功率电子模块制造技术

在提供高压直流(HVDC)功率传输和无功功率补偿的电压源转换器领域，需要一种改进的功率电子模块，该改进的功率电子模块呈现高效率，提供安全的故障模式，并且可以容错。本申请提供了一种功率电子模块(30)，用在提供高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源转换器的链环转换器中，该功率电子模块包括与储能器件(34)并联连接的第一组串联连接的开关元件(32)。所述第一组串联连接的开关元件(32)包括第一锁存开关元件(38)和第一非锁存开关元件(40)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】功率电子模块
本专利技术涉及一种功率电子模块，用在提供高压直流(HVDC)功率传输和无功功率补偿的电压源转换器的链环转换器中。
技术介绍
电压源转换器通常用于相互连接具有不同功率特性(例如，电压幅度和频率)的电网络。功率转换器的设计和结构依赖于所需功率转换的性质和所连接的电网络的功率需求，这可以基于预期应用的类型和尺寸而显著地变化。功率转换的一个示例是在功率传输领域。例如，在HVDC功率传输网络中，AC电功率通常被转换为用于通过架空线和/或海底电缆进行传输的直流(DC)功率。这种转换意味着不需要对由传输线或电缆带来的AC电容性或电感性负载效应进行补偿。这反过来降低了每公里线路和/或电缆的成本，因此当功率需要被长距离传输时，AC功率到DC功率的转换变得节省成本。AC到DC和DC到AC功率转换通常还用在处于需要将在不同频率下运行的两个AC网络相互连接的环境中的功率传输网络中。在AC与DC网络之间的每个接口处需要转换器以实现该AC与DC网络之间所需的转换。上述电压源转换器包括在其链环转换器内设置的多个功率电子模块。每个功率电子模块包括电压存储和/或电压源，所述电压存储和/或电压源被选择性地切入和切出该链环转换器，以改变该链环转换器两端产生的电压。常规功率电子模块10，例如在DE10103031中所提出的功率电子模块被示意性地显示在图1中。该常规功率电子模块10包括在具有DC存储电容器16的半桥配置中所设置的第一绝缘栅双极型晶体管(IGBT)12和第二IGBT14。IGBTs12和14中的每个IGBT具有与其相关联的相应的第一二极管18和第二二极管20。该常规功率电子模块10还需要消弧晶闸管22，这是因为IGBTs12和14的电流处理能力弱，并且还需要旁路开关24，这是因为IGBTs12和14通常不用于开路模式，该开路模式在包括数以百计串联连接并在很高电压下操作的这种功率电子模块的转换器中是不安全的。在有助于改进常规功率电子模块10容错的同时，这种消弧晶闸管22需要占据相当大空间的笨重且庞大的夹持结构(未示出)。对诸如机械或温度开关的旁路开关24的需求增加了该模块的成本，并产生了本身的可靠性问题。此外，IGBTs12和14及其相关的二极管18、20具有相对高的导通电压，并因此产生高传导损耗，这导致了低电路效率。因此，需要一种改进的功率电子模块，该改进的功率电子模块呈现高效率，提供安全的故障模式，并且可以容错。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种功率电子模块，用在提供高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源转换器的链环转换器中，该功率电子模块包括与储能器件并联连接的第一组串联连接的开关元件，所述第一组串联连接的开关元件包括第一锁存开关元件和第一非锁存开关元件。锁存开关元件呈现比非锁存开关元件低得多的传导损耗，因此在所述第一组串联连接的开关元件中包含第一锁存开关元件提高了电路效率。锁存开关元件还具有高得多的浪涌电流能力，因此可以更加容错，并且通常不用于更安全的短路模式。同时，当通过改变所述非锁存开关元件的切换速度来操作该模块时，包含第一非锁存开关元件提供了减缓电压或电流的步进变化的选择。这种减缓，即限定电流的变化率和/或电压的变化率提高了所述模块的可靠性并限制了由模块产生的电磁干扰。这还避免了在所述模块中对一个或更多个无源缓冲部件的需要。在本专利技术的优选实施例中，第一组串联连接的开关元件在具有第一输出端子和第二输出端子的半桥配置中与所述储能器件并联连接。半桥配置在一定程度上上为功率电子模块提供了所需的功能，同时通过减少所述功率电子模块中的部件数量来降低相关的电压源转换器的尺寸和成本。可选地，所述第一锁存开关元件被电连接在所述第一输出端子与第二输出端子之间。将所述第一锁存开关元件以这种方式进行设置意味着在实际功率转换应用中，例如HVDC功率传输中，所述第一锁存开关元件承载大部分电流，并且所述第一锁存开关元件的低传导损耗允许优化该模块产生的损耗。另外，所述第一锁存开关元件的短路故障模式避免了对旁路开关的需要。此外，像这样对第一锁存开关元件进行定位使得第一非锁存开关元件被定位在第二输出端子与储能器件之间。这允许最有效地利用其可变的切换速度以减缓电压或电流的步进变化。优选地，位于所述第一输出端子与第二输出端子之间的所述开关元件利用压缩封装构成。以这种方式来形成所述开关元件是有利的，这是因为利用这种封装构成的开关元件不用于安全的短路电路，因此允许相关电压源转换器的非中断操作。本专利技术的功率电子模块可以进一步包括第二组串联连接的开关元件，所述第二组串联连接的开关元件包括第二锁存开关元件和第二非锁存开关元件，并且所述第一组串联连接的开关元件和第二组串联连接的开关元件在全桥配置中与所述储能器件并联连接。在功率传输应用中，例如HVDC中，包含第二组这种串联连接的开关元件允许所述模块通过选择性地将储能器件切换进相应电压源转换器内的电路中以产生电压从而阻止故障电流流经转换器来提供一定程度的DC故障阻碍。另外，在无功功率应用中，全桥配置提供有用的功能，例如静态补偿器(STATCOM)。在本专利技术的优选实施例中，所述第一锁存开关元件和第二锁存开关元件中的每个锁存开关元件被电连接到所述储能器件的同一端子。将所述第一和第二锁存开关元件电连接到储能器件的同一端子使得由所述第一和第二锁存开关元件创建的电路路径能够限定一旁路路径，该旁路路径产生最小的损耗并提供安全的短路路径。这种旁路路径在局部部件或系统故障的情况下，能使电压源转换器非中断操作。可选地，所述第一锁存开关元件和第二锁存开关元件中的每个锁存开关元件被电连接到所述储能器件的负端子。与非锁存器件相比，锁存开关元件倾向于需要高得多的门单元功率消耗，因此将锁存开关元件以前述方式进行连接简化了对所述开关元件中的每个元件的供电。所述锁存开关元件或每个锁存开关元件可以是晶闸管型半导体器件或包括晶闸管型半导体器件。优选地，所述晶闸管型半导体器件从以下各项中选择：集成门极换流晶闸管；门极关断晶闸管；以及门极换流晶闸管。这种以低传导损耗操作的器件具有所需的故障模式，并且可以容错容忍故障。所述非锁存开关元件或每个非锁存开关元件是晶体管型半导体器件或包括晶体管型半导体器件。优选地，所述晶体管型半导体器件从以下各项中选择：绝缘栅双极晶体管；双极晶体管；以及场效应晶体管。这种器件的切换速度可被改变并且这些器件呈现固有的限流效应。在本专利技术的另一优选实施例中，所述锁存开关元件或至少一个锁存开关元件以及所述非锁存开关元件或至少一个非锁存开关元件包括与其并联连接的反向并联二极管。包含这种反向并联二极管允许通过在某些功率电子模块中的反向并联二极管以及在电压源转换器内的其他功率电子模块中的锁存开关元件来传导故障电流，从而允许向连接到转换器的AC网络呈现双向短路(即，消弧)，以指引电流离开DC网络中的故障部位。可选地，本专利技术的功率电子模块包括电源单元，所述电源单元被电耦合到所述锁存开关元件或每个锁存开关元件，所述锁存开关元件或每个电源单元以所述储能器件的负端子为参照。包含这种以储能器件的负端子为参照的电源单元避免了需要通过隔离变压器对所述锁存开关元件或每个锁存开关元件进行供电。所述储能器件可以是以下各项之一：电容器、燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率电子模块(30)，用在提供高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源转换器的链环转换器中，该功率电子模块(30)包括与储能器件(34)并联连接的第一组串联连接的开关元件(32)，所述第一组串联连接的开关元件包括第一锁存开关元件(38)和第一非锁存开关元件(40)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种功率电子模块(30)，用在提供高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源转换器的链环转换器中，该功率电子模块(30)包括与储能器件(34)并联连接的第一组串联连接的开关元件(32)，所述第一组串联连接的开关元件包括第一锁存开关元件(38)和第一非锁存开关元件(40)，所述第一锁存开关元件(38)和所述第一非锁存开关元件(40)在具有第一输出端子和第二输出端子(42，44)的半桥配置中与所述储能器件(34)并联连接，其中，所述第一锁存开关元件(38)被直接连接在所述第一输出端子与第二输出端子(42，44)之间以建立经过所述第一锁存开关元件的、所述功率电子模块的短路路径，并且在所述功率电子模块的使用中被接通或关断；或者，所述功率电子模块(30)包括：与储能器件(34)并联连接的第一组串联连接的开关元件(32)和与该储能器件(34)并联连接的第二组串联连接的开关元件(72)，所述第一组串联连接的开关元件(32)包括第一锁存开关元件(38)和第一非锁存开关元件(40)，所述第一锁存开关元件(38)在所述功率电子模块的正常使用中被接通或关断，所述第二组串联连接的开关元件(72)包括第二锁存开关元件(74)和第二非锁存开关元件(78)，所述第二锁存开关元件在所述功率电子模块的正常使用中被接通或关断，其中，所述第一组和第二组串联连接的开关元件(32，72)在具有第一输出端子和第二输出端子的全桥配置中与该储能器件(34)并联连接，并且其中，所述第一锁存开关元件和第二锁存开关元件(38、74)被电连接到该储能器件(34)的同一端子以在所述第一输出端子与所述第二输出端子之间以建立经过所述第一锁存开关元件和第二锁存开关元件(38、74)的、所述功率电子模块的短路路径。2.根据权利要求1所述的功率电子模块，其中，所述第一锁存开关元件(38)利用压缩封装构成。3.根据权利要求1所述的功率电子模块，其中，所述第一锁存开关元件和第二锁存开关元件(38，74)中的每个锁存开关元件被电连接到所...

【专利技术属性】
技术研发人员：科林·查诺克·戴维森，戴维·雷金纳德·特雷纳，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH