CN211930497U - 变换器模块和电压中间电路变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种变换器模块和一种电压中间电路变换器。变换器模块(7)用于电压中间电路变换器(1)并且具有：带有至少两个功率半导体开关(102，104)的功率半导体电路(101)，与功率半导体电路并联的电路中的能量存储器(106)，以及包括可控保护半导体(109)的保护装置(108)，该可控保护半导体布置在与能量存储器并联的电路中。本实用新型的特征在于，保护装置还包括用于限制冲击电流的限流器(114)，该限流器与能量存储器串联地布置。此外，电压中间电路变换器具有变换器模块。

Description

变换器模块和电压中间电路变换器

技术领域

本实用新型涉及一种用于电压中间电路变换器的变换器模块，其具有带有至少两个功率半导体开关的功率半导体电路、与功率半导体电路并联的电路中的能量存储器以及包括可控保护半导体的保护装置，该可控保护半导体布置在与能量存储器并联的电路中。

背景技术

从DE 10 323 220 A1中已知这种变换器模块。已知的变换器模块的功率半导体电路被构造为全桥电路。该全桥电路包括两个串联电路，该串联电路分别具有两个功率半导体开关单元，该功率半导体开关单元分别具有可接通和可断开的半导体开关以及与该半导体开关反并联的续流二极管。以每个串联电路的功率半导体开关单元之间的电位点来布置全桥电路的外部接头。同时，在与功率半导体电路并联的电路中布置有以电容器的形式的能量存储器。已知的变换器模块的保护半导体是反回振荡二极管(Rückschwingdiode)或晶闸管。

在变换器模块中发生故障的情况下，例如在功率半导体电路的半导体开关中的一个开关失灵的情况下，变换器模块内部可能发生短路。特别地，在这种情况下，可能发生能量存储器的突然放电。在此，在没有特别的保护措施的条件下，流过功率半导体电路的短路电流的电流幅度可能超过1MA。这种短路电流可能导致功率半导体电路中的爆炸以及导致半导体开关的损坏或破坏。此外，爆炸能量可能导致汇流条的弯曲或断裂，并且导致功率半导体电路的壳体的损坏。

对此，已知的变换器模块的保护半导体被设置为用于在这种故障情况下接受短路电流。借助保护半导体，能量存储器在故障情况下被低欧姆地短路，使得功率半导体电路不由于能量存储器的放电而遭受损失。

已知的变换器模块是模块化的多级变换器的一部分，该多级变换器包括多个变换器臂或变换器分支。已知的多级变换器的变换器臂分别在多级变换器的输入侧和输出侧的交流电压接头之间延伸。每个变换器臂包括变换器模块的串联电路。这种模块化的多级变换器具有有利的特性，即，借助模块化的多级变换器可以产生几乎任意形状的多级的输出电压。可产生的输出电压的级的数量由变换器臂中的变换器模块的数量确定。模块化的多级变换器的另外的优点是，在变换器模块发生故障的情况下，借助桥接该有故障的变换器模块可以继续确保模块化的多级变换器的可运行性。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题是，提出一种开头提到的具有进一步改进的保护装置的变换器模块。

根据本实用新型，上述技术问题在这类的变换器模块中通过如下方式来解决：保护装置还包括用于限制冲击电流的限流器，该限流器与能量存储器串联地布置。

本实用新型提出了一种变换器模块，所述变换器模块用于电压中间电路变换器,所述变换器模块具有：带有至少两个功率半导体开关的功率半导体电路；与所述功率半导体电路并联的电路中的能量存储器；以及包括可控保护半导体的保护装置，所述可控保护半导体布置在与所述能量存储器并联的电路中，其中，所述保护装置还包括用于限制冲击电流的限流器，所述限流器与所述能量存储器串联地布置。

在故障情况下，在能量存储器的不受控制的放电时，可以借助限流器来限制短路电流的幅度。以这种方式，可以最小化短路电流的负面影响。为此目的，限流器可以具有任何合适的设计方案。例如，限流器可以包括电感和电阻元件的并联电路(RL组合)。

借助限流器，可以限制在故障情况下在变换器模块的直流中间电路中出现的冲击电流。以这种方式，可以有利地避免由于高冲击电流而导致的保护半导体的破坏，否则该破坏可以导致电弧和构件碎片的射出。在此，将包括能量存储器和功率半导体电路的电路称为变换器模块的直流电压中间电路。

适宜地，限流器被设计为使得该限流器在变换器模块正常运行时是低电感的。例如，在RL组合的情况下，电阻元件在换向期间接受运行电流，使得电路的损耗仅可忽略地增加。限流器的限流特性仅适当地出现在故障情况下。

适宜地，保护半导体在正常运行中是截止的。因此，保护半导体在正常运行中对变换器模块或整个变流器的工作没有影响。保护半导体例如可以是晶闸管或者另外的可控半导体开关。保护半导体可以在故障情况下被触发、也就是被接通。在触发之后，流过半导体开关的高短路电流例如导致该半导体开关击穿，从而产生用于短路电流的持久的低欧姆的电流路径。

根据本实用新型的一个实施方式，限流器包括与能量存储器串联地布置的初级绕组以及次级绕组，其中次级绕组和初级绕组磁性耦合并且次级绕组以带有电阻的方式(widerstandsbehaftet)短路。根据该变形方案，限流器对应于次级侧短路的变压器。变压器的初级侧是变换器模块的直流电压中间电路的有源组成部分。在故障情况下，初级绕组将由于陡峭的电流上升而接收到的电压变换到次级绕组，该次级绕组在此通过其欧姆电阻将接收到的电气能量的一部分转换为热量。初级绕组的电感分量负责限制电流上升速度或冲击电流，其中经由限流器产生的反向电压限制了短路电流的幅度。此外，通过在短路情况下增高的电感可以同样地降低短路电流的频率。以这种方式可以有利地减少高频磁场的发射，由此可以最小化相邻的电子部件的干扰。此外，可以借助限流器消耗地耗散50％和90％之间的在变换器模块的直流电压中间电路中存储的能量。

替换地，限流器可以包括由电感和电阻元件构成的电气并联电路。

根据本实用新型的另外的实施方式，保护半导体、初级绕组和次级绕组以机械的紧固连接固定。保护半导体、限流器的初级绕组和次级绕组彼此机械地夹紧。由此可以实现特别紧凑并且机械上稳固的针对保护装置的构造方式。通过紧凑的结构可以减小空间需求并且由此可以实现成本优势。

优选地，功率半导体电路布置在模块壳体中，并且保护装置布置在模块壳体外部。以这种方式，功率半导体电路和保护装置的内部结构彼此独立，使得也可以给已存在的、未根据本实用新型的变换器模块安装上保护装置。由此，该结构在变换器模块的制造中带来成本优势。

优选地，保护半导体具有栅极接头(Gate，栅极)，该栅极接头与控制电路连接，该控制电路与能量存储器和功率半导体电路之间的连接线电感地耦合。优选地，保护半导体是可控半导体开关。控制电路与保护半导体的控制接头或栅极连接，并且接受保护半导体的控制。电感耦合导致在变换器模块的直流电压中间电路中强的电流上升时感应出控制电路中的电流。控制电路中的电流适当地适合于触发保护半导体。以这种方式，提供了对保护半导体的简单并且同时有效的控制。

电感耦合可以通过传感器绕组实现，该传感器绕组在连接线附近或在连接线处布置或引导。传感器绕组例如布置为使得由传感器绕组撑开的平面与由中间电路撑开的平面平行。这导致控制电路的特别可靠的电感耦合。电感耦合被适当地设置，使得高于

的短路电流的上升导致保护半导体的触发。由此特别地，由运行引起在变换器模块中可能出现的10kA至20kA的小故障电流不导致保护半导体的(不必要的)触发。

优选地，控制电路包括电容，该电容布置在保护半导体的栅极接头和阴极接头(Kathode，阴极)之间。电容被设置为用于通过输出在电容中存储的能量来接通或触发保护半导体。优选地，电容具有10微法和50微法之间的电容值。

优选地，控制电路包括双向触发二极管(Diac)(也称为双向二极管)，该双向触发二极管与保护半导体的栅极接头连接。也可使用任何另外合适的电压控制的开关来代替双向触发二极管。双向触发二极管被设置为用于在高于预定的电压阈值的情况下导通。在低于电压阈值的情况下双向触发二极管保持截止。电压阈值可以位于1V和100V之间、优选地位于10V和50V 之间。借助双向触发二极管可以有利地避免小的电压波动导致保护半导体的触发。在超过电压阈值之后，只要流过电流，双向触发二极管就保持低欧姆地导通。

此外，控制电路可以包括第一电阻，用于电流限制流过控制电路的电流的。第一电阻的电阻值优选地位于0.1欧姆和1欧姆之间。

电容和电阻元件作为低通滤波器共同执行滤波器功能。

功率半导体电路的功率半导体开关例如可以以半桥电路或全桥电路彼此连接。根据具有全桥电路的实施变形方案，功率半导体电路具有四个可接通并且可断开的功率半导体开关，该功率半导体开关与能量存储器连接，使得在变换器模块的输出端子上可以产生在能量存储器上降落的能量存储器电压、零电压或者反向的能量存储器电压。根据具有半桥电路的另外的实施变形方案，功率半导体电路具有两个可断开的功率半导体开关，该功率半导体开关与能量存储器连接，使得在开关模块的输出端子上可以产生在能量存储器上降落的能量存储器电压或零电压。

此外，本实用新型涉及一种具有多个变换器臂的电压中间电路变换器，其中每个变换器臂包括开关模块的串联电路。

从已在前面提到的DE 10 323 220 A1中已知这种电压中间电路变换器，其是模块化的多级变换器。在那里，变换器臂在多级变换器的分别对应的交流电压接头之间延伸。开关模块分别具有以全桥实施的功率半导体电路。

从WO 2016/155837 A1中已知一种模块化的多级变换器，该多级变换器的变换器臂分别在中间电路变换器的直流电压极和交流电压接头之间延伸。WO 2016/155837 A1的多级变换器的开关模块分别具有以半桥实施的功率半导体电路。

本实用新型要解决的技术问题是，提出一种这类的电压中间电路变换器，其是尽可能可靠的。

根据本实用新型，上述技术问题在这类的电压中间电路变换器中通过如下方式来解决：电压中间电路变换器的开关模块是根据本实用新型的变换器模块。

本实用新型提出了一种电压中间电路变换器,所述电压中间电路变换器具有多个变换器臂，其中，每个变换器臂包括开关模块的串联电路，其中开关模块中的至少一个是根据本实用新型的变换器模块。

根据本实用新型的电压中间电路变换器的优点特别地由前面描述的根据本实用新型的变换器模块的优点产生。特别地，在故障情况下实现的根据本实用新型的变换器模块的可靠性在根据本实用新型的变换器模块在电压中间电路变换器中使用的情况下提高了整个装置的可靠性。

所有上面结合根据本实用新型的变换器模块所描述的特征和实施变形方案当然也可以在根据本实用新型的电压中间电路变换器中被单独地或者组合地实现。

附图说明

下面根据图1至图4进一步说明本实用新型。

图1以示意图示出了根据本实用新型的电压中间电路变换器的实施例；

图2以示意图示出了根据本实用新型的变换器模块的实施例；

图3以示意图示出了用于根据本实用新型的变换器模块的控制电路的实施例；

图4以示意图示出了根据本实用新型的变换器模块的另外的实施例。

具体实施方式

图1示出了中间电路变换器1，该中间电路变换器是模块化的多级变换器(MMC)。MMC 1具有第一直流电压极2和第二直流电压极3。第一和第二直流电压极2或3与直流电压连接4连接，该直流电压连接用于将MMC与直流电压网连接。此外，MMC 1具有交流电压接头5，该交流电压接头被设计为用于将MMC 1与三相交流电压网连接。六个类似构造的变换器臂6a-f在两个直流电压极2、3的每一个和交流电压接头5 之间延伸。

相分支6a包括类似构造的双极变换器模块7的串联电路。变换器模块7的数量基本上是任意的并且与相应的应用匹配，其在图1中由虚线9 表示。在与变换器模块7串联的电路中分别布置平滑扼流圈8。变换器模块7的结构将在下面的图2中被更详细地讨论。

图2详细示出了变换器模块7。变换器模块7包括以半桥电路101形式的功率半导体电路。半桥电路101具有两个接头X1和X2。接头X1例如可以将功率半导体电路101与另外的变换器模块7的功率半导体电路的接头X2连接，从而形成变换器模块7的串联电路。

功率半导体电路101包括以带有绝缘栅电极的双极晶体管(IGBT) 形式的第一半导体开关102，续流二极管103与该第一半导体开关反并联连接。此外，半桥电路101包括以IGBT形式的第二半导体开关104，续流二极管105与该第二半导体开关反并联连接。两个半导体开关102和 104的导通方向是整流的。第一接头X1布置在两个半导体开关102和104 之间的电位点113处。第二接头X2与第二半导体开关104的发射极连接。

与两个半导体开关102、104并联地布置以功率电容器106形式的能量存储器。通过适当地控制半导体开关102、104，在通过箭头107所示的运行电流方向的情况下，电容器106可以被接通或桥接，使得在接头 X1、X2上降落在电容器106上降落的电压U_C或者零电压。

此外，变换器模块7包括具有以晶闸管109形式的保护半导体的保护装置108，该保护半导体与能量存储器107并联地布置。晶闸管109的栅极110与控制电路111连接，该控制电路与在能量存储器106和功率半导体电路101之间的连接线112电感地耦合。控制电路111的结构细节将在下面的图3中被更详细地讨论。借助电流回路111a实现电感地耦合，该电流回路被设计为使得由电流回路111a撑开的平面大致与由电容器106和晶闸管109的并联电路所撑开的平面处于平行。

此外，控制电路111包括组件装置111b。

此外，保护装置108包括限流器114。限流器114包括电阻元件R和电感L的并联电路。

图3示出了用于图1、图2和图3中的变换器模块7的控制电路108 的结构，其中在所有图1至图4中相同和类似的组件具有相同的附图标记。组件装置111b包括第一电阻115和双向触发二极管116，该第一电阻和双向触发二极管布置在晶闸管109的栅极110和电流回路111a之间。此外，电容器117与电流回路111a并联设置，并且设置在晶闸管109的栅极110和阴极118之间。

在故障引起的、电容器106的突然放电的情况下，短路电流的强烈上升通过连接线112在电流回路111a中感应出电压。一旦电压超过30V 的预定阈值，双向触发二极管116就导通，从而经由其栅极110触发晶闸管109。由此，经由晶闸管109传导短路电流，从而防止功率半导体电路 101被损坏。来自电容器106的能量可以借助限流器114耗散并且转换为热量。

图4中示出了变换器模块7a，该变换器模块可以代替图1中的变换器模块7中一个或多个。不同于图3的变换器模块7，变换器模块7a包括保护装置108a。保护装置108a包括限流器114a，该限流器具有与能量存储器106串联布置的初级绕组120以及短路的次级绕组121，而次级绕组的电阻不为零(例如，次级绕组的端部彼此连接)。初级和次级绕组120 或121彼此磁性耦合。

此外，晶闸管109、初级和次级绕组120或121彼此例如以机械的紧固连接122夹紧并且固定。紧固连接122布置在功率半导体电路101的壳体123的外部。晶闸管109的控制电路在其结构上对应于来自图3的控制电路。

Claims (12)

1.一种变换器模块(7，7a)，所述变换器模块用于电压中间电路变换器(1)并且具有：

-带有至少两个功率半导体开关(102，104)的功率半导体电路(101)，

-与所述功率半导体电路(101)并联的电路中的能量存储器(106)，以及

-包括可控保护半导体(109)的保护装置(108)，所述可控保护半导体布置在与所述能量存储器(106)并联的电路中，

其特征在于，

所述保护装置(108)还包括用于限制冲击电流的限流器(114)，所述限流器与所述能量存储器(106)串联地布置。

2.根据权利要求1所述的变换器模块(7a)，其特征在于，所述限流器(114)包括：

-初级绕组(120)，所述初级绕组与所述能量存储器(106)串联地布置，以及

-次级绕组(121)，其中所述次级绕组(121)和所述初级绕组(120)磁性耦合并且所述次级绕组(121)以带有电阻的方式短路。

3.根据权利要求1所述的变换器模块(7a)，其特征在于，所述限流器(114)包括由电阻元件(R)和电感(L)构成的并联电路。

4.根据权利要求2所述的变换器模块(7a)，其特征在于，所述保护半导体(109)、所述初级绕组(120)和所述次级绕组(121)以机械的紧固连接(122)固定。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的变换器模块(7a)，其特征在于，所述功率半导体电路(101)布置在模块壳体(123)中，并且所述保护装置(108)布置在所述模块壳体(123)外部。

6.根据权利要求1所述的变换器模块(7)，其特征在于，所述保护半导体(109)具有栅极接头(110)，所述栅极接头与控制电路(111)连接，所述控制电路与所述能量存储器(106)和所述功率半导体电路(101)之间的连接线(112)电感地耦合。

7.根据权利要求6所述的变换器模块(7)，其特征在于，所述控制电路(111)包括传感器绕组(111a)，所述传感器绕组在所述连接线(112)附近或在所述连接线(112)处布置。

8.根据权利要求6所述的变换器模块(7)，其特征在于，所述控制电路(111)包括电容(117)，所述电容布置在保护半导体(109)的栅极接头(110)和阴极接头(118)之间。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的变换器模块(7)，其特征在于，所述控制电路(111)包括双向触发二极管(116)，所述双向触发二极管与保护半导体(109)的栅极接头(110)连接。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的变换器模块(7)，其特征在于，所述控制电路(111)包括第一电阻(115)。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的变换器模块(7)，其特征在于，所述功率半导体电路(101)的功率半导体开关(102，104)以半桥电路或全桥电路彼此连接。

12.一种电压中间电路变换器(1),所述电压中间电路变换器具有多个变换器臂(6a-f)，其特征在于，每个变换器臂(6a-f)包括开关模块的串联电路，其中开关模块中的至少一个是根据权利要求1至10中任一项所述的变换器模块(7，7a)。

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