[發明專利]帶有撬棒電路的轉換器單元

有效

• 申請號: 201980091846.1
• 申請日: 2019-02-28
• 公開（公告）號: CN113424428B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: A·莫哈納韋拉馬尼;J·斯文森;A·納米
• 申請（專利權）人: 日立能源瑞士股份公司
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M1/32;H02M7/49
• 代理公司: 北京市漢坤律師事務所 11602
• 代理人: 魏小薇;吳麗麗

本公開涉及一種用于功率轉換器的轉換器單元(4)。單元包括在單元中形成半橋或全橋拓撲的多個半導體器件(T)。單元還包括連接在至少一個開關支路(6)兩端的能量存儲裝置(5)。單元還包括連接在至少一個開關支路兩端的撬棒支路(7)，該撬棒支路包括被布置成短路能量存儲裝置(5)的多個串聯連接的半導體撬棒開關(C)。單元還包括第一和第二AC端子(A、B)，其中AC端子中的至少一個在開關支路的多個串聯連接的半導體器件中的兩個半導體器件之間連接到至少一個開關支路中的一個，并且在撬棒支路的多個串聯連接的撬棒開關中的兩個撬棒開關之間連接到撬棒支路。

技術領域

本公開涉及模塊化多電平鏈式鏈接轉換器(MMC)的轉換器單元。

背景技術

由于增強的模塊化、可擴展性以及損耗降低的諧波性能，MMC已成為并網轉換器的熱門選擇。朝向單元級別保護構思的發展最近已經成為焦點。在半橋(half-bridge，HB)或全橋(full-bridge，FB)MMC單元的所謂擊穿故障中，單元電容器經由半導體開關的支路短路，從而導致單元電容器能量以非常大的電流(例如對于靜態同步補償器(STATCOM)在500kA到1MA的范圍內、或者對于高壓直流(High-Voltage Direct Current，HVDC)轉換器在1至2MA的范圍內)放電到開關中。

柵極驅動器(Gate Driver，GD)通常配備有保護電路，以感測較大的電流并安全關閉(即不導通)開關。從過去的經驗來看，已經確定了使用GD的安全關閉并不是總起作用，并且可能必須有輔助保護電路。在開關擊穿故障期間，MMC單元應克服的兩個問題是：

-放電到開關中的較大的單元電容器能量可能導致爆炸(例如在使用接合線的工業開關模塊(例如絕緣柵雙極型晶體管，IGBT)的情況下)，或者導致需要更昂貴的具有氣密密封的壓接封裝開關(例如集成門極換向晶閘管(Gate-Commutated Thyristor，IGCT)、雙模絕緣柵晶體管(Bi-Mode Insulated Gate Transistor，BiGT)、晶閘管、StackPak IGBT或注入增強柵晶體管(Injection-Enhanced Gate Transistor，IEGT))來處理這些能量。

-在擊穿故障期間，在高阻抗模式下開關爆炸或故障之前，可能有必要在單元輸出上具有快速穩定的旁路。需要注意的是，由于較大的臂電抗器的存在，流經單元輸出的電流不能被中斷，這會在故障的單元上引發電弧，從而導致轉換器的閥結構的嚴重損壞。

為了解決這些問題，可以使用連接在單元電容器兩端的直流(direct current，DC)撬棒晶閘管。當檢測到擊穿故障時，觸發撬棒晶閘管開啟(即導通)。然后，來自電容的較大的涌入電流在開關的故障的支路和晶閘管之間共享，從而放寬了開關封裝的能量處理要求。晶閘管可以被設計成使得大部分電容器能量經由晶閘管而不是經由開關放電。晶閘管可能故障短路，并長持續時間(例如1年)內保持處于低阻抗，通常直到下一維修停止。

例如，如果開關是壓接封裝IGCT，由于IGCT的特性是在二極管保持健康的情況下故障短路，因此可以獲得通過二極管橋和故障的晶閘管的穩定的單元輸出旁路。通過在MMC單元中引入DC撬棒晶閘管已經解決了以上提及的兩個問題。

圖1a示出了正常操作期間的轉換器單元，而圖1b示出了DC撬棒晶閘管被激活并進入短路，由此該單元通過二極管被旁通。

需要注意的是，為了使這種方法起作用，二極管必須保持健康。例如，工業IGBT模塊使用接合線將IGBT和二極管芯片連接到功率端子。當在接合線模塊發生擊穿故障時，較大的涌入電流可能損壞接合線，從而使接合線蒸發并產生由強磁場引起的機械應力。因此，這可能會導致開路故障，而不像導致短路電路故障的壓接封裝模塊(例如IGCT)中一樣。在擊穿電流由于開關的開路故障而中斷時，可能會在IGBT模塊內引發電弧。這導致IGBT組件內部升高的溫度以及最終增加的壓力，并可能最終導致IGBT模塊爆炸。從爆炸排出的氣體以及轉換器臂上的電流中斷然后可能導致故障的單元上的電弧放電，從而導致轉換器中的另外的故障。