[實用新型]多電平柔性高壓直流輸電功率模塊保護與旁路拓撲

有效

• 申請號: 201420179384.3
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN203967989U
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 保丁格諾·保羅·安東尼奧;張海濤;易榮;時偉;陳慧鋒;艾錫剛
• 申請（專利權）人: 榮信電力電子股份有限公司
• 主分類號: H02M7/00
• 分類號: H02M7/00;H02M1/32
• 代理公司: 鞍山嘉訊科技專利事務所 21224
• 代理人: 張群

技術領域

本實用新型提出基于晶閘管撬杠的固態旁路策略，這可以改進功率模塊的保護。?

背景技術

市場上現有的大多數模塊化多級換流(MMC)技術平臺采用塑料封裝的IGBT模塊和二極管(PMI)作為半導體開關器件來實現基于半H橋方案的功率模塊架構(如圖1所示)。?

現有的設計基于以下保護策略：?

當功率模塊故障或失靈時(內部故障)，一個連接于功率模塊交流母線間的高速真空接觸器Con馬上閉合導通，從而及時實現故障功率模塊的旁路并避免系統停機。?

但此方案具有以下缺點：?

在一些故障中，如：功率器件T1故障時，由于電容器C1放電，接觸器Con的閉合也不能防止大電流的直通。這樣功率器件T1存在爆炸風險，如果功率器件T1爆掉，會存在將故障傳播至其它功率模塊的危險。?

另外，即便器件爆炸被遏制在為了防止由爆炸引起的材料及等離子體擴散及故障傳播而特制的機械容器里，由于器件爆炸引起的過高熱能量仍然可能會造成功率模塊內部的水冷散熱器過熱，從而進一步損壞散熱器及絕緣的水管連接(O型橡膠圈、墊片等)，最終會導致換流閥漏水及閃燃的風險。?

當發生直流母線極間短路時(外部故障)，故障電流流過換流閥橋臂的所有功率模塊中的二極管D2，通常塑料封裝IGBT模塊中的二極管的12t值較低故無法承受這種水平的直流故障電流。?

為了避免這種故障狀態下二極管D2失效，額外增加了一個與二極管D2并聯的晶閘管Th1用以分擔故障電流和保護二極管本身。在這種情況下，晶閘管?的觸發和導通(陽極和陰極之間電壓極低)是另一個關鍵問題(指電壓特性(1))。?

發明內容

本實用新型旨在解決以上所有問題并保證即便在極端故障狀態下功率模塊的完整性。?

為實現上述目的，本實用新型通過以下技術方案實現：?

多電平柔性高壓直流輸電功率模塊保護與旁路拓撲，包括功率器件、與功率器件并聯的二極管、直流電容器，其特征在于，在直流電容器兩端并聯了一個晶閘管撬杠。?

所述的晶閘管、功率器件及二極管采用壓裝器件組成閥串，晶閘管與直流電容器并聯連接。?

與現有技術相比，本實用新型有益效果是：可保證即便在極端故障狀態下功率模塊的完整性。當功率模塊故障或失靈時，晶閘管Th2被觸發從而旁路功率模塊。在大電流產生的巨大熱量壓力下，器件內的硅和鉬晶片會融化并成為合金，從而使得器件形成并處于穩定的短路狀態。?

附圖說明

圖1是背景技術功率模塊旁路保護電路結構圖。?

圖2是本實用新型功率模塊旁路保護電路結構圖。?

圖3是壓裝結構的閥組結構圖。?

圖3中：401-直流電容器?402-直流電容端子?403-連接母排?404-晶閘管?405-IGBT功率器件?406-二極管?407-閥串?408-壓板?409-散熱器?

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。?

多電平柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC)功率模塊保護與旁路策略，可保證即便在極端故障狀態下功率模塊的完整性。具體實現采用壓裝IGBT(PPI)和壓裝二極管(PPD)來取代塑料封裝的IGBT模塊PMI，并且在直流電容器兩端并聯了一個晶閘管撬杠(Th2)。?

如圖2所示，由壓裝器件組成的功率模塊電路拓撲，IGBT功率器件T1、T2、分別與IGBT功率器件T1、T2并聯的二極管D1、D2、直流電容器C1，在直流電容器C1兩端并聯了一個晶閘管撬杠Th2。?

閥組的結構如圖3所示，旁路的晶閘管和其它半導體功率器件(IGBT及二極管)被壓裝在一起，組成閥串。閥串407由壓裝器件晶閘管404、散熱器409、IGBT功率器件405、散熱器409、二極管406、散熱器409、IGBT功率器件405、散熱器409、二極管406、散熱器409組成，閥串上部設有壓板408，壓裝器件之間設有散熱器409，通過水冷散熱，晶閘管與直流電容器通過母排并聯連接。?

這種布置方法使得器件和電容通過路徑很短、雜散電感很低以及結構堅固的母排布置連接起來，從而使得閥串能夠承受電容直通放電引起的極高電磁力的沖擊。無論是在單獨的功率模塊狀況下還是在當功率模塊工作于直流輸電換流閥中的狀況下，反復的最高峰值達600KA的故障電流試驗證明，在這種沖擊電流下沒有結構變形，沒有絕緣失敗，也沒有把電磁干擾傳播到相鄰功率模塊中其它器件的情況。?