RU2587683C2 - Модульный многократный преобразователь, снабженный проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле - Google Patents

Модульный многократный преобразователь, снабженный проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле Download PDF

Info

Publication number
RU2587683C2
RU2587683C2 RU2013148003/07A RU2013148003A RU2587683C2 RU 2587683 C2 RU2587683 C2 RU 2587683C2 RU 2013148003/07 A RU2013148003/07 A RU 2013148003/07A RU 2013148003 A RU2013148003 A RU 2013148003A RU 2587683 C2 RU2587683 C2 RU 2587683C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
power semiconductor
relays
semiconductor relays
reverse
submodule
Prior art date
Application number
RU2013148003/07A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2013148003A (ru
Inventor
Ханс-Гюнтер ЭККЕЛЬ
Original Assignee
Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акциенгезелльшафт filed Critical Сименс Акциенгезелльшафт
Publication of RU2013148003A publication Critical patent/RU2013148003A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2587683C2 publication Critical patent/RU2587683C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области электротехники. Чтобы создать субмодуль (13) для модульного многоступенчатого преобразователя (1), включающий в себя по меньшей мере один униполярный накопитель (14) энергии, первую и вторую соединительные клеммы (16, 17) и схему силовых полупроводников, которая имеет включаемые и отключаемые посредством сигнала управления силовые полупроводниковые реле (T1, T4, 19) и безынерционные диоды (D1, D2), включенные встречно параллельно предусмотренному силовому полупроводниковому реле (T1, T4), при этом в зависимости от настройки силовых полупроводниковых реле (T1, T4, 19) может создаваться напряжение, падающее на одном или всех накопителях энергии (14), или же нулевое напряжение между первой и второй соединительной клеммой (16, 17), и при этом схема силовых полупроводниковых реле образует шунтирующую ветвь (18), которая находится между точками потенциала первой и второй соединительных клемм (16, 17), который при нормальной эксплуатации обеспечивает технический результат - имеет низкие потери пропускания и, кроме того, оптимален по стоимости, предлагается, чтобы только расположенные в шунтирующей ветви (18) силовые полупроводниковые реле являлись силовыми полупроводниковыми реле (19), проводящими в обратном направлении. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение касается субмодуля для модульного многоступенчатого преобразователя, включающего в себя по меньшей мере один униполярный накопитель энергии, первую и вторую соединительные клеммы и схему силовых полупроводников, которая имеет включаемые и отключаемые посредством сигнала управления силовые полупроводниковые реле и безынерционные диоды, включенные встречно параллельно предусмотренному силовому полупроводниковому реле, при этом, в зависимости от настройки силовых полупроводниковых реле, может создаваться напряжение, падающее на одном или всех накопителях энергии, или же нулевое напряжение между первой и второй соединительными клеммами, и при этом схема силовых полупроводниковых реле образует шунтирующую ветвь, которая находится между точками потенциала первой и второй соединительных клемм.
Такой субмодуль уже известен, например, из DE 10103031. Там описан многоступенчатый преобразователь, который имеет модули фаз, имеющие каждый одно подключение для переменного напряжения для фазы сети переменного напряжения, которая должна подключаться, а также два подключения для постоянного напряжения, которые предусмотрены для подключения промежуточного контура постоянного напряжения. Между подключением для переменного напряжения и каждым подключением для постоянного напряжения распространяется ветвь модуля фаз. Эти две ветви модуля фаз соединены с остальными ветвями модуля фаз в виде так называемой «мостовой схемы Греца». При этом каждая ветвь модуля фаз имеет последовательную схему из субмодулей, которые оснащены каждый униполярным накопительным конденсатором. Параллельно накопительному конденсатору включена последовательная схема из двух включаемых и отключаемых силовых полупроводниковых реле, встречно параллельно каждому из которых включен безынерционный диод. В последовательной схеме упомянутые настраиваемые силовые полупроводниковые реле расположены с одинаковым направлением пропускания. Ранее известный субмодуль имеет также две соединительные клеммы, при этом одна соединительная клемма непосредственно соединена с полюсом накопительного конденсатора, а другая соединительная клемма с точкой потенциала, которая находится между двумя настраиваемыми силовыми полупроводниковыми реле. Таким образом, в зависимости от настройки силовых полупроводниковых реле к двум соединительным клеммам каждого субмодуля может прикладываться или напряжение конденсатора, падающее на накопительном конденсаторе, или же нулевое напряжение. Вследствие последовательной схемы общее напряжение каждой ветви модуля фаз может регулироваться ступенчато, при этом высота ступеней задана напряжением, падающим на накопительном конденсаторе.
На практике известны, кроме того, настраиваемые включаемые и отключаемые силовые полупроводниковые реле, проводящие в обратном направлении. Поэтому эти силовые полупроводниковые реле больше не требуют встречно параллельно включенных безынерционных диодов. Проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле по сравнению с не проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле обладают тем преимуществом, что на них при нормальной эксплуатации падает меньшее напряжение пропускания, так что потери по сравнению с не проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле снижены. Проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле обладают, однако, тем недостатком, что они дороги по сравнению с уже имеющимися на рынке силовыми полупроводниковыми реле без обратной проводимости.
Поэтому задачей изобретения является предложить субмодуль вышеназванного рода, который при нормальной эксплуатации имеет более низкие потери и, кроме того, также оптимален по стоимости.
Изобретение решает эту задачу за счет того, что только расположенные в шунтирующей ветви силовые полупроводниковые реле являются силовыми полупроводниковыми реле, проводящими в обратном направлении.
В рамках изобретения предлагается субмодуль для модульного многоступенчатого преобразователя, который имеет проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле. Так как известны и субмодули вышеназванного рода, и проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле, была бы естественна полная замена применявшихся до сих пор, не проводящих в обратном направлении силовых полупроводниковых реле, проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле. Тогда в любом случае такой субмодуль отличался бы более низкими напряжениями пропускания и при этом не такими высокими эксплуатационными потерями, как ранее известный субмодуль. Однако в соответствии с изобретением было обнаружено, что силовые полупроводниковые реле, которые расположены между соединительными клеммами, испытывают более высокую нагрузку, чем силовые полупроводниковые реле, не расположенные между соединительными клеммами. Этот вывод является результатом сложных расчетов и моделирования, которые не являются предметом настоящего изобретения. Вследствие этого вывода проводящие в обратном направлении, настраиваемые включаемые и отключаемые силовые полупроводниковые реле расположены исключительно в шунтирующей ветви субмодуля, которая находится между точками потенциала соединительных клемм. Таким образом, это те силовые полупроводниковые реле, которые при нормальной эксплуатации субмодуля, в частности в случаях применения в области передачи и распределения энергии, испытывают особенно сильную нагрузку. Благодаря применению проводящих в обратном направлении включаемых и отключаемых силовых полупроводниковых реле напряжение пропускания может снижаться. Испытывающими менее сильную нагрузку силовыми полупроводниковыми реле в рамках изобретения являются, кроме того, силовые полупроводниковые реле, которые не обладают обратной проводимостью и встречно параллельно которым, таким образом, как известно из уровня техники, включены безынерционные диоды. Эти силовые полупроводниковые реле имеются в продаже по существенно более оптимальной стоимости. Так как более оптимальные по стоимости силовые полупроводниковые реле применены только в местах субмодуля, испытывающих менее сильную нагрузку, потери, которые возникают вследствие повышенного напряжения пропускания, являются приемлемыми.
По одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предусмотрен униполярный накопитель энергии, параллельно которому включена последовательная схема из настраиваемых включаемых и отключаемых силовых полупроводниковых реле с одинаковым направлением пропускания, при этом первая соединительная клемма соединена с первым полюсом накопителя энергии, а вторая соединительная клемма с точкой потенциала, находящейся между настраиваемыми силовыми полупроводниковыми реле. Схема такого субмодуля, в принципе, известна, однако при этом испытывающее высокую нагрузку силовое полупроводниковое реле в соответствии с изобретением является силовым полупроводниковым реле, проводящим в обратном направлении. Это силовое полупроводниковое реле во время эксплуатации испытывает более высокую нагрузку, так что уже достаточно применения только одного проводящего в обратном направлении силового полупроводникового реле в шунтирующей ветви между соединительными клеммами, чтобы снижать эксплуатационные потери. Не находящееся между соединительными клеммами силовое полупроводниковое реле, как в уровне техники, является не проводящим в обратном направлении силовым полупроводниковым реле, встречно параллельно которому включен безынерционный диод.
В отличие от этого по другому варианту изобретения предусмотрены первый и включенный последовательно первому накопителю энергии второй накопитель энергии, и в шунтирующей ветви расположены два проводящих в обратном направлении силовых полупроводниковых реле с одинаковым направлением пропускания, при этом точка потенциала между проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле соединена с точкой потенциала между первым и вторым накопителями энергии, и при этом шунтирующая ветвь через первое силовое полупроводниковое реле, снабженное встречным первым безынерционным диодом, соединена с полюсом второго накопителя энергии и через второе силовое полупроводниковое реле, снабженное встречным безынерционным диодом, с полюсом первого накопителя энергии, так что шунтирующая ветвь включена между не проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле, и при этом все силовые полупроводниковые реле расположены последовательно и с одинаковым направлением пропускания. В соответствии с этим предпочтительным усовершенствованием предложен двойной модуль, который также известен как таковой. У упомянутого двойного модуля в рамках изобретения только находящиеся между соединительными клеммами силовые полупроводниковые реле выбраны в качестве проводящих в обратном направлении силовых полупроводниковых реле, так как эти силовые полупроводниковые реле при эксплуатации многоступенчатого преобразователя испытывают более высокую нагрузку, чем силовые полупроводниковые реле, не находящиеся между соединительными клеммами.
По одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения каждое проводящее в обратном направлении силовое полупроводниковое реле устроено так, что на нем падает как можно меньшее напряжение пропускания. Проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле, например, проводящие в обратном направлении IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором, БТИЗ), могут оптимизироваться различным образом. При этом имеется взаимодействие между так называемым «зарядом обратного восстановления» в диодном режиме с одной стороны и напряжением пропускания как в диодном режиме, так и в режиме силовых полупроводниковых реле с другой стороны. Так, более низкий заряд обратного восстановления приводит к более высоким напряжениям пропускания как в режиме IGBT, так и в диодном режиме. Поэтому оптимизация проводящих в обратном направлении IGBT может приводить или к более низким потерям пропускания, или же к более низким потерям переключения. В соответствии с этим предпочтительным усовершенствованием проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле оптимизированы для более низких напряжений пропускания.
Целесообразным образом предусмотрен блок настройки для настройки настраиваемых силовых полупроводниковых реле, причем этот блок настройки устроен так, что не проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле включаются медленнее по сравнению со всеми проводящими в обратном направлении настраиваемыми силовыми полупроводниковыми реле. Если расположенное или расположенные между соединительными клеммами силовые полупроводниковые реле оптимизированы в отношении низких напряжений пропускания, получаются высокие накопленные заряды, когда проводящее в обратном направлении силовое полупроводниковое реле действует в качестве диода, то есть проводит ток против своего переключаемого направления пропускания. Однако высокие накопленные заряды проводящих в обратном направлении силовых полупроводниковых реле у включенного или включенных последовательно не проводящих в обратном направлении силовых полупроводниковых реле приводят, в частности, к высоким потерям включения. Однако высокие потери включения у испытывающих менее сильную нагрузку силовых полупроводниковых реле, которые не расположены в шунтирующей ветви, являются меньшей помехой, так как эти силовые полупроводниковые реле, как было обнаружено в рамках изобретения, испытывают менее сильную нагрузку. Посредством более медленного включения ограничиваются высокие токи включения, так что опасность разрушения этих силовых полупроводниковых реле снижена.
В соответствии с другим целесообразным усовершенствованием не расположенные в шунтирующей ветви силовые полупроводниковые реле оптимизированы в том отношении, что они имеют как можно меньший накопленный заряд. Низкий накопленный заряд, в свою очередь, сокращает до минимума потери включения в последовательно включенных силовых полупроводниковых реле шунтирующей ветви, которые являются проводящими в обратном направлении и испытывают особенно высокую нагрузку. Таким образом сокращаются до минимума потери включения испытывающих высокую нагрузку силовых полупроводниковых реле. Более высокие потери пропускания испытывающих менее сильную нагрузку силовых полупроводниковых реле являются меньшей помехой.
Целесообразным образом предусмотрен блок настройки для настройки настраиваемых силовых полупроводниковых реле, причем этот блок настройки устроен так, что не проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле включаются медленнее по сравнению с проводящим в обратном направлении настраиваемым силовым полупроводниковым реле. Это снижает потери, которые возникают у проводящих в обратном направлении силовых полупроводниковых реле в диодном режиме вследствие высоких накопленных зарядов, за счет потерь включения не проводящих в обратном направлении силовых полупроводниковых реле. Это предпочтительно, так как последние испытывают менее сильную нагрузку.
Изобретение касается также многоступенчатого преобразователя, снабженного модулем по одному из предыдущих пунктов.
Другие целесообразные варианты осуществления и преимущества изобретения являются предметом последующего описания примеров осуществления изобретения со ссылкой на фигуры чертежей, при этом одинаковые ссылочные обозначения указывают одинаково действующие конструктивные элементы, и при этом показано:
Фиг.1 - пример осуществления предлагаемого изобретением многоступенчатого преобразователя;
Фиг.2 - субмодуль по уровню техники;
Фиг.3 - подложка IGBT в качестве силового полупроводникового реле с параллельно включенным встречным безынерционным диодом;
Фиг.4 - подложка проводящего в обратном направлении силового полупроводникового реле;
Фиг.5 - субмодуль в соответствии с Фиг.2, который имеет исключительно проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле;
Фиг.6 - один из примеров осуществления предлагаемого изобретением субмодуля;
Фиг.7 - другой пример осуществления предлагаемого изобретением субмодуля;
Фиг.8 - субмодуль в соответствии с Фиг.7, снабженный шунтирующими реле, и
Фиг.9 - другой пример осуществления предлагаемого изобретением субмодуля.
На Фиг.1 показан одни из примеров осуществления предлагаемого изобретением многоступенчатого преобразователя в схематичном изображении. Можно видеть, что многоступенчатый преобразователь имеет три модуля 2, 3, 4 фаз, причем каждый из модулей 2, 3, 4 фаз имеет одно подключение 5 для переменного напряжения, а также два подключения 6 и 7 для постоянного напряжения. Каждое подключение 5 для переменного напряжения соединено с фазой 8 не изображенной на фигуре сети переменного напряжения. Для гальванической развязки между преобразователем 1 и сетью переменного напряжения служит трансформатор 9, снабженный первичной обмоткой 10 и вторичной обмоткой 11. Между подключением 5 к сети переменного напряжения и каждым из подключений 6 и 7 для постоянного напряжения каждый из модулей 2, 3 и 4 фаз образует две ветви 12 модулей фаз. Эти ветви модулей фаз всех модулей 2, 3, 4 фаз соединены друг с другом с получением мостовой схемы. При этом каждая ветвь модулей фаз включает в себя последовательную схему из субмодулей 13, которые оснащены каждый одним или несколькими униполярными конденсаторами 14 в качестве накопителей энергии.
На Фиг.2 показан вариант осуществления субмодуля по уровню техники. Можно видеть, что субмодуль имеет униполярный конденсатор 14, параллельно которому включена последовательная схема 15, в которой последовательно включены два включаемых и отключаемых посредством сигнала настройки силовых полупроводниковых реле T1 и T2. Упомянутые силовые полупроводниковые реле T1 и T2 не являются проводящими в обратном направлении, так что встречно параллельно каждому из них включен безынерционный диод D1 или, соответственно, D2. Точка потенциала между настраиваемыми силовыми полупроводниковыми реле T1 и T2 или, соответственно, между безынерционными диодами D1 и D2 соединена со второй соединительной клеммой 17, при этом один полюс накопительного конденсатора 14 соединен с первой соединительной клеммой 16. Силовые полупроводниковые реле T1 и T2 в показанном примере представляют собой так называемый IGBT, при этом, однако, могут применяться и другие включаемые и отключаемые силовые полупроводниковые реле, такие как, например, GTO (Gate Turn Off, силовые запираемые тиристоры), или IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor, тиристоры с интегрированным управлением), или тому подобные.
Когда силовое полупроводниковое реле T1 приводится в свое положение пропускания, в котором обеспечена возможность течения тока через T1 в указанном направлении пропускания, силовое полупроводниковое реле T2 должно быть переведено в свое запертое положение во избежание короткого замыкания накопительного конденсатора 14. Соответствующее справедливо в обратном случае. То есть когда силовое полупроводниковое реле T1 включено в свое положение пропускания, силовое полупроводниковое реле T2 переведено в запертое положение, так что на соединительных клеммах 16 и 17 падает напряжение Uc накопительного конденсатора 14. В обратном случае первая соединительная клемма 16 через отключаемое силовое полупроводниковое реле T2 соединена с первой соединительной клеммой, так что на соединительных клеммах 16, 17 падает нулевое напряжение. При показанной на Фиг.1 ветви 12 модуля фаз, которая, например, имеет субмодули 13 в соответствии с Фиг.2 по последовательной схеме, напряжение, которое падает на всей ветви 12 модуля фаз, может, таким образом, ступенчато повышаться и понижаться, при этом высота ступеней задана высотой напряжения Uc конденсатора. Это напряжение зависит, разумеется, от запирающей способности силовых полупроводниковых реле T1 или, соответственно, T2. По современному уровню техники она составляет от 1 кВ до 10 кВ. В случаях применения для высокого напряжения при этом последовательно включаются несколько сотен субмодулей 12. Альтернативно этому силовые полупроводниковые реле T1 и T2 могут также предназначаться для последовательной схемы силовых полупроводниковых реле, так что запирающее напряжение реле и вместе с тем высота ступеней напряжения повышена.
Из уровня техники, кроме того, известны проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле, которые как могут включаться и отключаться посредством сигнала настройки в направлении их пропускания, так и являются проводящими против их переключаемого направления пропускания. Другими словами, течение тока в направлении пропускания может прерываться, когда проводящее в обратном направлении силовое полупроводниковое реле приводится в свое запертое положение. Течение тока через проводящее в обратном направлении силовое полупроводниковое реле в направлении пропускания может тогда становиться возможным, только когда оно посредством сигнала управления из своего запертого положения активно приводится в положение пропускания. Для тока, который течет в направлении, противоположном направлению пропускания, проводящее в обратном направлении силовое полупроводниковое реле всегда остается проводящим, независимо от подаваемого сигнала управления. Поэтому для этого направления тока силовое полупроводниковое реле действует как диод. Благодаря обратной проводимости параллельное включение встречного диода стало ненужным.
На Фиг.3 показана подложка не проводящего в обратном направлении IGBT со встречно включенным безынерционным диодом. Можно видеть, что для включаемого и отключаемого IGBT на подложке расположены четыре полупроводниковых микросхемы, при этом для диода предусмотрены две микросхемы.
На Фиг.4 показана подложка проводящего в обратном направлении IGBT, который назван там RC-IGBT (reverse-conducting insulated gate bipolar transistor, IGBT с обратной проводимостью). Можно видеть, что на одной подложке расположены шесть микросхем RC-IGBT. Как в направлении пропускания, также и в противоположном «диодном» направлении у проводящего в обратном направлении IGBT применяются, таким образом, все микросхемы. У не проводящего в обратном направлении IGBT, который схематично изображен на Фиг.3, напротив, используются только четыре микросхемы в направлении пропускания или, соответственно, две микросхемы в диодном режиме эксплуатации. Таким образом, у проводящего в обратном направлении IGBT течение тока распределяется в двух направлениях на несколько полупроводниковых микросхем. Уже по этой причине проводящий в обратном направлении IGBT обладает более низким напряжением пропускания, чем соответственно рассчитанное силовое полупроводниковое реле без обратной проводимости. Поэтому естественно комплектовать субмодуль в соответствии с Фиг.2 исключительно проводящими в обратном направлении IGBT 19, как это изображено на Фиг.5.
На Фиг.6 показан один из примеров осуществления в соответствии с настоящим изобретением. По сравнению с Фиг.2 можно видеть, что в распространяющейся между соединительными клеммами 16 и 17 переходной ветви 18 расположено проводящее в обратном направлении силовое полупроводниковое реле. Вне переходной ветви 18 предусмотрен, однако, не проводящий в обратном направлении IGBT T1, встречно параллельно которому, в свою очередь, включен диод D1. По сравнению с субмодулем, изображенным на Фиг.5, субмодуль в соответствии с Фиг.6, таким образом, существенно более оптимален по стоимости. Путем трудоемких расчетов удалось выяснить, что, в частности, в случаях применения в области передачи энергии расположенное в шунтирующей ветви 19 силовое полупроводниковое реле T2 или, соответственно, 19 испытывает более сильную нагрузку, чем силовое полупроводниковое реле T1. Таким образом, в соответствии с изобретением совершенно достаточно располагать дорогой проводящий в обратном направлении IGBT только в шунтирующей ветви 18, но не вне шунтирующей ветви 18.
Проводящий в обратном направлении IGBT 19 может теперь оптимизироваться в двух направлениях. Во-первых, он может регулироваться так, чтобы на нем падало более низкое напряжение пропускания. Напряжение пропускания является тем напряжением, которое падает на силовом полупроводниковом реле 19 в двух направлениях тока. Следствием более низкого напряжения пропускания являются более низкие потери. Однако когда проводящий в обратном направлении IGBT оптимизируется в том отношении, чтобы он как в режиме IGBT, так и в диодном режиме имел низкие напряжения пропускания, по физическим причинам это осуществляется только за счет высоких зарядов обратного восстановления. Следствием высокого заряда обратного восстановления являются, однако, более высокие потери включения.
Теперь, если ток течет на Фиг.6 от первой соединительной клеммы 16 через проводящий в обратном направлении IGBT 19 в диодном режиме к соединительной клемме 17, вследствие высоких зарядов обратного восстановления проводящего в обратном направлении IGBT 19 возможно, что при включении T1, то есть при переводе не проводящего в обратном направлении силового полупроводникового реле T1 из его запертого положения в его положение пропускания, через T1 потечет такой высокий ток, что оно разрушится. Из-за этого в рамках одного из примеров осуществления изобретения оно соединено с блоком регулирования, который посредством подключения шлюза этого T1 обеспечивает более медленное включение T1 по сравнению с процессом отключения IGBT. Таким образом предотвращается разрушение T1. Так как не проводящее в обратном направлении силовое полупроводниковое реле T1 испытывает менее сильную нагрузку, чем проводящее в обратном направлении силовое полупроводниковое реле 19, оно еще имеет тепловые резервы, так что в результате высокие потери включения с выделением тепла являются приемлемыми. Когда при течении тока от соединительной клеммы 17 через проводящее в обратном направлении силовое полупроводниковое реле 19 к соединительной клемме 16 силовое полупроводниковое реле 19 переводится в свое запертое положение, хотя и происходят высокие потери отключения, однако они приемлемы в отношении более низких потерь пропускания.
На Фиг.7 показан другой пример осуществления изобретения. Можно видеть, что по сравнению с Фиг.6 первая соединительная клемма 16 соединена с другим полюсом униполярного накопительного конденсатора 14. Снова в шунтирующей ветви 18 расположен проводящий в обратном направлении IGBT, в то время как силовое полупроводниковое реле, которое не находится между соединительными клеммами 16 и 17, снова представляет собой не проводящий в обратном направлении IGBT, снабженный встречно параллельным безынерционным диодом D1.
На Фиг.8 показан пример осуществления изобретения в соответствии с Фиг.6, причем, однако, субмодуль 13 может перемыкаться тиристором 20 или, соответственно, механическим выключателем 21. Это необходимо в случае неисправности, чтобы можно было перемыкать неисправный субмодуль в ветви 12 модулей фаз, так чтобы эксплуатация преобразователя могла продолжаться.
На Фиг.9 показан другой пример осуществления предлагаемого изобретением субмодуля 13, который также может называться двойным модулем. В противоположность представленным до сих пор субмодулям 13, показанный на Фиг.9 субмодуль 13 имеет последовательную схему из двух накопительных конденсаторов 14 и 22. Параллельно последовательной схеме из двух накопительных конденсаторов 14 и 22 включена последовательная схема из силовых полупроводниковых реле 23. В последовательную схему 23 интегрирована шунтирующая ветвь 18. Шунтирующая ветвь 18 находится между точками потенциала первой 16 и второй соединительных клемм 17. В шунтирующей ветви 18 расположены два включаемых и отключаемых посредством сигнала управления, проводящих в обратном направлении силовых полупроводниковых реле 19. Точка потенциала между упомянутыми силовыми полупроводниковыми реле 19 соединена с точкой потенциала между накопительными конденсаторами 14 и 22. Коллектор первого силового полупроводникового реле T1 соединен со свободной клеммой или свободным полюсом второго накопительного конденсатора 22. Встречно параллельно этому первому, не проводящему в обратном направлении силовому полупроводниковому реле T1, снова включен безынерционный диод D1. Кроме того, предусмотрено четвертое силовое полупроводниковое реле T4, которое соединяет шунтирующую ветвь 18 со свободным полюсом или клеммой первого накопительного конденсатора 14. Для этого эмиттер не проводящего в обратном направлении силового полупроводникового реле T4 соединен с упомянутой клеммой накопительного конденсатора 14. Встречно параллельно силовому полупроводниковому реле T4, в свою очередь, включен безынерционный диод. В соответствии с этой схемой теперь к соединительным клеммам 16, 17 может прикладываться напряжение, падающее либо на накопительном конденсаторе 14, либо на накопительном конденсаторе 22. Также между соединительными клеммами 16 и 17 может создаваться суммарное напряжение, то есть сумма напряжения накопительного конденсатора 14 и напряжения накопительного конденсатора 22.
Второе и третье силовые полупроводниковые реле 19 последовательной схемы 23 являются проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле 19. Оба, в свою очередь, рассчитаны на низкие потери пропускания и образуют сравнительно высокий заряд обратного восстановления. Во избежание разрушения T1 и T4 они посредством не показанного блока регулирования включаются медленно по сравнению со временем включения проводящего в обратном направлении силового полупроводникового реле 19 в шунтирующей ветви 18. Кроме того, здесь соответственно справедливы рассуждения касательно реле в соответствии с Фиг.6. В частности, расположенные в шунтирующей ветви 18 реле 19 испытывают более высокую нагрузку, чем не расположенные в шунтирующей ветви реле T1 и T4.

Claims (7)

1. Субмодуль (13) для модульного многоступенчатого преобразователя (1), включающий в себя
- по меньшей мере один униполярный накопитель (14) энергии,
- первую и вторую соединительные клеммы (16, 17) и
- схему силовых полупроводников, которая имеет включаемые и отключаемые посредством сигнала управления силовые полупроводниковые реле (T1, Т4, 19) и безынерционные диоды (D1, D2), встречно параллельно включенные соответствующему силовому полупроводниковому реле (T1, Т4), при этом в зависимости от настройки силовых полупроводниковых реле (T1, T4, 19) создается напряжение, падающее на одном или всех накопителях энергии (14), или же нулевое напряжение между первой и второй соединительными клеммами (16, 17), и при этом схема силовых полупроводниковых реле образует шунтирующую ветвь (18), которая находится между точками потенциала первой и второй соединительных клемм (16, 17),
отличающийся тем, что только расположенные в шунтирующей ветви (18) силовые полупроводниковые реле являются проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле (19).
2. Субмодуль (13) по п. 1,
отличающийся тем, что предусмотрен униполярный накопитель (14) энергии, параллельно которому включена последовательная схема (15) из настраиваемых включаемых и отключаемых силовых полупроводниковых реле с одинаковым направлением пропускания, при этом первая соединительная клемма (16) соединена с полюсом накопителя (14) энергии, а вторая соединительная клемма (17) с находящейся между настраиваемыми силовыми полупроводниковыми реле (Т1, 19) точкой потенциала.
3. Субмодуль (13) по п. 1,
отличающийся тем, что предусмотрены первый и включенный последовательно первому накопителю (14) энергии второй накопитель (22) энергии, и в шунтирующей ветви (18) расположены два проводящих в обратном направлении силовых полупроводниковых реле (19) с одинаковым направлением пропускания, при этом точка потенциала между проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле (19) соединена с точкой потенциала между первым (14) и вторым накопителями (22) энергии, и при этом шунтирующая ветвь (18) через первое силовое полупроводниковое реле (T1), снабженное встречным первым безынерционным диодом (D1), соединена со вторым накопителем (22) энергии, и через второе силовое полупроводниковое реле (Т4), снабженное встречным безынерционным диодом (D4), с первым накопителем (14) энергии, так что шунтирующая ветвь (18) включена между не проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле (T1, T4), при этом все силовые полупроводниковые реле (T1, T4, 19) расположены последовательно и с одинаковым направлением пропускания.
4. Субмодуль (13) по любому из пп. 1-3,
отличающийся тем, что каждое проводящее в обратном направлении силовое полупроводниковое реле (19) устроено так, что на нем падает как можно более низкое напряжение пропускания.
5. Субмодуль (13) по любому из пп. 1-3,
отличающийся блоком настройки для настройки настраиваемых силовых полупроводниковых реле (T1, T4, 19), при этом блок настройки устроен так, что не проводящие в обратном направлении силовые полупроводниковые реле (T1, T4) включаются медленнее по сравнению со всеми проводящими в обратном направлении настраиваемыми силовыми полупроводниковыми реле (19).
6. Субмодуль (13) по п. 4,
отличающийся тем, что не расположенные в шунтирующей ветви (18) диоды (D1, D4) имеют как можно более низкий накопленный заряд.
7. Многоступенчатый преобразователь (1), снабженный субмодулем (13) по одному из предыдущих пунктов.
RU2013148003/07A 2011-03-29 2012-03-14 Модульный многократный преобразователь, снабженный проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле RU2587683C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011006345.5 2011-03-29
DE102011006345A DE102011006345A1 (de) 2011-03-29 2011-03-29 Modularer Mehrfachumrichter mit rückwärts leitfähigen Leistungshalbleiterschaltern
PCT/EP2012/054462 WO2012130615A2 (de) 2011-03-29 2012-03-14 Modularer mehrfachumrichter mit rückwärts leitfähigen leistungshalbleiterschaltern

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013148003A RU2013148003A (ru) 2015-05-10
RU2587683C2 true RU2587683C2 (ru) 2016-06-20

Family

ID=45929503

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013148003/07A RU2587683C2 (ru) 2011-03-29 2012-03-14 Модульный многократный преобразователь, снабженный проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле

Country Status (11)

Country Link
US (1) US20140362628A1 (ru)
EP (1) EP2678931B1 (ru)
JP (1) JP5833220B2 (ru)
KR (1) KR101853001B1 (ru)
CN (1) CN103444068B (ru)
DE (1) DE102011006345A1 (ru)
DK (1) DK2678931T3 (ru)
ES (1) ES2554944T3 (ru)
PL (1) PL2678931T3 (ru)
RU (1) RU2587683C2 (ru)
WO (1) WO2012130615A2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU224464U1 (ru) * 2023-11-09 2024-03-26 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Силовой инверторный модуль для электротехнических комплексов и систем преобразования электрической энергии

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130322142A1 (en) * 2012-05-31 2013-12-05 General Electric Company Multilevel power converter
KR101731477B1 (ko) * 2014-12-29 2017-04-28 주식회사 효성 Ｍｍｃ 컨버터의 서브모듈용 전원공급장치
KR101731478B1 (ko) * 2015-06-22 2017-04-28 주식회사 효성 Ｍｍｃ 컨버터의 서브모듈용 전원공급장치
CN106329950B (zh) * 2015-07-01 2019-01-08 南京南瑞继保电气有限公司 模块化多电平换流器驱动信号调制方法及故障隔离方法
WO2017021169A1 (en) * 2015-07-31 2017-02-09 Abb Schweiz Ag Hybrid modular multi-level converter
DE102015008369A1 (de) * 2015-07-31 2017-02-02 Technische Universität Ilmenau Schaltungsanordnung zur bidirektionalen Kopplung eines Gleichspannungssystems mit mehreren Wechselspannungssystemen und Verfahren zur Steuerung einer solchen Schaltungsanordnung
US9991714B2 (en) * 2015-08-20 2018-06-05 General Electric Company Opposing contactors for energy storage device isolation
DE102015226199A1 (de) * 2015-12-21 2017-06-22 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung zum Einschalten eines Zweirichtungsschalters eines Konvertermoduls, Konvertermodul für einen Modularen Multi-Level-Umrichter mit der Anordnung sowie Verfahren zur Herstellung der Betriebsbereitschaft eines Konvertermoduls mit einem Zweirichtungsschalter
EP3391524B1 (de) 2016-02-08 2023-01-04 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Konvertermodul für einen mehrstufenumrichter und verfahren zu dessen betrieb
SE539711C2 (en) * 2016-06-15 2017-11-07 Abb Schweiz Ag Modular multilevel converter and cell for reducing current conduction losses
US9923482B2 (en) * 2016-07-20 2018-03-20 Infineon Technologies Ag System and method for a power inverter with controllable clamps
US10622916B1 (en) * 2017-01-13 2020-04-14 Mitsubishi Electric Corporation Power conversion device and direct-current power transmission system
EP3355456A1 (en) * 2017-01-27 2018-08-01 General Electric Technology GmbH A protection arrangement for an mmc-hvdc sub-module
WO2018184653A1 (en) * 2017-04-03 2018-10-11 Abb Schweiz Ag A switching block for use in the forming of high voltage equipment
EP3547525A1 (en) 2018-03-27 2019-10-02 General Electric Technology GmbH Voltage source converter apparatus
JP7010794B2 (ja) * 2018-09-19 2022-01-26 株式会社東芝 半導体装置
CN111490693B (zh) * 2019-02-25 2021-10-26 湖南大学 一种mmc子模块新拓扑结构
CN113553668B (zh) * 2020-04-23 2023-06-13 株洲中车时代电气股份有限公司 电气柜体正向设计优化方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10103031A1 (de) * 2001-01-24 2002-07-25 Rainer Marquardt Stromrichterschaltungen mit verteilten Energiespeichern
CN101572503A (zh) * 2009-06-01 2009-11-04 浙江大学 通用型开关电容二极管箝位组合多电平电路
RU2411628C1 (ru) * 2010-01-11 2011-02-10 Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством" Многоуровневый мостовой автономный инвертор напряжения

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE9502249D0 (sv) * 1995-06-21 1995-06-21 Abb Research Ltd Converter circuitry having at least one switching device and circuit module
US6838925B1 (en) * 2003-10-07 2005-01-04 American Power Conversion Corporation Three level inverter
DE102005040543A1 (de) * 2005-08-26 2007-03-01 Siemens Ag Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern
DE102005041087A1 (de) * 2005-08-30 2007-03-01 Siemens Ag Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern
DE102005045090B4 (de) * 2005-09-21 2007-08-30 Siemens Ag Verfahren zur Steuerung eines mehrphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern
CN201075841Y (zh) * 2007-08-14 2008-06-18 保定三伊电力电子有限公司 一种逆导型igbt高压桥臂
JP5262101B2 (ja) * 2007-12-17 2013-08-14 パナソニック株式会社 電力変換回路
EP2136465B1 (de) * 2008-06-18 2017-08-09 SMA Solar Technology AG Wechselrichter in Brückenschaltung mit langsam und schnell getakteten Schaltern
US8711591B2 (en) * 2010-05-11 2014-04-29 Abb Research Ltd. AC/DC converter
WO2012048754A1 (en) * 2010-10-15 2012-04-19 Abb Technology Ag Arrangement for transmitting power between a dc power line and an ac power line
WO2012116738A1 (en) * 2011-03-01 2012-09-07 Abb Research Ltd Fault current limitation in dc power transmission systems
CA2853868A1 (en) * 2011-11-15 2013-05-23 Alstom Technology Ltd A power electronic module

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10103031A1 (de) * 2001-01-24 2002-07-25 Rainer Marquardt Stromrichterschaltungen mit verteilten Energiespeichern
CN101572503A (zh) * 2009-06-01 2009-11-04 浙江大学 通用型开关电容二极管箝位组合多电平电路
RU2411628C1 (ru) * 2010-01-11 2011-02-10 Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством" Многоуровневый мостовой автономный инвертор напряжения

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU224464U1 (ru) * 2023-11-09 2024-03-26 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Силовой инверторный модуль для электротехнических комплексов и систем преобразования электрической энергии

Also Published As

Publication number Publication date
KR101853001B1 (ko) 2018-04-30
ES2554944T3 (es) 2015-12-28
DE102011006345A1 (de) 2012-10-04
US20140362628A1 (en) 2014-12-11
RU2013148003A (ru) 2015-05-10
DK2678931T3 (da) 2016-02-08
CN103444068B (zh) 2016-08-17
EP2678931B1 (de) 2015-11-04
JP5833220B2 (ja) 2015-12-16
CN103444068A (zh) 2013-12-11
KR20130135979A (ko) 2013-12-11
EP2678931A2 (de) 2014-01-01
WO2012130615A3 (de) 2012-11-22
PL2678931T3 (pl) 2016-04-29
WO2012130615A2 (de) 2012-10-04
JP2014509828A (ja) 2014-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2587683C2 (ru) Модульный многократный преобразователь, снабженный проводящими в обратном направлении силовыми полупроводниковыми реле
CA2620441C (en) Converter circuit comprising distributed energy stores
RU2414045C2 (ru) Преобразовательная схема для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения
CN101268606B (zh) 故障情况下用于实现带有分布储能器的多相变流器的冗余工作模式的控制方法
US10938317B2 (en) Low loss double submodule for a modular multi-level converter and modular multi-level converter having same
RU2652690C2 (ru) Модульный многоточечный вентильный преобразователь для высоких напряжений
RU2563034C2 (ru) Инвертор для высоких напряжений
CN108702105B (zh) 用于模块化多电平换流器的双子模块和包括该双子模块的模块化多电平换流器
KR101698873B1 (ko) Hvdc 적용을 위한 모듈형 다중 레벨 dc/dc 컨버터
EP3174190A1 (en) Three level converter
US10003273B2 (en) Power conversion device
CA2640688A1 (en) Switchgear cell and converter circuit for switching a large number of voltage levels
EP2728734A1 (en) A three-level neutral-point-clamped inverter
KR101373170B1 (ko) 컨버터
KR101689824B1 (ko) 모듈라 멀티레벨 컨버터 및 그 서브모듈
US9847642B2 (en) Control circuit
US20210013816A1 (en) Voltage source converter apparatus
DK2926455T3 (en) DEVICE FOR SWITCHING OF DC DIRECTIONS IN THE DEFINITIONS OF A DC TENSION
CN104081645A (zh) 功率转换装置
US10523017B2 (en) Switch module and converter with at least one switch module
JP6455793B2 (ja) 電力変換装置、及びそれを用いたパワーコンディショナ
EP4104284B1 (en) Power converter
CN105359403A (zh) 变换器
CN110829802B (zh) 三电平半桥驱动电路及变流器
WO2017064864A1 (ja) 電力変換装置、及びそれを用いたパワーコンディショナ