用于高压直流转换器的电子保护模块的制作方法

本发明涉及一种用于保护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。

背景技术：

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EP 1894240 B1公开了一个这种电子保护模块。该发明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，上面讨论的发明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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。根据本发明，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。根据本发明，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。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的另一个实施例中，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。

在本发明中描述的电子模块将在模块化的多电平转换器(MMC，modular multi-level converter)中找到巨大的应用。这种MMC包括具有串联连接的双极子模块的转换器臂。每个子模块设置有形成子模块的两个接线夹的功率模块和根据本发明的电子模块。

另外，在本发明中公开的电子模块可以包括上面针对根据本发明的电路的不同实施例提到的一些或者全部特征。

附图说明

现在，参考本发明的附图讨论本发明的上述和其它特征。所示出的实施例旨在说明本发明，而不是限制本发明。附图包含下面的图，其中，在说明书全文和全部附图中，相似的标记表示相似的部分。

图1是用于保护HVDC转换器的至少一个功率半导体器件的电子模块的示意图。

图2示出了当电子模块1处于短路状态时的电子模块1的示意图。

图3是短路设备在HVDC转换器的电容器和功率模块之间的布置和放置的框图。

具体实施方式

在下面的描述中，为了进行说明，叙述了大量具体细节，以便提供对一个或更多个实施例的全面理解。很明显，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些实施例。

图1示出了用于保护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的示意图。图1示出了处于安全工作模式的电子模块1的状态。在这种模式下，流过电子模块1的电流小于阈值，超过该阈值，HVDC转换器功率模块3中的功率半导体器件2可能损坏。电子模块1包括电容器4和短路设备5。短路设备5与电容器4并联连接。此外，短路设备5包括第一母线6和第二母线8、可移动部分10、短路部分12和弹簧元件13。

第一母线6连接到电容器4的第一个极7，并且第二母线8连接到电容器4的第二个极9。可移动部分10通过柔性连接部件11连接到第一母线6。短路部分12与第二母线8连接。弹簧元件13布置在可移动部分10和短路部分12之间。可移动部分10与第二母线8并联地布置。

现在参考图2，其示出了当电子模块1处于短路状态时的电子模块1的示意图。在这种状态下，通过压缩弹簧元件13(在图中未示出)，第一母线6的可移动部分10被排斥远离第二母线8，而向短路部分12移动。这经由短路部分12在第一母线6与第二母线8之间建立电连接。该电连接将电容器4短路，并且通过母线6、8安全地排出进入电子模块1的大电流或者排出来自电容器4的放电，而不让它们到达HVDC转换器功率模块3的功率半导体器件2。由此，保护功率半导体器件2，免于由于突然的电流浪涌或者来自电容器4的大功率放电而损坏或者爆炸。

图3是示出短路设备5在电容器4和HVDC转换器功率模块3之间的位置的框图。从图3可以看出，电容器4具有两个极，第一个极7和第二个极9。第一母线6连接到第一个极7，并且第二母线8连接到第二个极9。短路设备5经由第一母线6和第二母线8与电容器4并联连接。此外，HVDC转换器功率模块3跨接在短路设备5上。电容器4与母线6、8一起形成电子模块1。

虽然参考具体实施例描述了本发明，但是不意味着以限制的意义来解释该描述。在参考对本发明的描述后，本发明的所公开的实施例的各种变形以及替换实施例将对于本领域技术人员变得显而易见。因此，可以想到，可以进行这些变形，而不脱离限定的本发明的实施例。

附图标记列表

1 电子模块

2 功率半导体器件

3 HVDC转换器功率模块

4 电容器

5 短路设备

6 第一母线

7 第一个极

8 第二母线

9 第二个极

10 可移动部分

11 柔性连接部件

12 短路部分

13 弹簧元件

14 绝缘衬

15 第一端

16 第二端

17 插塞式连接