模块化DC消弧器
阅读：1032发布：2020-05-24
专利汇可以提供模块化DC消弧器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开的 实施例 涉及模 块 化DC消弧器。公开了一种包括至少两个 电路 装置的组件，其中至少两个电路装置中的每个电路装置包括具有第一和第二 端子 的电容器以及电 开关 元件，其中开关元件电连接在电容器的第一和第二端子之间，并且适于从外部被激活以将电容器 短路 并消耗存储在电容器中的 能量 。至少两个电路装置的电容器的第二端子被电连接，并且形成至少两个电路装置的组件的第二电连接端子，并且其中对于至少两个电路装置的每个电路装置，具有大于零的、复数 电阻 的幅度的阻抗的第一侧与至少两个电路装置的电容器的第一端子电连接。至少两个电路装置的上述阻抗的第二侧被电连接，以形成至少两个电路装置的组件的第一电连接端子。，下面是模块化DC消弧器专利的具体信息内容。
1.一种组件，包括至少两个电路装置(100)，其中所述至少两个电路装置(100)中的每个电路装置包括：
电容器(110)，具有第一端子(115)和第二端子(116)；以及
电开关元件(120)，其中
所述开关元件(120)在所述电容器(110)的所述第一端子(115)与所述第二端子(116)之间电连接，并且适于从外部被激活以将所述电容器短路并消耗所述电容器(110)中存储的能量，以及其中
所述至少两个电路装置的所述电容器的所述第二端子(116)被电连接，并且形成所述至少两个电路装置(100)的所述组件的第二电连接端子(117)，以及其中对于所述至少两个电路装置(100)中的每个电路装置，
具有大于零的、复数电阻的幅度的阻抗(130)的第一侧(135)与所述至少两个电路装置(100)的所述电容器(110)的所述第一端子(115)电连接，以及其中
所述至少两个电路装置(100)的所述阻抗(130)的第二侧(136)被电连接，以形成至少两个电路装置(100)的所述组件的第一电连接端子(118)。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述阻抗来自由电阻器、电感或它们的组合组成的组。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的组件，其中适于从外部被激活以将所述电容器(110)短路的所述开关元件(120)是半导体。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的组件，其中所述至少两个电路装置(100)的所述组件的所述第一电连接端子(118)和所述第二电连接端子(119)适于被连接到多电平变换器单元的端子。
5.根据权利要求3所述的组件，其中所述电路装置(100)中的每个半导体(120)具有专用驱动器(200)，所述专用驱动器(200)适于同时或彼此独立地激活所述半导体(120)。
6.一种模块化消弧器，由根据权利要求1到5中任一项所述的组件形成。
7.一种MMC单元，具有半桥或全桥拓扑，其中所述MMC单元包括根据前述权利要求中任一项所述的消弧器或组件。
8.一种模块化多电平变换器MMC或链式变换器，所述MMC或链式变换器包括单元，其中每个单元被连接到根据权利要求1到6中任一项所述的组件或消弧器。
9.根据权利要求8所述的MMC或链式变换器，还包括：
网络接口，用于将所述单元中的每个单元连接到数据网络，其中
所述变换器单元可操作地被连接到所述网络接口，以用于以下中的至少一项：执行从所述数据网络接收的命令、以及将设备状态信息发送到所述数据网络。
10.根据权利要求8或9所述的MMC或链式变换器，其中
所述网络接口被配置为在所述模块化变换器单元与所述数据网络之间收发数字信号/数据，其中
所述数字信号/数据包括操作命令和/或关于所述变换器单元或所述网络的信息，并且所述MMC或链式变换器还包括用于将所述信号转换为数字信号或者对所述信号进行处理的处理单元。
模块化DC消弧器
技术领域
[0001] 本申请属于功率变换器、特别是模块化多电平变换器(MMC)的领域。特别地，公开了在一个或多个单元中电故障的情况下用于改进MMC中使用的单元中的操作安全的设备和方法。
背景技术
[0003] MMC单元中的故障半导体模块(例如IGBT模块)可能展现巨大破坏的高风险。在许多情况下，如果一个IGBT在半桥或全桥中失效，则相邻的IGBT能够清除由一个(或多个)DC母线电容器所导致的故障电流。然而，在有些情况中可能无法避免这种故障电流。
[0004] 由于IGBT与DC母线之间的杂散电感可能被故意地设置为很低(为了实现可接受的变换器性能/IGBT集电极处的低瞬态过电压/低的IGBT开关损耗)、并且在单元DC电容器中存储的能量可能较高，因此预期的故障电流可能会非常高。
[0005] 在没有任何对策的情况下，在IGBT模块内的焊线(将半导体片连接到金属触点的导线)将立即失效，从而导致电弧。该电弧将由储存在DC电容器中的高能量提供。这导致了IGBT模块的爆炸，从而造成巨大破坏。用以处理这个问题的困难性随着储存在DC电容器中的能量的增加而增加。
[0006] 单元中的电容器的能量可以通过公式(E＝0.5CU2)计算。例如，在1000V的电压和10mF(毫法)的电容的电容器情况下，在任何破坏发生前，5000J(Ws)能量必须在微秒内消耗。
[0008] 因此需要一种改进的解决方法，来解决上述问题。发明内容
[0009] 在第一方面，本发明可以公开一种包括至少两个电路装置的组件，其中至少两个电路装置中的每个电路装置包括：具有第一和第二端子的电容器、以及电开关元件，其中开关元件电连接在电容器的第一与第二端子之间，并且适于从外部被激活以将电容器短路并消耗存储在电容器中的能量，以及其中至少两个电路装置的电容器的第二端子被电连接，并且形成了至少两个电路装置的组件的第二电连接端子，以及其中对于至少两个电路装置的每个电路装置，具有大于零的、复数电阻的幅度的阻抗的第一侧可以与至少两个电路装置的电容器的第一端子电连接，以及其中至少两个电路装置的上述阻抗的第二侧被电连接，以形成至少两个电路装置的组件的第一电连接端子。
[0010] 在另一方面，本发明可以公开一种模块化消弧器(crowbar)，该消弧器由根据本公开的各方面的组件形成。
[0013] 本公开的实施例将以示例的形式呈现，并且在下文参照附图更详细地解释它们的优点，其中：
[0014] 图1a示出了根据实施例的具有消弧器的半桥单元；
[0015] 图1b示出了根据实施例的具有消弧器的全桥；
[0016] 图2a示出了根据实施例的模块化的消弧器；
[0017] 图2b是根据其他实施例的模块化消弧器；
[0018] 图2c是根据其他实施例的模块化消弧器；
[0019] 图3示出了具有常规DC消弧器的半桥MMC单元；
[0020] 图4示出了具有常规DC消弧器的全桥MMC。
具体实施方式
[0021] 在下文中，本公开的原理和精神将参考说明性的实施例来描述。应当理解，给出所有这些实施例仅仅是为了本领域的技术人员更好地理解并进一步实践本公开，而非限制本公开的范围。例如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以生成更进一步的实施例。为了清晰起见，本说明书中没有描述实际实现的所有特征。当然应理解的是，在任何这样的实际的实施例的开发中，应该做出许多特定于实现的决定来实现开发人员的特定目标，诸如符合系统相关和业务相关的约束条件，该特定目标从一个实现到另一个实现将有所不同。此外，应理解的是，这样的开发工作可能会复杂并且耗时，但是对于受益于本公开的本领域的普通技术人员来说不过是常规任务。
[0022] 本公开的主题现在将参考附图来描述。各种结构、系统和设备在图中示意性地描述仅出于解释的目的，以免使本领域的技术人员所熟知的详细描述模糊不清。然而，附图被包括以描述和解释本公开主题的说明性示例。本文使用的词和短语应被理解和解释为具有与相关领域的技术人员对于那些词和短语的理解一致的含义。没有术语或短语的特殊定义(即，与本领域技术人员理解的普通和习惯的含义不同的定义)旨在通过本文术语或短语的一致用法来暗示。在术语或短语旨在具有特殊含义(即，除了熟练技工能够理解的含义的其他含义)的程度，这样的特殊定义将以定义方式在说明书中明确阐明，该定义方式直接且明确地为术语或短语提供特殊定义。
[0023] 本发明的主题提供这样一种解决方案，该解决方案旨在通过利用DC消弧器(crowbar)来防止爆炸。为了实现可扩展性，DC消弧器应该是模块化的。
[0024] DC消弧器可能必须在几微秒内使对应的DC母线部分短路，以便将DC母线部分故障电流通过消弧器部件而旁路远离一个(或多个)半导体(例如IGBT)模块。
[0025] 因此，消弧器部件可以是半导体，优选是可以由开关信号激活的晶闸管。由于这种部件需要在放电后在机械上保持完好，这种部件优选可以是压装设备，该压装设备被认为在机械上是非常坚固的。消弧器设备需要在电容器放电后提供固态和持续的短路。消弧器或者更好的说法是晶闸管，将不用必须保持电完好，而是相反，其将会被强迫短路。当然，当仍然保持机械完整时，利用这样一个元件能够释放多少能量会有限制。因此，消弧器应当有利地是模块化的，并且被分配有DC电容器中存储的能量的最大允许尺寸。
[0027] MMC单元的现有技术例如可以从以下得知：Oedegard B.,Weiss D.,Baumann R.,T.:，，Rugged MMC Converter Cell for High Power Applications“,EPE 2016,Karlsruhe,September 2016or Weiss D.,Vasiladiotis M.,Banceanu C.,Drack N.,Oedegard B.,Grondona A.:“IGCT-based modular multilevel converter for an AC-AC railway power supply”,PCIM Europe 2017,Nuremberg,May 2017。
[0028] 通常使用的消弧器装置可以在图3和图4中示出。图3示出了包括半导体(晶体管T1和T2)的半桥，该半导体具有被切换为并联到半桥的单个非模块化的消弧器120。图4示出了相似的装置，不同的是示出了包括半导体(晶体管T1到T4)的全桥。
[0029] 由于DC母线的软解耦，每个MMC单元的放电电流可以平均地分配通过每个模块化消弧器。消弧器半导体，例如晶闸管，可以由单独的门极驱动器触发，然而，它们还可以由具有多个触发通道的单个门极驱动器触发、或者由其中所有晶闸管门极都被硬并联连接的单个通道触发。
[0030] 此外，将其与单元内“软”耦合DC母线的想法相结合，放电电流甚至可以更好地分配到部分消弧器。最后，模块化DC消弧器的概念使得DC母线能够取决于MMC单元的额定功率而容易调节。
[0031] 因此，本公开的第一方面提供了一种包括至少两个电路装置100的组件。至少两个电路装置10中的每个电路装置100可以包括：
[0032] 具有第一和第二端子115、116的电容器110以及电开关元件120，其中开关元件120可以电连接在电容器110的第一和第二端子115、116之间，并且适于从外部被激活以将电容器110短路并消耗存储在电容器110中的能量。
[0033] 外部激活在这个意义上可以被理解为，消弧器中的半导体可以与外部控制单元连接，将激活信号发送到模块化消弧器中的相应晶闸管。晶闸管的控制单元可以是仅用于激活消弧器的额外的控制单元，或者还可以是能够控制单元中的开关的控制单元的一部分。还有可能的是，消弧器可以采用内部控制单元，该内部控制单元可以连接到同样能够控制单元的数据总线。数据总线可以使用电数据传输或光学数据传输。由于具有可能干扰数据传输的较高的磁场和电场，该环境中优选使用光学数据传输。
[0034] 至少两个电路装置的电容器的第二端子116被电连接，并且形成至少两个电路装置100的组件的第二电连接端子117。换言之，电容器110和消弧器120的接触在其上连接的第二端子116，被组合在单个电接触端子117中。这同样适用于接触点或端子136，该端子可以全部是电连接的并且由一个电端子118表示。
[0035] 图1a、图1b示出了电容器110和开关元件120的三个组件的并联连接。开关元件120可以包括半导体，优选是能够使电容器110短路的晶闸管。开关元件还可以称为DC消弧器。晶闸管120和并联开关的电容器110的单个组件可以称为消弧器模块。这种模块中的两个或更多个模块可以形成模块化消弧器。
[0036] 对于至少两个电路装置100中的每个电路装置100，具有大于零的、复数电阻的幅度的阻抗130、131、132的第一侧135可以与至少两个电路装置100的电容器110的第一端子115电连接，并且其中至少两个电路装置100的上述阻抗130的第二侧136被电连接，以形成至少两个电路装置100的组件的第一电连接端子118。这样的阻抗130、131、132可以是每个单独的消弧器模块的一部分。换言之，包括两个或多个单独的消弧器模块的模块化消弧器，还可以包括与单个消弧器模块数目相同的阻抗。
[0037] 例如在图1a中，三个模块100被分配了三个阻抗130、131、132。被称为消弧器模块的晶闸管120和并联开关的电容器110的单个组件，可以包括作为整体部分的阻抗130、131、132。模块100在没有阻抗130、131、132时不可以直接并联(“硬并联”)切换。
[0038] DC消弧器可以分成几个模块，这些模块可以允许DC母线存储能量的可扩展性。允许DC母线存储的能量被扩展可能是很大的优点，因为需求的单元能量可能尤其取决于单元额定电流或与变换器的瞬态行为相关的要求。
[0039] 因此，对每个DC母线部分/存储的能量，可以分配一个DC消弧器组件。这种模块化概念的一个优点是，可以不必为最高电流设计传统的非模块化的消弧器。根据取决于电压和电容器充电的能量需求，这样的模块化消弧器或消弧器装置，可以很容易地由若干那些消弧器的并联切换来调节。在这样的消弧器中，电容器110可以是整体部分。因此这样的模块化消弧器可以由电容器和晶闸管的完整组件构成。
[0040] 模块化允许选择合适数目的标准晶闸管，这些晶闸管可能比单个、成本更高的晶闸管便宜，能够消耗整个电容器110的能量。
[0041] 另一个实施例可以公开了由其他实施例提供的组件，其中阻抗130、131、132来自由电阻、电感或它们的组合组成的组。阻抗可以被视为复数电阻，其包括实部和虚部。电阻器可以主要地具有实部，电感主要地具有复数部分。简单的导线连接因此也可以被视为阻抗，因为任何导线的电阻也具有电感部分，即使电感部分可能很小。
[0042] 在另一方面，本发明可以公开，适于从外部被激活以将电容器110短路的开关元件优选可以是半导体。开关元件可以是晶闸管，但还可以是能够足够快地释放电容器的能量的任何外部可开关的元件。
[0043] 本发明的另一个方面可以公开，至少两个电路装置100的组件的第一和第二电连接端子118、117可以适于被连接到多电平变换器单元的端子。术语“端子”这里可以涉及电路的部分之间的任何导电连接点。这例如可以包括焊接连接，经由带有端子或螺接端子的线束连接。根据图1A、图1B，包括三个模块100以及相应的阻抗130、131和132的模块化消弧器，可以切换到与包括半导体T1和T2的半桥并联。电容器100被分配到每个单元。
[0044] 本发明的实施例可以公开，电路装置100中的每个半导体(晶闸管)120可以具有专用驱动器200，可以将每个半导体连接到该专用驱动器200。驱动器200可以适应于彼此独立地激活半导体120。驱动器200可以具有用于每个半导体120的一个或多个输出。用于这些晶闸管的驱动器可以放置在任何地方，例如在单元中或在单元外部、或者可以是消弧器的一部分。
[0045] 驱动器因此优选地可以连接到控制端子或开关的控制连接器。在开关是晶体管的情况下，控制连接器可以被布置在晶体管的门极处或晶体管的基极处。
[0046] 图2A详细地示出了模块化消弧器的三个开关(晶闸管)。每个开关可以与其自己的门极驱动器200耦合。三个晶闸管中的每个晶闸管或者三个消弧器模块中的每个消弧器模块可以被独立控制。
[0047] 图2B详细地示出了模块化消弧器的三个开关(晶闸管)120。该开关可以仅由一个门极驱动器200激活。图2B中的门极驱动器具有三个不同的通道，其中每个通道(通道1到3)可以分配到一个开关(晶闸管)120。可以为门极驱动器增加更多的通道以控制更多的开关。
[0048] 在图2B示出的实施例中，所有开关都可以被独立激活。在图2C中，所有开关120可以由门极驱动器200同时激活。
[0049] 本应用的另一个实施例可以公开一种模块化消弧器，该模块化消弧器由根据本申请的实施例的组件形成。在电流路径或支路中的开关(参见图1a、图1b、图3和图4中的T1到T4)之一故障的情况下，可能会发生电容器110短路的情况。例如，参见图1a，由于半导体(或门极驱动器GD)中的电故障，T1持续保持闭合(“接通状态”)，并且T2可能被激活、由门极驱动器GD从“断开”状态切换到“接通”状态。这可能是最坏的情况。
[0050] 此时的支路可能造成短路，该短路将所附电容器110短路。取决于当前电容器中存储的能量，半导体可能爆炸。模块化消弧器可以采用这种方式，使其消耗部分存储的能量，使得支路中的剩余半导体不会发生进一步的损坏并且可以避免爆炸。
[0051] 据此能够形成模块化消弧器的模块的短路设备的设计优选可以适合于消耗电容器的能量含量。这意味着，形成模块化消弧器的模块之一的半导体优选是晶闸管，优选是可以具有承载能力的晶闸管，该承载能力要足够大以消耗电容器的能量而不会爆炸。
[0052] 另一个实施例可以涉及一种具有半桥或全桥拓扑的MMC单元，其中MMC单元可以适于与根据其他实施例的消弧器装置或组件连接。消弧器装置可以是单元的一部分。
[0053] 本申请的另一个实施例可以公开一种多电平变换器或链式(chain link)变换器，该多电平变换器或链式变换器包括单元，其中每个单元可以被连接到根据本应用的实施例的组件或消弧器。
[0054] 本公开的另一方面，涉及根据任何先前的权利要求的MMC或链式变换器还包括用于将每个单元连接到数据网络的网络接口，其中变换器单元能够可操作地被连接到网络接口，以用于以下项中的至少一项：执行从数据网络接收的命令，以及将设备状态信息发送到数据网络。
[0055] 在根据本申请的实施例的另一方面，网络接口可以被配置为在模块化变换器单元与数据网络之间收发数字信号/数据，其中数字信号/数据可以包括操作命令和/或关于变换器单元或网络的信息，并且还包括用于将信号转换为数字信号或对信号进行处理的处理单元。模块化变换器单元或功率变换器包括多个这样的单元，因此完全可以经由数据网络进行控制。
[0056] 特别地，变换器、或者模块化多电平变换器的单元可以被连接到内部网络接口，该内部网络接口作为中间变换器控制器或中间层而被分配到变换器或单元。该中间变换器控制器或中间层可以以通过互联网间接连接的方式进行连接以控制单元或变换器。可以使用任何已知的物理传输信道或协议。
[0057] 先前呈现的本申请因此建议为变换器单元(例如，在MMC内)将DC消弧器拆分成模块化部分消弧器。在基于IGCT半导体的现有技术MMC单元中，每个单元使用一个DC消弧器，如图3和图4可见。DC消弧器必须在几微秒内使相应的DC母线部分短路，以便使DC母线部分故障电流通过消弧器部件而旁路远离一个(或多个)IGBT模块。消弧器设备需要在放电后提供稳固和持续的短路。消弧器设备将不用必须保持电完好，而是相反，其将会被强迫短路。当仍然保持机械完整时，利用这样一个元件能够释放多少能量会有限制。
[0058] 因此，消弧器部件可以是半导体，优选是晶闸管。由于这种部件需要在放电后在机械上保持完好，这种部件优选可以是压装设备，该压装设备被认为在机械上是非常坚固的。消弧器半导体(晶闸管)可以由单独的门极驱动器触发，然而，它们还可以由具有多个触发通道的单个门极驱动器触发、或者由其中所有晶闸管门极都被硬并联连接的单个通道触发。
[0059] 将DC消弧器拆分成部分消弧器，从而将故障电流分配到若干电流路径/支路。此外，将其与单元内“软”耦合DC母线的想法相结合(DC电容器没有被直接“硬并联”连接)，放电电流甚至可以更好地分配到部分模块化消弧器。最后，模块化DC消弧器的概念使得DC母线能够根据MMC单元的额定功率而容易调节。被拆分为模块的DC消弧器允许DC母线存储能量的可扩展性。允许DC母线存储的能量被扩展可能是很大的优点，因为需求的单元能量可能尤其取决于单元额定电流、与变换器瞬态行为相关的要求。因此，一个DC消弧器组件可以被分配到每个DC母线部分/存储的能量。由于DC母线的软解耦，每个MMC单元的放电电流可以平均地分配通过每个模块化消弧器。
[0060] 在上文呈现的设计可以允许模块化消弧器，该模块化消弧器可以根据特定需求扩展。模块化消弧器的单个模块可以包括半导体开关，优选呈晶闸管或任何其他半导体的形式，该半导体开关可以被触发以产生持续的短路。模块还可以包括电容器，该电容器可以是MMC单元中所必需的电容器。
[0061] 换言之，模块优选可以包括用于短路的半导体和电容器的并联电路。模块还可以包括阻抗，该阻抗被串联切换到所述并联连接。晶闸管可以是标准类型。两个或多个模块可以被切换为并联以实现模块化消弧器的可扩展性。可扩展性可以取决于全桥或半桥中的多个并联开关的半导体。
[0062] 有利地，模块化消弧器比单个半导体设计的消弧器便宜，能够承受(一个或多个)电容器的完整能量负载。
[0064] 尽管上文针对本公开的实施例，但可以在不偏离其基本范围的情况下设计本公开的其他和进一步的实施例，并且本公开的范围由下文的权利要求确定。
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