專利名稱：一種換流器功率組件的保護電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓電力領(lǐng)域，具體涉及一種換流器功率組件的保護電路。
背景技術(shù)：
以高壓直流輸電(HVDC)技術(shù)、靈活交流輸電(FACTS)技術(shù)和定制電力(Custom Power)技術(shù)為代表的先進電力電子技術(shù)已經(jīng)在新能源發(fā)電、電力傳輸和分配、電能質(zhì)量治理、機車牽引、變頻傳動等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，使得大功率電力電子技術(shù)成為建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和手段，并將日益發(fā)揮更為強大的作用。對于電力系統(tǒng)中的大部分高壓或特高壓場合，為了適應(yīng)相聯(lián)接的交流電壓的等級和降低輸電損耗，必須突破單只電力電子器件電壓低和容量小的限制，采用能夠耐受高電壓(百kV級)的換流器來進行功率的轉(zhuǎn)換。目前，提升換流器電壓有三種解決方案一是使用多個電力電子器件直接串聯(lián)作為一個開關(guān)運行；二是采用電力電子功率組件級聯(lián)多電平技術(shù)；三是前兩者相結(jié)合使用。而無論哪種方案，為保證換流器的可靠性，都面臨諸多共同問題1)由于高壓換流器各功率組件電位不同且處于較高電路，很難使用地電位送能，通常采用高電位取能供電；2)在串聯(lián)器件或級聯(lián)功率組件發(fā)生故障時，應(yīng)隔離故障部分，使其表現(xiàn)為短路失效特性，不影響設(shè)備其余部分的正常運行；3)快速有效的短路故障電流保護。從復(fù)雜程度、空間要求、成本和損耗等各方面來說，換流閥是換流器中最為重要設(shè)備。圖1為高壓換流器單相電路原理圖，由上下兩個橋臂的換流閥組成，換流閥一端連接至直流側(cè)(P或N)，另一端連接只交流側(cè)Ac。圖中PS代表串聯(lián)或級聯(lián)換流閥使用的開關(guān)器件單元或功率組件。開關(guān)器件可以采用大功率絕緣柵雙極型晶體管IGBTdnsulated Gate BipolarTransistor)、集成門極換流晶間管 IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor)、晶閘管等電力電子器件，功率組件由電力電子器件按照一定電路拓?fù)浣M合形成，目前應(yīng)用常見的電路拓?fù)溆邪霕?圖2)和H橋。通常說來，在換流閥中，電力電子器件、驅(qū)動及其監(jiān)控電子電路部分是最為核心的部分，也是故障率最高的部分。其他部件由于具有較大的使用安全欲度和復(fù)雜程度較低而具有較高的可靠性。造成電力電子器件失效的故障有多種，最為常見的有電壓過應(yīng)力、電流過應(yīng)力及熱過應(yīng)力等。由于電力電子器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工藝的不同，器件失效后呈現(xiàn)的特性不同。對于壓接型器件，如壓接式IGBT、IGCT、晶閘管等，失效后呈現(xiàn)短路特性，而對于焊接式器件，如IGBT模塊，失效后則有可能為開路特性。在串聯(lián)和級聯(lián)電路中，器件開路失效特性會使換流閥開路而無法繼續(xù)運行，此時需要在功率組件使用輔助電路旁路失效組件，使換流器實現(xiàn)繼續(xù)保持冗余運行。目前所見的功率組件均采用獨立旁路開關(guān)，分為常開機械式開關(guān)和電子式開關(guān)。 機械式開關(guān)具有旁路后機械保持而無需用電保持的優(yōu)點，但存在如下缺點1)合間速度較慢，通常為ms級，可能會導(dǎo)致旁路過程中電氣應(yīng)力增大而損壞器件；2)機械式開關(guān)合閘時需要較大的能量，需要額外增加能量儲存電路，增大了高位取能電路的負(fù)擔(dān)；3)合閘次數(shù)有限，合閘時有較大振動；4)開關(guān)體積大。電子式開關(guān)具有旁路速度快、體積小的優(yōu)點，其閉合需要用電保持，因此目前報道僅用于地電位送能換流器中。對于功率組件的過電壓保護和過電流保護，均分別采用獨立的電路完成。功率組件過電壓包括器件切換換流過程中瞬時過電壓和器件斷態(tài)時承受的母線過電壓。過電壓保護方式目前有三種1)采用無源吸收電路；2)有源電壓鉗位電路；3)通過電壓檢測實施保護。功率組件過電流通常是由于換流器或功率組件中某處發(fā)生短路而產(chǎn)生的故障電流，通常有兩部分。一部分電流是換流器電容通過短路線路形成的放電電流；另一部分是相連的交流系統(tǒng)通過換流器和直流側(cè)短路點形成的放電電流。該電流會造成半橋組件下方的反并聯(lián)續(xù)流二極管過流損壞，需要采取過電流保護措施。目前有兩種保護方法1)分流電路；2)通過電流檢測實施保護。綜上所述，目前功率組件過流保護、過壓保護和故障旁路采用不同的的電路完成， 使得電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種換流器功率組件的保護電路，實現(xiàn)將功率組件短路過流保護和故障功率組件短路失效功能集為一體。本發(fā)明提供的一種換流器功率組件的保護電路，所述換流器由上下兩個橋臂的換流閥組成，每個換流閥包括不少于一個的功率組件，其改進之處在于，在每個功率組件的兩端(NpN2)并聯(lián)故障旁路電路、雙向晶閘管和過流保護電路；所述雙向晶閘管為平板式雙向
晶閘管。優(yōu)選的，所述過流保護電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)過流現(xiàn)象時，所述過流保護電路觸發(fā)所述晶閘管，使所述晶閘管導(dǎo)通，保護所述功率組件。優(yōu)選的，所述故障旁路電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)故障時，所述故障旁路電路觸發(fā)所述晶閘管，使所述晶閘管導(dǎo)通，旁路所述功率組件。優(yōu)選的，所述雙向晶閘管的門極I與故障旁路電路連接；所述雙向晶閘管的門極 II與過流保護電路連接。優(yōu)選的，所述故障旁路電路包括分壓儲能電路、穩(wěn)壓管(Z)、二極管(D1A2)JOD和電阻(R1)；所述分壓儲能電路依次與所述B0D、所述二極管(D1)和所述電阻(R1)串聯(lián)，構(gòu)成支路I，所述支路I并聯(lián)于所述功率組件的兩端；所述BOD的負(fù)極與所述穩(wěn)壓管(Z)和所述二極管(D2)串聯(lián)后與所述雙向控制晶閘管的門極I連接。優(yōu)選的，所述故障旁路電路包括二極管(D)、穩(wěn)壓管(Z)和電阻(RpR2)；所述二極管⑶依次與所述穩(wěn)壓管(Z)和所述電阻(R2)串聯(lián)，構(gòu)成支路I，所述支路I并聯(lián)于所述功率組件的兩端；所述穩(wěn)壓管(Z)的正極與所述電阻(R1)串聯(lián)后與所述雙向控制晶閘管的門極I連接。優(yōu)選的，所述過流保護電路包括觸發(fā)電路、放大器、電阻(札、R2, R3)和二極管 (D3)；所述放大器的輸出端與所述觸發(fā)電路連接后與所述雙向控制晶閘管的門極II連接，所述放大器的同相輸入端通過所述二極管(D3)與所述功率組件的(N2)端連接，所述放大器的反相輸入端通過電阻(R3)與電阻(R2)連接；所述電阻(R2) —端與功率組件的(N1) 端連接，所述電阻(R2)的另一端與電阻(R1)串聯(lián)后與電源連接。優(yōu)選的，每個換流閥包括不少于一個的開關(guān)器件單元。優(yōu)選的，所述分壓儲能電路包括并聯(lián)的電組和電容。優(yōu)選的，所述電阻(R2)為滑動變阻器。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為1、區(qū)別于通常的獨立過流保護電路和故障旁路電路，本發(fā)明采用兼具良好通流能力和短路失效特性的雙向控制晶閘管，實現(xiàn)將功率組件短路過流保護和故障功率組件短路失效功能集為一體。2、本發(fā)明提出的基于雙向控制晶閘管的保護電路簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，并聯(lián)于功率組件輸出端子，不影響功率組件原有結(jié)構(gòu)設(shè)計。3、基于雙向控制晶閘管的過流保護電路和故障旁路電路無需額外電源供電，減輕了功率組件高電位取能電源的負(fù)擔(dān)，更加適用于構(gòu)成級聯(lián)多電平高電壓換流器。4、基于雙向控制晶閘管的過流保護電路和故障旁路電路無需使用傳感器檢測、電流，減低了功率組件的復(fù)雜程度。


圖1為本發(fā)明提供的高壓換流器。圖2為本發(fā)明提供的半橋功率組件。圖3為本發(fā)明提供的具備一體化保護功能的功率組件。圖4為本發(fā)明提供的故障旁路電路1。圖5為本發(fā)明提供的故障旁路電路2。圖6為本發(fā)明提供的過流保護電流。其中，PS為功率組件、FBP為故障旁路電路、OCP為過流保護電路、BCT為晶閘管。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細(xì)說明。本實施例僅用一個功率組件進行詳細(xì)說明，如圖3所示。本實施例在功率組件 (PS)的兩端NpN2并聯(lián)故障旁路電路FBP、晶閘管BCT和過流保護電路(0CP)。故障旁路電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)故障時，所述故障旁路電路觸發(fā)所述晶閘管，使所述晶閘管導(dǎo)通， 旁路所述功率組件。過流保護電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)過流現(xiàn)象時，所述過流保護電路觸發(fā)所述晶閘管，使所述晶閘管導(dǎo)通，保護所述功率組件。晶閘管為壓接型雙向控制晶閘管，雙向控制晶閘管的門極I與故障旁路電路連接；晶閘管的門極II與過流保護電路連接。具體的，如圖4所示，故障旁路電路包括分壓儲能電路、穩(wěn)壓管Z、二極管DpD2JOD 和電阻R1 ；分壓儲能電路與BOD的負(fù)極連接，BOD的正極與二極管D1的負(fù)極連接，二極管D1 的正極再與電阻R1串聯(lián)，構(gòu)成支路I，支路I并聯(lián)于所述功率組件的兩端；BOD的負(fù)極與穩(wěn)壓管Z負(fù)極連接，穩(wěn)壓管Z正極和二極管D2正極連接，二極管D2負(fù)極再與雙向控制晶閘管的門極I連接。電路中，為滿足高電壓要求，二極管Dl和BOD均可串聯(lián)使用。當(dāng)m端電壓高于BOD擊穿電壓時，BOD導(dǎo)通觸發(fā)BCT。本實施例的分壓儲能電路包括并聯(lián)的電組R2和電容C。如圖5所示，故障旁路電路還可以由二極管D、穩(wěn)壓管Z和電阻RpR2組成；二極管 D的負(fù)極與穩(wěn)壓管Z的負(fù)極串聯(lián)，穩(wěn)壓管Z的正極與電阻R2串聯(lián)，構(gòu)成支路I，支路I并聯(lián)于功率組件的兩端；穩(wěn)壓管Z的正極與電阻R1串聯(lián)后與所述雙向控制晶閘管的門極I連接。 圖中穩(wěn)壓管Z和二極管D可串聯(lián)使用。當(dāng)m端電壓高于穩(wěn)壓二極管擊穿電壓時，穩(wěn)壓二極管漏電流增大觸發(fā)BCT導(dǎo)通。如圖6所示，過流保護電路包括觸發(fā)電路、放大器、電阻隊、R2, R3和二極管D3 ；放大器的輸出端與觸發(fā)電路連接后與雙向控制晶閘管的門極II連接，放大器的同相輸入端通過二極管D3與功率組件的N2端連接，放大器的反相輸入端通過滑動變阻器R3與電阻R2 連接；電阻R2 —端與功率組件的N1端連接，電阻R2的另一端與電阻R1串聯(lián)后與電源連接。 利用晶閘管通流能力較強的特點，實現(xiàn)短路電流分流，起到保護二極管不發(fā)生過熱損壞的作用，一旦功率組件下管二極管產(chǎn)生過流，則OCP電路使能，觸發(fā)BCT導(dǎo)通，在設(shè)計中要求晶閘管BCT的通態(tài)壓降盡量小于二極管正向壓降。當(dāng)二極管導(dǎo)通后電流時，二極管壓降Vf也隨之增大，當(dāng)Vf電壓高于預(yù)設(shè)的參考電壓值Vr時，則有過電流故障發(fā)生，立即觸發(fā)導(dǎo)通BCD 實現(xiàn)分流保護。本實施例很好的將功率組件短路過流保護和故障功率組件短路失效功能集為一體，節(jié)約了成本。最后應(yīng)該說明的是結(jié)合上述實施例僅說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解到本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權(quán)利要求保護范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種換流器功率組件的保護電路，所述換流器由上下兩個橋臂的換流閥組成，每個換流閥包括不少于一個的功率組件，其特征在于，在每個功率組件的兩端(NpN2)并聯(lián)故障旁路電路、雙向晶閘管和過流保護電路；所述雙向晶閘管為平板式雙向晶閘管。
2.如權(quán)利要求1所述的保護電路，其特征在于，所述過流保護電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)過流現(xiàn)象時，所述過流保護電路觸發(fā)所述晶閘管，使所述晶閘管導(dǎo)通，保護所述功率組件。
3.如權(quán)利要求1所述的保護電路，其特征在于，所述故障旁路電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)故障時，所述故障旁路電路觸發(fā)所述晶閘管，使所述晶閘管導(dǎo)通，旁路所述功率組件。
4.如權(quán)利要求1所述的保護電路，其特征在于，所述雙向晶閘管的門極I與故障旁路電路連接；所述雙向晶閘管的門極II與過流保護電路連接。
5.如權(quán)利要求1所述的保護電路，其特征在于，所述故障旁路電路包括分壓儲能電路、 穩(wěn)壓管(Z)、二極管(DpD2)JOD和電阻(R1)；所述分壓儲能電路依次與所述B0D、所述二極管(D1)和所述電阻(R1)串聯(lián)，構(gòu)成支路 I，所述支路I并聯(lián)于所述功率組件的兩端；所述BOD的負(fù)極與所述穩(wěn)壓管(Z)和所述二極管(D2)串聯(lián)后與所述雙向控制晶閘管的門極I連接。
6.如權(quán)利要求1所述的保護電路，其特征在于，所述故障旁路電路包括二極管(D)、穩(wěn)壓管(Z)和電阻(R^R2)；所述二極管(D)依次與所述穩(wěn)壓管(Z)和所述電阻(R2)串聯(lián)，構(gòu)成支路I，所述支路I 并聯(lián)于所述功率組件的兩端；所述穩(wěn)壓管(Z)的正極與所述電阻(R1)串聯(lián)后與所述雙向控制晶閘管的門極I連接。
7.如權(quán)利要求1所述的保護電路，其特征在于，所述過流保護電路包括觸發(fā)電路、放大器、電阻(HR3)和二極管(D3)；所述放大器的輸出端與所述觸發(fā)電路連接后與所述雙向控制晶閘管的門極II連接， 所述放大器的同相輸入端通過所述二極管(D3)與所述功率組件的(N2)端連接，所述放大器的反相輸入端通過電阻(R3)與電阻(R2)連接；所述電阻(R2) —端與功率組件的(N1)端連接，所述電阻(R2)的另一端與電阻(R1)串聯(lián)后與電源連接。
8.如權(quán)利要求1所述的保護電路，其特征在于，每個換流閥包括不少于一個的開關(guān)器件單元。
9.如權(quán)利要求5所述的保護電路，其特征在于，所述分壓儲能電路包括并聯(lián)的電組和電容。
10.如權(quán)利要求7所述的保護電路，其特征在于，所述電阻(R2)為滑動變阻器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種換流器功率組件的保護電路，每個換流器包括至少一個的功率器件。本發(fā)明是在每個功率器件兩端并聯(lián)故障旁路電路、晶閘管和過流保護電路。故障旁路電路是當(dāng)功率組件出現(xiàn)故障時，故障旁路電路觸發(fā)晶閘管，使晶閘管導(dǎo)通，旁路功率組件。過流保護電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)過流現(xiàn)象時，過流保護電路觸發(fā)所述晶閘管，使晶閘管導(dǎo)通，保護功率組件。本發(fā)明采用兼具良好通流能力和短路失效特性的雙向控制晶閘管，實現(xiàn)將功率組件短路過流保護和故障功率組件短路失效功能集為一體?；陔p向控制晶閘管的過流保護電路和故障旁路電路無需額外電源供電，減輕了功率組件高電位取能電源的負(fù)擔(dān)，更加適用于構(gòu)成級聯(lián)多電平高電壓換流器。
文檔編號H02M1/32GK102522882SQ20111038496
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者呂錚, 龐輝, 易榮, 楊衛(wèi)剛, 賀之淵 申請人:中國電力科學(xué)研究院