МОДУЛЬНЫЙ МНОГОТОЧЕЧНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2018 года по МПК H02J3/36 H02M1/44 H02M7/483 

Изобретение относится к двухполюсному подмодулю для формирования преобразователя. При этом упомянутый подмодуль содержит первый подблок, который содержит первый накопитель энергии, включенное параллельно первому накопителю энергии первое последовательное соединение двух силовых полупроводниковых переключающих блоков, каждый из которых имеет подключаемый и отключаемый силовой полупроводниковый прибор с одинаковым направлением пропускания и каждый из которых является проводящим против упомянутого направления пропускания, и первую соединительную клемму, которая соединена с потенциальной точкой между силовыми полупроводниковыми переключающими блоками первого последовательного соединения. Кроме того, подмодуль содержит второй подблок, который содержит второй накопитель энергии, включенное параллельно второму накопителю энергии второе последовательное соединение двух силовых полупроводниковых переключающих блоков, каждый из которых имеет подключаемый и отключаемый силовой полупроводниковый прибор с одинаковым направлением пропускания и каждый из которых является проводящим против упомянутого направления пропускания, и вторую соединительную клемму, которая соединена с потенциальной точкой между силовыми полупроводниковыми переключающими блоками второго последовательного соединения. Первый подблок и второй подблок также соединены друг с другом с помощью соединительных средств. Упомянутые соединительные средства содержат эмиттерную соединительную ветвь, которая соединяет эмиттер первого силового полупроводникового переключающего блока первого последовательного соединения с эмиттером первого силового полупроводникового переключающего блока второго последовательного соединения, коллекторную соединительную ветвь, которая соединяет коллектор второго силового полупроводникового переключающего блока первого последовательного соединения с коллектором второго силового полупроводникового переключающего блока второго последовательного соединения, и переключающую ветвь, в которой расположен переключающий блок и которая соединяет эмиттерную соединительную ветвь с коллекторной соединительной ветвью.

Кроме того, изобретение относится к преобразователю с последовательным соединением таких двухполюсных подмодулей, причем последовательное соединение подмодулей расположено между выводом переменного напряжения и выводом постоянного напряжения преобразователя.

Использование силовых электронных систем в области очень высоких напряжений и мощностей становится все более важным. Преимущественно силовые электронные системы используются для управления потоком энергии между различными системами энергоснабжения (соединение сетей, передача высокого напряжения постоянного тока (HGÜ)). В частности, для пространственно-расширенных, разветвленных сетей высокого напряжения постоянного тока с несколькими подключенными преобразователями ("мульти-терминал") решающее значение может иметь быстрое и надежное устранение возможных случаев неисправности.

Для требуемых очень высоких мощностей до сих пор в основном использовались вентильные преобразователи (выпрямители тока) с тиристорами и подводимым постоянным током. Однако они не соответствуют будущим растущим потребностям в отношении высокодинамической компенсации реактивной мощности, стабилизации сетевого напряжения, эффективной применимости кабелей постоянного тока и возможности реализации разветвленных HGÜ-сетей. Поэтому в качестве предпочтительного типа схем преимущественно разрабатывались выпрямители тока с подводимым постоянным напряжением. Этот тип выпрямителей тока обозначается также как U-преобразователь (преобразователь источника напряжения, VSC). Недостатком в некоторых обычных U-преобразователях является, в частности, то, что при коротком замыкании стороны постоянного напряжения преобразователя протекают чрезвычайно высокие токи разряда от конденсаторной батареи стороны постоянного напряжения, которые могут привести к повреждению вследствие чрезвычайно высоких механических силовых воздействий и/или эффектов электрической дуги.

Этот недостаток известного U-преобразователя обсуждается в публикации DE 10 103 031 A1. Описанный там преобразователь содержит силовые полупроводниковые вентили, соединенные по мостовой схеме друг с другом. Каждый из этих силовых полупроводниковых вентилей имеет вывод переменного напряжения и вывод постоянного напряжения и состоит из последовательного соединения двухполюсных подмодулей, каждый из которых содержит однополярный накопительный конденсатор, а также силовую полупроводниковую схему в параллельном соединении с накопительным конденсатором. Силовая полупроводниковая схема состоит из последовательного соединения одинаково ориентированных силовых полупроводниковых переключателей, таких как IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или GTO (двухоперационный диодный тиристор), к которым, соответственно, встречно-параллельно подключен безынерционный диод. Одна из двух соединительных клемм каждого подмодуля соединена с накопительным конденсатором, а другая соединительная клемма соединена с потенциальной точкой между обоими подключаемыми и отключаемыми силовыми полупроводниковыми переключателями. В зависимости от состояния переключения обоих управляемых силовых полупроводниковых приборов может вырабатываться либо конденсаторное напряжение, приложенное к накопительному конденсатору, либо нулевое напряжение на обеих выходных клеммах подмодуля. Ввиду последовательного соединения подмодулей внутри силового полупроводникового вентиля обеспечивается так называемый подводящий постоянное напряжение многоступенчатый преобразователь, причем высота ступеней напряжения устанавливается высотой соответствующего конденсаторного напряжения. Подобные многоступенчатые или многоточечные преобразователи имеют, по отношению к двух- или трехступенчатым преобразователям с центральными конденсаторными батареями, то преимущество, что могут предотвращать высокие токи разряда при коротком замыкании на стороне постоянного напряжения преобразователя. Кроме того, в случае многоступенчатых преобразователей затраты на фильтрацию высших гармоник уменьшаются по сравнению с двух- или трехточечными преобразователями.

Соответствующие топологии в настоящее время используются в промышленности в HGÜ. Одно из преимуществ этой топологии, которая известна вышеупомянутой публикации, заключается в ее строго модульной конструкции.

В частности, для построения пространственно-распределенных, разветвленных HGÜ-сетей, быстрый и надежный контроль возможных неисправностей в HGÜ-сети не решается удовлетворительным образом. Соответствующие пространственно-протяженные разветвленные HGÜ-сети, в том числе, для крупных прибрежных ветроэнергоцентров и использование больших солнечных электростанций в отдаленных пустынных районах, потребуются в будущем. В частности, короткие замыкания в HGÜ-сети должны контролироваться.

Подходящие механические переключатели для экстремально высоких постоянных напряжений (DC напряжений), которые могут коммутировать высокие токи неисправностей под нагрузкой, из-за фундаментальных физических проблем не доступны. Также препятствиями являются технически достижимые времена отключения и переключающие перенапряжения механических переключателей. Поэтому, согласно предшествующему уровню техники, механические переключатели для этих применений могут быть реализованы только как размыкатели, коммутирующие без нагрузки (без тока).

Прямое использование механических силовых переключателей посредством электронного DC-силового переключателя в диапазоне высоких напряжений является весьма затратным. Также служат препятствием дополнительные потери пропускания полупроводников. По этой причине, были разработаны и представлены в публикациях так называемые гибридные HGÜ-переключатели, которые содержат дополнительные механические переключатели с целью предотвращения и/или уменьшения потерь пропускания. Однако эти меры вновь приводят к негативному влиянию механических переключателей на достижимые времена отключения.

Фиг. 2 показывает схематичное представление примера внутренней схемы подмодуля, как известно из уровня техники. Подмодуль 1, показанный на фиг. 2, отличается от варианта выполнения, известного из DE 10 103 031 A1, дополнительным тиристором 8. Он служит в случаях неисправностей тому, чтобы разгружать параллельный безынерционный диод 71 от недопустимо высоких ударных токов. С этой целью тиристор 8 должен сгорать в случае неисправности. В качестве дополнительных компонентов подмодуль 1 на фиг. 2 в известном устройстве включает в себя два управляемых электронных переключателя 73, 74, в отсутствие IGBT высокого запирающего напряжения, соответствующие антипараллельные безынерционные диоды 71, 72, а также накопитель 6 энергии, который выполнен в виде однополярного накопительного конденсатора.

При полярности клеммного тока iх, противоположной техническому направлению тока, показанному на фиг. 2, подмодуль 1 на фиг. 2, независимо от управляемого состояния переключения, не может принимать никакой энергии. Этот факт очень невыгоден в случаях неисправностей. Он справедлив, как правило, для комплектации подмодулями, которые могут генерировать только одну полярность клеммного напряжения Ux.

Для специалиста в данной области очевидно и известно из различных публикаций использование в качестве подмодулей так называемых четырехквадрантных исполнительных механизмов (полных мостов) (см., например, публикацию DE 102 17 889 A1). Они могут при каждой полярности клеммного тока генерировать соответствующее противоположное напряжение, то есть получать энергию. Тем самым обеспечиваются следующие преимущества:

- Токи DC-стороны и токи стороны трехфазного тока могут при сетевых неисправностях, особенно при коротких замыканиях в DC-сети, отключаться и/или ограничиваться посредством самого преобразователя.

- Достижимые времена отключения являются короткими по сравнению с временами отключения механических переключателей или гибридных HGÜ-переключателей.

- В нормальном режиме может достигаться более высокое АС-напряжение, так что становится возможным выполнение с несколько более высоким вторичным напряжением сетевого трансформатора (и в результате с меньшим АС-током). Это является весьма значимой степенью свободы при выборе параметров.

Чрезвычайно невыгодным является, однако, тот факт, что потери мощности в пропускном направлении подмодулей при одинаковом токе удваиваются. В частности, при энергоснабжении, на основе непрерывного режима работы при высоких уровнях мощности это имеет значительное коммерческое значение. Однако, что касается функциональности в нормальном режиме, новая степень свободы выбора параметров является ценной на меньших АС-токах.

Преобразователь с подмодулем рассматриваемого типа известен из публикации DE 10 2008 057 288 A1. Там в эмиттерной соединительной ветви и в коллекторной соединительной ветви соединительных средств расположены, соответственно, диод разделения потенциала, а также опционально демпфирующее сопротивление. Диоды разделения потенциала расположены таким образом, что ветвь переключения соединительных средств соединяет катод диода разделения потенциала эмиттерной соединительной ветви с анодом диода разделения потенциала коллекторной соединительной ветви. Путем формирования соединительных средств при соответствующем управлении силовыми полупроводниковыми переключающими блоками может достигаться то, что протекание тока между обеими соединительными клеммами подмодуля всегда должно осуществляться через по меньшей мере один накопитель энергии. Соответствующий затрагиваемый накопитель энергии всегда создает, независимо от поляризации клеммного тока, противоположное напряжение, которое вызывает более быстрое затухание протекания тока. Недостатком при этом решении является то, что отрицательные клеммные напряжения не могут быть сгенерированы для обеих полярностей клеммного тока ix. Таким образом, не может быть реализована дополнительная степень свободы выбора параметров при меньших АС-токах. Этот недостаток также имеет известная компоновка преобразователя с непосредственно подключенным на DC-стороне преобразователя HGÜ-переключателем.

Поэтому все еще существует высокая потребность в технически более эффективной реализации подмодулей, чем это возможно с каскадно-соединенными полными мостами.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать подмодуль и преобразователь вышеуказанного типа, в которых снижается полупроводниковая мощность потерь подмодулей в нормальном режиме работы, ограничивается количество управляемых полупроводниковых переключателей и обеспечивается возможность равномерного оснащения подмодулей полупроводниками.

Исходя из вышеупомянутого подмодуля, изобретение решает указанную задачу тем, что в эмиттерной соединительной ветви или в коллекторной соединительной ветви соединительных средств соответствующего изобретению подмодуля расположен по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий блок.

Исходя из вышеупомянутого преобразователя, изобретение решает указанную задачу тем, что каждый подмодуль соответствующего изобретению преобразователя является подмодулем согласно настоящему изобретению.

Соответствующий изобретению подмодуль позволяет предпочтительным образом осуществлять желательный контроль случаев неисправностей и заменяет в нормальном режиме работы за счет возможности формирования отрицательных клеммных напряжений подмодуля последовательное соединение двух полных мостов.

Соответствующие преимущества, в зависимости от выполнения изобретения, заключаются в следующем:

- Снижение общей мощности потерь полупроводников подмодулей в нормальном режиме работы.

- Ограничение количества управляемых полупроводниковых переключателей (в отсутствие IGBT) и всей площади полупроводников.

- Поддержание возможности оснащения подмодуля полупроводниками с одинаковым запирающим напряжением и структурой.

Первые два пункта представляют собой значительный шаг вперед по сравнению с использованием известных каскадно-включенных полных мостов. Последний пункт эквивалентен использованию полных мостов. Его значение определяется тем, что для чрезвычайно высоких напряжений и мощностей пригодны только несколько полупроводниковых переключателей. В настоящем это IGBT-транзисторы с высоким запирающим напряжением или IGCT - в будущем также SiC-полупроводники. Единообразное оснащение позволяет использовать только наиболее пригодные и самые эффективные по мощности полупроводники.

Силовые полупроводниковые переключающие блоки могут быть реализованы как полупроводниковые переключатели с соответствующими ассоциированными антипараллельными диодами или как проводящие в обратном направлении полупроводниковые переключатели. Требуемое запирающее напряжение всех силовых полупроводниковых переключающих блоков ориентируется на максимальное напряжение накопителей энергии, выполненных, например, как однополярные накопительные конденсаторы. Предпочтительно, запирающее напряжение одинаково для всех силовых полупроводниковых переключающих блоков.

Более конкретно, изобретение включает в себя вариант осуществления подмодуля, в котором в эмиттерной соединительной ветви расположен по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий блок, и в коллекторной соединительной ветви расположен по меньшей мере один диод разделения потенциала.

Соответственно, также возможен вариант осуществления, в котором по меньшей мере один диод разделения потенциала расположен в эмиттерной соединительной ветви, а по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключатель расположен в коллекторной соединительной ветви.

При этом по меньшей мере один диод разделения потенциала служит для поддержания разности напряжений между первым и вторым подблоком подмодуля.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения как в эмиттерной соединительной ветви, так и в коллекторной соединительной ветви соединительных средств предусмотрен, соответственно, по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий блок. Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что на соединительных клеммах подмодуля могут быть сформированы отрицательные напряжения, которые соответствуют напряжениям накопителей энергии подблоков.

Переключающая ветвь может соединять, например, эмиттер расположенного в коллекторной соединительной ветви силового полупроводникового переключающего блока соединительных средств с коллектором расположенного в эмиттерной соединительной ветви силового полупроводникового переключающего блока соединительных средств.

Переключающий блок переключающей ветви может быть реализован как механический переключающий блок, полупроводниковый переключатель или силовой полупроводниковый переключающий блок.

Согласно примеру выполнения изобретения, переключающий блок в переключающей ветви соединительных средств является силовым полупроводниковым переключающим блоком. Эмиттер расположенного в коллекторной соединительной ветви силового полупроводникового переключающего блока соединен с коллектором силового полупроводникового переключающего блока переключающей ветви, и эмиттер силового полупроводникового переключающего блока переключающей ветви соединен с коллектором расположенного в эмиттерной соединительной ветви силового полупроводникового переключающего блока.

В любом случае, выгодно, если переключающий блок выбирается таким образом, что мощность потерь, возникающая в нем при нормальном режиме работы подмодуля, сводится к минимуму.

В зависимости от топологии подмодуля, может определяться состояние переключения силовых полупроводниковых переключающих блоков подмодуля, в котором подмодуль независимо от направления тока получает энергию. Предпочтительно, подмодуль получает энергию в состоянии переключения, в котором все силовые полупроводниковые переключающие блоки находятся в своем положении прерывания, независимо от направления тока. Соответственно, когда все силовые полупроводниковые переключающие блоки приведены в их положение прерывания, подмодуль может, независимо от направления тока, создавать обратное напряжение для уменьшения тока в случае неисправности. В соответствии с изобретением, таким образом, можно контролировать высокий ток короткого замыкания без внешних дополнительных переключателей. В рамках изобретения гарантируется, что высокие токи короткого замыкания с помощью самого преобразователя могут исключаться в обоих направлениях быстро, надежно и эффективно. Дополнительные переключатели, например, в контуре постоянного напряжения, которые соединены с преобразователем или включены параллельно с силовым полупроводниковым прибором подмодуля полупроводниковых переключателей в рамках изобретения являются излишними. В случае неисправности, почти исключительно подмодули принимают высвобождающуюся энергию, так что она полностью поглощается. Потребление энергии имеет результатом обратное напряжение и может соизмеряться определенным образом за счет выбора параметров конденсаторов. Тем самым можно избежать неблагоприятно высоких напряжений. Кроме того, для повторного запуска преобразователя не требуется заряжать накопитель энергии контролируемым образом. Скорее, преобразователь согласно изобретению может снова возобновлять свой нормальный режим работы в любой момент после электронного отключения.

Другие полезные состояния переключения, которые генерируют обратное напряжение, приведены в связи с примером выполнения, показанным на фиг. 6. Они, соответственно, отмечены тем, что один или оба знака (см. Wc1, Wc2 на фиг. 6) положительны, чем указывается потребление энергии соответствующего накопителя энергии.

Предпочтительно, силовые полупроводниковые переключающие блоки являются проводящими в обратном направлении, подключаемыми и отключаемыми силовыми полупроводниковыми переключателями.

Силовые полупроводниковые переключающие блоки могут также, соответственно, включать в себя подключаемый и отключаемый силовой полупроводниковый прибор, встречно-параллельно которому включен безынерционный диод.

В соответствии с примером выполнения изобретения каждый накопитель энергии подмодуля является однополярным накопительным конденсатором.

В соответствии с другой формой выполнения изобретения, соединительные средства имеют вторую переключающую ветвь, которая соединяет эмиттерную переключающую ветвь с коллекторной переключающей ветвью, и в которой расположен силовой полупроводниковый переключающий блок. При этом расположенный в первой переключающей ветви силовой полупроводниковый переключающий блок включен в параллельном соединении с расположенным во второй переключающей ветви силовым полупроводниковым переключающим блоком. Результатом этой формы выполнения является преимущество, заключающееся в сниженной мощности потерь пропускания. Кроме того, расположенные между подблоками соединительные линии некритичны в отношении их длин и индуктивности рассеяния. Это допускает конструктивно и пространственно-разделенный способ конструирования обоих частичных блоков подмодуля, соединенных между собой соединительными линиями, так что возникают значительные преимущества для промышленного серийного производства и обслуживания.

В принципе, также могут быть реализованы соответствующие изобретению варианты осуществления подмодуля, которые заменяют три или более каскадно-соединенных полных моста. Для этого соединительные средства могут быть оснащены тремя или более переключающими ветвями, в которых могут быть расположены дополнительные силовые полупроводниковые переключающие блоки, накопители энергии или другие компоненты. Относительные преимущества таких форм выполнения могут, однако, по сравнению с вышеописанными формами выполнения, при обстоятельствах, уменьшаться.

Можно отметить, что мощность потерь пропускания, в зависимости от выполнения подмодуля и в зависимости от характеристики пропускания полупроводника, по сравнению с каскадно-соединенными полными мостами, в общем может быть уменьшена на коэффициент от 0,5 до 0,8.

Это объясняется на следующих приведенных для примера характеристиках пропускания. Если все силовые полупроводники имеют чисто омическую характеристику пропускания в обоих направлениях тока - как это было бы в случае с соответственно управляемыми полевыми транзисторами - то для двух обычных каскадно-соединенных полных мостов мощность потерь пропускания может быть выражена следующим образом:

P_F=(I_XRMS)²⋅4⋅R₀,

причем I_XRMS обозначает эффективное значение тока ветви и R₀ обозначает сопротивление пропускания на каждый силовой полупроводниковый прибор. Для примера выполнения по фиг.3 имеет место следующее:

P_F’=(I_XRMS)²⋅3⋅R₀,

причем требуемая площадь полупроводников дополнительно снижается на 7/8. При той же полной площади полупроводников, сопротивление пропускания на каждый силовой полупроводниковый прибор уменьшается на R₀’=7/8⋅R₀, так что мощность потерь становится еще ниже.

Изобретение поясняется ниже более подробно со ссылками на фиг.1-6.

Фиг. 1 показывает пример выполнения многоступенчатого преобразователя в схематичном изображении;

Фиг. 2 показывает подмодуль согласно предшествующему уровню техники;

Фиг. 3 показывает первый пример выполнения соответствующего изобретению подмодуля в схематичном представлении;

Фиг. 4 показывает второй пример выполнения соответствующего изобретению подмодуля в схематичном представлении;

Фиг. 5 показывает третий пример выполнения соответствующего изобретению подмодуля в схематичном представлении;

Фиг. 6 показывает табличный обзор состояний переключения соответствующего изобретению подмодуля.

В частности, на фиг. 1 представлен преобразователь 10, причем преобразователь 10 выполнен в виде многоступенчатого преобразователя 10. Преобразователь 10 имеет три вывода L1, L2, L3 переменного напряжения для подключения к трехфазной сети переменного напряжения. Кроме того, преобразователь 10 содержит выводы 104, 105, 106, 107, 108 и 109 постоянного напряжения для подключения к положительному полюсному выводу 102 и отрицательному полюсному выводу 103.

Положительный полюсный вывод 102 и отрицательный полюсный вывод 103 могут соединяться с положительным и соответственно отрицательным полюсом не показанной на фиг. 1 сети постоянного напряжения.

Выводы L1, L2, L3 переменного напряжения могут соединяться, соответственно, с вторичной обмоткой трансформатора. Первичная обмотка трансформатора подключена к не показанной на фиг. 1 сети переменного напряжения. Также в рамках изобретения возможно прямое гальваническое соединение с сетью переменного напряжения, например, с промежуточным включением катушки или дросселя или емкостного компонента.

Между каждым из выводов 104, 105, 106, 107, 108, 109 постоянного напряжения и каждым из выводов L1, L2, L3 переменного напряжения находятся силовые полупроводниковые вентили 101. Каждый из силовых полупроводниковых вентилей 101 имеет последовательное соединение подмодулей 1.

Кроме того, каждый силовой полупроводниковый вентиль 101 имеет дроссель 5.

Каждый из двухполюсных подмодулей 1, которые идентичны в форме выполнения, показанной на фиг. 1, имеет два токоведущие вывода X1 и Х2.

В примере выполнения, показанном на фиг. 1, преобразователь 10 является частью HGÜ-установки и служит для соединения сетей переменного напряжения через сеть постоянного тока высокого напряжения. Преобразователь 10 выполнен с возможностью передачи высоких электрических мощностей между сетями переменного напряжения. Однако преобразователь 10 может также быть частью установки компенсации реактивной мощности/установки стабилизации сети, например, так называемой FACTS-установки. Кроме того, возможны другие применения преобразователя 10, например, в приводной технике.

Базовая структура формы выполнения подмодуля 1 согласно изобретению показана на фиг. 3.

Подмодуль 1 содержит первый подблок 2 и второй подблок 3, каждый из которых для целей иллюстрации обозначен пунктирной линией. Первый подблок 2 и второй подблок 3 имеют одинаковую структуру.

Первый подблок 2 включает в себя первое последовательное соединение из силовых полупроводниковых переключающих блоков 22 и 23, которые в показанном варианте осуществления содержат, соответственно, IGBT 221 или 231, в качестве подключаемых и отключаемых силовых полупроводников и, соответственно, безынерционный диод 222 или 232. Безынерционные диоды 222, 232 подключены к соответственно ассоциированным IGBT 221, 231 встречно-параллельно. Оба IGBT 221, 231 ориентированы в одинаковом направлении друг к другу, то есть имеют одинаковое направление пропускания. Потенциальная точка между силовыми полупроводниковыми переключающими блоками 22, 23 соединена с первой соединительной клеммой X2. Последовательное соединение обоих силовых полупроводниковых переключающих блоков 22 и 23 включено параллельно первому накопителю энергии, который реализован как конденсатор 21. На конденсаторе 21 падает напряжение UC1.

Второй подблок 3 включает в себя первое последовательное соединение из силовых полупроводниковых переключающих блоков 32 и 33, которые, соответственно, содержат IGBT 321 или 331 в качестве отключаемых или подключаемых силовых полупроводников, и, соответственно, безынерционный диод 322 или 332. Безынерционные диоды 322, 332 подключены к соответственно ассоциированным IGBT 321, 331 встречно-параллельно. Оба IGBT 321, 331 ориентированы в одинаковом направлении друг к другу, то есть имеют одинаковое направление пропускания. Потенциальная точка между силовыми полупроводниковыми переключающими блоками 32, 33 соединена с второй соединительной клеммой X1. Последовательное соединение обоих силовых полупроводниковых переключающих блоков 32 и 33 включено параллельно первому накопителю энергии, который реализован как конденсатор 31. На конденсаторе 31 падает напряжение UC2.

Подблоки 2 и 3 соединены друг с другом с помощью соединительных средств 4. Соединительные средства 4 в иллюстративных целях на фиг. 3 показаны пунктирной линией. Соединительные средства 4 содержат эмиттерную соединительную ветвь 41 и коллекторную соединительную ветвь 42.

Эмиттерная соединительная ветвь 41 соединяет эмиттер IGBT 231 с эмиттером IGBT 331. В эмиттерной соединительной ветви 41 расположен силовой полупроводниковый переключающий блок 46. Силовой полупроводниковый переключающий блок 46 содержит IGBT 461 и подключенный встречно-параллельно с ним диод 462.

Коллекторная соединительная ветвь 42 соединяет коллектор IGBT 221 с коллектором IGBT 321. В коллекторной соединительной ветви 42 расположен силовой полупроводниковый переключающий блок 45. Силовой полупроводниковый переключающий блок 45 содержит IGBT 451 и подключенный встречно-параллельно с ним диод 452.

Эмиттерная соединительная ветвь 41 соединена с коллекторной соединительной ветвью 42 через переключающую ветвь 43. В переключающей ветви 43 расположен переключающий блок, который выполнен в соответствии с примером выполнения, показанным на фиг. 3, как силовой полупроводниковый переключающий блок 44. Силовой полупроводниковый переключающий блок 44 содержит IGBT 441 и подключенный встречно-параллельно с ним диод 442. Переключающая ветвь 43 соединяет эмиттер IGBT 451 с коллектором IGBT 461.

Способ функционирования схемы соответствующего изобретению подмодуля 1 будет пояснен ниже более подробно со ссылкой на таблицу, показанную на фиг. 6, причем в таблице на фиг. 6 приведены предпочтительно используемые состояния переключения подмодуля 1.

В первом столбце таблицы на фиг. 6 содержится порядковый номер, присвоенный состоянию переключения; во втором столбце находится информация о направлении/полярности клеммного тока ix; в столбцах с третьего по девятый показано состояние отдельных IGBT с цифрой 1 для “включенного” и 0 для “прерывающего”, причем каждый IGBT можно идентифицировать на основании соответствующего числового обозначения на фиг. 3; в десятом столбце находится соответствующее состояние переключения соответствующего клеммного напряжения UX; столбцы WC1 и WC2 предназначены для обозначения того, получают ли или отдают энергию накопительные конденсаторы 21 и 31, причем +1 соответствует получению, а -1 соответствует отдаче энергии.

Из таблицы на фиг. 6 можно видеть, что в состояниях переключения 2, 3 и 4 на соединительных клеммах Х1 и X2 всегда формируется положительное напряжение UX. Это справедливо независимо от направления клеммного тока. Так может, например, конденсаторное напряжение UCI или конденсаторное напряжение UC2 или сумма обоих конденсаторных напряжений UC1+UC2 формироваться на соединительных клеммах.

В состоянии переключения 5 все IGBT 231, 221, 331, 321, 441, 451, 461 находятся в их положении прерывания, так что протекание тока через IGBT 231, 221, 331, 321, 441, 451, 461 прерывается. В этом состоянии переключения клеммное напряжение UX независимо от полярности клеммного тока ix образует обратное напряжение, так что подмодуль 1 получает энергию.

При отрицательном направлении тока (направлении тока, противоположном направлению стрелки, обозначенному посредством ix) приближенно справедливо, из-за собственного симметрирования конденсаторных напряжений UC1 и UC2, что UX=-(UC1+UC2)/2. При положительном направлении тока (направлении тока, совпадающем с направлением стрелки, обозначенным посредством ix) формируется положительное обратное напряжение UX=UC1+UC2. При этом является выгодным, что возникающий ток проводится в этом состоянии переключения через оба конденсатора, так как тогда на них возникает перенапряжение более низкое, чем в случае, если бы получал энергию только один конденсатор.

Состояние 5 переключения может использоваться в случае неисправности для полного снижения тока. Если все подмодули 1 переводятся в это состояние переключения, то токи ветвей преобразователя 10 и, как следствие, также токи стороны переменного напряжения и постоянного напряжения, вследствие суммы обратных напряжений всех последовательно соединенных подмодулей 1 очень быстро спадут до нуля. Скорость этого уменьшения тока вытекает из вышеупомянутого обратного напряжения и суммарно существующих в цепях тока индуктивностей. В показанном примере выполнения она может быть порядка нескольких миллисекунд. Время нечувствительности до начала спадания тока в основном зависит от времени срабатывания переключающего блока 44. Если для переключающего блока 44 используется силовой полупроводниковый переключающий блок, это время нечувствительности пренебрежимо мало. Время нечувствительности определяется тогда по существу инерционностью различных измерительных датчиков и преобразователей тока, с помощью которых обнаруживается неисправность. Эта инерционность регистрации измеренных значений в настоящее время типично находится в диапазоне нескольких десятков микросекунд.

Следует отметить, что первые четыре состояния переключения также могут быть реализованы двумя каскадно-соединенными подмодулями из предшествующего уровня техники согласно фиг. 2. С помощью подмодуля, выполненного согласно публикации DE 10 2009 057 288 A1, могут быть реализованы первые пять состояний переключения.

В состоянии 6 переключения генерируется отрицательное клеммное напряжение UX подмодуля 1 при любом направлении тока.

В состоянии 7 переключения также генерируется отрицательное клеммное напряжение UX подмодуля 1 при любом направлении тока.

Кроме того, возможны дополнительные (избыточные) состояния 8 и 9 переключения, которые могут использоваться для более равномерного распределения потерь пропускания при UX=0.

На фиг. 4 показан второй пример выполнения подмодуля 1 в соответствии с изобретением. Идентичные и аналогичные элементы на фиг. 3, 4 и 5, соответственно, снабжены теми же ссылочными позициями. Поэтому во избежание повторений далее будут подробно обсуждаться только различия в отдельных формах выполнения.

Подмодуль 1 согласно фиг. 4 отличается от формы выполнения по фиг. 3 тем, что соединительные средства 4 на фиг. 4 содержат две переключающих ветви 431 и 432. Каждая из переключающих ветвей содержит силовой полупроводниковый переключающий блок 44.

Между переключающими ветвями 431 и 432 расположены соединительные линии 91 и 92 в качестве частей эмиттерных или коллекторных соединительных ветвей 41, 42. Особое преимущество формы выполнения, показанной на фиг.4, состоит в том, что соединительные линии 91, 92 в отношении их длины и индуктивности рассеяния некритичны для производительности в целом подмодуля 1. Таким образом, соединительные линии могут иметь длину, которая согласована с соответствующим применением. Структурно- и пространственно-разделенная или согласованная конструкция подмодуля 1 может иметь большое преимущество для производства и обслуживания.

На фиг. 5 схематично представлена третья форма выполнения соответствующего изобретению подмодуля 1. При этом эмиттерная соединительная ветвь соединительных средств 4 имеет две соединительные линии 92, а также два силовых полупроводниковых переключающих блока 45. Коллекторная соединительная ветвь соединительных средств 4 также имеет две соединительные линии 91, а также два силовых полупроводниковых переключающих блока 46.

Кроме того, соединительные средства 4 содержат четыре переключающие ветви 431, 432, 433 и 434, причем в каждой переключающей ветви расположен силовой полупроводниковый переключающий блок 44. Кроме того, соединительные средства 4 содержат ветвь 11 накопления энергии, в которой расположен третий накопитель 12 энергии, который образован в настоящем примере как однополярный накопительный конденсатор, на котором падает напряжение UC3.

Таблица ссылочных позиций

1 подмодуль

2 первый подблок

21 первый накопитель энергии

22, 23 силовой полупроводниковый переключающий блок

221, 231 силовой полупроводниковый прибор

222, 232 безынерционный диод

3 второй подблок

31 второй накопитель энергии

32, 33 силовой полупроводниковый переключающий блок

321, 331 силовой полупроводниковый прибор

322, 332 безынерционный диод

4 соединительные средства

41 эмиттерная соединительная ветвь

42 коллекторная соединительная ветвь

43, 431, 432 переключающая ветвь

433, 434 переключающая ветвь

44 переключающий блок

45, 46 силовой полупроводниковый переключающий блок

441, 451, 461 силовой полупроводниковый прибор

442, 452, 462 безынерционный диод

5 дроссель

6 накопитель энергии

7 силовой полупроводниковый переключающий блок

71, 72 безынерционный диод

73, 74 электронный переключатель

8 тиристор

91, 92 соединительная линия

10 преобразователь

101 силовой полупроводниковый вентиль

102 положительный полюсный вывод

103 отрицательный полюсный вывод

104, 105, 106 вывод постоянного напряжения

107, 108, 109 вывод постоянного напряжения

11 ветвь накопления энергии

12 третий накопитель энергии

L1, L2, L3 вывод переменного напряжения

Х1 вторая соединительная клемма

Х2 первая соединительная клемма.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для формирования преобразователя. Техническим результатом является уменьшение потерь мощности при коммутации за счет генерирования отрицательных напряжения для двухполярного тока. В модульном многоточечном вентильном преобразователе для высоких напряжений подмодуль (1) содержит первый подблок (2), который содержит первый накопитель (21) энергии, включенное параллельно первому накопителю энергии первое последовательное соединение двух силовых полупроводниковых переключающих блоков (22, 23), каждый из которых содержит подключаемый и отключаемый силовой полупроводниковый прибор с одинаковым направлением пропускания и каждый из которых является проводящим против упомянутого направления пропускания, и первую соединительную клемму (Х2), которая соединена с потенциальной точкой между силовыми полупроводниковыми переключающими блоками первого последовательного соединения. Кроме того, подмодуль (1) содержит второй подблок (3), который содержит второй накопитель (31) энергии, включенное параллельно второму накопителю энергии второе последовательное соединение двух силовых полупроводниковых переключающих блоков (32, 33), каждый из которых имеет подключаемый и отключаемый силовой полупроводниковый прибор с одинаковым направлением пропускания и каждый из которых является проводящим против упомянутого направления пропускания, и вторую соединительную клемму (Х1), которая соединена с потенциальной точкой между силовыми полупроводниковыми переключающими блоками второго последовательного соединения. Первый подблок (2) и второй подблок (3) соединены друг с другом с помощью соединительных средств (4). При этом соединительные средства (4) содержат эмиттерную соединительную ветвь (41), которая соединяет эмиттер первого силового полупроводникового переключающего блока первого последовательного соединения с эмиттером первого силового полупроводникового переключающего блока второго последовательного соединения, коллекторную соединительную ветвь (42), которая соединяет коллектор второго силового полупроводникового переключающего блока первого последовательного соединения с коллектором второго силового полупроводникового переключающего блока второго последовательного соединения, и переключающую ветвь (43), в которой расположен переключающий блок (44) и которая соединяет эмиттерную соединительную ветвь с коллекторной соединительной ветвью. Изобретение отличается тем, что в эмиттерной соединительной ветви (41) или в коллекторной соединительной ветви (42) расположен по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий блок (45, 46). 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Подмодуль (1) для формирования преобразователя (10) с первым подблоком (2), который содержит

- первый накопитель (21) энергии,

- включенное параллельно первому накопителю (21) энергии первое последовательное соединение двух силовых полупроводниковых переключающих блоков (22, 23), каждый из которых имеет подключаемый и отключаемый силовой полупроводниковый прибор (221, 231) с одинаковым направлением пропускания и каждый из которых является проводящим против упомянутого направления пропускания, и

- первую соединительную клемму (Х2), которая соединена с потенциальной точкой между силовыми полупроводниковыми переключающими блоками (22, 23) первого последовательного соединения, и

вторым подблоком (3), который содержит

- второй накопитель (31) энергии,

- включенное параллельно второму накопителю (31) энергии второе последовательное соединение двух силовых полупроводниковых переключающих блоков (32, 33), каждый их которых имеет подключаемый и отключаемый силовой полупроводниковый прибор (321, 331) с одинаковым направлением пропускания и каждый из которых является проводящим против упомянутого направления пропускания, и

- вторую соединительную клемму (Х1), которая соединена с потенциальной точкой между силовыми полупроводниковыми переключающими блоками (32, 33) второго последовательного соединения, причем

первый подблок (2) и второй подблок (3) соединены друг с другом с помощью соединительных средств (4), причем соединительные средства (4) содержат эмиттерную соединительную ветвь (41), которая соединяет эмиттер первого силового полупроводникового переключающего блока (23) первого последовательного соединения с эмиттером первого силового полупроводникового переключающего блока (33) второго последовательного соединения, и соединительные средства (4) содержат коллекторную соединительную ветвь (42), которая соединяет коллектор второго силового полупроводникового переключающего блока (22) первого последовательного соединения с коллектором второго силового полупроводникового переключающего блока (32) второго последовательного соединения, и соединительные средства (4) содержат переключающую ветвь (43), в которой расположен переключающий блок (44) и которая соединяет эмиттерную соединительную ветвь (41) с коллекторной соединительной ветвью (42),

отличающийся тем, что в эмиттерной соединительной ветви (41) или в коллекторной соединительной ветви (42) расположен по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий блок (45, 46).

2. Подмодуль (1) по п. 1, отличающийся тем, что в эмиттерной соединительной ветви (41) и в коллекторной соединительной ветви (42) расположен по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий блок (45, 46).

3. Подмодуль (1) по п. 2, отличающийся тем, что переключающая ветвь (43) соединяет эмиттер расположенного в коллекторной соединительной ветви (42) силового полупроводникового переключающего блока (45) с коллектором расположенного в эмиттерной соединительной ветви (41) силового полупроводникового переключающего блока (46).

4. Подмодуль (1) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что переключающий блок (44) представляет собой механический переключающий блок, полупроводниковый переключатель или силовой полупроводниковый переключающий блок.

5. Подмодуль (1) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в состоянии переключения подмодуля (1), в котором все силовые полупроводниковые переключающие блоки (22, 23, 32, 33, 44, 45, 46) находятся в своем положении прерывания, подмодуль (1) независимо от направления тока получает энергию.

6. Подмодуль (1) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что силовые полупроводниковые переключающие блоки (22, 23, 32, 33, 44, 45, 46) являются проводящими в обратном направлении, подключаемыми и отключаемыми силовыми полупроводниковыми переключателями.

7. Подмодуль (1) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что каждый силовой полупроводниковый переключающий блок (22, 23, 32, 33, 44, 45, 46) содержит подключаемый и отключаемый силовой полупроводниковый прибор (221, 231, 321, 331, 441, 451, 461), встречно-параллельно которому подключен безынерционный диод (222, 232, 322, 332, 442, 452, 462).

8. Подмодуль (1) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что каждый накопитель (21, 31) энергии является однополярным накопительным конденсатором.

9. Подмодуль (1) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что соединительные средства (4) имеют вторую переключающую ветвь, которая соединяет эмиттерную переключающую ветвь с коллекторной переключающей ветвью и в которой расположен силовой полупроводниковый переключающий блок.

10. Преобразователь (10) с последовательным соединением двухполюсных подмодулей (1), причем последовательное соединение подмодулей (1) расположено между выводом (L1, L2, L3) переменного напряжения и выводом (102, 103) постоянного напряжения преобразователя (10),

отличающийся тем, что каждый подмодуль (1) представляет собой подмодуль (1) по любому из пп. 1-9.