一种功率半导体器件的金属氧化物避雷器复合式直串结构

1.本发明属于高压直流输电领域，特别涉及一种功率半导体器件的金属氧化物避雷器(mov)复合式直串结构。


背景技术：

2.高压直流输电技术(hvdc，high-voltage direct current)由于其输送容量大、损耗低、可靠性高等优势，目前被广泛应用。利用hvdc技术进行能量变换、交直流输送的核心技术是电力电子技术，而其中最关键的元件是功率半导体器件。由于高压直流输电需要电压等级高、传输容量大，因此需要大量的功率半导体器件进行直接串联。大量功率半导体器件的直串由于器件本身参数差异、控制延迟不一致等问题，因而在世界范围内一直难以大规模的良好实现。
3.高压直流输电中经常采用的功率半导体器件有晶闸管(scr)、绝缘栅型双极晶体管(igbt)、门极关断晶闸管(gto)、集成门极换流晶闸管(igct)、注入增强栅晶体管(iegt)、二极管(diode)等。其中，晶闸管为半控器件，二极管为不控器件，其余均为可关断类全控器件。在高压直流换流器、断路器、耗能装置中，往往均需要上百个的功率半导体器件直串：
4.1、高压直流换流器包含晶闸管阀串和可关断管阀串的混合串联，晶闸管阀串和可关断阀串的比例各可以为0-100％。其中，可关断管阀串可包含具有双向阻断能力的igct或gto或igbt或iegt中的一种或多种，也可为不具有双向阻断能力的igct或gto或igbt或iegt等可关断类全控器件与二极管这种不控器件串联组合，如图1所示，示例性地，高压直流换流器的桥臂ap、bp、cp、an、bn、cn均由晶闸管阀串(由晶闸管s1，
…
，sk串联组成，k≥1)和可关断管阀串(由可关断管q1，
…
，qm串联组成，m≥1)串联构成。
5.2、高压直流断路器的电力电子支路主要由可关断管阀串组成，可关断管阀串可包含不具有双向阻断能力的igct或gto或igbt或iegt中的一种或多种，也可为具有双向阻断能力的igct或gto或igbt或iegt中的一种或多种，也可为不具有双向阻断能力的igct或gto或igbt或iegt等可关断类全控器件与二极管这种不控器件串联组合，也可为不具有双向阻断能力的igct或gto或igbt或iegt等可关断类全控器件与二极管这不控器件的反并联组合。如图2所示，示例性地，高压直流断路器的电力电子支路可由可关断管阀串(由可关断管q1，
…
，qm串联组成，m≥1)并联组成。
6.3、高压直流耗能装置主要由可关断管阀串组成，可关断管阀串可包含不具有双向阻断能力的igct或gto或igbt或iegt中的一种或多种，也可为不具有双向阻断能力的igct或gto或igbt或iegt等可关断类全控器件与二极管这种不控器件的反并联组合。示例性地，如图3所示，高压直流耗能装置包括可关断管阀串(由可关断管q1，
…
，qn串联组成，n≥1)。
7.现有的高压直流输电技术中，亟需在如高压直流换流器、断路器、耗能装置等装置中，实现理想的功率半导体器件直串结构，以解决目前现有的功率半导体器件大规模串联困难，直串实现难度高的问题。


技术实现要素：

8.针对上述问题，本发明提供一种功率半导体器件的mov复合式直串结构。
9.本发明的功率半导体器件的金属氧化物避雷器复合式直串结构，包括可关断管单元，
10.所述可关断管单元包括可关断管和与所述可关断管连接的复合式辅助电路；
11.所述复合式辅助电路包括并联的缓冲支路和金属氧化物避雷器支路。
12.进一步，
13.所述缓冲支路包括均压电阻r
p
。
14.进一步，
15.所述金属氧化物避雷器支路包括第一金属氧化物避雷器mov、第二金属氧化物避雷器movs、电容cs；
16.所述第一金属氧化物避雷器mov和所述均压电阻r
p
并联，即所述第一金属氧化物避雷器mov的一端与所述均压电阻r
p
的一端连接，所述第一金属氧化物避雷器mov的另一端与所述均压电阻r
p
的另一端连接；
17.所述第二金属氧化物避雷器movs的一端与所述均压电阻r
p
的一端连接；
18.所述第二金属氧化物避雷器movs与所述电容cs的构成串联结构mov
s-cs，其中，所述第二金属氧化物避雷器movs的另一端与所述电容cs的一端连接；
19.所述电容cs的另一端连接所述第一金属氧化物避雷器mov的另一端；
20.所述均压电阻r
p
的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述均压电阻r
p
的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
21.进一步，
22.所述金属氧化物避雷器支路包括第一金属氧化物避雷器mov、负荷开关、电容cs；
23.所述第一金属氧化物避雷器mov和所述均压电阻r
p
并联，即所述第一金属氧化物避雷器mov的一端与所述均压电阻r
p
的一端连接，所述第一金属氧化物避雷器mov的另一端与所述均压电阻r
p
的另一端连接；
24.所述负荷开关与所述电容cs的构成串联结构负荷开关-cs，其中，所述负荷开关的一端与所述均压电阻r
p
的一端连接，所述负荷开关的另一端与所述电容cs的一端连接，所述电容cs的另一端连接所述第一金属氧化物避雷器mov的另一端；
25.所述均压电阻r
p
的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述均压电阻r
p
的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
26.进一步，
27.所述负荷开关为下列器件之一：电磁开关、晶闸管、真空开关、熔断器、熔融器、热敏开关，
28.若所述负荷开关存在正负方向，则所述负荷开关的正极连接至所述可关断管的第一电极，所述负荷开关的负极连接至所述电容cs；若所述负荷开关不存在正负方向，则所述负荷开关两端的任意一端连接至所述可关断管的第一电极，所述负荷开关两端的另一端连接至所述电容cs。
29.进一步，
30.所述电容cs并联有放电电阻rd。
31.进一步，
32.所述电容cs并联有放电电阻rd。
33.进一步，
34.所述可关断管单元不止一个且依次串联，依次串联的各所述可关断管单元中的所述第一金属氧化物避雷器mov也对应地依次串联，构成多级金属氧化物避雷器。
35.进一步，
36.所述金属氧化物避雷器支路包括第三金属氧化物避雷器movd、第二金属氧化物避雷器movs、电容cs；
37.所述第三金属氧化物避雷器movd和所述电容cs并联，即所述第三金属氧化物避雷器movd的一端与所述电容cs的一端连接，所述第三金属氧化物避雷器movd的另一端与所述电容cs的另一端连接；
38.所述第二金属氧化物避雷器movs的一端与所述均压电阻r
p
的一端连接；
39.所述第二金属氧化物避雷器movs与所述电容cs的构成串联结构mov
s-cs，其中，所述第二金属氧化物避雷器movs的另一端与所述电容cs的一端连接；
40.所述电容cs的另一端连接所述均压电阻r
p
的另一端；
41.所述均压电阻r
p
的一端连接至所述可关断管的第一电极，所述均压电阻r
p
的另一端连接至所述可关断管的第二电极。
42.进一步，
43.所述可关断管为下列器件之一：绝缘栅型双极晶体管、集成门极换流晶闸管、门极关断晶闸管、注入增强栅晶体管，
44.所述可关断管为绝缘栅型双极晶体管或集成门极换流晶闸管时，所述第一电极为集电极，所述第二电极为发射极；
45.所述可关断管为门极关断晶闸管或注入增强栅晶体管时，所述第一电极为阳极，所述第二电极为阴极。
46.进一步，
47.所述第一金属氧化物避雷器mov、第二金属氧化物避雷器movs和第三金属氧化物避雷器movd均可采用无间隙式、间隙式、或带有主动开关控制的可控避雷器式。
48.本发明的功率半导体器件的mov复合式直串结构在采用并联的缓冲支路和mov支路实现动静态均压的基础上，实现快速关断，钳制电压过电压，并能在某一功率半导体器件拒导通时，有效保护其他功率半导体器件不受损坏；可以实现功率半导体器件在开通和关断过程的电压均衡，并钳制电压过电压，保护好功率半导体器件不受过电压损坏。
49.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
50.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
这些附图获得其他的附图。
51.图1示出了根据现有技术的高压直流换流器晶闸管阀串和可关断管阀串的混合串联结构示例图；
52.图2示出了根据现有技术的高压直流断路器的电力电子支路结构示例图；
53.图3示出了根据现有技术的高压直流耗能装置结构示例图；
54.图4示出了根据本发明实施例的功率半导体器件的mov复合式直串结构图一；
55.图5示出了根据本发明实施例的功率半导体器件的mov复合式直串结构图二；
56.图6示出了根据本发明实施例的功率半导体器件的mov复合式直串结构图三；
57.图7示出了根据本发明实施例的功率半导体器件的mov复合式直串结构图四；
58.图8示出了根据本发明实施例的功率半导体器件的mov复合式直串结构图五；
59.图9示出了根据本发明实施例的功率半导体器件的mov复合式直串结构图六；
60.图10示出了根据本发明实施例的功率半导体器件的mov复合式直串结构图七；
61.图11示出了根据本发明实施例的功率半导体器件的mov复合式直串结构图八；
62.图12示出了根据本发明实施例的功率半导体器件的mov复合式直串结构图九。
具体实施方式
63.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所
64.有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
65.本发明的功率半导体器件的mov复合式直串结构可取如图4～图12所示的各结构。下面取可关断管为igbt，具体介绍图4～图12所示的各结构。本发明的mov复合式直串结构包括可关断管单元，mov复合式直串结构可由多个可关断管单元依次串联组成，每个可关断管单元均包括可关断管igbt和与可关断管连接的复合式辅助电路。所述复合式辅助电路包括并联的缓冲支路和mov支路。
66.图4所示为本发明的第一种功率半导体器件的mov复合式直串结构。由图4可知，本发明的第一种mov复合式直串结构中，缓冲支路包括均压电阻r
p
，mov支路包括第一金属氧化物避雷器mov、第二金属氧化物避雷器movs、电容cs。mov和r
p
并联，即mov的一端与r
p
的一端连接，mov的另一端与r
p
的另一端连接；movs的一端与r
p
的一端连接，movs的另一端与电容cs的一端连接，电容cs的另一端连接mov的另一端，即movs与电容cs的构成串联结构mov
s-cs，而串联结构mov
s-cs又与mov并联；r
p
的一端连接至igbt的集电极，r
p
的另一端连接至igbt的发射极。
67.图5所示为本发明的第二种功率半导体器件的mov复合式直串结构。所述第二种功率半导体器件的mov复合式直串结构与图4所示的第一种功率半导体器件的mov复合式直串结构比较，差别在于，可关断管单元中以负荷开关替换了movs，构成了新的串联结构负荷开关-cs，负荷开关可以采用电磁开关、晶闸管、真空开关、熔断器、熔融器、热敏开关等主动或被动元件。若所述主动或被动元件存在正负方向，则其正极连接至可关断管igbt的集电极，其负极连接至电容cs；若所述主动或被动元件不存在正负方向，则其两端的任意一端均可
连接至可关断管igbt的集电极，另一端连接至cs。
68.图6所示为本发明的第三种功率半导体器件的mov复合式直串结构。所述第三种功率半导体器件的mov复合式直串结构与图4所示的第一种功率半导体器件的mov复合式直串结构比较，差别在于，可关断管单元中电容cs并联有放电电阻rd。
69.图7所示为本发明的第四种功率半导体器件的mov复合式直串结构。所述第四种功率半导体器件的mov复合式直串结构与图4所示的第一种功率半导体器件的mov复合式直串结构比较，差别在于，依次串联的各可关断管单元中的mov也对应地依次串联构成多级mov。
70.图8所示为本发明的第五种功率半导体器件的mov复合式直串结构。所述第五种功率半导体器件的mov复合式直串结构与图5所示的第二种功率半导体器件的mov复合式直串结构比较，差别在于，依次串联的各可关断管单元中的mov也对应地依次串联构成多级mov。
71.图9所示为本发明的第六种功率半导体器件的mov复合式直串结构。所述第六种功率半导体器件的mov复合式直串结构与图6所示的第三种功率半导体器件的mov复合式直串结构比较，差别在于，依次串联的各可关断管单元中的mov也对应地依次串联构成多级mov。
72.图10所示为本发明的第七种功率半导体器件的mov复合式直串结构。所述第七种功率半导体器件的mov复合式直串结构与图5所示的第二种功率半导体器件的mov复合式直串结构比较，差别在于，可关断管单元中电容cs并联有放电电阻rd。
73.图11所示为本发明的第八种功率半导体器件的mov复合式直串结构。所述第八种功率半导体器件的mov复合式直串结构与图10所示的第七种功率半导体器件的mov复合式直串结构比较，差别在于，依次串联的各可关断管单元中的mov也对应地依次串联构成多级mov。
74.图12所示为本发明的第九种功率半导体器件的mov复合式直串结构。所述第九种功率半导体器件的mov复合式直串结构与图4所示的第一种功率半导体器件的mov复合式直串结构比较，差别在于，所述第九种功率半导体器件的mov复合式直串结构中没有设置第一金属氧化物避雷器mov，而是设有第三金属氧化物避雷器movd，且movd与电容cs并联。
75.在上述的实施例中，可关断管取为igbt，而在实际工作中，可关断管还可取为如igct或gto或iegt。当可关断管取为igct或gto时，上述实施例中的集电极应为阳极，发射极应为阴极。且本发明所采用的第一金属氧化物避雷器mov、第二金属氧化物避雷器movs和第三金属氧化物避雷器movd均可采用无间隙式、间隙式、或带有主动开关控制的可控避雷器式。
76.本发明的mov复合式直串结构可实现：1.采用并联mov复合式电路(即mov复合式直串结构中包括movs和cs)的方法，加快关断时的电流衰减，加速换流过程。2.采用并联有源电路(即mov复合式直串结构中包括负荷开关和cs)的方法，可控关断过程的电流换流，进行动态电压调控，负荷开关可以采用电磁开关或晶闸管等主动或被动元件。3.采用金属氧化物避雷器支路严格箝位过电压，保护功率半导体器件不被过压击穿。4.金属氧化物避雷器支路可实现单级或多级设计，能在某一功率半导体器件拒导通时，有效保护其他功率半导体器件不受损坏。从而充分提高器件的运行可靠性。
77.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的精神和范围。