CN115699548A - 包括具有电阻元件的撬棒支路的单元 - Google Patents
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Abstract
一种用于电压源转换器的单元(12)，包括：第一单元连接端子(CC1)；第二单元连接端子(CC2)；两个开关(T1，T2)的第一串联连接，该两个开关的第一串联连接的中点形成第一单元连接端子(CC1)；能量存储支路(ESB)，包括电容器(CC)；以及撬棒支路，与能量存储支路(ESB)并联连接，撬棒支路包括适于基于短路故障的检测被激活以短路能量存储支路(ESB)的电容器(Cc)的第一开关元件(SCB1)、以及与第一开关元件串联连接并且被设置为改善撬棒支路中的阻尼的电阻元件(RD)。
Description
技术领域
本申请涉及功率转换器领域，特别是电压源转换器(VSC)。更特别地，本申请涉及一种可以用于模块化多电平转换器(MMC)的单元。
背景技术
诸如MMC的VSC包括开关。这些开关可以布置在所谓的半桥或全桥单元中，其中单元可以包括通过DC母线连接到电容器的串联连接的两个开关。使用半导体作为开关，特别是如IGBT(绝缘栅双极晶体管)的晶体管。MMC由于其增强的模块化、可扩展性和出色的谐波性能以及减小的损耗而成为并网转换器的热门选择。
MMC单元中故障半导体模块(例如，IGBT模块)可能造成大规模损坏的高风险。在许多情况下，如果半桥或全桥电路中的IGBT故障，则相邻的IGBT可能会清除来自(多个)DC电容器的所产生的故障电流。然而，存在可能无法防止这种故障电流的情况。
由于IGBT和DC电容器之间的杂散电感可能故意非常低(以便实现可接受的转换器性能/IGBT集电极-发射极端子处的低瞬态过电压/低IGBT开关损耗)，并且单元DC电容器中存储的能量可能高，因此预期故障电流可能高，诸如在几百kA的范围内。
对于MMC，通常需要大单元电容器来缓冲实际/无功功率传输产生的纹波能量。在半导体的短路故障期间，单元电容器能量可能通过半导体放电，从而导致单元的爆炸/严重损坏。
在没有任何对策的情况下，IGBT模块内的接合线(该线将半导体芯片连接到金属触点)将立即失效，从而导致电弧。这个电弧将由存储在DC电容器中的高能量馈送。这导致IGBT模块的爆炸，结果是巨大的破坏。随着存储在DC电容器中的能量增加，处理这个问题的难度也增加。
解决这个问题的一种方法是使用所谓的DC撬棒(crowbar)将大部分单元电容器能量释放到撬棒元件(诸如晶闸管)中，以限制能量释放到半导体开关中。然而，在这种情况下，故障电流可能太大，以至于撬棒无法处理。
鉴于以上提及的内容，需要改进在包括DC撬棒的单元中处理短路电流的方法。
因此，需要一种改进的撬棒。
发明内容
在第一方面中，本发明可以公开一种用于电压源转换器的单元，其中该单元包括：第一单元连接端子；第二单元连接端子；两个开关的第一串联连接，该两个开关的第一串联连接的中点形成第一单元连接端子；能量存储支路，包括电容器；以及撬棒支路，与能量存储支路并联连接，其中撬棒支路包括适于基于短路故障的检测被激活以短路能量存储支路的电容器的第一开关元件、以及与第一开关元件串联连接并且被设置为改善撬棒支路中的阻尼的电阻元件。
另外，电阻元件被配置成在短持续时间内耗散电容器的能量，诸如在从第一开关元件的激活开始的10至200μs内。如果电容器的电容为C并且电容器两端的电压为V，则电阻元件可能在从第一开关元件的激活开始的10至200μs内耗散0.5*C*V2的能量。
该单元可以附加地包括连接在单元连接端子之间的旁路开关，该旁路开关可以是机械的或电子的。
在一种实现方式中，元件是具有非线性电阻的元件，诸如电涌放电器。电涌放电器可以附加地具有低于电容器的额定电压的箝位电压。电阻元件的箝位电压可以在比电容器的额定电压低10至20倍的范围内。换句话说，电容器的额定电压可以在比电阻元件的箝位电压高10到20倍的范围内。
作为替代，电阻元件可以是具有线性电阻R的元件。
电阻R可以被设置为期望阻尼ζ乘以常数的值，该常数取决于单元的电感L和单元电容C。该常数可以更特别地取决于形成为由单元电容除以单元电感的表达式的平方根。更特别地，该常数可以被设置为2除以表达式的平方根。
线性电阻可以使用阀瓣电阻器来实现。
作为替代性方案，可以使用沿着纵向轴线伸展的撬棒支路的导体片来实现线性电阻，其中，导体片包括沿着纵向轴线在相对侧上交替形成的凹陷，以形成具有在其边缘处互连并且被凹槽分离的杆的曲折结构。
导体片可以附加地包括第一区段和第二区段，其中一个区段放置在另一区段的顶部上，并且这些区段的相对侧上设置有凹陷。这两个区段可以附加地由绝缘体分离。这两个区段可以沿着纵向轴线延伸。电流可以通过区段中的一个进入该结构，并通过另一区段离开该结构。电流可以在第一端处进入和离开该结构，其中区段彼此绝缘，并且这两个区段可以在相对端处彼此电连接，以创建返回路径。可以选择凹槽的数量以获得期望的电阻。
以上提及的导体片可以由常规的导体材料(诸如铝)形成。作为替代性方案，导体区段可以由高电阻材料(诸如镍铬合金)形成。
附加地，导体片可以是用于机械夹持第一开关元件的夹持元件的一部分。第一开关元件可以例如被机械地夹持在两个夹持元件之间。在这种情况下，曲折结构可以从夹持元件的夹持主体伸出。附加地，另一夹持元件也可以由高电阻材料制成。
撬棒支路可以是分离式撬棒支路。出于这个原因，撬棒支路还可以包括第二开关元件，其中，第一开关元件被放置在撬棒支路的上部部分中，并且第二开关元件被放置在撬棒支路的下部部分中。上部部分和具有开关元件的相邻部分之间的接合部连接到两个开关的第一串联连接的中点，并且电阻元件可以连接在撬棒支路的上部或下部部分中。
单元可以是半桥单元，其中，两个开关的第一串联连接的中点形成第一单元连接端子，并且两个开关的第一串联连接的第一端或者开关的第一串联连接的第二端形成第二单元连接端子。
在半桥单元中的分离式撬棒支路的情况下，具有开关元件的相邻部分可以是具有第二开关元件的下部部分。在开关的第一串联连接的第二端形成第二单元连接端子的情况下，电阻元件也连接在撬棒支路的上部部分中，并且在两个开关的第一串联连接的第一端形成第二单元连接端子的情况下，电阻元件连接在撬棒支路的下部部分中。
作为替代性方案，单元可以是全桥单元，该全桥单元还包括与能量存储支路并联连接的两个开关的第二串联连接。在这种情况下，两个开关的第一串联连接的中点形成第一单元连接端子，并且两个开关的第二串联连接的中点形成第二单元连接端子。
在全桥单元中的分离式撬棒支路的情况下，撬棒支路可以包括连接在上部和下部部分之间的中间部分中的第三开关元件。在这种情况下，具有开关元件的相邻部分是具有第三开关元件的中间部分。在这种情况下，中间部分和下部部分之间的连接部也可以连接到两个开关的第二串联连接的中点。
其它方面涉及包括单元的模块化多电平转换器，其中，至少一个单元是这种单元的组件。
附图说明
本公开的实施例将以示例的含义呈现，并且将在下文参照附图更详细说明它们的优点，其中：
图1示出了包括单元的模块化多电平转换器的第一变体；
图2示出了包括具有阻尼电阻的撬棒支路的第一变体的半桥单元；
图3示出了包括具有阻尼电阻的撬棒支路的第一变体的全桥单元；
图4示意性地示出了单元中发生的故障；
图5示出了在谐振的正半周期期间没有阻尼电阻的单元中的故障电流；
图6示出了在谐振的负半周期期间单元中的故障电流；
图7示出了具有第一撬棒支路实现方式的半桥单元，其中阻尼电阻通过非线性电阻元件实现；
图8示出了描绘非线性电阻元件的非线性电阻特性的曲线；
图9示出了具有第一撬棒支路变体的半桥单元，其中阻尼电阻被实现为线性电阻；
图10示出了线性阻尼电阻的第一实现方式；
图11示出了线性阻尼电阻的第二实现方式；
图12示出了包括具有阻尼电阻的撬棒支路的第二变体的半桥单元实现方式；
图13示出了包括具有阻尼电阻的撬棒支路的第三变体的全桥单元实现方式；
图14示意性地示出了包括单元的模块化多电平转换器的第二变体；以及
图15示意性地示出了包括单元的模块化多电平转换器的第三变体。
具体实施方式
在下文中，将参考说明性实施例描述本公开的构思和精神。应当理解的是，所有这些实施例仅仅是为了本领域技术人员更好地理解和进一步实践本公开而给出，而不是为了限制本公开的范围。例如，作为实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。为了清楚起见，在本说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。当然，应当理解的是，在任何这种实际实施例的开发中，应当做出许多实施方式特有的决定，以实现开发者的具体目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束，这将随着实施方式不同而不同。此外，应当理解的是，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于具有本公开的益处的本领域普通技术人员来说，这仍然是常规任务。
现在将参考附图描述所公开的主题。仅出于说明目的，在附图中示意性地描绘了各种结构、系统和设备，以便不会利用本领域技术人员所熟知的细节模糊描述。然而，包括附图用来描述和说明所公开主题的说明性示例。本文使用的词语和短语应该被理解和解释为具有与相关领域技术人员对这些词语和短语的理解相一致的含义。术语或短语的特殊定义，即不同于本领域技术人员所理解的普通和习惯含义的定义，并不旨在通过该术语或短语在本文中的一致使用来暗示。在某种程度上，术语或短语旨在具有特定含义，即，不同于熟练技术人员所理解的含义，这种特定含义将以直接且明确地为术语或短语提供特殊定义的方式在说明书中明确阐述。
本主题提供了一种旨在抑制通过单元的撬棒支路的短路电流的解决方案，其可以在撬棒支路被激活以放电并旁路单元电容器时防止爆炸。
图1示出了包括单元的转换器10，其中可以实施以上提及的峰值短路电流限制。
转换器10是电压源转换器(VSC)，并且可以被实现为模块化多电平转换器(MMC)。在图1示出的示例中，转换器10是MMC。在这种情况下，MMC由多个并联的相臂构成，这里是三个，其中每个相臂包括多个级联的单元12。相臂的中点则可以形成转换器10的AC输出。由于存在三个相臂，转换器可以连接到三相AC系统。单元12又可以是全桥单元或半桥单元。因此，单元包括能量存储元件和开关，其被配置为将具有最大两个不同极性中的一个的能量存储元件插置于相臂中，或者旁路该能量存储元件。能量存储元件可以有利地是电容器。因此，每个单元也具有单元电压。因此，该单元电压被插置到相臂中或被旁路，以便形成波形。
所示的转换器10仅仅是其中可以使用单元的MMC的示例。相臂也可以是Y形或三角形连接，其中两个相臂之间的接合部连接到三相AC系统的相应相。
在转换器10的一种变体中，每个相臂由全桥单元构成。在另一个变体中，每个相臂由半桥单元构成。在其它变体中，每个相臂可以由全桥和半桥单元的混合构成。
本发明的各方面旨在提供一种包括具有用于抑制故障电流的电阻的元件的撬棒支路。
图2示意性地示出了具有半桥实现方式的单元12。该单元可以用作MMC的半桥单元。
单元12包括能量存储支路ESB，该能量存储支路ESB包括电容器CC并具有第一端和第二端。单元12还包括两个开关T1和T2的第一串联连接(串联电路)，其中两个开关的第一串联连接与能量存储支路ESB并联连接。在本示例中，能量存储支路ESB还包括与电容器CC串联连接的电感LC，该电感是能量存储支路ESB的杂散电感。
两个开关T1和T2的第一串联电路(串联连接)的第一端经由具有母线电感LB的母线连接到能量存储支路ESB的第一端。
可以在半导体封装或模块中，可能与能量存储支路ESB一起设置两个开关T1和T2的串联连接，诸如半桥模块，例如以基于压装或接合线的模块的形式，如所谓的LinPak或Hipak模块。在这种情况下，用于连接到能量存储支路的两个开关的串联电路的端子可以设置在半导体封装或模块内部。
图2中的单元被实现为半桥，其包括处于串联连接的两个开关T1和T2。通常，开关可以包括半导体，如晶体管和反并联二极管。因此，串联电路中使用的开关可以包括半导体。半导体可以例如是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或双模式绝缘栅晶体管(BIGT)。半导体的种类不受限制，并且也可以包括适合于满足根据本申请的功率转换器或单元的需求的未来半导体。
二极管被切换到与晶体管的导通方向反并联。二极管可以是晶体管(功率晶体管)的一体部分。
晶体管只允许一个方向上的电流流动，在这种情况下是从集电极到发射极。作为半导体的二极管允许在与晶体管T1和T2允许的方向相反的方向上的电流流动。优选地，二极管(续流二极管)适于承载与晶体管相同的功率(或电流)。
两个开关T1和T2的第一串联电路的开关之间的中点形成第一单元连接端子CC1。在图2中的半桥单元结构中，两个开关T1和T2的第一串联电路的第二端形成第二单元连接端子CC2。作为替代性方案，两个开关T1和T2的第一串联电路的第一端可以替代性地形成第二单元连接端子CC2。
开关T1和T2通过施加能够改变开关状态的电压的相应栅极驱动器GD或栅极控制单元来激活。
该单元还附加地包括与能量存储支路ESB并联连接的撬棒支路CBB。如从图2中可以看出的那样，撬棒支路包括充当DC撬棒的第一开关元件SCB1，其与电感LT串联连接，该电感是撬棒支路的杂散电感。撬棒支路附加地包括与第一开关元件SC1串联连接并且被设置为改善撬棒支路中的阻尼的电阻元件RD。所示的撬棒支路是实心撬棒支路，其仅包括用于与能量存储支路并联连接的两个连接点。如稍后将示出的那样，存在其它类型的撬棒支路。撬棒SCB1适于被外部激励以基于短路故障的检测短路能量存储支路ESB，并且然后特别地短路电容器CC。形成撬棒的开关元件SCB1可以是半导体(优选地是晶闸管)，其可以由开关信号激活，从而短路电容器CC。
如图2中可以看到的那样，单元14还包括旁路开关BPS。旁路开关BPS连接在两个单元连接端子CC1和CC2之间。旁路开关BPS可以被实现为机械开关。然而，它也可以被实现为电子开关，诸如晶闸管。可以控制旁路开关BPS，以便在使用撬棒以使电容器放电之后旁路整个单元。通过添加旁路开关BPS，可以继续使用其中设置了该单元的转换器。在此应该理解，旁路开关是可选的，并且在许多情况下其可以被省略。
图3示意性地示出了具有全桥实现方式的单元12。该单元可以用作MMC的全桥单元。与之前示出的半桥单元的不同之处在于，存在与能量存储支路ESB并联连接的两个开关T3和T4的第二串联连接。在这种情况下，两个开关的第一串联连接的第一端经由具有母线电感LBA的第一母线连接到能量存储支路ESB的第一端，而两个开关T3和T4的第二串联电路(串联连接)的第一端经由具有母线电感LBB的第二母线连接到能量存储支路ESB的第一端。在这种情况下，两个开关T1和T2的第一串联连接的中点形成第一单元连接端子CC1，并且两个开关T3和T4的第二串联连接的中点形成第二单元连接端子CC2。
撬棒被提供用于在单元故障时短路单元电容器。现在将参考图4更详细地描述可能有问题的故障，其中已经省略了可选的旁路开关以及撬棒支路。在这种情况下，第二开关故障，并处于持续导通状态(短路模式)。
如果第二开关T2在短路模式下故障，即集电极和发射极彼此持续电接触，则第一开关T1的导通将导致单元电容器CC短路并放电。短路电流将通过两个开关T1和T2。这反过来触发撬棒SCR1(未示出)的激活。短路电流是谐振的，并且因此具有第一正半周期和第二负半周期，并且保持交替直到单元电容器放电。
图5中示出了旁路支路中没有阻尼电阻元件并且母线电感被划分成两个部分LBT和LBD的单元的第一正半周期中的电流，其中撬棒支路的开关元件也被示为电阻RT，并且两个开关T1和T2被示为电流源IT1+T2。图6中示出了第二负半周期中的电流，其中现在它通过开关T1和T2的反并联二极管，并且因此这对开关由这些二极管的电阻RD表示。
在谐振的正半周期期间，通过开关T1和T2对的电流被箝位到晶体管T1和/或T2的去饱和电流IT1+T2，直到它们可能失效。撬棒支路的第一开关元件SCB1可能进入采用峰值电容器放电电流的短路故障模式(SCFM)。在谐振的负半周期间，由于由电容器放电引起的大峰值电流，存储在撬棒支路的电感LT和将撬棒支路连接到能量存储支路的母线电感LBT的部分中的能量将通过开关T1和T2的二极管推动大的反向电流。这种效应是显著的，因为撬棒支路中的电感LT(由于箝位电路)大于能量存储支路中的电感LC。如果在谐振的负半周流过二极管的电流较高，可能会发生电弧和爆炸。
当晶体管T1导通时，它因此进入去饱和状态，并且不会立即失效。在晶体管导通后不久，撬棒支路的开关元件被触发。撬棒支路的开关元件中的电流达到高峰值。电容器电压在谐振的负半周期间被反转。电容器上的负电压导致通过晶体管的二极管的高电流。如此大的电流导致单元的电弧和爆炸。在晶体管是IGBT的情况下，当二极管电流变高时，IGBT栅极氧化物层也可能故障而短路，即，由于附近的IGBT芯片的严重发热。
在下式中，谐振电路的阻尼ζ取决于电容CC、形成为LT、LBT和LC之和的回路电感L、以及撬棒支路的电阻R：
这种阻尼通常太低，并且因此需要改进。本发明的各方面涉及通过增加撬棒支路中的电阻来增加这种阻尼。
附加地，所引入的电阻需要能够在短持续时间内处理单元电容器的能量，诸如在撬棒的激活后的10到200微秒内。
本发明的各方面涉及改善这种阻尼。
本发明的第一方面通过在撬棒支路中使用第一类型的电阻元件来解决上述问题，该第一元件具有非线性电阻。第一类型的电阻元件RDA可以在图7中看到，其中该单元还包括旁路开关BPS。元件RDA可以是电涌放电器，其在DC撬棒SCB1被触发时具有引入额外非线性电阻的效果。这个非线性电阻具有将自身两端的电压箝位到箝位电压的效果。由于在正常运行期间撬棒元件SCB1阻止了DC电压，因此放电器可以具有比单元电容器更低的额定电压。它也可以处理高能量水平。因此，箝位电压低于电容器CC的额定电压，并且有利地在比电容器CC的额定电压低十至二十倍的范围内。换句话说，电容器CC的额定电压通常是电涌放电器RDA的箝位电压的十到二十倍。电涌放电器的尺寸被确定为能够在短持续时间内耗散电容器CC的能量。如果箝位电压为Vclamp，单元电容为C，并且电容器CC上的电压为V，则V＝n*Vclamp，其中10≤n≤20，并且电涌放电器可能需要能够在从撬棒SCB1的激活开始的10至200μs内耗散0.5*C*V2的能量。
图8示出了描绘非线性电阻元件的非线性电阻特性(通常称为电压电流特性)的曲线。电压电流特性本质上可以遵循以下公式：
作为示例，参考电流Iref＝1kA，并且参考电压Vref＝270V，其中
| 段1 | 段2 | 段3 | |
| k | 1.036 | 1.131 | 0.775 |
| α | 10.02 | 28.3688 | 6.1614 |
如果故障电流明显大于参考电流，诸如是100至200倍，其在该示例中为100至200kA，则放电器电压将被箝位到略高于参考电压Vref的箝位电压Vclamp。
通过引入电涌放电器，电容器的大部分能量在其中被耗散，并且避免了对撬棒和单元的损坏。在能量已消散后，可以激活旁路开关BPS。因此，转换器可以在单元被旁路的情况下继续使用。电涌放电器则在继续使用中对损耗没有影响。
通过这种类型的操作，可以显著降低通过撬棒支路的峰值电流，并且从而可以避免单元爆炸。因此，可以实现简化的或者甚至没有压装模块和爆炸箱的单元。它还为基于SiC的电力电子构建模块(PEBB)提供了使用DC撬棒保护的可能性。
作为非线性电阻元件的替代性方案，可以在撬棒支路中使用线性电阻元件。一个这样的元件RDB在图9中示意性地示出为与撬棒开关SCB1串联。在这种情况下，该单元设置为没有旁路支路。
因此，增加阻尼的另一方式是通过在旁路支路中引入具有线性电阻的元件。这样做是为了获得过阻尼的电路，以避免谐振的负循环。在此，同样重要的是，该元件能够以与上述相同的方式耗散来自单元电容器的能量。作为示例，与没有元件的情况相比，阻尼可以是至少4倍。作为示例，可以引入高达9mΩ的电阻，作为示例这可以将阻尼ζ的值从0.136提高到0.6。
由于阻尼由下式决定：
因此可以看出，电阻R可以被设置为期望的阻尼ζ乘以常数的值，该常数取决于单元的电感L和单元电容C。该常数可以更特别地取决于被形成为由单元电容除以单元电感的表达式的平方根。更特别地，该常数可以被设置为2除以表达式的平方根。
以这样的方式，实现了足够避免单元的损坏的阻尼，其中电容器的大部分能量耗散在线性电阻RDB中，并且避免了撬棒和单元的损坏。另外，由于电阻低，当单元在单元电容器放电后被旁路时，其对运行损耗的贡献持续较低。
合适的电阻器RDB1的第一示例在图10中示出。电阻器RDB1是所谓的阀瓣/垫圈电阻器。这种类型具有在短持续时间内处理大峰值能量而没有爆炸的风险的优异能力。撬棒开关可以附加地设置在机械夹持结构中，其中夹持元件设置在同样为阀瓣(disc)形状的开关元件的两侧上。因此，开关元件被机械地夹持在两个夹持元件之间。阀瓣电阻器容易放置在这种夹持结构中。
图11示意性地示出了另一类型的电阻RDB2，该电阻RDB2形成构成所引入的线性电阻元件或者作为所引入的线性电阻元件的一部分的结构。通过提供沿纵向轴线AX延伸的导体片来形成该结构。
该导体片可以沿纵向轴线AX设置有凹陷，以便形成凹槽。凹陷可以沿轴AX交替地形成或设置在结构的相对侧上，并且因此导体结构是曲折的。由此，该结构可以形成垂直于纵向轴线AX并在其边缘互连的杆，其中杆附加地具有杆宽度BW。因此，杆由凹槽分离，并且凹槽也垂直于纵向轴线AX定向并且具有带SW的凹槽。互连由凹槽分离的两个这样的杆的边缘则可以具有边缘宽度EW，其中该边缘是垂直于轴AX的边缘。凹槽的深度则为导体板宽度和边缘宽度EW之间的差值。
电阻可以仅使用第一导体区段以上文提及的方式形成。
附加地，该导体片还可能包括第二导体区段，其中两个导体区段或导体板放置在彼此之上，即一个在另一个的顶部上并由绝缘体分离。然后，两个板可以沿着纵向轴线AX延伸。然后，电流将在顶部区段中流动并通过底部区段返回，反之亦然。这意味着电流将在结构的沿着轴线AX的第一端处进入和离开该结构，其中板彼此绝缘。然后，这两个板将在该结构的沿着轴线AX的相对端处彼此电接合，以便创建返回路径。因此，板将在该相对端处彼此电接触。电导体的两个区段因此可以彼此接合，并且一个放置在另一个之上，以便形成沿着结构的纵向轴线的正向电流输送路径和相反方向的返回电流路径。
利用这种类型的结构，作为示例，电阻可以增加30倍，并且电感可以增加8倍。对于所选择的凹槽、杆和边缘宽度，电阻可以因电感增加一倍而增加四倍。通过选择更小的凹槽宽(在不超过绝缘极限的情况下)，可以进一步提高该比例。此外，可以通过增加或减少凹槽的数量来线性地改变电阻。然后，可以成对地改变凹槽，其中这样的对是在结构的不同侧中形成的一对凹槽。对于每一个附加的可重复凹槽对，作为示例，电阻可以增加1.5mΩ。这个特征增强了阻尼元件的可扩展性，而不显著增加成本。
导体结构可以由铝制成。然而，作为替代性方案，可以使用高电阻材料，诸如镍铬合金(Nichrome)来实现导体结构，镍铬合金是由镍和铬制成的合金。附加地，该结构可以是用于机械夹持撬棒支路的开关元件的先前提及的夹持元件中的一个的一部分。在这种情况下，该结构可以从夹持元件的夹持主体伸出。附加地，另一夹持元件也可以由高电阻材料制成。镍铬合金的这种使用允许导体结构中的凹槽的数量减少，以获得与铝示例中相同的电阻。由此电感的增加可以是最小的。在短路期间，施加在中间凹槽上的机械力可能非常高，从而导致显著的变形。为了确保结构完整性，可以在导体结构的任一侧提供非导电材料的支承结构，以保持杆的位置。
如图12所示，其示出了包括撬棒支路的第二变体的半桥单元实现方式，电阻元件RD元件也可以实施为分离式DC撬棒保护实现方式。在该实现方式中，撬棒支路包括在撬棒支路的上部部分中的第一开关元件SCB1和第一电感LT1，以及在撬棒支路的下部部分中的第二开关元件SCB2和第二电感LT2。在这种情况下，撬棒支路的上部和下部部分之间的接合部也连接到两个开关T1、T2的第一串联连接的中点。由此可以看出，具有第一开关元件的上部部分和具有另一开关元件的相邻部分之间的接合部连接到两个开关的第一串联连接的中点，其中在这种情况下具有另一开关元件的相邻部分是具有第二开关元件的下部部分。分离式DC撬棒是DC撬棒保护构思的改进版本，尤其针对于基于接合线的半导体模块。这种保护构思不依赖于单元旁路的开关中二极管的功能。在这种情况下，电阻元件RD有利地放置在旁路支路的上部部分中。这具有在单元电容器放电之后的单元旁路期间实现低运行损耗的优点，因为元件RD在旁路路径之外。如可以看出的那样，在这种情况下，也可以省略旁路开关。应理解，在两个开关的第一串联连接的第一端形成第二单元连接端子的情况下，电阻元件将被放置在旁路支路的下部部分中。
图13示出了分离式DC撬棒支路的另一示例，其示出了包括撬棒支路的第三变体的全桥单元实现方式。与半桥单元的分离式DC撬棒支路相比，撬棒支路在这种情况下包括连接在第一和第二开关SCB1和SCB2之间的支路中的第三开关元件SCB3。在这种情况下，包括第一开关元件SCB1的支路的上部部分和包括第三开关元件SCB3的支路的中间部分之间的接合部连接到两个开关T1和T2的第一串联连接的中点，而包括第三开关元件SCB3的支路的中间部分和包括第二开关元件SCB2的支路的下部部分之间的接合部连接到开关T3和T4的第二串联连接的中点。由此可以看出，在此具有第一开关元件的上部部分和具有另一开关元件的相邻部分之间的接合部连接到两个开关的第一串联连接的中点，其中在这种情况下具有另一开关元件的相邻部分是具有第三开关元件的中间部分。第三/第二开关元件SCB3、SCB2确保了在二极管故障的情况下的可靠的单元旁路。正如图12中的单元一样，电阻元件放置在撬棒支路的上部部分中。因此，它也被放置在单元电容器放电后使用的任何旁路支路之外。也可以将电阻元件放置在下部支路中。
因此，在撬棒支路中引入的电阻减少了故障电流的负周期，也就是说，在正半周期中使单元电容器放电，并且从而保护了撬棒以及单元。附加地提出了各种解决方案，以限制单元放电后单元旁路期间的运行损耗。
转换器可以例如是在HVDC电力传输、FACTS系统或静态频率转换器系统中使用的功率转换器。
如上所述，图1中的MMC转换器只是一种转换器类型变体。图14示出了具有Y形连接的相臂的第二变体，图15示出了具有三角形连接的相臂的第三变体。
总的来说，本发明公开了在单元的撬棒支路中提供电阻元件。
此外，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用在其它实施例上或与其它实施例结合使用，以产生又一个实施例。描述旨在包括这样的修改和变化。
尽管前述内容针对本公开的实施例，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以设计出本公开的其它和另外的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求确定。
Claims (16)
1.一种用于电压源转换器(10)的单元(12)，所述单元(12)包括：
第一单元连接端子(CC1)，
第二单元连接端子(CC2)，
两个开关(T1，T2)的第一串联连接，所述两个开关的第一串联连接的中点形成所述第一单元连接端子(CC1)，
能量存储支路(ESB)，所述能量存储支路包括电容器(Cc)；以及
撬棒支路，所述撬棒支路与所述能量存储支路(ESB)并联连接，所述撬棒支路包括适于基于短路故障的检测而被激活以短路所述能量存储支路(ESB)的电容器(Cc)的第一开关元件(SCB1)、以及与所述第一开关元件串联连接并且被设置为改善所述撬棒支路中的阻尼的电阻元件(RD)。
2.根据权利要求1所述的单元(12)，其中，所述电阻元件被配置成在短持续时间内耗散所述电容器的能量，诸如在从所述第一开关元件的激活开始的10至200μs内。
3.根据前述权利要求中任一项所述的单元(12)，还包括连接在所述单元连接端子(CC1，CC2)之间的旁路开关(BPS)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的单元(12)，其中，所述元件是具有非线性电阻的元件。
5.根据权利要求4所述的单元(12)，其中，所述具有非线性电阻的元件是电涌放电器(RDA)。
6.根据权利要求5所述的单元(12)，其中，所述电涌放电器(RDA)具有低于所述电容器(CC)的额定电压的箝位电压(Vclamp)，其中，所述电容器(CC)的额定电压有利地在比所述电阻元件的箝位电压高10至20倍的范围内。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的单元(12)，其中，所述电阻元件是具有线性电阻的元件(RDB)。
8.根据权利要求7所述的单元(12)，其中，所述电阻元件是阀瓣电阻器(RDB1)。
9.根据权利要求7所述的单元(12)，其中，所述电阻元件(RDB1)包括沿着纵向轴线(AX)延伸的所述撬棒支路的导体片，所述导体片包括沿着所述纵向轴线(AX)交替形成在相对侧上的凹陷，以形成具有在其边缘处互连并且被凹槽分离的杆的曲折结构。
10.根据权利要求9所述的单元，其中，所述导体片包括第一区段和第二区段，其中，一个区段被放置在另一区段的顶部上，所述区段包括所述凹陷。
11.根据权利要求9或10所述的单元(12)，其中，所述导体片由诸如镍铬合金的高电阻材料形成。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的单元(12)，其中，所述导体片是用于机械夹持所述第一开关元件的夹持元件的一部分。
13.根据前述权利要求中任一项所述的单元(12)，所述撬棒支路还包括第二开关元件(SCB2)，其中，所述第一开关元件(SCB1)放置在所述撬棒支路的上部部分中，并且所述第二开关元件(SCB2)放置在所述撬棒支路的下部部分中，其中，所述上部部分和具有开关元件(SCB2；SCB3)的相邻部分之间的接合部连接到所述两个开关(T1，T2)的第一串联连接的中点，其中，所述两个开关(T1，T2)的串联连接的第一端形成所述第二单元连接端子(CC2)，并且所述电阻元件(RD)连接在所述撬棒支路的下部部分中。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的单元(12)，所述撬棒支路还包括第二开关元件(SCB2)，其中，所述第一开关元件(SCB1)放置在所述撬棒支路的上部部分中，并且所述第二开关元件(SCB2)放置在所述撬棒支路的下部部分中，其中，所述上部部分和具有开关元件(SCB2；SCB3)的相邻部分之间的接合部连接到所述两个开关(T1，T2)的第一串联连接的中点，其中，所述两个开关(T1，T2)的串联连接的第二端形成所述第二单元连接端子(CC2)，并且所述电阻元件(RD)连接在所述撬棒支路的上部部分中。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的单元(12)，还包括两个开关(T3，T4)的第二串联连接，所述两个开关(T3，T4)的第二串联连接与所述能量存储支路(ESB)并联连接，其中，所述两个开关(T3，T4)的第二串联连接的中点形成所述第二单元连接端子(CC2)。
16.一种包括单元的模块化多电平转换器(10)，其中，至少一个单元是根据前述权利要求中任一项所述的单元(12)。
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