CN202616988U - 具有旁路功能的半桥功率转换器单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种半桥功率转换器单元，包括半桥转换器和被配置为与该半桥转换器的晶体管并联连接的至少两个开关元件，所述至少两个开关元件被配置为选择性地受到控制以当该半桥转换器被连接到另一个电子电路时电气地旁路该半桥转换器。

Description

具有旁路功能的半桥功率转换器单元

技术领域

本实用新型涉及具有旁路功能的半桥功率转换器单元。

背景技术

传输和配电电网中所插入的甚高功率及高压转换器必须保证电网操作的连续性而不管其中一些它们的构成子单元中的故障。容易理解一旦电网运营商经历服务中断导致的实质的经济损失，则达到该特征的故障可能导致针对转换器供应商的巨大处罚和经济损失。

从系统的观点看来，最严重的故障包括尽管构成该转换器的子单元之中的一些出现故障也不允许转换器电流几乎无改变地流动。该故障实际上强制整个转换器的禁止而伴随电网操作随后发生严重中断。

高功率和高压转换器必须具有这样一种模块化结构，该模块化结构的总体功能是通过基本子单元的动作来获得的。这样，基本子单元可以被视为是例如SVC(静态VAr补偿器)转换器中的H桥(或M2LC)单元或者甚至高压直流(HVDC)相脚的单个开关。

一个该子单元对于由该转换器合成的总电压的电压贡献是通过设计选择的并且因此特意使其对于转换器的操作不重要。在少量的构成子单元故障时，其可以并且总是应该能够如基本上不超过它们的额定值的电压源那样工作。

在使用于关于HVDC系统和灵活交流输电系统(FACTS)的应用的拓扑中，将希望即使在转换器的一部分受到故障的影响的情况下也允许工作。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于解决或者至少减轻本领域中的这些问题。

在本实用新型的第一方面通过一种半桥功率转换器单元来实现该目的，该半桥功率转换器单元包括半桥转换器和至少两个开关元件，至少两个开关单元被配置为与所述半桥转换器的晶体管并联连接。至少两个开关元件被配置为选择性地受到控制以当半桥转换器被连接到另一个电子电路时电气地旁路半桥转换器。

根据本实用新型的一个实施方式，被配置为并联连接的至少两个开关元件包括两个反并联晶闸管。

根据本实用新型的一个实施方式，被配置为并联连接的所述至少两个开关元件包括与机械开关并联连接的反并联晶闸管。

根据本实用新型的一个实施方式，半桥功率转换器单元还包括与所述反并联晶闸管串联连接的故障电流限流器。

根据本实用新型的一个实施方式，在所述半桥转换器外部发生故障之后，所述反并联晶闸管被配置为受到控制以在一个时间周期内在两个方向上导通电流，在所述时间周期之后如果所述外部故障被清除则关闭所述反并联晶闸管，而所述机械开关受到控制以保持打开。

根据本实用新型的一个实施方式，在所述半桥转换器外部发生故障之后，所述反并联晶闸管被配置为受到控制以在一个时间周期内在两个方向上导通电流，在所述时间周期之后如果所述半桥转换器的晶体管被破坏则所述机械开关受到控制以关闭。

根据本实用新型的一个实施方式，在所述半桥转换器内部发生故障之后，所述反并联晶闸管被配置为受到控制以在一个时间周期内在两个方向上导通电流，在所述时间周期之后所述机械开关受到控制以关闭。

根据本实用新型的一个实施方式，半桥功率转换器单元还包括被配置为检测在所述半桥转换器中流动的短路电流的电流传感器，所述检测的短路电流指示故障的发生。

根据本实用新型的另一方面，提供一种半桥功率转换器单元装置，包括如上所述的至少两个串联连接的半桥转换器单元。

根据本实用新型的另一方面，提供一种全桥功率转换器设备，包括如上所述的两个并联连接的半桥功率转换器单元，结果所得的至少两对反并联晶闸管被配置为选择性地受到控制以当所述全桥功率转换器设备被连接到另一个电子电路时电气地旁路所述全桥功率转换器设备。

根据本实用新型的另一方面，提供一种全桥功率转换器设备，包括如上所述的半桥功率转换器单元以及连接到所述机械开关和所述反并联晶闸管的另一个半桥转换器。

根据本实用新型的一个实施方式，全桥功率转换器设备还包括被配置为检测在所述另一个半桥转换器中流动的短路电流的第二组电流传感器，所述检测的在所述第二半桥转换器中流动的短路电流指示故障的发生。

在学习了所附权利要求和下文的描述之后，本实用新型的另外的特征和优点将变得显而易见。本领域的熟练技术人员认识到可以组合本实用新型的不同特征以产生与下文所述的那些实施方式不同的实施方式。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式来描述本实用新型，其中：

图1显示了根据本实用新型的实施方式的半桥功率转换器单元；

图2显示了本实用新型的另一个实施方式，该实施方式显示了串联连接的多个半桥转换器单元；

图3显示了本实用新型的另一个实施方式，该实施方式显示了两个并联连接的半桥转换器单元以实现全桥转换器拓扑；

图4示出了连接在根据本实用新型的实施方式的链接中的两个全桥转换器；

图5示出了根据本实用新型的又另一个实施方式的半桥功率转换器单元；

图6示出了根据图5的半桥功率转换器单元，在该半桥功率转换器单元中发生直通(shoot-through)形式的内部故障；

图7示出了根据图5的半桥功率转换器单元，对于该半桥功率转换器单元发生外部故障；

图8示出了根据本实用新型的另一个实施方式，在该实施方式中扩展图5的半桥转换器单元以产生全桥功率转换器；

图9示出了根据图7的全桥功率转换器，在该全桥功率转换器中发生直通形式的内部故障；以及

图10示出了根据图7的全桥功率转换器，对于该全桥功率转换器发生外部故障。

具体实施方式

下文将参考附图来更完整地描述本实用新型，其中在附图中显示了本实用新型的某些实施方式。但是本实用新型可以实施为许多不同的方式并且不应该被理解为限于本文所述的实施方式；而是作为示例的方式来提供这些实施方式以使得本文的公开变得彻底和完整并且向本领域技术人员完整地传达本实用新型的范围。

图1显示了根据本实用新型的一个实施方式的半桥功率转换器单元100。该半桥功率转换器单元包括半桥转换器101(包括例如以晶体管104、105形式的两个串联连接的有源半导体以及与该两个晶体管并联连接的电容器)以及与半桥转换器101的晶体管104并联连接的至少两个反并联晶闸管102、103。晶闸管102、103因此可以选择性地受到控制以当该转换器被连接到另一个电路时电气地旁路该半桥转换器101。该晶闸管是这样一种双向开关，使得该双向开关当将电流施加到它的栅极时进行导通并且只要其被前向偏置就进行导通。因此可以通过施加合适的栅极信号使得两个反并联晶闸管在任意选定方向中进行导通。此外，由于晶闸管具有切换高功率信号的能力而在HV应用中有利地使用晶闸管。

图2显示了本实用新型的另一个实施方式，其中显示了多个串联连接的半桥转换器单元100:1、100:2、100:3。该反并联晶闸管对在其中一个该单元(即图2中的半桥功率转换器单元100:2)的一部分失灵或故障的情况中允许继续工作。包括串联连接的单元100:1、100:2、100:3的转换器臂/支路可以通过向晶闸管100:2施加合适的栅极电流来继续进行工作，从而使其进行导通并且旁路/短路半桥转换器101:2。

图3显示了本实用新型的另一个实施方式，其中显示了两个并联连接的半桥转换器单元100:1、100:2以实现全桥转换器拓扑200(又叫做链接配置)的。与图1类似，结果所得的至少两对反并联晶闸管102:1、103:1以及102:2、103:2分别被配置为选择性地受到控制以当该全桥功率转换器设备被连接到另一个电子电路时电气地旁路该全桥功率转换器设备200。

图4示出了连接在根据本实用新型的实施方式的链接中的两个全桥转换器200:1、200:2，其中显示由于晶闸管对102:1、103:1以及102:2、103:2的双向能力而实现旁路能力。通过控制两个晶闸管102:1、103:2进行导通，将全桥转换器200:1短路并且因此旁路。因此即使在全桥转换器200:1失灵或故障的情况中，包括并联连接的全桥转换器200:1、200:2的转换器臂/支路也可以继续进行工作。

图5示出了根据本实用新型的另一个实施方式的半桥功率转换器单元300。该半桥功率转换器单元包括如前所述的半桥转换器101。可选择地，将栅极单元301、302连接到半桥转换器101的各自的晶体管105、104。栅极单元用于处理施加到晶体管的栅极的高电流，并且因此供应足够的晶体管栅极信号。在该具体实施方式中，旁路电路包括与反并联晶闸管或与故障电流限流器(FCL)305串联连接的双向导通晶闸管304并联的机械开关303。在下文中，反并联晶闸管或双向导通晶闸管将被表示为反并联晶闸管。在不需要旁路的正常操作期间，反并联晶闸管304处于关闭状态并且机械开关303打开。当发生短路故障时，激活反并联晶闸管304的栅极以打开该反并联晶闸管，以使得电流在两个方向流动。FCL 305用于一个短的时间周期tp内保护反并联晶闸管304并且限制在该反并联晶闸管和FCL支路和/或外部系统中流动的短路电流。在该时间tp到期之后，如果发现发生内部故障(例如直通，其中该半桥转换器的两个晶体管104、105同时进行导通)，则关闭机械开关303。否则，如果发生外部短路故障，则机械开关303保持打开并且在清除短路故障之后关闭反并联晶闸管304。栅极单元301、302和晶体管104、105因此可以返回正常操作。

在下文中将分别参考图6和7来详细讨论发生内部和外部故障的情况。内部故障是指故障发生在半桥转换器101自身中。

现在参考图6，图6示出了直通形式的内部故障。使用电流传感器309和310来检测流经晶体管104、105的短路电流。当存在短路电流时，存在绝缘栅双极型晶体管104、105(IGBT)将由于该巨大的短路电流的幅度而爆炸的风险。一旦由传感器309和310检测到短路电流就可以打开反并联晶闸管304。直通电流将不流经反并联晶闸管304和FCL 305支路，直到下部的IGBT 104爆炸为止。其原因在于FCL 305将限制故障电流在反并联晶闸管304中流动。故障电流改为流经下部的IGBT 104。在上部的和下部的IGBT 105、104两者都由于过流而被破坏之后，直通电流将自然耗竭。仍然可以在短时间内通过反并联晶闸管304导通系统电流，直到机械开关303被永久关闭以从反并联晶闸管304向机械开关303传递电流为止。

现在参考图7，图7示出了外部故障，即发生在另一个单元中或者在应用半桥功率转换器单元300的系统中的故障。使用电流传感器309和310来检测由于外部故障产生的短路电流。在不失一般性的情况下，假设上部的IGBT 105正在导通短路电流。例如形式为栅极单元30的控制电子器件将尝试关闭上部的IGBT 105。同时，由于由电流传感器309检测到短路电流的检测而激活反并联晶闸管304的栅极。然后将该短路电流从上部的IGBT 105传递到反并联晶闸管304支路。由于FCL 305保护该反并联晶闸管，所以能够安全地关闭上部的IGBT 105并且因此在外部故障期间得到保护。在清除外部故障之后，关闭反并联晶闸管304，并且上部的和下部的IGBT 105、104的GU 301、302可以返回正常切换操作。GU的状态可以指示IGBT是否由于过流而出故障或者在外部短路故障之后他们是否仍然处于良好状态。如果IGBT 105，104被电流瞬态破坏，则机械开关303将被关闭并且将单元300旁路。否则机械开关303保持打开并且GU 301、302和IGBT 105、104返回正常操作。

图8示出了根据本实用新型的另一个实施方式，在该实施方式中将具有形式为机械开关303、反并联晶闸管304和FCL 305的之前描述的具有旁路电路的半桥转换器300连接到另一个半桥转换器401以建立全桥功率转换器400。

如同在图5中所显示的实施方式的情况那样，以下将分别参考图9和10来详细讨论本实施方式中的内部和外部故障发生的情况。

首先参考图9，图9示出了全桥功率转换器400的直通形式的内部故障。使用电流传感器309和310来检测流经晶体管104、105的短路电流，使用电流传感器307和308来检测流经晶体管402、403的短路电流。当存在短路电流时，存在各自的晶体管支路将被严重破坏的风险。一旦在由传感器307、308、309或310中的任意一个检测到短路电流之后，就打开反并联晶闸管304。直通电流将不流经反并联晶闸管304和FCL 305支路，直到两个晶体管支路(104、105或402、403)击穿为止。在两个晶体管支路104、105或402、403中的任一由于过流而被破坏之后，直通电流将自然耗竭。仍然可以在短时间内通过反并联晶闸管304导通系统电流，直到机械开关303被永久关闭以从反并联晶闸管304向机械开关303传递电流为止。

现在参考图10，图10示出了外部故障，即发生在另一个单元中或者在应用半桥功率转换器单元300的系统中的故障。使用电流传感器307、308、309或310来检测由于外部故障产生的短路电流。在不失一般性的情况下，假设晶体管104和402正在导通短路电流。栅极单元302和404将尝试关闭对应的晶体管。同时，由于由电流传感器307和310检测到短路电流的检测而激活反并联晶闸管304的栅极。然后将该短路电流从晶体管104和402传递到反并联晶闸管304支路。由于FCL 305保护该反并联晶闸管，所以能够安全地关闭晶体管104和402和上部的IGBT 105并且因此在外部故障期间得到保护。在清除外部故障之后，可以关闭反并联晶闸管304，并且全部晶体管的GU可以返回正常切换操作。GU的状态可以指示晶体管是否由于过流而出故障或者在外部短路故障之后他们是否仍然处于良好状态。如果GU和晶体管被电流瞬态破坏，则机械开关303将被关闭并且将单元300和另一个半桥转换器401旁路。否则机械开关303保持打开并且GU和晶体管返回正常操作。

应该注意到，各种实施方式中所使用的FCL 305是可选择的，在该情况中可以使用具有短路故障模式能力的晶闸管、GTO或压装IGBT来建立反并联晶闸管304。如前所述，FCL 305的优点在于保护反并联晶闸管304免受过度的短路电流，但是其增加了转换器单元的成本。在没有FCL 305的情况下，在正常或良好状况下，关闭反并联晶闸管304并且打开机械开关303。当发生短路故障时，阻止反并联晶闸管304直到短路电流耗尽为止。故障后电流可以在短的时间周期tp内在反并联晶闸管304支路中流动，直到机械开关303根据内部或外部故障的状态而被关闭或保持处于打开状态中为止。如果过早打开反并联晶闸管304以使得直通电流流经并且破坏该反并联晶闸管，则得益于该反并联晶闸管的短路故障模式而仍然可以安全地旁路该转换器单元。

Claims (12)

1.一种半桥功率转换器单元(100)，其特征在于包括：

半桥转换器(101)；

至少两个开关元件(102、103)，被配置为与所述半桥转换器的晶体管(104、105)并联连接，所述至少两个开关元件被配置为选择性地受到控制以当所述半桥转换器被连接到另一个电子电路时电气地旁路所述半桥转换器。

2.如权利要求1所述的半桥功率转换器单元(100)，其特征在于，被配置为并联连接的所述至少两个开关元件(102、103)包括两个反并联晶闸管。

3.如权利要求1所述的半桥功率转换器单元(300)，其特征在于，被配置为并联连接的所述至少两个开关元件包括与机械开关(303)并联连接的反并联晶闸管(304)。

4.如权利要求3所述的半桥功率转换器单元(300)，其特征在于还包括与所述反并联晶闸管(304)串联连接的故障电流限流器(305)。

5.如权利要求3或4中的任意一个所述的半桥功率转换器单元(300)，其特征在于，在所述半桥转换器(101)外部发生故障之后，所述反并联晶闸管(304)被配置为受到控制以在一个时间周期tp内在两个方向上导通电流，在所述时间周期tp之后如果所述外部故障被清除则关闭所述反并联晶闸管，而所述机械开关(303)受到控制以保持打开。

6.如权利要求3或4中的任意一个所述的半桥功率转换器单元(300)，其特征在于，在所述半桥转换器(101)外部发生故障之后，所述反并联晶闸管(304)被配置为受到控制以在一个时间周期tp内在两个方向上导通电流，在所述时间周期tp之后如果所述半桥转换器的晶体管(104、105)被破坏则所述机械开关(303)受到控制以关闭。 

7.如权利要求3或4中的任意一个所述的半桥功率转换器单元(300)，其特征在于，在所述半桥转换器(101)内部发生故障之后，所述反并联晶闸管(304)被配置为受到控制以在一个时间周期tp内在两个方向上导通电流，在所述时间周期tp之后所述机械开关(303)受到控制以关闭。

8.如权利要求5所述的半桥功率转换器单元(300)，其特征在于还包括被配置为检测在所述半桥转换器(101)中流动的短路电流的电流传感器(309、310)，所述检测的短路电流指示故障的发生。

9.一种半桥功率转换器单元装置，其特征在于包括如任一前述权利要求所述的至少两个串联连接的半桥转换器单元(100∶1、100∶2)。

10.一种全桥功率转换器设备(200)，包括如权利要求2所述的两个并联连接的半桥功率转换器单元(100∶1、100∶2)，其特征在于，结果所得的至少两对反并联晶闸管(102∶1、103∶1；102∶2、103∶2)被配置为选择性地受到控制以当所述全桥功率转换器设备被连接到另一个电子电路时电气地旁路所述全桥功率转换器设备。

11.一种全桥功率转换器设备(400)，其特征在于包括如权利要求3-8中的任意一个所述的半桥功率转换器单元(300)以及连接到所述机械开关(303)和所述反并联晶闸管(304)的另一个半桥转换器(401)。

12.如权利要求11所述的全桥功率转换器设备(400)，其特征在于还包括被配置为检测在所述另一个半桥转换器(401)中流动的短路电流的第二组电流传感器(307、308)，所述检测的在所述第二半桥转换器中流动的短路电流指示故障的发生。 

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