專利名稱：一種換流器功率組件的保護(hù)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(hù)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(jìn)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(jī)車牽引、變頻傳動(dòng)等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，使得大功率電力電子技術(shù)成為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和手段，并將日益發(fā)揮更為強(qiáng)大的作用。對(duì)于電力系統(tǒng)中的大部分高壓或特高壓場(chǎng)合，為了適應(yīng)相聯(lián)接的交流電壓的等級(jí)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(jí))的換流器來(lái)進(jìn)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(gè)電力電子器件直接串聯(lián)作為一個(gè)開關(guān)運(yùn)行；二是采用電力電子功率組件級(jí)聯(lián)多電平技術(shù)；三是前兩者相結(jié)合使用。而無(wú)論哪種方案，為保證換流器的可靠性，都面臨諸多共同問(wèn)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(jí)聯(lián)功率組件發(fā)生故障時(shí)，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(yùn)行；3)快速有效的短路故障電流保護(hù)。從復(fù)雜程度、空間要求、成本和損耗等各方面來(lái)說(shuō)，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(gè)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(jí)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(jiàn)的電路拓?fù)溆邪霕?圖2)和H橋。通常說(shuō)來(lái)，在換流閥中，電力電子器件、驅(qū)動(dòng)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(jiàn)的有電壓過(guò)應(yīng)力、電流過(guò)應(yīng)力及熱過(guò)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(duì)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(duì)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(jí)聯(lián)電路中，器件開路失效特性會(huì)使換流閥開路而無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)需要在功率組件使用輔助電路旁路失效組件，使換流器實(shí)現(xiàn)繼續(xù)保持冗余運(yùn)行。目前所見(jiàn)的功率組件均采用獨(dú)立旁路開關(guān)，分為常開機(jī)械式開關(guān)和電子式開關(guān)。 機(jī)械式開關(guān)具有旁路后機(jī)械保持而無(wú)需用電保持的優(yōu)點(diǎn)，但存在如下缺點(diǎn)1)合間速度較慢，通常為ms級(jí)，可能會(huì)導(dǎo)致旁路過(guò)程中電氣應(yīng)力增大而損壞器件；2)機(jī)械式開關(guān)合閘時(shí)需要較大的能量，需要額外增加能量?jī)?chǔ)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(shí)有較大振動(dòng)；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(diǎn)，其閉合需要用電保持，因此目前報(bào)道僅用于地電位送能換流器中。對(duì)于功率組件的過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)，均分別采用獨(dú)立的電路完成。功率組件過(guò)電壓包括器件切換換流過(guò)程中瞬時(shí)過(guò)電壓和器件斷態(tài)時(shí)承受的母線過(guò)電壓。過(guò)電壓保護(hù)方式目前有三種1)采用無(wú)源吸收電路；2)有源電壓鉗位電路；3)通過(guò)電壓檢測(cè)實(shí)施保護(hù)。功率組件過(guò)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(guò)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(guò)換流器和直流側(cè)短路點(diǎn)形成的放電電流。該電流會(huì)造成半橋組件下方的反并聯(lián)續(xù)流二極管過(guò)流損壞，需要采取過(guò)電流保護(hù)措施。目前有兩種保護(hù)方法1)分流電路；2)通過(guò)電流檢測(cè)實(shí)施保護(hù)。綜上所述，目前功率組件過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)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(duì)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(hù)電路，實(shí)現(xiàn)將功率組件短路過(guò)流保護(hù)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(hù)電路，所述換流器由上下兩個(gè)橋臂的換流閥組成，每個(gè)換流閥包括不少于一個(gè)的功率組件，其改進(jìn)之處在于，在每個(gè)功率組件的兩端(NpN2)并聯(lián)故障旁路電路、雙向晶閘管和過(guò)流保護(hù)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(guò)流保護(hù)電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象時(shí)，所述過(guò)流保護(hù)電路觸發(fā)所述晶閘管，使所述晶閘管導(dǎo)通，保護(hù)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(shí)，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(guò)流保護(hù)電路連接。優(yōu)選的，所述故障旁路電路包括分壓儲(chǔ)能電路、穩(wěn)壓管(Z)、二極管(D1A2)JOD和電阻(R1)；所述分壓儲(chǔ)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(guò)流保護(hù)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(guò)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(guò)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(gè)換流閥包括不少于一個(gè)的開關(guān)器件單元。優(yōu)選的，所述分壓儲(chǔ)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(dòng)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(dú)立過(guò)流保護(hù)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(shí)現(xiàn)將功率組件短路過(guò)流保護(hù)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(hù)電路簡(jiǎn)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(jì)。3、基于雙向控制晶閘管的過(guò)流保護(hù)電路和故障旁路電路無(wú)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(jí)聯(lián)多電平高電壓換流器。4、基于雙向控制晶閘管的過(guò)流保護(hù)電路和故障旁路電路無(wú)需使用傳感器檢測(cè)、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(hù)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(guò)流保護(hù)電流。其中，PS為功率組件、FBP為故障旁路電路、OCP為過(guò)流保護(hù)電路、BCT為晶閘管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例僅用一個(gè)功率組件進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，如圖3所示。本實(shí)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(guò)流保護(hù)電路(0CP)。故障旁路電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)故障時(shí)，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(guò)流保護(hù)電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象時(shí)，所述過(guò)流保護(hù)電路觸發(fā)所述晶閘管，使所述晶閘管導(dǎo)通，保護(hù)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(guò)流保護(hù)電路連接。具體的，如圖4所示，故障旁路電路包括分壓儲(chǔ)能電路、穩(wěn)壓管Z、二極管DpD2JOD 和電阻R1 ；分壓儲(chǔ)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(shí)，BOD導(dǎo)通觸發(fā)BCT。本實(shí)施例的分壓儲(chǔ)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(shí)，穩(wěn)壓二極管漏電流增大觸發(fā)BCT導(dǎo)通。如圖6所示，過(guò)流保護(hù)電路包括觸發(fā)電路、放大器、電阻隊(duì)、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(guò)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(guò)滑動(dòng)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(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)短路電流分流，起到保護(hù)二極管不發(fā)生過(guò)熱損壞的作用，一旦功率組件下管二極管產(chǎn)生過(guò)流，則OCP電路使能，觸發(fā)BCT導(dǎo)通，在設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，則有過(guò)電流故障發(fā)生，立即觸發(fā)導(dǎo)通BCD 實(shí)現(xiàn)分流保護(hù)。本實(shí)施例很好的將功率組件短路過(guò)流保護(hù)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(shuō)明的是結(jié)合上述實(shí)施例僅說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)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(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請(qǐng)待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種換流器功率組件的保護(hù)電路，所述換流器由上下兩個(gè)橋臂的換流閥組成，每個(gè)換流閥包括不少于一個(gè)的功率組件，其特征在于，在每個(gè)功率組件的兩端(NpN2)并聯(lián)故障旁路電路、雙向晶閘管和過(guò)流保護(hù)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(hù)電路，其特征在于，所述過(guò)流保護(hù)電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象時(shí)，所述過(guò)流保護(hù)電路觸發(fā)所述晶閘管，使所述晶閘管導(dǎo)通，保護(hù)所述功率組件。
3.如權(quán)利要求1所述的保護(hù)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(shí)，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(hù)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(guò)流保護(hù)電路連接。
5.如權(quán)利要求1所述的保護(hù)電路，其特征在于，所述故障旁路電路包括分壓儲(chǔ)能電路、 穩(wěn)壓管(Z)、二極管(DpD2)JOD和電阻(R1)；所述分壓儲(chǔ)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(hù)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(hù)電路，其特征在于，所述過(guò)流保護(hù)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(guò)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(guò)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(hù)電路，其特征在于，每個(gè)換流閥包括不少于一個(gè)的開關(guān)器件單元。
9.如權(quán)利要求5所述的保護(hù)電路，其特征在于，所述分壓儲(chǔ)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(hù)電路，其特征在于，所述電阻(R2)為滑動(dòng)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(hù)電路，每個(gè)換流器包括至少一個(gè)的功率器件。本發(fā)明是在每個(gè)功率器件兩端并聯(lián)故障旁路電路、晶閘管和過(guò)流保護(hù)電路。故障旁路電路是當(dāng)功率組件出現(xiàn)故障時(shí)，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(guò)流保護(hù)電路是當(dāng)所述功率組件出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象時(shí)，過(guò)流保護(hù)電路觸發(fā)所述晶閘管，使晶閘管導(dǎo)通，保護(hù)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(shí)現(xiàn)將功率組件短路過(guò)流保護(hù)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(guò)流保護(hù)電路和故障旁路電路無(wú)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(jí)聯(lián)多電平高電壓換流器。
文檔編號(hào)H02M1/32GK102522882SQ20111038496
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院