CN110999054A - 用于变流器的功率模块和多电平变流器 - Google Patents

用于变流器的功率模块和多电平变流器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于变流器(1)，特别是用于多电平变流器的功率模块(3)。功率模块(3)包括中间电路电容器(30)、两个连接端子(32，33)、与中间电路电容器(30)并联连接的、具有两个半导体开关(36，37)的至少一个半桥(34)，以及针对每个半桥(34)与半桥(34)的第一半导体开关(36)并联连接的旁路二极管(42)和与第一半导体开关(36)并联连接的放电电路组(40)，放电电路组具有放电晶闸管(44)和与放电晶闸管(44)串联连接的放电二极管(46)。

Description

用于变流器的功率模块和多电平变流器
技术领域
本发明涉及一种用于变流器的功率模块和一种多电平变流器。
背景技术
将所提到的多电平变流器理解为如下的变流器，其产生输出电压，输出电压(针对变流器的每个相位)分别可以呈现至少三个电压值。与传统的两电平变流器相比，多电平变流器的优点在于例如产生了低谐波的输出电压。模块化的多电平变流器具有串联连接的多个功率模块，其也被称为子模块。模块化的多电平变流器的功率模块必须针对不同的故障情况进行设计。如果例如在功率模块层级出现故障情况，功率模块由于该故障不再能够工作，则必须能够从串联电路中拆下该功率模块。此外，例如由于短路而可能会导致故障，该故障会涉及整个变流器，并且因此涉及所有的功率模块。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种用于变流器，特别是用于模块化的多电平变流器的功率模块，其具有针对故障情况改善的设计。
根据本发明，该技术问题通过权利要求1的特征解决。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的内容。
根据本发明的用于变流器、特别是用于多电平变流器的功率模块包括中间电路电容器、两个连接端子，与该中间电路电容器并联连接的、具有两个半导体开关的至少一个半桥，以及针对每个半桥与半桥的第一半导体开关并联连接的旁路二极管和与第一半导体开关并联连接的放电电路组，该放电电路组具有放电晶闸管和与放电晶闸管串联连接的放电二极管。
放电电路组与每个半桥的半导体开关的并联电路有利地可以在故障情况下实现沿第一电流方向桥接相应的半桥。在此，在故障情况下，放电二极管可以拦截放电晶闸管不能承受的快速电压变化。旁路二极管有利地可以拦截未被放电电路组拦截的沿第二电流方向的故障电流。
本发明的设计方案规定，功率模块恰好具有一个与中间电路电容器并联连接的半桥，第一半导体开关在输入侧和输出侧分别直接与连接端子电连接，并且放电电路组具有与放电晶闸管并联连接的平滑电容器。
本发明的这种设计方案涉及一种功率模块，该功率模块仅具有一个带有两个半导体开关的半桥。与放电晶闸管并联连接的平滑电容器在功率模块的正常运行期间进行充电，并且由于放电二极管的阻挡层电流(Sperrschichtstrom)仅再次相对缓慢地进行放电，从而在放电二极管处发生快速的电压变化并且使放电晶闸管放电。
本发明的另外的设计方案规定，放电二极管的阳极和旁路二极管的阴极直接与半桥的中心抽头电连接，并且放电二极管的阴极直接与放电晶闸管的阳极电连接。此外，放电二极管的阴极可以经由连接电阻器电连接到中间电路电容器的与第二半导体开关连接的电极。
本发明的另外的设计方案规定，每个半导体开关具有绝缘栅双极型晶体管(IGBT＝Insulated-Gate Bipolar Transistor)和与其反向并联连接的续流二极管。由于IGBT的高的电压和电流限制，IGBT有利地适于作为半导体开关。旁路二极管能够引起与其并联连接的续流二极管的运行放电。
本发明的另外的设计方案规定，放电二极管是盘形单元二极管(Scheibenzellendiode)，和/或旁路二极管是盘形单元二极管，和/或放电晶闸管是盘形单元晶闸管(Scheibenzellenthyristor)。有利地，盘形单元结构元件、例如盘形单元二极管和盘形单元晶闸管能够在故障情况下实现借助合金化(Durchlegieren)特别安全地过渡到短路，从而在故障情况下安全地桥接变流器的功率模块。
根据本发明的模块化的多电平变流器具有根据本发明的多个功率模块。这种多电平变流器的优点由根据本发明的功率模块的上述优点产生。
附图说明
结合下面对结合附图详细解释的实施例的描述来更清楚且明晰地理解上述本发明的特性、特征和优点以及实现它们的方式。附图中：
图1示出了变流器的实施例的电路图，
图2示出了用于变流器的功率模块的第一实施例的电路图，和
图3示出了用于变流器的功率模块的第二实施例的电路图。
在附图中，彼此相应的部分具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了变流器1的实施例的电路图。变流器1被设计为三相模块化的多电平变流器，其具有多个功率模块3。变流器1具有第一交流电压连接端5、第二交流电压连接端6和第三交流电压连接端7。
第一交流电压连接端5与第一相模块支路9和第二相模块支路10电连接。第一相模块支路9和第二相模块支路10构成变流器1的第一相模块19。第一相模块支路9的背向第一交流电压连接端5的端部与第一直流电压连接端16电连接。第二相模块支路10的背向第一交流电压连接端5的端部与第二直流电压连接端17电连接。第一直流电压连接端16是正直流电压连接端。第二直流电压连接端17是负直流电压连接端。
第二交流电压连接端6与第三相模块支路11的端部并且与第四相模块支路12的端部电连接。第三相模块支路11和第四相模块支路12构成第二相模块20
第三交流电压连接端7与第五相模块支路13的端部并且与第六相模块支路14的端部电连接。第五相模块支路13和第六相模块支路14构成第三相模块21。
第三相模块支路11的背向第二交流电压连接端6的端部和第五相模块支路13的背向第三交流电压连接端7的端部与第一直流电压连接端16电连接。
第四相模块支路12的背向第二交流电压连接端6的端部和第六相模块支路14的背向第三交流电压连接端7的端部与第二直流电压连接端17电连接。
每个相模块支路9至14具有电气串联连接的多个功率模块3。在图1的实施例中，每个相模块支路9至14具有三个功率模块3。变流器1的其他的实施例可以具有不同数量的电气串联连接的功率模块3；至少两个功率模块3串联连接，但是例如也可以是50或100个功率模块3电气串联连接。
图2示出了用于变流器1的功率模块3的第一实施例的电路图。功率模块3包括中间电路电容器30、两个连接端子32、33、与中间电路电容器30并联连接的、具有第一半导体开关36和第二半导体开关37的半桥34、与第一半导体开关36并联连接的放电电路组40，以及与第一半导体开关36和放电电路组40并联连接的旁路二极管42。第一半导体开关36在输入侧和输出侧分别直接与连接端子32、33电连接。
放电电路组40具有放电晶闸管44、与放电晶闸管44串联连接的放电二极管46和与放电晶闸管44并联连接的平滑电容器48。
放电二极管46的阳极和旁路二极管42的阴极直接与半桥34的中心抽头和第一连接端子32电连接。放电二极管46的阴极直接与放电晶闸管44的阳极电连接。旁路二极管42的阳极和放电晶闸管44的阴极直接与第二连接端子33电连接。
图3示出了用于变流器1的功率模块3的第二实施例的电路图。功率模块3包括中间电路电容器30、两个连接端子32、33、连接电阻器54、与中间电路电容器30并联连接的、具有第一半导体开关36和第二半导体开关37的半桥34、与第一半导体开关36并联连接的放电电路组40，以及与第一半导体开关36和放电电路组40并联连接的旁路二极管42。
第一半导体开关36在输入侧和输出侧分别直接与连接端子32、33电连接。中间电路电容器30的第一电极30.1直接与第一半导体开关36电连接。中间电路电容器30的第二电极30.2直接与第二半导体开关37电连接。
放电电路组40具有放电晶闸管44、与放电晶闸管44串联连接的放电二极管46和与放电晶闸管44并联连接的平滑电容器48。
放电二极管46的阳极和旁路二极管42的阴极直接与半桥34的中心抽头以及与第一连接端子32电连接。放电二极管46的阴极直接与放电晶闸管44的阳极电连接，并且通过连接电阻器54与中间电路电容器30的第二电极30.2电连接。旁路二极管42的阳极和放电晶闸管44的阴极直接与第二连接端子33和中间电路电容器30的第一电极30.1电连接。
在图2和3中所示的实施例中，半导体开关36、37具有绝缘栅双极型晶体管50(IGBT)和与其反向并联连接的续流二极管52，其中每个IGBT被实施为n沟道IGBT，并且第一半导体开关36的IGBT的集电极和半桥34的第二半导体开关37的IGBT的发射极分别面向半桥34的中心抽头。然而替换地，也可以不同地设计半导体开关36、37。例如，放电二极管46和旁路二极管42分别可以被设计为盘形单元二极管。放电晶闸管44例如可以被设计为盘形单元晶闸管。
在图2和3中所示的两个实施例中，放电电路组40用于在故障情况下将连接端子32、33短路，以便从变流器1的相应的电流路径中拆下功率模块3。在故障情况下，电流从第一连接端子32经由放电二极管46和放电晶闸管44流向第二连接端子33，或者在相反的电流方向中，从第二连接端子33经由旁路二极管42流向第一连接端子32。平滑电容器48保护放电晶闸管44免受快速电压变化的影响。此外，在故障情况下，放电二极管46还拦截放电晶闸管44不能承受的快速电压变化。在正常运行中，旁路二极管42可以支持第一半导体开关36的续流二极管52。
尽管已经通过优选的实施例在细节上对本发明进行了详细阐述和描述，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以从中导出其他变形方案而不脱离本发明的保护范围。
附图标记列表
1 变流器
3 功率模块
5至7 交流电压连接端
9至14 相模块支路
16、17 直流电压连接端
19至21 相模块
30 中间电路电容器
30.1、30.2 电极
32、33 连接端子
34 半桥
36、37 半导体开关
40 放电电路组
42 旁路二极管
44 放电晶闸管
46 放电二极管
48 平滑电容器
50 IGBT
52 续流二极管
54 连接电阻器
56 放电电容器

Claims (9)

1.一种用于变流器(1)，特别是用于多电平变流器的功率模块(3)，所述功率模块包括
-中间电路电容器(30)，
-两个连接端子(32，33)，
-与所述中间电路电容器(30)并联连接的、具有两个半导体开关(36，37)的至少一个半桥(34)，以及
-针对每个半桥(34)与半桥(34)的第一半导体开关(36)并联连接的旁路二极管(42)和与所述第一半导体开关(36)并联连接的放电电路组(40)，所述放电电路组具有放电晶闸管(44)和与所述放电晶闸管(44)串联连接的放电二极管(46)。
2.根据权利要求1所述的功率模块(3)，其特征在于，所述功率模块(3)恰好具有一个与所述中间电路电容器(30)并联连接的半桥(34)，所述第一半导体开关(36)在输入侧和输出侧分别直接与连接端子(32，33)电连接，并且所述放电电路组(40)具有与所述放电晶闸管(44)并联连接的平滑电容器(48)。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块(3)，其特征在于，所述旁路二极管(42)是盘形单元二极管。
4.根据上述权利要求中任一项所述的功率模块(3)，其特征在于，所述放电二极管(46)的阳极和所述旁路二极管(42)的阴极直接与所述半桥(34)的中心抽头电连接，并且所述放电二极管(46)的阴极直接与所述放电晶闸管(44)的阳极电连接。
5.根据上述权利要求中任一项所述的功率模块(3)，其特征在于，所述放电二极管(46)的阴极经由连接电阻器(54)电连接到所述中间电路电容器(30)的与第二半导体开关(37)连接的电极(30.2)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的功率模块(3)，其特征在于，每个半导体开关(36，37)具有绝缘栅双极型晶体管(50)和与其反向并联连接的续流二极管(52)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的功率模块(3)，其特征在于，所述放电二极管(46)是盘形单元二极管。
8.根据上述权利要求中任一项所述的功率模块(3)，其特征在于，所述放电晶闸管(44)是盘形单元晶闸管。
9.一种模块化的多电平变流器(1)，其具有分别根据上述权利要求中任一项进行设计的多个功率模块(3)。
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