CN203967989U - 多电平柔性高压直流输电功率模块保护与旁路拓扑 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种多电平柔性高压直流输电功率模块保护与旁路拓扑，旨在解决所述所有问题并保证即便在极端故障状态下功率模块的完整性。具体方案是：采用压装IGBT(PPI)和压装二极管(PPD)来取代塑料封装的IGBT模块PMI，并且在直流电容器两端并联了一个晶闸管撬杠(Th2)。所述的晶闸管与功率器件IGBT及二极管被压装在一起，晶闸管与电容器通过母排相连接。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：当功率模块故障或失灵时，晶闸管Th2被触发从而旁路功率模块。在大电流产生的巨大热量压力下，器件内的硅和钼晶片会融化并成为合金，从而使得器件形成并处于稳定的短路状态。
Description
技术领域
本实用新型提出基于晶闸管撬杠的固态旁路策略，这可以改进功率模块的保护。
背景技术
市场上现有的大多数模块化多级换流(MMC)技术平台采用塑料封装的IGBT模块和二极管(PMI)作为半导体开关器件来实现基于半H桥方案的功率模块架构(如图1所示)。
现有的设计基于以下保护策略：
当功率模块故障或失灵时(内部故障)，一个连接于功率模块交流母线间的高速真空接触器Con马上闭合导通，从而及时实现故障功率模块的旁路并避免系统停机。
但此方案具有以下缺点：
在一些故障中，如：功率器件T1故障时，由于电容器C1放电，接触器Con的闭合也不能防止大电流的直通。这样功率器件T1存在爆炸风险，如果功率器件T1爆掉，会存在将故障传播至其它功率模块的危险。
另外，即便器件爆炸被遏制在为了防止由爆炸引起的材料及等离子体扩散及故障传播而特制的机械容器里，由于器件爆炸引起的过高热能量仍然可能会造成功率模块内部的水冷散热器过热，从而进一步损坏散热器及绝缘的水管连接(O型橡胶圈、垫片等)，最终会导致换流阀漏水及闪燃的风险。
当发生直流母线极间短路时(外部故障)，故障电流流过换流阀桥臂的所有功率模块中的二极管D2，通常塑料封装IGBT模块中的二极管的12t值较低故无法承受这种水平的直流故障电流。
为了避免这种故障状态下二极管D2失效，额外增加了一个与二极管D2并联的晶闸管Th1用以分担故障电流和保护二极管本身。在这种情况下，晶闸管 的触发和导通(阳极和阴极之间电压极低)是另一个关键问题(指电压特性(1))。
发明内容
本实用新型旨在解决以上所有问题并保证即便在极端故障状态下功率模块的完整性。
为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：
多电平柔性高压直流输电功率模块保护与旁路拓扑，包括功率器件、与功率器件并联的二极管、直流电容器，其特征在于，在直流电容器两端并联了一个晶闸管撬杠。
所述的晶闸管、功率器件及二极管采用压装器件组成阀串，晶闸管与直流电容器并联连接。
与现有技术相比，本实用新型有益效果是：可保证即便在极端故障状态下功率模块的完整性。当功率模块故障或失灵时，晶闸管Th2被触发从而旁路功率模块。在大电流产生的巨大热量压力下，器件内的硅和钼晶片会融化并成为合金，从而使得器件形成并处于稳定的短路状态。
附图说明
图1是背景技术功率模块旁路保护电路结构图。
图2是本实用新型功率模块旁路保护电路结构图。
图3是压装结构的阀组结构图。
图3中：401-直流电容器 402-直流电容端子 403-连接母排 404-晶闸管 405-IGBT功率器件 406-二极管 407-阀串 408-压板 409-散热器
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
多电平柔性高压直流输电(VSC-HVDC)功率模块保护与旁路策略，可保证即便在极端故障状态下功率模块的完整性。具体实现采用压装IGBT(PPI)和压装二极管(PPD)来取代塑料封装的IGBT模块PMI，并且在直流电容器两端并联了一个晶闸管撬杠(Th2)。
如图2所示，由压装器件组成的功率模块电路拓扑，IGBT功率器件T1、T2、分别与IGBT功率器件T1、T2并联的二极管D1、D2、直流电容器C1，在直流电容器C1两端并联了一个晶闸管撬杠Th2。
阀组的结构如图3所示，旁路的晶闸管和其它半导体功率器件(IGBT及二极管)被压装在一起，组成阀串。阀串407由压装器件晶闸管404、散热器409、IGBT功率器件405、散热器409、二极管406、散热器409、IGBT功率器件405、散热器409、二极管406、散热器409组成，阀串上部设有压板408，压装器件之间设有散热器409，通过水冷散热，晶闸管与直流电容器通过母排并联连接。
这种布置方法使得器件和电容通过路径很短、杂散电感很低以及结构坚固的母排布置连接起来，从而使得阀串能够承受电容直通放电引起的极高电磁力的冲击。无论是在单独的功率模块状况下还是在当功率模块工作于直流输电换流阀中的状况下，反复的最高峰值达600KA的故障电流试验证明，在这种冲击电流下没有结构变形，没有绝缘失败，也没有把电磁干扰传播到相邻功率模块中其它器件的情况。
晶闸管门极触发板：电容器稳态工作中的直流额定电压通常在2.3至2.5KV之间，波动范围约为±5～7％。在暂态和故障条件下，电容电压能在1500V至3000V乃至更高的范围内变化。因此在电容器通过晶闸管旁路直通的情况下峰值电流能够在最小300KA到最大600KA之间变化，合理的门极触发板设计能够在所有的电压和电流范围内正确触发晶闸管并使器件在受控的方式下失效，从而保证晶闸管在所有的电压和电流范围内都能够进入未定的短路失效模式。许多试验已经验证了晶闸管门极驱动板的这个行为。
本实用新型采用压装功率器件和压装二极管，与晶闸管组成阀串，并且在直流电容器两端并联了一个晶闸管撬杠(Th2)。这种技术方案具有以下优点：
当功率模块故障或失灵时(内部故障)，晶闸管Th2被触发从而旁路功率模块。电容器C1释放的巨大故障电流使晶闸管失效。由于晶闸管在门极附近失效，所以没有高压等离子体建立的风险，从而即便是在极端大电流脉冲存在的情况下，器件封装也能够承受的住。
在大电流产生的巨大热量压力下，器件内的硅和钼晶片会融化并成为合金，从而使得器件形成并处于稳定的短路状态(短路失效模式行为)。
在这种情况下功率模块的旁路由以下通路来保证：当电流与二极管D2同向时通过二极管D2通流；而在相反电流方向下则经过二极管D1和已经处于短路模式下的晶闸管Th2通流。
当发生直流母线极间短路时(外部故障)，故障电流流过换流阀桥臂所有功率模块中的二极管D2，压装二极管具备经受任何故障电流的能力，故无需使用额外的晶闸管，当然也就避免了晶闸管在这种工况下正确触发和均流的所有问题。
Claims (2)
1.多电平柔性高压直流输电功率模块保护与旁路拓扑，包括功率器件、与功率器件并联的二极管、直流电容器，其特征在于，在直流电容器两端并联了一个晶闸管撬杠。
2.根据权利要求1所述的多电平柔性高压直流输电功率模块保护与旁路拓扑，其特征在于，所述的晶闸管、功率器件及二极管采用压装器件组成阀串，晶闸管与直流电容器并联连接。
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