[发明专利]在电压中间电路变流器中用于控制直流侧的短路的半导体保护元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于转换电流的装置，具有至少一个相模块，该相模块具 有交流电压接头和至少一个直流电压接头，其中，在每个直流电压接头和每个 交流电压接头之间形成一个相模块支路，并且其中，每个相模块支路具有由子 模块组成的串联电路，这些子模块分别具有至少一个功率半导体。

背景技术

这样的装置在DE10103031A1中已经公开。在那里描述了一种经典的电压 中间电路变流器以及一种具有分布的能量存储器的电压中间电路变流器。具有 分布的或划分的能量存储器并且具有转换分级的电压的能力的电压中间电路变 流器也被称为多级变流器。所描述的电压中间电路变流器被设置来连接到多相 的交流电网，其中变流器经过直流电压电路与第二变流器相连。第二变流器在 交流电压侧连接到另一个单相或多相交流电网或者连接到待驱动的负载。对于 要连接的交流电网的每一相，该变流器具有相模块，该相模块具有用于连接交 流电网的相的交流电压接头和两个直流电压接头。在每个直流电压接头和交流 电压接头之间延伸一条相模块支路，该相模块支路为了获得高的电压由可关断 功率半导体的串联电路组成。可关断功率半导体例如是所谓的IGBT、GTO或 者IGCT。在此，与每个可关断功率半导体反向并联连接一个空程二极管。在 经典的电压中间电路变流器情况下在直流电压中间电路中设置了中央电容器作 为能量存储器。

但是，根据DE10103031A1还可以将电容分配到串联连接的子模块上，来 替代中央能量存储器。这样，所述子模块分别具有与功率半导体并联的电容器。 功率半导体包括可关断功率半导体和与可关断功率半导体反并联连接的空程二 极管。由此，变流器的每个相模块支路由具有自身能量存储器的子模块的串联 电路组成。

在已经公知的电压中间电路变流器中在直流电压回路中发生短路情况下 在变流器中产生高的故障电流，该故障电流主要通过电感、即例如通过交流电 压侧设置在相模块上的线圈来限制。在短路时产生的故障电流通过电网电压驱 动并且通常通过断开将交流电压与变流器分离的断路器来中断。但是到断开断 路器时某些半导体结构已经不可逆转地被损坏或毁坏。为了避免功率半导体和 特别是空程二极管的毁坏，迄今为止超尺寸地设置二极管，使得即使经过较长 的时间也能够经受预计的短路电流。

但是这样的解决方案没有产生满意的结果并且还是成本高的。此外，市场 上通常共同地、例如在共同的外壳内提供可关断功率半导体和空程二极管，从 而空程二极管的超尺寸使得需要单独地和成本高地制造功率半导体。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开头部分提到种类的装 置，该装置即使经过较长的时间也能够经受高的短路电流。

上述技术问题是通过与至少一个功率半导体并联和/或串联连接的半导体 保护装置解决的。

按照本发明设置一个或多个用于保护功率半导体的组件。这些组件被包括 于半导体保护装置的概念中。这样的组件例如是与功率半导体并联连接的单元。 然而，半导体保护装置还包括设置用于限制通过相模块支路的电流的电流限制 装置。在此，功率半导体的概念既包括可关断功率半导体，即IGBT、GTO、IGCT 等，也包括通常与可关断功率半导体并联连接的空程二极管。

每个子模块合适地具有至少一个并联连接了反向空程二极管的可关断功 率半导体，其中半导体保护装置包括与反向空程二极管并联连接的保护元件。

优选地，保护元件是具有与预期的短路电流匹配的载流能力的另一个空程 二极管。按照该优选扩展，与实际的空程二极管并联连接一个附加的空程二极 管。因此，在短路情况下的电流由两个空程二极管来承担。与已经集成的空程 二极管相比，如下地设置用作保护元件的空程二极管的静态正向特性曲线，使 得保护元件在故障情况下承担故障电流的主要部分并且由此集成的空程二极管 被卸载。此外，作为保护元件起作用的空程二极管的冲击电流能力与预期的负 载匹配。在正常运行中流过各个相模块支路的电流分布在集成的空程二极管上 和作为保护元件起作用的空程二极管上，其中所述分布取决于两个空程二极管 的静态正向特性曲线。由此在正常运行中在电流换向情况下也加载两个空程二 极管，因此作为保护元件起作用的空程二极管具有针对特殊的断开特性的要求。