[发明专利]用于保护可控电源开关的电路和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于保护可控电源开关、并且特别是包括在用于将DC电压转换成AC电压的转换器模块部中的电源开关的电路和方法。此外，本发明涉及一种用于将DC电压转换成AC电压、特别是将在诸如风力涡轮机场的发电厂中使用的转换器模块。

背景技术

为了向公用电力网提供电能，发电厂可以包括用于将可变频率功率信号（或电压或电流）转换成固定频率（例如50 Hz或60 Hz）AC信号（或电压或电流）的一个或多个转换器模块（也称为逆变器模块）。在典型转换器模块中，可以首先使用许多功率晶体管将可变频率AC功率信号转换成DC信号（或电压或电流）。此外，可以随后使用一个或多个（特别地，针对两级三相逆变器为六个）功率晶体管将DC信号（或电压或电流）转换成固定频率AC信号（或电压或电流）—基本示例参见图6。

可以由相应的控制电路关于其传导性来控制被连接到DC信号（或电压或电流）（也称为DC链路）的功率晶体管，以便在转换器模块的三个输出端子处递送三相AC信号（或电压或电流）。特别地，可以将转换器模块实现为电半导体功率转换单元。

可以知道功率转换单元中的功率半导体在关断过渡（transition）期间被暴露于感应过电压。请注意，由于开关功率电路中的不可避免的阻抗，这种现象可以不限于图6所示的逆变器拓扑结构，而是其可能是开关转换器领域中普遍认识到的问题。

该问题的本质可以是：关断功率半导体器件可以通过逆变器功率电路的漏电感生成在微秒至亚微秒时域内的瞬时过电压。如果不加控制，此过电压可能导致功率半导体器件的击穿，其随后可能导致功率半导体器件的灾难性故障。控制此功率半导体关断相关过电压的技术包括连接在（例如）IGBT器件（作为功率半导体器件的示例）的（比如说）集电极和栅极之间的齐纳或transil型二极管的使用。

然后注意逆变器模块中的功率半导体器件的应用条件（或者特别是逆变器模块的有源（active）整流器操作模式），如果来自感应馈送ac端子的功率流和关联电流被终止，则为了使在被连接到逆变器（在有源整流器模式下操作）的ac端子的馈送电感器中电流为零（例如直接驱动风力涡轮机的示例中的永磁发电机的漏电感），则必须向漏电感施加足够的伏秒（按照文本描述，重置伏秒）。在重置发生的所有时间，正在从漏电感向在有源整流模式下操作的逆变器的DC链路电路传递能量。还进一步从发电机的轴接收能量（并且在从涡轮机的叶片和风接收能量之前），其是重置时段期间的发电机的反电动势（电磁力）和重置时段期间的发电机电流波形的函数。在典型方案中，使发电机的漏电感中的电流重置至零的时间将约为10 ms－20 ms，并且在此事件期间大量的能量被从发电机传递至DC链路。

如果，在典型的风力涡轮机功率转换器中，DC链路被连接到网络逆变器以进一步处理从永磁发电机接收到的功率并将其传递至供电网或电力网，则DC链路电压不会显著地上升，除与功率半导体器件的关闭相关联的最初比如说1 μs电压尖峰之外。

然而，如果关断发电机桥接器的功率半导体器件的原因是由于作为此能量的接收机的网络的不可用性，则在关断事件（在发电机中使漏电感电流重置至零）期间从发电机接收到的能量可以对DC链路电容充电。根据DC链路电容的大小标注，最终的DC链路电压可以显著地超过在功率半导体器件的关断期间控制过电压所需的齐纳或transil钳位（clamp）网络的操作阈值。如果未包括对策，则齐纳或transil钳位网络将导致对整个逆变器系统造成灾难性损坏，因为齐纳或transil钳位网络将迫使功率半导体进入导通状态并使功率半导体器件暴露于远远超过其耗散能力的能量。

特别地，直接驱动永磁发电机与相同额定值的感应机器相比一般可以以高漏电感为特征。在某些故障场景期间，存储在该漏电感中的能量的量可能由于非常高的电流而变得非常高。当此能量随后被传递至DC链路电容器（其可以表示储能元件）时，DC链路电压可以上升至高电平。在某些最坏情况场景中，DC链路电压可以显著地上升至钳位电平之上，并且最后钳位方案变成威胁而不是保护机制，因为半导体随后将耗散超过其能力的能量且可能被损坏。

因此，特别是在转换器模块的DC链路处发生的过电压可能对包括在转换器模块中的部件、特别是功率晶体管是有损害的。从而，功率晶体管或者一般地可控开关可能由于过电压而被毁坏。

为了管理此问题，描述了本发明的有条件有源钳位电路。