多電平柔性高壓直流輸電功率模塊保護(hù)與旁路拓?fù)涞闹谱鞣椒?br> 【專利摘要】本實用新型提出一種多電平柔性高壓直流輸電功率模塊保護(hù)與旁路拓?fù)?，旨在解決所述所有問題并保證即便在極端故障狀態(tài)下功率模塊的完整性。具體方案是：采用壓裝IGBT(PPI)和壓裝二極管(PPD)來取代塑料封裝的IGBT模塊PMI，并且在直流電容器兩端并聯(lián)了一個晶閘管撬杠(Th2)。所述的晶閘管與功率器件IGBT及二極管被壓裝在一起，晶閘管與電容器通過母排相連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：當(dāng)功率模塊故障或失靈時，晶閘管Th2被觸發(fā)從而旁路功率模塊。在大電流產(chǎn)生的巨大熱量壓力下，器件內(nèi)的硅和鉬晶片會融化并成為合金，從而使得器件形成并處于穩(wěn)定的短路狀態(tài)。
【專利說明】多電平柔性高壓直流輸電功率模塊保護(hù)與旁路拓?fù)?br>
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型提出基于晶閘管撬杠的固態(tài)旁路策略，這可以改進(jìn)功率模塊的保護(hù)。

【背景技術(shù)】
[0002]市場上現(xiàn)有的大多數(shù)模塊化多級換流(MMC)技術(shù)平臺采用塑料封裝的IGBT模塊和二極管(PMI)作為半導(dǎo)體開關(guān)器件來實現(xiàn)基于半H橋方案的功率模塊架構(gòu)(如圖1所示)O
[0003]現(xiàn)有的設(shè)計基于以下保護(hù)策略:
[0004]當(dāng)功率模塊故障或失靈時(內(nèi)部故障)，一個連接于功率模塊交流母線間的高速真空接觸器Con馬上閉合導(dǎo)通，從而及時實現(xiàn)故障功率模塊的旁路并避免系統(tǒng)停機。
[0005]但此方案具有以下缺點:
[0006]在一些故障中，如:功率器件Tl故障時，由于電容器Cl放電，接觸器Con的閉合也不能防止大電流的直通。這樣功率器件Tl存在爆炸風(fēng)險，如果功率器件Tl爆掉，會存在將故障傳播至其它功率模塊的危險。
[0007]另外，即便器件爆炸被遏制在為了防止由爆炸引起的材料及等離子體擴散及故障傳播而特制的機械容器里，由于器件爆炸引起的過高熱能量仍然可能會造成功率模塊內(nèi)部的水冷散熱器過熱，從而進(jìn)一步損壞散熱器及絕緣的水管連接(O型橡膠圈、墊片等)，最終會導(dǎo)致?lián)Q流閥漏水及閃燃的風(fēng)險。
[0008]當(dāng)發(fā)生直流母線極間短路時(外部故障)，故障電流流過換流閥橋臂的所有功率模塊中的二極管D2，通常塑料封裝IGBT模塊中的二極管的12t值較低故無法承受這種水平的直流故障電流。
[0009]為了避免這種故障狀態(tài)下二極管D2失效，額外增加了一個與二極管D2并聯(lián)的晶閘管Thl用以分擔(dān)故障電流和保護(hù)二極管本身。在這種情況下，晶閘管的觸發(fā)和導(dǎo)通(陽極和陰極之間電壓極低)是另一個關(guān)鍵問題(指電壓特性(I))。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本實用新型旨在解決以上所有問題并保證即便在極端故障狀態(tài)下功率模塊的完整性。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0012]多電平柔性高壓直流輸電功率模塊保護(hù)與旁路拓?fù)洌üβ势骷?、與功率器件并聯(lián)的二極管、直流電容器，其特征在于，在直流電容器兩端并聯(lián)了一個晶閘管撬杠。
[0013]所述的晶閘管、功率器件及二極管采用壓裝器件組成閥串，晶閘管與直流電容器并聯(lián)連接。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型有益效果是:可保證即便在極端故障狀態(tài)下功率模塊的完整性。當(dāng)功率模塊故障或失靈時，晶閘管Th2被觸發(fā)從而旁路功率模塊。在大電流產(chǎn)生的巨大熱量壓力下，器件內(nèi)的硅和鑰晶片會融化并成為合金，從而使得器件形成并處于穩(wěn)定的短路狀態(tài)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是【背景技術(shù)】功率模塊旁路保護(hù)電路結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖2是本實用新型功率模塊旁路保護(hù)電路結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖3是壓裝結(jié)構(gòu)的閥組結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3中:401-直流電容器402-直流電容端子403-連接母排404-晶閘管405-1GBT功率器件406- 二極管407-閥串408-壓板409-散熱器

【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0020]多電平柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC)功率模塊保護(hù)與旁路策略，可保證即便在極端故障狀態(tài)下功率模塊的完整性。具體實現(xiàn)采用壓裝IGBT(PPI)和壓裝二極管(PPD)來取代塑料封裝的IGBT模塊PMI，并且在直流電容器兩端并聯(lián)了一個晶閘管撬杠(Th2)。
[0021]如圖2所示，由壓裝器件組成的功率模塊電路拓?fù)?，IGBT功率器件Tl、T2、分別與IGBT功率器件T1、T2并聯(lián)的二極管D1、D2、直流電容器Cl，在直流電容器Cl兩端并聯(lián)了一個晶閘管撬杠Th2。
[0022]閥組的結(jié)構(gòu)如圖3所示，旁路的晶閘管和其它半導(dǎo)體功率器件(IGBT及二極管)被壓裝在一起，組成閥串。閥串407由壓裝器件晶閘管404、散熱器409、IGBT功率器件405、散熱器409、二極管406、散熱器409、IGBT功率器件405、散熱器409、二極管406、散熱器409組成，閥串上部設(shè)有壓板408，壓裝器件之間設(shè)有散熱器409，通過水冷散熱，晶閘管與直流電容器通過母排并聯(lián)連接。
[0023]這種布置方法使得器件和電容通過路徑很短、雜散電感很低以及結(jié)構(gòu)堅固的母排布置連接起來，從而使得閥串能夠承受電容直通放電引起的極高電磁力的沖擊。無論是在單獨的功率模塊狀況下還是在當(dāng)功率模塊工作于直流輸電換流閥中的狀況下，反復(fù)的最高峰值達(dá)600KA的故障電流試驗證明，在這種沖擊電流下沒有結(jié)構(gòu)變形，沒有絕緣失敗，也沒有把電磁干擾傳播到相鄰功率模塊中其它器件的情況。
[0024]晶閘管門極觸發(fā)板:電容器穩(wěn)態(tài)工作中的直流額定電壓通常在2.3至2.5KV之間，波動范圍約為±5?7%。在暫態(tài)和故障條件下，電容電壓能在1500V至3000V乃至更高的范圍內(nèi)變化。因此在電容器通過晶閘管旁路直通的情況下峰值電流能夠在最小300KA到最大600KA之間變化，合理的門極觸發(fā)板設(shè)計能夠在所有的電壓和電流范圍內(nèi)正確觸發(fā)晶閘管并使器件在受控的方式下失效，從而保證晶閘管在所有的電壓和電流范圍內(nèi)都能夠進(jìn)入未定的短路失效模式。許多試驗已經(jīng)驗證了晶閘管門極驅(qū)動板的這個行為。
[0025]本實用新型采用壓裝功率器件和壓裝二極管，與晶閘管組成閥串，并且在直流電容器兩端并聯(lián)了一個晶閘管撬杠(Th2)。這種技術(shù)方案具有以下優(yōu)點:
[0026]當(dāng)功率模塊故障或失靈時(內(nèi)部故障)，晶閘管Th2被觸發(fā)從而旁路功率模塊。電容器Cl釋放的巨大故障電流使晶閘管失效。由于晶閘管在門極附近失效，所以沒有高壓等離子體建立的風(fēng)險，從而即便是在極端大電流脈沖存在的情況下，器件封裝也能夠承受的住。
[0027]在大電流產(chǎn)生的巨大熱量壓力下，器件內(nèi)的硅和鑰晶片會融化并成為合金，從而使得器件形成并處于穩(wěn)定的短路狀態(tài)(短路失效模式行為)。
[0028]在這種情況下功率模塊的旁路由以下通路來保證:當(dāng)電流與二極管D2同向時通過二極管D2通流；而在相反電流方向下則經(jīng)過二極管Dl和已經(jīng)處于短路模式下的晶閘管Th2通流。
[0029]當(dāng)發(fā)生直流母線極間短路時(外部故障)，故障電流流過換流閥橋臂所有功率模塊中的二極管D2，壓裝二極管具備經(jīng)受任何故障電流的能力，故無需使用額外的晶閘管，當(dāng)然也就避免了晶閘管在這種工況下正確觸發(fā)和均流的所有問題。
【權(quán)利要求】
1.多電平柔性高壓直流輸電功率模塊保護(hù)與旁路拓?fù)洌üβ势骷?、與功率器件并聯(lián)的二極管、直流電容器，其特征在于，在直流電容器兩端并聯(lián)了一個晶閘管撬杠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平柔性高壓直流輸電功率模塊保護(hù)與旁路拓?fù)洌涮卣髟谟?，所述的晶閘管、功率器件及二極管采用壓裝器件組成閥串，晶閘管與直流電容器并聯(lián)連接。
【文檔編號】H02M1/32GK203967989SQ201420179384
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】保丁格諾·保羅·安東尼奧, 張海濤, 易榮, 時偉, 陳慧鋒, 艾錫剛 申請人:榮信電力電子股份有限公司