模块拓扑；

图2模块输出端口并联双向电子开关的半桥功率模块拓扑；

图3模块输出端口并联单向电子开关的全桥功率模块拓扑；

图4模块输出端口并联单向电子开关的半桥功率模块拓扑；

附图中：1－功率模块的功率输出端口，2－双向电子开关，3－全桥功率模块，4－半桥功率模块，5－单向电子开关，6－旁路开关。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对功率模块被动过压保护方法及改进拓扑进一步详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

功率模块被动过压保护拓扑为：在功率模块的功率输出端口并联电子开关，当功率模块发生旁路开关拒动或黑模块故障时，功率模块的直流电容将被充电。当功率模块的电容电压充至电子开关的耐压时，功率模块端口并联的电子开关将因过电压击穿，使得电子开关短路，从而使得桥臂电流链路维持畅通；旁路开关6为机械是旁路开关。

电子开关在端口电压低于其动作电压时处于截止状态，在端口电压高于其动作电压时，将因过电压而自动击穿，呈现短路状态。

电子开关在功率模块端口电压低于电子开关动作电压时，电子开关不导通，功率模块端口电压高于电子开关动作电压时，无需外部施加触发信号，电子开关即可自动因过压而导通。

实施例1

参照图1，一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑其原理为在功率模块的功率输出端口1并联双向电子开关2。当旁路开关6发生拒动，或者功率模块3发生黑模块状态时，桥臂电流将给功率模块的电容C充电，当电容电压高于双向电子开关2的耐压时，双向电子开关2将被击穿，击穿后的双向电子开关2呈现短路状态，从而为桥臂电流的连续提供了路径，从而使得桥臂电流链路维持畅通。由于该保护过程中无需主动地对模块电容电压进行监测或者给并联的电子开关施加触发脉冲，为此称该功率模块过压保护方法为功率模块被动过压保护方法，其具有高度的可靠性。

双向电子开关2在功率模块的功率输出端口1电压低于其动作电压时处于截止状态，在功率模块的功率输出端口1电压高于其动作电压时，将因过电压而自动击穿，呈现短路状态。

双向电子开关2在功率模块的功率输出端口1电压低于电子开关动作电压时，双向电子开关2不导通，功率模块的功率输出端口1电压高于双向电子开关2动作电压时，无需外部施加触发信号，电子开关即可自动因过压而导通。

实施例2

实施例2与实施例1类似，区别在于实施例2给出的是半桥功率模块的过压保护拓扑，其特征为在半桥功率模块4的功率输出端口并联双向电子开关2。

优选的，实施例1及实施例2中，将双向电子开关2替换成两个反向并联的电子开关，两个反并联电子开关的优势在于可以利用现有技术成熟的晶闸管反并联联接构成两个方向并联的电子开关。

实施例3

参照图3，图3特征为在全桥功率模块3的功率输出端口1并联单向电子开关5，电子开关的阳极接模块功率输出端口1的高压端，电子开关的阴极接模块功率输出端口的低压端。

实施例4

实施例4为半桥功率模块提供过压保护的拓扑，在半桥功率模块的功率输出端1并联单向电子开关5，电子开关5的阳极接模块功率输出端口1的高压端，电子开关的阴极接模块功率输出端口1的低压端。

实施例1至实施例4中，电子开关(指双向电子开关2和单向电子开关5)的门极在外部与电子开关的阴极短接，或者在内部与电子开关的阴极短接，从而防止电子开关误导通。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑，其特征在于，包括功率模块，所述功率模块的功率输出端口并联有电子开关和旁路开关(6)，当功率模块端口电压低于电子开关动作电压时，电子开关不导通；当功率模块端口电压高于电子开关动作电压时，无需外部施加触发信号，电子开关自动因过压而导通。

2.根据权利要求1所述的一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑，其特征在于，所述功率模块为全桥功率模块(3)或半桥功率模块(4)。

3.根据权利要求1所述的一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑，其特征在于，所述电子开关为双向电子开关(2)或单向电子开关(5)。

4.根据权利要求3所述的一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑，其特征在于，所述单向电子开关(5)的阳极接模块功率输出端口的高压端，电子开关的阴极接模块功率输出端口的低压端。

5.根据权利要求1所述的一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑，其特征在于，所述电子开关为两个反向并联联接的单向电子开关。

6.根据权利要求1所述的一种带被动过压保护模块化多电平换流器功率模块拓扑，其特征在于，所述电子开关的门极引线与电子开关的阴极短接。

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