УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 2012 года по МПК H02M1/92 

Изобретение относится к устройству для преобразования электрического тока или для формирования электрического напряжения с включенными последовательно полупроводниковыми модулями, которые имеют, по меньшей мере, один управляемый мощный полупроводник, высоковольтным блоком управления, находящимся под потенциалом одного из полупроводниковых модулей, и низковольтным блоком управления, находящимся под потенциалом, близким к потенциалу земли, который соединен посредством, по меньшей мере, одного световода с высоковольтным блоком управления.

Такое устройство уже известно из US 5,969,956. Описанное там устройство представляет собой преобразователь, который является частью установки для передачи постоянного тока высокого напряжения. Описанный там преобразователь имеет вентильные цепи, которые, соответственно, имеют последовательное соединение из полупроводниковых модулей. Полупроводниковые модули содержат, соответственно, тиристор, который посредством электрического пускового импульса может переводиться из запертого положения, в котором протекание тока через тиристор прервано, в проводящее положение, в котором обеспечивается возможность протекания тока через тиристор. Для запуска тиристоров служит устройство регулирования. Устройство регулирования содержит высоковольтный блок управления, находящийся под потенциалом высокого напряжения, и низковольтный блок управления, находящийся под потенциалом, близким к потенциалу земли, которые связаны между собой посредством разделяющего потенциалы световода. Поэтому электрические сигналы низковольтного блока управления преобразуются в оптические сигналы и через световод передаются к высоковольтному блоку управления. Высоковольтный блок управления содержит оптоэлектрический преобразователь, который преобразует принимаемые оптические сигналы в электрические сигналы. Принимаемые сигналы обеспечивают целенаправленный запуск тиристоров. Кроме того, с каждым тиристором сопоставлены датчики контроля состояния, которые контролируют состояние соответствующего тиристора при получении данных состояния. Наконец, данные состояния передаются на высоковольтный блок управления, причем эти данные состояния, по меньшей мере, частично обрабатываются, и полученные при обработке данные через световод передаются на низковольтный блок управления.

Преобразователи со схемой последовательного соединения полупроводниковых модулей также известны из практики передачи и распределения энергии. Посредством последовательного соединения напряжение, приложенное на клеммах схемы последовательного соединения, распределяется по отдельным полупроводниковым модулям. Таким способом могут обеспечиваться преобразовательные вентили, которые рассчитаны на высокое напряжение, хотя прочность по напряжению отдельных полупроводниковых модулей ограничена. При высоковольтных применениях число требуемых полупроводниковых модулей лежит в диапазоне от нескольких десятков до более 1000. Полупроводниковые модули содержат, например, отдельный управляемый мощный полупроводник или один конденсатор и несколько соединенных по полумостовой или полномостовой схеме мощных полупроводников. Мощные полупроводники должны, как правило, управляться точно и быстро. Как уже изложено выше, согласно уровню техники, каждый мощный полупроводник через, как правило, два световода соединен с блоком управления, находящимся под потенциалом, близким к потенциалу земли. Это имеет недостаток, заключающийся в том, что требуется очень много световодов. В случае выполнения блока управления с резервированием число световодов увеличивается по сравнению с этим еще более чем в два раза. Также затруднительно в необходимое время централизованно обрабатывать все получаемые при контроле данные, которые передаются через соответствующие световоды.

Задачей изобретения является создание устройства вышеописанного типа, которое является надежным, требующим низких затрат и экономичным.

Изобретение решает эту задачу тем, что высоковольтный блок управления имеет высоковольтный интерфейс, который находится под потенциалом одного из полупроводниковых модулей и через сигнальные линии соединен с, по меньшей мере, двумя управляемыми мощными полупроводниками, причем высоковольтный интерфейс через, по меньшей мере, один из упомянутых световодов соединен с низковольтным блоком управления.

В соответствии с изобретением предусмотрен высоковольтный интерфейс, который принимает данные, посланные низковольтным блоком управления, и распределяет далее на несколько мощных полупроводников. При этом высоковольтный интерфейс находится под потенциалом полупроводникового переключателя. По этой причине высоковольтный интерфейс может размещаться в непосредственной близости от полупроводников, так что ведущие к мощным полупроводникам сигнальные линии, как, например, электрические линии данных и оптические линии данных, могут быть выполнены соответственно короткими и экономичными. Кроме того, соответствующее изобретению устройство требует лишь уменьшенного числа световодов между высоковольтными интерфейсами и низковольтным блоком управления, следствием чего является снижение затрат на соответствующее изобретению устройство. Для подходящего последующего распределения данные, передаваемые от низковольтного блока управления, целесообразно имеют адрес срабатывания, который устанавливает, на какой из мощных полупроводников высоковольтный интерфейс передает данные или сигналы. В случае передаваемых данных в рамках изобретения речь может идти как об аналоговых данных, так и, предпочтительно, о цифровых данных, которые отсылаются в форме телеграмм данных.

Под понятием «управляемый мощный полупроводник» в рамках изобретения должен пониматься такой мощный полупроводник, который оказывается целесообразным для использования в области высокого напряжения. Только для примера можно привести так называемые тиристоры с выключением по затвору (GTO), интегральные тиристоры с коммутируемым затвором (IGCT), выключаемые тиристоры с коммутируемым затвором (GCT), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Полупроводниковый модуль имеет, например, только один из этих мощных полупроводников. В отличие от этого, полупроводниковый модуль в рамках изобретения имеет несколько управляемых и, при необходимости, также неуправляемых мощных полупроводников, которые соединены друг с другом по полумостовой или полномостовой схеме. Полупроводниковый модуль может, кроме того, включать в себя также другие компоненты, такие как конденсаторы. Под мощным полупроводником в рамках изобретения следует понимать наименьший управляемый блок. При этом каждый мощный полупроводник состоит из нескольких произвольно контактирующих друг с другом полупроводниковых чипов.

Согласно предпочтительному выполнению изобретения каждый высоковольтный интерфейс соединен с, по меньшей мере, четырьмя управляемыми мощными полупроводниками. Четыре управляемых мощных полупроводника соединены друг с другом по полной мостовой схеме, параллельно которой включен конденсатор.

Предпочтительным образом, высоковольтный интерфейс выполнен с возможностью приема управляющих сигналов через связанный с ним световод и распределения приятых управляющих сигналов на связанные с ним мощные полупроводники.

В предпочтительном варианте выполнения соответствующего изобретению устройства предусмотрены датчики состояния, которые соединены с высоковольтным интерфейсом, так что высоковольтный интерфейс принимает измеренные сигналы датчиков состояния. Высоковольтный интерфейс действует, например, в отношении измеренных сигналов датчиков состояния как простой распределитель, причем измеренные сигналы далее направляются к низковольтному блоку управления.

Каждый низковольтный блок управления через световод соединен только с высоковольтным интерфейсом. Другое соединение между низковольтным блоком управления и компонентом соответствующего изобретению устройства, находящимся под потенциалом высокого напряжения, не предусмотрено.

Согласно предпочтительному выполнению, высоковольтный интерфейс выполнен с возможностью обработки измеренных сигналов датчиков состояния и управления связанными с ним мощными полупроводниками в зависимости от измеренных сигналов. Иными словами, высоковольтный интерфейс берет на себя функции, которые в ином случае выполняются низковольтным блоком управления. Отсюда следует существенное упрощение для всего управления соответствующим изобретению устройством. Реакции на измеренные сигналы мощных полупроводников, которые должны осуществляться в кратчайшее время, например, в диапазоне микросекунд, могут осуществляться более эффективно самостоятельно и локально высоковольтным интерфейсом. Таким образом осуществляется разгрузка низковольтного блока управления.

Предпочтительным образом предусмотрен блок энергоснабжения, находящийся под потенциалом, близким к потенциалу земли, который через разделяющее потенциалы средство соединения соединен с высоковольтным интерфейсом, так что энергоснабжение в высоковольтном интерфейсе обеспечивается блоком энергоснабжения, находящимся под потенциалом, близким к потенциалу земли.

Согласно целесообразному варианту выполнения, предусмотрено энергопитание высокого напряжения, которое находится под потенциалом одного из полупроводниковых модулей и которое выполнено с возможностью энергоснабжения высоковольтного интерфейса.

Полупроводниковые модули содержат, как уже было упомянуто, отключаемые и/или неотключаемые мощные полупроводники, например тиристоры. В то время как тиристоры активно могут быть переведены только из положения прерывания в положение пропускания, в случае отключаемых мощных полупроводников, например IGBT, возможно последние посредством управляющего сигнала также активно переводить из положения пропускания в положение запирания. Это расширяет, разумеется, возможности управления полупроводниковых переключателей. Отключаемые мощные полупроводники содержат, как правило, антипараллельно включенные безынерционные диоды.

В рамках изобретения предусмотрены управляемые, например, посредством света, мощные полупроводники, которые могут управляться посредством соответствующего светового сигнала. Кроме того, в рамках изобретения предусмотрены электрически управляемые мощные полупроводники.

В другом выполнении изобретения каждый управляемый мощный полупроводник соединен через так называемый блок затвора с высоковольтным интерфейсом, причем блок затвора выполнен с возможностью электрического управления управляемыми мощными полупроводниками полупроводникового модуля. Блок затвора служит, таким образом, для управления электрически срабатывающими мощными полупроводниками. При этом блок затвора, как правило, непосредственно соединен с полупроводниковым переключателем. Высоковольтный интерфейс предусмотрен для срабатывания блока затвора, так что последний вырабатывает необходимые управляющие сигналы для связанных с ним мощных полупроводников. Блоки затвора, однако, известны как таковые, так что на этом не требуется останавливаться более детально.

Согласно целесообразному варианту данного выполнения высоковольтный интерфейс выполнен с возможностью энергоснабжения блока затвора. Также за счет такого соединения между блоком затвора и высоковольтным интерфейсом еще более снижаются затраты на кабельное соединение соответствующего изобретению устройства.

Другие целесообразные выполнения и преимущества изобретения раскрыты в последующем описании примеров выполнения изобретения со ссылками на чертежи, причем одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаково функционирующие компоненты, и при этом на чертежах показано следующее:

Фиг.1 - схематичное представление примера выполнения схемы последовательного соединения из полупроводниковых модулей, которая является частью соответствующего изобретению устройства, и

Фиг.2 - иллюстрация управления мощными полупроводниками посредством высоковольтного интерфейса.

Фиг.1 показывает схему последовательного соединения из полупроводниковых модулей 1, которые соответственно состоят из переключающих модулей 2. Переключающие модули с конденсатором С соединены в так называемую Н-схему или полномостовую схему, так что на клеммах каждого полупроводникового модуля 1, в зависимости от положения переключающего модуля, на конденсаторе С падает конденсаторное напряжение U_c, инвертированное конденсаторное напряжение -U_c или нулевое напряжение. При этом каждый переключающий модуль включает в себя отключаемый мощный полупроводник, здесь IGBT 3, а также антипараллельно к нему включенный безынерционный диод 4. Показанное на фиг.1 устройство может соединяться, например, с фазой сети переменного тока и служит для подавления высших гармоник, которые могут образовываться в сети переменного тока, для компенсации реактивной мощности, для стабилизации напряжения или т.п. Для подключения к фазе сети переменного тока служат соединительные клеммы 5 и 6. При трехфазной сети переменного тока три такие схемы последовательного соединения образуют вариант выполнения соответствующего изобретению устройства. Устройство с вентильными цепями согласно схеме последовательного соединения на фиг.1 обозначается так же, как многоуровневый преобразователь.

Для управления четырьмя IGBT полупроводникового модуля 1 служит высоковольтный интерфейс 7, который через разделяющий потенциалы световод соединен с низковольтным блоком управления, наглядно не показанным на фиг.1. Высоковольтный интерфейс 7 является частью также не показанного на фиг.1 высоковольтного блока управления. Альтернативно этому, высоковольтный блок управления состоит только из высоковольтного интерфейса.

Фиг.2 показывает управление управляемыми мощными полупроводниками V11, V12, V21 и V22 посредством высоковольтного интерфейса 7. В частности, можно видеть, что каждый из управляемых мощных полупроводников V11, V12, V21 и V22 соединен через так называемый блок 8 затвора с высоковольтным интерфейсом. Блок 8 затвора обозначается на практике как возбудитель затвора. Он служит для выработки управляющих сигналов для соответствующего вывода затвора связанного с ним мощного полупроводника. Для снабжения каждого блока 8 затвора энергией высоковольтный интерфейс для каждого блока 8 затвора содержит блок 9 энергоснабжения высокого напряжения. При этом каждый блок 9 энергоснабжения высокого напряжения через кабельное соединение 10 подключен к блоку затвора. Сигнальная линия 11 служит для передачи сигналов подключения и отключения, которые принимаются высоковольтным интерфейсом 7 и направляются далее.

Помимо этого каждый блок 8 затвора содержит датчики состояния, которые через сигнальные линии 12, 13 и 14 соединены с высоковольтным интерфейсом 7. При этом высоковольтный интерфейс 7 выполнен с возможностью приема и обработки сигналов состояния датчиков состояния. Обработка осуществляется с помощью внутренней логики, реализованной в высоковольтном интерфейсе. Она также выполнена с возможностью изменения, формирования или подавления сигналов подключения и отключения, если это требуется на основе принятых сигналов состояния.

Показанный лишь схематично датчик 15 температуры определяет температуру, усредненную по всем переключающим модулям 2 полупроводникового модуля 1.

Определенные значения U_c конденсаторного напряжения и значения Т температуры обрабатываются высоковольтным интерфейсом 7, причем внутренняя логика высоковольтного интерфейса 7 определяет, вырабатываются или подавляются сигналы подключения и отключения.

Для соединения высоковольтного интерфейса 7 с не показанным на фиг.2 низковольтным интерфейсом, находящимся под потенциалом, близким к потенциалу земли, служат два схематично показанных световода 17, 18, причем по световоду 17 принимаются данные не показанного низковольтного блока управления, а по световоду 18 передаются данные от высоковольтного интерфейса 7 к низковольтному блоку управления.

Высоковольтный интерфейс 7 предпочтительным образом представляет собой так называемую программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA). Такие FPGA являются программируемыми полупроводниковыми компонентами, которые как таковые известны, так что не требуется их детальное пояснение.

Изобретение относится к области преобразовательной техники. Для того чтобы создать устройство для преобразования электрического тока или для формирования электрического напряжения с включенными последовательно полупроводниковыми модулями (1), которые имеют, по меньшей мере, один управляемый мощный полупроводник (3), высоковольтным блоком управления, находящимся под потенциалом одного из полупроводниковых модулей (1), и низковольтным блоком управления, находящимся под потенциалом, близким к потенциалу земли, который соединен посредством, по меньшей мере, одного световода (17, 18) с высоковольтным блоком управления, которое является надежным, требующим низких затрат и экономичным, предложено, что высоковольтный блок управления имеет высоковольтный интерфейс (7), который находится под потенциалом одного из полупроводниковых модулей (1) и через сигнальные линии (10, 11, 12, 13, 14) соединен с, по меньшей мере, двумя управляемыми мощными полупроводниками (3), причем высоковольтный интерфейс через, по меньшей мере, один из упомянутых световодов (17, 18) соединен с низковольтным блоком управления. Технический результат - повышение надежности. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для преобразования электрического тока или для формирования электрического напряжения с включенными последовательно полупроводниковыми модулями (1), которые имеют, по меньшей мере, один управляемый мощный полупроводник (3), высоковольтный блок управления, находящийся под потенциалом одного из полупроводниковых модулей (1), и низковольтный блок управления, находящийся под потенциалом, близким к потенциалу земли, который соединен посредством, по меньшей мере, одного световода (17, 18) с высоковольтным блоком управления, отличающееся тем, что высоковольтный блок управления имеет высоковольтный интерфейс (7), который находится под потенциалом одного из полупроводниковых модулей (1) и через сигнальные линии (10, 11, 12, 13, 14) соединен с, по меньшей мере, двумя управляемыми мощными полупроводниками (3), причем высоковольтный интерфейс через, по меньшей мере, один из упомянутых световодов (17, 18) соединен с низковольтным блоком управления, причем с высоковольтным интерфейсом (7) через разделяющие потенциалы средства соединения соединен блок электроснабжения, находящийся под потенциалом, близким к потенциалу земли, так что энергоснабжение высоковольтного интерфейса (7) обеспечивается блоком энергоснабжения, находящимся под потенциалом, близким к потенциалу земли, при этом данные, передаваемые от низковольтного блока управления, целесообразно имеют адрес срабатывания, который устанавливает, на какой из мощных полупроводников высоковольтный интерфейс передает данные или сигналы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высоковольтный интерфейс (7) выполнен с возможностью приема управляющих сигналов через один из связанных с ним световодов (17, 18) и для распределения принимаемых управляющих сигналов на связанные с ним управляемые мощные полупроводники (3).

3. Устройство по п.1, отличающееся датчиками (15, 16) состояния, которые соединены с высоковольтным интерфейсом (7), так что высоковольтный интерфейс (7) принимает измеренные сигналы датчиков (15, 16) состояния.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что высоковольтный интерфейс (7) выполнен с возможностью обработки измеренных сигналов датчиков (15, 16) состояния и управления связанными с ним мощными полупроводниками (3) в зависимости от измеренных сигналов.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся энергопитанием высокого напряжения, которое находится под потенциалом одного из полупроводниковых модулей (1) и которое соединено с высоковольтным интерфейсом для его энергоснабжения.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый управляемый мощный полупроводник (3) соединен через блок (8) затвора с высоковольтным интерфейсом, причем блок (8) затвора выполнен с возможностью выработки управляющего сигнала для управляемого мощного полупроводника (3) полупроводникового модуля (1).

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что высоковольтный интерфейс (7) выполнен с возможностью снабжения энергией блока (8) затвора с помощью блока (9) энергоснабжения.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждый управляемый мощный полупроводник (3) соединен через блок (8) затвора с высоковольтным интерфейсом, причем блок (8) затвора выполнен с возможностью выработки управляющего сигнала для управляемого мощного полупроводника (3) полупроводникового модуля (1).

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что высоковольтный интерфейс (7) выполнен с возможностью снабжения энергией блока (8) затвора с помощью блока (9) энергоснабжения.