一种混合型功率开关及其在柔性直流输电换流器中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种混合型功率开关及其在柔性直流输电换流器中的应用，其混合型功率开关由快速隔离的机械开关和双向电力电子开关串联后并联带有反并二极管的电力电子开关组成，兼具机械开关导通损耗低与电力电子器件开关特性好的优点。该混合型功率开关可以应用的子模块包括但不限定于全桥型子模块、自阻型子模块、半桥全桥混合型子模块、双子箝位型子模块、交错型子模块及上述子模块与其他不具有故障处理能力子模块的混合。含有混合开关的MMC拓扑可以通过闭锁子模块或产生负电平来限制直流短路电流，降低直流电网对直流断路器的响应速度与断流能力的要求，进而降低直流断路器的制造难度和生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种混合型功率开关及其在柔性直流输 电换流器中的应用。
技术介绍
模块化多电平换流器（ModularMultilevelConverter，MMC)自 2002 年问世 以来，以模块化程度高、输出波形质量好、换流器损耗小等特点，日益成为高压直流（High VoltageDirectCurrent，HVDC)输电系统中最具发展前景的换流器拓扑之一。直流侧短 路故障是直流输电特别是架空线路直流输电中的常见故障形式。如何快速、可靠的切除直 流故障是柔性直流输电技术大规模应用的主要挑战之一。目前，处理直流侧故障主要有三 种方式：1)通过交流设备如交流断路器、交流熔断器等切断故障与交流系统的联系；2)通 过直流设备如直流断路器等阻断故障与换流器的联系；3)通过换流器中功率半导体器件 的开关动作实现直流侧故障的隔离。 以上三种直流故障处理方式均可以实现点对点直流输电系统的直流侧短路故障 切除。然而对于网状连接的直流输电网络而言，第一种方式由于交流断路器动作特性及安 装位置的限制，响应时间长、对电网冲击大、重启复杂且不能实现直流输电网中对故障选择 性切除的要求。第二种方式是解决直流电网短路故障有效的方案之一，但该方案需要响应 速度快、导通损耗小、断开能力大的直流断路器，直流断路器的技术难度较大且成本较高， 难以短时间内应用到实际工程中。相比于前两种方式，第三种方式响应时间快，故障后系统 恢复正常运行的能力强。目前能够实现直流故障防护的子模块结构中具有代表性的是全桥子模块和箝位 双子模块结构，然而基于以上两种子模块结构或其与半桥子模块结构混合的MMC换流阀损 耗大幅增加，严重制约了其工程应用。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种混合型功率开关及其在 柔性直流输电换流器中的应用，具有运行损耗低、动态响应快、工程实现简单等优点。 -种混合型功率开关，包括一机械开关、一带有反并联二极管的功率开关管以及 一双向电力电子开关；其中：机械开关的一端与所述功率开关管的集电极相连并构成所述 混合型功率开关的阳极，机械开关的另一端与双向电力电子开关的一端相连，双向电力电 子开关的另一端与所述功率开关管的发射极相连并构成所述混合型功率开关的阴极； 所述的双向电力电子开关由两个带有反并联二极管的M0S管连接组成，两个M0S 管的源极共连，两个M0S管的漏极分别作为双向电力电子开关的两端； 所述功率开关管的基极、M0S管的栅极以及机械开关的控制极均接收外部设备提 供的开关控制信号。 第一种应用于MMC的子模块结构A1，包括一个电容、三个带有反并联二极管的功 率开关管Si~S3以及一个所述的混合型功率开关；其中，功率开关管si的发射极与功率开 关管s2的集电极相连并构成子模块结构A1的正极端，功率开关管Si的集电极与电容的正 极和功率开关管S3的集电极相连，功率开关管S2的发射极与电容的负极和混合型功率开 关的阴极相连，功率开关管3 3的发射极与混合型功率开关的阳极相连并构成子模块结构A1 的负极端；所述功率开关管Si~S3的基极均接收外部设备提供的开关控制信号。 第二种应用于MMC的子模块结构A2,包括一个电容、两个带有反并联二极管的功 率开关管31~5 2、一个二极管以及一个所述的混合型功率开关；其中，功率开关管Si的发射 极与功率开关管S2的集电极相连并构成子模块结构A2的正极端，功率开关管S:的集电极 与电容的正极和二极管的阴极相连，功率开关管S2的发射极与电容的负极和混合型功率开 关的阴极相连，二极管的阳极与混合型功率开关的阳极相连并构成子模块结构A2的负极 端；所述功率开关管Si~S2的基极均接收外部设备提供的开关控制信号。 第三种应用于MMC的子模块结构A3,其由一个半桥子模块和一个子模块结构A1连 接组成，子模块结构A1的正极端作为子模块结构A3的正极端，子模块结构A1的负极端与 半桥子模块的正极端相连，半桥子模块的负极端作为子模块结构A3的负极端。 第四种应用于MMC的子模块结构A4,包括两个电容(；~C2、六个带有反并联二极 管的功率开关管Si~S6以及一个所述的混合型功率开关；其中，功率开关管Si的发射极与 功率开关管S2的集电极相连并构成子模块结构A4的正极端，功率开关管Si的集电极与电 容Q的正极和功率开关管S3的集电极相连，功率开关管S2的发射极与电容Ci的负极、混合 型功率开关的阴极以及功率开关管S4的集电极相连，功率开关管53的发射极与混合型功率 开关的阳极、电容C2的正极以及功率开关管S5的集电极相连，功率开关管S4的发射极与电 容c2的负极和功率开关管S6的发射极相连，功率开关管S5的发射极与功率开关管S6的集 电极相连并构成子模块结构A4的负极端；所述功率开关管Si~S6的基极均接收外部设备 提供的开关控制信号。 第五种应用于MMC的子模块结构A5,包括两个电容Ci~C2、四个带有反并联二极 管的功率开关管Si~S4、两个二极管Di~D2以及一个所述的混合型功率开关；其中，功率 开关管Si的发射极与功率开关管S2的集电极相连并构成子模块结构A5的正极端，功率开 关管Si的集电极与电容Ci的正极和二极管Di的阴极相连，功率开关管S2的发射极与电容 Q的负极、混合型功率开关的阴极以及二极管D2的阴极相连，二极管Di的阳极与混合型功 率开关的阳极、电容C2的正极以及功率开关管S3的集电极相连，二极管D2的阳极与电容C2 的负极和功率开关管s4的发射极相连，功率开关管S3的发射极与功率开关管S4的集电极 相连并构成子模块结构A5的负极端；所述功率开关管Si~S4的基极均接收外部设备提供 的开关控制信号。 第六种应用于MMC的子模块结构A6,包括两个电容Ci~C2、五个带有反并联二极 管的功率开关管Si~S5以及一个所述的混合型功率开关；其中，功率开关管si的发射极与 功率开关管S2的集电极相连并构成子模块结构A6的正极端，功率开关管Si的集电极与电 容Q的正极和功率开关管S3的集电极相连，功率开关管S2的发射极与电容Ci的负极和混 合型功率开关的阴极相连，功率开关管S3的发射极与电容C2的负极和功率开关管S4的发 射极相连，功率开关管s4的集电极与功率开关管S5的发射极相连并构成子模块结构A6的 负极端，功率开关管S5的集电极与电容C2的正极和混合型功率开关的阳极相连；所述功率 开关管Sl~S5的基极均接收外部设备提供的开关控制信号。 所述的功率开关管由至少一个IGBT串联或并联组成；所述的M0S管由至少一个 M0SFET并联组成。 对于采用子模块结构A1~A6中任一子模块结构的MMC的控制方法为： 在MMC正常工作状态下，对于MMC中采用混合型功率开关的任一子模块，开通其 混合型功率开关中的双向电力电子开关和机械开关，关断其混合型功率开关中的功率开关 管，子模块中其余所有功率开关管的投切根据所要投入的电平进行动作； 在MMC直流侧短路故障状态下，对于MMC中采用混合型功率开关的任一子模块，关 断其混合型功率开关中的双向电力电子开关、机械开关、功率开关管以及子模块中其余所 有功率开关管。 对于采用子模块结构A1、A3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合型功率开关，其特征在于：包括一机械开关、一带有反并联二极管的功率开关管以及一双向电力电子开关；其中：机械开关的一端与所述功率开关管的集电极相连并构成所述混合型功率开关的阳极，机械开关的另一端与双向电力电子开关的一端相连，双向电力电子开关的另一端与所述功率开关管的发射极相连并构成所述混合型功率开关的阴极；所述的双向电力电子开关由两个带有反并联二极管的MOS管连接组成，两个MOS管的源极共连，两个MOS管的漏极分别作为双向电力电子开关的两端；所述功率开关管的基极、MOS管的栅极以及机械开关的控制极均接收外部设备提供的开关控制信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李武华，董玉斐，杨贺雅，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33