本發(fā)明涉及一種具有短路裝置的用于電力變換器的子模塊，以及具有若干這種串聯(lián)連接的子模塊的電力變換器。

背景技術(shù)：

用于將直流電變換成交流電以及反向變換以及很多其他目的的電力變換器常由子模塊構(gòu)成，子模塊具有帶可控功率半導(dǎo)體開關(guān)的電橋電路和用于暫時存儲電能，形成直流電壓中間電路的內(nèi)部電容器。電橋電路與中間電路并聯(lián)連接，可以由例如半橋形成，半橋具有串聯(lián)連接的兩個可控功率半導(dǎo)體開關(guān)。電橋電路也可以是所謂的H橋或全橋，具有兩個并聯(lián)連接到中間電路的功率半導(dǎo)體分支，每個分支都具有在其中串聯(lián)布置的兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)。每個可控開關(guān)都具有分配給它的反并聯(lián)的續(xù)流二極管。通過適當(dāng)方式控制功率半導(dǎo)體開關(guān)以例如在開關(guān)的連接點(diǎn)處產(chǎn)生交變電壓。反之，可以將開關(guān)的連接點(diǎn)處的交變電壓變換成直流電壓以為中間電路饋電。

對于大功率電力變換器而言，通常將多個這樣的子模塊彼此串聯(lián)連接，以允許兆瓦范圍的高額定系統(tǒng)功率和高壓應(yīng)用，例如高壓直流電(HVDC)輸電系統(tǒng)，并產(chǎn)生具有精細(xì)漸變的大致正弦電壓。根據(jù)冗余性要求，即使在一個或多個子模塊故障時也必須確保裝置的功能，還可能需要使用多個串聯(lián)連接的電力變換器子模塊。

重要的是，故障子模塊在可能的程度上不會影響整個系統(tǒng)的功能。故障可能由電橋電路的損傷或破壞的功率半導(dǎo)體開關(guān)或損傷或破壞的續(xù)流二極管導(dǎo)致，也可能由功率半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)動器中的故障導(dǎo)致。有多種半導(dǎo)體開關(guān)可供使用。例如，可以利用所謂的平封(flat-pack)或模塊化設(shè)計的絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)構(gòu)建子模塊，平封或模塊化設(shè)計在襯底上具有多個IGBT和反并聯(lián)二極管芯片。每個芯片都通過結(jié)合線與模塊內(nèi)部匯流條(busbar)電連接。在發(fā)生故障時，短路電流可能導(dǎo)致IGBT芯片損壞并在其集電極和其發(fā)射極連接之間形成短路。然后有缺陷的芯片通常會傳導(dǎo)整個故障電流，與故障電流相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度和過熱可能導(dǎo)致接合線在數(shù)微秒之內(nèi)熔化或被撕掉。這可能導(dǎo)致閃絡(luò)故障，閃絡(luò)故障可能導(dǎo)致相關(guān)IGBT模塊和其他IGBT模塊爆炸，最終使整個子模塊的電路開路。這會中斷子模塊串聯(lián)電路中的電流，這樣會導(dǎo)致整個電力變換器關(guān)閉。應(yīng)當(dāng)防止這種情況。在發(fā)生故障時，希望在故障子模塊的交流電壓連接之間建立長期的低阻抗電流路徑，以實(shí)現(xiàn)子模塊之間的冗余性并確保電力變換器或整個系統(tǒng)的其他功能。

DE 10333798A1描述了一種短接電力變換器故障子模塊的過程，子模塊與全橋電路和與至少一個作為子模塊串聯(lián)電路中的能量儲存器的內(nèi)部中間電路電容器連接，，所有功率半導(dǎo)體開關(guān)被控制成當(dāng)故障發(fā)生時，它們永久擊穿以生成子模塊直流電壓側(cè)的持久短路，。在發(fā)生故障時，功率半導(dǎo)體開關(guān)被破壞，這可能會提高成本。實(shí)施該過程一方面使得功率半導(dǎo)體開關(guān)的快速擊穿同時避免了形成電弧故障和模塊化設(shè)計制造的子模塊部件爆炸，這可能非常復(fù)雜在很多情況下也極少能夠?qū)崿F(xiàn)。

DE 10323220A1公開了一種短路電路，用于具有內(nèi)部中間電路電容器和全橋電路的故障電力變換器子模塊，其中每個中間電路電容器都具有與其并聯(lián)連接的電子型半導(dǎo)體器件，在發(fā)生子模塊故障時，或者接受中間電路電容器的短路電流，或者根據(jù)這樣的短路電流，控制子模塊故障，然后永久破壞，或者由于電容器過電壓而破壞。與中間電路電容器并聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件可以是二極管、短路晶閘管或功率半導(dǎo)體開關(guān)，尤其是IGBT。在發(fā)生故障時，例如，啟動短路晶閘管，通過控制電橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)，使得它們降低飽和度，短路電流迅速換向到啟動的短路晶閘管，晶閘管隨后擊穿，并形成持久的短路旁路通路。與關(guān)聯(lián)的半導(dǎo)體器件相關(guān)的這種旁路分支需要額外的部件并增大了電路的復(fù)雜性。

在實(shí)踐中，當(dāng)前還通常提供所謂的交流短路器，例如，通過布置于子模塊的交流電壓連接之間的旁路分支中的快速開關(guān)的機(jī)械開關(guān)來形成它，在發(fā)生故障時閉合，以在交流電壓連接之間生成短路旁路通路。在此，同樣，旁路通路需要額外的部件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種措施，允許用于具有至少一個可控功率半導(dǎo)體開關(guān)的電力變換器的子模塊在發(fā)生故障時通過簡單控制而被短路。具體而言，本發(fā)明的目的是生成一種具有低復(fù)雜度短路形式的電力變換器子模塊，其允許在子模塊中有故障時在子模塊的交流電壓連接之間生成持久穩(wěn)定的低阻抗短路通路，從而可以繼續(xù)電力變換器和整個系統(tǒng)的長期工作。

本發(fā)明的另一個目的是生成具有多個這樣的子模塊的電力變換器。

這些目的是通過具有獨(dú)立權(quán)利要求1的特征的用于電力變換器的子模塊，并通過具有獨(dú)立權(quán)利要求17的特征的電力變換器實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明尤其有利的實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的主題。

本發(fā)明的一個方面提供了一種具有電橋電路、電容器和短路裝置的電力變換器子模塊。電橋電路具有至少一個在第一和第二直流電壓節(jié)點(diǎn)之間延伸的功率半導(dǎo)體分支，并具有布置于其中的至少一個可控功率半導(dǎo)體開關(guān)，續(xù)流二極管反并聯(lián)連接到其上。電容器充當(dāng)直流電壓中間電路電容器，且在第一和第二直流電壓節(jié)點(diǎn)之間并聯(lián)連接到電橋電路。短路裝置具有反并聯(lián)到功率半導(dǎo)體開關(guān)的續(xù)流二極管的至少一個選定的續(xù)流二極管，至少一個選定的續(xù)流二極管制造成壓裝(press pack)設(shè)計(pressure contact housing design)并被設(shè)計成在子模塊中由于故障狀況發(fā)生故障時擊穿，并在子模塊的第一和第二交流電壓連接之間生成持久穩(wěn)定低阻抗的短路通路，負(fù)載電流能夠長期通過所述短路通路繞過活動功率半導(dǎo)體開關(guān)，以允許電力變換器和整個系統(tǒng)繼續(xù)工作。

壓裝設(shè)計(press pack design)涉及到在壓力接觸板之間擠壓功率半導(dǎo)體器件，從而密封它們。在二極管的陽極-陰極短路之后發(fā)生故障時，壓力接觸確保二極管形成穩(wěn)定和極低阻抗的短路。盡管壓裝設(shè)計較為精細(xì)且昂貴，但這里它對續(xù)流二極管用于旁路通路的額外保護(hù)功能極其有用，因?yàn)樗_保了長期短路的穩(wěn)定性和高的外殼斷裂強(qiáng)度。高的斷裂強(qiáng)度有效防止了發(fā)生故障時從壓力接觸外殼出現(xiàn)破裂的部分或物件，這還可以避免對周圍的系統(tǒng)部件造成損傷。能夠繼續(xù)操作電力變換器或系統(tǒng)數(shù)月或甚至數(shù)年，直到下一次安排的服務(wù)停止，在這時，然后可以替換故障的子模塊。

根據(jù)本發(fā)明，在反并聯(lián)的續(xù)流二極管中的僅至少一個發(fā)生故障時，達(dá)到短路模式，反并聯(lián)的續(xù)流二極管無論如何都存在，在正常工作期間，本來用以傳導(dǎo)工作電流和/或針對不可接受的過電壓或反向電壓保護(hù)關(guān)聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)。保護(hù)功能的基本實(shí)施例除已經(jīng)給出的那些之外，不需要任何額外的旁路分支或任何額外的電子部件，這樣降低了電路的復(fù)雜性以及設(shè)計和控制子模塊部件的工作量。

原則上，子模塊的電橋電路可以是半橋電路，半橋電路具有與至少兩個電力開關(guān)串聯(lián)連接的單個電橋臂。不過，對于本發(fā)明的子模塊優(yōu)選具有形式為所謂H橋或全橋電路的電橋電路，H橋或全橋電路具有兩個并聯(lián)的功率半導(dǎo)體分支，功率半導(dǎo)體分支連接于第一和第二直流電壓節(jié)點(diǎn)之間，且每者都具有至少一個功率半導(dǎo)體開關(guān)，每個開關(guān)都具有反并聯(lián)的續(xù)流二極管。這樣的H橋電路是現(xiàn)有技術(shù)中已知的，廣泛用于電力變換器的子模塊中。

在一個實(shí)施例中，子模塊的形式可以是具有對稱H橋或全橋的雙向子模塊，既用于逆變器又用于整流器。具體而言，功率半導(dǎo)體分支均可以包括兩個串聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)，每個功率半導(dǎo)體開關(guān)都具有與其關(guān)聯(lián)的反并聯(lián)續(xù)流二極管，其連接點(diǎn)分別形成子模塊的第一和第二連接。

在另一實(shí)施例中，可以為子模塊提供不對稱或減小的H橋或全橋，既用于逆變器又用于整流器。具體而言，電橋電路可以具有第一功率半導(dǎo)體分支和第二功率半導(dǎo)體分支，第一功率半導(dǎo)體分支具有串聯(lián)連接的第一功率半導(dǎo)體開關(guān)和第一二極管，第二功率半導(dǎo)體分支具有串聯(lián)連接的第二功率半導(dǎo)體開關(guān)和第二二極管，第一和第二二極管布置于電橋電路的電橋?qū)蔷€中，每個功率半導(dǎo)體開關(guān)都具有與之關(guān)聯(lián)的反并聯(lián)續(xù)流二極管。第一功率半導(dǎo)體開關(guān)和第一二極管之間的連接點(diǎn)形成子模塊的第一連接，第二功率半導(dǎo)體開關(guān)和第二二極管之間的連接點(diǎn)形成子模塊的第二連接。

所有的實(shí)施例都能夠使用制造技術(shù)的有利混合。例如，所有的功率半導(dǎo)體開關(guān)，例如IGBT，還有那些不是短路裝置一部分的二極管，可以優(yōu)選制造成平封或模塊化設(shè)計，而僅有短路裝置的一個或多個選定續(xù)流二極管制造成壓裝設(shè)計。這使得能夠降低子模塊的成本，同時壓裝續(xù)流二極管提供了高的工作可靠性。通常，在所有描述的實(shí)施例中，在壓裝設(shè)計中使用功率半導(dǎo)體開關(guān)，例如IGBT也是可能的；不過，這并非本發(fā)明必需的，因?yàn)槌杀驹黾右话悴皇窍Ｍ械那闆r。

在所有上述實(shí)施例中，旁路通路優(yōu)選除擊穿的續(xù)流二極管和第一和/或第二二極管(如果有的話)之外沒有其他電子部件?？梢岳煤苌儋M(fèi)用，僅使用已經(jīng)給出的電橋電路的部件，實(shí)現(xiàn)短路功能。

在另一實(shí)施例中，子模塊可以替代地或額外地具有溫度影響裝置，溫度影響裝置被配置成在子模塊中發(fā)生故障時導(dǎo)致至少一個續(xù)流二極管處或附近溫度升高。為了實(shí)現(xiàn)這個目的，在發(fā)生故障時，續(xù)流二極管能夠例如被加熱或減弱其冷卻，以導(dǎo)致續(xù)流二極管擊穿。

在又一實(shí)施例中，子模塊可以替代地或額外地具有連接于第一和第二直流電壓節(jié)點(diǎn)之間并行于電橋電路的分支中的可觸發(fā)火花隙，其中火花隙在被觸發(fā)時利用倒向電流通過子模塊導(dǎo)致故障電流，實(shí)現(xiàn)至少一個續(xù)流二極管的擊穿?？梢酝ㄟ^受控和響應(yīng)性極強(qiáng)的方式引起短路故障模式。作為火花隙的替代，還可以利用可控半導(dǎo)體開關(guān)，例如，IBGT或晶閘管，提供例如并行于電容器的旁路分支。

在上述實(shí)施例中，導(dǎo)致至少一個續(xù)流二極管擊穿的故障狀況可以包括至少一個選定續(xù)流二極管兩端的過電壓、續(xù)流二極管處過熱和通過續(xù)流二極管的過大故障電流(浪涌電流)中的至少一種。

子模塊優(yōu)選具有與其關(guān)聯(lián)的驅(qū)動單元，驅(qū)動單元被配置成在檢測到故障時，切斷子模塊的所有功率半導(dǎo)體開關(guān)或保持它們切斷。這一過程也被稱為觸發(fā)脈沖阻塞，屬于基于IGBT的電力變換器領(lǐng)域，例如，在Rahul Chokhawala：“A discussion on IGBT short circuit behaviour and fault protection schemes”，IEEE 1993中進(jìn)行了描述。本發(fā)明通過導(dǎo)致更多電流流經(jīng)子模塊以繼續(xù)通過續(xù)流二極管和/或電橋電路的第一和第二二極管為電容器充電，從而利用這一過程。在發(fā)生故障時，可以將電容器充電到在至少一個選定續(xù)流二極管上產(chǎn)生超過其最大反向電壓的電壓的電壓，從而導(dǎo)致其擊穿。

子模塊的驅(qū)動單元也被配置成控制溫度影響裝置和/或觸發(fā)火花隙(如果有的話)。

本發(fā)明的另一方面提供了一種用于將交流電壓變換成直流電壓或反之的電力變換器。如上所述，電力變換器具有至少一個有兩個或更多串聯(lián)連接子模塊的相分支。形成串聯(lián)連接，使得至少一個子模塊的至少一個第一交流電壓連接電連接到相鄰子模塊的第二交流電壓連接。每個分支還在大約中間具有接入用于和電氣網(wǎng)絡(luò)、交流電(AC)電力機(jī)器、交流發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電廠、獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)等連接的電力變換器的交流電壓連接。電力變換器可以包括具有其有利屬性的子模塊的上述實(shí)施例的任一種。電力變換器尤其適用于HVDC輸電系統(tǒng)或高功率變換器中，還適用于必須滿足冗余性要求時。

在任何情況下，電力變換器被配置成以穩(wěn)定方式長時間短接有故障的子模塊，以允許電力變換器繼續(xù)工作。為了完成這一目的，電力變換器優(yōu)選還具有被配置成檢測電力變換器任何子模塊中的直流側(cè)短路故障的被動或主動檢測電路，以及與驅(qū)動單元連接或包括驅(qū)動單元的控制裝置，控制裝置被配置成在檢測到這樣的短路故障時，切斷子模塊的所有功率半導(dǎo)體開關(guān)或保持它們切斷，如果需要，采取進(jìn)一步措施以引起或?qū)е露搪饭收夏Ｊ?。這可能涉及對用于旁路通路的至少一個續(xù)流二極管進(jìn)行熱影響或?qū)鸹ㄏ饵c(diǎn)火，以通過倒向電流使至少一個選定續(xù)流二極管擊穿。用于功率半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)動單元以及可能其他保護(hù)功能是否與子模塊或電力變換器相關(guān)聯(lián)，對于功能來講無關(guān)緊要。

附圖說明

從后附權(quán)利要求、附圖和關(guān)聯(lián)描述可以了解關(guān)于本發(fā)明實(shí)施例的其他有利細(xì)節(jié)。下文利用附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖示出了不以任何方式進(jìn)行限制的本發(fā)明示范性實(shí)施例，在所有附圖中使用相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件。在附圖中：

圖1是具有電力變換器的示范性系統(tǒng)的方框圖，用以例示本發(fā)明的示范性應(yīng)用，電力變換器由多個子模塊構(gòu)成，以將電能供應(yīng)網(wǎng)或另一交變電壓源與另一網(wǎng)絡(luò)或負(fù)載耦接；

圖2a-c示出了根據(jù)本發(fā)明，具有不同全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力變換器子模塊的簡化電路圖，可以將其用于圖1中所示的電力變換器中；

圖3a-3c示出了具有圖2a所示的對稱全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力變換器子模塊的不同實(shí)施例的簡化電路圖，示出了各種所得的旁路通路；

圖4a-4b示出了具有圖2b所示的不對稱全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力變換器子模塊的不同實(shí)施例的簡化電路圖，示出了各種結(jié)果的旁路通路；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明，使用溫度影響裝置的電力變換器子模塊的修改實(shí)施例的電路圖簡化圖；以及

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明，使用火花隙(spark gap)的電力變換器子模塊的另一實(shí)施例的電路圖簡化圖。

具體實(shí)施方式

圖1以簡化方式中示出了系統(tǒng)1，系統(tǒng)1能夠用于高壓直流電配電系統(tǒng)，用于在高直流(DC)電壓下進(jìn)行電能傳輸或用于很多其他應(yīng)用。這里，系統(tǒng)1例如包括三相交流電(AC)電壓源2，三相交流電電壓源2可以是例如電能供電網(wǎng)、交流電(AC)電力機(jī)器、交流發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電廠等。交流電壓源2具有通過其輸入3與之連接的電力變換器4；這一電力變換器4的輸出6可以通過直流輸電裝置(未示出)與另一電能供電網(wǎng)連接?？梢匀芜x地通過變壓器7將變換器4連接到交流電壓源2。

變換器4具有至少一個第一電力變換器8，在這里，第一電力變換器可以是整流器，以將交流電壓源2的交流電壓U_ac變換成輸出側(cè)的直流電壓U_dc。變換器4可選具有另一電力變換器(未示出)，另一電力變換器將電壓U_dc變換成適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?。?dāng)然，如果能量流處于指向能量供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)或電壓匯點(diǎn)2的相反方向中，則互換電力變換器的功能。

從圖1顯而易見，作為范例，電力變換器8具有三個相分支11a、11b和11c，每個都由串聯(lián)連接的多個電力變換器子模塊或模塊化開關(guān)12的串聯(lián)電路形成?？梢酝ㄟ^各個電力變換器子模塊的開關(guān)狀態(tài)動態(tài)改變電力變換器8的輸出6處的可控直流電壓。電力變換器子模塊12的數(shù)目決定了電力變換器開關(guān)狀態(tài)的可用數(shù)量，這樣允許進(jìn)行精細(xì)的電壓漸變和高質(zhì)量的電壓波形。于是，電力變換器8就是所謂的多層次或多點(diǎn)變換器。下文結(jié)合圖2-8更詳細(xì)地解釋子模塊12。

在相分支11a-11c中，可以在電力變換器交流電壓連接13a、13b、13c處提供環(huán)流限制電感14。整流器8的第一最頂部子模塊12的直流電壓輸出側(cè)連彼此連接，并通過直流電壓中間電路電感16與第一電力變換器直流電壓連接(“+”)18連接。類似地，電力變換器8的最后最下方的子模塊12的輸出連接通過另一直流電壓中間電路電感17與第二電力變換器直流電壓連接(“-”)19連接。在輸出連接18、19之間是U_dc的直流電壓，這一直流電壓可以是例如高于100kV的高壓。

圖2a-c示出了被稱為例如子模塊或模塊化開關(guān)12的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化電路圖，因?yàn)榭梢栽趫D1中所示類型的多層次電力變換器8中使用并進(jìn)一步開發(fā)它們，以實(shí)施本發(fā)明。

圖2a中所示的雙向子模塊12具有電橋電路21和并聯(lián)連接到電橋電路21的電容器C 22。電橋電路21在這里是所謂的對稱H橋或全橋的形式，具有兩個并行的功率半導(dǎo)體分支23、24，在第一和第二直流電壓節(jié)點(diǎn)26、27之間彼此并聯(lián)連接。第一功率半導(dǎo)體分支23具有串聯(lián)的第一功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)T2，第一和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)T1、T2的每個都分別與反并行或反并聯(lián)連接的續(xù)流二極管D1和D2相關(guān)聯(lián)。續(xù)流二極管D1、D2用于在功率半導(dǎo)體開關(guān)T1或T2打開時傳導(dǎo)工作電流，并針對不可接受的過電壓或反向電壓保護(hù)關(guān)聯(lián)的電力開關(guān)。如下文更詳細(xì)所述，在子模塊12中有故障時，續(xù)流二極管D1、D2還可以完成對子模塊12的保護(hù)功能。

類似地，第二功率半導(dǎo)體分支24具有串聯(lián)的第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)T3、T4，每個功率半導(dǎo)體開關(guān)都分別具有與其反并聯(lián)連接的續(xù)流二極管D3和D4。續(xù)流二極管D3、D4完成與續(xù)流二極管D1、D2相同的功能。

功率半導(dǎo)體開關(guān)T1-T4是可控的開關(guān)，這里有利地由IGBT(絕緣柵雙極晶體管)形成。不過，原則上，也可以使用其他晶體管，例如，場效應(yīng)晶體管、柵極截止晶閘管或其他相當(dāng)?shù)碾娮硬考?。本文中使用的術(shù)語集電極、發(fā)射極和柵電極涉及將IGBT優(yōu)選用作電橋電路21的功率半導(dǎo)體開關(guān)T1-T4，本領(lǐng)域的技術(shù)人員通常將對應(yīng)術(shù)語用于其他相當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體器件的連接或電極。

從圖2a顯而易見，第一功率半導(dǎo)體開關(guān)T1的發(fā)射極與第二功率半導(dǎo)體開關(guān)T2的集電極連接，連接點(diǎn)形成子模塊12的第一交流電壓連接28，這一第一交流電壓連接也可以是輸入或輸出連接。同樣地，第三功率半導(dǎo)體開關(guān)T3的發(fā)射極與第四功率半導(dǎo)體開關(guān)T2的集電極連接，連接點(diǎn)形成子模塊12的第二交流電壓連接29，這一第二交流電壓連接也可以是輸入或輸出連接。

與兩個并聯(lián)系列電路或功率半導(dǎo)體分支23并聯(lián)連接的是電容器C，電容器C充當(dāng)能量儲存器22，也可以被指定為子模塊12的直流中間電路電容器。由于續(xù)流二極管D1-D4的連接緣故，電容器C兩端的直流電壓Udc始終為正，并可以根據(jù)其額定值和應(yīng)用，在例如幾百伏和幾kV之間。子模塊12的交流連接28、29之間的電壓實(shí)質(zhì)上能夠采取-u_dc、+u_dc或0值。電容器C上的直流電壓u_dc可能變得更大或更小。電流能夠在兩個方向上流經(jīng)子模塊12，即從連接28到連接29，或者反之，從連接29到連接28。

圖2b和2c示出了子模塊12′、12″，它們是從圖2a中的子模塊12修改得到的。在這里，子模塊12′、12″是由單向開關(guān)模塊形成的，其中，電流在正常操作期間在連接28、29之間僅在一個方向流動。

與圖2a中的子模塊不同的是，在圖2b中，這里省略了電橋電路21的橋?qū)蔷€上的功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和T4，因此每個功率半導(dǎo)體分支23、24都分別具有串聯(lián)的電力變換器二極管D1′和D4′并分別具有功率半導(dǎo)體開關(guān)T2和T3，續(xù)流二極管D2和D3分別與其反向并聯(lián)。換言之，由電橋?qū)蔷€上的二極管D1′和D4′替代分別帶有關(guān)聯(lián)的反并聯(lián)續(xù)流二極管D1和D4的功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和T4的組合。存在的功率半導(dǎo)體開關(guān)T2、T3分別與反并聯(lián)的續(xù)流二極管D2和D3相關(guān)聯(lián)。

在第一功率半導(dǎo)體分支23中的第一二極管D1′和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)T2之間的連接點(diǎn)處以及在第三功率半導(dǎo)體開關(guān)T3與第二功率半導(dǎo)體開關(guān)24中的第四二極管D4′的連接點(diǎn)處定義子模塊12′的交流電壓連接28、29。在正常工作期間，通過子模塊12′的電流始終在由二極管D1′和D4′確定的同一方向上，即在從第一連接28到第二連接29的方向上流動。因此，在電力變換器8中串聯(lián)連接子模塊12′時，必須要小心的是在所有子模塊中電流方向是相同的。子模塊12′的連接28、29之間的電壓能夠?qū)嵸|(zhì)上采取三個值+u_dc、-u_dc和0，其中u_dc是電容器C 22兩端的電壓。

圖2c中所示的子模塊12″與圖2b中所示的不同之處僅在于這里互換了電橋?qū)蔷€。于是，由電力變換器D2′、D3′替代了第二和第三半導(dǎo)體開關(guān)T2、T3(帶有關(guān)聯(lián)的續(xù)流二極管D2、D3)。子模塊12″也是單向開關(guān)模塊，其中在正常工作期間，電流流動現(xiàn)在由二極管D2′和D3′決定，從第二子模塊連接29向第一子模塊連接28運(yùn)行。在其他方面中，這里相應(yīng)地適用關(guān)于子模塊12′的論述。

如前文已經(jīng)提到的，子模塊12、12′和12″優(yōu)選由IGBT制成，它們是在模塊化或所謂的平封設(shè)計中制造的。在這種設(shè)計中，多個IGBT和反并聯(lián)二極管芯片形成于襯底上，均通過結(jié)合線與模塊內(nèi)部匯流條(busbar)電連接。在發(fā)生故障時，例如，IGBT芯片的發(fā)射極-集電極短路時，然后可能僅通過故障芯片傳導(dǎo)故障電流，這意味著不再能夠確保電流的持久可靠傳導(dǎo)。這樣可能具有如下結(jié)果：形成非常高幅度的短路電流，甚至超過100kA(與例如1-2kA的正常工作電流相比)，且故障芯片的結(jié)合線中有極高的電流密度。接合線可能在幾微秒之內(nèi)熔化或分離，并導(dǎo)致電弧放電，這可能導(dǎo)致部件或整個模塊爆炸。IGBT或二極管芯片爆炸又可能使子模塊12、12′、12″的交流或直流側(cè)處于空閑狀態(tài)中，使得整個電力變換器8、9不能工作。爆炸還可能導(dǎo)致連鎖反應(yīng)并損壞系統(tǒng)的很多部件。

為了避免這種情況，本發(fā)明提供了一種短路裝置30，所述短路裝置被配置成在子模塊12、12′或12″中發(fā)生故障時建立子模塊12、12′或12″持久穩(wěn)定低阻抗的短路故障模式，其中通過子模塊的短路電流能夠沿著旁路通路流動，繞過相應(yīng)的功率半導(dǎo)體開關(guān)T1-T4。下文基于圖3到7更詳細(xì)地描述短路裝置30。

本發(fā)明的短路裝置30包括變換器子模塊中與功率半導(dǎo)體開關(guān)反并聯(lián)的選定續(xù)流二極管，具體而言，子模塊12(圖2a)中的至少兩個選定的續(xù)流二極管D1-D4或者子模塊12′(圖2b)中的至少一個選定續(xù)流二極管D2、D3或者子模塊12″(圖2c)中的D1、D4。為了完成這一目的，在壓裝設(shè)計中制造選定的續(xù)流二極管并設(shè)計它們，使得在相應(yīng)子模塊12、12′或12″中發(fā)生故障時，由于故障條件，它們會擊穿，并能夠接受可能的短路電流并形成子模塊交流連接之間的旁路通路的一部分。

為了例示短路裝置30工作的方式，圖3a-3c示出了圖2a中的電力變換器子模塊12的不同實(shí)施例的簡化電路圖，示出了各種所得的旁路通路。如前文已經(jīng)提到的，必須要在壓裝設(shè)計中制造圖2a中所示的子模塊12的至少兩個選定的續(xù)流二極管D1-D4，并適當(dāng)設(shè)計它們的阻斷能力，使得它們在相應(yīng)故障條件下會擊穿。為了完成這一目的，可以選擇不在電橋?qū)蔷€上的全橋21的續(xù)流二極管D1-D4的任何兩個，例如，二極管D1和D2，或D3和D4，或D1和D3，或D2和D4。不過，如果希望或要求這樣，也可以在壓裝設(shè)計中制造所有的續(xù)流二極管。

在圖3a中，例如，與第一直流電壓節(jié)點(diǎn)26連接的上方兩個續(xù)流二極管D1、D3是在壓裝設(shè)計中配置的，并被設(shè)計成比續(xù)流二極管D2、D4和半導(dǎo)體開關(guān)(IGBT)T1-T4具有更小的阻斷能力。盡管壓裝設(shè)計對于它們而言一般也是可能的，但可以利用模塊化設(shè)計有成本效率地制造續(xù)流二極管D2、D4和功率半導(dǎo)體開關(guān)T1-T4。

圖3a還示出了驅(qū)動單元31，提供驅(qū)動單元31是為了控制電橋電路21的IGBT開關(guān)T1-T4。不過，驅(qū)動單元31還可以形成電力變換器4的更高層級控制的一部分。驅(qū)動單元31還可以具有檢測裝置或電路32(這里僅示意性示出)，檢測裝置或電路被配置成檢測電橋電路21中功率半導(dǎo)體開關(guān)T1-T4或其需要發(fā)起短路故障模式的驅(qū)動器之一中的故障。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，檢測電路32例如能夠監(jiān)測子模塊12的各個功率半導(dǎo)體器件T1-T4的電流或電壓。

例如，下文解釋圖3a中所示子模塊12的典型故障。開關(guān)21(T1到T4)和續(xù)流二極管D2和D4是在模塊化設(shè)計中實(shí)現(xiàn)的，續(xù)流二極管D1和D3是在壓裝設(shè)計中實(shí)現(xiàn)的，二極管D1和D3被設(shè)計成具有減小的阻斷能力，以便根據(jù)本發(fā)明在對應(yīng)故障的情況下產(chǎn)生旁路通路。令位于圖1所示的電力變換器之內(nèi)的子模塊正常工作；在開關(guān)T2截止時，發(fā)生截止故障，其結(jié)果是開關(guān)T2中的內(nèi)部短路。在接下來導(dǎo)通T1時，形成短路電流，短路電流被檢測電路32檢測到，然后使T1截止。開關(guān)T3和T4也截止。

之后，子模塊處于脈沖阻塞中，即，阻塞有源開關(guān)的所有啟動命令。圖1中所示的電力變換器然后繼續(xù)工作，所述故障H橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)保持截止。在另一操作中，子模塊12仍然具有從交流電壓側(cè)通過連接28、29施加的電流。擊穿的開關(guān)T2為電力變換器通過這個電橋的正電流方向產(chǎn)生了通過D4的旁路通路。如果在電力變換器4的對應(yīng)臂11a-11c中有電流反向，則沿著經(jīng)由電容器C和擊穿的開關(guān)T2的路徑傳導(dǎo)電流，電流連續(xù)為子模塊的中間電路電容器C 22充電。這進(jìn)一步提高了電容器C 22的電壓u_dc，直到其超過最大額定工作電壓。續(xù)流二極管D1和D3被設(shè)計成在高于最大額定工作電壓的特定過電壓下，它們會擊穿。

如果中間電路電壓超過二極管D1、D3之一的阻斷能力的極限，這會導(dǎo)致相應(yīng)的壓裝二極管擊穿。在該D1擊穿的情況下，通過D1和T2產(chǎn)生中間電路短路，這暫時防止了二極管D3的故意擊穿(deliberate breakdown)。用于通過故障活動開關(guān)T2的正電流方向的旁路通路一直持續(xù)到其接續(xù)線連接最終熔化或開路。之后，再次出現(xiàn)用于通過D1和D4的正電流方向的通路，為電容器充電，直到中間電路電壓超過D3的阻斷能力并且還破壞它，并生成通過被擊穿的壓裝二極管D1和D3的子模塊12的穩(wěn)定旁路通路。對于一開始在D1之前D3就被破壞的情況，負(fù)電流通過擊穿的部件D3和T2為電容器充電，直到因?yàn)槌^其阻斷能力而破壞D1，結(jié)果產(chǎn)生通過D1和D3的模塊的最終旁路通路。

對于諸如23或24內(nèi)部直接中間電路短路的事件(其具有活動開關(guān)故障狀況的后果而沒有低阻抗短路)，這意味著通過對應(yīng)續(xù)流二極管的電流路徑。這一電流通路對于至少一個電流方向允許為電容器C22充電，以故意破壞二極管，形成旁路。

擊穿的結(jié)果是，通過續(xù)流二極管D1和D3形成了最終穩(wěn)定的低阻抗短路。如圖3a中所示，出現(xiàn)了通過兩個擊穿的續(xù)流二極管D1、D3延伸的，第一和第二交流連接28、29之間長期穩(wěn)定低阻抗短路通路33，其中大到工作電流的短路電流能夠持久流動。短路電流能夠在兩個方向上都流經(jīng)短路通路33，短路通路的一部分是由擊穿的續(xù)流二極管D1、D3形成的，如圖3a中由帶雙向箭頭的虛線所示。

類似于上述范例，本發(fā)明的短路裝置實(shí)施例確保了在各種故障中，最終形成旁路通路，且電橋電路不能進(jìn)入開路，即，不能變成電力變換器臂的開路電流通路。即使不能完全排除由于故障功率半導(dǎo)體開關(guān)T1-T4或缺少對初始電橋短路的控制或功率半導(dǎo)體開關(guān)T1-T4的破壞造成的持久故障電流，如果全部四個續(xù)流二極管D1-D4都是在壓裝設(shè)計中制造的，這也是可以接受的。然后，能夠始終保證交流連接28、29之間有穩(wěn)定的低阻抗短路通路。可以繼續(xù)在短路故障模式中操作子模塊12，直到下一次安排的服務(wù)措施，這也允許整個電力變換器4、8進(jìn)一步工作(圖1)。

替代圖3a中的上方續(xù)流二極管D1、D3，還可以在壓裝設(shè)計中配置與第二直流電壓節(jié)點(diǎn)27連接的下方續(xù)流二極管D2、D4，并將它們設(shè)計成比子模塊12的其他部件具有更小阻斷能力，使得它們在特定的過電壓以上擊穿。在發(fā)生故障時，續(xù)流二極管D2、D4則形成旁路通路33的一部分。

圖3b和3c示出了類似于圖3a的電路圖，對應(yīng)于圖2a中的電力變換器子模塊12的實(shí)施例，示出了根據(jù)本發(fā)明，如果第一功率半導(dǎo)體分支23中的續(xù)流二極管D1、D2，或者第二功率半導(dǎo)體分支24中的續(xù)流二極管D3、D4是在壓裝設(shè)計中制造的并被設(shè)計成在有故障時擊穿，所得到的旁路通路33。顯然，得到兩個不同的短路通路33用于短路電流，每個用于一種不同的電流方向。

在圖3b中，如帶箭頭的虛線所示，短路電流沿著短路通路33a流動，從第一交流連接28，通過擊穿的續(xù)流二極管D2，繼續(xù)通過續(xù)流二極管D4，到達(dá)子模塊12的第二交流連接29。在圖3b中，如帶箭頭的點(diǎn)線所示，短路電流還在相反方向上沿著短路通路33b流動，從第二交流連接29，通過續(xù)流二極管D3，繼續(xù)通過擊穿的續(xù)流二極管D1，到達(dá)子模塊12的第一交流連接28。應(yīng)當(dāng)為了可能短時間過大的短路電流以及比續(xù)流二極管D1、D2更高的阻斷能力來設(shè)計續(xù)流二極管D3和D4。應(yīng)當(dāng)選擇續(xù)流二極管D1、D2的擊穿電壓使其低于IGBT開關(guān)T1-T4和其他續(xù)流二極管D3、D4的擊穿電壓。

在圖3c中，如帶箭頭的虛線所示，短路電流沿著短路通路33a流動，從第一交流連接28，通過續(xù)流二極管D1，繼續(xù)通過擊穿的續(xù)流二極管D3，到達(dá)子模塊12的第二交流連接29。在圖3c中，如帶箭頭的點(diǎn)線所示，短路電流還在相反方向上沿著短路通路33b流動，從第二交流連接29，通過擊穿的續(xù)流二極管D4，繼續(xù)通過續(xù)流二極管D2，到達(dá)子模塊12的第一交流連接28。應(yīng)當(dāng)為了可能短時間過大的短路電流并為了比續(xù)流二極管D3、D4具有更高阻斷能力而設(shè)計續(xù)流二極管D1和D2。應(yīng)當(dāng)選擇續(xù)流二極管D3、D4的擊穿電壓以低于IGBT開關(guān)T1-T4和其他續(xù)流二極管D1、D2的擊穿電壓。

圖4a和4b示出了圖2b所示單向電力變換器子模塊12′的不同實(shí)施例的電路圖，示出了各種所得的旁路通路33。由于子模塊12′的不對稱全橋21需要或支持電流僅在單一方向流動，在此，根據(jù)本發(fā)明，與功率半導(dǎo)體開關(guān)T2、T3反并聯(lián)連接的續(xù)流二極管D2和D3中的僅一個必須在壓裝設(shè)計中配置，并被設(shè)計成在發(fā)生故障時擊穿。從圖4a顯而易見，如果續(xù)流二極管D2擊穿，得到短路通路33，如帶箭頭的虛線所示，這一短路通路從第一交流連接28，通過擊穿的續(xù)流二極管D2，繼續(xù)通過續(xù)流二極管D4′，到達(dá)子模塊12的第二交流連接29。應(yīng)當(dāng)選擇續(xù)流二極管D2的擊穿電壓以低于IGBT開關(guān)T1-T4和其他續(xù)流二極管D1′、D3、D4′的擊穿電壓。

在圖4b中，如帶箭頭的虛線所示，短路電流沿著短路通路33在相同方向上流動，從第一交流連接28，通過續(xù)流二極管D1′，繼續(xù)通過擊穿的續(xù)流二極管D3，到達(dá)子模塊12的第二交流連接29。在這里，應(yīng)當(dāng)設(shè)計二極管D1′以便相應(yīng)地耐受短路，并比續(xù)流二極管D3具有更高的阻斷能力。應(yīng)當(dāng)選擇續(xù)流二極管D3的擊穿電壓以低于IGBT開關(guān)T1-T4和其他續(xù)流二極管D1′、D2、D4′的擊穿電壓。替代地或此外，也可以設(shè)定續(xù)流二極管D2的額定值，使得它被強(qiáng)度低于或等于正常工作電流的電流擊穿。

顯然，在圖2c中所示的子模塊12″中，續(xù)流二極管D1和D4之一相應(yīng)被擊穿，獲得與圖4a和4b中相同的短路通路33，不過短路電流在相反方向上流動。

在圖4a和4b中所示且類似于圖2c的上述實(shí)施例中，優(yōu)選所有功率半導(dǎo)體開關(guān)和第一和第二二極管都制造成模塊化設(shè)計，而僅有單個續(xù)流二極管制造成壓裝設(shè)計。這樣可以使成本最小化。或者，兩個續(xù)流二極管都可以制造成壓裝設(shè)計。

圖5和6在類似于圖2b和4a的簡化電路圖中示出了本發(fā)明的子模塊12′和用于它們的短路裝置31的修改實(shí)施例。如果形式和/或功能對應(yīng)，這些圖使用與以上描述中使用的相同附圖標(biāo)記。應(yīng)當(dāng)指出，進(jìn)一步的發(fā)展也可以同樣應(yīng)用于圖2a和2c中所示的子模塊12或12″。

圖5中所示的實(shí)施例與圖2b和4a中所示的實(shí)施例不同之處僅在于，這里，與功率半導(dǎo)體開關(guān)T1-T4反并聯(lián)連接的至少一個選定的續(xù)流二極管D1-D4的擊穿不是，或主要不是由電容器C 22兩端的過電壓導(dǎo)致的。相反，這里，短路裝置31額外還具有溫度影響裝置34，溫度影響裝置34被配置成導(dǎo)致至少一個選定的續(xù)流二極管D1-D4上或附近溫度升高，通過過熱導(dǎo)致續(xù)流二極管熔化或擊穿。在圖5中，溫度影響裝置34僅被例示為對應(yīng)的功能塊34，功能塊34也可以代表加熱裝置，例如電加熱器或電阻加熱器、流體加熱器或類似的裝置，可以將其用于直接加熱相應(yīng)的續(xù)流二極管D1-D4，或者代表冷卻裝置，例如是流體操作的冷卻裝置，在發(fā)生故障時其冷卻能力降低，例如，可以被向下調(diào)節(jié)。

作為檢測到子模塊12′(或12或12″)中的故障的反應(yīng)，溫度影響裝置34可以處于驅(qū)動單元31的開環(huán)或閉環(huán)控制之下。本實(shí)施例尤其適合對時間要求不是特別嚴(yán)格的應(yīng)用，其中，在至少一個續(xù)流二極管擊穿之前的時間可以是幾秒鐘或幾分鐘。在這里，可以暫時操作子模塊12、12′或12″，使得不會有電流暫時流經(jīng)子模塊，或者使得暫時關(guān)閉電力變換器4、8，直到發(fā)生擊穿。

圖6示出了使用用于短路裝置31的觸發(fā)火花隙36的電力變換器子模塊12′的另一實(shí)施例的示意電路圖。另一分支37并聯(lián)連接到電容器C 22和電橋電路21，其中利用在空間上彼此分開的兩個電極38、39布置觸發(fā)火花隙36。兩個電極38、39之間的放電空間41包含氣體，例如空氣。如果用觸發(fā)脈沖，例如高壓脈沖對火花隙36點(diǎn)火，那么生成的電場會使放電空間41中的氣體電離，從而變成導(dǎo)電的。由于碰撞電離，在不到一微秒之內(nèi)由電火花導(dǎo)致火花隙36短路。

在子模塊12′中有故障時，由驅(qū)動單元31或獨(dú)立的觸發(fā)裝置42對火花隙36點(diǎn)火。這樣允許電容器C 22迅速通過分支37放電。一旦電容器C 22的電壓在那之后反轉(zhuǎn)極性，即，電容器兩端的電壓變成微負(fù)值，續(xù)流二極管D2、D3就變成導(dǎo)電的。然后，對應(yīng)的電流流經(jīng)續(xù)流二極管D2、D3，電流足夠高，導(dǎo)致至少它們之中被選定設(shè)計成具有更小浪涌電流經(jīng)受強(qiáng)度的一個被擊穿，從而生成短路通路33。當(dāng)然，火花隙36也可以用于這里例示的其他子模塊12和12″中以及其他相當(dāng)?shù)碾娏ψ儞Q器子模塊中。

在這里未詳細(xì)示出的另一實(shí)施例中，對形成穩(wěn)定的短路通路33、33a、33b做出貢獻(xiàn)的所有元件都可以是壓裝半導(dǎo)體器件的形式并被設(shè)計成發(fā)生擊穿。這尤其適用于圖2b中的二極管D1′、D4′或圖2c中的D2′和D3′，同樣尤其適用于圖6中具有火花隙的實(shí)施例。壓裝二極管的外殼高強(qiáng)度和短路穩(wěn)定性對于這些部件而言是有益的。

提供了一種用于電力變換器8、9的子模塊12的短路裝置，其中子模塊包括電橋電路21，電橋電路具有在第一和第二直流電壓節(jié)點(diǎn)26、27之間延伸的至少一個功率半導(dǎo)體分支23、24，并具有設(shè)置于其中的至少一個可控功率半導(dǎo)體開關(guān)T1-T4，續(xù)流二極管D1-D4反并聯(lián)連接到可控功率半導(dǎo)體開關(guān)，子模塊還包括與電橋電路21并聯(lián)連接的電容器C 22。短路裝置30包括反并聯(lián)到電橋電路21的功率半導(dǎo)體開關(guān)T1-T4的續(xù)流二極管D1-D4的至少一個選定的續(xù)流二極管，其中至少一個選定的續(xù)流二極管D1-D4制造成壓裝設(shè)計，并被設(shè)定額定值，使得在子模塊12中發(fā)生故障時，至少一個選定的續(xù)流二極管D1-D4由于故障狀況而擊穿，并在子模塊12的第一和第二交流電壓連接28、29之間提供持久穩(wěn)定低阻抗的短路通路33。