[发明专利]用于高压的变流器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于构成变流器的子模块，包括第一子单元和第二子单元，所述第一子单元具有第一储能器、与第一储能器并联连接的第一串联电路和第一接头端子，所述第一串联电路由两个功率半导体开关单元组成，该功率半导体开关单元分别具有导通方向相同的可接通和关断的功率半导体并且分别与所述导通方向相反地导电，所述第一接头端子与在第一串联电路的功率半导体开关单元之间的电位点相连，所述第二子单元具有第二储能器、与第二储能器并联的第二串联电路和第二接头端子，所述第二串联电路由两个功率半导体开关单元组成，该功率半导体开关单元分别具有导通方向相同的可接通和关断的功率半导体并且分别与所述导通方向相反地导电，所述第二接头端子与在第二串联电路的功率半导体开关单元之间的电位点相连。

本发明还涉及一种例如用于高压应用的变流器，具有功率半导体整流器，其分别在交流电压接头和直流电压接头之间延伸并且构成桥式电路，其中每个功率半导体整流器具有双极子模块的串联电路并且每个子模块具有至少一个储能器和至少一个功率半导体电路。

背景技术

这样的子模块和这样的变流器已经从DE 101 03 031 A1中公知。在那里描述的变流器具有在桥式电路中互相连接的功率半导体整流器。这些功率半导体整流器中的每一个具有用于连接交流电网的一相的交流电压接头和可以与直流中间电路的一极相连的直流电压接头。在此每个功率半导体整流器由双极子模块的串联电路组成，所述双极子模块分别具有单极存储电容器以及与存储电容器并联的功率半导体电路。功率半导体电路由同向的可接通和关断的功率半导体开关的串联电路组成，例如IGBT或GTO，续流二极管与其分别反向并联连接。每个子模块的两个接头端子中的一个与存储电容器相连接，并且另一个接头端子与在两个可接通和关断的功率半导体开关之间的电位点相连接。根据两个可控功率半导体开关的开关状态，要么是在存储电容器上降落的电容器电压要么是零电压可以被施加在子模块的两个输出端子上。由于功率半导体整流器内部的子模块的串联电路，提供了施加所谓的直流电压的多级变流器，其中电压级的级别通过各自的电容器电压的级别来规定。多级或多点变流器相对于具有中央电容器电池的两极或三级变流器来说具有如下优点：避免了在变流器的直流电压侧短路时的高的放电电流。此外在多级变流器的情况下相对于两点或三点变流器来说降低了在对谐波进行滤波的情况下的开销。

多点变流器优选地还适合于构造空间上伸展分支的直流电网，其特别在所谓的离岸风电场（Off-Shore-Windpark）中并且结合在沙漠地带的太阳能发电网是必须的。

但是在这些范围中应用变流器的一个重要条件是可靠控制在直流电网中的短路。对于能够在负载情况下接通高的错误电流的极高的直流电压，便宜的机械开关由于基本的物理问题而不可用。技术上可实现的关断时间和机械开关的开关过电压也是干扰的。

EP 0 867 998 B1描述了高压直流传输系统的直流电压中间电路中电子功率半导体开关的使用。但是在数百千伏的直流电压情况下采用功率半导体开关附带有如下缺陷：高压使得需要大量的串联连接的功率半导体。由此在这些组件上也具有高的导通损耗。此外必须与功率半导体并联地提供过压限制器，由此附加地提高了开销。过压限制器通常不具有理想的限制特征曲线，从而串联连接的功率半导体的数量还需构造为比额定电压实际上所需的更高。通过这个过高的尺寸，导通损耗还要进一步上升。

WO 2008/067786 A1描述了具有子模块的串联电路的多级变流器，其中每个子模块除了电容器之外与功率半导体电路并联地具有晶闸管。晶闸管与功率半导体电路的续流二极管并联，该续流二极管在故障情况下引导整个短路电流。在短路情况下触发并联的晶闸管，从而卸载续流二极管。

除了上面提到的在电能传输和电能分配领域中的应用之外，施加直流电压的多点变流器当然还突出地适合于在传动技术领域中的应用。

开头提到的多点或多级变流器具有如下缺陷：经过变流器的短路电流在没有附加措施的情况下在两个方向上不能得到限制，从而变流器的半导体和外部组件在短路电路中被损坏或毁坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种子模块和开头提到的类型的变流器，利用其可以有效限制在故障情况下出现的短路电流并且能够可靠避免设备损坏。此外可以使得直流电网的出故障的片段尽可能快速地断电并且以这种方式与其余的直流电网隔离。

最后在变流器的直流电压侧的短路情况下，应当尽可能小地影响其交流电压侧的电流并且避免交流电压侧的机械开关的触发。