專利名稱：具有分布式制動電阻的變換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在驅動和/或高壓技術領域將電能轉換為熱量的裝置，該裝 置具有制動電阻以及至少一個用于控制該轉換的可控制動功率半導體。
背景技術：
這樣的裝置例如已經由DE102005040549A1公開。在該文獻中描述的裝置涉及所 謂的多級變換器，其中，功率半導體閥連接在交流電壓接線和直流電壓接線之間。通過這種 方式實現了在正常運行中構成正直流電壓接線和負直流電壓接線的橋電路。在該正直流電 壓接線和負直流電壓接線之間延伸著由雙極子模塊組成的串聯電路，這些雙極子模塊分別 具有儲能器以及功率半導體電路。功率半導體電路和儲能器與子模塊的雙極輸出端連接， 使得可以產生在儲能器上降落的電壓或者在每個子模塊的雙極輸出端上的零電壓。與子模 塊的串聯電路串聯地設置制動電阻。由子模塊和制動電阻構成的串聯電路通常也稱為制動 控制器。正直流電壓接線和負直流電壓接線通過直流電壓中間電路與另一變換器連接，該 另一變換器例如作為反相換流器運行并且與交流電壓網或三相電動機連接。在有故障的情 況下，可能導致該反相換流器不能將在直流電壓側提供的有效功率饋入到所連接的交流電 壓網或三相電動機內。這樣的狀況例如在三相電動機制動時出現。由此制動電阻用于將在 這種情況下出現的過量的有效功率轉換為熱量。通過這種方式和方法，作為整流器運行的 變換器還可以繼續作為這樣的變換器運行，而不會導致整個裝置的完全崩潰。在圖1至4中示例性地示出根據現有技術的其它裝置。圖1示出了三個相制動支路1，這些相制動支路在交流電壓側與變換器連接。在 此，每個相制動支路1電氣地連接到該變換器的交流電壓接線。此外，每個相制動支路1都 具有機械開關2以及制動電阻3。在相制動支路的背向交流電壓接線的端部上，該相制動支 路1在共有的星形匯接點4相互關聯。作為開關2，例如采用作為這種開關公知的機械功率 開關。如果功率開關2被接入，則由交流電壓接線的相應相流出的電流通過制動電阻3流 向共有的星形匯接點4，其中電能通過該制動電阻被轉換為熱量。圖2示出了根據圖1的實施例，但其中作為開關選擇了可控功率半導體閥5，這些 可控功率半導體閥相互反向并聯連接。功率半導體閥5例如是不可斷開的，由此是從外部 換流的可控硅閥。圖3示出了根據現有技術的另一個實施例。在此也示出變換器6，該變換器包括形 成所謂的六脈沖橋電路的功率半導體閥7。每個功率半導體閥7在交流電壓接線8和直流 電壓接線9或10之間延伸。直流電壓接線9和10在該裝置運行時具有不同的極性，因此 用正符號或負符號表示。在直流電壓接線9和10之間延伸的是制動電阻3，該制動電阻在 此示意性的以電感11和純歐姆電阻12的形式示出。制動電阻3設置在變換器6的直流電 壓側，其中，未圖形地示出與該制動電阻串聯設置的用于接通該制動電阻的開關。圖4示出一個實施例，其中由可斷開的功率半導體與反向并聯的續流二極管組成 的串聯電路13在直流電壓中間電路的正直流電壓接線9和負直流電壓接線10之間延伸。與該串聯電路13串聯地連接制動電阻3。這類裝置具有以下缺點激活制動控制器與將有效功率有效轉換為熱量之間的持 續時間太長，以至于無法可靠地排除變換器上的故障。
發明內容
因此本發明要解決的技術問題在于，提供本文開頭所述類型的裝置，該裝置在需 要情況下使得可以快速和廉價地將有效功率轉換為熱量。本發明通過以下方式解決該技術問題，制動電阻具有多個單制動電阻，這些單制 動電阻分別是雙極子模塊的部件，其中這些子模塊相互串聯以構成子模塊串聯電路，并且 至少部分地具有分別與相關聯的單制動電阻并聯的儲能器以及至少部分地具有制動功率 半導體，該制動功率半導體在制動位置上使得電流可以通過分別相關聯的單制動電阻流 動，并且在正常運行位置上斷開通過該單制動電阻的電流流動。根據本發明，不是像在現有技術中那樣設置單個的制動電阻，而是將該制動電阻 分布到多個單制動電阻。換句話說制動電阻由多個單電阻構成。在此，這些單電阻是雙極 子模塊的部件，其中這些雙極子模塊相互串聯連接。在此，儲能器和該單電阻在它們的尺寸 方面被相互配合，使得在標稱運行時存儲在儲能器中的能量能夠快速消失。由此借助可控 制動功率半導體，使得可以將有效功率快速地轉換為熱量。在觸發制動功率半導體之后，儲 能器通過作為整流器運行的變換器提供能量，從而在較長的持續時間內也可以將有效功率 作為熱量輸出到環境中。本發明的裝置合適地在驅動技術和/或高壓技術領域中，尤其是在電能傳輸和電 能分布領域中采用。“高壓”這一概念是指超過IkV的所有電壓。總制動電阻分布在單制動電阻中還使得可以改善單電阻的冷卻。從而根據本發明 的優選變形方案在單電阻之間設置冷卻裝置，這些冷卻裝置導熱地與單電阻連接并且負責 快速和可靠的熱排出。該冷卻裝置例如包括水冷卻或空氣冷卻。合適地，單電阻構成為電阻片的堆疊，其中這些電阻片由經過燒結的材料構成。在 該堆疊內部，這些電阻片以它們的平坦面相互毗連，其中緊固裝置提供必要的接觸壓力，從 而在片電阻之間提供平面接觸。合適地，構成多個子模塊串聯電路，這些子模塊串聯電路分別至少部分的形成變 換器的功率半導體閥之一。變換器的功率半導體閥分別具有交流電壓接線以及直流電壓接 線，并且例如在六脈沖橋電路中相互連接。但是該變換器的拓撲結構原則上是任意的，從而 在這方面不需要詳細介紹。根據本發明的該合適擴展，單電阻是變換器的功率半導體閥的 至少一部分，并且因此集成在該變換器中。在此，功率半導體閥由子模塊的串聯電路組成， 在這些子模塊中至少一些包括單制動電阻。根據本發明的優選實施方式，每個子模塊都包 括單制動電阻。根據與此有關的合適的擴展，每個子模塊具有兩個可斷開的功率半導體，這些功 率半導體分別與續流二極管反向并聯。通過這種方式構成所謂的半橋電路。這些功率半導 體與儲能器并聯，并且與子模塊的連接端子連接，使得在這些連接端子上降落在儲能器上 降落的電壓或者零電壓。根據本發明的另一合適實施方式，為每個子模塊設置兩個可斷開的功率半導體，其中這兩個可斷開的功率半導體形成與制動電阻串聯電路并聯的功率半導體串聯電路，其 中該制動電阻串聯電路分別具有單制動電阻以及與該單制動電阻串聯的制動功率半導體， 該制動功率半導體與續流二極管反向并聯。該功率半導體串聯電路與子模塊的連接端子連 接，使得通過合適地控制可斷開的功率半導體可以通斷在子模塊的連接端子上的零電壓或 者通斷在儲能器上降落的電壓。通過這種方式和方法，可以確定在功率半導體閥的直流電 壓接線和交流電壓接線之間降落的電壓。通過合適地控制制動功率半導體，可以依據對制 動功率半導體的控制將在相關聯的儲能器中存儲的能量轉換為熱量。合適的的是，作為可 斷開的制動功率半導體采用所謂的IGBT或GT0。可斷開的功率半導體不僅能通過控制脈沖 從截止位置轉換到接通位置。而且也可以利用可斷開的功率半導體從接通位置主動地、也 就是受控地轉換到截止位置。由此，對制動功率半導體的控制例如可以通過合適的脈寬調 制來進行。合適的是，每個子模塊包括橋接裝置用于在損壞情況下橋接與該橋接裝置相關聯 的子模塊。換句話說，該子模塊在故障情況下將被短路，從而在唯一的一個子模塊失效時不 需要斷開整個功率半導體閥。根據本發明的優選實施方式，一個子模塊串聯電路或者多個子模塊串聯電路可以 被連接在變換器的正直流電壓接線和負直流電壓接線之間。換句話說，具有單制動電阻的 (一個或多個)子模塊串聯電路被設計為，使得這些單制動電阻可以設置在變換器的直流 電壓側。該變換器例如是高壓直流電傳輸設備或者用于電機的變頻器的一部分。根據與此有關的合適的擴展，每個儲能器都與二極管串聯電路并聯，在該二極管 串聯電路中至少有兩個二極管串聯。根據該實施方式，代替可斷開或可控功率半導體而選 擇無源的功率半導體，即廉價的二極管，這些二極管只能實現電流在一個方向上的流動而 不能主動控制該電流流動。通過這種方式降低每個子模塊的成本，其中同時使得可以保留 對儲能器的充電。根據本發明的另一實施方式，每個儲能器和每個二極管串聯電路都與制動電阻串 聯電路并聯，該制動電阻串聯電路具有單制動電阻以及與該單制動電阻串聯的制動功率半 導體。通過這種方式和方法，如上面已經描述過的，使得可以將有效功率有效地轉換為熱量。合適的是，串聯的子模塊的數量大于1，尤其是大于3。利用越來越多數量的具有 單制動電阻的子模塊，改善了電能到熱量的轉換的可伸縮性。因此能量可以被有針對性地 消除。特別有利的是，具有單制動電阻的子模塊的數量大于100。本發明的另一部分涉及用于在高壓技術領域內、尤其是在電能傳輸和/或電能分 布的領域內變換電流或電壓的裝置，其中該裝置具有連接在交流電壓接線和直流電壓接線 之間的功率半導體閥，其中每個交流電壓接線與相制動支路連接，該相制動支路具有由功 率半導體和至少一個制動電阻組成的串聯電路，其中，這些相制動支路相互連接以形成三 角電路或星形電路。根據本發明的該實施方式，該裝置包括變換器和制動控制器。該制動 控制器設置在變換器的交流側。通過這種方式和方法，同樣實現有效功率到熱量的廉價和 有效的轉換。交流電壓接線和相制動支路之間的連接是電氣的。
本發明的其它合適實施方式和優點，是下面借助附圖描述本發明的實施例的主 題，其中相同的附圖標記指示相同的附圖，并且其中圖1至圖4示出了根據現有技術的裝置，圖5示出了本發明的裝置的實施例的示意圖，圖6示出了該裝置的另一實施例的示意圖，圖7至圖9示出了子模塊的設計的實施例，圖10示出了本發明的裝置的另一實施例，圖11示出了根據本發明的裝置的另一實施例，以及圖12示出了根據圖11的裝置的子模塊。
具體實施例方式圖1至圖4示出了根據現有技術的裝置的制動控制器，它們已經在說明書的開始 部分中論及，從而在此不再詳細描述。圖5示出了本發明的裝置15的實施例。該裝置15具有功率半導體閥7，這些功率 半導體閥分別包括雙極子模塊14的串聯電路，其中每個功率半導體閥7在交流電壓接線8和 直流電壓接線9或10之間延伸。裝置15是為了與圖5中未示出的交流電壓網連接而設置 的，該交流電壓網具有多相。為了與電網連接，連接裝置例如是變壓器。在圖5中為了清楚起 見僅示出一相。但是本發明的裝置15在交流電壓側一般構成為多相，例如三相。因此在圖5 中僅示出根據圖3的六脈沖橋電路的一部分。但是，裝置15總共具有六個功率半導體閥或在 此是六個子模塊串聯電路。不過，在本發明的范圍中，具有一相的變換器也是可能的。每個子模塊具有儲能器16、至少一個可斷開的功率半導體17以及單制動電阻18， 稍后還要詳細地介紹它們的連接。圖6示出本發明裝置的另一個實施例，其中在圖6中示出子模塊串聯電路19，該子 模塊串聯電路與圖5 —樣由雙極子模塊14的串聯電路組成。在此，每個子模塊也包括儲能 器16、至少一個功率半導體17以及單制動電阻18。但是該子模塊的結構與根據圖5的子 模塊的結構有所不同。圖7示出根據圖5的子模塊14的結構。可以看出，儲能器是電容器16，該電容器 與功率半導體串聯電路20并聯，該功率半導體串聯電路由兩個可接通和可斷開的功率半 導體21和22以及與這些功率半導體反向并聯的續流二極管23和M組成。在此，可控功 率半導體21和22之間的連接點位于子模塊14的連接端子25的電勢上。相反，另一連接 端子26直接與位于功率半導體22和儲能器16之間的連接點連接。通過適當地控制功率 半導體21和22，可以將在電容器16上降落的電壓施加在連接端子25和沈上。在這種情 況下，功率半導體22位于其斷開位置上，相反功率半導體21位于其接通位置上。如果功率 半導體21在其斷開位置而功率半導體22相反在其接通位置，則在輸出端子25和沈上施 加零電壓。功率半導體串聯電路20與制動電阻串聯電路27并聯。該制動電阻串聯電路27 具有可接通和斷開的制動功率半導體觀以及與該制動功率半導體觀在相反方向并聯的續 流二極管四。制動電阻串聯電路27具有與可斷開制動功率半導體觀串聯的單制動電阻 18，該單制動電阻18同樣與續流二極管30并聯。
為了在故障情況下橋接子模塊14，采用橋接裝置31，該橋接裝置在所示實施例中 由可控晶閘管32以及與該晶閘管并聯設置的開關33組成。在故障情況下，觸發在正常運 行時處于斷開位置的晶閘管，使得連接端子25和沈可被快速短路。這用于對在直流電壓 中間電路中短路情況下負擔高短路電流的續流二極管放電。與晶閘管32的觸發并行地，在 子模塊中過電壓或橋短路的情況下閉合開關33。圖8示出用于根據圖6的裝置的子模塊14的實施例。與圖7所示的子模塊14的 實施例不同，不提供由可控功率半導體21和22以及23和M組成的串聯電路20，而提供由 第一二極管35和第二二極管36組成的二極管串聯電路34，第一二極管和第二二極管在相 同方向上相互串聯連接。二極管35和36之間的連接點又直接與第一連接端子25連接，其 中第二連接端子26位于電容器16的電容器板之一的電勢上。如已經結合圖6所解釋的， 連接端子25和沈是在變換器的正直流電壓接線和負直流電壓接線之間延伸的串聯電路的 一部分。由于連接端子25和沈上的單極關系，確保了通過該二極管裝置給電容器16加 載。相反，如果應當控制有效功率并將該有效功率快速轉換為熱量，則將可接通和斷開的制 動功率半導體觀從其斷開位置控制到其接通位置，在接通位置上使得電流可以通過單制 動電阻18流過。在將功率半導體28從其接通位置主動地轉移到其截止位置時，通過單制 動電阻18和與該單制動電阻18并聯的續流二極管30形成電流。圖9示出了根據圖6的裝置的另一實施例，該實施例與根據圖8的子模塊14的實 施例的不同之處在于，橋接裝置31僅通過機械開關33來實現。其它的圖8的實施在此也 相應有效。圖10示出了本發明的另一實施例，其中未以圖形示出在該實施例中屬于該裝置 的變換器的功率半導體閥。在此，該變換器的例如6個功率半導體閥具有3個交流電壓接 線，這些交流電壓接線分別與一個相制動支路38的交流電壓接線37連接，其中，每個相制 動支路38具有由可斷開的功率半導體17組成的串聯電路，該串聯電路與續流二極管反向 并聯。每個相制動支路38還具有單制動電阻18，其中相制動支路38以三角電路相互連接。 但是在本文中星形電路也是可能的。圖11示出本發明裝置的另一實施例，該裝置是為連接到三相的、也就是引導交流 電壓的供電網而設置的。為了連接到該供電網，還是采用3個交流電壓接線37。根據該實 施例，不需要將本發明的裝置設置在與變換器直接相鄰的地方。圖11所示的裝置可獨立于 變換器地運行。根據圖11的裝置具有子模塊40組成的串聯電路，這些子模塊的結構在圖 12中示出。結合圖11還要說明的是，子模塊的相組件38，也就是子模塊的串聯電路39以 三角電路相互連接。圖12更詳細地示出了子模塊40的結構。與圖1所示的子模塊14不同，圖12所 示的子模塊40具有H橋電路或全橋電路。由此，除了可接通和斷開的功率半導體21和22 以及與這些功率半導體反向并聯的續流二極管23和M之外，還設置了其它可接通和斷開 的功率半導體41和42以及同樣與這些功率半導體反向并聯的續流二極管43和44。可斷 開的功率半導體41、42以及續流二極管43、44還是被設置在與儲能器并聯延伸的串聯電路 45中，在此，還是將儲能器構成為電容器16。第一連接端子25與位于可斷開的功率半導體 21和22之間的電勢點電氣連接，而第二連接端子沈與位于可斷開的功率半導體41和42 之間的電勢點電氣連接。通過這種方式可以不僅讓在儲能器16上降落的電壓在連接端子25和沈上降落以及讓零電壓降落，如在根據圖7的半橋電路中允許的那樣。根據圖12還 可以在連接端子25和沈上產生儲能器的反向電壓。如果功率半導體21和42處于它們的 接通位置，則在電容器16上降落的電壓也在這些連接端子上降落。但是，如果功率半導體 21和42處于截止位置并且可斷開的功率半導體41和22相反處于它們的接通位置，則在電 容器16上降落的電壓以不同的符號施加在連接端子25和沈上。 子模塊40也具有制動電阻串聯電路27，該制動電阻串聯電路又包括可接通和斷 開的功率半導體觀以及與該功率半導體反向并聯的續流二極管四。單制動電阻18還是與 續流二極管30并聯。由此，通過控制可接通和斷開的功率半導體觀，仍然可以借助單制動 電阻18將電容器16中存儲的能量轉換為熱量。為了橋接子模塊40以及由此對連接端子 25和沈短路，還是采用了開關33。其它橋接裝置為了清楚起見在此未示出，但是在本發明 的范圍中也是可能的。
權利要求
1.一種用于在驅動和/或高壓技術領域將電能轉換為熱量的裝置(15)，該裝置具有制 動電阻以及至少一個用于控制該轉換的可控制動功率半導體，其特征在于，所述制動電阻 具有多個單制動電阻(18)，這些單制動電阻分別是雙極的子模塊(14)的部件，其中，這些 子模塊(14)相互串聯以構成子模塊串聯電路，并且至少部分地具有分別與相關聯的單制 動電阻(18)并聯的儲能器(16)以及至少部分地具有可控制動功率半導體( )，該制動功 率半導體在制動位置上使得電流能夠通過分別相關聯的單制動電阻(18)流動，并且在正 常運行位置上斷開通過該單制動電阻的電流流動。
2.根據權利要求1所述的裝置(15)，其特征在于，構成多個子模塊串聯電路，這些子模 塊串聯電路分別至少部分地形成變換器的功率半導體閥(7)之一。
3.根據權利要求2所述的裝置(15)，其特征在于，每個子模塊(14)具有兩個可控功率 半導體01，22)，這些功率半導體分別與續流二極管03，M)反向并聯。
4.根據權利要求3所述的裝置(15)，其特征在于，兩個可控功率半導體(21，22)形成 與制動電阻串聯電路(XT)并聯的功率半導體串聯電路(26)，其中，該制動電阻串聯電路 (27)分別具有單制動電阻(18)以及與該單制動電阻串聯的制動功率半導體(洲)，該制動 功率半導體與續流二極管09)反向并聯。
5.根據權利要求4所述的裝置(15)，其特征在于，所述單制動電阻(18)與續流二極管 (30)并聯。
6.根據前述權利要求之一所述的裝置(15)，其特征在于，每個子模塊(14)具有橋接裝 置(31)，用于在損壞情況下橋接該子模塊(14)。
7.根據權利要求1所述的裝置(15)，其特征在于，所述子模塊串聯電路或者所述多個 子模塊串聯電路能夠被連接在變換器的正直流電壓接線(9)和負直流電壓接線(10)之間。
8.根據權利要求7所述的裝置(15)，其特征在于，每個儲能器(16)都與二極管串聯電 路(34)并聯，在該二極管串聯電路中至少有兩個二極管(35，36)串聯。
9.根據權利要求8所述的裝置(15)，其特征在于，每個儲能器(16)和每個二極管串聯 電路(34)都與制動電阻串聯電路(XT)并聯，該制動電阻串聯電路具有單制動電阻(18)以 及與該單制動電阻串聯的制動功率半導體08)。
10.根據前述權利要求之一所述的裝置(15)，其特征在于，每個單電阻導熱地與各自 的和相關聯的冷卻裝置連接。
11.根據前述權利要求之一所述的裝置(15)，其特征在于，所述子模塊的數量大于1。
12.一種用于在驅動和/或高壓技術領域內變換電流或電壓的裝置，該裝置具有連接 在交流電壓接線(6)和直流電壓接線(9，10)之間的功率半導體閥(7)，其中，每個交流電壓 接線(8)與一個相制動支路(38)連接，該相制動支路具有由可控功率半導體(16)和至少 一個制動電阻(18)組成的串聯電路，其中這些相制動支路(38)相互連接以形成三角電路 或星形電路。
13.根據前述權利要求之一所述的裝置(15)，其特征在于，每個單電阻是由片狀的電 阻片構成的堆疊，其中，這些電阻片由經過燒結的材料構成，并且這些電阻片以它們的平坦 面相互形成電氣壓力接觸。
全文摘要
為了提供一種用于在驅動和/或高壓技術領域將電能轉換為熱量的裝置(15)，該裝置具有制動電阻以及至少一個用于控制該轉換的可控制動功率半導體，建議所述制動電阻具有多個單制動電阻(18)，這些單制動電阻分別是雙極的子模塊(14)的部件，其中，這些子模塊(14)相互串聯以構成子模塊串聯電路，并且至少部分地具有分別與相關聯的單制動電阻(18)并聯的儲能器(16)以及至少部分地具有可控制動功率半導體(28)，該制動功率半導體在制動位置上使得電流能夠通過分別相關聯的單制動電阻(18)流動，并且在正常運行位置上斷開通過該單制動電阻的電流流動。
文檔編號H02P3/22GK102132484SQ200980132291
公開日2011年7月20日 申請日期2009年8月17日 優先權日2008年9月1日
發明者喬格·蘭, 克勞斯·沃夫林格, 卡斯滕·威茨托克, 布·圖 夸克, 安德烈亞斯·曾克納, 英戈·尤勒, 赫伯特·甘巴科, 邁克·多馬希克 申請人:西門子公司