[发明专利]具有冗余开关单元的电压源换流器的经由烟火式闭合的机械开关的故障防护

说明书

技术领域和背景技术

本发明涉及如下的电压源换流器，该电压源换流器具有至少一个相臂，该至少一个相臂连接到换流器的直流电压侧的相对极并且包括开关组件的串联连接，每个开关组件具有承载多个半导体芯片的导电板部件，每个半导体芯片至少具有关断型半导体器件以及与关断型半导体器件并联连接的续流二极管，所述芯片通过如下方式彼此并联连接：每个所述芯片由独立的导体部件连接到开关组件的所述串联连接的相邻开关组件的所述板部件，所述串联连接的中点形成如下的相输出：该相输出被配置为连接到换流器的交流电压侧，并且该相输出被配置为将相臂分为上阀分支(valve branch)和下阀分支。

这样的换流器包括有任意数量的所述相臂，但是这些换流器通常具有三个这样的相臂以用于在换流器的交流电压侧具有三相交流电压。

此外，要指出的是，本发明并不局限于任何类型的电压源换流器，但是本发明包括例如通过例如DE 101 03 031 A1和WO 2007/023064 A1而已知的类型的电压源换流器，上述已知类型的电压源换流器通常被称为模块化多电平换流器(M2LC)的多单元换流器、以及具有电流阀的二电平换流器，其中，电流阀被控制用于将所述极中之一可替换地连接到所述相输出和NPC(中性点钳位式)换流器。

这种类型的电压源换流器可以使用于如下各种情况中，在这些情况中直流电压要被转换为交流电压和交流电压要被转换为直流电压，其中，这种使用的示例是在HVDC(高压直流)设施(plant)的站(station)中，其中直流电压通常被转换为三相交流电压或者三相交流电压被转换为直流电压；或者在所谓的背靠背站中，其中交流电压首先被转换为直流电压然后该直流电压又被转换为交流电压；以及在SVC(静止无功补偿器)中，其中直流电压侧包括自由悬挂的电容器。然而，本发明并不局限于这些应用，其他的应用(诸如应用于机器、车辆等的不同类型的驱动系统)也是可想到的。

由此，本发明并不局限于换流器的直流电压侧的所述相对极之间的任何特定的电压电平，但是，这些电平应该是非常高以使得相当大数量的开关组件要被串联连接以用于使得这些开关组件可以在所述半导体器件的阻塞状态下一起保持所述电压。

这些半导体器件大部分是IGBT(绝缘栅双极晶体管)，但是任何类型的相似的关断型半导体器件是可以想到的。然而，为了阐明本发明但不以任何方式限制本发明，以下将主要讨论以IGBT作为所述半导体芯片中的半导体器件的情况。

这种电压源换流器中的开关组件具有多个并联连接的所述半导体芯片，所述半导体芯片的IGBT被同时控制以处于传导状态或者阻塞状态并当IGBT处于传导状态时共享通过开关组件的电流。如果一个IGBT发生故障，必须要确保电压源换流器的连续工作。在这种类型的电压源换流器中，额外的开关组件——即比在所述两极之间用于保持要被保持的电压从而用于承受该电压所需的开关组件多的开关组件——设置在所述开关组件的串联连接中，以使得即使开关组件中的一个停止起作用，只要这不阻碍穿过换流器的电流，这就不会构成任何问题。

一种类型的电压源换流器具有如下的独立导体部件，所述独立导体部件以粘合漆包线的形式将相应半导体芯片连接到所述板部件，在这种芯片的一个IGBT中发生短路的情况下，通过开关组件的所有电流将流过该芯片且连接到该芯片的粘合漆包线将烧穿，然后电流将跳转至与该半导体芯片并联的另一个半导体芯片。当开关组件的所有的半导体芯片都以这种方式被毁坏时，就需要停止电压源换流器的工作，并且需要对发生故障的开关组件进行替换。

还已知的是：通过所谓的压接式封装技术(press pack technique)来确保串联连接的开关组件之间的连接，这意味着在所述板部件和每个独立的半导体芯片之间设置压缩弹簧，并且在该情况下所述至少一个独立的导体部件由相对细的软导体所构成，然而，这些软导体被设计用于耐受流过发生故障的IGBT的短路电流。然而，在一段时间之后，通过IGBT的电流通路将由于其上的温度限制而被中断并且转移到与之并联连接的另一个半导体芯片。在这种类型的开关组件的串联连接的情况下，会需要可接受的长时间才会出现以下情况：开关组件的所有半导体芯片都被破坏并且换流器的工作必须停止，这是因为对允许通过换流器的电流的大小进行了选择以使得上述情况将需要许多年才会出现。

然而，会希望将电流明显增大以用于增加通过电压源换流器可传递的功率，开关组件在一个IGBT短路之后直到需要停止换流器的工作为止的寿命会显著地缩短，并且在该情况下会有非常强的期望来在该开关组件上可靠地产生永久的短路以用于避免出现所述的停止工作的情况。