CN209016929U - 用于接通转换器模块的双向开关的装置和转换器模块 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于接通转换器模块的双向开关的装置和转换器模块。本实用新型的主题是一种用于接通转换器模块的双向开关的装置，其特征在于，设置有用于为双向开关的接通提供电能的能量产生设备，其适用于将电磁辐射转换为电能。此外，本实用新型的主题是一种具有该装置的用于模块化多电平变流器的转换器模块。

Description

用于接通转换器模块的双向开关的装置和转换器模块
技术领域
本实用新型涉及一种用于接通转换器模块的双向开关的装置以及具有该装置的用于模块化多电平变流器的转换器模块。
背景技术
从WO 2013/060354中已知在例如用于高压直流输电的模块化多电平变流器的转换器模块的桥式电路中设置双向开关。该双向开关在相应的控制下不仅能够针对一个电流方向、而且能够针对两个电流方向使转换器模块截止。这具有如下优点：在变流器的直流电压侧短路的情况下，仅对交流电压侧产生减小的反作用。也就是说，功率流本身的中断已经产生反作用，但是其相对于避免的短路小。从 WO 2012/116738中也已知具有双向开关的用于变流器的模块。用于具有反向截止电流的相应能力的双向开关的合适的IGBT例如从Nitesh Satheeesh等的产品广告“Moving forward with reverse-blocking IGBTs”，FujiElectric 05.03.2014中已知。 Klumpner等的文章“Using Reverse-Blocking IGBTs inPower Converters for Adjustable-Speed Drives”,IEEE 2006也讨论了双向开关的当前的概念。
在双向开关中使用半导体开关，其首先通过对相应的栅极施加控制电压而切换为导通。由于该原因，双向开关中的半导体开关在接通转换器模块之前是断开或者截止的。因此，特别是在(例如用于高压直流输电的变流器中的)转换器模块中使用双向开关时产生如下问题，不能对转换器模块中的电容器进行预充电，因为两个电流方向都截止。因此，在第一次使用时或者在维修后不能使转换器模块准备就绪。
在传统的例如经由电流转换器的电能供应中，由于例如设备中的高压等级，对于相应的绝缘产生高的技术开销，这导致高的成本。利用电池的电压供应也不是没有问题，因为其具有有限的寿命，因此在一定的时间之后导致转换器模块的维修开销和可用性降低。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于接通转换器模块的双向开关的装置，利用其可以特别可靠地且以相对低的成本使转换器模块处于准备就绪状态。
本实用新型通过根据本实用新型的装置来解决该技术问题。
本实用新型提供一种用于接通转换器模块的双向开关的装置，其设置有用于为双向开关的接通提供电能的能量产生设备，其适用于将电磁辐射转换为电能。
因此，根据本实用新型，首先通过从电磁辐射进行转换来提供少量的电能，并且至少在一个电流方向上使双向开关闭合。随后，可以对转换器模块的电容器预充电。由此，使转换器模块准备就绪。
虽然从DE 10 2013 213 263中已知具有子模块和诸如控制设备的能量消耗器的电流转换器，但是在此经由借助动能运行的发电机为能量消耗器提供电能。动能例如通过压缩空气或者泵入的水或油产生，其驱动涡轮机或者作用在压电元件上。要产生几伏特的电压，以便能够为控制设备提供相对高的能量需求。此外，提出了将激光、光波导、电池或者太阳能电池用于能量供应，但是其中，这些可能性在可产生的电能量方面展现为不足并且在技术上是复杂的。特别说明了借助压缩空气或者流体的动能可以实现高压设备的快速启动，这在其它可能性的情况下是不可行的。
与此相比，在将电磁辐射转换为电能时，可以足够快速地提供相对少量的电能，以便在最多几分钟之后允许接通双向开关。因此，这种方法适合于在第一次运行之前或者在维修之后使电流转换器准备就绪。
在根据本实用新型的装置的一种优选实施方式中，能量产生设备具有太阳能电池。这是有利的，因为太阳能电池是低成本的并且能够容易地提供所需量的电能。迄今为止的IGBT需要大约10-20μC的栅极电荷以进行开关。如果作为基准值假设在阳光直射的情况下入射大约10mW/cm^2的能量，并且太阳能电池可以将这些能量的10％转换为电能，则根据下面的等式，面积为1cm^2的太阳能电池将20μC充电到15V，持续300ms。
t＝Q/P＊U20μAS/1mVA＊15V＝300ms
具有根据本实用新型的装置的能量技术设备通常不在室外暴露在阳光照射下，而是布置在大厅或者地下室内。在这种情况下也可以通过人造光提供所需的光的量，例如通过在大厅内启动模块化多电平变流器时接通几分钟的光，或者通过用光有针对性地照射相应的模块的太阳能电池。这可以由技术人员利用射灯手动进行，或者例如通过以计算机控制的方式自动引导的天花板射灯自动进行，以便短时地照射所有太阳能电池。
在根据本实用新型的装置的另外一种优选的实施方式中，能量产生设备具有光电二极管。这是有利的，因为光电二极管简单、成本低且久经考验。
在根据本实用新型的装置的另外一种优选的实施方式中，光电二极管与光波导连接。这是有利的，因为所需的能量以这种方式能够在封闭的系统中传输到每个模块。对环境的光强度或者照明不存在依赖性，因为光波导一方面与光电二极管连接，另一方面与合适的光源连接。
在根据本实用新型的装置的另外一种优选的实施方式中，光波导附加地与转换器模块的通信设备连接。这是有利的，因为通常光波导已经设置为用于与转换器模块的通信设备进行数据通信。如果现在例如在通信模块之前布置光分配器，则可以在第一模式下将光经由光波导引导到光电二极管，并且可以在第二模式下将光引导到通信模块，以进行数据通信。也可以有利地使用混合形式，其中例如使用半透明镜子作为光分配器，使得光被同时引导到光电二极管和通信设备。
在根据本实用新型的装置的另外一种优选的实施方式中，能量产生设备适合于仅使用周围的电磁辐射、例如无线电信号或者电视信号来进行能量获取。这是有利的，因为在根据本实用新型的模块的应用地点例如通常存在无线电信号，其可以用于能量获取。通常在所谓的“环境后向散射(Ambient Backscatter)”系统中使用的这种技术，从在SIGCOMM’13,August 12-16,2013 Hong Kong,China 中出版的华盛顿大学的Vincent Liu等的出版物“Ambient Backscatter:Wireless Communication Out of Thin Air”中已知。其中描述了可以彼此通信的设备，其在此仅需要周围的电磁辐射(“环境射频信号”)、例如电视信号用于能量供应。设备以修改后的形式后向散射周围的电磁辐射，以传输诸如接触传感器的信号的信息。此外，已知Mikel Choperena的网站文章“Battery-less wirelesstemperature sensors based on low power UHF RFID tags”,10.Juni 2013， (“http://www.sensorsmag.com/product/development-platform-advances-battery-free-sensors-and”)，其描述了Farsens公司的传感器。这些传感器使用具有超高频信号(大约900MHz)的RFID并且测量温度、压力、空气湿度等。这种传感器也从Farsens公司September2014的产品手册“EPC C1G2 COMPLIANT BATTERYLESS SENSOR/ACTUATOR DEVELOPMENTPLATFORM POWERED BY ANDY100 PBMEDUSA-V01”中已知。
在根据本实用新型的装置的另外一种优选的实施方式中，能量产生设备具有能量存储器。这是有利的，因为可以以这种方式收集并且中间存储产生的电能，直到双向开关可以开关为止。
在根据本实用新型的装置的另外一种优选的实施方式中，能量存储器具有电容器。这是有利的，因为电容器耐用且可快速充电/放电。
在根据本实用新型的装置的另外一种优选的实施方式中，能量存储器具有超级电容器。这是有利的，因为超级电容器耐用且可快速充电/放电。
此外，本实用新型要解决的技术问题是提供一种转换器模块，能够特别可靠地并且以相对低的成本使其准备就绪。
本实用新型通过根据本实用新型的转换器模块来解决该技术问题。其相应地产生与前面针对根据本实用新型的装置所描述的相同的优点。
本实用新型还提供一种用于模块化多电平变流器的转换器模块，其具有双向开关和前面描述的用于接通转换器模块的双向开关的装置。
附图说明
为了更好地进行说明，借助优选实施例示意性地示出本实用新型。
图1示出了具有续流二极管的已知的多电平转换器的结构，和
图2示出了具有双向开关的转换器模块的不同的结构形式，和
图3示出了具有双向开关的多电平转换器的结构，和
图4示出了具有根据本实用新型的用于接通双向开关的装置的转换器模块。
具体实施方式
图1示出了模块化多电平转换器的大大简化的结构，多电平转换器在交流电压侧AC具有两个相31，32并且在直流电压侧具有两个连接端DC+，DC-。在该例子中，转换器具有以相同的结构实施的四个模块21。在此，为每一相设置两个转换器模块21。详细地示出了转换器模块21(左上)：其具有两个半导体开关8，对半导体开关8分别并联反向并联(即，具有反向导通的电流路径)的续流二极管9。在被构造为IGBT的半导体开关8之间存在中间连接端3，其与直流电压侧DC+连接。电容器5与半导体开关并联地布置。半导体开关8和续流二极管9分别形成单向开关7，即半导体开关可以使电流的一个方向截止。
在转换器开始运行之前，必须对各个电容器5预充电。这可以没有问题地进行，因为经由续流二极管9，电流路径22，23，24，25是断开的。电流路径 22，23，24，25用箭头示出。因此，例如可以经由与电流路径22对应的下面的单向开关7的续流二极管9对电容器进行无源(passiv)预充电。
图2示出了具有双向开关6的转换器模块1，2的不同的结构形式。在此，两个续流二极管之一相应地用另一个半导体开关8代替，以形成可以在每个电流方向上截止的双向开关6。这具有可以更好地控制直流电压侧的短路的优点。
图3示出了与图1相同的电路图，但是其中，代替图1中的转换器模块21，使用具有根据图2的双向开关6的转换器模块1。由此产生如下问题：在无电流状态下，即例如在第一次开始运行之前或者在维修之后，不能对电容器5预充电，因为双向开关6使电流路径22截止(另外三个模块的电流路径23-25类似)。这由打叉的箭头表示。
图4示出了该问题的根据本实用新型的解决方案。示出了具有单向开关7 以及双向开关6的转换器模块1，其半导体开关8经由控制导线36连接到控制设备34。当电容器5已经预充电时，可以经由导线35由电容器5对控制设备34 供应能量。
双向开关6中的两个半导体开关8中的右边的半导体开关8经由导线41与能量产生设备33连接，能量产生设备33具有被构造为电容器的能量存储器37。此外，能量产生设备33具有光电二极管40。
设置与光分配器41连接的光波导44。借助光分配器41，来自光波导41的光一方面可以经由光波导43传导到通信设备39，另一方面可以经由光波导42 传导到光电二极管40。通信设备39可以从光波导44中的光信号中获取例如控制信号，并且将控制信号经由数据导线38传输到控制设备34。光电二极管40 可以从光波导42中的光中产生电流，并且将该电流中间存储在能量产生设备33 的电容器37中。如果在电容器中已经有足够的能量，则经由导线41在半导体开关8的栅极上产生电压，并且其因此在一个方向上切换为导通。
因此，电流路径经由双向开关6导通，以便对电容器5预充电，由此对控制设备34供电。由此使转换器处于准备就绪状态。
能量产生设备33、光电二极管40、光分配器41以及光波导44和42形成根据本实用新型的用于接通转换器模块1的双向开关6的装置50。
根据一种替换实施方式，光电二极管40可以用进行能量获取的太阳能电池代替。对应地省去光分配器和光波导42；光波导44然后直接与通信设备39连接。

Claims (9)

1.一种用于接通转换器模块(1)的双向开关(6)的装置(50)，其特征在于，设置有用于为双向开关(6)的接通提供电能的能量产生设备(33)，其适用于将电磁辐射转换为电能。
2.根据权利要求1所述的装置(50)，其特征在于，所述能量产生设备(33)具有太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的装置(50)，其特征在于，所述能量产生设备具有光电二极管(40)。
4.根据权利要求3所述的装置(50)，其特征在于，所述光电二极管(40)与光波导(42，44)连接。
5.根据权利要求4所述的装置(50)，其特征在于，所述光波导(44)附加地与转换器模块(1)的通信设备(39)连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(50)，其特征在于，所述能量产生设备(33)具有能量存储器(37)。
7.根据权利要求6所述的装置(50)，其特征在于，所述能量存储器(37)具有电容器。
8.根据权利要求6所述的装置(50)，其特征在于，所述能量存储器(37)具有超级电容器。
9.一种用于模块化多电平变流器的转换器模块(1，2)，其特征在于，具有双向开关(6)和根据权利要求1至8中任一项所述的装置(50)。
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