CN117767771A - 一种功率模块电路和换流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率模块电路和换流器。该功率模块电路包括：功率模块，功率模块包括直流电容和IGCT单元，IGCT单元包括第一端、第二端和第三端，IGCT单元的第一端通过直流电容连接IGCT单元的第二端，IGCT单元的第二端和第三端连接功率模块的输入端和输出端；第一开关，第一开关连接在IGCT单元的第二端和第三端之间；主控模块，主控模块连接功率模块且连接第一开关的控制端，主控模块用于在检测到功率模块故障时，控制第一开关导通。本发明中，功率模块故障时，主控模块可实现第一级旁路开关触发，还能通过IGCT过压击穿触发，使功率模块形成直通回路，确保故障功率模块可靠地从设备中切除，显著提高设备可靠性。

Description

一种功率模块电路和换流器

技术领域

本发明涉及功率模块技术领域，尤其涉及一种功率模块电路和换流器。

背景技术

随着化石能源带来的污染问题日益严重以及新能源发电的不断发展，新能源发电的高效可靠传输成为关键问题。由于新能源发电往往远离负荷中心，针对远距离大容量电力传输，柔性直流输电技术具有显著优势。

柔性直流输电的核心设备为换流阀，承担着交直流变换、潮流控制、故障穿越等关键任务。目前，柔直换流阀采用IGCT(集成门极换流晶闸管)器件为整晶圆结构，IGCT柔直换流阀由多个功率模块组成，具有更低的通态压降、更高的可靠性以及更低的制造成本。

然而，若单一功率模块故障，可能导致换流阀系统跳闸，影响换流阀系统可靠性。

发明内容

本发明提供了一种功率模块电路和换流器，以解决现有故障功率模块影响换流器可靠性的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种功率模块电路，包括：

功率模块，所述功率模块包括直流电容和IGCT单元，所述IGCT单元包括第一端、第二端和第三端，所述IGCT单元的第一端通过所述直流电容连接所述IGCT单元的第二端，所述IGCT单元的第二端和第三端连接所述功率模块的输入端和输出端；

第一开关，所述第一开关连接在所述IGCT单元的第二端和第三端之间；

主控模块，所述主控模块连接所述功率模块且连接所述第一开关的控制端，所述主控模块用于在检测到所述功率模块故障时，控制所述第一开关导通。

进一步地，所述主控模块包括取能单元；

所述取能单元连接所述直流电容，用于从所述直流电容获取电能，并为所述主控模块供电。

进一步地，所述主控模块包括主控板；

所述主控板连接所述功率模块且连接所述第一开关的控制端。

进一步地，所述主控模块包括开关触发单元；

所述开关触发单元分别连接所述直流电容和所述第一开关的控制端，用于在检测到所述直流电容的电压大于第一过压阈值时，控制所述第一开关导通。

进一步地，所述主控模块包括主控板和开关触发单元；

所述主控板连接所述功率模块，还通过所述开关触发单元连接所述第一开关的控制端；

所述开关触发单元分别连接所述直流电容和所述第一开关的控制端；

所述主控板用于在检测到所述功率模块故障时，通过所述开关触发单元触发所述第一开关导通；或者，所述开关触发单元用于在检测到所述直流电容的电压高于第一过压阈值时，控制所述第一开关导通。

进一步地，所述第一过压阈值小于所述IGCT单元的过压击穿阈值。

进一步地，所述功率模块的故障状态包括：驱动故障、欠压故障、过压故障、取能故障和指示灯故障中的一种或多种。

进一步地，所述IGCT单元包括两个串联连接的集成门极换流晶闸管，两者的连接点为所述IGCT单元的第三端。

进一步地，所述第一开关包括机械开关。

根据本发明的另一方面，提供了一种换流器，包括：多个如上所述的功率模块电路。

本发明中，功率模块电路包括功率模块、第一开关和主控模块；第一开关连接在功率模块的输入端和输出端之间；主控模块在检测到功率模块故障时，控制第一开关导通，通过第一级旁路开关触发，使故障的功率模块形成直通回路；若第一级触发失败，还可以在直流电容的电压达到IGCT的过压击穿阈值时，IGCT击穿而通过过压击穿触发，使功率模块的输入端与输出端之间导通，功率模块形成直通回路而不接入设备的回路中。本发明中，通过至少两级触发，可以确保功率模块在发生故障下，可靠地从设备中切除，从而防止单一功率模块故障导致设备跳闸，显著提高了设备可靠性。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种功率模块电路的示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种功率模块电路的示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种功率模块电路的示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种功率模块电路的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种换流器的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是本发明实施例提供的一种功率模块电路的示意图。如图1所示，该功率模块电路包括：功率模块110，功率模块110包括直流电容C1和IGCT单元111，IGCT单元111包括第一端p1、第二端p2和第三端p3，IGCT单元111的第一端p1通过直流电容C1连接IGCT单元111的第二端p2，IGCT单元111的第二端p2和第三端p3连接功率模块110的输入端和输出端；第一开关120，第一开关120连接在IGCT单元111的第二端p2和第三端p3之间；主控模块130，主控模块130连接功率模块110且连接第一开关120的控制端，主控模块130用于在检测到功率模块110故障时，控制第一开关120导通。

本实施例中，功率模块电路包括功率模块110，功率模块110包括直流电容C1和IGCT单元111。

功率模块110包括直流电容C1，直流电容C1具有极性，该直流电容C1的正极连接IGCT单元111的第一端p1，该直流电容C1的负极连接IGCT单元111的第二端p2。

功率模块110包括IGCT单元111。可选IGCT单元111包括两个串联连接的集成门极换流晶闸管T1和T2，两者的连接点为IGCT单元111的第三端p3。集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor，IGCT)具有更低的导通压降和制作成本，可靠性更好。集成门极换流晶闸管T1的阴极连接集成门极换流晶闸管T2的阳极，集成门极换流晶闸管T2的阴极连接IGCT单元111的第二端p2。IGCT单元111的第二端p2和第三端p3连接功率模块110的输入端和输出端，可选IGCT单元111的第二端p2连接功率模块110的输入端，IGCT单元111的第三端p3连接功率模块110的输出端。

功率模块110应用在设备中时，功率模块110的输入端和输出端接入设备的回路中。

功率模块110还包括第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，第二电容C2，第一电感L1和第一电阻Rs。

第一二极管D1的阳极连接集成门极换流晶闸管T1的阴极，第一二极管D1的阴极连接集成门极换流晶闸管T1的阳极。

第二二极管D2的阳极连接集成门极换流晶闸管T2的阴极，第二二极管D2的阴极连接集成门极换流晶闸管T2的阳极。

第三二极管D3的阳极连接集成门极换流晶闸管T1的阳极，第三二极管D3的阴极连接第二电容C2的第一端，第二电容C2的第二端连接集成门极换流晶闸管T2的阴极。

第一电感L1的第一端连接直流电容C1的正极，第一电感L1的第二端连接集成门极换流晶闸管T1的阳极。

第一电阻Rs的第一端连接直流电容C1的正极，第一电阻Rs的第二端连接第三二极管D3的阴极。

主控模块130连接功率模块110，主控模块130还连接第一开关120的控制端。主控模块130连接功率模块110，主控模块130可以用于检测功率模块110是否发生故障。可以理解，图1中所示功率模块110的结构仅是功率模块110的部分结构，功率模块110还包括其他器件，主控模块130与功率模块110连接，可以获取功率模块110的相关参数，然后进行故障状态检测和判断。

可选功率模块110的故障状态包括：驱动故障、欠压故障、过压故障、取能故障和指示灯故障中的一种或多种。主控模块130具备对功率模块110的驱动状态进行检测和判断的功能，能够用于判断功率模块110是否发生驱动故障。主控模块130具备对功率模块110的欠压状态进行检测和判断的功能，能够用于判断功率模块110是否发生欠压故障。主控模块130具备对功率模块110的过压状态进行检测和判断的功能，能够用于判断功率模块110是否发生过压故障。主控模块130具备对功率模块110的取能状态进行检测和判断的功能，能够用于判断功率模块110是否发生取能故障。主控模块130具备对功率模块110的通讯灯、指示灯等状态进行检测和判断的功能，能够用于判断功率模块110是否发生指示灯、通讯灯故障。可以理解，功率模块110的故障状态还可能包括其他种类；主控模块130获取功率模块110的各项参数，若比对发现与其标准参数不匹配或超出误差范围，可以判定为故障，不限于上述故障种类。

第一开关120连接在IGCT单元111的第二端p2和第三端p3之间，第一开关120的控制端连接主控模块130。功率模块110正常时，第一开关120的状态是关断状态，即在功率模块110正常时，主控模块130控制第一开关120保持关断状态，而功率模块110故障时，主控模块130控制第一开关120从关断状态切换为导通状态。第一开关120关断时，IGCT单元111的第二端p2和第三端p3之间的连接断开，那么功率模块110正常接入设备的回路中进行工作。第一开关120导通时，IGCT单元111的第二端p2和第三端p3之间的连接导通即功率模块110的输入端直接连接输出端，那么功率模块110形成直通回路，功率模块110未接入设备的回路中。

主控模块130在检测到功率模块110故障时，控制第一开关120导通。具体的，主控模块130在检测到功率模块110发生故障时，控制第一开关120从关断状态切换为导通状态，那么功率模块110的输入端直接连接输出端，功率模块110形成直通回路而未接入设备的回路中。

可选第一开关120包括机械开关。主控模块130在检测到功率模块110发生故障时，主控模块130给第一开关120的控制端提供导通信号以使第一开关120导通，功率模块110形成直通回路；功率模块110正常时，主控模块130给第一开关120的控制端提供断开信号以使第一开关120关断，功率模块110接入设备的回路中。可以理解，第一开关120的结构包括但不限于机械开关，相关从业人员可根据产品所需，合理设计第一开关的结构种类，如继电器、晶体管等等。

如上所述，主控模块130在检测到功率模块110发生故障时，控制第一开关120导通，实现了旁路开关触发。对于采用功率模块电路的设备，通过旁路开关触发，可以控制故障的功率模块110形成直通回路，保护了设备的正常工作。

另外，IGCT器件具备过压自击穿功能，当直流电容C1的电压达到IGCT的过压击穿阈值时，IGCT器件会击穿。具体的，当直流电容C1的电压达到IGCT的过压击穿阈值时，T1和T2会击穿，则IGCT单元111的第二端p2和第三端p3之间的连接导通，那么功率模块110的输入端直接连接输出端，功率模块110形成直通回路，实现了过压击穿触发。对于采用功率模块电路的设备，通过过压击穿触发，可以控制故障的功率模块110形成直通回路，保护了设备的正常工作。可选该设备可以为换流器，例如柔性直流输电换流器。在此所述的IGCT过压击穿触发具体是指集成门极换流晶闸管T2的过压击穿触发。

可以理解，功率模块110发生故障时，若旁路开关触发成功，则旁路过程结束。若程序原因、通讯原因或硬件电路原因等导致旁路开关合闸失败，即主控模块130未能控制第一开关120导通，那么直流电容C1的电压会不断上升，当直流电容C1的电压达到IGCT的过压击穿阈值时，IGCT器件会击穿，可以通过IGCT的过压击穿触发，控制故障的功率模块110形成直通回路。基于此，本实施例中，旁路开关触发可以是第一级触发，过压击穿触发可以是末级触发。可以理解，旁路开关为第一开关。

本发明中，功率模块电路包括功率模块、第一开关和主控模块；第一开关连接在功率模块的输入端和输出端之间；主控模块在检测到功率模块故障时，控制第一开关导通，通过第一级旁路开关触发，使故障的功率模块形成直通回路；若第一级触发失败，还可以在直流电容的电压达到IGCT的过压击穿阈值时，IGCT击穿而通过过压击穿触发，使功率模块的输入端与输出端之间导通，功率模块形成直通回路而不接入设备的回路中。本发明中，通过至少两级触发，可以确保功率模块在发生故障下，可靠地从设备中切除，从而防止单一功率模块故障导致设备跳闸，显著提高了设备可靠性。

可选主控模块包括主控板和开关触发单元；主控板连接功率模块，还通过开关触发单元连接第一开关的控制端；开关触发单元分别连接直流电容和第一开关的控制端；主控板用于在检测到功率模块故障时，通过开关触发单元触发第一开关导通；或者，开关触发单元用于在检测到直流电容的电压高于第一过压阈值时，控制第一开关导通。本实施例可以实现三级触发。可选主控模块包括取能单元；取能单元连接直流电容，用于从直流电容获取电能，并为主控模块供电。

图2是本发明实施例提供的另一种功率模块电路的示意图。如图2所示，该主控模块130包括取能单元131，取能单元131包括取能电源。取能单元131连接直流电容C1，可以从直流电容C1获取电能以给主控模块130供电，保证主控模块130的正常工作，那么无需功率模块所属设备给主控模块130供电，功率模块电路实现自取能，降低了成本。

如图2所示，该主控模块130还包括主控板132和开关触发单元133，取能单元131分别连接直流电容C1、主控板132和开关触发单元133，可以从直流电容C1获取电能以给主控板132和开关触发单元133供电。

主控板132包括单片机或微型控制器等，能够对功率模块110执行相应的故障检测和判断。主控板132连接功率模块110且通过开关触发单元133连接第一开关120的控制端。主控板132可以看做是软件控制实现旁路开关触发，主控板132在检测到功率模块110故障时，向开关触发单元133发送合闸命令，开关触发单元133基于合闸命令控制第一开关120导通合闸。反之，若功率模块110正常，在主控板132的控制下，第一开关120切换为关断状态。主控板132采用软件控制实现旁路开关触发合闸。

开关触发单元133具备硬件过压触发功能的相应结构，开关触发单元133内预设有第一过压阈值。开关触发单元133连接直流电容C1和第一开关120的控制端，开关触发单元133可以检测直流电容C1的电压，并在检测到直流电容C1的电压大于第一过压阈值时，触发第一开关120导通。反之，若功率模块110正常，开关触发单元133控制第一开关120关断。开关触发单元133采用硬件控制实现旁路开关触发合闸。

可选第一过压阈值小于IGCT单元的过压击穿阈值。基于此，当直流电容C1的电压达到第一过压阈值时，可以通过开关触发单元执行的硬件控制旁路开关触发第一开关合闸。若开关触发单元失效，那么当直流电容C1的电压达到IGCT的过压击穿阈值时，可以通过IGCT的过压击穿触发，控制故障的功率模块形成直通回路而不接入设备的回路中。示例性的，可选IGCT单元的过压击穿阈值为4800V，第一过压阈值小于4800V。

可以理解，若主控板执行的软件控制旁路开关触发失效，那么直流电容C1的电压会不断上升；当直流电容C1的电压达到第一过压阈值时，可以通过开关触发单元执行的硬件控制旁路开关触发第一开关合闸；若硬件控制旁路开关触发失效，那么直流电容C1的电压会不断上升；当直流电容C1的电压达到IGCT的过压击穿阈值时，可以通过IGCT的过压击穿触发，控制故障的功率模块形成直通回路基于此，本实施例中，主控板执行的软件控制旁路开关触发可以是第一级触发，开关触发单元执行的硬件控制旁路开关触发可以是第二级触发，IGCT的过压击穿触发可以是第三级触发。

需要说明的是，功率模块故障时，若第一级触发成功，则无需执行后续多级触发；若第二级触发成功，则无需执行第三级触发。只有在前一级触发失败时，才继续执行其他多级触发。

可选主控模块包括主控板；主控板连接功率模块且连接第一开关的控制端。可选主控模块包括取能单元；取能单元连接直流电容，用于从直流电容获取电能，并为主控模块供电。

图3是本发明实施例提供的又一种功率模块电路的示意图。如图3所示，该主控模块130包括取能单元131，取能单元131连接直流电容C1，可以从直流电容C1获取电能以给主控模块130供电。

如图3所示，该主控模块130包括主控板132，主控板132连接功率模块110且连接第一开关120的控制端，取能单元131连接主控板132以给主控板132供电。主控板132在检测到功率模块110故障时向第一开关120发送导通信号以使第一开关120导通；若功率模块110正常，主控板132向第一开关120发送关断信号以使第一开关120关断。根据第一开关的种类的不同，主控板下发的导通信号也可以理解为合闸命令，第一开关根据合闸命令进行合闸操作。如上所述，主控板132采用软件控制实现旁路开关触发合闸。

若软件控制的旁路开关触发失效，当直流电容C1的电压达到IGCT的过压击穿阈值时，可以通过IGCT的过压击穿触发，控制故障的功率模块形成直通回路。

可选主控模块包括开关触发单元；开关触发单元分别连接直流电容和第一开关的控制端，用于在检测到直流电容的电压大于第一过压阈值时，控制第一开关导通。可选主控模块包括取能单元；取能单元连接直流电容，用于从直流电容获取电能，并为主控模块供电。

图4是本发明实施例提供的又一种功率模块电路的示意图。如图4所示，该主控模块130包括取能单元131和开关触发单元133。取能单元131连接直流电容C1和开关触发单元133，可以从直流电容C1获取电能以给开关触发单元133供电。

如图4所示，开关触发单元133具备硬件过压触发功能的相应结构，开关触发单元133内预设有第一过压阈值。开关触发单元133连接直流电容C1和第一开关120的控制端，开关触发单元133可以检测直流电容C1的电压，并在检测到直流电容C1的电压大于第一过压阈值时，触发第一开关120导通。若功率模块110正常，开关触发单元133向第一开关120提供的信号控制第一开关120关断。如上所述，主控模块130采用硬件控制实现旁路开关触发合闸。

若硬件控制的旁路开关触发失效，当直流电容C1的电压达到IGCT的过压击穿阈值时，可以通过IGCT的过压击穿触发，控制故障的功率模块形成直通回路。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种换流器，该换流器包括：多个功率模块电路；功率模块电路如上任意实施例所述。可选换流器的结构采用模块化多电平换流器通用拓扑结构。模块化多电平换流器为modular multilevel converter，简称MMC。

图5是本发明实施例提供的一种换流器的示意图，如图5所示，换流器可以为三相MMC换流器。具体的，换流器由6个结构相同的桥臂201构成，每个桥臂201由M个功率模块电路202和一个电抗器203串联而成。其中，功率模块电路202为如上任意实施例所述的功率模块电路。

本发明实施例所提供的换流器可以为IGCT柔直换流阀，具备功率模块电路，当其中一个功率模块电路202发生故障时，功率模块电路202可以通过至少一级旁路触发使其从换流器系统中可靠切除，保证换流器的安全可靠运行。本发明实施例所提供的换流器具备上述功率模块电路的有益效果。

其中，第一级旁路触发可以是主控板执行的软件控制触发旁路开关合闸，第二级旁路触发可以是开关触发单元执行的硬件过压触发旁路开关合闸，第三级旁路触发可以是IGCT的过压击穿，多级触发可以保证功率模块电路形成可靠直通回路，即功率模块的输入端和输出端连通。基于此，能够确保功率模块在发生任何故障下，可靠地从换流阀系统中切除，从而防止单一功率模块故障导致换流阀系统跳闸，显著提高换流阀的可靠性，非常适用于柔性直流输电换流阀应用领域。可以理解，旁路开关即为第一开关。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率模块电路，其特征在于，包括：

功率模块，所述功率模块包括直流电容和IGCT单元，所述IGCT单元包括第一端、第二端和第三端，所述IGCT单元的第一端通过所述直流电容连接所述IGCT单元的第二端，所述IGCT单元的第二端和第三端连接所述功率模块的输入端和输出端；

第一开关，所述第一开关连接在所述IGCT单元的第二端和第三端之间；

主控模块，所述主控模块连接所述功率模块且连接所述第一开关的控制端，所述主控模块用于在检测到所述功率模块故障时，控制所述第一开关导通。

2.根据权利要求1所述的功率模块电路，其特征在于，所述主控模块包括取能单元；

所述取能单元连接所述直流电容，用于从所述直流电容获取电能，并为所述主控模块供电。

3.根据权利要求1所述的功率模块电路，其特征在于，所述主控模块包括主控板；

所述主控板连接所述功率模块且连接所述第一开关的控制端。

4.根据权利要求1所述的功率模块电路，其特征在于，所述主控模块包括开关触发单元；

所述开关触发单元分别连接所述直流电容和所述第一开关的控制端，用于在检测到所述直流电容的电压大于第一过压阈值时，控制所述第一开关导通。

5.根据权利要求1所述的功率模块电路，其特征在于，所述主控模块包括主控板和开关触发单元；

所述主控板连接所述功率模块，还通过所述开关触发单元连接所述第一开关的控制端；

所述开关触发单元分别连接所述直流电容和所述第一开关的控制端；

所述主控板用于在检测到所述功率模块故障时，通过所述开关触发单元触发所述第一开关导通；或者，所述开关触发单元用于在检测到所述直流电容的电压高于第一过压阈值时，控制所述第一开关导通。

6.根据权利要求4所述的功率模块电路，其特征在于，所述第一过压阈值小于所述IGCT单元的过压击穿阈值。

7.根据权利要求1所述的功率模块电路，其特征在于，所述功率模块的故障状态包括：驱动故障、欠压故障、过压故障、取能故障和指示灯故障中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的功率模块电路，其特征在于，所述IGCT单元包括两个串联连接的集成门极换流晶闸管，两者的连接点为所述IGCT单元的第三端。

9.根据权利要求1所述的功率模块电路，其特征在于，所述第一开关包括机械开关。

10.一种换流器，其特征在于，包括：多个如权利要求1-9任一项所述的功率模块电路。