转换器中半导体设备的状态监测的制作方法

1.本发明涉及半导体设备的状态监测，具体涉及转换器中的半导体开关的状态监测，特别是模块化多电平转换器中的半导体开关的状态监测。


背景技术：

2.多电平转换器用于广泛多种转换器应用。当使用较高的电压电平时，会超出典型半导体设备的电压额定值和/或电流额定值，并且需要半导体设备的并联连接或串联连接来处理电压或电流。然而，因为开关设备需要匹配，使得对电流和电压均匀分配，所以半导体开关的并联操作或串联操作并不简单。在多电平转换器中，电压在转换器内部进行分配，使得每个半导体开关设备在较小的电压下操作。这些较小的电压阶跃用于通过串联所需数量的较小电压来构建较高电压。
3.多电平转换器的典型应用包括例如太阳能逆变器、柔性ac传输系统(facts)、statcom和高压dc(hvdc)功率传输。多电平转换器也可以在整流模式或逆变模式下运行。例如，在hvdc传输应用中，多电平转换器通常用于dc传输线路的两端，用于将ac电压整流为dc电压，并且将dc电压逆变为ac电压。
4.一种类型的多电平转换器是模块化多电平转换器(mmc)，其中堆叠了所需数量的有源转换单元。每个单元或子模块都包含自己的存储电容器以及可控开关。电容器的电压可以被旁路，也可以与其他电容器串联连接用于形成输出电压。每个子模块充当生成具有零伏或非零电压值的电压的独立转换器。mmc转换器可以在转换器的一个分支中包括数百个子模块，该分支构成转换器的一个相位。当串联连接的子模块的数目增加时，可以增加转换器的电压额定值。
5.子模块可以采用半桥或全桥拓扑结构。在半桥拓扑结构中，两个可控开关部件用于将电容器的电压连接到电路或使电容器旁路，而在全桥电路中，采用四个可控开关设备。还存在用于将电容器的电压连接到电路或使电容器旁路的其他拓扑结构。
6.mmc转换器是关键设备，因为转换器的故障可能会导致操作中断。例如，在hvdc传输中，转换器的操作应尽可能可靠，用于确保持续的功率传输。在已知设备中，在设备使用期间无法确定子模块的工作状态。设备的维护可以通过计算大概的工作时间和估计何时应该使用新子模块更换子模块来进行。另一备选方案是从电路中移除子模块并且离线测量其健康状态。进一步地，当子模块连接到转换器时，可以对设备进行有限测量。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的是提供一种方法和实现该方法的装置，以便克服上述问题。本发明的目的通过一种方法和一种装置来实现，其特征在于独立权利要求中所述。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。
8.本发明基于断开子模块的电容器的电压并且对被控制为阻断状态的可控开关部件执行测量的思想。在测量期间，子模块的输出为零，即，电容器的电压未连接到子模块的
输出，形成了通过子模块的电流路径。所进行的测量可以是曲线跟踪测量，其中获得某些电流或电压曲线，从中可以确定开关设备的工作状态。
9.本发明的方法和装置的一个优点是子模块的状态以及因此转换器的状态可以在转换器使用期间被确定。本发明的方法和装置可以使用少量的附加电路来实现。通过本发明的方法和装置，可以实现装置的状态监测的自动化。进一步地，状态监测可以提供能够在故障情况之前预测故障并且更换子模块的信息。
附图说明
10.在下文中，参考附图借助于优选实施例对本发明进行更详细的描述，其中：
11.图1示出了模块化多电平转换器的堆叠子模块的示例；
12.图2a和图2b示出了子模块的示例；
13.图3示出了本发明的一个实施例；
14.图4和图5示出了通过曲线跟踪获得的电压-电流特点的示例；
15.图6示出了statcom中采用堆叠子模块的示例。
具体实施方式
16.图1示出了模块化多电平转换器的一个相位的基本电路布置。两个单元或子模块单元1和单元n如图1所示。这些子模块的数目不限于任何特定数目，并且可以堆叠大量子模块。进一步地，系统的每个相位都由类似堆叠的子模块形成。dc电压可连接在堆叠子模块的端部之间，并且dc电压以已知方式在子模块的电容器之间分配。图1的电路经过高度简化，从而仅示出了堆叠子模块，这些子模块通过电感器连接到交流电压。
17.图2a示出了子模块或单元的示例。该示例的子模块由全桥电路和电容器构成。全桥电路包括四个可控开关，电容器电压可以通过这些可控开关连接到串联连接子模块，或电容器可以以已知方式被旁路。图2b示出了包括半桥电路和电容器的子模块的另一示例。图6示出了用于调节网络中的功率的连接到网络的statcom。在图6的示例中，y型连接的statcom在每个相位中包括四个堆叠子模块。
18.在本发明的方法中，从模块化多电平转换器中选择子模块，并且控制所选择的子模块的可控开关以形成通过子模块的电流路径。所形成的电流路径是指没有子模块的电容器的路径。由于电容器未连接到路径，所以模块的输出为零伏。其他可控开关被控制到阻断状态。考虑图2a的子模块，当开关s1和s3被控制为导通并且开关s2和s4被控制为阻断时，通过开关s1和s3形成通过子模块的电流路径，并且子模块的输出电压为零伏。对应地，当开关s2和s4被控制为导通并且s1和s3阻断时，形成通过子模块的电流路径，子模块的输出电压为零伏。在与具有半桥电路的子模块连接时，诸如图2b，通过将开关s2控制为导通和将s1控制为阻断来形成电流路径。使用通过部件的电流路径，子模块的输出电压为零伏，电容器被旁路，因此电容器的电压没有连接到输出。
19.在本发明中，选择子模块以便对所选择的子模块的至少一个可控开关执行测量。子模块的选择可以定时方式进行，即，级别较高的控制系统可以跟踪子模块和先前测量的时刻。另一可能性是按某种次序选择子模块。例如，当可以进行测量时，子模块的选择按某种次序进行，该次序由级别较高的控制器跟踪。
20.进一步地，在本发明中，所选择的子模块的电容器的电压与子模块断开。随着电容器的电压的断开，它被称为导致电容器不与子模块的其余部分电连接的状态的动作。当断开时，电容器的电压不能产生流向子模块的电流。进一步地，在本发明中，当电容器的电压与子模块断开时，对没有携载电流的至少一个可控开关执行测量。
21.当系统的输入电压允许使一个子模块停止使用时，可以启用本发明的测量。进一步地，转换器可以被构建为在每个相位中具有冗余子模块。在这种情况下，主动操作中使用的子模块的数目少于系统的子模块的数目。即使当在标称电压下操作时，这种结构也可以使得一个或多个子模块停止使用。
22.当系统的输入电压允许停止使用一个子模块时，可以选择子模块并且继续系统的操作。馈入系统的电压在子模块的电容器之间分配。
23.一旦注意到系统的电压不需要所有子模块都在运行或当冗余子模块可用时，如上所述，子模块被选择。进一步地，根据本发明的实施例，如果测量的及时持续时间短于转换器的基波电压的半周期，则可以执行测量，如下文所更详细描述的。
24.以下参考图3对该方法的操作及其实施例进行描述，图3示出了本发明的装置的实施例。图3示出了具有全桥转换器的子模块的实施例。全桥转换器由诸如igbt s1、s2、s3、s4之类的四个可控开关设备形成。从开关s1和s2与开关s3和s4之间的点获得输出电压vout。开关可以用于控制电容器c到输出的电压或产生通过使电容器c旁路的子模块的电流路径，由此输出电压为零伏特。
25.图3示出了连接到每个可控开关元件的电极的栅极驱动电路ctrl1。栅极驱动器电路是能够以已知方式向可控开关元件提供合适栅极电压的电路。栅极驱动器从中央控制器central ctrl或另一计算或获得关于何时控制部件导通和阻断的指令的设备获得控制指令。进一步地，图3示出了为栅极驱动器产生辅助电压的电压转换器31。
26.根据本发明，子模块包括断开开关设备s5，该断开开关设备s5被布置为将子模块的电容器的电压与全桥断开。如图3所示，与桥式电路的开关相似，连接栅极驱动电路ctrl1以控制断路开关设备。当断路开关设备被控制到阻断状态时，电容器c的电压不会影响桥式电路，即，电流不能从电容器流出或流向电容器。因此，断开开关设备s5位于子模块中以断开电容器。开关设备s5可以是与桥式电路的开关设备相同的类型。然而，断开开关设备的类型也可以是任何其他可控开关设备。断开开关设备也从central ctrl设备获得控制。
27.本发明的测量可以在安装了冗余子模块时所需电压低到不需要所有子模块的情况下进行，或可以在小于电压的频率的半周期的时间段内进行测量。在上述情况中的前两种情况下，可以将转换器的子模块中的任一子模块控制为空闲状态。也就是说，例如，当安装一个冗余子模块时，一个子模块始终处于电流流过子模块并且来自该模块的输出为零伏特的状态。可以自由选择处于空闲状态的模块。同样，当所需电压较低时，可自由选择的子模块处于空闲状态。另一方面，当所有子模块都被使用时，测量应在活跃使用的子模块正在导通的时间段期间(即，当来自模块的输出为零伏特时)进行。
28.当在该方法中选择子模块时，使用开关s1和s3或s2和s4形成通过子模块的电流路径。一旦形成电流路径，输出电压就为零，可以使用开关s5断开电容器。应当指出，在对有源子模块进行测量时，由于转换器的调制而形成电流路径，在本发明中，使用电流路径的时间段进行测量。
29.一旦开关s5被打开以断开电容器，就可以对电容器断开时处于阻断状态的可控开关设备进行测量。也就是说，如果使用开关s1和s3形成电流路径，则可以一次测量开关s2和s4。在测量期间，开关s2和s4根据测量的需要被控制为on和off。
30.所执行的测量优选地是曲线跟踪测量。栅极驱动器单元ctrl1优选地被构造为执行所需测量。出于这个原因，栅极驱动器单元被示为连接到受控开关的每个端子。典型曲线跟踪测量包括集电极-发射极电压与集电极电流(vce与ic)、栅极-发射极电压与集电极电流(vge与ic)、栅极-发射极电容与集电极-发射极电压(cge与vce)、集电极-发射极电容与集电极-发射极电压(cce与vce)，集电极-栅极电容与集电极-发射极电压(cgc与vce)以及设备温度。曲线跟踪测量已知。在曲线跟踪中，可以确定不同操作有关曲线。在曲线跟踪中，对半导体开关端子生成不同电流或电压扫描。对于曲线跟踪，栅极驱动器单元连接到可控半导体开关的每个端子，也就是说，连接到集电极、栅极和发射极。栅极驱动器可能能够产生端子中的每个端子的可变电压和/或电流。例如，可以在曲线跟踪期间改变集电极-发射极电压。进一步地，栅极驱动器可以包括用于测量受控开关部件的每个端子中的电流和/或电压的电路系统。尽管曲线追踪方法众所周知，但是下文简要讨论一些测量。
31.开关元件可以进行的典型曲线跟踪测量包括栅极-发射极(vge)电压与集电极电流、集电极-发射极(vce)电压与集电极电流(ic)以及开关部件的输入电容和输出电容的测量。当半导体元件被离线测量时，这些测试是已知，并且以下进行简要讨论。
32.在栅极-发射极电压与集电极电流(或栅极-源极电压与漏极电流)测试中，栅极到发射极电压逐渐增加，类似于在dc电压固定时非常缓慢的导通转变。图4示出了这些测量结果的示例。测试的操作应足够慢，以便测量单元在转变期间获取多个数据点。可以针对集电极-发射极(或漏极-源极)电压的不同值重复该操作，这些值可以使用栅极驱动器单元进行改变。
33.图5示出了可通过测量获得的特点曲线的另一示例。图5示出了集电极-发射极电压与集电极电流的测量。测量通过以比正常操作更高的频率和更低的dc电压打开和关闭部件来进行。在图5中，dc电压的范围为0v至5v，而栅极电压则从9v变化到19v。
34.在不同的集电极-发射极电压下，缓慢的导通转变可以允许以可接受采样速率提取通过栅极和通过集电极-发射极的电荷量。由于开关元件的输入电容和输出电容的最大变化处于低集电极-发射极电压，所以本研究应在dc电压降低的情况下进行。可替代地，可以经由在不同的集电极-发射极电压下向设备的集电极-发射极和栅极注入高频信号并且测量对应电流来标识这些电容。
35.可以重复该过程，一次一个开关设备，一次一个子模块，直到覆盖所有子模块。然后，该过程可以在特定时间间隔后重复，并且用于标识半导体设备参数的变化。然后，可以使用这些变化来标识设备的健康状态。
36.与可控半导体开关s1
……
s4类似，当形成通过开关s1和s3或s2和s4的电流路径时，即，当电容器的电压未连接到输出时，可以对断开开关部件s5进行曲线跟踪。
37.上述测量能够提供数据，根据这些数据，可以确定可控开关部件的健康状态。数据可能包括多个数据点、各种曲线的插值、或估计值。例如，可以从产生曲线的测量中收集多个数据点。这些多个数据点可以用于形成具有参数的曲线，并且这些曲线参数可以用于估计设备的健康状态。进一步地，可以直接从测量中获得不同的值，并且这些值可以用作指示
健康状态。例如，这些值可以包括最大值或最小值、具有不同测量特性的最大值或最小值。上述测量是可以用于指示可控开关的健康状态的可能测量的示例。
38.从测量中获得的结果优选地与时间戳以及所测量的开关部件和子模块的标识一起存储在存储器中。当重复测量时，所获得的结果的改变更清楚地表明了所讨论的开关部件的健康或操作状态。例如，如果检测到某个测量结果的改变，则该部件的属性已经改变。该改变可能表明该部件将很快失效。
39.测量结果、所测量的值或指示数据可以存储在数据库中，该数据库可以包括关于健康设备的相应数据。关于健康设备的数据可以用于确定所获得的数据是否表明该设备即将结束。该数据库可以位于转换器的远程位置，并且数据可以使用通信网络传输到数据库。
40.根据本发明的实施例，当子模块或所选择的开关部件的温度已经达到特定水平时或在所选择的开关部件空闲一时间段之后，进行测量。转换器的子模块通常使用循环液体冷却。当半导体开关部件闲置一时间段后，冷却使开关部件的温度达到一定水平。当设备的温度达到一定水平时，温度变化不会对所获得的结果产生影响。因此在本实施例中，在开始曲线追踪之前，开始一定空闲时间，以使开关设备的温度下降到稳态水平。当所有测量都在降低的、已知的和大致相同的温度下进行时，就从测量中消除了温度变化的影响。因而，在一个实施例中，在状态监测期间执行的测量中的一个测量是温度测量。
41.在附图所示的实施例中，子模块由全桥电路形成。然而，子模块的拓扑结构不限于所示和描述的拓扑结构。
42.对于本领域的技术人员而言，显而易见的是，随着技术的进步，可以以各种方式实施本发明的概念。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。