包括鏈?zhǔn)阶儞Q器和保護(hù)電路的電氣設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電氣設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)操作電路或電網(wǎng)時，流過電路或電網(wǎng)的電流通常保持在電路或電網(wǎng)的預(yù)定額定電流范圍內(nèi)。然而，電路或電網(wǎng)中的故障或其它異常操作條件可能導(dǎo)致發(fā)展為超過電路或電網(wǎng)的額定電流的高故障電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種電氣設(shè)備，包括:
[0004]第一端子和第二端子，用于連接至電路；
[0005]鏈?zhǔn)阶儞Q器，連接在所述第一端子與第二端子之間，所述鏈?zhǔn)阶儞Q器包括多個鏈節(jié)模塊，每個鏈節(jié)模塊包括至少一個開關(guān)元件(例如，單個開關(guān)元件或兩個或多個開關(guān)元件)和至少一個能量儲存裝置，每個鏈節(jié)模塊的所述或每個開關(guān)元件和所述或每個能量儲存裝置結(jié)合以選擇性地提供電壓源；以及
[0006]保護(hù)裝置，連接在包括所述多個鏈節(jié)模塊中至少兩個鏈節(jié)模塊的電氣單元兩端，所述保護(hù)裝置包括多個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件，其中所述保護(hù)裝置選擇性地提供導(dǎo)電路徑以允許在所述電氣設(shè)備中流動的至少部分電流旁路所述電氣單元。
[0007]可以理解地是，為了本發(fā)明的目的，術(shù)語“連接在兩端”和術(shù)語“并聯(lián)連接”的意義是一樣的。類似地，在第二部件“兩端”連接第一部件意在指第一部件與第二部件是“并聯(lián)”連接的。
[0008]可以理解地是，在電氣單元兩端連接(即，并聯(lián))保護(hù)裝置意在指在多個鏈節(jié)模塊兩端連接(即，并聯(lián))多個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件。在電氣單元兩端連接保護(hù)裝置指保護(hù)裝置被配置為允許在保護(hù)裝置中流動的電流完全地旁路電氣單元。換言之，在保護(hù)裝置的多個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件中流動的電流被禁止流入形成電氣單元的一部分的多個鏈節(jié)模塊。
[0009]還可以理解地是，在根據(jù)本發(fā)明的電氣設(shè)備中電氣單元兩端連接保護(hù)裝置與半導(dǎo)體器件和鏈節(jié)模塊的配置的區(qū)別在于，其中每個半導(dǎo)體器件與相應(yīng)鏈節(jié)模塊一一對應(yīng)地并聯(lián)連接，(即，每個半導(dǎo)體器件連接在單個鏈節(jié)模塊兩端)。半導(dǎo)體器件和鏈節(jié)模塊的這種一一對應(yīng)的連接意味著在半導(dǎo)體器件中流動的電流可以僅完全旁路單個鏈節(jié)模塊而不是多個鏈節(jié)模塊。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的電氣設(shè)備可以是包括至少一個鏈?zhǔn)阶儞Q器以實施其功能的任意類型的電氣設(shè)備。例如，該電氣設(shè)備可以是使用至少一個鏈?zhǔn)阶儞Q器用于電壓變換功能的電壓源變換器，或者可以形成該電壓源變換器的一部分。
[0011]在電氣設(shè)備的正常操作過程中，鏈?zhǔn)阶儞Q器是可操作以提供階梯式可變電壓源。保護(hù)裝置沒有直接涉及電氣設(shè)備的正常操作。正是這樣，在使用中，保護(hù)裝置被配置為對電氣設(shè)備的正常操作可能具有的任何影響最小化。
[0012]在電氣設(shè)備的故障操作條件情況下，故障電流可以流經(jīng)電氣設(shè)備。故障電流的存在不僅會損壞鏈?zhǔn)阶儞Q器的一個或多個部件，還可能導(dǎo)致鏈?zhǔn)阶儞Q器脫網(wǎng)一段時間。這導(dǎo)致對損壞的鏈?zhǔn)阶儞Q器增加的維修和保養(yǎng)成本、以及對于依賴電氣設(shè)備工作的終端用戶的不便。
[0013]在電氣設(shè)備中包括保護(hù)裝置使得能夠形成導(dǎo)電路徑，以允許在電氣設(shè)備中流動的電流的至少一部分旁路電氣單元且從而減小流經(jīng)電氣單元的電流的量。這進(jìn)而減小了損壞電氣單元的一個或多個鏈節(jié)模塊的過電流的風(fēng)險。以這種方式，保護(hù)裝置保護(hù)電氣單元的鏈節(jié)模塊免于被流經(jīng)電氣設(shè)備的任何故障電流不利地影響。
[0014]應(yīng)當(dāng)理解的是，電氣單元中鏈節(jié)模塊的數(shù)量范圍可以從鏈?zhǔn)阶儞Q器的兩個鏈節(jié)模塊到所有鏈節(jié)模塊。
[0015]保護(hù)裝置包括多個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件，使得單個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件的故障不會在連接有保護(hù)裝置的電氣單元兩端引起外部短路。這是重要的，因為在形成鏈節(jié)模塊的一部分的截止?fàn)顟B(tài)自換向半導(dǎo)體器件兩端造成外部短路可能導(dǎo)致所述或每個相應(yīng)能量儲存裝置經(jīng)由導(dǎo)電的自換向半導(dǎo)體器件不受控地放電，稱為“2型短路”事件。避免2型短路可能是困難的，所以將它們發(fā)生的風(fēng)險最小化是有利的。相比之下，在保護(hù)裝置中使用單個半導(dǎo)體器件可能具有發(fā)生前述2型短路的風(fēng)險。
[0016]另外，如上所述的保護(hù)裝置的配置提供在優(yōu)化保護(hù)裝置以提高效率的設(shè)計方面更大的靈活性。例如，盡管要求保護(hù)裝置的總額定電壓與電氣單元的總額定電壓匹配，但是保護(hù)裝置的每個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件的額定電壓可以獨立于電氣單元的每個鏈節(jié)模塊的單個額定電壓進(jìn)行優(yōu)化。與此相反，使用單個半導(dǎo)體器件作為連接在單個鏈節(jié)模塊兩端的保護(hù)裝置意味著單個半導(dǎo)體器件的額定電壓必須與單個鏈節(jié)模塊的額定電壓匹配，這可能不利地影響保護(hù)裝置在成本、尺寸和重量方面的效率。
[0017]另外，與連接多個半導(dǎo)體器件(每個在多個鏈節(jié)模塊的相應(yīng)一個的兩端)所需的結(jié)構(gòu)部件(例如，線夾)的數(shù)量相比，如上所述的保護(hù)裝置的配置減少了連接電氣單元兩端的保護(hù)裝置所需的結(jié)構(gòu)部件的數(shù)量。這進(jìn)而導(dǎo)致電氣設(shè)備在總成本、尺寸和重量方面的節(jié)約。
[0018]多個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件可以是下述中任意一個:
[0019]多個串聯(lián)的無源半導(dǎo)體器件，例如，二極管；
[0020]多個串聯(lián)的有源半導(dǎo)體器件，例如晶閘管；或者
[0021]與至少一個無源半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接的至少一個有源半導(dǎo)體器件。
[0022]因為所述或每個無源半導(dǎo)體器件可以被設(shè)計為在某些條件滿足時自動傳導(dǎo)電流，所以在保護(hù)裝置中使用至少一個無源半導(dǎo)體器件消除或減少對與電源和通信鏈路相關(guān)聯(lián)的控制器(例如，門驅(qū)動電路)的需求。另一方面，在保護(hù)裝置中使用至少一個有源半導(dǎo)體器件提供對形成導(dǎo)電路徑的有源控制，以確保僅在某些條件下(例如，電氣設(shè)備的故障操作條件)形成導(dǎo)電路徑。
[0023]由于有源和無源半導(dǎo)體器件的不同特性，與至少一個無源半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接的至少一個有源半導(dǎo)體器件的結(jié)合還提供在優(yōu)化電氣設(shè)備以提高效率的設(shè)計方面的靈活性。例如，當(dāng)多個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件包括晶閘管和二極管時，晶閘管和二極管不同的正向額定電壓和反向額定電壓允許保護(hù)裝置被設(shè)計為具有僅晶閘管或二極管不能實現(xiàn)的特定正向額定電壓和反向額定電壓。
[0024]在本發(fā)明的實施例中，在使用中，當(dāng)電氣單元的至少一個鏈節(jié)模塊被配置為在非旁路模式中提供非零電壓時，保護(hù)裝置可以被切換至反向偏置狀態(tài)，并且當(dāng)電氣單元的所有鏈節(jié)模塊被配置為在旁路模式中提供零電壓并且電氣單元中電流的方向允許保護(hù)裝置被切換至正向偏置狀態(tài)時，保護(hù)裝置可以被切換至正向偏置狀態(tài)。
[0025]以這種方式的電氣設(shè)備的配置要求在形成導(dǎo)電路徑之前，電氣單元的所有鏈節(jié)模塊處于旁路模式。由此，為了將保護(hù)裝置對電氣設(shè)備的正常操作可能具有的任何影響最小化，電氣單元的鏈節(jié)模塊的切換可以被控制為將電氣設(shè)備處于正常操作時保護(hù)裝置能夠形成導(dǎo)電路徑的過程時間最小化。這對保護(hù)裝置的多個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件僅包括無源半導(dǎo)體器件的配置的保護(hù)裝置特別有利。
[0026]在電氣設(shè)備正常操作過程中保護(hù)裝置確實形成導(dǎo)電路徑的情形下，如上所述的保護(hù)裝置的配置將當(dāng)保護(hù)裝置被隨后反向偏置時可能發(fā)生的電流超調(diào)最小化。
[0027]在這種實施例中，電氣設(shè)備還可以包括開關(guān)控制單元，其中開關(guān)控制單元控制電氣單元的各個鏈節(jié)模塊的切換以選擇性地將電氣單元的至少一個鏈節(jié)模塊配置為非旁路模式，以便在電氣設(shè)備的正常操作過程中保持保護(hù)裝置處于反向偏置狀態(tài)。
[0028]使用這種開關(guān)控制單元防止了在電氣設(shè)備的正常操作過程中不期望地形成導(dǎo)電路徑。
[0029]可選地，多個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件可以包括:至少一個無源半導(dǎo)體器件，例如，二極管，并且保護(hù)裝置可以包括開關(guān)元件以選擇性地禁止或允許所述或每個無源半導(dǎo)體器件導(dǎo)通。這種開關(guān)元件可以與串聯(lián)的半導(dǎo)體器件不同或者為形成多個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件之一的有源半導(dǎo)體器件的形式。
[0030]在本發(fā)明的其它實施例中，保護(hù)裝置可以包括至少一個控制電路和至少一個有源半導(dǎo)體器件，所述或每個控制電路被連接在有源半導(dǎo)體器件或多個有源半導(dǎo)體器件的相應(yīng)一個有源半導(dǎo)體器件的控制電極和陽極兩端，其中所述或每個控制電路的阻抗可變化以選擇性地允許將非零電壓施加在相應(yīng)有源半導(dǎo)體器件的控制電極和陰極兩端，以便將該有源半導(dǎo)體器件切換至導(dǎo)通狀態(tài)。
[0031]控制電路可以包括具有非線性電壓-電流特性的電阻元件。這種電阻元件可以包括，但不限于，壓敏電阻(例如，氧化鋅壓敏電阻或碳化硅壓敏電阻)、穩(wěn)壓二極管、火花隙或擊穿二極管。
[0032]所述或每個控制電路可以被設(shè)計為在某些條件滿足時將有源半導(dǎo)體器件自動切換至導(dǎo)通狀態(tài)，即導(dǎo)電狀態(tài)。例如，在本發(fā)明的實施例中，使用至少一個控制電路，當(dāng)所述或每個控制電路兩端具有匹配或超過預(yù)定電壓閾值的電壓時，所述或每個控制電路的阻抗變化以允許將非零電壓施加在相應(yīng)有源半導(dǎo)體器件的控制電極和陰極兩端。這免除了對在有必要切換保護(hù)裝置的一個或多個串聯(lián)的半導(dǎo)體器件以形成導(dǎo)電路徑時能夠感測