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CN114342241A - 模块化开关单元 - Google Patents

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CN114342241A
CN114342241A CN202080062972.7A CN202080062972A CN114342241A CN 114342241 A CN114342241 A CN 114342241A CN 202080062972 A CN202080062972 A CN 202080062972A CN 114342241 A CN114342241 A CN 114342241A
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CN
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capacitor
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busbar
switch
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CN202080062972.7A
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A·布莱恩特
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Reinhausen Machinery Manufacturing Co ltd
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Reinhausen Machinery Manufacturing Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种高压直流功率转换器的模块化开关单元，包括基础模块(18)，其中具有第一开关装置(2)、第二开关装置(3)、第一电容器(4)和第二电容器(5)，其中，第一开关装置(2)、第二开关装置(3)、第一电容器(4)和第二电容器(5)安装在底盘(15)上，其特征在于，基础模块(18)适于接收至少三个不同的母线组，每个母线组包括多个母线，该母线用于将第一开关装置(2)、第二开关装置(3)、第一电容器(4)和第二电容器(5)互连，以形成在第一单元端子与第二单元端子之间的两个并联半桥电路、在第一单元端子与第二单元端子(200)之间的两个串联半桥电路、以及在第一单元端子与第二单元端子之间的全桥电路中的一者。

Description

模块化开关单元
技术领域
本发明涉及模块化开关单元。具体地，开关单元包括基础模块，其可以通过将基础模块的端子经由预成型的母线以不同方式连接进行构造以便实现不同的单元模块类型。本发明还涉及一种包括所述模块化开关单元和相应母线的系统。最后，本发明涉及一种用于制造模块化开关单元的方法。
背景技术
从现有技术中已知多电平模块化转换器(MMC)。多电平模块化转换器是电力转换器行业内实现用于电力传输的高压直流(HVDC)转换器的标准方法。它们也被广泛用于中压(MV)驱动应用——包括诸如静止无功补偿器(STATCOM)之类的配电应用。
多电平模块化转换器由多个串联连接而形成相臂的单元组成；根据应用，每相可以使用其中的一个或两个单元。传统的多电平模块化转换器单元是半桥或全桥，半桥单元在一个方向上阻断电压，而全桥单元在两个方向上阻断电压。多电平模块化转换器单元通常包括绝缘栅双极晶体管。
在转换器生产族中，可能存在一系列总体转换器电流和额定电压，以适应广泛的应用。若许多单元串联放置来实现所需的额定电压，适应不同的额定电压是直观的；然而，转换器的额定电流通常落在单个单元的额定电流范围内。因此，要产生一系列的转换器额定电流，要么需要一系列不同的单元设计，使每个单元设计具有不同的额定电流；要么在低电流转换器设计中未充分利用单元额定电流，从而导致每千瓦成本较高。
传统的多电平模块化转换器单元设计可在公共领域获得。许多在以下文献中都有描述：
K.Sharifabadi，L.Harnefors，H-P.Nee、S.Norrga和R.Teodorescu的“用于高压直流输电系统的模块化多电平转换器的设计、控制和应用(Design,Control andApplication of Modular Multilevel Converters for HVDC Transmission Systems)”，John Wiley&Sons/IEE出版社，2016年，
M.Merlin的幻灯片16-18，“帝国理工学院的高压直流活动”，2015年，
阿尔斯通电网/GE电网参考资料：C.Barker，高压直流全体会议，IEEE EPEC 2011，
C.Bartzsch、H.Huang、T.Westerweller和M.Davies的“增强型高压直流(HVDCPLUS)和增强型静止无功补偿器(SVC PLUS)：采用模块化多电平转换器的可靠且经济高效的电力传输解决方案(Reliable and Cost-effective Power Transmission Solutionswith Modular Multilevel Converters)”，2011年，
采用上述现有技术的问题在于：单元设计针对特定拓扑结构和额定电流高度优化。例如，针对特定额定电流的优化会影响绝缘栅双极晶体管(IGBT)/二极管模块、单元电容器和旁路开关的选择。额定电流通常作为预定电流值的份额给出。例如，一个全额定单元可以承载整个预定电流。一个半额定单元只能承载预定电流的一半。虽然理论上半额定单元可以致使尺寸减半，但是组成部件的可用性会使这种情况是不可能的，例如在绝缘栅双极晶体管模块仅可用于适合全额定单元的情况下。即使可获得半额定单元部件，但是每个半额定单元仍需要与全额定单元相同量的控制部件(即，单元控制器、电流/电压传感器、单元电源等)进而需要类似成本和体积的机械部件。由于尺寸不同，用于多个单元的机架支撑结构也会有所不同。因此，半额定单元在成本和体积上将大大超过全额定单元的一半，因此最终的多电平模块化转换器将更为昂贵(€/kW)且功率密度更低(kW/m3)。此外，半额定单元将需要单独的设计，随之产生相关的工程成本。
如果需要全桥单元，这种灵活性的缺乏也是明显的。除非可获得半额定单元部件，否则半额定全桥单元将类似地也需要单独的设计，随之产生相关的工程成本。
发明内容
因此，要解决的问题是找到一种价格低廉、功率密度高、可用于不同拓扑结构和额定电流的开关单元。该目的通过独立权利要求的特征来解决。从属权利要求包含本发明的有利实施方式。
特别地，本发明描述了一种通用单元设计，该设计对一个全额定单元或两个串联的半额定单元使用相同的基础机械设计，其中后者产生的每单位额定功率成本和功率密度成本与全额定单元的相同。这些可以共用主通用设计，从而简化了设计工作并得到成本更低的系统。
本发明特别地通过高压直流功率转换器的包括一个基础模块的模块化开关单元来解决。该基础模块具有第一开关装置、第二开关装置、第一电容器和第二电容器。这些元件——即第一开关装置、第二开关装置、第一电容器和第二电容器——都安装在底盘上。以此方式，基础模块允许各元件的不同互连以达到不同的设计。第一开关装置和第二开关装置优选地包括绝缘栅双极晶体管。
基础模块适于接收至少三个不同的母线组，每个母线组包括用于将第一开关装置、第二开关装置、第一电容器和第二电容器互连的多个母线。每个母线组允许基础模块的不同设计。特别地，母线组中的一个母线组允许在第一单元端子与第二单元端子之间形成两个并联的半桥电路。此外，母线组中的另一个母线组允许在第一单元端子与第二单元端子之间形成两个串联的半桥电路。母线组中的又一个母线组允许在第一单元端子与第二单元端子之间形成全桥电路。因此，每个母线组以不同的方式将基础模块的上述元件互连。因此，基础模块可以用于不同的单元类型，特别是用于不同的额定电流和拓扑结构。因此，该模块化开关单元便宜并且允许高功率密度。
因此，本发明提供了一种通用单元设计，其使用相同的基础机械设计，即，基础模块，用于全额定单元或两个串联的半额定单元，其中后者产生的每单位额定功率成本和功率密度成本与全额定单元的相同。这些单元类型共用一个主通用设计，从而简化了设计工作并得到成本更低的系统。
优选地，第一开关装置具有第一交流电压端子、第一负直流端子、第一正直流端子、第一交流电压端子与第一负直流端子之间的第一开关、以及第一交流电压端子与第一正直流端子之间的第二开关。以此方式，第一开关装置特别地形成为半桥模块。进一步地，第二开关装置优选地具有第二交流电压端子、第二负直流端子、第二正直流端子、第二交流电压端子与第二负直流端子之间的第三开关、以及第二交流电压端子与第二正直流端子之间的第四开关。同样，第二开关装置特别地形成为半桥模块。基础模块适于接收每个母线组，使得各个母线组中的母线将第一开关装置和第二开关装置的所有端子以及第一电容器和第二电容器互连。以此方式，特别地，将第一交流电压端子、第一负直流端子、第一正直流端子、第二交流电压端子、第二负直流端子、第二正直流端子、第一电容和第二电容互连。母线提供为使得它们形成两个并联半桥电路、两个串联半桥电路和全桥电路中的一者。因此，在必须提供不同电路的情况下，仅母线必须不同。因此，一个基础模块可以用于实现非常多种功率转换器。
在一个优选实施方式中，至少第一负直流端子电连接到底盘。底盘优选地用作底盘接地。取决于由母线组限定的单元设计，第二正直流端子或第二负直流端子优选地也连接到底盘。优选地，所有开关装置共用同一底盘接地，使得特别是在模块化开关单元中仅存在单个底盘接地电位。
进一步优选地，第一开关装置的第一开关和第二开关以及第二开关装置的第三开关和第四开关均包括电子开关。电子开关特别是包括彼此间并联布线的绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及二极管。代替绝缘栅双极晶体管，还可以使用其他电子开关，如集成式门极换向晶闸管(IGCT)、门极可关断晶闸管(GTO-晶闸管)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)或双极结型晶体管(BJT)。所有这些元件可以以不同的方式——即，经由不同的母线组——组合，以实现不同的模块化开关单元以及由此的功率转换器。
模块化开关单元优选地包括单个控制装置。该控制装置适用于切换第一开关装置的第一开关和第二开关以及第二开关装置的第三开关和第四开关。以此方式，输入到模块化开关单元的功率可以进行最佳功率转换。输出转换后的功率。由此，优选地由该单个控制装置进行对所有开关的整体控制。
进一步优选地，所述第一开关装置包括第一子开关装置和第二子开关装置。在此情况下，第一开关装置和第二开关装置不是半桥模块(例如，半桥绝缘栅双极晶体管)，而是单个开关模块(例如，绝缘栅双极晶体管)。优选地，第一子开关装置包括第一交流电压端子、第一负直流端子和第一开关。优选地，第二子开关装置包括第一交流电压端子、第一正直流端子和第二开关。因此，第一开关元件的互连仍然可以通过母线组进行，其中，两个子开关装置必须分别地连接。同样地，第二开关装置优选地包括第三子开关装置和第四子开关装置。第三子开关装置具有第二交流电压端子、第二负直流端子和第三开关。另一方面，第四子开关装置具有第二交流电压端子、第二正直流端子和第四开关。因此，第二开关装置也包括两个子开关装置，它们将通过母线分别地连接。
进一步优选的是提供散热器。该散热器特别是提供为多于一个的开关装置散热。优选地，第一开关装置、第二开关装置、第一电容器和第二电容器设置有共同的散热器。因此，提高了单元的功率密度，并且降低了提供单元的成本。
模块化开关单元特别是具有设置在第一单元端子与第二单元端子之间的旁路开关。旁路开关适用于通过短接第一单元端子和第二单元端子来绕过该开关单元。在如上所述的模块化开关单元建立转换器的情况下，旁路开关允许例如在开关单元损坏的情况下不使用相应的开关单元。因此，一个开关单元的故障不一定会导致整个转换器的故障。在一个替代实施方式中，省略了旁路开关，并且使开关单元的各部件适于在部件故障的情况下将第一单元端子和第二单元端子短接。
在另一个有利的实施方式中，第一开关装置、第二开关装置、第一电容器和第二电容器可都从同一侧通过母线组进行电连接。因此，母线组只需布置在基础模块的一侧上来互连所有部件。因此，可以以简化的方式提供不同的单元设计、特别是如上所述的单元设计。
本发明还涉及一种系统，其包括如上所述的模块化开关单元以及第一母线组和第二母线组和第三母线组中的至少两者。因此，系统可以构造为提供不同的单元设计。优选地，可以从这些系统的几个系统建立转换器。在该系统中，第一电容器设置在第一电容器端子与第二电容器端子之间，并且第二电容器设置在第三电容器端子与第四电容器端子之间。所有这些电容器端子都可以通过母线组中的母线进行连接，以连接开关装置与电容器。使用不同的母线组，可以提供不同的设计，其中，现在描述这些不同的母线组：
第一母线组包括第一母线、第二母线和第三母线。第一母线电连接第一负直流端子和第二负直流端子以及第二电容器端子和第四电容器端子。第二母线电连接第一正直流端子和第二正直流端子以及第一电容器端子和第三电容器端子。最后，第一交流电压端子与第二交流电压端子通过第三母线电连接。在此单元设计中，第一母线是第二单元端子，而第三母线是第一单元端子。因此，第一母线组优选地限定全额定半桥单元。这意味着开关装置是半额定式的，并且通过第一母线组并联连接。因此，单元设计是半桥，而每个开关装置特别是承载流过每个单元的电流的一半。
在一个附加或替代实施方式中，第二母线组包括第四母线、第五母线、第六母线、第七母线和第八母线。第四母线电连接至第一交流电压端子。第五母线电连接第一正直流端子与第一电容器端子。第二负直流端子与第四电容器端子通过第六母线电连接。第七母线电连接第一负直流端子和第二正直流端子与第二电容器端子和第三电容器端子。最后，第八母线电连接至第二交流电压端子。根据此单元设计，第四母线是第一单元端子，而第八母线是第二单元端子。在此单元设计中，提供了半额定双单元。这意味着两个开关装置串联连接，使得单元实现两个半额定单元的功能。
在另一附加或替代实施方式中，第三母线组包括如前所述的第二母线、如前所述的第四母线、如前所述的第八母线和第九母线。第九母线电连接第一负直流端子和第二负直流端子以及第二电容器端子和第四电容器端子。此单元设计实现了半额定全桥。因此，开关装置联接成使得它们形成全桥。特别地，如上所述，其中每个开关装置均为半桥模块，使得这些半桥模块通过第三母线组组合而形成全桥。
因此，从相同的基础模块，即，从相同的开关装置和电容器，仅通过将基础模块与第一母线组和第二母线组以及第三母线组中的一者组合，便可以生产至少三种不同的单元设计。这允许在提供不同的单元类型和/或转换器方面增加灵活性。
每个母线组中的母线有利地是层压母线。通过提供层压母线，用于互连开关装置与电容器所需的空间减小。此外，电性能得到增强，例如杂散电感减小。
每个母线组包括限定第一单元端子和第二单元端子的母线，所述第一单元端子和第二单元端子布置成用于将该开关单元与其他部件、特别是与功率转换器的其他开关单元电连接。因此，为了建立转换器，每个单元通过形成单元端子的相应母线连接。
本发明还涉及一种高压直流功率转换器。该转换器包括三相电压输入端，并且对于三相电压输入端中的每一相，提供如上所述的多个开关单元。这些开关单元串联连接。因此，功率转换器可以设置有如上所述的灵活且低成本的开关单元，其中，所述开关单元特别是具有高能量密度。
本发明最后涉及一种制造模块化开关单元的方法。该方法包括以下步骤：一方面，通过将第一开关装置、第二开关装置、第一电容器和第二电容器安装在底盘上来提供基础模块。该基础模块适于接收不同的母线组，以实现不同的单元设计。因此，提供有至少两个不同的母线组。每组包括用于将第一开关装置、第二开关装置、第一电容器和第二电容器互连的多个母线。每个母线组中的母线适于形成第一单元端子与第二单元端子之间的两个并联半桥电路、第一单元端子与第二单元端子之间的两个串联半桥电路、以及在第一单元端子与第二单元端子之间的全桥电路中的一者。因此，通过以不同方式互连基础模块的各元件，每个母线组允许另一种单元设计。作为最后一个步骤，将母线组中的一个母线组安装在基础元件上。通过将相应的母线组安装在基础元件上，提供了具有以上所列设计之一的开关单元。由于其中任何一个母线组都可以安装在基础模块上，因此这是一种提供不同开关单元类型的简单而灵活的方式。
附图说明
进一步的实施方式和优点将从下面对附图的描述中变得清楚。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的高压直流功率变换器的示意图，
图2是根据本发明的该实施方式的高压直流功率变换器的一相输出电压的示意图，
图3是根据本发明的该实施方式的高压直流功率变换器的半桥开关单元的示意图，
图4是根据本发明的该实施方式的高压直流功率变换器的全桥开关单元的示意图，
图5是根据本发明的一个实施方式的开关单元的示意图，
图6是根据本发明的该实施方式的开关单元的基础模块的示意图，
图7是根据本发明的该实施方式的开关单元的第一替代方案的示意图，
图8是根据本发明的该实施方式的开关单元的第一替代方案的示意布线图，
图9是根据本发明的该实施方式的开关单元的第二替代方案的示意图，
图10是根据本发明的该实施方式的开关单元的第二替代方案的示意布线图，
图11是根据本发明的该实施方式的开关单元的第三替代方案的示意图，
图12是根据本发明的该实施方式的开关单元的第三替代方案的示意布线图，
图13是根据本发明的另一实施方式的开关单元的示意图，以及
图14是又一替代方案中的开关单元的示意布线图。
具体实施方式
图1是特别是用于电力传输的高压直流转换器20的示意图。高压直流功率转换器20包括三相电压输入端600并且适于输出直流电压。对于三相电压输入端600中的每一相，均有多个开关单元1串联连接。如图2所示，相输出电压300因此可以被划分为这些单个开关单元1的多个单元电压400。通过开关单元1进行相应开关，可以将相输出电压300转换为直流电压。
图3和图4示出了开关单元1的不同单元类型。所有开关单元1均设置在第一单元端子100与第二单元端子200之间。在图3中，示出了半桥，而图4示出了全桥。半桥只能阻断一个方向的电流，而全桥可以阻断两个方向的电流。因此，图3所示的半桥设计是仅使用一个单个第一开关装置2的开关单元1。另一方面，根据图4所示的全桥设计的开关单元1具有第一开关装置2和第二开关装置3。在此实施方式中，第一开关装置2和第二开关装置3均为半桥元件。因此，第一开关装置2和第二开关装置3的两个半桥元件组合在一起形成图4中的全桥。
因此，开关装置2、3中的每一者均具有两个绝缘栅双极晶体管80和两个二极管90。一个绝缘栅双极晶体管80和一个二极管90并联连接，并且两组并联的绝缘栅双极晶体管80和二极管90串联连接。以此方式，形成了上述半桥元件。
每个开关单元1还至少包括第一电容器4。第一电容器4与开关装置2、3并联设置。因此，各开关单元1在相应的开关单元1的第一单元端子100与第二单元端子200之间将相输出电压300分成若干个单元电压400，使得开关单元1可以用于将相输出电压300转换为直流电压。
可以提供旁路开关19以允许电流在单元故障的情况下绕过该开关单元1，从而保持转换器20运行。这可以使用晶闸管、机械接触器或快速作用式烟火装置(fast-actingpyrotechnic device)的组合来实现。如果在单元中使用的半导体开关不会短路，则可能不需要旁路开关19，例如，专门设计的压装式绝缘栅双极晶体管或集成门极换向晶闸管(IGCT)的情况。
图5是根据本发明的一个实施方式的开关单元1的示意图。开关单元1包括如图3和图4所示的第一开关装置2和第二开关装置3以及第一电容器4和第二电容器5。图5示出了第一开关装置2、第二开关装置3、第一电容器4和第二电容器5安装在共用底盘15上。两个开关装置2、3也共用同一散热器17，使得开关单元1只有单个的入口17a和出口17b用于冷却液。开关单元1还具有共用的控制装置16，该控制装置16特别是驱动开关装置2、3的绝缘栅双极晶体管80。因此，与两个只有一个开关装置的单个单元相比，该开关单元1具有更高的能量密度。此外，由于所有部件都设置在同一底盘15上，底盘15用作共用底盘接地。
开关单元1并不具有固定式的单元设计。而是，开关单元1可以构造为具有不同的单元设计，使得在提供具有不同需求的转换器20方面给出了灵活性。为了允许不同的单元设计，开关单元1具有基础模块18，其包括第一开关装置2、第二开关装置3、第一电容器4和第二电容器5。基础模块18还适于接收不同的母线组。每个母线组以不同的方式连接基础模块18的各元件以实现不同的单元设计。
优选地，母线组中的母线全部从同一侧接触基础模块18的元件。因此，母线组的安装以及第一开关装置2、第二开关装置3、第一电容器4和第二电容器5的电连接得以简化。
为了与母线组电接触，第一开关装置2具有第一交流电压端子21、第一负直流端子22和第一正直流端子23。第一开关设置在第一交流电压端子21与第一负直流端子22之间，而第二开关设置在第一交流电压端子21与第一正直流端子23之间，其中，这两个开关由上述并联的绝缘栅双极晶体管80和二极管90组成。
同样地，第二开关装置3具有第二交流电压端子31、第二负直流端子32和第二正直流端子33。第三开关设置在第二交流电压端子31与第二负直流端子32之间，而第四开关设置在第二交流电压端子31与第二正直流端子33之间。同样，这两个开关——即，第三开关和第四开关——由上述并联的绝缘栅双极晶体管80和二极管90组成。
第一电容器4设置在第一电容器端子41与第二电容器端子42之间，而第二电容器5设置在第三电容器端子51与第四电容器端子52之间。上述所有端子优选都位于开关单元1的同一侧，以确保开关单元1可以通过母线组从单侧电接触。
从这样的基础设计开始，可以将开关单元1设置为不同的单元设计。特别地，两个开关装置3、4可以并联以增加额定电流或形成全桥。开关装置3、4也可以串联放置以形成由两个常规开关单元组成的双开关单元。在下文中，示出了三种不同的设计，它们都是利用相同的基础模块18通过不同母线组实现的。
在图7和图8中，示出了第一单元端子100与第二单元端子200之间的两个并联半桥电路。图7示意性地示出了开关单元1的设计，而图8示出了示意性布线图。在图9和图10中，示出了第一单元端子100与第二单元端子200之间的两个串联半桥电路。图9示意性地示出了开关单元1的设计，而图10示出了示意性布线图。最后，第一单元端子100与第二单元端子200之间的全桥电路在图11和图12中示出。图11示意性地示出了开关单元1的设计，而图12示出了示意性布线图。
在根据图7和图8的设计中，包括第一母线6、第二母线7和第三母线8的第一母线组用于将第一交流电压端子21、第一负直流端子22、第一正直流端子23、第二交流电压端子31、第二负直流端子32、第二正直流端子33、第一电容器端子41、第二电容器端子42、第三电容器端子51和第四电容器端子52互连。
第一负直流端子22和第二负直流端子32以及第二电容器端子42和第四电容器端子52通过第一母线6电连接。第一正直流端子23和第二正直流端子33以及第一电容器端子41和第三电容器端子51通过第二母线7电连接。第三母线8将第一交流电压端子21和第二交流电压端子31电连接。在该设计中，第一母线6是第二单元端子200，而第三母线8为第一单元端子100。
具体如图8所示，第一开关装置2、第二开关装置3以及第一电容器4和第二电容器5彼此并联连接。因此，因为各部件的并联使开关单元可以承载的电流加倍，所以开关单元1是全额定半桥。通过底盘15在第一负直流端子22和第二负端子23处提供公共底盘接地，在该设计中第一负直流端子22和第二负端子23是相同的。
相同的基础模块18可以设置有图9和图10中所示的不同第二母线组以形成半额定双单元。第二母线组包括第四母线9、第五母线10、第六母线11、第七母线12和第八母线13，它们将第一交流电压端子21、第一负直流端子22、第一正直流端子23、第二交流电压端子31、第二负直流端子32、第二正直流端子33、第一电容器端子41、第二电容器端子42、第三电容器端子51和第四电容器端子52互连。
第一交流电压端子21与第四母线9电连接。第一正直流端子23和第一电容器端子41通过第五母线10电连接。第二负直流端子32和第四电容器端子52通过第六母线11电连接。第七母线12将第一负直流端子22和第二正直流端子33以及第二电容器端子42和第三电容器端子51电连接。最后，第二交流电压端子31电连接到第八母线13。在该单元设计中，第四母线9是第一单元端子100，而第八母线13是第二单元端子200。因此，第一开关装置2和第一电容器4形成半额定半桥，该半额定半桥与由第二开关装置3和第二电容器5形成的另一半额定半桥串联连接。特别地，两个半额定半桥形成为彼此的镜像，使得它们可以共用相同的电源和控制器。由底盘15在第一负直流端子22和第二正直流端子处提供公共底盘接地，在该设计中第一负直流端子22和第二正直流端子是相同的。
在图9和图10的设计中，单元输出双倍单元电压500，该电压是单元电压400的两倍。因此，利用相同的部件，可以提供一个全额定半桥或两个半额定半桥。因此，基于转换器20的相应需要，可以将相同的基础模块18提供作为不同的单元拓扑结构。
此外，在图9和图10的设计中，有两个选项应用于旁路开关19。可以针对两个半桥中的每个半桥使用任一个旁路开关，其中使两个旁路开关串联连接且使它们之间的中间点也连接到两个半桥之间的中间点，或者可以针对整个开关单元1使用一个旁路开关。如果使用两个旁路开关，则每个旁路开关都需要与单个开关单元1情况下相同的额定电压，而对于整个开关单元1使用单个旁路开关则需要更高的额定电压，因为旁路开关19必须承载两倍于单元电压400的双倍单元电压500。
最后，图11和图12示出了半额定全桥设计。在该设计中，将形成为半桥模块的两个开关装置2、3组合以建立全桥。为了实现这样的设计，第三母线组包括上述第二母线7、上述第四母线9、上述第八母线13和附加的第九母线14。第九母线14将第一负直流端子22和第二负直流端子32以及第二电容器端子42和第四电容器端子52电连接。底盘15在第一负直流端子22和第二负直流端子32处提供公共底盘接地。
每个母线组中的母线有利地是层压母线。这特别有助于减少绝缘栅双极晶体管80与电容器4、5之间的杂散电感，以确保开关单元1的最佳开关。
因此，除了全额定半桥和双半额定半桥之外，基础模块18还可以设置有另一母线组以形成半额定全桥。这样，可以由单个基础模块18提供多种不同的单元选项。
图13示出了与图7中所示的开关单元1相同的单元设计，其中，使用了不同的第一开关装置2和第二开关装置3。在上述的实施方式中，将第一开关装置2和第二开关装置3描述为半桥模块。如图13中所示，也可以采用另一种使用单个开关模块的设置。
因此，第一开关装置2包括第一子开关装置2a和第二子开关装置2b。第一子开关装置2a具有第一交流电压端子21、第一负直流端子22以及设置在第一交流电压端子21与第一负直流端子22之间的第一开关。第二子开关装置2b也具有第一交流电压端子21并且还包括第一正直流端子23以及设置在第一交流电压端子21与第一正直流端子23之间的第二开关。以类似的方式，第二开关装置3包括第三子开关装置3a和第四子开关装置3b。第三子开关装置3a具有第二交流电压端子31、第二负直流端子32以及设置在第二交流电压端子31与第二负直流端子31之间的第三开关。第四子开关装置3b具有第二交流电压端子31、第二正直流端子33和设置在第二交流电压端子31与第二正直流端子33之间的第四开关。因此，子开关装置2a、2b、3a、3b必须通过第一母线6、第二母线7和第三母线8分别地接触，其中，单元设计保持与图7中所示的相同。该开关装置2、3的设置——即，子开关装置2a、2b、3a、3b的使用——可以应用于任何其他单元设计，特别是应用于图9和图11所示的设计。
最后，图14示出了开关装置2、3的另一设计选项。在该设计选项中，开关装置2、3被提供为具有三电平的多电平桥臂。为了实现这样的设计，在每个开关装置2、3中包括有附加二极管90。
总之，如上所述的开关单元1可以用于不同的目的，而所有的开关单元1共用相同的基础部件。因此，总是可以采用相同的硬件来为转换器20提供各种不同的开关单元1。因为仅仅必须提供一组控制部件(例如，控制装置16和散热器17)，所以该开关单元1的成本较低。该开关单元1使得最大的部件再利用和设计再利用成为可能。此外，特别是在包括两个半额定半桥的双单元的情况下，提供了紧凑的单元设计。由于减少了部件数量以及冷却剂和电气连接的数量，因此提高了可靠性。
附图标记
1 开关单元 100 第一单元端子
2 第一开关装置 200 第二单元端子
21 第一交流电压端子 300 相输出电压
22 第一负直流端子 400 单元电压
23 第一正直流端子 500 双单元电压
3 第二开关装置 600 三相电压输入端
31 第二交流电压端子
32 第二负直流端子
33 第二正直流端子
4 第一电容器
41 第一电容器端子
42 第二电容器端子
5 第二电容器
51 第三电容器端子
52 第四电容器端子
6 第一母线
7 第二母线
8 第三母线
9 第四母线
10 第五母线
11 第六母线
12 第七母线
13 第八母线
14 第九母线
15 底盘
16 控制装置
17 散热器
17a 入口
17b 出口
18 基础模块
19 旁路开关
20 转换器装置
80 绝缘栅双极晶体管
90 二极管

Claims (14)

1.一种高压直流功率转换器(20)的模块化开关单元(1)，包括基础模块(18)，所述基础模块具有：
·第一开关装置(2)，
·第二开关装置(3)，
·第一电容器(4)，以及
·第二电容器(5)，
其中，所述第一开关装置(2)、所述第二开关装置(3)、所述第一电容器(4)和所述第二电容器(5)安装在底盘(15)上，
其特征在于，所述基础模块(18)适于接收至少三个不同的母线组，每个母线组包括多个母线(6、7、8、9、10、11、12、13、14)，用于将所述第一开关装置(2)、所述第二开关装置(3)、所述第一电容器(4)和所述第二电容器(5)互连以形成以下中的一者：
·在第一单元端子(100)与第二单元端子(200)之间的两个并联半桥电路，以及
·在第一单元端子(100)与第二单元端子(200)之间的两个串联半桥电路，以及
·在第一单元端子(100)和第二单元端子(200)之间的全桥电路。
2.根据权利要求1所述的模块化开关单元(1)，其特征在于，
·所述第一开关装置(2)具有第一交流电压端子(21)、第一负直流端子(22)、第一正直流端子(23)、位于所述第一交流电压端子(21)与所述第一负直流端子(22)之间的第一开关、以及位于所述第一交流电压端子(21)与所述第一正直流端子(23)之间的第二开关，
·所述第二开关装置(3)具有第二交流电压端子(31)、第二负直流端子(32)、第二正直流端子(33)、位于所述第二交流电压端子(31)与所述第二负直流端子(32)之间的第三开关、以及位于所述第二交流电压端子(31)与所述第二正直流端子(33)之间的第四开关，以及
·所述基础模块(18)适于接收每个母线组，使得相应母线组中的所述母线(6、7、8、9、10、11、12、13、14)将所述第一交流电压端子(21)、所述第一负直流端子(22)、所述第一正直流端子(23)、所述第二交流电压端子(31)、所述第二负直流端子(32)、所述第二正直流端子(33)、所述第一电容器(4)和所述第二电容器(5)互连以形成所述两个并联半桥电路、所述两个串联半桥电路和所述全桥电路中的一者。
3.根据权利要求2所述的模块化开关单元(1)，其特征在于，至少所述第一负直流端子(22)电连接到所述底盘(15)，其中，所述底盘(15)用作底盘接地。
4.根据权利要求2或3所述的模块化开关单元(1)，其特征在于，所述第一开关装置(2)的所述第一开关和所述第二开关以及所述第二开关装置(3)的所述第三开关和所述第四开关都包括电子开关，特别是彼此并联布线的绝缘栅双极晶体管(80)和二极管(90)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的模块化开关单元(1)，其特征在于，单个控制装置(16)适于开关所述第一开关装置(2)的所述第一开关和所述第二开关以及所述第二开关装置(3)的所述第三开关和所述第四开关。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的模块化开关单元(1)，其特征在于,
·所述第一开关装置(2)包括第一子开关装置(2a)和第二子开关装置(2b)，
○所述第一子开关装置(2a)包括所述第一交流电压端子(21)、所述第一负直流端子(22)和所述第一开关，以及
○所述第二子开关装置(2b)包括所述第一交流电压端子(21)、所述第一正直流端子(23)和所述第二开关，以及
·所述第二开关装置(3)包括第三子开关装置(3a)和第四子开关装置(3b)，
○所述第三子开关装置(3a)包括第二交流电压端子(31)、第二负直流端子(32)和第三开关，以及
○所述第四子开关装置(3b)包括第二交流电压端子(31)、第二正直流端子(33)和第四开关。
7.根据前述权利要求中任一项所述的模块化开关单元(1)，其特征在于，所述第一开关装置(2)、所述第二开关装置(3)、所述第一电容器(4)和所述第二电容器(5)设置有共同的散热器(17)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的模块化开关单元(1)，其特征在于，在所述第一单元端子(100)与所述第二单元端子(200)之间提供旁路开关(19)，其中，所述旁路开关(19)适于绕过所述开关单元(1)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的模块化开关单元(1)，其特征在于，所述第一开关装置(2)、所述第二开关装置(3)、所述第一电容器(4)和所述第二电容器(5)能够都从同一侧通过母线组进行电连接。
10.包括根据权利要求2至9中任一项所述的模块化开关单元(1)以及第一母线组、第二母线组和第三母线组中的至少两个母线组的系统，
其中，所述第一电容器(4)设置在第一电容器端子(41)与第二电容器端子之间，并且所述第二电容器(5)设置在第三电容器端子(51)与第四电容器端子(52)之间，其中：
·第一母线组包括第一母线(6)、第二母线(7)和第三母线(8)，其中：
○所述第一负直流端子(22)和所述第二负直流端子(32)与所述第二电容器端子(42)和所述第四电容器端子(52)通过所述第一母线(6)电连接，
○所述第一正直流端子(23)和所述第二正直流端子(33)与所述第一电容器端子(41)和所述第三电容器端子(51)通过所述第二母线(7)电连接，以及
○所述第一交流电压端子(21)和所述第二交流电压端子(31)通过所述第三母线(8)电连接，
○所述第一母线(6)是所述第二单元端子(200)，并且所述第三母线(8)是所述第一单元端子(100)，
和/或
·所述第二母线组包括第四母线(9)、第五母线(10)、第六母线(11)、第七母线(12)和第八母线(13)，其中：
○所述第一交流电压端子(21)与所述第四母线(9)电连接，
○所述第一正直流端子(23)和所述第一电容器端子(41)通过第五母线(10)电连接，
○所述第二负直流端子(32)和所述第四电容器端子(52)通过所述第六母线(11)电连接，
○所述第一负直流端子(22)和所述第二正直流端子(33)与所述第二电容器端子(42)和所述第三电容器端子(51)通过所述第七母线(12)电连接，
○所述第二交流电压端子(31)电连接至所述第八母线(13)，
○所述第四母线(9)是所述第一单元端子(100)，并且所述第八母线(13)是所述第二单元端子(200)，
和/或
·所述第三母线组包括所述第二母线(7)、所述第四母线(9)、所述第八母线(13)和第九母线(14)，其中：
○所述第一负直流端子(22)和所述第二负直流端子(32)与所述第二电容器端子(42)和所述第四电容器端子(52)通过所述第九母线(14)电连接。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，每个母线组中的所述母线(6、7、8、9、10、11、12、13、14)均为层压母线。
12.根据权利要求10或11所述的系统，其特征在于，每个母线组包括限定所述第一单元端子(100)和所述第二单元端子(200)的母线(6、7、8、9、10、11、12、13、14)，所述第一单元端子(100)和所述第二单元端子(200)布置用于将所述开关单元(1)与所述功率转换器(20)的其他部件、特别是与其他开关单元(1)电连接。
13.一种高压直流功率转换器(20)，包括三相电压输入端(600)，并且对于所述三相电压输入端(600)的每一相，包括多个根据权利要求1至9中任一项所述的开关单元(1)，其中，所述开关单元(1)串联连接。
14.一种模块化开关单元(1)的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
·通过将第一开关装置(2)、第二开关装置(3)、第一电容器(4)和第二电容器(5)安装在底盘(15)上来提供基础模块(18)，
·提供至少两个不同的母线组，每个母线组包括多个母线(6、7、8、9、10、11、12、13、14)，用于将所述第一开关装置(2)、所述第二开关装置(3)、所述第一电容器(4)和所述第二电容器(5)互连，其中，每个母线组中的所述母线(6、7、8、9、10、11、12、13、14)适于形成以下中的一者：
○在第一单元端子(100)与第二单元端子(200)之间的两个并联半桥电路，以及
○在第一单元端子(100)与第二单元端子(200)之间的两个串联半桥电路，以及
○在第一单元端子(100)与第二单元端子(200)之间的全桥电路，以及
·将母线组中的一个母线组安装在所述基础元件(18)上。
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