用于高压直流转换器的电子保护模块制造技术

本发明专利技术公开了一种电子模块，用于针对高电流浪涌和破坏性放电对HVDC转换器的功率半导体器件进行保护。其包括电容器、短路设备、可移动部分、短路部分和弹簧元件。短路设备与电容器并联连接。短路设备包括第一和第二母线。可移动部分连接到第一母线，并且短路部分连接到第二母线。弹簧元件布置在可移动部分和短路部件之间。当短路电流流过第一母线时，两个母线之间的电磁力使第一母线排斥第二母线，而向短路部分移动。短路部分提供将第一母线连接到第二母线的短路路径，从而将电容器短路，并且将HVDC转换器的功率半导体器件旁路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高压直流转换器的电子保护模块
本专利技术涉及一种用于保护HVDC转换器的功率半导体器件的电子模块，尤其涉及一种在出现否则可能使功率半导体器件损坏的高电流浪涌或者放电的情况下，用于保护HVDC转换器功率模块的至少一个功率半导体器件的短路设备。
技术介绍
高压直流(HVDC)系统在世界范围内用于能量传输。这些HVDC系统专门用于以经济的方式经由架空线或者线缆长距离传输电能。它们还用于连接异步电网或者具有不同频率的电网，或者用于连接海上风电场与岸上电网。HVDC系统包括通过DC连接相连的复杂的转换器站。转换器站中的一个主要部件是用于将电力从交流(AC)转换为直流(DC)或者从直流(DC)转换为交流(AC)的HVDC转换器。这些转换器具有包含串联连接的功率模块的转换器臂。这些功率模块包含诸如晶闸管、IGBT等的功率半导体器件。需要针对电流浪涌对这些功率半导体器件进行保护。转换器臂在文献中经常被称为电流阀。这种转换器臂的功率模块可以是单个功率半导体器件，例如晶闸管、IGBT等。模块化的多电平转换器设置有具有多于一个的功率半导体器件的功率模块。功率半导体器件以半桥或者全桥配置与电容器连接。在发生故障的情况下，电容器中的能量放电到模块的功率半导体器件中。这导致功率半导体器件爆炸。为了对释放的能量进行控制，必须实现防爆保护。欧洲专利EP1894240B1公开了一个这种电子保护模块。该专利技术涉及至少具有借助于连接导体连接到功率半导体的第一和第二端子的电子模块，每一个功率半导体具有与其并联连接的至少一个二极管，并且功率半导体具有并联连接的电容器。连接导体具有至少两个平行地延伸的部分，其中的至少一个可变形，在电子模块中流动的电流沿相反的方向通过，从而由于电磁感应，产生压离连接导体的力，并且确定这些部分的尺寸，使得当超过电流的阈值时，在端子之间建立导电连接，将功率半导体和电容器两者旁路，由此为电流提供短路路径，并且针对突然的电流浪涌对功率半导体进行保护。然而，上面讨论的专利技术不针对从电容器进行的能量放电对电路进行保护。在发生开关错误的情况下，例如，存储在电容器中的电荷通过HVDC转换器的功率模块的功率半导体器件、例如通过一个或者所有IGBT放电，由此使功率模块损坏。因此，出现了针对有效的保护电路的需要，该保护电路不仅针对短路电流，而且针对来自电容器的放电，对HVDC转换器的功率模块的功率半导体器件进行保护。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种有效并且具成本效益的解决方案，用于保护HVDC转换器功率模块的功率半导体器件，免于由于来自电容器的放电而损坏。本专利技术的目的通过所公开的电子模块来实现，该电子模块针对大电流浪涌或者来自电容器的高能量放电，对HVDC转换器功率模块的功率半导体器件进行保护。根据本专利技术，电子模块包括电容器、短路设备、可移动部分、短路部分和弹簧元件。短路设备与电容器并联连接，其中，短路设备包括连接到电容器的第一个极的第一母线以及连接到电容器的第二个极的第二母线。可移动部分通过柔性连接部件连接到第一母线，并且短路部分连接到第二母线。弹簧元件布置在可移动部分和短路部分之间。可移动部分与第二母线平行地延伸，使得当短路电流流过第一母线时，两个母线之间的电磁力使第一母线排斥第二母线，而向短路部分移动。短路部分提供将第一母线连接到第二母线的短路路径，从而在电子模块的操作的短路状态期间将电容器短路。以这种方式，大电流和放电通过短路部分被旁路，而不到达HVDC转换器功率模块。短路期间的大电流在电容器和功率模块之间的并联电流母线上产生很大的力。其结果是，不能使用插塞式连接，代而使用螺纹连接。根据本专利技术，在电容器和HVDC转换器功率模块之间连接短路设备。因为短路电流被引导通过短路设备，因此母线上的大的力仅在电容器和短路设备之间的区域中出现。以这种方式，使得能够将功率模块和短路设备之间的连接设计为插塞式连接。这在组装转换器时具有巨大的优势，并且保证了显著的节约成本的潜力。作用在两个母线之间的力与诸如母线的长度、流过母线的电流、母线之间的距离等因素有关。在本专利技术的一个实施例中，弹簧元件与可移动部分和短路部分不直接接触。在又一个实施例中，弹簧元件经由分立的元件在可移动部分和短路部分之间建立间接连接。在本专利技术的另一个实施例中，第二母线相对于第一母线的可移动部分是静止的。第二母线连接到与短路部分的静止或固定连接部。在该实施例中，在大电流流过短路设备的情况下，仅第一母线的可移动部分移动。电子模块中的可移动部件越少，短路设备中的磨损越小，并且稳定性越高。在又一个实施例中，第二母线具有绝缘衬，绝缘衬布置在第二母线和第一母线之间。在安全工作模式期间，即当通过电子模块的电流小于阈值时，短路设备允许电流通过功率模块，因为电流值在安全限值内，并且不会损坏功率模块中的功率半导体器件。在该安全工作模式期间，绝缘衬防止电流从第一母线流入第二母线。电流流入功率模块，并且转换器正常工作，而不用担心功率半导体器件损坏。绝缘衬可以是第二母线的绝缘涂层。在发生故障的情况下，绝缘衬不影响母线之间的磁场，因为短路期间流过母线的电流将比在安全工作模式期间流过的电流大几百倍。在又一个实施例中，布置在可移动部分和短路部分之间的弹簧元件是绝缘体。在安全工作模式下，弹簧元件处于正常伸展或者拉伸的状态，而绝缘体防止电流从第一母线泄露到短路部分中，由此防止两个母线之间的短路连接。然而，当电流跨越阈值时，即在短路状态期间，母线之间的电磁力使第一母线排斥第二母线并且移动远离第二母线，代而朝向短路部分移动。第一母线的该移动使弹簧元件压缩，并且通过短路部分在两个母线之间建立导电路径，使得在两个母线之间建立短路连接。该短路通过将电容器短路并且将功率模块旁路来保护功率模块。在又一个实施例中，弹簧元件包括连接到可移动部分的第一端和连接到短路部分的第二端，其中，第一端和第二端是绝缘的。这需要较少的绝缘材料，并且弹簧元件的压缩性不受影响。在又一个实施例中，柔性连接部件包括柔性铜带。铜带的柔性确保在出现电流浪涌的情况下第一母线朝向短路部分以及在电子模块的安全工作模式期间返回其原始位置的平滑运动。因此，柔性铜带向电子模块提供可重用性特征，从而该模块可以在几次电流浪涌和短路期间使用。根据又一个实施例，柔性连接部件是铜带、铜连接器或者任意柔性的金属连接器。在又一个实施例中，第一母线和第二母线是铜母线。作为良好的电导体的铜是母线的最佳选择，因为其提供良好的导电性。然而，也可以使用任意其它金属母线。在再一个实施例中，短路部分由铜制成。短路部分为非常大的电流浪涌提供短路路径，因此短路部分需要具有良好的导电性。作为非常好的电导体的铜是最佳选择。然而，也可以使用任意其它金属。根据又一个实施例，短路设备包括插塞式连接，用于连接到HVDC转换器功率模块的功率半导体器件。这使电子模块的组装容易得多，并且还保证了显著的节约成本的潜力。在又一个实施例中，短路部分包括用于在短路状态期间容纳压缩的弹簧元件的槽。这些槽确保在短路状态期间可移动部分与短路部分的接触正确。在本专利技术中描述的电子模块将在模块化的多电平转换器(MMC，modularmulti-levelconverter)中找到巨大的应用。这种MMC包括具有串联连接的双极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于保护HVDC转换器功率模块(3)的至少一个功率半导体器件(2)的电子模块(1)，所述电子模块(1)包括：‑电容器(4)；‑短路设备(5)，与所述电容器(4)并联连接，其中，所述短路设备(5)包括：‑连接到所述电容器(4)的第一个极(7)的第一母线(6)以及连接到所述电容器(4)的第二个极(9)的第二母线(8)；‑通过柔性连接部件(11)连接到所述第一母线(6)的可移动部分(10)；‑与所述第二母线(8)连接的短路部分(12)；‑布置在所述可移动部分(10)和所述短路部分(12)之间的弹簧元件(13)，其中，所述可移动部分(10)与所述第二母线(8)平行地延伸，使得当短路电流流过所述第一母线(6)时，电磁力排斥所述第一母线(6)朝向所述短路部分(12)远离所述第二母线(8)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于保护HVDC转换器功率模块(3)的至少一个功率半导体器件(2)的电子模块(1)，所述电子模块(1)包括：-电容器(4)；-短路设备(5)，与所述电容器(4)并联连接，其中，所述短路设备(5)包括：-连接到所述电容器(4)的第一个极(7)的第一母线(6)以及连接到所述电容器(4)的第二个极(9)的第二母线(8)；-通过柔性连接部件(11)连接到所述第一母线(6)的可移动部分(10)；-与所述第二母线(8)连接的短路部分(12)；-布置在所述可移动部分(10)和所述短路部分(12)之间的弹簧元件(13)，其中，所述可移动部分(10)与所述第二母线(8)平行地延伸，使得当短路电流流过所述第一母线(6)时，电磁力排斥所述第一母线(6)朝向所述短路部分(12)远离所述第二母线(8)，其中，第二母线(8)相对于第一母线(6)的可移动部分(10)是静止的，第二母线(8)以静止或固定连接方式连接到所述短路部分(12)，其中，在大电流流过短路设备的情况下，仅第一母线(6)的可移动部分(10)移动，其中，所述弹簧元件(13)包括连接到所述可移动部分(10)的第一端(15...

【专利技术属性】
技术研发人员：D贝姆，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE