CN105474545A - 半导体开关串 - Google Patents

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Abstract

在HVDC电力转换器的领域中，需要一种改进的半导体开关串，其避免了与表现出不同性能特性且在其性能上具有固有限制的各个半导体开关元件相关的困难。一种半导体开关串(100)，用在HVDC电力转换器中，包括多个串联连接的半导体开关组件(10；70；110)。每个半导体开关组件(10；70；110)具有主半导体开关元件(12)，该主半导体开关元件(12)包括第一和第二连接端子(14，16)，当主半导体开关元件(12)被接通时，在第一连接端子(14)与第二连接端子(16)之间，电流从第一端子(14)向第二端子(16)流动。主半导体开关元件(12)还具有辅助半导体开关元件(28；72；112)，电连接在主半导体开关元件(12)的第一与第二连接端子(14，16)之间。每个半导体开关组件(10；70；110)还包括控制单元(30)，其可操作地与每个辅助半导体开关元件(28；72；112)连接。所述控制单元或每个控制单元(30)被配置为接通各个辅助半导体开关元件(28；72；112)以在与其相关的第一连接端子(14)与第二连接端子(16)之间选择性地建立替代电流路径(32；114，116)，由此电流被转向为通过替代电流路径(32；114，116)流动，以减少对应的主半导体开关元件(12)两端的电压。所述控制单元或每个控制单元(30)还被配置为当对应的主半导体开关元件(12)两端的电压与来自半导体开关串(100)中的所有所述主半导体开关元件(12)两端的电压的电压基准不同时，接通所述各个辅助半导体开关元件(28；72；112)。

Description

半导体开关串
技术领域
本发明涉及一种用于在高压直流(HVDC)电力转换器中使用的半导体开关串。
背景技术
在电力传输网络中，交流(AC)电力通常被转换为经由架空线路和/或海底电缆进行传输的直流(DC)电力。此转换使得不需要补偿由传输线路或电缆导致的AC电容性负载的影响，并且降低了线路和/或电缆的每公里成本，因此当需要长距离传输电力时变得具有成本效益。
HVDC电力转换器用于将AC电力转换为DC电力。诸如晶闸管的半导体开关元件是HVDC电力转换器的关键组件，并且用作将AC电力转换为DC电力的可控整流器，反之亦然。
然而，这样的半导体开关元件具有非常高的击穿电压并且能够携带高电流负载，即使来自同一批次的半导体开关元件表现出不同性能特性。这造成例如其中包括半导体开关元件的HVDC电力转换器在操作上的困难。
此外，许多半导体开关元件在其性能上具有固有限制，这需要在例如HVDC电力转换器中包括大的、重的、难以设计的补救组件，以对这些缺陷进行补偿。
因此，需要一种改进的半导体开关组件，其避免了上文所述的一个或多个困难。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用在HVDC电力转换器中的半导体开关串，包括：
多个串联连接的半导体开关组件，每个半导体开关组件具有主半导体开关元件，所述主半导体开关元件包括第一连接端子和第二连接端子，当所述主半导体开关元件被接通时，在所述第一连接端子与所述第二连接端子之间，电流从所述第一端子向所述第二端子流动，所述主半导体开关元件具有辅助半导体开关元件，电连接在所述主半导体开关元件的所述第一连接端子与所述第二连接端子之间；以及
控制单元，可操作地与每个辅助半导体开关元件连接，所述控制单元或每个控制单元被配置为接通各个辅助半导体开关元件，以在与其相关的所述第一连接端子与所述第二连接端子之间选择性地建立替代电流路径，由此电流被转向为通过所述替代电流路径流动，以减少对应的主半导体开关元件两端的电压，并且所述控制单元或每个控制单元还被配置为当所述对应的主半导体开关元件两端的电压与来自所述半导体开关串中的所有所述主半导体开关元件两端的电压的电压基准不同时，接通所述各个辅助半导体开关元件。
包括控制单元允许本发明的半导体开关串对串联连接的主半导体开关元件串中的各个主半导体开关元件在关断性能特性上的变化进行补偿，所述控制单元被配置为接通各个辅助半导体开关元件，以在对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子与所述第二连接端子之间选择性地建立替代电流路径，由此电流通过所述替代电流路径被转向，以减少所述对应的主半导体开关元件两端的电压。因此，本发明的半导体开关串允许不仅是不同批次的、而且来自不同供应商的半导体开关元件(例如晶闸管)的混合与匹配。此外，本发明的开关串大大地减少了相关补救组件(例如阻尼电路)的尺寸，也就是说，另外需要对半导体开关元件串联串在关断性能特性上的上述变化进行补偿。
此外，具有控制单元提供了某种程度的反馈控制，经由该反馈控制，对所述各个主半导体开关元件在关断性能上的变化进行的上述补偿可以被自动地执行，所述控制单元还被配置为当所述对应的主半导体开关元件两端的电压与提供反馈控制程度的电压基准不同时，接通各个辅助半导体开关元件。
优选地，所述电压基准等于所述半导体开关串中的所有所述主半导体开关元件两端的平均电压。
这样的基准电压可以例如由高级控制器很容易地计算，该高级控制器从所述控制单元或每个控制单元接收对应的主半导体开关元件两端的电压的局部测量。
可选地，所述控制单元或每个控制单元被配置为当所述对应的主半导体开关元件两端的电压大于所述电压基准时，接通所述各个辅助半导体开关元件。
如此配置的控制单元具有通过高于电压基准的电压(即高于所有主半导体开关元件两端的平均电压)减少所述主半导体开关元件或每个主半导体开关元件两端的电压的效果，使得剩余主半导体开关元件两端的平均电压增加，并且在适当的时候所有主半导体开关元件两端的电压每个单独的主半导体开关元件两端成为实质上均衡的。
所述控制单元或每个控制单元被配置为控制被转向为通过各个替代电流路径流动的电流的量，使得所述对应的主半导体开关元件两端的电压接近所述电压基准。
这样的布置期望有助于确保各主半导体开关元件中的每一个的两端具有均匀的电压，该电压最优选的是实质上等于其他主半导体开关元件中的每一个两端的电压。
在本发明的优选实施例中，所述控制单元或每个控制单元被配置为通过选择性地接通和断开所述对应的辅助半导体开关元件来控制被转向为通过各个替代电流路径流动的电流的量。
这样的控制是合乎需要的，以便当试图缓解与主半导体开关元件之间的不同关断性能特性相关的困难时不会产生进一步的问题。
在本发明的另一个优选实施例中，所述控制单元或每个控制单元还被配置为在所述半导体开关串的操作周期内，在一次开关操作中多次接通和断开所述对应的辅助半导体开关元件。
在半导体开关串的给定操作周期内(即当串中的每个主半导体开关元件处于反向偏置或正向偏置条件时)执行多次开/关的开关操作有助于确保流经各个替代电流路径的电流的等级，因此流经对应的辅助半导体开关元件的电流的等级仍处于需要对在关断性能特性上的上述变化进行补偿的等级。
可选地，在所述操作周期期间，用于在开关操作内导通和关断所述对应的辅助半导体开关元件的时间比不同。
这样的开关转换允许本发明的半导体开关串适用于例如剩余在给定的主半导体开关元件中的存储电荷的变化。
优选地，每个半导体开关组件包括与所述对应的主半导体开关元件反向并联连接的辅助半导体开关元件，由此当所述反向并联连接的辅助半导体开关元件被接通时，所述替代电流路径被配置为允许电流从所述对应的主半导体开关元件的所述第二连接端子向所述第一连接端子流动，并且其中所述对应的控制单元被配置为当所述对应的主半导体开关元件处于反向偏置条件时，接通各个反向并联连接的辅助半导体开关元件，以将电流转向为通过所述如此配置的替代电流路径流动，从而减少所述对应的主半导体开关元件两端的电压。
具有以这样的方式布置的每个辅助半导体开关元件，以及以这样的方式配置的对应的控制单元，允许本发明的半导体开关串对串联连接的主半导体开关元件串在关断性能特性上的变化的最大影响进行补偿，即所产生的由每个主半导体开关元件存储的反向恢复电荷的变化，当所述主半导体开关元件在正向导电已经停止之后的反向偏置条件下继续导电不同的时间段时，产生反向恢复电荷的变化。
每个反向并联连接的辅助半导体开关元件可为晶体管或包括晶体管，所述晶体管具有连接到所述对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子的发射极、连接到所述对应的主半导体开关元件的所述第二连接端子的控制极、以及连接到所述对应的控制单元的基极。
晶体管(特别是包含诸如碳化硅、氮化镓或金刚石的宽带隙半导体材料的那些晶体管)具有匹配甚至超过对应的主半导体开关元件的所需的高压性能特性，同时允许影响对应的主半导体开关元件两端的电压的期望的降低所需的较少量的电流通过通道。
在本发明的又一个优选实施例中，每个半导体开关组件包括与所述对应的主半导体开关元件并联连接的辅助半导体开关元件，由此当所述并联连接的辅助半导体开关元件被接通时，所述替代电流路径被配置为允许电流从所述对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子向所述第二连接端子流动，并且其中所述对应的控制单元被配置为当所述对应的主半导体开关元件处于正向偏置条件时，接通各个并联连接的辅助半导体开关元件，以将电流转向为通过所述如此配置的替代电流路径流动。
这样的布置期望地允许本发明的半导体开关串对各个主半导体开关元件的不同性能特性和在其性能上的固有限制进行补偿，当主半导体开关元件处于正向偏置条件(即每个主半导体开关元件被断开但经历在其第一连接端子与第二连接端子之间的正电压，使得在收到来自对应的控制单元的导通信号后将允许电流通过其流动)时，这是很明显的。
可选地，每个并联连接的辅助半导体开关元件为晶体管或包括晶体管，所述晶体管具有连接到所述对应的主半导体开关元件的所述第二连接端子的发射极、连接到所述对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子的控制极、以及连接到所述对应的控制单元的基极。
如上所述，晶体管(特别是包含宽带隙半导体材料的那些晶体管)具有合乎需要的高压性能特性。
在本发明的另一个实施例中，每个半导体开关组件包括与所述对应的主半导体开关元件反向并联连接的第一辅助半导体开关元件，以及与所述对应的主半导体开关元件并联连接的第二辅助半导体开关元件。
这样的布置为每个半导体开关组件提供双向功能，因此当所述主半导体开关元件处于反向偏置或正向偏置时，其能够选择性地减少对应的主半导体开关元件两端的电压，以便在各主半导体开关元件处于这两种偏置条件下之一时允许分级，即各主半导体开关元件两端的各个电压的平衡。
可选地，每个半导体开关组件包括选择性地可与所述对应的主半导体开关元件反向并联和并联连接的辅助半导体开关元件，由此当所述辅助半导体开关元件被反向并联连接且被接通时，第一替代电流路径允许电流从所述对应的主半导体开关元件的所述第二连接端子向所述第一连接端子流动，以及由此当所述辅助半导体开关元件被并联连接且被接通时，第二替代电流路径允许电流从所述对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子向所述第二连接端子流动。
每个半导体开关组件包括选择性地可与对应的主半导体开关元件反向并联和并联连接的辅助半导体开关元件，当其仅使用一个辅助半导体开关元件而处于反向偏置或正向偏置时，提供使主半导体开关元件两端的电压分级的能力。
每个辅助半导体开关元件与在所述对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子与所述第二连接端子之间的全桥布置中的无源电流检测元件的第一对无源电流检测元件和第二对无源电流检测元件连接。
这样的布置允许当从对应的主辅助开关元件的第二连接端子向其第一连接端子流动时，电流通过各个辅助半导体开关元件流动，反之亦然。
附图说明
现参照附图，通过非限制性示例的方式在下面对本发明的优选实施例做出简要说明，其中：
图1(a)示出根据本发明的第一实施例的形成半导体开关串的一部分的第一半导体开关组件的示意图；
图1(b)示出根据本发明的第一实施例的图1(a)所示的彼此串联连接以形成半导体开关串的一部分的两个第一半导体开关组件的示意图；
图2(a)示出如何对图1(b)所示的每个半导体开关组件中的各个主半导体开关元件在关断性能特性上的不同进行补偿；
图2(b)示出对图2(a)所示的每个主半导体开关元件两端的电压进行补偿所产生的变化；
图3示出根据本发明的第二实施例的形成半导体开关串的一部分的第二半导体开关组件的示意图；以及
图4示出根据本发明的第四实施例的形成半导体开关串的一部分的第四半导体开关组件的示意图。
具体实施方式
第一半导体开关组件10包括主半导体开关元件12，其具有第一连接端子14和第二连接端子16。在所示的实施例中，主半导体开关元件12为主晶闸管18，然而在本发明的其他实施例中可以使用不同的主半导体开关元件，诸如二极管、光触发晶闸管(LTT)、门极关断晶闸管(GTO)、门极换流晶闸管(GCT)或集成门极换流晶闸管(IGCT)。优选地，主半导体开关元件12以其他参数(诸如接通di/dt能力、断开特性和断开状态dv/dt能力)为代价对最低导通(导通状态)损耗进行优化。
所示的主晶闸管18包括限定第一连接端子14的阳极20、限定第二连接端子16的阴极22、以及限定控制端子26(主晶闸管18可以经由控制端子26被接通)的栅极24。
当主晶闸管18被这样接通(即完全导通)时，电流通过主晶闸管18从第一连接端子14向第二连接端子16(即从阳极20向阴极22)流动。
主晶闸管18具有辅助半导体开关元件28，其被电连接在主晶闸管18的第一连接端子14与第二连接端子16之间，并且辅助半导体开关元件28具有与其可操作地连接的控制单元30。该控制单元30被配置为接通辅助半导体开关元件28，以在第一连接端子14与第二连接端子16之间选择性地建立替代电流路径32。
更具体地，辅助半导体开关元件28与主晶闸管18反向并联连接，使得当辅助半导体开关元件被接通时，产生的替代电流路径32被配置为允许电流从第二连接端子16向第一连接端子14流动。
更具体地，辅助半导体开关元件28还包括具有连接到主晶闸管18的第一连接端子14的发射极36、连接到主晶闸管18的第二连接端子16的控制极38、以及连接到控制单元30的基极40的晶体管34。
图1所示的晶体管34为n沟道绝缘栅双极晶体管(IGBT)，然而也可以使用许多其他晶体管，诸如双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、或结型场效应晶体管(JFET)。也可以使用晶体管组件，诸如将50VMOSFET的超级共源共栅布置与1200VSiCJFET串联串合并的MOSFET-JFET共源共栅电路，或者直接串联低电压MOSFET或IGBT。总之，所示的晶体管34除了具有小于1安培的较低平均额定电流之外，具有大约9kV到10kV的较高额定电压，以及几百安培的较高脉冲额定电流。
在所示的实施例中，晶体管34具有反向并联二极管42，该反向并联二极管42在主晶闸管18为正向偏置时保护晶体管34免受反向电压。在本发明的其他实施例(未示出)中，单独的反向并联二极管42可以被省略，取而代之的是使用包括在一些晶体管内的固有体二极管。
图1(a)所示的辅助半导体开关元件28还包括可选的限流元件44(以电阻器46的形式)，其与上述晶体管34和反向并联二极管42的组合串联连接。辅助半导体开关元件28还额外地包括进一步串联连接的二极管48，其被设置为允许电流通过替代电流路径32在与通过晶体管34相同的方向流动。包括进一步串联连接的二极管48连同反向并联二极管42，以保护晶体管34在主晶闸管18为正向偏置时免受反向电压。
在本发明的其他实施例中，辅助半导体开关元件28(即晶体管34)能够承受反向电压(当主半导体开关元件12(即主晶闸管18)为正向偏置时)，因此反向并联二极管42和串联连接的二极管48可以被省略。
除了具有与主晶闸管18反向并联连接的辅助半导体开关元件28之外，主晶闸管18还具有阻尼电路(其包括阻尼电容器50和阻尼电阻器52)，以及在第一连接端子14与第二连接端子16之间并联连接的另外的电阻器54，即DC分级电阻器。
在使用中，当流经晶闸管的电流降至零时的瞬间，理想的晶闸管将停止导通。然而，实际的晶闸管(诸如图1所示的主晶闸管18)在电流降至零之后继续在相反方向上导电几百微秒(即使当主晶闸管18被断开且处于所谓的反向偏置条件)，如图2(a)示意性所示。此反向电流的时间积分为“反向恢复电荷”(Qrr)，即主晶闸管18的存储电荷。
在所示的实施例中，主晶闸管18比例如在其他相同的另外的第一半导体开关组件10(其与包括第一主晶闸管18的第一半导体开关组件10串联连接，如图1(b)所示)中的第二主晶闸管56低的Qrr。
用这种方式，两个第一半导体开关组件10一起限定根据本发明的第一实施例的半导体开关串100的一部分，其还包括另外的串联连接的第一半导体开关组件10(未示出)。所示的两个半导体开关组件10每个具有其自身的对应的控制单元30。在其他实施例中，然而，在给定的半导体开关串内的一个或多个这样的半导体开关组件10可以共用一个共同控制单元。
同时，因为第一主晶闸管18开始关断早于第二主晶闸管56，所以产生在第一主晶闸管18与第二主晶闸管56之间的Qrr的上述差。因此，流经第一主晶闸管18的反向电流将早于第二主晶闸管56而开始减少，如图2(a)所示。
当第一主晶闸管18和第二主晶闸管56如图1(b)所示的布置串联连接(即作为第一半导体开关串100的一部分)时，流经第一半导体开关组件10(即包括第一主晶闸管18的开关组件)的电流必须与流经另外的第一半导体开关组件10(即包括第二主晶闸管56的开关组件)的电流相同。由于第一主晶闸管18较早关断(因此不再传导电流)，导致反向电流的差流入第一主晶闸管18的阻尼电路(即阻尼电容器50和阻尼电阻器52)。这导致第一主晶闸管18两端的电压V尽快建立，并达到大于具有更高Qrr(如图2(b)中的第二虚线56所示)的第二主晶闸管56的反向峰值电压(如图2(b)中的第一虚线18所示)。
如果未检查，这样的操作在第一主晶闸管18两端的电压与第二主晶闸管56两端的电压之间产生电压偏移ΔV，其中电压偏移ΔV通过以下公式给出：
ΔV＝ΔQrr/Cd
其中
ΔQrr为由第二主晶闸管56和第一主晶闸管18存储的电荷的差，以及
Cd为阻尼电容器50的值。
这样的电压偏移可以持续很长时间，使得在第一主晶闸管18被再次导通后的大约240电角度之前，其不会明显地衰减。这样的电压偏移还可以明显地影响在给定的主晶闸管18、56亮度的电压过零的时间点。这影响了例如当主晶闸管18、56形成HVDC电力转换器(其被操作为逆变器且需要消弧角包括容差以容纳存储的电荷的这种变化)的一部分时必须建立的消弧角的精度。
然而，在本发明的第一半导体开关串100的情况下，每个控制单元30被配置为接通对应的辅助半导体开关元件28(即对应的晶体管34)，同时对应的第一主晶闸管18处于上述的反向偏置条件并且同时反向电流I流经所述第一主晶闸管18，以建立对应的替代电流路径32并因此通过对应的替代电流路径32使反向电流转向。这样的反向电流通过对应的替代电流路径32的转移防止了流入相关的阻尼电路(其具有抑制第一主晶闸管18两端的电压的效果(因此相当于减少了对应的第一主晶闸管18的有效关断状态阻抗))中的此电流，使得产生的对应的第一主晶闸管18两端的电压被降低。
更具体地，每个控制单元30被配置为通过在特定开关操作s1、s2、s3、s4、s5内接通和断开对应的晶体管34来控制被转向为通过对应的替代电流路径32流动的电流的量，并在半导体开关串100的给定操作周期期间(即当每个主半导体开关元件12(即主晶闸管18、56)处于反向偏置条件时)执行五次这样的开关操作s1、s2、s3、s4、s5。如图2(a)所示，在每个开关操作s1、s2、s3、s4、s5中，晶体管34在每个开关操作s1、s2、s3、s4、s5内被导通(如图2(a)中的阴影所示)和关断的时间比是不同的，以便使晶体管34的开关适应于在第一主晶闸管18和第二主晶闸管56两端的电压上的变化差。在本发明的其他实施例(未示出)中，在半导体开关串100的给定操作周期内可以包括多于或少于五个开关操作，并且在每个这样的开关操作期间的开/关比还可以与图2(a)所示的那些不同。
此外，每个控制单元30还被配置为当对应的第一主晶闸管18两端的电压与从串100中的所有主半导体开关元件12两端的电压中得到的电压基准不同时，接通对应的晶体管34。
在半导体开关串100的第一实施例中，电压基准等于串100中的所有主半导体开关元件12两端的平均电压，即所示的第一主晶闸管18和第二主晶闸管56以及所有其余的主晶闸管(未示出)两端的平均电压。这样的平均电压可以通过串联连接的第一主晶闸管18和第二主晶闸管56两端的高带宽分压器来建立，或者通过使每个主晶闸管18、56将其电压回报给其对应的控制单元30(或者另一个，总体控制系统或高级控制器)，并且使控制单元30(或总体控制系统)之一来计算平均电压(并且，在总体控制系统的情况下，使该系统将表示所述计算平均电压的信号重新发送每个控制单元30的)。
通过示例的方式，参照图1(b)所示的第一半导体开关串100的一部分，第一半导体开关组件10的控制单元30将第一主晶闸管18两端的电压与平均电压进行比较，并且当第一主晶闸管18两端的电压高于平均电压时，控制单元30在五个开关操作s1、s2、s3、s4、s5期间接通和断开反向并联连接的辅助半导体开关元件28的晶体管34，以便选择性地将电流通过替代电流路径32转向，并因此选择性地抑制第一主晶闸管18两端的电压的建立。这样的开关具有在第一主晶闸管18的第一端子14与第二端子16之间传递电荷的量的效果，该电荷的量等于第一主晶闸管18的Qrr和第二主晶闸管56的Qrr的差。
如上所述，这具有减少第一主晶闸管18两端的电压(如通过图2(a)中的第一非虚线18’所示)并同时增加第二主晶闸管56两端的电压(其低于平均电压(如通过图2(a)中的第二非虚线56’所示)的效果。其使得两个主晶闸管18、56两端的电压的净效应更接近平均电压(即两个主晶闸管18、56的电压接近电压基准)，使得在一定数量的开关操作(例如所示的示例中的五次)之后，补偿或取消主晶闸管18、56两端的电压的变化(由此在主晶闸管18与主晶闸管56之间的Qrr的变化产生不同的关断性能特性)。
对于在主晶闸管18与主晶闸管56之间的Qrr的变化的这种补偿具有使阻尼电容器50的所需电容Cd和阻尼电阻器52的额定功率在70％至90％之间减少的额外的优点。
在本发明的其他实施例(未示出)中，所述控制单元或每个控制单元30可以利用对应的主半导体开关元件12的已知或测量的特性来制定用于对应的反向并联连接的辅助半导体开关元件28的转换方法。这样的转换方法可适用于所述主半导体开关元件12的特性，例如所述控制单元或每个控制单元30“得知”对应的主半导体开关元件12的行为并因此修改对应的反向并联连接的辅助半导体开关元件28的开关。
按照前述方式，在串联连接的第一半导体开关组件10的半导体开关串100中，每个控制单元30(或可操作地连接到反向并联连接的每个主晶闸管18的辅助半导体开关元件28的单个控制单元，如果如此配置)将其对应的主晶闸管18两端的电压与电压基准进行比较。
那些电压高于电压基准的主晶闸管18通过对应的控制单元30来使反向并联连接的辅助半导体开关元件28接通和断开，以选择性地使电流通过对应的替代电流路径32被转向，以便减少上述平均电压主晶闸管18中的每一个两端的电压，使得这些主晶闸管18的电压接近电压基准。这具有增加剩余低于平均电压的主晶闸管的平均电压的效果，直至(即在一定数量的类似的开关操作之后)，除具有最长的关断时间(即最大Qrr)主晶闸管之外的所有主晶闸管已经使其各个关断时间差(即其各个Qrr差)被补偿。
第二半导体开关组件在图3中示出，并且总体用附图标记70标识，其中，第二半导体开关组件为多个串联连接的这样的半导体开关组件中的一个，多个串联连接的半导体开关组件一起形成根据本发明的第二实施例的半导体开关串。
第二半导体开关组件70与第一半导体开关组件10类似，并且类似的特征共用相同的附图标记。
然而，第二半导体开关组件70与第一半导体开关组件10的差异在于，第二半导体开关组件70包括与主半导体开关元件12(即主晶闸管18)并联连接的辅助半导体开关元件72，使得当并联连接的辅助半导体开关元件72被接通时，产生的替代电流路径32允许电流从主晶闸管18的第一连接端子14向第二连接端子16流动。
另外的差异在于，在第二半导体开关组件70中，控制单元30被配置为当主晶闸管18处于正向偏置条件时(即当主晶闸管18被断开但经历在其第一连接端子14与第二连接端子16之间的正电压，使得当接收到来自控制单元30的导通信号时将允许电流以正常的方式通过主晶闸管18从阳极20向阴极22流动的时候)，接通并联连接的辅助半导体开关元件72。
并联连接的辅助半导体开关元件72类似地包括晶体管34，但是由于并联的方式(其中辅助半导体开关元件72与主晶闸管18电连接)，晶体管34的发射极36连接到主晶闸管18的第二连接端子16，而晶体管34的控制极38连接到主晶闸管18的第一连接端子14。晶体管34的基极40再次连接到控制单元30。
并联连接的辅助半导体开关元件72中的晶体管34具有与第一半导体开关组件10的反向并联连接的辅助半导体开关元件28中的晶体管34相同的等级，即大约9kV到10kV的较高额定电压以及只有几十安培的较低额定电流。
第二半导体开关组件70可以以与第一半导体开关组件10基本上相同的方式被操作，以便当主晶闸管18处于正向偏置条件时，选择性地将电流通过替代电流路径32转向(以减少主晶闸管18的有效阻抗，从而减少主晶闸管18两端的电压)。换言之，第二半导体开关组件70的控制单元30被配置为在多个开关操作内接通和断开并联连接的辅助半导体开关元件72，以控制被转向为通过替代电流路径32流动的电流的量(由此控制在主晶闸管18的第一端子14与第二端子16之间通过的电荷的量)，使得主晶闸管18两端的电压接近电压基准。
因此，当每个这样的主半导体开关元件12处于正向偏置条件时，根据本发明的第二实施例的半导体开关串(即包括多个串联连接的第二半导体开关组件70)可以以类似的方式对第一半导体开关串100操作以允许分级，即多个各个主半导体开关元件12两端的电压的平衡。
根据本发明的第三实施例的又一个半导体开关串(未示出)包括多个串联连接的第三半导体开关组件，其每一个既包括反向并联连接的辅助半导体开关元件28(根据第一半导体开关组件10)又包括并联连接的辅助半导体开关元件72(根据第二半导体开关组件70)。
在这点上，尽管使用控制单元30以在主晶闸管18处于反向偏置条件时接通和断开反向并联连接的辅助半导体开关元件28，以便对各个主晶闸管18、56之间的Qrr的任何变化进行补偿(否则会出现主晶闸管18、56两端的电压不平衡)，当主晶闸管18仍然断开但是处于正向偏置时(即在主晶闸管18被接通到其正在被完全导通之间的延迟时段期间(即在主晶闸管18的导通期间))，可能出现剩余电压不平衡情况。
例如，当减少对应的主晶闸管18两端的电压同时处于反向偏置时，由于通过由对应的反向并联连接的辅助半导体开关元件28提供的各个替代电流路径32被反向的反向电流的等级中的一个或多个意外的变化，可能出现这样的剩余电压不平衡情况。
此外，在实例中，当主晶闸管18为自换向时，由于在各个主晶闸管18之间在关断之后正向电流衰减为零消耗的时间的差异，可能在这样的主晶闸管18的关断时出现电压不平衡，这基本上相当于耗散给定量的存储的电荷。
当主晶闸管18、56处于反向偏置和正向偏置时，第三半导体开关组件(其包括均反向并联和并联连接的辅助半导体开关元件28、72)均能够对各个主晶闸管18、56之间的Qrr的任何变化进行补偿(并实现各个主晶闸管18、56两端的电压的平衡)。因此，第三半导体开关组件允许完全省略阻尼电路(即阻尼电容器50和阻尼电阻器52)，同时还允许其形成第三半导体开关串的一部分，以执行关于其内的主半导体开关元件12中的每一个的电压分级。
第四半导体开关组件在图4中示出，并且总体用附图标记110标识，其中，第四半导体开关组件为多个串联连接的这样的半导体开关组件中的一个，多个串联连接的半导体开关组件一起形成根据本发明的第四实施例的半导体开关串。
第四半导体开关组件110与第一半导体开关组件10、第二半导体开关组件70以及第三半导体开关组件中的每一个有相似之处，并且类似的特征共用相同的附图标记。
然而，第四半导体开关组件110与包括辅助半导体开关元件112的上述的半导体开关组件10、70中的每一个的差异在于，其包括选择性地可与对应的主半导体开关元件12反向并联和并联连接的辅助半导体开关元件112，使得辅助半导体开关元件112具有双向功能。在这点上，当双向辅助半导体开关元件112与主半导体开关元件112反向并联连接(并且接通)时，第一替代电流路径114允许电流从主半导体开关元件12的第二连接端子16向第一连接端子14流动。同时，当双向辅助半导体开关元件112与主半导体开关元件112并联连接(并且接通)时，第二替代电流路径116允许电流从主半导体开关元件12的第一连接端子14向第二连接端子16流动。
更具体地，在主半导体开关元件12的第一连接端子14与第二连接端子16之间的全桥布置中，通过将双向辅助半导体开关元件112与无源电流检测元件122(允许电流仅在一个方向上流动的装置，在所示的实施例中，该装置为二极管124)的第一对118和第二对120连接来提供这样的双向功能。
第四半导体开关组件110以与第三半导体开关组件类似的方式操作，其包括双向辅助半导体开关元件112，该双向辅助半导体开关元件112选择性地可与主半导体开关元件12反向并联或并联连接，允许其对主半导体开关元件12(即主晶闸管18)之间的Qrr的任何变化进行补偿，以及当主半导体开关元件12处于反向偏置或正向偏置时，第四半导体开关串中的其他主半导体开关元件12形成其一部分(由此使第四串中的所述各主半导体开关元件12两端的电压分级)。
因此，第四半导体开关组件110允许完全省略阻尼电路(即阻尼电容器50和阻尼电阻器52)，同时还允许其形成第四半导体开关串的一部分，以执行上述关于其内的每个主半导体开关元件的电压分级。
除上述外，根据本发明的又一个实施例的半导体开关串(未示出)可包括由上文所述的第一半导体开关组件10、第二半导体开关组件70、第三或第四半导体开关组件110中的任何组合组成的多个串联连接的半导体开关组件。

Claims (14)

1.一种半导体开关串，用于用在HVDC电力转换器中，包括：
多个串联连接的半导体开关组件，每个半导体开关组件具有主半导体开关元件，所述主半导体开关元件包括第一连接端子和第二连接端子，当所述主半导体开关元件被接通时，在所述第一连接端子与所述第二连接端子之间，电流从所述第一端子向所述第二端子流动，所述主半导体开关元件具有辅助半导体开关元件，电连接在所述主半导体开关元件的所述第一连接端子与所述第二连接端子之间；以及
控制单元，可操作地与每个辅助半导体开关元件连接，所述控制单元或每个控制单元被配置为接通各个辅助半导体开关元件，以在与其相关的所述第一连接端子与所述第二连接端子之间选择性地建立替代电流路径，由此电流被转向为通过所述替代电流路径流动，以减少对应的主半导体开关元件两端的电压，并且所述控制单元或每个控制单元还被配置为当所述对应的主半导体开关元件两端的电压与来自所述半导体开关串中的所有所述主半导体开关元件两端的电压的电压基准不同时，接通所述各个辅助半导体开关元件。
2.根据权利要求1所述的半导体开关串，其中所述电压基准等于所述半导体开关串中的所有所述主半导体开关元件两端的平均电压。
3.根据权利要求2所述的半导体开关串，其中所述控制单元或每个控制单元被配置为当所述对应的主半导体开关元件两端的电压大于所述电压基准时，接通所述各个辅助半导体开关元件。
4.根据任一前述权利要求所述的半导体开关串，其中所述控制单元或每个控制单元被配置为控制被转向为通过各个替代电流路径流动的电流的量，使得所述对应的主半导体开关元件两端的电压接近所述电压基准。
5.根据权利要求4所述的半导体开关串，其中所述控制单元或每个控制单元被配置为通过选择性地接通和断开所述对应的辅助半导体开关元件来控制被转向为通过各个替代电流路径流动的电流的量。
6.根据权利要求5所述的半导体开关串，其中所述控制单元或每个控制单元还被配置为在所述半导体开关串的操作周期内，在一次开关操作中多次接通和断开所述对应的辅助半导体开关元件。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的半导体开关串，其中在所述操作周期期间，用于在开关操作内导通和关断所述对应的辅助半导体开关元件的时间比不同。
8.根据任一前述权利要求所述的半导体开关串，其中每个半导体开关组件包括与所述对应的主半导体开关元件反向并联连接的辅助半导体开关元件，由此当所述反向并联连接的辅助半导体开关元件被接通时，所述替代电流路径被配置为允许电流从所述对应的主半导体开关元件的所述第二连接端子向所述第一连接端子流动，并且其中所述对应的控制单元被配置为当所述对应的主半导体开关元件处于反向偏置条件时，接通各个反向并联连接的辅助半导体开关元件，以将电流转向为通过所述如此配置的替代电流路径流动，从而减少所述对应的主半导体开关元件两端的电压。
9.根据权利要求8所述的半导体开关串，其中每个反向并联连接的辅助半导体开关元件为晶体管或包括晶体管，所述晶体管具有连接到所述对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子的发射极、连接到所述对应的主半导体开关元件的所述第二连接端子的控制极、以及连接到所述对应的控制单元的基极。
10.根据权利要求1到7中任一项所述的半导体开关串，其中每个半导体开关组件包括与所述对应的主半导体开关元件并联连接的辅助半导体开关元件，由此当所述并联连接的辅助半导体开关元件被接通时，所述替代电流路径被配置为允许电流从所述对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子向所述第二连接端子流动，并且其中所述对应的控制单元被配置为当所述对应的主半导体开关元件处于正向偏置条件时，接通各个并联连接的辅助半导体开关元件，以将电流转向为通过所述如此配置的替代电流路径流动。
11.根据权利要求10所述的半导体开关串，其中每个并联连接的辅助半导体开关元件为晶体管或包括晶体管，所述晶体管具有连接到所述对应的主半导体开关元件的所述第二连接端子的发射极、连接到所述对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子的控制极、以及连接到所述对应的控制单元的基极。
12.根据任一前述权利要求所述的半导体开关串，其中每个半导体开关组件包括与所述对应的主半导体开关元件反向并联连接的第一辅助半导体开关元件，以及与所述对应的主半导体开关元件并联连接的第二辅助半导体开关元件。
13.根据权利要求1到7中任一项所述的半导体开关串，其中每个半导体开关组件包括选择性地可与所述对应的主半导体开关元件反向并联和并联连接的辅助半导体开关元件，由此当所述辅助半导体开关元件被反向并联连接且被接通时，第一替代电流路径允许电流从所述对应的主半导体开关元件的所述第二连接端子向所述第一连接端子流动，以及由此当所述辅助半导体开关元件被并联连接且被接通时，第二替代电流路径允许电流从所述对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子向所述第二连接端子流动。
14.根据权利要求13所述的半导体开关串，其中每个辅助半导体开关元件与在所述对应的主半导体开关元件的所述第一连接端子与所述第二连接端子之间的全桥布置中的无源电流检测元件的第一对无源电流检测元件和第二对无源电流检测元件连接。
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