ELEMENTOS DE PROTECCIÓN DE SEMICONDUCTORES PARA CONTROLAR CORTOCIRCUITOS EN EL LADO CC EN EL CASO DE CONVERTIDORES INDIRECTOS DE TENSIÓN.

Elementos de protección de semiconductores para controlar cortocircuitos en el lado CC en el caso de convertidores indirectos de tensión La invención se refiere a un dispositivo para convertir una corriente eléctrica con al menos un módulo de fase, que presenta una conexión de tensión alterna y al menos una conexión de tensión continua, en donde entre cada conexión de tensión continua y cada conexión de tensión alterna está configurado un ramal de módulo de fase y en donde cada ramal de módulo de fase dispone de un circuito en serie formado por submódulos, que en cada caso presentan al menos un semiconductor de potencia. Un dispositivo de este tipo se conoce ya del documento DE 101 03 031 A1. Allí se describe tanto un convertidor indirecto de tensión clásico como un convertidor indirecto de tensión con acumuladores de energía distribuidos. Los convertidores indirectos de tensión con acumuladores de energía distribuidos o divididos, y con la capacidad de conectar tensiones escalonadas, reciben también el nombre de convertidores de potencia multi-nivel. El convertidor indirecto de tensión descrito está previsto para conectarse a una red de tensión alterna multifásica, en donde el convertidor de potencia está unido a un segundo convertidor a través de un circuito de tensión continua. El segundo convertidor está conectado, en el lado de tensión alterna, a otra red de tensión alterna mono o multifásica. Para cada fase de la red de tensión alterna a conectar el convertidor dispone de un módulo de fase, que presenta una conexión de tensión alterna para conectar la fase de la red de tensión alterna y dos conexiones de tensión continua. Entre cada conexión de tensión continua y la conexión de tensión alterna se extienden ramales de módulo de fase, que para obtener tensiones elevadas se componen de un circuito en serie formado por semiconductores de potencia desconectables. En el caso de los semiconductores de potencia desconectables se trata por ejemplo de los llamados IGBTs, GTOs o IGCTs. Con ello está conectado en paralelo a cada semiconductor de potencia desconectable un diodo de funcionamiento libre en contrasentido. En el caso de convertidores indirectos de tensión clásicos está previsto en el circuito intermedio de tensión un condensador central como acumulador de energía. En lugar de un acumulador de energía central también es posible sin embargo, conforme al documento DE 101 03 031 A1, distribuir capacidades entre submódulos conectados en serie. Los citados submódulos presentan después en cada caso un condensador en conexión en paralelo con semiconductores de potencia. Los semiconductores de potencia comprenden semiconductores de potencia desconectables y diodos de funcionamiento libre, que están conectados en antiparalelo a los semiconductores de potencia desconectables. Cada ramal de módulo de fase del convertidor de potencia se compone de este modo de un circuito en serie de submódulos con acumuladores de energía propios. En los convertidores indirectos de tensión ya conocidos se producen, en caso de cortocircuito en el circuito de tensión continua, elevadas corrientes de fallo en el convertidor que se limitan fundamentalmente mediante una inductividad, es decir por ejemplo mediante un devanado dispuesto sobre los módulos de fase en el lado de tensión alterna. La corriente de fallo que se produce durante el cortocircuito es impulsada por la tensión de red y normalmente se interrumpe mediante la apertura de un conmutador de potencia, que separa la tensión alterna del convertidor. Sin embargo, determinadas formas constructivas de semiconductor pueden dañarse o destruirse ya de forma irreversible hasta la apertura del conmutador de potencia. Para evitar una destrucción de los semiconductores de potencia y en especial de los diodos de funcionamiento libre, hasta ahora se diseñaban los diodos de forma sobredimensionada para poder soportar durante un mayor periodo de tiempo una corriente de cortocircuito pronosticada. Sin embargo, una solución de este tipo no ha conducido a ningún resultado satisfactorio y es además costosa. Aparte de esto los semiconductores de potencia desconectables y los diodos de funcionamiento libre se ofrecen en el mercado normalmente juntos, por ejemplo en una carcasa común, de tal modo que un sobredimensionamiento de los diodos de funcionamiento libre hace necesaria una producción separada y costosa de los semiconductores de potencia. El documento De 103 23 220 A1 describe un convertidor indirecto de tensión, a cuya entrada se aplica una tensión alterna. El convertidor citado presenta ramales de módulo de fase que se componen de un circuito en serie de submódulos. Los ramales de módulo de fase están unidos entre sí a través de un transformador de frecuencia intermedia. Cada submódulo dispone de un acumulador de energía, al que está conectado en paralelo un circuito formado por conmutadores semiconductores de potencia. El acumulador de energía y el circuito de semiconductores de potencia forman un llamado circuito de puente integral. Para garantizar un descebado del submódulo, en el caso de fallar uno de los semiconductores de potencia, se propone conectar en paralelo al menos un elemento semiconductor electrónico al acumulador de energía. El documento DE 103 33 798 A1 describe un procedimiento para cortocircuitar un convertidor indirecto de tensión de este tipo, en donde el descebado se realiza mediante activaciones convenientes de los conmutadores semiconductores de potencia de los submódulos. La tarea de la invención consiste por ello en proporcionar un dispositivo de la clase citada al comienzo, que pueda soportar incluso corrientes de cortocircuito elevadas durante un periodo de tiempo suficiente. 2   La invención resuelve esta tarea mediante medios de protección de semiconductores en conexión en serie y/o en paralelo con al menos uno de los semiconductores de potencia, en donde cada submódulo presenta un semiconductor de potencia desconectable al que está conectado en paralelo un diodo de funcionamiento libre en contrasentido, en donde los medios de protección de semiconductores comprenden un elemento de protección que está conectado en paralelo al diodo de funcionamiento libre en contrasentido. Conforme a la invención están previstas una o varias piezas constructivas para proteger los semiconductores de potencia. Estas piezas constructivas se engloban dentro del término medio de protección de semiconductores. Una pieza constructiva de este tipo es por ejemplo una unidad en conexión en paralelo con uno de los semiconductores de potencia. Aparte de esto, los medios de protección de semiconductores comprenden sin embargo también medios limitadores de corriente, que están diseñados para limitar el flujo de corriente a través de los ramales de módulo de fase. El término semiconductor de potencia comprende aquí tanto los semiconductores de potencia desconectables, es decir IGBTs, GTOs, IGCTs, etc., como los diodos de funcionamiento libre conectados normalmente en paralelo a los semiconductores de potencia desconectables. Conforme a la invención cada submódulo presenta al menos un semiconductor de potencia desconectable, al que está conectado en paralelo un diodo de funcionamiento libre en contrasentido, en donde los medios de protección de semiconductores comprenden un elemento de protección que está conectado en paralelo al diodo de funcionamiento libre en contrasentido. De este modo, al diodo de funcionamiento libre protegido, en el caso de un cortocircuito en el circuito de tensión continua, ya no se le aplica toda la corriente de cortocircuito. El elemento de protección es ventajosamente otro diodo de funcionamiento libre, que presenta una resistencia a la corriente adaptada a la corriente de cortocircuito que se espera. Conforme a este perfeccionamiento ventajoso, al verdadero diodo de funcionamiento libre se le conecta en paralelo otro diodo de funcionamiento libre. El flujo de corriente en caso de cortocircuito es asumido por lo tanto por ambos diodos de funcionamiento libre. La curva característica estática de paso del diodo de funcionamiento libre que sirve de elemento de protección está diseñada de tal modo, en relación con el diodo de funcionamiento libre ya integrado, que el elemento de protección en caso de fallo asume una parte importante de la corriente de fallo y, de este modo, descarga el diodo de funcionamiento libre integrado. Asimismo la resistencia a la sobrecorriente momentánea del diodo de funcionamiento libre que actúa como elemento de protección está adaptada a las cargas que se esperan. En funcionamiento normal se divide la corriente, que fluye por el ramal de módulo de fase respectivo, entre el diodo de funcionamiento libre integrado y el diodo de funcionamiento libre que actúa como elemento de protección, en donde la citada división depende... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo (1) para convertir una corriente eléctrica con al menos un módulo de fase (2a, 2b, 2c), que presenta una conexión de tensión alterna (3) y al menos una conexión de tensión continua (p, n), en donde entre cada conexión de tensión continua (p, n) y cada conexión de tensión alterna (3) está configurado un ramal de módulo de fase (11p, 11n) y en donde cada ramal de módulo de fase (11p, 11n) dispone de un circuito en serie formado por submódulos (15), que en cada caso presentan al menos un semiconductor de potencia (12, 13), en donde cada submódulo (15) presenta un semiconductor de potencia desconectable (12), al que está conectado en paralelo un diodo de funcionamiento libre (13) en contrasentido, caracterizado por medios de protección de semiconductores (9, 14, 20) en conexión en paralelo y/o en serie con al menos uno de los semiconductores de potencia (12, 13), en donde los medios de protección de semiconductores (9, 14, 20) comprenden un elemento de protección (20) que está conectado en paralelo al diodo de funcionamiento libre (13) en contrasentido. 2. Dispositivo (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento de protección es un diodo de funcionamiento libre (20), que presenta una resistencia a la corriente adaptada a la corriente de cortocircuito que se espera. 3. Dispositivo (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento de protección es un tiristor. 4. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de protección de semiconductores (9, 14, 20) comprenden inductividades (14), que están dispuestas en cada módulo de fase. 5. Dispositivo (1) según la reivindicación 4, caracterizado porque las inductividades están dispuestas en uno o varios submódulos. 6. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de protección de semiconductores comprenden inductividades, que están dispuestas en el lado de corriente alterna de los módulos de fase. 7. Dispositivo (1) según la reivindicación 6, caracterizado porque las inductividades son devanados de transformador con una inductividad de dispersión suficiente para limitar la corriente. 8. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de protección de semiconductores comprenden inductividades, que están unidas en el lado de tensión continua (9) a una o a cada conexión de tensión continua. 9. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada submódulo (15) presenta un primer borne de conexión (19), un segundo borne de conexión (18), un acumulador de energía (17) y un ramal de de semiconductores de potencia (16), que presenta dos semiconductores de potencia desconectables (12a, 12b) conectados en serie y está conectado en paralelo con el acumulador de energía (17), en donde a cada semiconductor de potencia desconectable (12a, 12b) está conectado en paralelo un diodo de funcionamiento libre (13a, 13b) en contrasentido y el punto de unión entre el emisor de un primer semiconductor de potencia desconectable (12a) del ramal de semiconductores de potencia (16) y el ánodo del diodo de funcionamiento libre (13a) en contrasentido asociado al primer semiconductor de potencia desconectable (12a) configura el primer borne de conexión (19), y el punto de unión entre los semiconductores de potencia desconectables (12a, 12b) del ramal de semiconductores de potencia (16) y los diodos de funcionamiento libre (13a, 13b) el segundo borne de conexión (18). 10. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque cada submódulo (5) presenta un primer borne de conexión (18), un segundo borne de conexión (19), un acumulador de energía (17) y un ramal de semiconductores de potencia (16), que presenta dos semiconductores de potencia desconectables (12a, 12b) conectados en serie y está conectado en paralelo con el acumulador de energía (17), en donde a cada semiconductor de potencia desconectable (12a, 12b) está conectado en paralelo un diodo de funcionamiento libre (13a, 13b) en contrasentido y el punto de unión entre el colector de un primer semiconductor de potencia desconectable (12a, 12b) del ramal de semiconductores de potencia y el cátodo de los diodos de funcionamiento libre (13a, 13b) en contrasentido asociados al primer semiconductor de potencia desconectable (12a) configura el primer borne de conexión (18), y el punto de unión entre el primer semiconductor de potencia desconectable (12a, 12b) del ramal de semiconductores de potencia (16) y los diodos de funcionamiento libre (13a, 13b) dispuestos en el mismo el segundo borne de conexión (19). 11. Procedimiento para proteger semiconductores de potencia de un dispositivo según la reivindicación 3, en el que se detecta un cortocircuito en el lado de tensión continua del módulo de fase mediante sensores de medición, después de la detección de la corriente de cortocircuito se pasan los semiconductores de potencia desconectables (12a, 12b) a su posición de separación y, a continuación, se pasa el tiristor a su posición de paso. 7   8   9