[0001] 本公开涉及高压旁路器件、其在电压源变换器(voltage source converter)中的应用、以及用于高压旁路器件的操作方法。

[0002] 高压(HV)装置，如运行在超过1kV或更高电压的电压变换器，通常包括多个开关器件，如功率半导体开关器件，它们选择性地连接或断开两个不同的电压电势。例如，所谓的模块化多单元变换器(Modular Multi‑cell Converters,MMC)包括多个开关单元，以从给定的输入电压生成所需的输出电压。例如，这种变换器在高压直流(HVDC)输电系统中是有用的。由于此类装置是关键基础设施的一部分，因此它们应该可靠运行，即使在变换器的单个组件发生故障的情况下也是如此。

[0003] 众所周知的是，使用机械旁路开关(Bypass Switch,BPS)或断路器来旁路发生故障的开关组件。然而，提供额外的机电组件增加了整体装置的复杂性和显著成本。替代地，可以采用特定的半导体保护器件。然而，由于高压装置涉及较大的电压和电流，基于半导体的保护器件通常需要主动冷却，这也增加了高压装置的复杂性和显著成本。如果冗余地提供这些组件，例如为了满足可靠性要求，则增加的复杂性和成本会翻倍。

[0041] 图1A以示意方式示出了第一旁路器件10的功能部件。旁路器件10包括第一端子11和第二端子12，用于将旁路器件10连接到要旁路的器件的相应电连接。例如，旁路器件10可以与开关器件(如IGBT)和/或机械旁路开关并联连接，以便在相应器件发生故障时被短路。

[0042] 两个端子11和12通过绝缘外壳等的多个部件彼此电隔离，从而形成空腔13。第一端子11的多个部分形成突出到空腔13中的第一电极14。类似地，第二端子12的多个部分形成突出到空腔13中的第二电极15。第一电极14和第二电极15一起在其间形成火花间隙16。火花间隙16用作第一旁路器件10的触发元件，并且在第一端子11和第二端子12之间发生过电压状况的情况下被触发。触发旁路器件10的过电压值由两个电极14和15之间的形状和距离以及填充空腔13的潜在气体决定。根据一个实施例，保护气体或真空可以填充空腔13。例如，5kV的电压可以触发火花间隙16的电弧。

[0043] 在图1A所示的旁路器件10中，第二端子12形成填充有导电可流动材料18的储液器17的外壁。在所示的实施例中，导电可流动材料18被布置在第二端子12的中心部分，即在旁路器件10的安装位置直接位于第一电极14上方。储液器17和其下方的空腔13之间的通道由闸门19密封。闸门19被布置在第二电极15附近。例如，如图所示，由低熔点的薄聚合物材料形成的膜可被用来将导电可流动材料18密封在储液器17内。

[0044] 在图1B所示的情况下，在第一端子11和第二端子12之间发生过电压状况。因此，在第一端子14和第二电极15之间形成火花20。与火花20相关的热量，例如加热的等离子体熔化或以其他方式破坏闸门19的至少一部分。在图1A至1C所示的实施例中，使储液器17和空腔13隔开的膜基本上全部被破坏。在另一实施例中，只有闸门19的部分可能被破坏，从而触发储液器17和空腔13之间的密封的机械破坏。例如，由聚合物材料形成的保险丝可能被火花20破坏，并释放弹簧加载的分隔器(未示出)。因此，导电可流动材料18在重力作用下流入空腔13。

[0045] 在图1C所示的情况下，空腔13的下部被填充以导电可流动材料18，使得导电可流动材料18与第一电极14和第二电极15都接触。因此，在第一端子11和第二端子12之间形成永久导电路径21。与高功率半导体开关器件相反，导电路径21不需要主动冷却。

[0046] 例如，可以使用在常压和20℃室温下为液体的金属材料。例如，汞和某些镓基金属合金，如镓、铟、和锡合金(也称为Galistan)，熔点分别约为‑39℃和‑19℃，具有较低的电阻。根据运行条件，在高压旁路器件10被安装在变换器或高压电气装置的其他部分中并且持续在相应金属的熔点以上运行的情况下，也可以使用熔点稍高的金属或金属合金，例如，熔点约为30℃的镓。

[0047] 作为另一示例，粉末或粒状材料可被用作导电可流动材料18。例如，粒径在微米范围内的相对较小的铜颗粒可被用来形成电气通路21。如果使用相对细的粉末，则流过旁路器件的高电流可能会反过来熔化填充电极之间的间隙的粉末物质的一部分，并形成与原始粉末相比电阻更低的导电路径20。

[0048] 图2A至2C示出了第二高压旁路器件10的另一实施方式。根据图2A至2C的高压旁路器件10的大多数组件对应于图1A至1C所示的高压旁路器件10的相应组件。因此，这里仅描述差异。

[0049] 与第一实施例不同，在图2A所示的第二高压旁路器件10中，第一和第二端子11和12形成旁路器件10的相对侧壁。因此，第一电极14和第二电极15从相应的侧壁朝向空腔13的中心突出。空腔13的底部由绝缘底部22形成。可流动材料18被布置在作为旁路器件10的绝缘顶部23形成的储液器17中。根据所使用的可流动材料18，储液器17可以在顶部打开，如图所示，用盖子(未示出)密封。

[0050] 如前所述，闸门19被布置在形成火花间隙16的两个电极13和14之间的直线上方并靠近该直线。如图1B所示，在第一端子11和第二端子12之间的过电压状况下形成火花20。因此，闸门19将被部分或完全破坏，可流动材料18将部分或完全填充被布置在储液器17下方的空腔13。如图2C的具体实施例所示，导电可流动材料18基本上填充整个空腔13。

[0051] 图3示出了包括根据本公开的旁路器件10的高压装置的部分。具体地，描绘了可用于电压源变换器(如稍后描述的模块化多单元变换器(MMC))的单个开关单元30。

[0052] 图3所示的开关单元30包括半桥31，该半桥由图3中的电容器表示的电压源32和串联连接在电压源32的两个端子之间的两个IGBT 33a和33b组成。每个IGBT 33a和33b还分别具有相应的二极管34a和34b，这些二极管沿相反方向传导电流。这可以采用集成体二极管或外部二极管的形式。

[0053] 在两个IGBT之间，形成电触点35，其可用于例如将半桥31产生的电压输出到高压装置(未示出)。

[0054] 在图3所示的半桥31的下IGBT 33a不能被激活(即闭合)的情况下，整个开关单元30将永久断开电参考触点36和电触点35之间的电气路径。因此，包括所述开关单元30的变换器或电气装置的其他部分将阻断任何要传输的电流。

[0055] 为了避免这种情况，根据图3，旁路器件10(如上文关于图1A至2C详细描述的旁路器件)与第一IGBT 33a并联安装。如上所述，在下IGBT 33a不能被激活的情况下，即通过向其控制栅极提供相应的栅极电压，电触点35和参考触点36之间将发生过电压状况。因此，火花20将在旁路器件10的火花间隙16内被触发，从而释放导电可流动材料18以形成穿过旁路器件10的永久导电路径21(另见图7的步骤S1至S5)。这实际上缩短了开关单元30并保持了参考触点36和电触点35之间的电气通路。电流可以自由流过单元30，从而使整个变换器能够继续运行。

[0056] 如上所述，闸门19可以由在过电压状况下基本上被破坏的聚合物材料形成。因此，电气旁路器件10可以仅被触发一次。因此，它也可以被称为牺牲组件，特别是牺牲火花短路器件。

[0057] 虽然旁路器件10的设置相对简单并因此制造成本低廉，但可能希望以受控方式实现旁路第一IGBT 33a的额外方式。因此，在图3所示的实施例中，附加的机械旁路开关37可以被并联连接到第一IGBT 33a和旁路器件10。机械旁路开关37可以由相应的控制电路(未示出)控制。在控制电路确定开关单元30应被停用或IGBT 33a不能被成功激活的情况下，可以闭合机械旁路开关37以在参考触点36和电触点35之间建立电气通路。

[0058] 优选地，在旁路器件10中形成火花20之前，机械旁路开关37被控制电路激活。在这种配置中，只有当第一IGBT 33a和机械旁路开关37同时发生故障时，牺牲旁路器件10才会被激活。在实践中，开关单元30或IGBT 33a将具有特定的额定电压，例如1kV或3kV。在IGBT发生故障的情况下，机械旁路开关37将由监测电路触发。旁路器件10的第一电极14和第二电极15之间的间隙可以被配置为仅在电触点35和参考触点36之间的电压电势超过IGBT 33a的额定电压的两倍时被触发。在运行中，这种情况可能发生在机械旁路开关37发生故障的10ms内。

[0059] 图4示出了如何组合多个开关单元30以形成模块化多单元变换器40。在所描绘的实施例中，模块化多单元变换器40包括总共四个串联连接的开关单元30a至30d。其中，每个开关单元的参考触点被连接到前一个开关单元的电触点。第一开关单元30a的参考触点36被连接到电气参考电势，例如由高压传输线提供的外部电压。最后一个开关单元30d的电触点35又可以被连接到MMC 40的输出端，例如直流(DC)网络，来自高压交流(HVAC)网络的能量将被提供到该直流(DC)网络中。

[0060] MMC 40的每个开关单元30a至30d可以包括如上所述的旁路器件10中的一个。为了清楚起见，仅示出了用于第二开关单元30b的单个旁路器件10。如果开关单元30中的任何一个的IGBT 33中的一个发生故障，通过相应的旁路器件10，从外部参考电势到输出线的电传输仍然是可能的。虽然例如第二开关单元30b的故障将对MMC 40的性能产生负面影响，但它仍然可以保持运行，从而允许控制关闭或修复变换器的故障部分。

[0061] 图5A至5C示出了第三高压旁路器件10的另一实施方式。根据图2A至2C的高压旁路器件10的大多数组件对应于图1A至1C和图2A至2C所示的高压旁路器件10的相应组件。因此，这里仅描述差异。

[0062] 与第一和第二实施例不同，在第三高压旁路器件10中，采用压敏电阻50作为触发元件。压敏电阻50被放置在空腔13的中心部分，位于闸门19下方并与闸门19物理隔开。如图5A所示，压敏电阻50的端子分别与旁路器件10的(外部)第一和第二端子11和12电连接。在所描绘的实施例中，压敏电阻50的端子分别与第一电极14和第二电极15直接接触，形成空腔13的侧壁51的相应导电部分。电极14和15又与第一端子11和第二端子12电连接或一体形成。

[0063] 众所周知，压敏电阻的电阻会根据其两端的电压而变化。压敏电阻是具有非线性电特性的陶瓷组件。一般来说，压敏电阻，也称为电涌保护器(surge arrester)，在正常运行期间，当其两端的电压远低于阈值电压(也称为钳位电压)时，保持不导电或高欧姆。在高于该阈值的电压(也称为开关电压)下，压敏电阻变为导电。在标准应用中，如过电压保护，压敏电阻被用来吸收给定的最大能量。但是，如果能量高于此最大值，则会发生强烈的温升甚至热失控。

[0064] 在第三实施例中，压敏电阻50被故意推至热失控，使得压敏电阻50中产生大量的热量。因此，当端子11和12之间发生过电压状况时，压敏电阻50变热并触发闸门19(例如，通过使其熔化或蒸发等)。

[0065] 如前所述，闸门19被布置在由压敏电阻50形成的触发元件上方并靠近触发元件。如图5B所示，在第一端子11和第二端子12之间发生过电压状况的情况下，会产生并散发热量52。因此，闸门19将被部分或完全破坏，可流动材料18将部分或完全填充布置在储液器17下方的空腔13。如图5C所示的具体实施例所示，导电可流动材料18基本上填充整个空腔13。

[0066] 在图5C所示的情况下，压敏电阻50被导电可流动材料18有效地旁路，该材料直接接触电极14和15，这两个电极形成了空腔13的侧壁51的相应导电部分。压敏电阻50本身可能被热失控情况部分或完全破坏。然而，这对于导电可流动材料18形成电气旁路并不重要。

[0067] 图6A至6C示出了第四高压旁路器件10的另一实施方式。根据图6A至6C的高压旁路器件10的大多数组件对应于图5A至5C所示的高压旁路器件10的相应组件。因此，这里仅描述差异。

[0068] 如前所述，压敏电阻50被用作第四高压旁路器件10中的触发元件。与前述实施例相反，压敏电阻50被布置为与闸门19直接热接触。因此，压敏电阻50响应于过电压状况而产生的热量直接作用于闸门材料。这通常会导致快速响应时间。此外，这种配置在空腔填充有真空或热性能较差的保护气体的情况下可能是有用的。

[0069] 如图6B的横截面所示，压敏电阻50没有延伸到空腔13的整个深度，在闸门19被释放之前，压敏电阻50和隔离前壁54和/或隔离后壁55之间留下了开放区域53。

[0070] 如图6C的横截面所示，在触发压敏电阻50时，闸门19至少部分被破坏，可流动材料18穿过开放区域53以部分或完全填充空腔13。

[0071] 图7再次以示意方式示出了旁路器件10的激活期间发生的步骤。

[0072] 在第一步骤S1中，旁路器件10两端发生过电压。请注意，由于另一组件的故障，例如机械旁路开关的激活失败，过电压的产生可能会自动发生。

[0073] 在步骤S2中，连接到承载过电压的两个端子11和12的触发元件被触发。例如，触发元件可能会响应于过电压状况而产生热量。例如，如果第一端子11和第二端子12之间的电压电势超过预定电压，则将在两个电极14和15之间产生火花20。替代地，压敏电阻50或类似电气部件中的热失控状态可用于产生热量，例如通过欧姆加热。

[0074] 在步骤S3中，响应于步骤S2的触发事件，释放使可流动材料18与相应的空腔13隔开的闸门19。例如，包括热敏材料的闸门19可以由电弧(即火花20)或触发元件的热失控传导产生的热量释放。例如，火花20的产生可能会导致局部产生热等离子体，这反过来会熔化、蒸发、或燃烧聚合物材料从而释放闸门19。类似地，压敏电阻50的热失控情况也释放出足以熔化、蒸发、或燃烧聚合物材料的热量。

[0075] 在没有闸门19的情况下，在步骤S4中，导电可流动材料18将填充布置在被破坏的闸门19的另一侧的空腔13。这可能是由于作用在可流动材料18上的重力作用而自然发生的，也可能是由外力(如弹簧加载机构)辅助或执行的。

[0076] 一旦导电可流动材料18填充了第一端子11和第二端子12之间的空间到足够的程度，例如通过接触第一电极14和第二电极15，就形成了固体或液体导电路径21。

[0077] 虽然本公开可做出各种修改和替代形式，但其细节已在附图中以示例的方式示出，并将详细描述。然而，应当理解，意图并不是将本公开限制到所描述的具体实施例。相反，意图是涵盖落入所附权利要求书定义的公开范围内的所有修改、等同、和替代。

[0078] 例如，虽然本发明已经针对半桥31和MMC变换器40进行了描述，但它同样可以应用于全桥和/或其他类型的功率变换器。

[0079] 附图标记

[0080] 10 旁路器件

[0081] 11 第一端子

[0082] 12 第二端子

[0083] 13 空腔

[0084] 14 第一电极

[0085] 15 第二电极

[0086] 16 火花间隙

[0087] 17 储液器

[0088] 18 可流动材料

[0089] 19 闸门

[0090] 20 火花

[0091] 21 导电路径

[0092] 22 绝缘底部

[0093] 23 绝缘顶部

[0094] 30 开关单元

[0095] 31 半桥

[0096] 32 电压源

[0097] 33a/b IGBT

[0098] 34a/b体二极管

[0099] 35 电触点

[0100] 36 参考触点

[0101] 37 机械旁路开关

[0102] 40 模块化多单元变换器

[0103] 50 压敏电阻

[0104] 51 侧壁的导电部分

[0105] 52 热量

[0106] 53 开放区域

[0107] 54 隔离前壁

[0108] 55 隔离后壁