ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ HVDC Российский патент 2018 года по МПК H01L23/62 

Настоящее изобретение относится к электронному модулю для защиты силовых полупроводниковых приборов преобразователя HVDC, а конкретнее к устройству для короткого замыкания для защиты по меньшей мере одного силового полупроводникового прибора силового модуля преобразователя HVDC в случае сильных бросков тока или электрических разрядов, которые, в противном случае, могут повреждать силовое полупроводниковое устройство.

Системы постоянного тока высокого напряжения (HVDC) используются для передачи энергии во всем мире. Конкретно, эти системы HVDC используются для экономически эффективной передачи электрической энергии на большие расстояния через воздушные линии или кабели. Они также используются для соединения асинхронных сетей или сетей с различными частотами или для соединения морских ветряных электростанций с береговой сетью. Системы HVDC содержат сложные преобразовательные подстанции, которые соединены посредством соединения по постоянному току. Одними из основных компонентов в преобразовательной подстанции являются преобразователи HVDC, которые используются для преобразования электрической энергии из переменного тока (AC) в постоянный ток (DC), или наоборот. Эти преобразователи имеют плечи преобразователя, содержащие силовые модули в последовательном соединении. Эти силовые модули содержат силовые полупроводниковые приборы, такие как тиристоры, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и т.д. Эти силовые полупроводниковые приборы должны быть защищены от бросков тока.

В литературе плечи преобразователя часто называются вентили тока. Силовой модуль такого плеча преобразователя может представлять собой один силовой полупроводниковый прибор, такой как тиристор, биполярный транзистор с изолированным затвором или т.п. Модульные многоуровневые преобразователи обеспечены силовыми модулями, имеющими более одного силового полупроводникового прибора. Силовые полупроводниковые приборы соединены с конденсатором в конфигурации полумоста или полного моста. В случае неисправности энергия в конденсаторе разряжается в силовые полупроводниковые приборы модулей.

Это приводит к взрыву силового полупроводникового прибора. Для управления энергиями, которые высвобождаются, должна быть осуществлена защита от взрыва.

Европейский патент EP 1894240 B1 раскрывает такой защитный электронный модуль. Изобретение относится к электронному модулю, имеющему по меньшей мере первую и вторую клеммы, соединенные с силовыми полупроводниковыми приборами посредством соединительных проводников, каждый из силовых полупроводниковых приборов имеет по меньшей мере один диод, параллельно соединенный с ним, и силовые полупроводниковые приборы имеют параллельно соединенный конденсатор. Соединительные проводники имеют по меньшей мере два параллельно продолжающихся участка, по меньшей мере один из которых является деформируемым, ток, протекающий в электронном модуле, проходит в противоположном направлении так, что из-за электромагнитного взаимодействия создается сила, которая отталкивает друг от друга соединительные проводники, которые имеют такие размеры, что, когда пороговое значение тока превышается, устанавливается проводящее соединение между клеммами, обходящее и силовые полупроводниковые приборы, и конденсатор, тем самым обеспечивая путь короткого замыкания для тока и защищая силовые полупроводниковые приборы от внезапного броска тока.

Однако раскрытое выше изобретение не защищает цепь от разряда энергии, происходящего от конденсатора. В случае неисправности переключения, например, заряд, накапливаемый в конденсаторе, разряжается через силовые полупроводниковые приборы силовых модулей преобразователя HVDC, например, через один или все биполярные транзисторы с изолированным затвором и, таким образом, повреждает силовые модули.

В связи с этим возникает необходимость эффективной защитной цепи, которая будет защищать силовые полупроводниковые приборы силового модуля преобразователя HVDC не только от тока короткого замыкания, но и от электрических разрядов от конденсатора.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение эффективного и экономичного решения для защиты силовых полупроводниковых приборов силовых модулей преобразователя HVDC от повреждений из-за электрических разрядов от конденсатора.

Задача настоящего изобретения решается раскрытым электронным модулем, который защищает силовые полупроводниковые приборы силового модуля преобразователя HVDC от сильных бросков тока или сильных разрядов энергии от конденсатора.

Согласно изобретению электронный модуль содержит конденсатор, устройство для короткого замыкания, подвижный участок, участок короткого замыкания и пружинный элемент. Устройство для короткого замыкания параллельно соединено с конденсатором, причем устройство для короткого замыкания содержит первую шину, соединенную с первым полюсом конденсатора, и вторую шину, соединенную со вторым полюсом конденсатора. Подвижный участок соединен с первой шиной гибким соединительным средством, а участок короткого замыкания соединен со второй шиной. Пружинный элемент расположен между подвижным участком и участком короткого замыкания. Подвижный участок продолжается параллельно второй шине так, что, когда ток короткого замыкания протекает через первую шину, электромагнитная сила между двумя шинами вызывает отталкивание первой шины от второй шины и перемещение по направлению к участку короткого замыкания. Участок короткого замыкания обеспечивает путь короткого замыкания, соединяющий первую шину со второй шиной, накоротко замыкая конденсатор в состоянии короткого замыкания работы электронного модуля. Таким образом, сильные токи и электрические разряды пропускаются через участок короткого замыкания, не достигая силового модуля преобразователя HVDC.

Сильные токи во время короткого замыкания создают большие силы на параллельных шинах тока между конденсатором и силовым модулем. В результате невозможно использование штепсельных соединений вместо используемых винтовых соединений. Согласно настоящему изобретению устройство для короткого замыкания подсоединено между конденсатором и силовыми модулями преобразователя HVDC. Когда ток короткого замыкания направляется через устройство для короткого замыкания, большие силы на шинах возникают только в области между конденсатором и устройством для короткого замыкания. Таким образом, становится возможным выполнение соединения между силовым модулем и устройством для короткого замыкания в виде штепсельного соединения. Это имеет большие преимущества при сборке преобразователя и обеспечивает значительный потенциал для снижения затрат.

Силы, действующие между двумя шинами, зависят от факторов, таких как длины шин, ток, протекающий через шины, расстояние между шинами и т.д.

В одном варианте выполнения изобретения пружинный элемент не находится в непосредственном контакте с подвижным участком и участком короткого замыкания. В дополнительном варианте выполнения пружинный элемент устанавливает непрямое соединение между подвижным участком и участком короткого замыкания через разделительный элемент.

В другом варианте выполнения настоящего изобретения вторая шина является неподвижной относительно подвижного участка первой шины. Вторая шина соединена с помощью неподвижного или фиксированного соединения с участком короткого замыкания. В этом варианте выполнения только подвижный участок первой шины перемещается в случае высокого тока, протекающего через устройство для короткого замыкания. С меньшими подвижными частями в электронном модуле будет меньший износ и большая стабильность в устройстве для короткого замыкания.

В дополнительном варианте выполнения вторая шина имеет изоляционный слой, который расположен между второй шиной и первой шиной. Во время безопасного режима работы, т.е. когда ток через электронный модуль меньше порогового значения, устройство для короткого замыкания позволяет току проходить через силовой модуль, так как значение тока находится в безопасных пределах и не будет повреждать силовые полупроводниковые приборы в силовом модуле. Изоляционный слой предотвращает течение тока во вторую шину из первой шины во время этого безопасного режима работы. Ток течет в силовой модуль, и преобразователь работает нормально без какой-либо опасности повреждения силовых полупроводниковых приборов. Изоляционный слой может представлять собой изоляционное покрытие второй шины. Изоляционный слой не будет влиять на магнитное поле между шинами в случае неисправности, так как ток, протекающий через шины во время короткого замыкания, будет в несколько сотен раз больше тока, протекающего во время безопасного режима работы.

В дополнительном варианте выполнения пружинный элемент, расположенный между подвижным участком и участком короткого замыкания, представляет собой изолятор. В безопасном режиме работы пружинный элемент находится в нормально расширенном или растянутом состоянии, и изолятор предотвращает утечку тока в участок короткого замыкания из первой шины, тем самым предотвращая соединение короткого замыкания между двумя шинами. Однако когда ток превышает пороговое значение, т.е. в состоянии короткого замыкания, электромагнитные силы между шинами вызывают отталкивание первой шины от второй шины и перемещение от второй шины и по направлению к участку короткого замыкания. Это перемещение первой шины вызывает сжатие пружинного элемента, и проводящий путь устанавливается между двумя шинами через участок короткого замыкания, приводя к установке соединения короткого замыкания между двумя шинами. Это короткое замыкание защищает силовой модуль, накоротко замыкая конденсатор и обходя силовой модуль.

В дополнительном варианте выполнения пружинный элемент содержит первый конец, соединенный с подвижным участком, и второй конец, соединенный с участком короткого замыкания, причем первый конец и второй конец изолированы. Это будет требовать меньше изоляционного материала, и сжимаемость пружинного элемента не будет ухудшена.

В дополнительном варианте выполнения гибкое соединительное средство содержит гибкую медную полосу. Гибкость медной полосы обеспечивает плавное движение первой шины по направлению к участку короткого замыкания в случае броска тока и обратно в ее исходное положение во время безопасного режима работы электронного модуля. В связи с этим гибкая медная полоса обеспечивает возможность повторного использования электронного модуля так, что модуль может быть использован в течение нескольких бросков тока и коротких замыканий.

Согласно дополнительному варианту выполнения гибкое соединительное средство представляет собой медную ленту, медный соединитель или любой гибкий металлический соединитель.

В дополнительном варианте выполнения первая и вторая шины представляют собой медные шины. Медь, являясь хорошим проводником электричества, представляет собой наилучший выбор для шины, так как она обеспечивает отличную проводимость. Однако любая другая металлическая шина также может быть использована.

В еще другом дополнительном варианте выполнения участок короткого замыкания изготовлен из меди. Участок короткого замыкания обеспечивает путь короткого замыкания для очень сильных бросков тока, и, следовательно, участок короткого замыкания должен иметь хорошую проводимость. Медь, являясь очень хорошим проводником электричества, представляет собой наилучший выбор. Однако любой другой металл также может быть использован.

Согласно дополнительному варианту выполнения устройство для короткого замыкания содержит штепсельное соединение для соединения с силовым полупроводниковым прибором силового модуля преобразователя HVDC. Это значительно упрощает сборку электронного модуля, а также обеспечивает значительный потенциал для снижения затрат.

В дополнительном варианте выполнения участок короткого замыкания содержит пазы для вмещения сжатого пружинного элемента в состоянии короткого замыкания. Эти пазы будут обеспечивать надлежащий контакт подвижного участка с участком короткого замыкания в состоянии короткого замыкания.

Описанный в этом изобретении электронный модуль будет иметь широкое применение в модульных многоуровневых преобразователях (ММС). Такой MMС содержит плечи преобразователя, имеющие последовательное соединение биполярных подмодулей. Каждый подмодуль обеспечен силовым модулем, образующим два соединительных зажима подмодуля, и электронным модулем согласно изобретению.

Дополнительно раскрытый в настоящем изобретении электронный модуль может иметь некоторые или все признаки, которые указаны выше для различных вариантов выполнения цепи согласно изобретению.

Вышеуказанные и другие признаки изобретения будет рассмотрены далее со ссылкой на сопровождающие чертежи настоящего изобретения. Проиллюстрированные варианты выполнения предназначены для иллюстрации, а не для ограничения изобретения. Чертежи содержат нижеследующие фигуры, на которых одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым частям во всем описании и на всех чертежах.

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение электронного модуля для защиты по меньшей мере одного силового полупроводникового прибора преобразователя HVDC.

Фиг. 2 иллюстрирует схематическое изображение электронного модуля 1, когда электронный модуль 1 находится в состоянии короткого замыкания.

Фиг. 3 представляет собой схему конструкции и размещения устройства для короткого замыкания между конденсатором и силовым модулем преобразователя HVDC.

В нижеследующем описании в целях объяснения многочисленные конкретные детали изложены для того, чтобы обеспечивать полное понимание одного или более вариантов выполнения. Может быть очевидным, что такие варианты выполнения могут быть осуществлены на практике без этих конкретных деталей.

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение электронного модуля для защиты по меньшей мере одного силового полупроводникового прибора преобразователя HVDC. Фиг. 1 показывает состояние электронного модуля 1 в безопасном режиме работы. В этом режиме ток, протекающий через электронный модуль 1, меньше, чем пороговое значение, выше которого силовой полупроводниковый прибор 2 в силовом модуле 3 преобразователя HVDC может быть поврежден. Электронный модуль 1 содержит конденсатор 4 и устройство 5 для короткого замыкания. Устройство 5 для короткого замыкания параллельно соединено с конденсатором 4. Дополнительно устройство 5 для короткого замыкания содержит первую шину 6 и вторую шину 8, подвижный участок 10, участок 12 короткого замыкания и пружинный элемент 13.

Первая шина 6 соединена с первым полюсом 7 конденсатора 4, а вторая шина 8 соединена со вторым полюсом 9 конденсатора 4. Подвижный участок 10 соединен с первой шиной 6 гибким соединительным средством 11. Участок 12 короткого замыкания соединен со второй шиной 8. Пружинный элемент 13 расположен между подвижным участком 10 и участком 12 короткого замыкания. Подвижный участок 10 расположен параллельно второй шине 8.

Далее со ссылкой на фиг. 2 проиллюстрировано схематическое изображение электронного модуля 1, когда электронный модуль 1 находится в состоянии короткого замыкания. В этом состоянии подвижный участок 10 первой шины 6 отталкивается от второй шины 8 и перемещается по направлению к участку 12 короткого замыкания за счет сжатия пружинного элемента 13 (не показано). Это устанавливает электрическое соединение между первой шиной б и второй шиной 8 через участок 12 короткого замыкания. Это электрическое соединение накоротко замыкает конденсатор 4 и безопасно отводит сильные токи, поступающие в электронный модуль 1, или отводит электрические разряды от конденсатора 4 через шины 6, 8, не позволяя им достигать силового полупроводникового прибора 2 силового модуля 3 преобразователя HVDC. Таким образом, силовой полупроводниковый прибор 2 защищен от повреждения или взрыва из-за внезапных бросков тока или электрических разрядов высокой мощности от конденсатора 4.

Фиг. 3 представляет собой схему, показывающую местоположение устройства 5 для короткого замыкания между конденсатором 4 и силовым модулем 3 преобразователя HVDC. На Фиг. 3 можно увидеть, что конденсатор 4 имеет два полюса, первый полюс 7 и второй полюс 9. Первая шина 6 соединена с первым полюсом 7, а вторая шина 8 соединена со вторым полюсом 9. Устройство 5 для короткого замыкания параллельно соединено с конденсатором 4 через первую 6 и вторую шины 8. Дополнительно силовой модуль 3 преобразователя HVDC параллельно соединен с устройством 5 для короткого замыкания. Конденсатор 4 и шины 6, 8 вместе образуют электронный модуль 1.

Хотя изобретение описано со ссылкой на конкретные варианты выполнения, это описание не должно быть истолковано в ограничительном смысле. Различные модификации раскрытых вариантов выполнения, а также альтернативные варианты выполнения изобретения будут понятны специалистам в области техники со ссылкой на описание изобретения. В связи с этим предполагается, что такие модификации могут быть выполнены без отклонения от вариантов выполнения настоящего изобретения, которые определены.

Список ссылочных позиций

1 электронный модуль

2 силовой полупроводниковый прибор

3 силовой модуль преобразователя HVDC

4 конденсатор

5 устройство для короткого замыкания

6 первая шина

7 первый полюс

8 вторая шина

9 второй полюс

10 подвижный участок

11 гибкое соединительное средство

12 участок короткого замыкания

13 пружинный элемент

14 изоляционный слой

15 первый конец

16 второй конец

17 штепсельное соединение

Использование: для защиты силовых полупроводниковых приборов преобразователя HVDC. Сущность изобретения заключается в том, что электронный модуль содержит конденсатор, устройство для короткого замыкания, подвижный участок, участок короткого замыкания и пружинный элемент, устройство для короткого замыкания параллельно соединено с конденсатором, устройство для короткого замыкания содержит первую и вторую шины, подвижный участок соединен с первой шиной, а участок короткого замыкания соединен со второй шиной, пружинный элемент расположен между подвижным участком и участком короткого замыкания, когда ток короткого замыкания протекает через первую шину, электромагнитная сила между двумя шинами вызывает отталкивание первой шины от второй шины и перемещение по направлению к участку короткого замыкания. Технический результат: обеспечение возможности защищать цепь от разряда энергии, происходящего от конденсатора. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электронный модуль (1) для защиты по меньшей мере одного силового полупроводникового устройства (2) силового модуля (3) преобразователя HVDC, причем электронный модуль (1) содержит:

конденсатор (4);

устройство (5) для короткого замыкания, параллельно соединенное с конденсатором (4), причем устройство (5) для короткого замыкания содержит:

первую шину (6), соединенную с первым полюсом (7) конденсатора (4), и вторую шину (8), соединенную со вторым полюсом (9) конденсатора (4);

подвижный участок (10), соединенный с первой шиной (6) гибким соединительным средством (11);

участок (12) короткого замыкания, соединенный со второй шиной (8);

пружинный элемент (13), расположенный между подвижным участком (10) и участком (12) короткого замыкания, причем подвижный участок (10) проходит параллельно второй шине (8) так, что, когда ток короткого замыкания протекает через первую шину (6), электромагнитная сила отталкивает первую шину (6) от второй шины (8) по направлению к участку (12) короткого замыкания.

2. Электронный модуль (1) по п. 1, в котором вторая шина (8) является неподвижной.

3. Электронный модуль (1) по п.2, в котором вторая шина (8) имеет изоляционную обшивку (14), которая расположена между второй шиной (8) и первой шиной (6).

4. Электронный модуль (1) по п.3, в котором пружинный элемент (13) представляет собой изолятор.

5. Электронный модуль (1) по любому из пп. 1-4, в котором пружинный элемент (13) содержит первый конец (15), соединенный с подвижным участком (10), и второй конец (16), соединенный с участком (12) короткого замыкания, причем первый конец (15) и второй конец (16) изолированы.

6. Электронный модуль (1) по п.5, в котором гибкое соединительное средство (11) содержит гибкую медную полосу.

7. Электронный модуль (1) по п.6, в котором первая (6) и вторая (8) шины представляют собой медные шины.

8. Электронный модуль (1) по п.7, в котором участок (12) короткого замыкания изготовлен из меди.

9. Электронный модуль (1) по п.5, в котором устройство (5) для короткого замыкания содержит штепсельное соединение (17) для соединения с силовым модулем (3) преобразователя HVDC.

10. Электронный модуль (1) по п.5, в котором участок (12) короткого замыкания содержит пазы для вмещения пружинного элемента (13) в состоянии короткого замыкания.