專利名稱：在電壓中間電路變流器中用于控制直流側(cè)的短路的半導體保護元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于轉(zhuǎn)換電流的裝置，具有至少一個相模塊，該相模塊具 有交流電壓接頭和至少一個直流電壓接頭，其中，在每個直流電壓接頭和每個 交流電壓接頭之間形成一個相模塊支路，并且其中，每個相模塊支路具有由子 模塊組成的串聯(lián)電路，這些子模塊分別具有至少一個功率半導體。
背景技術(shù)：
這樣的裝置在DE10103031A1中已經(jīng)公開。在那里描述了一種經(jīng)典的電壓 中間電路變流器以及一種具有分布的能量存儲器的電壓中間電路變流器。具有 分布的或劃分的能量存儲器并且具有轉(zhuǎn)換分級的電壓的能力的電壓中間電路變 流器也被稱為多級變流器。所描述的電壓中間電路變流器被設置來連接到多相 的交流電網(wǎng)，其中變流器經(jīng)過直流電壓電路與第二變流器相連。第二變流器在 交流電壓側(cè)連接到另一個單相或多相交流電網(wǎng)或者連接到待驅(qū)動的負載。對于 要連接的交流電網(wǎng)的每一相，該變流器具有相模塊，該相模塊具有用于連接交 流電網(wǎng)的相的交流電壓接頭和兩個直流電壓接頭。在每個直流電壓接頭和交流 電壓接頭之間延伸一條相模^:支路，該相模塊支路為了獲得高的電壓由可關(guān)斷 功率半導體的串聯(lián)電路組成?？申P(guān)斷功率半導體例如是所謂的IGBT、 GTO或 者IGCT。在此，與每個可關(guān)斷功率半導體反向并聯(lián)連接一個空程二極管。在 經(jīng)典的電壓中間電路變流器情況下在直流電壓中間電路中設置了中央電容器作 為能量存儲器。
但是，根據(jù)DE10103031A1還可以將電容分配到串聯(lián)連接的子模塊上，來 替代中央能量存儲器。這樣，所述子模塊分別具有與功率半導體并聯(lián)的電容器。
極管。"由此，變i器的每^相模塊支路:具有自身能量存儲器的子模塊的串聯(lián) 電^各組成。
在已經(jīng)公知的電壓中間電路變流器中在直流電壓回路中發(fā)生短路情況下在變流器中產(chǎn)生高的故障電流，該故障電流主要通過電感、即例如通過交流電 壓側(cè)設置在相模塊上的線圏來限制。在短路時產(chǎn)生的故障電流通過電網(wǎng)電壓驅(qū) 動并且通常通過斷開將交流電壓與變流器分離的斷路器來中斷。但是到斷開斷 路器時某些半導體結(jié)構(gòu)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)地被損壞或毀壞。為了避免功率半導體和 特別是空程二極管的毀壞，迄今為止超尺寸地設置二極管，使得即使經(jīng)過較長 的時間也能夠經(jīng)受預計的短路電流。
但是這樣的解決方案沒有產(chǎn)生滿意的結(jié)果并且還是成本高的。此外，市場 上通常共同地、例如在共同的外殼內(nèi)提供可關(guān)斷功率半導體和空程二極管，從 而空程二極管的超尺寸使得需要單獨地和成本高地制造功率半導體。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種本文開頭部分提到種類的裝 置，該裝置即使經(jīng)過較長的時間也能夠經(jīng)受高的短路電流。
上述技術(shù)問題是通過與至少一個功率半導體并聯(lián)和/或串聯(lián)連接的半導體 保護裝置解決的。
按照本發(fā)明設置一個或多個用于保護功率半導體的組件。這些組件被包括 于半導體保護裝置的概念中。這樣的組件例如是與功率半導體并聯(lián)連接的單元。
然而，半導體保護裝置還包括設置用于限制通過相模塊支路的電流的電流限制
裝置。在此，功率半導體的概念既包括可關(guān)斷功率半導體，即IGBT、 GTO、 IGCT
等，也包括通常與可關(guān)斷功率半導體并聯(lián)連接的空程二極管。
每個子模塊合適地具有至少一個并聯(lián)連接了反向空程二極管的可關(guān)斷功 率半導體，其中半導體保護裝置包括與反向空程二極管并聯(lián)連接的保護元件。
優(yōu)選地，保護元件是具有與預期的短路電流匹配的載流能力的另一個空程 二極管。按照該優(yōu)選擴展，與實際的空程二極管并聯(lián)連接一個附加的空程二極 管。因此，在短路情況下的電流由兩個空程二極管來承擔。與已經(jīng)集成的空程 二極管相比，如下地設置用作保護元件的空程二極管的靜態(tài)正向特性曲線，使 得保護元件在故障情況下承擔故障電流的主要部分并且由此集成的空程二極管 被卸載。此外，作為保護元件起作用的空程二極管的沖擊電流能力與預期的負 載匹配。在正常運行中流過各個相模塊支路的電流分布在集成的空程二極管上 和作為保護元件起作用的空程二極管上，其中所述分布取決于兩個空程二極管 的靜態(tài)正向特性曲線。由此在正常運行中在電流換向情況下也加載兩個空程二極管，因此作為保護元件起作用的空程二極管具有針對特殊的斷開特性的要求。 在本發(fā)明的與此不同的實施例中，保護元件是晶閘管。該晶閘管在正常運 行中斷開，從而沒有電流流過該晶閘管。通過直流電壓回路中的、交流電流接 頭上的電壓或電流傳感器，或者通過測量經(jīng)過相模塊支路的支路電流，可以探 測短路電流。然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)短路電流的探測的方式是任意的。在本 發(fā)明的一種實施方式中一個或多個所述測量傳感器與分析單元相連，該分析單 元借助在其中執(zhí)行的邏輯確定短路情況并且接著產(chǎn)生用于觸發(fā)晶閘管的信號。 為此，分析單元例如將所測量的電流與閾值電流比較并且在長時間超過閾值電 流情況下確定短路情況。然后在微秒數(shù)量級的時間段之內(nèi)將可關(guān)斷功率半導體 轉(zhuǎn)換到其截止狀態(tài)。短路電流只能經(jīng)過并聯(lián)的空程二極管流過。通過分析單元
的接著的信號將晶閘管從其截止狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其導通狀態(tài)，在該導通狀態(tài)中電流 可以經(jīng)過晶閘管流過。因此，短路電流既經(jīng)過晶閘管也經(jīng)過集成的空程二極管 流過。如下設置晶閘管的靜態(tài)正向特性曲線，使得該晶閘管承擔故障電流的主 要部分，從而集成的空程二極管被卸載。與作為保護元件起作用的晶閘管并聯(lián) 的可關(guān)斷功率半導體的周期性的轉(zhuǎn)換，在正常運行時不允許導致晶閘管的不期 望的觸發(fā)。例如由于太高的電壓陡度而引起晶閘管的自觸發(fā)。因此晶閘管必須
具有足夠的所謂du/dt能力。
優(yōu)選地，半導體保護裝置包括在每個相模塊中設置的電感。電感在相模塊 中的設置原則上是任意的。例如，每個相模塊經(jīng)過電感與直流電壓接頭的一個 或每個相連。在此電感是相模塊的一部分。
優(yōu)選地，電感設置在子模塊的串聯(lián)電路和交流電壓接頭之間。由此每個相 模塊支路借助電感與交流電壓接頭相連。相同相模塊的相模塊支路的電感由此 互相相鄰地設置，其中交流電壓接頭設置在電感之間。因此還可以互相感性地 耦合這些電感，由此提高了對于在相模塊和支路電流的直流電流分量之間的回 路電流的總電感，并且如果回路電流對于尺寸來說是決定性的，則在節(jié)省成本 的條件下較小地構(gòu)造單電感。
在本發(fā)明的另 一種實施方式中，半導體保護裝置包括在子模塊中設置的電 感。在此例如每個子模塊具有一個電感。與之不同，只有一個子模塊或者僅幾 個子模塊具有電感。這些電感按照本發(fā)明的該變形在相模塊中分布地設置。
最后，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，半導體保護裝置可以包括在直流電壓回路中設 置的電感。在此，這些電感物理上緊鄰相模塊設置，使得由于在直流電壓中間電路中的短路引起的故障電流，被迫經(jīng)過直流電壓回路的電感流過。
半導體保護裝置合適地包括在相模塊的交流側(cè)設置的電感。在另一種變形
中，半導體保護裝置包括變壓器繞組。這些變壓器繞組配備了足夠用于有效限
制電流的漏電感。
優(yōu)選地，每個子模塊具有第一接線端子、第二接線端子、能量存儲器和一
個與能量存儲器并聯(lián)的具有兩個串聯(lián)連接的可關(guān)斷功率半導體的功率半導體支 路，其中，與每個可關(guān)斷功率半導體并聯(lián)連接一個反向空程二極管，并且功率
半導體支路的第一可關(guān)斷功率半導體的發(fā)射極和與第一可關(guān)斷功率半導體關(guān)聯(lián) 的反向空程二極管的陽極的連接點形成第一接線端子，而功率半導體支路的可 關(guān)斷功率半導體和空程二極管的連接點形成第二接線端子。
與此不同的是，每個子模塊具有第一接線端子、第二接線端子、能量存儲 器和一個與能量存儲器并聯(lián)的具有兩個串聯(lián)連接的可關(guān)斷功率半導體的功率半
導體支路，其中，與每個可關(guān)斷功率半導體并聯(lián)連接一個反向空程二極管，并 且功率半導體支路的第一功率半導體的集電極和與第一功率半導體關(guān)聯(lián)的反向
空程二極管的陰極的連接點形成第一接線端子，而功率半導體支路的可關(guān)斷功 率半導體和空程二極管的連接點形成第二接線端子。
本發(fā)明還涉及一種用于保護這樣的裝置的功率半導體的方法，其中，通過 測量傳感器采集相模塊的直流電壓側(cè)的短路，在采集了短路電流之后將可關(guān)斷 功率半導體轉(zhuǎn)換到其分離狀態(tài)并且接著將作為半導體保護元件的晶閘管轉(zhuǎn)換到
其導通狀態(tài)。


本發(fā)明其它合適的實施方式和優(yōu)點是以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例的
描述的內(nèi)容，其中，相同的附圖標記指示起相同作用的組件，并且其中
圖1在說明在短路故障中故障電流的路徑的情況下示出了按照本發(fā)明的裝
置的一種實施例的示意圖，
圖2示出了具有所謂兩點拓樸結(jié)構(gòu)的按照本發(fā)明的裝置的一種實施例的相
模塊，
圖3示出了具有所謂多級拓樸結(jié)構(gòu)的按照本發(fā)明的裝置的一種實施例的相 模塊，以及
圖4示出了按照圖3的相模塊的子模塊的等效電路圖。
具體實施例方式
圖1示出了按照本發(fā)明的裝置1的一種實施例的示意圖。所示出的裝置具
有三個分別可以與交流電網(wǎng)7的一相連接的相模塊2a、 2b和2c。為此每個相 模塊2a、 2b和2c具有交流電壓接頭3。此外，每個相模塊2a、 2b和2c具有與 直流電壓中間電路5的正極以及與直流電壓中間電路5的負才及相連的正的直流 電壓接頭p以及負的直流電壓接頭n。
相模塊2a、 2b和2c分別包括兩個分別在交流電壓接頭3和直流電壓接頭 p以及n之間延伸的相模塊支路。在示出的實施例中總共設置了六條相模塊支 路。每條相模塊支路具有由帶有可關(guān)斷功率半導體的子模塊組成的串聯(lián)電路。
例如，經(jīng)過變壓器連接到作為理想電壓源示出的交流電網(wǎng)7。此外，在該 變壓器和交流電壓接頭3之間還可以設置附加電感。變壓器的漏電感、附加電 感和交流電網(wǎng)7的阻抗在圖1中通過設置在相才莫塊2a、 2b和2c的交流側(cè)的電 感6a、 6b、 6c表示。在交流電網(wǎng)7和電感6a、 6b、 6c之間連接了三極的斷路 器8，該斷路器與配備有用于采集相模塊的交流電壓側(cè)的電流的測量傳感器的 保護設備相連。如果所采集的電流超過事先確定的閾值，則進行斷路器8的轉(zhuǎn) 換，其中，斷路器8的每個極被轉(zhuǎn)換到其分離狀態(tài)，在該分離狀態(tài)經(jīng)過斷路器 8的電流-故中斷。
在直流電壓回路5中設置了電感9,確切地說在直流電壓回路5的正極p 以及負極n中均設置了。
此外，在圖1中示出了由交流電網(wǎng)7驅(qū)動的短路電流10的示例性路徑， 該短路電流在短路情況下會出現(xiàn)在直流電壓回路5中。可以看出，來自交流電 網(wǎng)7的短路電流10經(jīng)過斷路器8、電感6a、相模塊2a的功率半導體、直流電 壓回路5的正極和負極n中的電感9、相模塊2b的功率半導體、電感6b、最后 又流入交流電網(wǎng)7。在直流電壓回路5中設置的電感9由此限制短路電流10并 且在本發(fā)明范圍內(nèi)用作半導體保護裝置。
圖2示出兩點技術(shù)中的相模塊2a，其中又說明了短路電流10經(jīng)過敏感的 功率半導體的路徑。要指出的是，所有可關(guān)斷功率半導體在通過與分析單元相 連的合適的傳感器采集了短路之后緊接著被轉(zhuǎn)換到其分離狀態(tài)。在圖2中可以 看出，相模塊2a由相模塊支路llp和lln組成。在此相模塊支路llp在交流電 壓接頭3和正的直流電壓接頭p之間以及相模塊支路lln在交流電壓接頭3和負的直流電壓接頭n之間延伸。每個相模塊支路llp、 lln又具有由子沖莫塊組成 的串聯(lián)電路，其中每個子模塊具有可關(guān)斷功率半導體12和與該可關(guān)斷功率半導 體反并聯(lián)連接的空程二極管13。每個相模塊支路的點線表示，用于每個相模塊 支路llp以及l(fā)ln的子模塊的數(shù)量和由此可關(guān)斷功率半導體12以及空程二極管 13的數(shù)量絕不限于兩個，而是可以任意地根據(jù)施加的電壓擴充。
由此，結(jié)合圖1描述的短路電流經(jīng)過相模塊2a的交流電壓接頭3以及經(jīng)過 相模塊支路llp的所有空程二極管13流到直流電壓回路5的正極。由此，相模 塊2b的相模塊支路llp的空程二極管13以及相模塊支路lln的空禾呈二極管遭 受高的短路電流并且在觸發(fā)斷路器8之前可能被損壞。
根據(jù)圖1的具有按照圖2的相模塊的本發(fā)明裝置，包括未圖形示出的優(yōu)選 以與功率半導體并聯(lián)的、特別是與在可關(guān)斷功率半導體斷開的情況下加載短3各
電流的空程二極管并聯(lián)的晶閘管或者二極管形式的半導體保護裝置。此外，該 裝置還包括同樣未示出的、例如按照與該裝置的變流器低阻相連的電容器形式 的中央能量存儲器。
圖3示出了所謂的多級變流器的相模塊2a,其同樣是按照本發(fā)明的裝置的 一種實施例。相模塊2a在多級技術(shù)中包括子模塊15的串聯(lián)電路，這些子模塊 分別具有一個能量存儲器，從而通過接通和斷開串聯(lián)電路中的子模塊可以產(chǎn)生 分級的電壓變化。由于在相模塊中能量存儲器的中央設置，相模塊2a可以配備 附加的電感14，該電感連接在直流電壓接頭p或n和由雙才及的子4莫塊15組成 的各個串聯(lián)電路之間。附加的電感限制了短路電流。但是相模塊中電感的設置
僅僅在多級技術(shù)中是具有優(yōu)勢的。在具有中央能量存儲器的變流器中相模塊中 的電感對開關(guān)性能起負面作用。
圖4示出了按照圖3的子模塊15的等效電路圖。可以看出，每個子模塊 15具有兩個可關(guān)斷功率半導體12，例如IGBT。與每個可關(guān)斷功率半導體12 又反并聯(lián)連接空程二極管13。以這種方式構(gòu)成由可關(guān)斷功率半導體12組成的 串聯(lián)電路16。與串聯(lián)電路16并聯(lián)連接了一個構(gòu)造為電容器17的能量存儲器。
每個子模塊15具有第一接線端子18以及第二接線端子19。在第一接線端 子18以及第二接線端子19之間設置了第一功率半導體12a。在圖4中功率半 導體12b設置在可關(guān)斷功率半導體12a的上部。在采集了短路之后首先將可關(guān) 斷功率半導體轉(zhuǎn)換到其分離狀態(tài)。因此，短路電流經(jīng)過下面的空程二極管13a
流過?？粘潭O管13b則不受短路電流的影響。由于這個原因，僅僅與下面的空程二極管12a并聯(lián)連接了保護元件20。保護元件20是另一個空禾呈二極管， 其中，該空程二極管具有這樣的正向特性曲線該正向特性曲線與集成的二才及 管13a相比，在故障情況下，短路電流的主要部分經(jīng)過空程二極管20流過。此 外，空程二極管20具有足夠高的沖擊電流能力。在正常運行中電流既經(jīng)過空程 二極管13a也經(jīng)過作為保護元件起作用的空程二極管20流動。分配取決于兩個 空程二極管13a以及20的靜態(tài)正向特性曲線。由此在換向(Abkommutieren ) 情況下也加載了空程二極管20,該空程二極管20因此必須具有對應的關(guān)斷特 性的能力。但是這樣的空程二極管對專業(yè)人員是公知的，從而在此不需詳細描 述該二極管特性。
在市場上可以獲得具有反向空程二極管13a的特別的可關(guān)斷功率半導體 12a，它們被設置在圖4中用21表示的共同的外殼中。保護元件(在這種情況 下也就是空程二極管20)被設置在外殼21外部。
當然，在本發(fā)明的范圍內(nèi)除了保護元件20之外，可以存在相模塊2a、 2b 和2c中的電感14或者直流電壓回^各5中的電感9。
此外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，子模塊15還可以至少部分地具有電感。
如果在按照圖3和4的具有多級拓樸結(jié)構(gòu)的變流器情況下在直流電壓中間 電路中出現(xiàn)短路，則經(jīng)過相模塊2a的支路電流按照主要通過電感14確定的速 度上升。如果在直流電壓回路中出現(xiàn)電感9的直流電壓側(cè)的短路，則這些電感 也限制電流上升速度。例如如下構(gòu)造電感14,使得在短^^時還在可關(guān)斷功率半 導體的允許的正常電流范圍之內(nèi)就可以關(guān)斷可關(guān)斷功率半導體。由于這個原因， 提供在幾個微秒的數(shù)量級中的快速采集和反應。在關(guān)斷了可關(guān)斷功率半導體之 后，只有空程二極管還流過短路電流。在采用晶閘管作為保護元件的情況下， 其在幾個毫秒之后就會被觸發(fā)。
權(quán)利要求
1. 一種用于轉(zhuǎn)換電流的裝置(1)，具有至少一個相模塊(2a，2b，2c)，該相模塊具有交流電壓接頭(3)和至少一個直流電壓接頭(p，n)，其中，在每個直流電壓接頭(p，n)和每個交流電壓接頭(3)之間形成一個相模塊支路(11p，11n)，并且其中，每個相模塊支路(11p，11n)具有由子模塊(15)組成的串聯(lián)電路，這些子模塊分別具有至少一個功率半導體(12，13)，其特征在于，與所述至少一個功率半導體(12，13)并聯(lián)和/或串聯(lián)連接半導體保護裝置(9，14，20)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(1 ),其特征在于，每個子模塊(15 )具有 至少一個可關(guān)斷功率半導體(12),與其并聯(lián)連接反向空程二極管(13),其中， 所述半導體保護裝置(9， 14， 20)包括與所述反向空程二極管(13)并聯(lián)連接 的保護元件(20)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(1)，其特征在于，所述保護元件是具有與 預期的短路電流匹配的載流能力的空程二極管(20 )。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(1 )，其特征在于，所述保護元件是晶閘管。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置(1)，其特征在于，所述半導體 保護裝置(9, 14, 20)包括在每個相模塊中設置的電感(14)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置(1 )，其特征在于，所述電感設置在一個或 多個子沖莫塊中。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置(1),其特征在于，所述半導體 保護裝置(9， 14, 20)包括在相模塊的交流電流側(cè)設置的電感。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置(1)，其特征在于，所述電感是具有足夠用 于限制電流的漏電感的變壓器繞組。
9. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置(1)，其特征在于，所述半導體 保護裝置包括與一個或每個直流電壓接頭(9)在直流電壓側(cè)連接的電感。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置(1),其特征在于，每個子模 塊(15)具有第一接線端子(19)、第二接線端子(18)、能量存儲器(17)和 一個與能量存儲器(17)并聯(lián)的具有兩個串聯(lián)連接的可關(guān)斷功率半導體(12a，12b)的功率半導體支路，其中，與每個可關(guān)斷功率半導體(12a， 12b)并聯(lián)連 接一個反向空程二極管(13a， 13b),并且功率半導體支路的第一可關(guān)斷功率半 導體(12a)的發(fā)射極和與第一可關(guān)斷功率半導體關(guān)聯(lián)的反向空程二極管(13a) 的陽極的連接點形成第一接線端子(19)，而功率半導體支路的可關(guān)斷功率半導 體(12a, 12b)和空程二極管(13a, 13b)的連接點形成所述第二接線端子。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的裝置(1 ),其特征在于，每個子 模塊具有第一接線端子、第二接線端子、能量存儲器和一個與能量存儲器并聯(lián) 的具有兩個串聯(lián)連接的功率半導體的功率半導體支路，其中，與每個可關(guān)斷功 率半導體并聯(lián)連接一個反向空程二極管，并且功率半導體支路的第一功率半導體的集電極和與第一功率半導體關(guān)聯(lián)的反向空程二極管的陰極的連接點形成第 一接線端子，而功率半導體支路的可關(guān)斷功率半導體和空程二極管的連接點形 成第二接線端子。
12. —種用于保護根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置的功率半導體的方法，其中， 通過測量傳感器采集相模塊的直流電壓側(cè)的短路，在采集了短路電流之后將所 述可關(guān)斷功率半導體轉(zhuǎn)換到其分離狀態(tài)并且接著將所述晶閘管轉(zhuǎn)換到其導通狀 態(tài)。
全文摘要
為了提供一種用于轉(zhuǎn)換電流的裝置(1)，具有至少一個相模塊(2a，2b，2c)，該相模塊具有交流電壓接頭(3)和至少一個直流電壓接頭(p，n)，其中，在每個直流電壓接頭(p，n)和交流電壓接頭(3)之間形成一個相模塊支路(11p，11n)，并且其中，每個相模塊支路(11p，11n)具有由子模塊(15)組成的串聯(lián)電路，這些子模塊分別具有至少一個功率半導體(12，13)，該裝置即使經(jīng)過足夠長的時間也能夠經(jīng)受高的短路電流，本發(fā)明建議，與所述至少一個功率半導體(12，13)并聯(lián)和/或串聯(lián)連接半導體保護裝置(9，14，20)。
文檔編號H02M7/49GK101548461SQ200680056562
公開日2009年9月30日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者喬格·蘭, 喬格·多恩, 克勞斯·沃爾夫林格, 夸克-布·圖, 英戈·尤勒, 邁克·多馬?？?申請人:西門子公司