功率变流器中的半导体的保护制造技术

本公开涉及一种变流器装置，其包括：功率变流器(1)；变流器端子(8)，经由断路器(7)将变流器连接到AC市电(6)；以及包括至少一个电容器的电容器装置(4)，连接在变流器装置中、在至少一个变流器单元的开关的半导体与电源(6)之间，该电源(6)被配置用于在变流器的启动期间对单元开关的门极单元进行充电。电容器装置被配置为在变流器的启动期间保护单元开关的半导体免受电压浪涌的影响。

Semiconductor Protection in Power Converter

The present disclosure relates to a converter device, which includes: a power converter (1); a converter terminal (8); a converter connected to AC municipal power (6) via a circuit breaker (7); and a capacitor device (4) comprising at least one capacitor connected to a converter device, between a semiconductor of a switch of at least one converter unit and a power supply (6), which is configured for use in a converter. The gate unit of the unit switch is charged during start-up. The capacitor device is configured to protect the semiconductor of the unit switch from voltage surge during the start-up of the converter.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】功率变流器中的半导体的保护
本公开涉及用于保护功率变流器中的半导体免受电压浪涌的影响的设备和方法。
技术介绍
模块化多电平功率变流器(MMC)(也称为链式链路变流器(CLC))包括串联连接在变流器分支或相支路中的多个变流器单元或变流器子模块，而变流器分支或相支路又可以布置为星形、三角形、直接或间接变流器拓扑。每个变流器单元以半桥或全桥电路的形式包括用于存储能量的电容器和用于将电容器连接到具有一个或两个极性的变流器分支的功率半导体开关(诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件、门极关断晶闸管(GTO)器件、集成门极换流晶闸管(IGCT)器件、或金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件)。MMC可以用于电力传输系统中，诸如静态同步补偿器(STATCOM)、直接或间接拓扑的变频器以及高压直流(HVDC)传输。
技术实现思路
本公开涉及在从DC链路进行充电期间变流器中的半导体开关(尤其是诸如集成门极换流晶闸管(IGCT)、反向导通IGCT(RC-IGCT)和双模式门极换流晶闸管(BGCT)的门极换流晶闸管)的未供电门极的有限dv/dt鲁棒性的问题。如果为晶闸管的门极单元供电的能量取自变流器的DC链路，则门极单元在DC链路充电的第一部分期间未被供电。如果变流器通过交流电(AC)从AC侧被充电，则在从>0到<0(反之亦然)的过零点之后，电流可以从一个续流二极管换向到另一续流二极管。这表示在换向期间可能会超过具有未供电门极单元的晶闸管的dv/dt极限。除此之外，在充电期间断开的弹跳断路器可能导致过大的dv/dt。根据本专利技术，提出了在变流器的输入端子处添加保护电容器装置以降低高dv/dt。保护电容器装置的定位可以根据要求和拓扑而变化。如果门极单元未供电，则门极换流晶闸管具有相对较低的dv/dt承受能力。未供电和供电门极单元之间的dv/dt能力的差异可能在一个数量级的范围内。如果用于门极单元的功率来自DC链路，则门极单元未被供电，直到达到一定电压。在此期间，可能由例如电流的换向和/或断路器的弹跳引起过高的dv/dt，这可能破坏变流器中的半导体。为了避免这种情况，借助于使用电容器作为dv/dt滤波器和/或用半导体开关代替断路器，提出了对晶闸管的保护。根据本专利技术的一个方面，提供了一种变流器装置，其包括：功率变流器；变流器端子，经由断路器将变流器连接到AC市电；以及包括至少一个电容器的电容器装置，连接在变流器装置中、在至少一个变流器单元的开关的半导体与电源之间，该电源被配置用于在变流器的启动期间对单元开关的门极单元进行充电。电容器装置被配置为在变流器的启动期间保护单元开关的半导体免受电压浪涌的影响。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于保护功率变流器的单元开关中的半导体的方法。该方法包括在变流器的启动期间借助于电源为至少一个变流器单元的单元开关的门极单元供电。包括至少一个电容器的电容器装置连接在单元开关的半导体与电源之间。电容器装置在变流器的启动期间保护半导体免受电压浪涌的影响。应当注意，在任何适当的情况下，任何方面的任何特征可以应用于任何其他方面。同样地，任何方面的任何优点可以适用于任何其他方面。根据以下详细公开内容、所附从属权利要求以及附图，所附实施例的其他目的、特征和优点将很清楚。通常，除非本文中另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语将根据它们在
中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一/一个/该元件、装置、组件、手段、步骤等”的所有引用将被公开地解释为指代元件、装置、组件、手段、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文中公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。对于本公开的不同特征/组件使用“第一”、“第二”等仅旨在将特征/组件与其他类似特征/组件区分开，而不是向特征/组件赋予任何顺序或层次。附图说明将通过示例的方式参考附图来描述实施例，在附图中：图1是根据本专利技术的MMC的实施例的示意图。图2a是根据本专利技术的双极变流器单元的实施例的示意性电路图。图2b是根据本专利技术的单极变流器单元的实施例的示意性电路图。图3是根据本专利技术的具有连接到变流器的主端子的保护电容器的变流器的实施例的示意性电路图。图4是根据本专利技术的连接到具有保护电容器的辅助电源的变流器的实施例的示意性电路图，该保护电容器连接辅助电源的变压器的高压侧或低压侧。具体实施方式现在将在下文中参考附图更全面地描述实施例，附图中示出了某些实施例。然而，在本公开的范围内，很多不同形式的其他实施例也是可能的。而是，以下实施例通过示例的方式来提供使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。相同的附图标记在整个说明书中指代相同的元件。图1是MMC1(例如，高电压MMC)的实施例的示意性电路图。MMC1可以用于电力传输系统，诸如STATCOM、直接或间接拓扑的变频器或HVDC传输。具有相应电流i1、i2和i3的一个或多个(高电压)相u、v和w经由输入线路(例如，经由穿过变流器1所在的房间或建筑物的墙壁的套管)输入到变流器1。在该示例中，MMC处于具有三个相支路2的三角形配置，但是任何其他配置(诸如星形(wye，Y形)或双星形配置)以及相支路数目(例如，三相到两相)的MMC对于本专利技术的实施例也是可能的。每个相支路2包括多个级联(串联连接)单元(也称为子模块)3。变流器1中的电流称为“i”，而电压在图中称为“U”，与指示方向的箭头组合。单元3可以是任何合适的类型，例如单极(也称为半桥)或双极(也称为全桥或H桥)，包括功率存储设备(例如，电容器)和多个半导体开关。图2a示出了双极单元3的示例。单元包括功率存储设备5，这里是DC链路电容器的形式。该单元还包括在单元中形成全桥(H桥)拓扑的四个半导体开关S。双极单元的半导体开关在本公开的附图和文字中被命名为S11开关、S12开关、S13开关和S14开关。当开关S11和S14闭合并且S12和S13断开时，将施加正电压。通过断开S11和S14开关并且闭合S12和S13开关，该电压反转。S开关中的每个S开关可以包括例如IGCT、RC-IGCT或BGCT，可能与诸如二极管的反并联的单向导通/阻断部件相结合。在图2a的示例中，每个S开关包括IGCT和反并联二极管。如果每个S开关的IGCT门极的电源将从DC链路电容器5获取，则IGCT门极单元在启动期间未被供电，直到DC链路电压达到一定电压电平。相反，如果变流器1以及因此S开关用AC电流充电，则在从>0到<0的过零点之后，电流将分别从S11换向到S13并且从S12换到S14，反之亦然。这表示，在充电期间可能会超过具有未供电门极单元的IGCT的dv/dt极限。图2b示出了单极单元3的示例。该单元包括功率存储设备5，这里是DC链路电容器的形式。该单元还包括在单元中形成半桥拓扑的两个半导体开关S。单极单元的半导体开关在本公开的附图和文字中被命名为S1开关和S2开关。与图2a的双极单元一样，S开关中的每个S开关可以包括例如IGCT、RC-IGCT或BGCT，可能与诸如二极管的反并联的单向导通/阻断部件相结合。在图2b的示例中，每个S开关包括IGCT和反并联二极管。当使用单极单元并且用AC电流进行充电时，仅在电流的正半波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变流器装置，包括：功率变流器(1)；变流器端子(8)，经由断路器(7)将所述变流器连接到AC市电(6)；以及包括至少一个电容器的电容器装置(4)，被连接在所述变流器装置中、在至少一个变流器单元(3)的开关(S)的半导体与电源(6；14)之间，所述电源(6；14)被配置用于在所述变流器的启动期间对所述单元开关(S)的门极单元进行充电；其中所述电容器装置(4)被配置为在所述变流器的所述启动期间保护所述单元开关(S)的所述半导体免受电压浪涌(dv/dt)的影响。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种变流器装置，包括：功率变流器(1)；变流器端子(8)，经由断路器(7)将所述变流器连接到AC市电(6)；以及包括至少一个电容器的电容器装置(4)，被连接在所述变流器装置中、在至少一个变流器单元(3)的开关(S)的半导体与电源(6；14)之间，所述电源(6；14)被配置用于在所述变流器的启动期间对所述单元开关(S)的门极单元进行充电；其中所述电容器装置(4)被配置为在所述变流器的所述启动期间保护所述单元开关(S)的所述半导体免受电压浪涌(dv/dt)的影响。2.根据权利要求1所述的变流器装置，其中所述电源是由所述AC市电(6)提供的。3.根据权利要求2所述的变流器装置，其中所述电容器装置(4)在所述变流器(1)与所述断路器(7)之间连接到所述变流器端子(8)。4.根据权利要求2所述的变流器装置，其中所述电容器装置被连接到所述至少一个变流器单元(3)中的每个变流器单元的AC端子。5.根据前述权利要求中任一项所述的变流器装置，其中所述断路器(7)中的每个断路器包括半导体开关。6.根据权利要求1所述的变流器装置，其中所述电源是辅助电源(14)，所述辅助电源(14)由被包括在所述变流器装置中的辅助电源装置(10)提供，并且经由充电断路器(12)在所述变流器(1)与所述断路器(7)之间连接到所述变流器端子(8)。7.根据权利要求6所述的变流器装置，其中所述电容器装置(4)被包括在所述电源装置(10)中，并且连接在所述充电断路器(12)与所述变流器端子(8)之间。8.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·奥德加德，D·威斯，R·鲍曼，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH