电压源换流器模块和换流器的制作方法

本实用新型涉及一种电压源换流器模块，包括电荷存储器和与该电荷存储器相连的、具有集电极、栅极和发射极的半导体开关，其中半导体开关的集电极-发射极线路接入在换流器模块的第一和第二交流电流接头之间的电流路径，其中可以经由旁路开关连接交流电流接头。

背景技术：

具有提到的类型的换流器模块的换流器目前被应用于高压直流电传输其尤其用于借助直流，远距离地、通常为大约750km以上的距离，进行能量传输。为此，对于适用于高电压的复杂换流器需要相对高的技术复杂度，因为发电站中的电能几乎总是由同步发电机产生为50Hz或60Hz频率的三相交流电。但是，尽管技术复杂且有附加的转换器损耗，从特定距离起具有与利用三相交流电进行传输相比总体上更小的传输损耗。

为此公知的是，使用包括多个串联连接的电压源换流器模块(英文： Voltage-Source Converter，缩写VSC)的换流器(所谓的多级换流器)。VSC 模块被理解为这样的模块：其包括以电池方式的电荷存储器，其中可以通过利用控制电压对同样包含在模块中的半导体开关的相应的控制来改变模块的接头处的电压值。利用一系列这样的VSC模块，可以产生阶梯的电压走向，其阶梯高度相应于VSC模块中的一个的额定电压，其最终形成在交流侧和直流侧之间的连接。替代迄今常用的线路换向换流器(英文： Line-commutated Converter，缩写LCC)使用VSC模块提供了各种各样的优点，参见G.Gemmell,J.Dorn,D Retzmann,D.Soerangr,“Prospects of Multilevel VSC Technologies for Power Transmission”,in IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition,Chicago,US,April 2008。

但是，已经证明有问题的是，在VSC模块中使用的大电荷存储器在故障情况下(例如半导体开关的开关故障)难以控制，因为在此在没有附加的安全措施的情况下能量不受控制且突然地被释放。在故障情况下，电路的电气部件大多不能接受或控制能量。由此这大多导致电路、特别是电荷存储器在故障情况下(例如通过爆炸)被完全破坏。此外，在破坏时还会导致进一步间接损坏其它运行部件。为此，原因可能是电弧、极大的电磁力或多的杂质。

由此在相应地由于故障状态而出现过电压的情况下构建的运行部件必须存在本安故障限制，以避免所描述的最坏影响。此外在所描述的多级换流器中还要求，控制能够通过构建的的冗余补偿的、部件的故障情况或失效情况，使得总是确保整个设备的继续运行。

为此，第一，为了使损坏保持尽可能小并且转换器周围也不会不必要地被污物污染，半导体开关具有爆炸保护，使得在开关失效时并且由于然后在 VSC模块极上释放的极大能量，该半导体开关可以在该外罩中爆炸。由于爆炸单元，由此不引起相邻模块的间接损坏。

第二，通常设置旁路开关，其在故障情况下桥接各自的VSC模块。这是必须的，因为否则极高且快速的电压变化也许会导致电荷存储器损坏或毁坏。这是要绝对避免的。因为由于极高的运行电流，在几毫秒内在目前的多级换流器中所使用的能量存储器就会过载，所以所使用的旁路开关必须极快速地作出反应，以抑制或极强地限制所描述的故障场景。

为了实现具有高载流能力(例如>1000A)的机械旁路开关中所需的闭合时间，例如需要用烟火发射药驱动的机械短路器，如其在DE 10 2008 059 670 B3中描述的。在此，闭合延迟时间仅取决于运动的电流触点的惯性和电子器件运行时间(几微秒)。可能的弹簧驱动器、磁继电器驱动器或其它机械驱动器都太慢，因此对于该应用情况被排除。

但是显然在此缺陷是使用提到的烟火发射药的危险。

技术实现要素：

因此，本实用新型要解决的技术问题是，提供一种本文开始部分所述类型的电压源换流器模块，其在故障情况下最小化损坏并且允许多级换流器继续运行，而不必为此使用极其快速的旁路开关。

根据本实用新型，上述问题通过由构造为在高于预定的电压阈值时导通的电路装置连接半导体开关的集电极和栅极来解决。在此本实用新型以如下考虑为基础，即，在故障情况下在VSC模块处形成损坏时首先避免电荷存储器的损坏或毁坏，而半导体开关的损坏或毁坏引起少得多的损失并且不太复杂地消除。因此，实际的半导体开关可以用于防止连接的电荷存储器中的可能的过电压。至少在VSC模块的交流电流接头之间布置的半导体开关非激活地经由电路装置连接，该电路装置处于半导体开关的各自的集电极和栅极之间，并且该电路装置构造为，使得其在高于预定的电压阈值时导通。在此，电压阈值匹配于相应的触发过电压，也就是其以相应待设计的程度高于运行电压并且将半导体开关切换到激活区域。在此有意容忍了半导体由于在激活区域中持续运行几微秒而被热损坏或电路装置由于长时间通电而被热损坏。引起的横向触发器首先防止电荷存储器过载。

因为现在将在正常运行时接通的半导体用作为过电压限制，所以解决了能量存储器快速本安放电的问题。因为大多数目前使用的半导体没有示出所谓的行为不合格特性(Conduct-on-Fail-Verhalten)并且这些半导体在实践中总是在短路时被大量能量和极端的功率密度完全损坏，所以总是通过附加的旁路开关实现长时间的旁路特性。但是该旁路开关可以比迄今的情况更慢、由此技术上更简单地实施。

在优选的实施中，电压源换流器构造为半桥模块。这样的模块通常仅包括两个半导体开关，其中在VSC模块的两个交流电流接头之间仅布置唯一一个半导体开关。利用上面描述的电路装置构造该半导体开关足以达到描述的功能性。术语半导体开关在此也被理解为多个开关的功能单元，所述多个开关例如为了提高其性能而并联连接，但始终被共同开断、也就是控制。在此，所描述的电路装置必须依据功能单元的精确构造被布置为，使得功能单元在过电压时被激活。为此例如可以在多个共同控制的功率开关的并联电路作为功能半导体开关单元的情况下，仅一个功率开关断开就已足够。如果功率开关的栅极在功能单元中连接，则总是通过电路装置断开所有功率开关。

在替换的优选的实施中，电压源换流器构造为全桥模块或箝位双子模块。箝位双子模块例如由DE 10 2009 057 288 A1而被本领域技术人员所公知。在这样的模块中，在两个交流电流接头之间通常存在两个可能的电流路径，其分别具有多个分别带有集电极、栅极和发射极的半导体开关。在该情况下对于至少一个该电流路径，在其集电极-发射极-线路接入电流路径中的每个半导体开关中，通过相应的电路装置连接各自的半导体开关的集电极和栅极，该电路装置构造为，使得其在高于预定的电压阈值时导通。由此确保了，经由至少一个电流路径确保通过半导体桥接。

在电压源换流器模块的另外的优选的实施中，在模块的每个半导体开关中，通过相应的电路装置连接各自的半导体开关的集电极和栅极，该电路装置构造为，使得其在高于预定的电压阈值时导通。换言之：所有半导体开关具有相同的电路。由此在无论是哪个半导体开关的正常的栅极控制故障时都能快速桥接。

合适地，各个电路装置包括抑制二极管或抑制二极管链。其恰好具有对于在此描述的应用所需的特征，也就是只要超过特定的电压阈值，其就导通。通过按照串联连接的链的布置，电路装置几乎可以适应任意电压。

事实上，抑制二极管提供所有所需的特性，从而各个电路装置优选由抑制二极管或抑制二极管链组成并且不包括其它部件是足够的。

电压源换流器模块的电荷存储器优选是电容器。

电压源换流器模块的各个半导体开关优选是晶体管，特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。这尤其适用于每个半导体开关。IGBT尤其适用于在此描述的在高功率范围中的应用，因为其具有高的前向截止电压(目前直至 6.5kV)并且可以接通大电流(直至大约3kA)。还可以将多个晶体管并联连接以接通大电流。

电压源换流器模块的旁路开关优选构造为机械开关，例如弹簧开关或磁性开关。通过在故障情况下快速桥接半导体开关本身，如描述的，避免了电荷存储器损坏并且可以通过这样的较慢且较低成本的开关来接通旁路。

为此优选地，电压源换流器包括用于旁路开关的控制单元，该控制单元构造为，使得其在识别出半导体开关中的一个出现故障时闭合旁路开关。

如描述的那样用于技术中的多级换流器的电压源换流器模块，优选地设计用于高于800V的额定电压和/或高于500A的额定电流。

换流器优选包括多个在其各自的交流电流接头处串联连接的电压源换流器模块，其如上面描述的那样构造。

利用本实用新型实现的优点尤其在于，通过在多级换流器的VSC模块中的半导体开关的集电极和栅极之间布置击穿电路、特别是抑制二极管链，在故障情况下(单个VSC模块故障)，击穿抑制二极管链并且激活相应连接的半导体的栅极。该抑制二极管链由此导通并且限制能量存储器中的电压，直至通过旁路开关引起故意的桥短路。该旁路开关桥接有故障的功率电子器件直至下一次维护间歇。在该时间期间，确保可靠建立持续闭合的旁路支路。

附图说明

对照附图对本实用新型的实施例作进一步的说明。附图中：

图1示出了在仅一个IGBT处具有抑制二极管链的半桥VSC模块的示意电路图，

图2示出了在两个IGBT处具有抑制二极管链的半桥VSC模块的示意电路图，

图3示出了在四个IGBT处具有抑制二极管链的全桥VSC模块的示意电路图，

图4示出了多级换流器的示意电路图，和

图5示出了在四个IGBT处具有抑制二极管链的箝位双子VSC模块的示意电路图。

相同的部件在所有附图中具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了半桥电路中的电压源换流器模块1的第一实施例的电路图，该半桥电路相对简单地构造，但为此关于其开关可能性受到限制。换流器模块1具有两个外部交流电流接头2,4，多个换流器模块1利用其串联连接，如图4还要详细解释的。在实施例中，换流器模块1包括以绝缘栅双极晶体管(英文：Insulated-Gate bipolar Transistor，缩写IGBT)形式的两个半导体开关6,8，其分别与续流二极管10,12反并联连接。但是原则上还可以使用其它类型的晶体管。

在图1和随后的附图中，半导体开关6,8仅分别作为单个的IGBT示出。但是当然，这也可以仅表示形成一个功能单元的多个IGBT，也就是例如其并联连接，以及其栅极彼此连接或被共同控制。

半导体开关6,8以半桥的方式与作为中央元件的以电容器形式的电荷存储器14互连，也就是两个半导体开关6,8在相同方向上串联连接并且与电荷存储器14形成电路。半导体开关6,8分别具有集电极6k,8k、栅极6g,8g 和发射极6e,8e。第一交流电流接头2与在电路的第一半导体开关6的发射极6e和第二半导体开关8的集电极8k之间的连接线连接。第二交流电流接头4与在第二半导体开关的发射极8e和电荷存储器14之间的连接线连接。半导体开关8由此以其集电极-发射极-线路连接到两个交流电流接头2,4之间的电流路径16中。

半导体开关6,8可以借助电子控制器18被单独控制/开关。在图1中为清楚起见仅示出对于半导体开关8的该电子控制器，半导体开关6具有同样的控制器。控制器能够通过外部控制脉冲接通或断开所连接的IGBT。在一种实施方式中在此可以存在结构上实现的互锁，其避免同时开关两个半导体 6,8。由此，施加在电荷存储器14上的电压U可以被施加到交流电流接头 2,4。相应地，根据半导体开关2,4的开关状态，在交流电流接头2,4之间呈现电压+U或0V。在此，任意电流方向都是可能的。通过串联连接多个换流器模块1可以产生阶梯的电压走向，如根据图4还要解释的。

在半导体开关6,8中的一个、特别是在此半导体开关8故障的情况下，会导致电荷存储器14过载。控制电子器件必须快速识别出这一点并且闭合将两个交流电流接头2,4连接的旁路开关20。由此，换流器模块1被桥接并且设备可以继续运行直至下一次维护。但是桥接必须极快速地进行。

尽管如此却可以使用较慢的机械旁路开关20，半导体开关8的集电极 8k经由电路装置22与栅极8g连接，该电路装置由串联的抑制二极管24组成。由此如果在集电极8k和栅极8g之间的电压由于半导体开关8没有导通而变得过大，则抑制二极管24击穿并且栅极8g与集电极8g处的电压相连。由此建立流过半导体开关8的电流，其可能导致半导体开关8和抑制二极管 24损坏，但短期地避免了电荷存储器14损坏，直至旁路开关20闭合。电荷存储器14由此保持完好。

在仅根据与图1的区别进行解释的按照图2的电压源换流器模块1的第二实施方式中，还示出了半导体开关6的上述控制器26。在此附加地，在半导体开关6中集电极6k还经由相同的电路装置28与栅极6g连接，该电路装置由串联的抑制二极管30组成。

图3示出了另外的实施例，也就是在全桥电路中的换流器模块1的电路图。在此，换流器模块也具有两个交流电流接头2,4，但包括四个半导体开关6,8,32,34，其又分别与续流二极管10,12,36,38并联连接，以防止在断开时过电压。半导体开关32,34与在图1和图2中的半导体开关6,8相同地实施。

半导体开关6,8,32,34以全桥的方式与作为中央元件的电容器14互连，也就是两个在相同方向上串联连接的半导体开关6,8以及半导体开关32,34 (在其之间布置交流电流接头2或4中的一个)在相同方向上彼此并联连接并且与电容器14并联连接。相应地根据半导体开关6,8,32,34的开关状态在交流电流接头2,4之间呈现+U、-U或0V。在此，任意电流方向都是可能的。

在图3的实施例中也在交流电流接头2,4之间布置旁路开关20；没有示出半导体开关6,8,32,34的控制器。在每个半导体开关6,8,32,34中各自的集电极6k,8k,32k,34k经由相同的电路装置22,28,40,42与各自的栅极6g, 8g,32g,34g连接，该电路装置分别由串联的抑制二极管24,30,44,46组成。

在图3的实施方式中，在两个交流电流接头2,4之间得到两个可能的电流路径16,48。在替换的未示出的实施方式中，还可以仅电流路径48或16 的半导体开关6,32或8,34具有电路装置28,40或22,42。

图4以示意图示出了换流器50的实施例。换流器50具有六个功率半导体阀52，其按照桥电路彼此连接。每个功率半导体阀52在三个三相电流接头54,56,58之一与两个直流电流接头60,62之一之间延伸。

对于交流电压网的每一相布置三相电流接头54,56,58。在所示的实施例中，交流电压网是三相的。由此，换流器50也具有三个三相电流接头54, 56,58。在所示的实施例中，换流器50是高压直流电传输设备的部件并且用于连接交流电压网，以便在其之间传输高电功率。但是在此提到，换流器50 也可以是所谓的FACTS设备的部件，其用于电网稳定或确保期望的电压质量。此外，换流器50在驱动技术中的应用是可能的。

在图4中每个功率半导体阀52相同地构造并且包括由换流器模块1组成的串联电路以及电抗器64。换流器模块1按照从图1至图3所描述的实施例中的一个来构造，或者按照下面参见图5描述的实施例来构造。

在图5中示出的换流器模块1的实施方式构造为所谓的箝位双子模块。按照与图3的实施方式的区别进行描述该实施方式。

在箝位双子模块中，图3的电荷存储器14的中央布置和连接基本改变：在图3的实施例中，也就是全桥模块中，在电流路径16和电流路径48之间的连接线中接入电荷存储器14。在按照图5的箝位双子模块中首先设置两个单独的电荷存储器14a,14b，其分别接入在电流路径16和电流路径48之间的单独的连接线中。在两个提到的具有电荷存储器14a,14b的连接线之间，在电流路径16中布置电位隔离二极管66以及限流电阻68。电流路径48同样具有电位隔离二极管70以及限流电阻72。

电流路径16与电流路径48经由开关支路74连接，在该开关支路中布置另外的半导体开关76。其与其余的半导体开关76一样构造为具有相应的集电极76k、栅极76g和发射极76e的IGBT，并且其与续流二极管78反并联连接。为清楚起见没有示出半导体开关76的控制器。

开关支路74将电位隔离二极管66的阴极侧与电位隔离二极管70的阳极侧相连，其中在上述阳极和开关支路74之间布置的限流电阻72被忽略了。

按照图5的电压源换流器1能够基于开关支路74中的附加的半导体76 和由此得到的附加的电流路径实现在其输出端子处的多个电压状态，其尤其可以在整个换流器故障情况下应用，以便能够控制这些故障情况。上面描述的中央的半导体开关76不具有前面描述的电路装置，因为在其故障时还可以通过其余的半导体开关6,8,32,34确保电荷存储器14a,14b放电。为此类似于图3在半导体开关6,8,32,34中各自的集电极6k,8k,32k,34k经由相同的电路装置22,28,40,42与各自的栅极6g,8g,32g,34g连接，所述电路装置分别由串联的抑制二极管24,30,44,46组成。

附图标记列表

1 电压源换流器模块

2,4 交流电流接头

6,8 半导体开关

6e,8e 发射极

6g,8g 栅极

6k,8k 集电极

10,12 续流二极管

14,

14a,14b 电荷存储器

16 电流路径

18 控制器

20 旁路开关

22 电路装置

24 抑制二极管

26 控制器

28 电路装置

30 抑制二极管

32,34 半导体开关

32e,34e 发射极

32g,34g 栅极

32k,34k 集电极

36,38 续流二极管

40,42 电路装置

44,46 抑制二极管

48 电流路径

50 换流器

52 功率半导体阀

54,56,58 三相电流接头

60,62 直流电流接头

64 电抗器

66 电位隔离二极管

68 限流电阻

70 电位隔离二极管

72 限流电阻

74 开关支路

76 半导体开关

76e 发射极

76g 栅极

76k 集电极

78 续流二极管