專利名稱：用于模塊化的多級轉(zhuǎn)換器的雙模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高壓范圍中的轉(zhuǎn)換器的子模塊，具有第一能量存儲器、與第一能量存儲器并聯(lián)連接的由第一和第二可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)單元組成的第一半導(dǎo)體串聯(lián)電路、與在第一和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)單元之間的電勢點相連的第一連接端子、與第一能量存儲器串聯(lián)的第二能量存儲器、與第二能量存儲器并聯(lián)布置的由第三和第四可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)單元組成的第二半導(dǎo)體串聯(lián)電路、以及與在第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)單元之間的電勢點相連的第二連接端子。本發(fā)明還涉及一種用于在高壓范圍轉(zhuǎn)換電壓或電流的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有相模塊，該相模塊在兩個直流電壓接頭之間延伸并且分別具有用于連接交流電壓網(wǎng)的相的交流電壓接頭，其中至少一個相模塊具有由雙極子模塊組成的串聯(lián)電路。
背景技術(shù)：
這樣的子模塊和這樣的轉(zhuǎn)換器已經(jīng)由EP 1920526B1公開。在那里描述的轉(zhuǎn)換器是所謂的模塊化的多級轉(zhuǎn)換器并且具有相模塊組件，該相模塊組件在兩個反向極化的直流電壓接頭之間延伸并且分別具有用于連接交流電壓網(wǎng)的相的交流電壓接頭。在其交流電壓接頭和每個其直接電壓接頭之間每個相模塊組件形成閥支路。每個閥支路還具有由雙極子模塊組成的串聯(lián)電路。每個子模塊裝備了兩個彼此串連連接的能量存儲器。在此，每個能量存儲器與分別由兩個可控的功率半導(dǎo)體組成的第一或第二串聯(lián)電路并連布置，該可控的功率半導(dǎo)體分別與續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接?？山油ê蛿嚅_的功率半導(dǎo)體開關(guān)例如是IGBT、GTO或諸如此類。子模塊的兩個連接端子分別與位于第一或第二半導(dǎo)體串連電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)之間的電勢點相連。此外，還公開了一種中間抽頭或連接支路，其將在能量存儲器之間的電勢點與在半導(dǎo)體串聯(lián)電路之間的電勢點相連。可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)與調(diào)節(jié)相連，從而在輸出端子中可以產(chǎn)生在能量存儲器上降落的電壓或者在兩個能量存儲器上降落的電壓或者零電壓。在先公知的子模塊與僅具有兩個可斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)和一個能量存儲器的簡單子模塊相比具有優(yōu)點。由此可以提高在連接端子之間降落的子模塊的電壓，從而可以減少在高壓應(yīng)用的情況下的子模塊的數(shù)量。這一點例如可以易化轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)。但是，通過提高端子上的電壓也提高了對單個子模塊的安全性要求。由此提高了所謂的聯(lián)焰(Querzunden)的危險,如果在連接端子之間布置的功率半導(dǎo)體開關(guān)被擊穿、也就是導(dǎo)通，則出現(xiàn)聯(lián)焰。這種在連接端子上的短路導(dǎo)致高的短路電流，該高的短路電流可以導(dǎo)致在子模塊上的不能挽回的損害。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，降低出現(xiàn)聯(lián)焰的危險。本發(fā)明的技術(shù)問題通過在第一半導(dǎo)體串聯(lián)電路和第二半導(dǎo)體串聯(lián)電路之間布置的連接開關(guān)單元、具有第一連接支路二極管的并且將在連接開關(guān)單元和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)單元之間的電勢點與在能量存儲器之間的電勢點相連接的第一連接支路、和具有第二連接支路二極管的并且將在連接開關(guān)單元和第三功率半導(dǎo)體開關(guān)單元之間的電勢點與在能量存儲器單元之間的電勢點相連接的第二連接支路來解決，其中第一連接支路二極管和第二連接支路二極管彼此反向地面向。從本文開頭所提到的轉(zhuǎn)換器出發(fā)，本發(fā)明的技術(shù)問題通過應(yīng)用上面提到的子模塊來解決。按照本發(fā)明，模塊化的多級轉(zhuǎn)換器的子模塊(其被構(gòu)造為所謂的雙極模塊)不是如現(xiàn)有技術(shù)那樣具有四個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元。按照本發(fā)明，通過稱為連接開關(guān)單元的功率半導(dǎo)體開關(guān)單元來增加功率半導(dǎo)體開關(guān)單元的數(shù)量。由此，在本發(fā)明的范圍內(nèi)存在總共五個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元的串聯(lián)電路，其與同樣串聯(lián)連接的兩個能量存儲器并聯(lián)地布置。連接端子與在第一和第二或第四和第五功率半導(dǎo)體開關(guān)單元之間的電勢點相連。通過這種方式在連接端子之間包括連接開關(guān)單元在內(nèi)總共布置三個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元。按照本發(fā)明，幾乎排除了所有三個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元同時擊穿的概率。按照本發(fā)明，由此降低聯(lián)焰的危險。 從在第二功率半導(dǎo)體開關(guān)單元和連接開關(guān)單元之間的電勢點以及從在連接開關(guān)單元和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)單元之間的電勢點到在串聯(lián)連接的能量存儲器之間的電勢點分別延伸連接支路。在此，連接支路分別具有連接支路二極管，連接支路二極管彼此反向地面向。連接支路二極管在故障情況下防止由于能量存儲器放電引起的不期望的電流。通過這種方式提供了一種子模塊，利用該子模塊能夠在功率半導(dǎo)體開關(guān)單元故障的情況下可靠地避免高的短路電流。按照本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，第一和第二連接端子經(jīng)由至少一個半導(dǎo)體橋開關(guān)彼此連接。半導(dǎo)體橋開關(guān)用于在高的沖擊電流的情況下橋接子模塊。合適地，在第一和第二連接端子之間附加地設(shè)置機械的橋開關(guān)。機械的橋開關(guān)用于在故障情況下橋接子模塊。子模塊通常是轉(zhuǎn)換器的相模塊的串聯(lián)電路的部件。通過橋接故障的子模塊可以繼續(xù)運行相模塊。僅在其橋接之后才更換故障的子模塊。機械開關(guān)具有足夠高的電流承受能力，從而在轉(zhuǎn)換器較長時間持續(xù)運行的情況下也避免了半導(dǎo)體橋電路的損壞。合適地，在第一和第二連接支路中布置限流器。如果功率半導(dǎo)體開關(guān)單元的控制沒有精確地同步，則限流器降低電流。合適地，限流器是歐姆電阻。按照本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，每個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元和連接開關(guān)單元分別具有可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)以及與之反向并聯(lián)布置的續(xù)流二極管。可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)例如是IGBT、GTO或諸如此類。通過從調(diào)節(jié)單元獲得的相應(yīng)控制信號將IGBT從在其導(dǎo)通方向上允許電流流過的導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到中斷電流流過的截止?fàn)顟B(tài)。與可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)布置反向的續(xù)流二極管，從而在斷開電流時通過可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)來避免高的電壓峰值。在本發(fā)明的不同的實施方式中，功率半導(dǎo)體開關(guān)單元和連接單元分別是反向?qū)ǖ目山油ê蛿嚅_的功率半導(dǎo)體開關(guān)。反向?qū)ǖ墓β拾雽?dǎo)體開關(guān)、例如反向?qū)ǖ腎GBT是為專業(yè)人員所公知的，從而在此不需要詳細介紹。使用反向?qū)ǖ墓β拾雽?dǎo)體開關(guān)的優(yōu)點在于，可以取消反向并聯(lián)的續(xù)流二極管。
作為功率半導(dǎo)體開關(guān)在本發(fā)明的范圍內(nèi)是指市場上銷售的功率半導(dǎo)體開關(guān)，即目前耐壓強度為3. 3kV或者甚至為6. 5kV。功率半導(dǎo)體開關(guān)通常具有殼體，在該殼體中功率半導(dǎo)體芯片例如經(jīng)由接合線或者經(jīng)由表面接觸彼此相連。但是這種功率半導(dǎo)體開關(guān)同樣由專業(yè)人員所公知。


本發(fā)明的其它合適實施方式和優(yōu)點是下面借助附圖描述本發(fā)明的實施例的主題，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同作用的部件，并且其中圖I示出了按照本發(fā)明的子模塊的第一實施例，并且圖2示出了按照本發(fā)明的子模塊的另一個實施例。
具體實施方式

圖I示出了按照本發(fā)明的子模塊I的實施例。子模塊I具有由第一能量存儲器3和第二能量存儲器4組成的能量存儲器串聯(lián)電路2。與能量存儲器串聯(lián)電路2并聯(lián)地布置半導(dǎo)體總串聯(lián)電路5，該半導(dǎo)體總串聯(lián)電路5由第一功率半導(dǎo)體開關(guān)單元6、第二功率半導(dǎo)體開關(guān)單元7、連接開關(guān)單元8、第三功率半導(dǎo)體開關(guān)單元9和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)單元10組成。每個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元6、7、9、10和連接開關(guān)單元8具有IGBT 11作為可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)，該可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)具有通過箭頭表示的導(dǎo)通方向。通過附圖中未示出的調(diào)節(jié)單元的相應(yīng)控制信號可以將各個IGBT 11從其導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其截止?fàn)顟B(tài)。與每個IGBT 11并聯(lián)地布置反向地面向其導(dǎo)通方向的續(xù)流二極管12。第一功率半導(dǎo)體開關(guān)單元6和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)單元7構(gòu)成了第一半導(dǎo)體串聯(lián)電路13，該第一半導(dǎo)體串聯(lián)電路13經(jīng)由第一連接支路14與在能量存儲器3和4之間的電勢點相連。由此，第一半導(dǎo)體串聯(lián)電路與第一能量存儲器3并聯(lián)連接。連接支路14將在能量存儲器3和4之間的電勢點與在第一半導(dǎo)體串聯(lián)電路13和連接開關(guān)單元8之間的電勢點相連。連接開關(guān)單元9和10構(gòu)成了第二半導(dǎo)體串聯(lián)電路15，該第二半導(dǎo)體串聯(lián)電路15經(jīng)由第二連接支路16與在能量存儲器3和4之間的電勢點相連。由此，第二連接支路16將在能量存儲器3和4之間的電勢點與在第二半導(dǎo)體串聯(lián)電路15和連接開關(guān)單元8之間的電勢點相連。第一連接支路14具有第一連接支路二極管17并且第二連接支路16具有第二連接支路二極管18，該第二連接支路二極管18反向地面向第一連接支路二極管17。此外，在每個連接支路14或16中布置歐姆電阻19。子模塊I被雙極地構(gòu)造并且由此具有第一連接端子20以及第二連接端子21。第一連接端子20與在第一功率半導(dǎo)體開關(guān)單元6和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)單元7之間的電勢點相連。第二連接端子21位于在第三功率半導(dǎo)體開關(guān)單元9和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)單元10之間的電勢點上。連接端子20和21在故障情況下可以通過串聯(lián)電路22橋接，該串聯(lián)電路22由兩個可控的功率半導(dǎo)體23以及在它們之間布置的二極管24組成?？煽氐墓β拾雽?dǎo)體23橋接第二或第三功率半導(dǎo)體開關(guān)單元。給可控的功率半導(dǎo)體23分別并聯(lián)連接機械開關(guān)25。連接開關(guān)單元8與功率半導(dǎo)體開關(guān)單元7和9 一起接通和斷開。這一點也適用于功率半導(dǎo)體開關(guān)單元6和10。由此，在連接端子20和21上降落在兩個能量存儲器3和4上共同降落的電容器電壓或者降落零電壓。如果兩個外部的功率半導(dǎo)體開關(guān)單元，也就是功率半導(dǎo)體開關(guān)單元6和10總是同時接通，并且內(nèi)部的功率半導(dǎo)體開關(guān)單元7、8和9總是同時接通，則連接支路14和16在理想情況下沒有電流流過。但是這種精確的時間上的同步通常是不可能的，從而導(dǎo)致關(guān)于開關(guān)時間的輕微偏差并且因此導(dǎo)致電流流過連接支路14和16。通過歐姆電阻19來限制該電流。從圖I中可以看出，在連接端子20和21之間總共布置了三個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元7、8和9。所有三個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元同時擊穿或者同時故障是小概率的，從而盡可能地避免在連接端子20、21之間的短路、也就是按照本發(fā)明的子模塊的聯(lián)焰。圖2示出了按照本發(fā)明的子模塊I的另一個實施例，該子模塊I基本上相應(yīng)于在圖I中示出的子模塊I。但是與圖I中描述的實施例不同，僅設(shè)置將連接端子20和21直接 彼此連接的半導(dǎo)體開關(guān)23。與半導(dǎo)體開關(guān)23并聯(lián)地還設(shè)置機械短路開關(guān)25。
權(quán)利要求
1.一種用于高壓范圍中的轉(zhuǎn)換器的子模塊(1)，具有-第一能量存儲器(3)，-第一半導(dǎo)體串聯(lián)電路(13)，該第一半導(dǎo)體串聯(lián)電路與所述第一能量存儲器(3)并聯(lián)連接并且由第一(6)和第二(7)可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)單元組成，-第一連接端子(20)，該第一連接端子與在所述第一和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)單元(6，7)之間的電勢點相連，-第二能量存儲器(4)，該第二能量存儲器與所述第一能量存儲器(3)串聯(lián)地布置，-第二半導(dǎo)體串聯(lián)電路(15)，該第二半導(dǎo)體串聯(lián)電路與所述第二能量存儲器(4)并聯(lián)布置并且由所述第三(9)和第四(10)可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)單元組成，和-第二連接端子(21)，該第二連接端子與在所述第三(9)和第四(10)功率半導(dǎo)體開關(guān)單元之間的電勢點相連，其特征在于，-連接開關(guān)單元(8)，該連接開關(guān)單元在所述第一半導(dǎo)體串聯(lián)電路(13)和所述第二半導(dǎo)體串聯(lián)電路(15)之間布置，-第一連接支路(14)，該第一連接支路具有第一連接支路二極管(17)并且將在所述連接開關(guān)單元(8)和所述第二功率半導(dǎo)體開關(guān)單元(7)之間的電勢點與在所述能量存儲器(3，4)之間的電勢點相連接，和-第二連接支路(16)，該第二連接支路具有第二連接支路二極管(18)并且將在所述連接開關(guān)單元(8)和所述第三功率半導(dǎo)體開關(guān)單元(9)之間的電勢點與在所述能量存儲器單元(3，4)之間的電勢點相連接，其中，所述第一連接支路二極管(17)和所述第二連接支路二極管(18 )彼此反向地面向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的子模塊(1)，其特征在于，所述第一和第二連接端子(20，21)經(jīng)由至少一個半導(dǎo)體橋開關(guān)(23)彼此連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的子模塊(1)，其特征在于，所述在第一和第二連接端子(20，21)經(jīng)由至少一個機械的橋開關(guān)(25)彼此連接。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的子模塊(1)，其特征在于，在所述第一和第二連接支路(14，16)中布置限流器(19)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的子模塊(I)，其特征在于，所述限流器是歐姆電阻(19)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的子模塊(1)，其特征在于，每個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元(6，7，9，10)和連接開關(guān)單元(8)分別具有可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)(11)以及與之反向并聯(lián)布置的續(xù)流二極管(12)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的子模塊(1)，其特征在于，每個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元(6，7，9，10)和連接單元(8)分別被構(gòu)造為反向?qū)ǖ目山油ê蛿嚅_的功率半導(dǎo)體開關(guān)。
8.一種用于在高壓范圍轉(zhuǎn)換電壓或電流的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有相模塊，該相模塊在兩個直流電壓接頭之間延伸并且分別具有用于連接交流電壓網(wǎng)的相的交流電壓接頭，其中，至少一個相模塊具有由雙極子模塊(I)組成的串聯(lián)電路，其特征在于根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的子模塊(I)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于降低聯(lián)焰危險的在高壓范圍中的轉(zhuǎn)換器的子模塊(1)。該模塊具有第一和第二串聯(lián)連接的能量存儲器(3，4)、與第一(3)或第二(4)能量存儲器并聯(lián)連接的并且由第一(6)和第二(7)或第三(9)和第四(10)可接通和斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)單元組成的第一或第二半導(dǎo)體串聯(lián)電路(13，15)、與在第一和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)單元(6，7)之間的第一電勢點相連的第一連接端子(20)、與在第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)單元(9，10)之間的第二電勢點相連的第二連接端子(21)。建議設(shè)置在第一和第二半導(dǎo)體串聯(lián)電路(15)之間布置的連接開關(guān)單元(8)、具有第一連接支路二極管(17)的并且將第一電勢點與在能量存儲器(3，4)之間的電勢點相連接的第一連接支路(14)、和具有第二連接支路二極管(18)的并且將第二電勢點與在能量存儲器單元(3，4)之間的電勢點相連接的第二連接支路(16)，其中連接支路二極管(17，18)彼此反向地面向。
文檔編號H02M7/487GK102934349SQ201080067325
公開日2013年2月13日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者H-G.?？藸? H.甘巴赫 申請人:西門子公司