多電平柔性高壓直流輸電（vsc-hvdc）功率模塊保護(hù)與旁路策略的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種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，旨在解決以上所有問(wèn)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(lái)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(gè)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(guò)母排相連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果是：當(dāng)功率模塊故障或失靈時(shí)，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(huì)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(shuō)明】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
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明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(chǎng)上現(xiàn)有的大多數(shù)模塊化多級(jí)換流(MMC)技術(shù)平臺(tái)采用塑料封裝的IGBT模塊和二極管(PMI)作為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)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(jì)基于以下保護(hù)策略:
[0004]當(dāng)功率模塊故障或失靈時(shí)(內(nèi)部故障)，一個(gè)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(shí)實(shí)現(xiàn)故障功率模塊的旁路并避免系統(tǒng)停機(jī)。
[0005]但此方案具有以下缺點(diǎn):
[0006]在一些故障中，如:功率器件Tl故障時(shí)，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(xiǎn)，如果功率器件Tl爆掉，會(huì)存在將故障傳播至其它功率模塊的危險(xiǎn)。
[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(kuò)散及故障傳播而特制的機(jī)械容器里，由于器件爆炸引起的過(guò)高熱能量仍然可能會(huì)造成功率模塊內(nèi)部的水冷散熱器過(guò)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(huì)導(dǎo)致?lián)Q流閥漏水及閃燃的風(fēng)險(xiǎn)。
[0008]當(dāng)發(fā)生直流母線極間短路時(shí)(外部故障)，故障電流流過(guò)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I2t值較低故無(wú)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(gè)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(yáng)極和陰極之間電壓極低)是另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題(指電壓特性(I))。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明旨在解決以上所有問(wèn)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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0012]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，包括功率器件、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(gè)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，本發(fā)明有益效果是: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(shí)，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(huì)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(shuō)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是本發(fā)明功率模塊旁路保護(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(shí)施方式】
[0019]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(shí)現(xiàn)采用壓裝IGBT(PPI)和壓裝二極管(PPD)來(lái)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(gè)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(gè)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(guò)水冷散熱，晶閘管與直流電容器通過(guò)母排并聯(lián)連接。
[0023]這種布置方法使得器件和電容通過(guò)路徑很短、雜散電感很低以及結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的母排布置連接起來(lái)，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(wú)論是在單獨(dú)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(yàn)證明，在這種沖擊電流下沒(méi)有結(jié)構(gòu)變形，沒(méi)有絕緣失敗，也沒(méi)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(dòng)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(guò)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(jì)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(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了晶閘管門極驅(qū)動(dòng)板的這個(gè)行為。
[0025]本發(fā)明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(gè)晶閘管撬杠(Th2)。這種技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0026]當(dāng)功率模塊故障或失靈時(shí)(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(méi)有高壓等離子體建立的風(fēng)險(xiǎn)，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(huì)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(lái)保證:當(dāng)電流與二極管D2同向時(shí)通過(guò)二極管D2通流；而在相反電流方向下則經(jīng)過(guò)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(shí)(外部故障)，故障電流流過(guò)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(wú)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(wèn)題。
【權(quán)利要求】
1.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，包括功率器件、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(gè)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(VSC-HVDC)功率模塊保護(hù)與旁路策略，其特征在于，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(hào)】H02M1/32GK103904913SQ201410148476
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)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(shí)偉, 陳慧鋒, 艾錫剛 申請(qǐng)人:榮信電力電子股份有限公司