2420-187891RU/065
Область техники
Изобретение относится к модулю переключения, который выполнен с возможностью использования в устройстве, для ограничения и/или прерывания электрического тока, протекающего через линию передачи или распределения электроэнергии, при этом модуль переключения содержит, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент, блок затвора, выполненный с возможностью включать и выключать, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключатель, соответственно, согласно переключающему управляющему сигналу, и энергонакопительный конденсатор, выполненный с возможностью предоставлять мощность на вход подачи питания блока затвора.
Изобретение изначально относится к области техники прерывателей и ограничителей постоянного тока высокого напряжения (HVDC), т.е. переключающих устройств, которые позволяют ограничивать и/или прерывать постоянный ток, протекающий через линию передачи энергии, при этом линия имеет уровень напряжения выше 50 кВ. Тем не менее изобретение также является применимым к прерывателям для распределения электроэнергии постоянного тока в сети среднего напряжения, т.е. для диапазона постоянного напряжения приблизительно между 1 кВ и 50 кВ, и двунаправленные варианты осуществления изобретения являются применимыми даже к прерывателям для передачи и распределения электроэнергии переменного тока при любом уровне напряжения.
Предшествующий уровень техники
В EP0867998B1 описывается твердотельный прерыватель постоянного тока, который содержит параллельное соединение, по меньшей мере, одного главного силового полупроводникового переключателя и нелинейного резистора, работающего в качестве предохранителя для защиты от перенапряжений. Когда прерыватель постоянного тока управляется, чтобы прерывать постоянный ток в линии передачи или распределения электроэнергии постоянного тока, по меньшей мере, один главный силовой полупроводниковый переключатель коммутирует постоянный ток в нелинейный резистор, который затем уменьшает постоянный ток посредством рассеивания накопленной энергии в линии постоянного тока. В PCT/EP2009/065233 представляется другой твердотельный прерыватель постоянного тока, который параллельно с параллельным соединением главного силового полупроводникового переключателя и предохранителя для защиты от перенапряжений содержит последовательное соединение механического высокоскоростного переключателя и, по меньшей мере, одного вспомогательного силового полупроводникового переключателя.
На практике такие твердотельные прерыватели постоянного тока для обеспечения применимости для уровня напряжения систем передачи или распределения электроэнергии постоянного тока должны содержать значительное число последовательно соединенных главных силовых полупроводниковых переключателей, поскольку один силовой полупроводниковый переключатель имеет сравнительно низкое номинальное напряжение. Число последовательно соединенных главных силовых полупроводниковых переключателей может легко достигать нескольких сотен в случае уровня высокого напряжения постоянного тока (HVDC) в несколько сотен кВ.
Относительно настоящего изобретения как главные силовые полупроводниковые переключатели, так и, возможно, текущие вспомогательные силовые полупроводниковые переключатели прерывателя постоянного тока или ограничителя постоянного тока представляют модуль переключения, т.е. они содержат, помимо одного или нескольких силовых полупроводниковых переключающих элементов, блок затвора и энергонакопительный конденсатор. Такие модули переключения, например, подробно описываются в EP0868014B1, при этом энергонакопительный конденсатор соединяется через преобразователь постоянного тока с входом подачи питания блока затвора. Энергия, накапливаемая в конденсаторе, преобразуется через преобразователь постоянного тока в напряжение питания постоянного тока, требуемое посредством блока затвора для обычной операции включения и выключения, по меньшей мере, одного силового полупроводникового переключающего элемента. Сам энергонакопительный конденсатор соединяется с так называемой основной схемой высокого напряжения, т.е. он соединяется с идентичной схемой и тем самым с высоким уровнем напряжения, идентичным уровню напряжения, по меньшей мере, одного силового полупроводникового переключающего элемента этого конкретного модуля переключения. Каждый раз, когда, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент находится в запирающем (т.е. непроводящем) переключающем состоянии, энергонакопительный конденсатор заряжается.
Относительно прерывателей постоянного тока и ограничителей постоянного тока, содержащих главные силовые полупроводниковые переключатели и/или вспомогательные силовые полупроводниковые переключатели, этот известный способ обеспечения питания блоков затвора переключающих элементов, по-видимому, является проблематичным, поскольку в обычном рабочем режиме прерыватель постоянного тока или ограничитель постоянного тока, как предполагается, является проводящим в течение длительного периода времени, предпочтительно год или даже более, без необходимости операций переключения. Соответственно, по меньшей мере, часть его силовых полупроводниковых переключающих элементов постоянно является проводящей, тем самым, не обеспечивая запирающее состояние, которое должно обеспечивать возможность требуемой зарядки или перезарядки соответствующих энергонакопительных конденсаторов. Это затрудняет обеспечение подачи достаточной мощности в блок затвора в случае, если силовые полупроводниковые переключающие элементы должны управляться. Помимо этого, активация прерывателя постоянного тока обычно означает, что соответствующая линия передачи или распределения электроэнергии после этого отключается от электросети постоянного тока, тем самым оставляя основную схему при нулевом напряжении. Соответственно, зарядка или перезарядка энергонакопительных конденсаторов модулей переключения прерывателя постоянного тока возможна только в течение редких и коротких периодов времени, когда прерыватель разомкнут. Если повторная и регулярная зарядка энергонакопительных конденсаторов не может быть обеспечена, надежность соответствующего прерывателя постоянного тока или ограничителя постоянного тока существенно уменьшается.
Из вариантов применения с использованием преобразователей среднего напряжения известно другое решение по предоставлению электроэнергии в блоки затвора силовых полупроводниковых переключателей, в котором используется удаленный источник питания через импульсные трансформаторы, т.е. источник питания работает независимо от основной схемы. Тем не менее это решение является неподходящим для высоких уровней напряжения по конструктивным соображениям и соображениям затрат, поскольку изоляция каждого импульсного трансформатора должна противостоять, по меньшей мере, номинальному постоянному напряжению, которое для вариантов применения с использованием высокого напряжения означает несколько сотен кВ. В случае прерывателей постоянного тока высокого напряжения, градиент перегрузки по напряжению в ходе действия по размыканию даже требует уровня прочности изоляции почти в два раза выше постоянного напряжения.
Краткое изложение существа изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы представить решение по модулю переключения для использования в прерывателе постоянного тока или ограничителе постоянного тока, в частности, для вариантов применения при HVDC, с помощью которого повышается надежность модуля переключения и тем самым прерывателя постоянного тока или ограничителя постоянного тока.
Эта задача достигается посредством модуля переключения, который дополнительно содержит средство преобразования мощности, выполненное с возможностью принимать мощность через оптический сигнал мощности, чтобы преобразовывать оптический сигнал мощности в электрический сигнал мощности и предоставлять электрический сигнал мощности в энергонакопительный конденсатор.
Согласно изобретению источник питания блока затвора выполнен независимым от состояния напряжения в основной схеме посредством предоставления оптического источника питания в энергонакопительном конденсаторе. Тем самым зарядка и перезарядка энергонакопительного конденсатора могут проводиться регулярно с предварительно определенными интервалами времени, так что всегда может обеспечиваться то, что достаточно мощности доступно для блока затвора, чтобы управлять соответствующим силовым полупроводниковым переключающим элементом или элементами каждый раз, когда необходимо. Удобство использования и надежность прерывателя постоянного тока или ограничителя постоянного тока, содержащего такой модуль переключения, тем самым существенно повышается. Поскольку вместо этого оптический сигнал мощности, т.е. излучение, предпочтительно лазерное излучение, передаваемое через волоконно-оптический кабель, используется для электрического сигнала мощности, преодолевается проблема изоляции в вышеописанном решении на основе импульсных трансформаторов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, оптический сигнал мощности является сигналом с низким уровнем мощности менее 1 Вт. Поскольку оборудование с низким уровнем мощности обычно демонстрирует большую надежность по сравнению с оборудованием для уровней с более высоким уровнем мощности, использование оптического источника питания с низким уровнем мощности помогает дополнительно повышать надежность модуля переключения.
Если используется оптический источник питания с низким уровнем мощности, должны быть приняты определенные меры, чтобы поддерживать внутреннее потребление мощности блока затвора на низком уровне. Предпочтительный способ достижения этого состоит в том, чтобы сокращать число функций, выполняемых посредством блока затвора, до минимального уровня.
Как упомянуто во введении, современные прерыватели постоянного тока или ограничители постоянного тока, которые являются применимыми к средним и высоким уровням напряжения систем распределения и передачи электроэнергии постоянного тока, должны содержать значительное число последовательно соединенных модулей переключения. В последовательных соединениях вопрос равномерного распределения напряжения во время динамических и переходных процессов является важным во избежание нежелательного градиента напряжения в некоторых модулях переключения вследствие различных характеристик переключения силовых полупроводниковых переключающих элементов различных модулей переключения.
Одна из функций, которые выполняют известные блоки затвора в преобразовательных вентилях высокого напряжения (причем в вентилях несколько силовых полупроводниковых переключателей соединены последовательно, и каждый силовой полупроводниковый переключатель оснащен собственным блоком затвора), заключается в том, чтобы обеспечивать равномерное распределение напряжения между последовательно соединенными переключателями во время динамических и переходных процессов.
Эта функция осуществляется согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, выполняемому не посредством блока затвора, а вместо этого посредством схемы RCD-демпфера (устройство демпфера остаточного тока), которая содержится в модуле переключения и соединяется параллельно, по меньшей мере, с одним силовым полупроводниковым переключающим элементом. Схема RCD-демпфера содержит, по меньшей мере, один резистор, по меньшей мере, один конденсатор и, по меньшей мере, один диод. RCD-демпферы известны в данной области техники и, например, раскрываются в WO 96/27230. RCD-демпфер может быть выполнен с возможностью использования как в однонаправленных, так и в двунаправленных модулях переключения (см. ниже), причем однонаправленный RCD-демпфер содержит последовательное соединение диода и конденсатора для одного направления тока с резистором параллельно с диодом, а двунаправленный RCD-демпфер содержит помимо этого последовательное соединение диода и конденсатора для другого направления тока, также с резистором параллельно с диодом.
Во время выключения силового полупроводникового переключающего элемента ток через переключающий элемент коммутируется через один из демпферных диодов, который соответствует направлению тока, по меньшей мере, в один демпферный конденсатор. Как описано выше во введении, прерыватель постоянного тока типично содержит группу из нескольких последовательно соединенных модулей переключения, которые вместе соединяются параллельно с нелинейным резистором, работающим в качестве предохранителя для защиты от перенапряжений. Ограничитель постоянного тока содержит несколько таких групп. Когда прерыватель постоянного тока или ограничитель постоянного тока управляется, модули переключения этих групп выключаются одновременно. Соответственно, идентичная коммутация тока в схему демпфера осуществляется для всех последовательно соединенных модулей переключения в расчете на группу. Как результат, демпферные конденсаторы каждой группы заряжаются до тех пор, пока сумма напряжений демпферного конденсатора в расчете на группу не является достаточно высокой для приема тока посредством защитного предохранителя этой группы. Когда группы модулей переключения снова включаются, демпферные конденсаторы разряжаются через соответствующие резисторы демпфера. Это приводит к определенным потерям, которые тем не менее не являются существенными в вариантах применения с использованием прерывателей постоянного тока и ограничителей постоянного тока вследствие редко выполняемого управляющего действия.
Помимо равномерного распределения динамического напряжения, RCD-демпфер имеет некоторые дополнительные преимущества. Вследствие присутствия, по меньшей мере, одного конденсатора в RCD-демпфере ограничен темп нарастания напряжения в соответствующем, по меньшей мере, одном силовом полупроводниковом переключающем элементе. Как результат, отдельные характеристики переключения, такие как, например, отдельные задержки при выключении силовых полупроводниковых переключающих элементов, которые могут отличаться между последовательно соединенными модулями переключения, больше не являются проблемой.
Помимо этого, ограниченная скорость нарастания напряжения показывает свое преимущество в связи с нижеописанным параллельным соединением IGBT- или BIGT-модулей, поскольку также различные задержки переключения больше не являются основной проблемой, тем самым исключая риск нарушения высокочастотных колебаний между модулями. В общем, можно указать, что вследствие наличия RCD-демпфера становится возможным соединять IGBT или BIGT-модули последовательно и/или параллельно друг с другом, причем без необходимости предоставлять сложный и энергоемкий блок затвора, с тем, чтобы учитывать равномерное распределение напряжения и возможные высокочастотные колебания.
Дополнительное преимущество RCD-демпфера состоит в том, что когда силовой полупроводниковый элемент выключается, демпферный конденсатор приводит к нулевому начальному напряжению, т.е. переключение выполняется при нулевом напряжении. Как результат, формируется меньше мгновенных потерь во время выключения, и, следовательно, во время работы прерывателя постоянного тока или ограничителя постоянного тока. Уменьшенные потери обеспечивают более высокие токи выключения и/или большее число повторяющихся событий переключения до того, как будет достигнут тепловой предел силового полупроводникового переключающего элемента.
В дополнительном варианте осуществления изобретения, блок затвора соединяется с затвором силового полупроводникового переключающего элемента через H-мост, который формирует и выводит биполярное напряжение постоянного тока, требуемое для того, чтобы возбуждать затвор, по меньшей мере, одного силового полупроводникового переключающего элемента, причем питание в H-мост подается посредством однополярного напряжения постоянного тока, и он выводит симметричное биполярное напряжение постоянного тока, например, в ±15 В. Согласно этому варианту осуществления блок затвора может работать внутренне с однополярным напряжением постоянного, в отличие от блока затвора, известного из EP0868014B1, который работает внутренне с биполярными напряжениями постоянного тока и тем самым двумя внутренними источниками питания. Использование однополярного рабочего напряжения постоянного тока дополнительно уменьшает внутреннее потребление мощности блока затвора и делает его еще более подходящим для использования с низким уровнем мощности источника питания. При использовании двух внутренних источников питания вместо H-моста несимметричные постоянные напряжения могут формироваться посредством блока затвора, к примеру, в +18 В и -5 В.
В другом варианте осуществления изобретения, модуль переключения дополнительно содержит детектор управляющих сигналов, который выполнен с возможностью выделять из принимаемого электрического сигнала мощности электрический управляющий сигнал и предоставлять электрический управляющий сигнал в блок затвора. Другими словами, управляющий сигнал, который, в частности, содержит переключающий управляющий сигнал, чтобы инициировать блок затвора так, что он включает и выключает, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент, включается в идентичный оптический сигнал, который также содержит сигнал мощности, и он по-прежнему содержится в электрическом сигнале мощности после преобразования сигналов посредством средства преобразования мощности. Таким образом, необходимость дополнительного волоконно-оптического кабеля исключается.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения блок затвора модуля переключения выполнен с возможностью формировать информацию состояния по функциональности, по меньшей мере, одного из элементов модуля переключения, и модуль переключения содержит дополнительное средство преобразования сигналов, выполненное с возможностью преобразовывать информацию состояния в оптический информационный сигнал и отправлять оптический информационный сигнал в центральный блок управления. То, что информация состояния отправляется оптически, обусловлено тем, что модули переключения в варианте применения с использованием прерывателей постоянного тока или ограничителей постоянного тока выполнены с возможностью использования при уровне высокого напряжения до нескольких сотен кВ. Использование оптической связи упрощает конструкцию и повышает надежность системы связи.
Посредством предоставления информации состояния в центральный блок управления появляется возможность того, что центральный блок управления управляет каждым соединенным модулем переключения по отдельности, например, посредством отправки обратно управляющего сигнала, чтобы начинать конкретную тестовую процедуру в случае, если сообщается подозрительное состояние, которое требует дополнительного исследования. Центральный блок управления может одновременно формировать вышеуказанный управляющий сигнал, который инициирует включение и выключение, по меньшей мере, одного силового полупроводникового переключающего устройства. В вариантах применения с использованием прерывателей постоянного тока и ограничителей постоянного тока, переключение модулей переключения может быть задержано до десятков микросекунд до тех пор, пока достаточное число модулей переключения не готово к переключению, поскольку фактическая работа прерывателя постоянного тока или ограничителя постоянного тока должна осуществляться с большей задержкой, чем, например, требуется в варианте применения с использованием преобразователей. Как результат, можно обеспечить то, что модули переключения включаются или выключаются практически одновременно. Другими словами, посредством обмена информацией состояния с центральным блоком управления, становится возможным реализовывать согласующий протокол между центральным блоком управления и всеми модулями переключения прерывателя постоянного тока или ограничителя постоянного тока, при этом согласующий протокол защищает и синхронизирует блоки затвора и отправляет фактический управляющий сигнал включения или выключения только тогда, когда все или (в случае резервирования) достаточно модулей переключения готовы.
По меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент модуля переключения может иметь различный тип и конструкцию в зависимости от рабочих требований и требований по затратам прерывателя постоянного тока или ограничителя постоянного тока, в котором должен использоваться этот модуль переключения. Далее, вкратце описываются некоторые предпочтительные типы, которые являются подходящими для использования в однонаправленном или в двунаправленном прерывателе постоянного тока либо ограничителе постоянного тока. Для обеспечения применимости к двунаправленному прерывателю постоянного тока или ограничителю постоянного тока, однонаправленные силовые полупроводниковые переключающие элементы должны дублироваться и дубликат должен быть выполнен с возможностью использования для противоположного направления тока, т.е. в встречно-параллельном или встречно-последовательном направлении относительно исходного силового полупроводникового переключающего элемента.
В одном однонаправленном типе, по меньшей мере, одного силового полупроводникового переключающего элемента, переключающий элемент содержит первый модуль, содержащий один первый IGBT или первое параллельное соединение нескольких IGBT, а также один первый диод или первое параллельное соединение нескольких диодов, причем диод или диоды соединяются встречно-параллельно с IGBT или параллельным соединением IGBT. То, используются один или несколько соединенных параллельно IGBT и диодов, зависит от уровня тока, который должен достигаться с помощью силового полупроводникового переключающего элемента, т.е. чем выше число соединенных параллельно IGBT и диодов, тем выше номинальный ток, причем все соединенные параллельно IGBT управляются через идентичный блок затвора.
Двунаправленный силовой полупроводниковый переключающий элемент может получаться посредством соединения подходящего числа вышеуказанных модулей в встречно-параллельном или встречно-последовательном соединении, при этом встречно-параллельное соединение является возможным в том случае, если IGBT имеет обратную запирающую способность. Другими словами, модуль переключения в таком случае дополнительно содержит, по меньшей мере, второй модуль, соединенный встречно-параллельно или встречно-последовательно с первым модулем, причем второй модуль содержит один второй IGBT или второе параллельное соединение нескольких IGBT и один второй диод или второе параллельное соединение нескольких диодов, причем диод или диоды также соединяются встречно-параллельно с IGBT или параллельным соединением IGBT.
Первый и второй модули на практике могут быть основаны на различных физических принципах монтажа кристаллов IGBT и диодов. Также либо каждый модуль соответствует одной сборке, содержащей интеграцию IGBT и соответствующие встречно-параллельные диоды, либо все соединенные параллельно IGBT идентичного направления тока интегрируются в одну сборку, а все соединенные параллельно диоды идентичного направления тока интегрируются в другую сборку. Вторая конструкция должна преодолевать проблему, которая может возникать в связи с первой конструкцией. В первой конструкции диоды различных наборов могут получаться в различных производственных циклах, и, следовательно, они могут немного отличаться по своим характеристикам, таким как падение прямого напряжения. Поскольку диоды имеют отрицательный температурный коэффициент, различные падения прямого напряжения могут приводить к нежелательному электрическому току между диодами, который может приводить к так называемому тепловому пробою кристаллов диода, т.е. к повышению температуры вследствие электрического тока, что еще дополнительно увеличивает электрический ток. Когда все параллельные диоды идентичного направления тока силового полупроводникового переключающего элемента интегрируются в идентичной сборке, как предложено во второй конструкции, обеспечивается то, что их характеристики максимально совпадают близко друг с другом, тем самым минимизируя риск теплового пробоя.
В специальном варианте осуществления вышеописанного типа силового полупроводникового переключающего элемента диоды являются диодами с линейной коммутацией. Обычно, так называемые диоды с резким восстановлением используются в качестве встречно-параллельных диодов для IGBT, поскольку они являются, в частности, подходящими для вариантов применения с быстрым переключением, для которых обычно предназначен IGBT. Тем не менее в случае прерывателей постоянного тока и ограничителей постоянного тока, действия по быстрому переключению не требуются, так что вместо этого могут быть использованы диоды с линейной коммутацией, к примеру, известные из вариантов применения с использованием стандартных выпрямителей на 50 Гц. Поскольку диоды с линейной коммутацией имеют более низкое падение напряжения по сравнению с диодами с резким восстановлением, потери вышеописанных первого и второго модулей могут быть уменьшены. Помимо этого, диоды с линейной коммутацией являются менее дорогостоящими.
В альтернативном однонаправленном типе силового полупроводникового переключающего элемента переключающий элемент содержит первый модуль, содержащий один первый проводящий в обратном направлении IGBT или первое параллельное соединение нескольких проводящих в обратном направлении IGBT. В проводящем в обратном направлении IGBT функция IGBT и встречно-параллельных диодов непосредственно интегрируется в одном общем кристалле. Проводящий в обратном направлении IGBT, например, описывается в заявке на европейский патент 09159009.1 и также называется двухрежимным транзистором с изолированным затвором (BIGT). Как упомянуто выше, параллельное соединение несколько таких BIGT обеспечивает более высокий номинальный ток силового полупроводникового переключающего элемента.
Двунаправленный силовой полупроводниковый переключающий элемент может быть получен посредством соединения двух или более BIGT-модулей в встречнопоследовательном соединении. Соответственно, предлагается, чтобы вышеуказанный силовой полупроводниковый переключающий элемент дополнительно содержал второй модуль, соединенный в встречно-последовательном соединении с первым модулем, причем второй модуль содержит один второй проводящий в обратном направлении IGBT или второе параллельное соединение нескольких проводящих в обратном направлении IGBT.
Использование BIGT вместо отдельного IGBT и встречно-параллельных диодов подразумевает несколько преимуществ.
Одно преимущество состоит в том, что падение прямого напряжения интегрированного диода показывает положительный температурный коэффициент, так что проблема возможного теплового пробоя исключается.
В случае специального варианта осуществления двунаправленного прерывателя постоянного тока на основе BIGT, силовые полупроводниковые переключающие элементы должны содержать встречно-последовательное соединение двух BIGT, причем два BIGT вертикально интегрируются в одной сборке. В типичном варианте применения с использованием двунаправленных прерывателей постоянного тока, ток протекает в одном направлении в течение весьма длительного периода времени, что в случае общего IGBT с отдельным диодом означает, что площадь кремниевого кристалла силовых полупроводниковых переключающих элементов двунаправленного прерывателя постоянного тока используется только частично. В отличие от этого, вследствие вертикальной интеграции площадь кремниевого кристалла сборок двунаправленных BIGT может быть использована полностью, что приводит либо к незначительному числу кристаллов для идентичного номинального тока, либо к увеличению допустимой нагрузки по току для данного числа кристаллов в расчете на сборку.
Третье преимущество состоит в том, что функциональность диода может проще отслеживаться в случае BIGT, чем в случае отдельного IGBT и диода.
В общем, преимущественным является предоставление модуля переключения с дополнительным средством мониторинга диодов, которое выполнено с возможностью осуществлять тест запирающей функциональности встречно-параллельного диода или диодов и которое, тем самым, может указывать, доступен соответствующий IGBT в силовом полупроводниковом переключающем элементе для обычного режима работы или нет. Это рекомендуется, поскольку редко когда происходит то, что встречно-параллельный диод или диоды переходят в состояние пробоя, когда соответствующий IGBT находится в выключенном или непроводящем состоянии, что может иметь серьезные последствия. В вариантах применения с быстрым переключением можно часто тестировать запирающую функциональность диодов, когда соответствующий IGBT находится в непроводящем состоянии и главный ток не протекает через диод. Тем не менее в прерывателе постоянного тока или ограничителе постоянного тока, в котором, по меньшей мере, часть IGBT включаются непрерывно, это невозможно аналогичным образом для соответствующих диодов. Тем не менее важно получать информацию по дефектным диодам до размыкания прерывателя постоянного тока или до активации ограничителя постоянного тока, поскольку такие дефектные диоды могут приводить к необратимому разрушению.
Следовательно, для модулей переключения, содержащих отдельный IGBT и диоды, предлагается предоставлять средство мониторинга диодов, которое выполнено с возможностью отслеживать запирающую функциональность диода или диодов каждый раз, когда соответствующий IGBT выключается, и главный ток не протекает через диод или диоды, которые должны отслеживаться. Другими словами, тест выполняется максимально часто, причем для некоторых конфигураций прерывателя постоянного тока это может означать, что тест может выполняться только во время технического обслуживания, в то время как для других конфигураций, таких как прерыватель постоянного тока, описанный в PCT/EP2009/065233, тест может выполняться непрерывно для тех модулей переключения, которые не переносят первичный ток. Тест включает в себя простое прикладывание незначительного положительного испытательного напряжения в прямом направлении выключенного IGBT и проверку того, поддерживается это напряжение либо оно снижается и возможно даже переходит в состояние пробоя вследствие повреждения диода. Если происходит второе, информация о повреждении может быть сформирована, например, посредством блока затвора и отправлена в качестве оптического информационного сигнала в центральный блок управления. В связи с вышеописанным RCD-демпфером становится возможным дополнительный способ тестирования функциональности встречно-параллельных диодов: в прерывателе постоянного тока или ограничителе постоянного тока, который содержит несколько модулей переключения в последовательном соединении, этот дополнительный тест выполняется, когда прерыватель постоянного тока или ограничитель постоянного тока включается и ток протекает в прямом направлении через соединенный последовательно IGBT. Для тестирования функциональности диодов один или несколько из соединенных последовательно IGBT теперь могут активно выключаться в течение очень короткого периода времени, предпочтительно нескольких микросекунд, до тех пор, пока ток, протекающий через выключенный IGBT, не начинает коммутироваться на соответствующую схему RCD-демпфера, и до тех пор, пока напряжение через RCD-демпфер не начинает немного повышаться. После того как повышение напряжения определяется, один или несколько IGBT снова включаются, причем повышение напряжения может быть определено простым способом посредством проверки того, превышен или нет предварительно заданный предел напряжения, причем предел напряжения задается при сравнительно низком уровне напряжения, предпочтительно только от нескольких сотен В до нескольких кВ. Если повышение напряжения не может быть определено, формируется информация о повреждении. Таким образом, тестирование диодов в модулях переключения становится возможным без помех для работы прерывателя постоянного тока или ограничителя постоянного тока.
Из вышеприведенного становится очевидным, что, в общем, трудно формировать достоверную информацию по запирающей характеристике диодов для конфигурации модуля переключения с отдельным IGBT и диодами. В отличие от этого, можно определять повреждение функции интегрированного диода в BIGT во время включенного и выключенного состояния соответствующего IGBT. Возможное определение функции сбойного или поврежденного диода в BIGT в течение практически всех рабочих состояний BIGT в вариантах применения с использованием прерывателей постоянного тока обусловлено тем, что функция дефектного интегрированного диода может наблюдаться посредством очевидного ухудшения или даже пробоя напряжения затвор-эмиттер соответствующего IGBT. Следовательно, увеличенный ток утечки затвор-эмиттер может быть использован в качестве индикатора или монитора необратимого нарушения либо функции диода, либо IGBT BIGT. Соответственно, предлагаемое средство мониторинга диодов для модуля переключения, содержащего BIGT, выполнено с возможностью отслеживать запирающую функциональность функции диода или функций диода проводящего в обратном направлении IGBT посредством формирования информации о повреждении в случае, если напряжение затвор-эмиттер через включенный или выключенный проводящий в обратном направлении IGBT переходит в состояние пробоя. Вследствие возможности выполнять тест как во включенном, так и в выключенном состоянии BIGT, имеется множество дополнительных возможностей извлекать информацию по запирающей характеристике функции диода в BIGT по сравнению с решением с отдельным IGBT и диодом, тем самым, значительно повышая надежность прерывателя постоянного тока или ограничителя постоянного тока.
Кроме распределения динамического напряжения, поясненного выше в связи с RCD-демпфером, также является преимущественным, если распределение установившегося напряжения последовательно соединенных модулей переключения поддерживается максимально возможно одинаковым во избежание повышенного градиента напряжения в некоторых модулях. Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, следовательно, предлагается, чтобы нелинейный резистор для ограничения напряжения соединялся параллельно, по меньшей мере, с одним силовым полупроводниковым переключающим элементом. Такой нелинейный резистор для ограничения напряжения не только обеспечивает равномерное распределение установившегося напряжения, но и помимо этого ограничивает перегрузки по напряжению, когда защитный предохранитель группы последовательно соединенных модулей переключения принимает ток из схем демпфера этой группы. Защитный предохранитель группы последовательно соединенных модулей переключения далее также называется главным защитным предохранителем. Дополнительные преимущества нелинейного резистора для ограничения напряжения в модуле переключения состоят в том, что он предоставляет возможность уменьшения размера демпферного конденсатора этого модуля, что он обеспечивает большие допуски в конденсаторе между различными модулями и что он упрощает механическую конструкцию пути коммутации тока для главного защитного предохранителя.
Краткое описание черетежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает первый базовый элемент, содержащий силовые полупроводниковые переключающие элементы, выполненные с возможностью использования для однонаправленных вариантов применения,
Фиг. 2 изображает второй базовый элемент, содержащий силовые полупроводниковые переключающие элементы, выполненные с возможностью использования для двунаправленных вариантов применения,
Фиг. 3 изображает третий базовый элемент, содержащий силовые полупроводниковые переключающие элементы, выполненные с возможностью использования для двунаправленных вариантов применения,
Фиг. 4 изображает четвертый базовый элемент, содержащий силовые полупроводниковые переключающие элементы, выполненные с возможностью использования для двунаправленных вариантов применения,
Фиг. 5 изображает первый пример для прерывателя постоянного тока,
Фиг. 6 изображает второй пример для прерывателя постоянного тока,
Фиг. 7 изображает пример для ограничителя постоянного тока,
Фиг. 8 изображает первый вариант осуществления модуля переключения,
Фиг. 9 изображает второй вариант осуществления модуля переключения,
Фиг. 10 изображает третий вариант осуществления модуля переключения,
Фиг. 11 изображает четвертый вариант осуществления модуля переключения,
Фиг. 12 изображает компоновку центрального блока управления и модулей переключения прерывателя постоянного тока,
Фиг. 13 изображает компоновку силовых полупроводниковых переключающих элементов модуля переключения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения
Фиг. 1 изображает первый базовый элемент 6a, содержащий силовые полупроводниковые переключающие элементы, выполненные с возможностью использования для однонаправленных вариантов применения. Силовыми полупроводниковыми переключающими элементами являются IGBT 1 с первым направлением тока 4 и шунтирующий обратный диод 2, соединенный встречно-параллельно с IGBT 1.
На фиг. 2, можно видеть второй базовый элемент 6b, который содержит параллельное соединение IGBT 1 с первым направлением тока 4 и IGBT 3 со вторым, противоположным направлением тока 5. Соответственно, второй базовый элемент 6b является подходящим для двунаправленных вариантов применения.
На фиг. 3 показан третий базовый элемент 6c, который содержит последовательное соединение IGBT 1 с первым направлением тока и IGBT 3 с противоположным, вторым направлением тока, что является, другими словами, встречно-последовательным соединением двух IGBT. Каждый IGBT имеет шунтирующие обратные диоды 2 и 7, соответственно соединенные встречно-параллельно. Базовый элемент 6c является подходящим для двунаправленных вариантов применения.
Четвертый базовый элемент 6d показан на фиг. 4. Он содержит в качестве силовых полупроводниковых переключающих элементов проводящий в обратном направлении IGBT с первым направлением тока, который также называется BIGT 8 (двухрежимным транзистором с изолированным затвором), и последовательно с BIGT 8 проводящий в обратном направлении IGBT со вторым направлением тока, называемый BIGT 9. BIGT 8 и 9 соответственно соединяются встречно-последовательным способом, что означает то, что также четвертый базовый элемент 6d является подходящим для двунаправленных вариантов применения.
Базовые элементы 6a-6d могут быть использованы в прерывателе 14 постоянного тока согласно примеру, проиллюстрированному на фиг. 5. Прерыватель 14 постоянного тока является подходящим для вариантов применения с использованием среднего или высокого напряжения, и он соединен последовательно с линией 13 распределения или передачи электроэнергии постоянного тока. В случае если первичный ток в линии 13 должен прерываться только в одном направлении, могут быть использованы базовые элементы 6a, в то время как в случае если первичный ток в линии 13 должен прерываться в обоих возможных направлениях, должны быть использованы базовые элементы 6b или 6c, или 6d. Прерыватель 14 постоянного тока содержит главный прерыватель 10, содержащий последовательное соединение от нескольких десятков до нескольких сотен базовых элементов 6 (в зависимости от уровня напряжения), а также нелинейный резистор, который также называется главным защитным предохранителем 11 и который соединяется параллельно с главным прерывателем 10. Последовательно с прерывателем 14 постоянного тока, размещается реактор 12 для ограничения силы тока в линии 13. В обычном рабочем режиме линии 13, все IGBT или BIGT в базовых элементах 6 включены, т.е. прерыватель 14 постоянного тока проводит первичный ток линии 13. В случае если первичный ток должен прерываться, например, если в линии 13 возникает короткое замыкание, все IGBT или BIGT должны выключаться одновременно для коммутации первичного тока на главный защитный предохранитель 11, который затем уменьшает ток до нуля.
Другой пример для прерывателя 17 постоянного тока, для которого могут быть использованы базовые элементы 6a-6d, показан на фиг. 6. В дополнение к главному прерывателю 10 и главному защитному предохранителю 11, предусмотрено последовательное соединение высокоскоростного переключателя 15 и вспомогательного прерывателя 16, соединенного параллельно с главным прерывателем 10 и главным защитным предохранителем 11. Вспомогательный прерыватель 16 содержит всего один базовый элемент 6. Высокоскоростной переключатель 15 является механическим переключателем. Последовательно с прерывателем 17 постоянного тока также размещается реактор 12 для ограничения силы тока.
Интересно отметить, что в случае если базовые элементы 6, используемые в конфигурациях прерывателя постоянного тока фиг. 5 и 6, являются двунаправленными базовыми элементами любого типа 6b, 6c или 6d, идентичные конфигурации также являются подходящими для использования в качестве прерывателей переменного тока для линий распределения или передачи электроэнергии переменного тока.
На фиг. 7 показан пример для ограничителя 18 постоянного тока, в котором ограничитель 18 постоянного тока содержит последовательное соединение нескольких прерывателей 14 постоянного тока. Другими словами, ограничитель 18 постоянного тока содержит несколько групп последовательно соединенных базовых элементов 6, причем каждая группа содержит параллельно с базовыми элементами 6 главный защитный предохранитель 11. Ограничитель 18 постоянного тока соединен последовательно с реактором 12 ограничения силы тока и с линией 13 распределения или передачи электроэнергии постоянного тока. В случае если первичный ток в линии 13 должен быть ограничен или уменьшен, соответствующее число прерывателей 14 постоянного тока размыкается, так что соответствующие нелинейные резисторы могут рассеивать нежелательное количество электроэнергии. В наиболее компактной форме ограничитель постоянного тока должен содержать два прерывателя 14, далее называемые первым и вторым прерывателем. Защитный уровень главного защитного предохранителя первого прерывателя соответствует уровню номинального напряжения постоянного тока линии 13. Когда ток через линию 13 должен быть ограничен или уменьшен, первый прерыватель должен быть разомкнут. Защитный уровень главного защитного предохранителя второго прерывателя может задаваться равным значению ниже уровня номинального постоянного напряжения линии 13, например, в 50% от него. После того как первый прерыватель размыкается, второй прерыватель может быть использован для того, чтобы прерывать ток в линии 13 посредством размыкания также второго прерывателя.
Изобретение теперь дополнительно поясняется относительно фиг. 8-12. Для управления базовыми элементами 6 в прерывателе постоянного тока или ограничителе постоянного тока, требуются так называемые блоки затвора, которые задают включение или выключение соответствующего IGBT или BIGT согласно управляющему сигналу, сформированному посредством центрального блока управления в зависимости от состояния линии 13. Соответственно, базовые элементы 6 прерывателей 14 или 17 постоянного тока либо ограничителя 18 постоянного тока фактически содержат не только силовые полупроводниковые переключающие элементы. Фактически, каждый базовый элемент 6 может заменяться посредством модуля 38 переключения, при этом модуль 38 переключения содержит, помимо прочего, блок 31 затвора. Далее описаны различные варианты осуществления модуля 38 переключения, причем для каждого варианта осуществления фактически показанные силовые полупроводниковые переключающие элементы могут заменяться посредством силовых полупроводниковых переключающих элементов, принадлежащих другому подходящему базовому элементу 6a-6d, а также посредством их дополнительных комбинаций, как пояснено ниже.
Первый вариант осуществления 38a модуля переключения проиллюстрирован на фиг. 8, и он содержит помимо IGBT 1 и встречно-параллельного диода 2 первый вариант осуществления 30a модуля возбуждения затвора, соединенного с затвором IGBT 1. Модуль 30a возбуждения затвора содержит средство преобразования мощности в форме фотодиода 20, преобразователь 22 постоянного тока, энергонакопительный конденсатор 25 и блок 31 затвора. Фотодиод 20 выполнен с возможностью принимать оптический сигнал мощности, преобразовывать оптический сигнал мощности в электрический сигнал мощности и предоставлять электрический сигнал мощности через преобразователь 22 постоянного тока в энергонакопительный конденсатор 25, тем самым заряжая или перезаряжая энергонакопительный конденсатор 25 от источника питания, который является независимым от состояния или условия переключения схемы, также называемой основной схемой, при этом IGBT 1 и диод 2 являются ее частью. Оптический сигнал мощности тем самым является сигналом с низким уровнем мощности менее 1 Вт.
Энергонакопительный конденсатор 25 соединяется с входом 29 подачи питания блока 31 затвора, чтобы подавать в формирователь сигналов возбуждения затвора и контрольный модуль 28 требуемую энергию для того, чтобы возбуждать затвор IGBT 1. Блок затвора содержит, кроме формирователя сигналов возбуждения затвора и контрольного модуля 28, модуль 27 управления блоком затвора. Модуль 27 управления блоком затвора принимает электрический управляющий сигнал из детектора 23 управляющих сигналов, причем детектор 23 управляющих сигналов выполнен с возможностью выделять электрический управляющий сигнал из электрического сигнала мощности, который выводится посредством фотодиода 20. Соответственно, оптический сигнал мощности, принимаемый посредством фотодиода 20, также содержит оптический информационный сигнал, который после преобразования в электрический сигнал по-прежнему присутствует. Фотодиод 20 соединяется через первый волоконно-оптический кабель 51 с центральным блоком 50 управления (см. фиг. 12).
Модуль 27 управления блоком затвора обрабатывает электрический управляющий сигнал и выводит в формирователь сигналов возбуждения затвора и контрольный модуль 28 результирующий управляющий сигнал включения или выключения, который, соответственно, задает включение или выключение IGBT 1. Модуль 27 управления блоком затвора дополнительно принимает различную информацию, такую как информация, доставляемая посредством формирователя сигналов возбуждения затвора и контрольного модуля 28 по состоянию IGBT 1, и информация, доставляемая посредством блока 26 контроля мощности по состоянию элементов, содержащихся в источнике питания формирователя сигналов возбуждения затвора и контрольного модуля 28, т.е. информация по состоянию энергонакопительного конденсатора 25 и преобразователя 22 постоянного тока. Различная информация обрабатывается посредством модуля 27 управления блоком затвора и затем предоставляется в качестве информации состояния через модуль 24 передачи сигналов в средство преобразования сигналов, которым в этом примере является светоизлучающий диод 21. Светоизлучающий диод 21 соединяется через второй волоконно-оптический кабель 52 с центральным блоком 50 управления (см. фиг. 12), который в ответ на принимаемую информацию состояния может приспосабливать управляющий сигнал, отправленный через оптический сигнал мощности в фотодиод 20.
Второй вариант осуществления 38b модуля переключения показан на фиг. 9, при этом второй вариант осуществления 38b содержит модуль 30a возбуждения затвора, идентичный модулю возбуждения первого варианта осуществления 38a. Здесь показана одна подробность формирователя сигналов возбуждения затвора и контрольного модуля 28, которая не показана на фиг. 8. Из фиг. 9 можно видеть, что формирователь сигналов возбуждения затвора и контрольный модуль 28 и тем самым блок 31 затвора соединяются через H-мост с затвором, по меньшей мере, одного силового полупроводникового переключающего элемента, которым здесь является IGBT 1 с встречно-параллельным диодом 2, причем питание в H-мост подается посредством однополярного напряжения постоянного тока в 15 В, и он выводит биполярное напряжение постоянного тока в ±15 В. Соответственно, внутреннее потребление мощности блока 31 затвора в некоторой степени уменьшается.
В дополнение к первому варианту осуществления 38a, второй вариант осуществления 38b модуля переключения содержит нелинейный резистор 32 для ограничения напряжения параллельно, по меньшей мере, с одним силовым полупроводниковым переключающим элементом, а также схему RCD-демпфера, состоящую из последовательного соединения диода 33 и конденсатора 34, а также резистора 35 параллельно с диодом 33, при этом сама схема RCD-демпфера также соединяется параллельно, по меньшей мере, с одним силовым полупроводниковым переключающим элементом. Ориентация диода 33 является идентичной ориентации IGBT 1. Схема RCD-демпфера, главным образом, отвечает за равномерное распределение динамического напряжения в последовательном соединении нескольких модулей 38 переключения, которое должно быть применимым, например, к прерывателям 14 и 17 постоянного тока или ограничителю 18 постоянного тока, когда базовые элементы 6 заменяются модулями 38 переключения. Нелинейный резистор 32 для ограничения напряжения, главным образом, обеспечивает равномерное распределение установившегося напряжения при таком последовательном соединении модулей 38 переключения.
В третьем варианте осуществления 38c модуля переключения согласно фиг. 10, в дополнение к одному IGBT 1 и одному диоду 2 первого и второго варианта осуществления, 38a и 38b соответственно, которые вместе формируют первый модуль, указанный ссылкой посредством буквы «a», второй модуль, указанный ссылкой посредством буквы «b», содержащий второй IGBT 1 и второй встречно-параллельный диод 2, соединяется в встречно-последовательном соединении с первым модулем. Соответственно, модуль 38c переключения может применяться к двунаправленному прерывателю постоянного тока или двунаправленному ограничителю постоянного тока.
Как уже описано, возможны дополнительные и альтернативные комбинации IGBT и диодов. На фиг. 13 показан пример, в котором как первый, так и второй модуль содержат не только один, а два соединенных параллельно IGBT 1a или 1b и соответствующие встречно-параллельные диоды 2a или 2b соответственно. Физический монтаж двух модулей может иметь либо форму одной сборки для каждой пары из IGBT и соответствующего диода, либо форму первой сборки со всеми IGBT 1a с первым направлением тока, второй сборки со всеми IGBT 1b с другим вторым направлением тока и третьей и четвертой сборки со всеми диодами 2a и 2b соответственно также согласно их направлению тока. Этот второй тип монтажа, который обеспечивает значительное уменьшение риска теплового пробоя, как описано выше, проиллюстрирован на фиг. 13 посредством пунктирных линий.
Третий вариант осуществления 38c модуля переключения содержит, помимо первого и второго модулей IGBT и диодов, второй вариант осуществления 30b модуля возбуждения затвора, причем этот второй вариант осуществления 30b содержит два дополнительных блока, не содержащиеся в первом варианте осуществления 30a. Одним из дополнительных блоков является средство 37 мониторинга диодов, задача которого состоит в том, чтобы отслеживать запирающую функциональность диодов 2 в первом модуле. Мониторинг выполняется посредством приложения положительного испытательного напряжения в прямом направлении к IGBT 1a или 1b соответственно каждый раз, когда они выключаются и когда главный ток не протекает через соответствующие диоды. Посредством проверки того, поддерживается это испытательное напряжение или нет, может быть распознан сбойный или поврежденный диод 2a или 2b соответственно. При рассмотрении примера прерывателя 17 постоянного тока, мониторинг диодов может выполняться для диодов в главном прерывателе 10 в нормальном режиме работы, поскольку главный или первичный ток протекает в течение этого времени через вспомогательный прерыватель 16 и высокоскоростной переключатель 15.
Другим дополнительным блоком второго варианта осуществления 30b модуля возбуждения затвора является схема 36 вспомогательной перезарядки, которая помимо оптического источника питания предоставляет энергию в энергонакопительный конденсатор 25 при возможности и которая принимает энергию от основной схемы, с которой соединяются IGBT 1 и диоды 2. Тем не менее, как описано выше, случаи для перезарядки от основной схемы, т.е. случаи, когда IGBT 1 выключаются в варианте применения с использованием прерывателей постоянного тока или ограничителей постоянного тока, обычно являются довольно редкими. Как мониторинг, так и вспомогательная перезарядка инициируются посредством соответствующего пускового сигнала, отправленного из формирователя сигналов возбуждения затвора и контрольного модуля 28 в средство 37 мониторинга диодов и в схему 36 вспомогательной перезарядки соответственно. Эти пусковые сигналы либо могут формироваться внутренне в модуле переключения посредством модуля 27 управления блоком затвора или посредством самой схемы 36 вспомогательной перезарядки в случае, если она имеет достаточную интеллектуальность для того, чтобы приспосабливаться к условиям в основной схеме, либо они могут отправляться в форме соответствующего управляющего сигнала через первый волоконно-оптический кабель 51 из центрального блока 50 управления (см. фиг. 12) в модуль переключения и затем передаваться через детектор 23 управляющих сигналов, модуль 27 управления блоком затвора и формирователь сигналов возбуждения затвора и контрольный модуль 28 в средство 37 мониторинга диодов и схему 36 вспомогательной перезарядки соответственно.
Четвертый вариант осуществления 38d модуля переключения проиллюстрирован на фиг. 11. Здесь, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент является встречно-последовательным соединением двух проводящих в обратном направлении IGBT согласно четвертому базовому элементу 6d или, другими словами, последовательным соединением BIGT 8 с первым направлением тока и BIGT 9 со вторым направлением тока. Как результат, модуль переключения является подходящим для двунаправленных вариантов применения. Параллельно с встречно-последовательными BIGT 8 и 9 также размещается нелинейный резистор 32 для ограничения напряжения, и параллельно с этим резистором 32 соединяется схема двунаправленного RCD-демпфера. Схема двунаправленного RCD-демпфера содержит первое параллельное соединение первого диода 42 и первого резистора 40, при этом первый диод 42 имеет первое направление тока, второе параллельное соединение второго диода 45 и второго резистора 41, при этом второй диод 45 имеет второе направление тока, общий конденсатор 46, соединенный последовательно и между первым и вторым параллельным соединением, третий диод 44, соединенный между и имеющий направление от катода второго диода 45 к катоду первого диода 42, и четвертый диод 43, соединенный между и имеющий направление от анода второго диода 45 к аноду первого диода 42. Модуль возбуждения затвора четвертого варианта осуществления 38d модуля переключения выполнен согласно третьему варианту осуществления 30c, причем он содержит элементы, по существу идентичные элементам второго варианта осуществления 30b, но при этом функция средства мониторинга диодов отличается от средства 37 мониторинга диодов по фиг. 10 в том, что запирающая функциональность функций интегрированного диода BIGT 8 и 9 отслеживается вместе с мониторингом функциональности IGBT BIGT 8 и 9 соответственно. Мониторинг выполняется в течение как включенного, так и выключенного состояния IGBT соответствующего BIGT, независимо от главного или первичного тока. Если напряжение затвор-эмиттер через включенный или выключенный проводящий в обратном направлении IGBT ухудшается или переходит в состояние пробоя, которое определяется посредством определения увеличенного тока утечки затвор-эмиттер, формируется информация о повреждении.
Сборка центрального блока 50 управления и нескольких модулей переключения прерывателя постоянного тока, в которой модули переключения состоят из модуля 30 возбуждения затвора, IGBT 1 и встречно-параллельного диода 2, уже упомянута выше. Прерыватель постоянного тока дополнительно содержит главный защитный предохранитель 11. Модули переключения прерывателя постоянного тока фактически могут иметь любой из четырех типов, 38a-38d, как описано выше, или любую другую комбинацию возможных вариантов осуществления главных элементов модуля переключения, при этом главными элементами являются, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент, модуль возбуждения затвора, необязательная схема RCD-демпфера и необязательный нелинейный резистор для ограничения напряжения. Как можно видеть на фиг. 12, между центральным блоком 50 управления и каждым модулем 30 возбуждения затвора размещаются два волоконно-оптических кабеля 51 и 52, при этом первый волоконно-оптический кабель 51 используется для того, чтобы передавать оптический сигнал мощности из центрального блока 50 управления в соответствующий модуль 30 возбуждения затвора, и при этом оптический сигнал мощности помимо этого содержит один или несколько управляющих сигналов. Второй волоконно-оптический кабель 52 используется для передачи информации состояния в форме оптического информационного сигнала из модуля 30 возбуждения затвора в центральный блок 50 управления.
Изобретение относится к области электротехники. Модуль (38) переключения, предназначенный для использования в прерывателе постоянного тока среднего или высокого напряжения или ограничителе постоянного тока, содержит, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент (1, 2), блок (31) затвора, выполненный с возможностью включать и выключать, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент, соответственно, согласно переключающему управляющему сигналу, и энергонакопительный конденсатор (25), выполненный с возможностью предоставлять мощность на вход (29) подачи питания блока затвора. Модуль переключения содержит дополнительное средство (20) преобразования мощности, выполненное с возможностью принимать оптический сигнал мощности, преобразовывать оптический сигнал мощности в электрический сигнал мощности и предоставлять электрический сигнал мощности в энергонакопительный конденсатор (25). Технический результат - повышение надёжности. 16 з.п. ф-лы, 13 ил.
1. Устройство (14, 17, 18), для ограничения и/или прерывания электрического тока, протекающего через линию (13) передачи или распределения электроэнергии, причем устройство содержащее, по меньшей мере, один модуль переключения, содержащий:
- по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент (1, 2; 8, 9);
- блок (31) затвора, выполненный с возможностью включать и выключать, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент, соответственно, согласно переключающему управляющему сигналу, и
- энергонакопительный конденсатор (25), выполненный с возможностью предоставлять мощность на вход (29) подачи питания блока затвора,
- средство (20) преобразования мощности, выполненное с возможностью принимать оптический сигнал мощности, преобразовывать оптический сигнал мощности в электрический сигнал мощности и предоставлять электрический сигнал мощности в энергонакопительный конденсатор, при этом:
- модуль переключения выполнен с возможностью выделять из оптического сигнала мощности электрический управляющий сигнал и предоставлять электрический управляющий сигнал в блок (31) затвора, причем электрический управляющий сигнал содержит упомянутый переключающий управляющий сигнал.
2. Устройство по п.1, в котором оптический сигнал мощности является сигналом с низким уровнем мощности менее 1 Вт.
3. Устройство по п.1 или 2, в котором блок (31) затвора выполнен с возможностью формировать информацию состояния по функциональности, по меньшей мере, одного из элементов модуля переключения, при этом модуль переключения дополнительно содержит средство (21) преобразования сигналов, выполненное с возможностью преобразовывать информацию состояния в оптический информационный сигнал и отправлять оптический информационный сигнал в центральный блок (50) управления.
4. Устройство по п.1, содержащее в качестве, по меньшей мере, одного силового полупроводникового переключающего элемента первый модуль, содержащий один первый IGBT (1) или первое параллельное соединение нескольких IGBT (1a) и один первый диод (2) или первое параллельное соединение (1b) нескольких диодов, причем диод или диоды соединены встречно-параллельно с IGBT или параллельным соединением IGBT.
5. Устройство по п.4, в котором модуль переключения дополнительно содержит второй модуль, соединенный в встречно-параллельном или в встречно-последовательном соединении с первым модулем, причем второй модуль содержит один второй IGBT или второе параллельное соединение (1b) нескольких IGBT и один второй диод или второе параллельное соединение (2b) нескольких диодов, причем диод или диоды соединены встречно-параллельно с IGBT или с параллельным соединением (1b) IGBT.
6. Устройство по п.4, в котором диоды являются диодами с линейной коммутацией.
7. Устройство по п.1, содержащее в качестве, по меньшей мере, одного силового полупроводникового переключающего элемента первый модуль, содержащий один первый проводящий в обратном направлении IGBT (8) или первое параллельное соединение нескольких проводящих в обратном направлении IGBT.
8. Устройство по п.7, дополнительно содержащее второй модуль, соединенный в встречно-последовательном соединении с первым модулем, причем второй модуль содержит один второй проводящий в обратном направлении IGBT (9) или второе параллельное соединение нескольких проводящих в обратном направлении IGBT.
9. Устройство по п.8, в котором первый и второй модули интегрированы в одной полупроводниковой сборке, при этом сборка содержит один общий контактный вывод затвора и один общий контактный вывод эмиттера, причем контактные выводы соединены с затворами и эмиттерами, соответственно, всех проводящих в обратном направлении IGBT (8) в сборке.
10. Устройство по п.1, в котором модуль переключения дополнительно содержит нелинейный резистор (32) для ограничения напряжения, параллельный, по меньшей мере, одному силовому полупроводниковому переключающему элементу.
11. Устройство по п.1, в котором модуль переключения дополнительно содержит схему (36) вспомогательной перезарядки, выполненную с возможностью принимать электроэнергию из основной схемы, к которой подключен, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый переключающий элемент, и предоставлять электроэнергию в энергонакопительный конденсатор (25).
12. Устройство по п.1, дополнительно содержащее схему RCD-демпфера, соединенную параллельно, по меньшей мере, с одним силовым полупроводниковым переключающим элементом, при этом схема RCD-демпфера содержит, по меньшей мере, резистор (35; 40, 41), по меньшей мере, конденсатор (34; 46) и, по меньшей мере, диод (33; 42, 45), причем диод и конденсатор соединены последовательно друг с другом, а резистор соединен параллельно с диодом.
13. Устройство по п.1, в котором блок (31) затвора соединен с затвором, по меньшей мере, одного силового полупроводникового переключающего элемента (1, 2; 8, 9) через Н-мост, причем Н-мост запитан однополярным постоянным напряжением, и выводит биполярное напряжение.
14. Устройство по п.2, в котором модуль переключения дополнительно выполнен с возможностью выделять из оптического сигнала мощности электрический управляющий сигнал и предоставлять электрический управляющий сигнал в блок (31) затвора.
15. Устройство по п.1, дополнительно содержащее средство (37) мониторинга диодов, выполненное с возможностью отслеживать запирающую функциональность функции диодов или диода, соответственно, в первом и/или втором модулях.
16. Устройство по п.7 или 15, в котором средство (37) мониторинга диодов выполнено с возможностью отслеживать запирающую функциональность функции диода или функций диода проводящего в обратном направлении IGBT (8, 9) вместе с мониторингом функциональности самого соответствующего IGBT посредством формирования информации о повреждении в случае, если напряжение затвор-эмиттер на включенном или выключенном проводящем в обратном направлении IGBT ухудшается или переходит в состояние пробоя.
17. Модуль (38) переключения по п.16, в котором ухудшение или пробой напряжения затвор-эмиттер определяется посредством определения увеличенного тока утечки затвор-эмиттер проводящего в обратном направлении IGBT (8, 9).
| US3671749A, 20.06.1972. |
