RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 368 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 08.12.06 06828680.6 (13) (1) T3 Int.Cl. H02M 7/49 (07.01) H02H 7/122 (06.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 07.09.11 Europejski Biuletyn Patentowy 11/36 EP 368 B1 (4) Tytuł wynalazku: Półprzewodnikowe elementy ochronne do opanowania zwarć po stronie DC przetwornic z obwodem pośrednim napięcia () Pierwszeństwo: (43) Zgłoszenie ogłoszono: 16.09.09 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 09/38 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: 29.02.12 Wiadomości Urzędu Patentowego 12/02 (73) Uprawniony z patentu: Siemens Aktiengesellschaft, München, DE (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP 368 T3 MIKE DOMMASCHK, Guteborn, DE JÖRG DORN, Buttenheim, DE INGO EULER, Erlangen, DE JÖRG LANG, Stadtsteinach, DE QUOC-BUU TU, Rosstal, DE KLAUS WÜRFLINGER, Nürnberg, DE (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Józef Własienko POLSERVICE KANCELARIA RZECZNIKÓW PATENTOWYCH SP. Z O.O. ul. Bluszczańska 73 00-712 Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
- 2 - Opis 1 2 [0001] Wynalazek dotyczy urządzenia, do przekształcenia prądu elektrycznego, z co najmniej jednym modułem fazowym, który ma przyłącze napięcia zmiennego oraz co najmniej jedno przyłącze napięcia stałego, przy czym między każdym przyłączem napięcia stałego oraz każdym przyłączem napięcia zmiennego jest ukształtowana gałąź modułu fazowego i przy czym każda gałąź modułu fazowego dysponuje połączeniem szeregowym submodułów, z których każdy ma co najmniej jeden półprzewodnik mocy. [0002] Takie urządzenie jest już znane z dokumentu DE 1 03 031 A1. Jest tam opisana zarówno klasyczna przetwornica z obwodem pośrednim napięcia oraz przetwornica z obwodem pośrednim napięcia z rozdzielonymi zasobnikami energii. Przetwornice z obwodem pośrednim napięcia z rozdzielonymi lub podzielonymi zasobnikami energii oraz z możliwością, aby przełączać stopniowane napięcia, są również określane jako przetwornice wielopoziomowe. Opisana przetwornica z obwodem pośrednim napięcia jest przewidziana do podłączenia do wielofazowej sieci napięcia zmiennego, przy czym przetwornica jest przez obwód napięcia stałego połączona z drugą przetwornicą. Druga przetwornica jest po stronie napięcia zmiennego przyłączona do kolejnej jedno- lub wielofazowej sieci napięcia zmiennego lub do obciążenia, które ma być zasilane. Dla każdej fazy sieci przeznaczonej do przyłączenia przetwornica ma moduł fazowy, który ma przyłącze napięcia zmiennego do przyłączenia fazy sieci napięcia zmiennego oraz dwa przyłącza napięcia stałego. Między każdym przyłączem napięcia stałego i przyłączem napięcia zmiennego rozciągają się gałęzie modułu fazowego,
- 3-1 2 które w celu wytworzenia wysokich napięć składają się z szeregowego połączenia wyłączalnych półprzewodników mocy. W przypadku wyłączalnych półprzewodników mocy chodzi przykładowo o tak zwane IGBT, GTO lub IGCT. Jest przy tym do każdego wyłączalnego półprzewodnika mocy przyłączona równolegle i zaporowo dioda gasząca. W klasycznej przetwornicy z obwodem pośrednim napięcia jest w obwodzie pośrednim napięcia stałego przewidziany kondensator jako centralny zasobnik energii. [0003] Zamiast centralnego zasobnika energii jest jednak według dokumentu DE 1 03 031 A1 również możliwe, aby podzielić pojemności na połączone w szereg submoduły. Wspomniane submoduły mają wtedy po jednym kondensatorze połączonym równolegle do półprzewodników mocy. Półprzewodniki mocy obejmują wyłączalne półprzewodniki mocy i diody gaszące, które są przyłączone antyrównolegle do wyłączalnych półprzewodnikowych elementów mocy. Każda gałąź modułu fazowego przetwornicy składa się tym samym z połączenia szeregowego submodułów z własnymi zasobnikami energii. [0004] W już znanych przetwornicach z obwodem pośrednim napięcia występują w przypadku zwarcia w obwodzie napięcia stałego wysokie prądy uszkodzeniowe w przetwornicy, które są zasadniczo ograniczane przez indukcyjność, a więc przykładowo przez uzwojenie umieszczone po stronie napięcia zmiennego przy modułach fazowych. Występujący podczas zwarcia prąd uszkodzeniowy jest zasilany przez napięcie sieciowe i jest zazwyczaj przerywany przez otwarcie wyłącznika, który oddziela napięcie zmienne od przetwornicy. Określone konstrukcje półprzewodnikowe mogą jednak do otwarcia wyłącznika zostać nieodwracalnie
- 4-1 2 uszkodzone lub zniszczone. Aby zapobiec zniszczeniu półprzewodnikowych elementów mocy i w szczególności diod gaszących, diody były dotychczas wykonywane jako przewymiarowane, aby móc wytrzymać przewidywany prąd zwarcia również przez dłuższy czas trwania. Takie rozwiązanie nie doprowadziło jednak do zadowalających rozwiązań i jest ponadto kosztowne. Poza tym wyłączalne półprzewodnikowe elementy mocy i diody gaszące są na rynku oferowane zazwyczaj wspólnie, przykładowo we wspólnej obudowie, tak że przewymiarowanie diod gaszących wymaga osobnego i kosztownego wytwarzania półprzewodników mocy. [000] Dokument DE 3 23 2 A1 opisuje przetwornicę z obwodem pośrednim napięcia, na której wejściu jest napięcie zmienne. Ta przetwornica ma gałęzie modułu fazowego, które składają się z połączonych szeregowo submodułów. Gałęzie modułów fazowych są ze sobą połączone przez transformator średniej częstotliwości. Każdy submoduł dysponuje zasobnikiem energii, do którego jest przyłączone równolegle przełączanie przełączników półprzewodników mocy. Zasobnik energii oraz układ półprzewodników mocy tworzą tak zwany układ pełnomostkowy. Aby w przypadku awarii jednego z półprzewodników mocy zapewnić zwarcie submodułu, proponuje się, aby do zasobnika energii przyłączyć równolegle co najmniej jeden elektroniczny element półprzewodnikowy. [0006] Dokument DE 3 33 798 A1 opisuje sposób przeprowadzenia zwarcia takiej przetwornicy z obwodem pośrednim napięcia, przy czym zwarcie następuje przez celowe sterowanie przełączników półprzewodników mocy. [0007] Celem wynalazku jest zatem dostarczenie urządzenia opisanego na wstępie rodzaju, które może wytrzymać również wysokie prądy zwarcia przez wystarczający okres czasu.
- - 1 2 [0008] Wynalazek osiąga ten cel przez półprzewodnikowe środki ochronne połączone równolegle i/lub szeregowo z co najmniej jednym z półprzewodników mocy, przy czym każdy submoduł ma wyłączalny półprzewodnik mocy, do którego jest przyłączona równolegle zaporowo dioda gasząca, przy czym półprzewodnikowe środki ochronne zawierają element ochronny, który jest połączony równolegle do zaporowej diody gaszącej. [0009] Zgodnie z wynalazkiem przewidziany jest jeden lub wiele elementów do ochrony półprzewodników mocy. Te elementy określa się pojęciem półprzewodnikowy środek ochronny. Taki elementem jest przykładowo jednostka w połączeniu równoległym względem jednego z półprzewodników mocy. Ponadto półprzewodnikowe środki ochronne obejmują również środki ograniczające prąd, które są zainstalowane do ograniczania przepływu prądu przez gałęzie modułu fazowego. Pojęcie półprzewodnik mocy obejmuje tutaj zarówno wyłączalne półprzewodniki mocy, a więc IGBT, GTO, IGCT lub tym podobne, jak też przyłączone zazwyczaj równolegle do wyłączalnych półprzewodników mocy diody gaszące. [00] Zgodnie z wynalazkiem każdy submoduł ma co najmniej jeden wyłączalny półprzewodnik mocy, do którego jest przyłączona równolegle i zaporowo dioda gasząca, przy czym półprzewodnikowe środki ochronne zawierają element ochronny, który jest przyłączony równolegle do zaporowej diody gaszącej. W ten sposób chroniona dioda gasząca nie jest już w przypadku zwarcia w obwodzie napięcia stałego poddawana działaniu całego prądu zwarcia. [0011] Elementem ochronnym jest korzystnie kolejna dioda gasząca, która ma przepustowość prądu dopasowaną do spodziewanego prądu zwarcia. Zgodnie z tym korzystnym
- 6-1 2 rozwinięciem do właściwej diody gaszącej jest przyłączana równolegle dodatkowa dioda gasząca. Przepływ prądu w przypadku zwarcia jest odtąd przejmowany przez obydwie diody gaszące. Statyczna charakterystyka przewodzenia diody gaszącej służącej jako element ochronny jest w stosunku do już zintegrowanej diody gaszącej nastawiona tak, że element ochronny w przypadku awarii przejmuje zasadniczy udział prądu uszkodzeniowego i tym samym odciąża zintegrowaną diodę gaszącą. Poza tym zdolność przewodzenia prądu udarowego działającej jako element ochronny diody gaszącej jest dopasowana do spodziewanych obciążeń. W normalnej pracy prąd płynący przez daną gałąź modułu fazowego dzieli się na zintegrowaną diodę gaszącą oraz na diodę gaszącą działającą jako element ochronny, przy czym wspomniany podział jest zależny od statycznej charakterystyki przewodzenia obydwu diod gaszących. Tym samym przy przyłączaniu prądu podczas normalnej pracy są też obciążane obydwie diody gaszące, dlatego dioda gasząca działająca jako element ochronny spełnia wymagania odnośnie specyfikowanego zachowania podczas wyłączania. [0012] W odbiegającym od tego przykładzie wykonania wynalazku elementem ochronnym jest tyrystor. Jest on w normalnej pracy wyłączony, tak że przepływ prądu przez tyrystor jest niemożliwy. Przez czujnik napięcia lub prądu w obwodzie napięcia stałego, na przyłączu prądu zmiennego, lub przez pomiar prądu gałęzi przez gałąź modułu fazowego może zostać wykryte zwarcie. Sposób i metoda stwierdzenia zwarcia jest jednak w ramach wynalazku dowolny. W ukształtowaniu wynalazku jeden ze wspomnianych czujników pomiarowych jest połączony z jednostką analizującą, która na podstawie zaimplementowanej w niej logiki stwierdza
- 7-1 2 przypadek zwarcia i następnie wytwarza sygnał do zapłonu tyrystora lub tyrystorów. W tym celu jednostka analizująca przykładowo porównuje zmierzony prąd z prądem progowym i stwierdza przy dłuższym przekraczaniu prądu progowego przypadek zwarcia. Następnie w czasie o rzędzie wielkości mikrosekund wyłączalne półprzewodniki mocy są przeprowadzane w położenie zablokowania. Prąd zwarcia może wtedy płynąć tylko przez połączone równolegle diody gaszące. Przez następujący potem sygnał jednostki analizującej tyrystor jest przeprowadzany z jego położenia blokowania w jego położenie przewodzenia, w którym jest możliwy przepływ prądu przez tyrystor. Dlatego też, prąd zwarcia płynie wtedy zarówno przez tyrystor, jak i przez zintegrowaną diodę gaszącą. Statyczna charakterystyka przewodzenia tyrystora jest ukształtowana tak, że przejmuje on zasadniczy udział prądu zwarcia wynikającego z awarii, tak że zintegrowana dioda gasząca jest odciążona. Okresowe przełączanie wyłączalnych półprzewodników mocy, które znajdują się równolegle do działającego jako element ochronny tyrystora, podczas normalnej pracy nie może prowadzić do niepożądanego zapłonu tyrystora. Samozapłon tyrystora zostałby przykładowo wyzwolony przez za wysoką stromość napięcia. Tyrystor musi zatem dysponować wystarczającą tak zwaną zdolnością du/dt. [0013] Korzystnie półprzewodnikowe środki ochronne zawierają indukcyjności, które są umieszczone w każdym module fazowym. Umieszczenie indukcyjności wewnątrz modułu fazowego jest zasadniczo dowolne. Zatem, przykładowo, każdy moduł fazowy jest połączony przez indukcyjności z jednym albo z każdym z przyłączy napięcia stałego. Indukcyjność jest przy tym częścią modułu fazowego.
- 8-1 2 [0014] Indukcyjności są korzystnie umieszczone między połączeniem szeregowym submodułów oraz przyłączem napięcia zmiennego. Tym samym każda gałąź modułu fazowego jest za pomocą indukcyjności połączona z przyłączem napięcia zmiennego. Indukcyjności gałęzi modułu fazowego tego samego modułu fazowego są więc umieszczone jako sąsiadujące względem siebie, przy czym przyłącze napięcia zmiennego jest umieszczone między indukcyjnościami. Dlatego też, indukcyjności mogą być również sprzężone ze sobą indukcyjnie, przez co całkowita indukcyjność dla prądów okrężnych między modułami fazowymi i udziałem prądu stałego prądu gałęzi jest zwiększona i pojedyncze indukcyjności mogą z oszczędnością kosztów zostać wykonane jako mniejsze, gdy prądy okrężne są miarodajne dla wymiarowania. [001] W kolejnym przykładzie wykonania wynalazku półprzewodnikowe środki ochronne zawierają indukcyjności, które są umieszczone w submodułach. Każdy submoduł ma przy tym przykładowo jedną indukcyjność. Odmiennie od tego tylko jeden submoduł lub kilka submodułów ma indukcyjność. Indukcyjności są zgodnie z tą odmianą wynalazku umieszczone oddzielnie w module fazowym. [0016] Ostatecznie, w ramach wynalazku możliwe jest, że półprzewodnikowe środki ochronne zawierają indukcyjności, które są umieszczone w obwodzie napięcia stałego. Indukcyjności są przy tym umieszczone w bezpośredniej bliskości fizycznej modułów fazowych, tak że prąd uszkodzeniowy, który został wywołany przez zwarcie w obwodzie pośrednim napięcia stałego, jest zmuszony, aby przepłynąć przez indukcyjności obwodu prądu stałego. [0017] Półprzewodnikowe środki ochronne zawierają w sposób celowy indukcyjności, które są umieszczone po stronie prądu
- 9-1 2 zmiennego modułów fazowych. W kolejnym wariancie półprzewodnikowe środki ochronne zawierają uzwojenia transformatorów. Uzwojenia transformatorów są wyposażone w indukcyjność rozproszenia wystarczającą do efektywnego ograniczenia prądu. [0018] Każdy submoduł ma korzystnie pierwszy zacisk przyłączeniowy, drugi zacisk przyłączeniowy, zasobnik energii oraz zawiera dwa połączone szeregowo wyłączalne półprzewodniki mocy tworzące gałąź półprzewodników mocy w połączeniu równoległym do zasobnika energii, przy czym do każdego wyłączalnego półprzewodnika mocy jest przyłączona równolegle zaporowa dioda gasząca oraz punkt połączenia emitera pierwszego wyłączalnego półprzewodnika mocy gałęzi półprzewodników mocy oraz anody przyporządkowanej do pierwszego półprzewodnika mocy zaporowej diody gaszącej tworzy pierwszy zacisk przyłączeniowy, a punkt połączenia wyłączalnego półprzewodnika mocy gałęzi półprzewodników mocy oraz diody gaszącej tworzy drugi zacisk przyłączeniowy. [0019] Odmiennie od tego, każdy submoduł ma pierwszy zacisk przyłączeniowy, drugi zacisk przyłączeniowy, zasobnik energii oraz zawierającą dwa połączone szeregowo wyłączalne półprzewodniki mocy gałąź półprzewodników mocy w połączeniu równoległym do zasobnika energii, przy czym do każdego wyłączalnego półprzewodnika mocy jest równolegle przyłączona zaporowa dioda gasząca i połączenie kolektora pierwszego wyłączalnego półprzewodnika mocy gałęzi półprzewodników mocy oraz katody przyporządkowanej do pierwszego wyłączalnego półprzewodnika mocy zaporowej diody gaszącej tworzy pierwszy zacisk przyłączeniowy a punkt połączenia wyłączalnego półprzewodnika mocy gałęzi
- - 1 2 półprzewodników mocy oraz diod gaszących tworzy drugi zacisk przyłączeniowy. [00] Wynalazek dotyczy również sposobu ochrony półprzewodników mocy takiego urządzenia, w którym zwarcie jest po stronie napięcia stałego modułu fazowego rejestrowane przez czujniki pomiarowe, po zarejestrowaniu prądu zwarcia, wyłączalne półprzewodniki mocy są przeprowadzane w ich położenie rozłączenia, a następnie tyrystor jako półprzewodnikowy element ochronny jest przeprowadzany w jego położenie przewodzenia. [0021] Dalsze celowe ukształtowania i zalety wynalazku są przedmiotem poniższego opisu przykładów wykonania z odniesieniem się do Figur rysunku, przy czym jednakowe oznaczenia odsyłające wskazują na identycznie działające części, i przy czym Figura 1 przedstawia schematycznie przykład wykonania urządzenia według wynalazku z pokazaniem ścieżki prądu uszkodzeniowego w przypadku zwarcia, Figura 2 przedstawia moduł fazowy przykładu wykonania urządzenia według wynalazku z tak zwaną topologią dwupunktową, Figura 3 przedstawia moduł fazowy przykładu wykonania urządzenia według wynalazku z tak zwaną topologią wielopoziomową oraz Figura 4 przedstawia obraz zastępczy submodułu modułu fazowego według Figury 3. [0022] Figura 1 przedstawia w sposób schematyczny przykład wykonania urządzenia 1 według wynalazku. Przedstawione urządzenie ma trzy moduły fazowe 2a, 2b i 2c, z których każdy może zostać połączony z jedną fazą sieci 7 prądu
- 11-1 2 zmiennego. W tym celu, każdy moduł fazowy 2a, 2b i 2c ma przyłącze 3 prądu zmiennego. Poza tym każdy moduł fazowy 2a,2b,2c ma dodatnie przyłącze p prądu stałego oraz ujemne przyłącze n prądu stałego, które jest połączone z biegunem dodatnim obwodu pośredniego prądu stałego względnie z biegunem ujemnym obwodu pośredniego prądu stałego. [0023] Moduły fazowe 2a,2b,2c każdorazowo mają po dwie gałęzie modułu fazowego, które rozciągają się każdorazowo między przyłączem 3 prądu zmiennego oraz jednym z przyłączy p względnie n prądu stałego. W sumie w przedstawionym przykładzie wykonania jest przewidzianych sześć gałęzi modułów fazowych. Każda gałąź modułu fazowego ma połączenie szeregowe submodułów z wyłączalnymi półprzewodnikami mocy. [0024] Przyłącze do przedstawionej jako idealne źródło napięcia sieci 7 prądu zmiennego następuje przykładowo przez transformator. Między tym transformatorem i przyłączem 3 prądu zmiennego mogą poza tym być umieszczone indukcyjności dodatkowe. Indukcyjności rozproszenia transformatora, indukcyjności dodatkowe oraz impedancja sieci 7 napięcia zmiennego są przedstawione na Figurze 1 przez indukcyjności 6a,6b,6c, które są umieszczone po stronie napięcia zmiennego modułów fazowych 2a, 2b oraz 2c. Między siecią 7 napięcia zmiennego oraz indukcyjnościami 6a, 6b, 6c jest włączany trójbiegunowy wyłącznik 8, który jest połączony z urządzeniem ochronnym, które jest wyposażone w czujniki pomiarowe do rejestracji przepływu prądu modułów fazowych po stronie napięcia zmiennego. Gdy zarejestrowany prąd przekroczy ustalony wcześniej prąd progowy, dochodzi do przełączenia wyłącznika 8, przy czym każdy biegun wyłącznika 8 jest przeprowadzany w swoje
- 12-1 2 położenie rozłączenia, w którym jest przerywany przepływ prądu przez przełącznik 8 napięcia. [002] W obwodzie napięcia stałego są umieszczone indukcyjności 9 a mianowicie zarówno w biegunie dodatnim p obwodu napięcia stałego, jak i w biegunie ujemnym n. [0026] Na Figurze 1 jest poza tym pokazana przykładowa ścieżka zasilanego z sieci 7 napięcia zmiennego prądu zwarcia, która wystąpiłaby przy zwarciu w obwodzie prądu stałego. Można rozpoznać, że prąd zwarcia płynie na zewnątrz z sieci 7 napięcia zmiennego przez wyłącznik 8, indukcyjność 6a, półprzewodnik mocy modułu fazowego 2a, indukcyjności 9 w dodatnim i ujemnym biegunie n obwodu prądu stałego, półprzewodniki mocy moduł fazowego 2b, indukcyjność 6b, i w końcu znowu do sieci 7 prądu zmiennego. Umieszczone w obwodzie napięcia stałego indukcyjności 9 ograniczają tym samym prąd zwarcia i służą jako półprzewodnikowe środki ochronne w ramach wynalazku. [0027] Figura 2 przedstawia moduł fazowy 2a w technice dwupunktowej, przy czym jest znowu pokazana ścieżka prądu zwarcia przez wrażliwe półprzewodniki mocy. Zwraca się uwagę na to, że wszystkie wyłączalne półprzewodniki mocy są przeprowadzane w ich położenie rozłączenia bezpośrednio po zarejestrowaniu zwarcia przez stosowne czujniki pomiarowe, które są połączone z jednostką analizującą. Na Figurze 2 widać, że moduł fazowy 2a składa się z dwóch gałęzi 11p i 11n modułu fazowego. Gałąź 11p modułu fazowego rozciąga się przy tym między przyłączem 3 napięcia zmiennego oraz dodatnim przyłączem p napięcia stałego i gałąź 11n modułu fazowego między przyłączem 3 napięcia zmiennego oraz ujemnym przyłączem n napięcia stałego. Każda z gałęzi 11p,
- 13-1 2 11n modułów fazowych ma znowu układ szeregowy submodułów, przy czym każdy submoduł dysponuje wyłączalnym półprzewodnikiem 12 mocy oraz diodą gaszącą 13 przyłączoną antyrównolegle do wyłączalnego półprzewodnika mocy. Linia punktowa każdej gałęzi modułu fazowego ma pokazywać, że liczba submodułów i tym samym wyłączalnych półprzewodników 12 mocy względnie diod gaszących 13 dla każdej gałęzi 11p względnie 11n modułu fazowego w żadnym przypadku nie jest ograniczona do dwóch, lecz może być dowolnie rozszerzona w zależności od występującego napięcia. [0028] Opisany w związku z Figurą 1 prąd zwarcia płynąłby tym samym przez przyłącze 3 napięcia zmiennego modułu fazowego 2a oraz przez wszelkie diody gaszące 13 gałęzi 11p modułu fazowego do bieguna dodatniego obwodu napięcia stałego. Tym samym diody gaszące 13 gałęzi 11p modułu fazowego względnie diody gaszące gałęzi 11n modułu fazowego 2b byłyby poddane wysokim prądom zwarcia i mogłyby zostać uszkodzone przed uruchomieniem wyłącznika 8. [0029] Urządzenie według wynalazku według Figury 1, które zawiera moduł fazowy według Figury 2, zawiera, nie przedstawiony, półprzewodnikowy środek ochronny korzystnie w postaci tyrystora lub diody w połączeniu równoległym do półprzewodnika mocy, w szczególności diody gaszącej, która przy wyłączonych wyłączalnych półprzewodnikach mocy jest obciążana prądem zwarcia. Ponadto urządzenie zawiera również nie przedstawiony zasobnik energii, przykładowo w postaci kondensatora, który jest niskoomowo połączony z przetwornicą urządzenia. [00] Figura 3 przedstawia moduł fazowy 2a tak zwanej przetwornicy wielopoziomowej, który również jest przykładem wykonania urządzenia według wynalazku. Moduł fazowy 2a
- 14-1 2 zawiera, w technice wielopoziomowej, szeregowe połączenie submodułów 1, które każdorazowo mają zasobnik energii, tak że przez włączanie i wyłączanie submodułów mogą być w szeregowym połączeniu tworzone stopniowane przebiegi napięcia. Z powodu zdecentralizowanego rozmieszczenia zasobników energii w module fazowym jest możliwe, aby moduł fazowy 2a wyposażyć w dodatkową indukcyjność 14, która jest włączana między przyłącze p względnie n prądu stałego oraz każdorazowe szeregowe połączenie bipolarnych submodułów 1. Dodatkowa indukcyjność ogranicza prąd zwarcia. Umieszczenie indukcyjności w modułach fazowych jest jednak korzystne tylko w technice wielopoziomowej. W przetwornicach z centralnym zasobnikiem energii indukcyjności w module fazowym wpływają jednak negatywnie na funkcjonowanie przełączania. Figura 4 przedstawia układ zastępczy submodułu 1 według Figury 3. Widać, że każdy submoduł 1 ma dwa wyłączalne półprzewodniki 12 mocy, jak przykładowo IGBT. Znowu do każdego wyłączalnego półprzewodnika 12 mocy jest przyłączona antyrównolegle dioda gasząca 13. W ten sposób, jest tworzony układ szeregowy 16, który składa się z wyłączalnych półprzewodników 12 mocy. Do układu szeregowego 16 jest równolegle przyłączony zasobnik energii w postaci kondensatora 17. [0031] Każdy submoduł 1 ma pierwszy zacisk przyłączeniowy 18 oraz drugi zacisk przyłączeniowy 19. Między zaciskami przyłączeniowymi 18 względnie 19 jest umieszczony pierwszy półprzewodnik 12a mocy. Półprzewodnik 12b mocy jest na Figurze 4 umieszczony powyżej wyłączalnego półprzewodnika 12a mocy. Po zarejestrowaniu zwarcia, najpierw, wyłączalne półprzewodniki mocy są przeprowadzane w ich położenie rozłączenia. Prąd zwarcia płynie odtąd przez dolną diodę
- 1-1 2 gaszącą 13a. Dioda gasząca 13b nie jest z kolei poddawana działaniu prądu zwarcia. Na tej podstawie jest tylko do dolnej diody gaszącej 12a przyłączony równolegle element ochronny. Element ochronny jest kolejną diodą gaszącą, przy czym ma ona charakterystykę przewodzenia, która w porównaniu do zintegrowanej diody 13a jest taka, że w przypadku awarii istotny udział prądu zwarcia płynie przez diodę gaszącą. Dioda gasząca ma poza tym wystarczająco wysoką przepustowość prądu. Podczas normalnej pracy prąd płynie zarówno przez diodę gaszącą 13a, jak i przez działającą jako element ochronny diodę gaszącą. Podział jest zależny od statycznych charakterystyk przewodzenia obydwóch diod gaszących 13a względnie. Dlatego też, podczas komutacji jest również obciążana dioda gasząca, która musi mieć odpowiednią zdatność w odniesieniu do funkcjonowanie wyłączania. Takie diody gaszące są jednak znane fachowcowi, tak że w tym miejscu można pominąć dokładniejszy opis właściwości diod. [0032] Na rynku są w szczególności dostępne wyłączalne półprzewodniki 12a mocy z zaporowymi diodami gaszącymi 13a, które są umieszczone we wspólnej obudowie, co jest na Figurze 4 oznaczone przez 21. Element ochronny, a więc w tym przypadku dioda gasząca, jest umieszczona poza obudową. [0033] Oczywiście w ramach wynalazku dodatkowo, poza elementem ochronnym mogą występować indukcyjności 14 w module fazowym 2a,2b,2c lub indukcyjności 9 w obwodzie napięcia stałego. [0034] Ponadto w ramach wynalazku jest również możliwe, aby submoduły 1 zawierały co najmniej częściowo indukcyjność. [003] Gdy w przetwornicy z topologią wielopoziomową według
- 16-1 Figur 3 i 4 wystąpi zwarcie w obwodzie pośrednim napięcia stałego, zwiększa się prąd gałęzi przez moduł fazowy 2a z prędkością, która jest zasadniczo określona przez indukcyjność 14. Gdy zwarcie wystąpi po stronie napięcia stałego indukcyjności 9 w obwodzie prądu stałego, również one ograniczają szybkość wzrostu prądu. Indukcyjności 14 są przykładowo wykonane tak, że przy zwarciu wyłączalne półprzewodniki mocy mogą zostać wyłączone jeszcze wewnątrz dopuszczalnego obszaru prądu normalnego wyłączalnych półprzewodników mocy. Na tej podstawie jest udostępniane szybkie wykrycie i reakcja, która pod względem rzędu wielkości leży w zakresie kilku mikrosekund. Po wyłączeniu wyłączalnych półprzewodników mocy tylko diody gaszące przewodzą prąd zwarcia. W przypadku zastosowania tyrystorów jako elementu ochronnego, powinny one dokonywać zapłonu po kilku milisekundach.
- 17 - Zastrzeżenia patentowe 1 Urządzenie (1) do przekształcenia prądu elektrycznego z co najmniej jednym modułem fazowym (2a,2b,2c), który ma przyłącze (3) napięcia zmiennego oraz co najmniej jedno przyłącze (p,n) napięcia stałego, przy czym między każdym przyłączem (p,n) napięcia stałego i każdym przyłączem (3) napięcia zmiennego jest ukształtowana gałąź (11p, 11n) modułu fazowego i przy czym każda gałąź (11p, 11n) modułu fazowego dysponuje połączeniem szeregowym submodułów (1), z których każdy ma co najmniej jeden półprzewodnik (12,13) mocy, przy czym każdy submoduł (1) ma jeden wyłączalny półprzewodnik (12) mocy, do którego jest przyłączona równolegle zaporowa dioda gasząca (13), znamienne przez półprzewodnikowe środki ochronne (9, 14, ) połączone równolegle i/lub szeregowo do co najmniej jednego z półprzewodnika (12, 13) mocy, przy czym półprzewodnikowe środki ochronne (9, 14, ) zawierają element ochronny (), do którego jest przyłączona równolegle zaporowa dioda gasząca (13). 2. Urządzenie (1) według zastrzeżenia 1, znamienne tym, że element ochronny jest diodą gaszącą (2), która ma przepustowość prądu dopasowaną do spodziewanego prądu zwarcia. 3. Urządzenie (1) według zastrzeżenia 1, znamienne tym, że
- 18 - element ochronny jest tyrystorem. 4. Urządzenie (1) według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienne tym, że półprzewodnikowe środki ochronne (9,14,) zawierają indukcyjności (14), które są umieszczone w każdym module fazowym.. Urządzenie (1) według zastrzeżenia 4, znamienne tym, że indukcyjności są umieszczone w jednym lub w wielu submodułach. 6. Urządzenie (1) według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienne tym, że półprzewodnikowe środki ochronne zawierają indukcyjności, które są umieszczone po stronie prądu zmiennego modułów fazowych. 7. Urządzenie (1) według zastrzeżenia 6, znamienne tym, że indukcyjności są uzwojeniami transformatorów z wystarczającą do ograniczenia prądu indukcyjnością rozproszenia. 8. Urządzenie według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienne tym, że półprzewodnikowe środki ochronne zawierają indukcyjności, które są po stronie napięcia stałego
- 19 - połączone z jednym lub każdym przyłączem (9) napięcia stałego. 9. Urządzenie (1) według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienne tym, że każdy submoduł (1) ma pierwszy zacisk przyłączeniowy (19), drugi zacisk przyłączeniowy (18), zasobnik (17) energii oraz, zawierającą dwa połączone szeregowo wyłączalne półprzewodniki (12a,12b) mocy gałąź (16) półprzewodników mocy w połączeniu równoległym do zasobnika (17) energii, przy czym do każdego wyłączalnego półprzewodnika (12a,12b) mocy jest przyłączona równolegle zaporowo dioda gasząca (13a,13b) oraz punkt połączenia emitera pierwszego wyłączalnego półprzewodnika (12a) mocy gałęzi (16) półprzewodników mocy oraz anody, przyporządkowanej do pierwszego wyłączalnego półprzewodnika (12a) mocy, zaporowej diody gaszącej (13a) tworzy pierwszy zacisk przyłączeniowy (19), a punkt połączenia wyłączalnego półprzewodnika (12a,12b) mocy gałęzi (16) półprzewodników mocy oraz diod gaszących (13a,13b) tworzy drugi zacisk przyłączeniowy (18). Urządzenie (1) według jednego z zastrzeżeń 1 do 8, znamienne tym, że każdy submoduł (1) ma pierwszy zacisk przyłączeniowy (18), drugi zacisk przyłączeniowy (19), zasobnik (17) energii oraz, zawierającą dwa połączone szeregowo wyłączalne półprzewodniki (12a,12b) mocy gałąź (16) półprzewodników mocy w połączeniu równoległym do
- - zasobnika (17) energii, przy czym do każdego wyłączalnego półprzewodnika (12a,12b) mocy jest przyłączona równolegle zaporowo dioda gasząca (13a,13b) oraz punkt połączenia kolektora pierwszego wyłączalnego półprzewodnika (12a, 12b) mocy gałęzi półprzewodników mocy oraz katody, przyporządkowanej do pierwszego wyłączalnego półprzewodnika (12a) mocy, zaporowej diody gaszącej (13a, 13b) tworzy pierwszy zacisk przyłączeniowy (18), a punkt połączenia pierwszego wyłączalnego półprzewodnika (12a,12b) mocy gałęzi (16) półprzewodników mocy oraz przyporządkowanych do nich diod gaszących (13a,13b) tworzy drugi zacisk przyłączeniowy (19). 11. Sposób ochrony półprzewodników mocy urządzenia według zastrzeżenia 3, w którym zwarcie jest po stronie napięcia stałego modułu fazowego rejestrowane przez czujniki pomiarowe, po zarejestrowaniu prądu zwarcia wyłączalne półprzewodniki (12a,12b) mocy są przeprowadzane w ich położenie rozłączenia i następnie tyrystor jest przeprowadzany w jego położenie przewodzenia. Siemens Aktiengesellschaft Pełnomocnik:
- 21 -
- 22 -