CN107070191A - 用于根据需要暂时承担能量传输或分配设备的电流的装置 - Google Patents

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Abstract

实现一种根据需要将电流从第一线路支路换向到另外的第二线路支路的装置，其具有多个彼此串联和/或并联布置在第二线路支路中的功率半导体开关元件和驱控多个功率半导体开关元件的驱控单元。驱控单元设立成，分别将提高的驱控电压(其大小高于针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压)施加到多个功率半导体开关元件上，以便导通地连接或保持多个功率半导体开关元件，和引起通过它们的提高的通过电流，其电流强度至少相应于两倍的额定运行电流。驱控单元还设立成，在多个功率半导体开关元件传导提高的通过电流期间，在分别设置的短的接通持续时间之后通过关断驱控电压又切断多个功率半导体开关元件。由此，装置可以针对运行中的更高功率来设计，或在给定的运行功率下可以减小装置的半导体面积和结构尺寸。

Description

用于根据需要暂时承担能量传输或分配设备的电流的装置
技术领域
本发明涉及一种用于根据需要暂时承担能量传输设备或能量分配设备的电流的装置，并且特别是涉及一种这样的装置，其具有多个功率半导体开关元件，这些功率半导体开关元件彼此串联和/或并联地布置在以下线路支路中，电流应根据需要换向到该线路支路上。
背景技术
功率半导体器件，诸如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、BIGT(双模式绝缘栅极晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和类似的，还被用于对电压和电流进行整流和逆变。为此，合适的变流器通常具有多个功率半导体开关元件。已知有以用于不同应用的不同拓扑结构的变流器用于不同的功率水平，这些应用例如是用于将电网与转速可变的驱动器耦联以及用于在两个电网之间的能量交换。
随着功率半导体开关的持续发展，针对越来越高的功率范围和电压范围始终期望和发展出新的变流器拓扑结构和另外的电路拓扑结构。在中压和高压范围内，例如增多地使用具有多个彼此串联和/或并联地布置的功率半导体开关元件的变流器，以便针对相应应用实现高阻断能力和/或高导电能力并且将电压提高到最高水平直至高压直流输电的范围内。也发展出模块式多点变流器，它们在每个支路中具有若干相同类型的单元或子模块，所述单元或子模块分别通过具有能驱控的功率半导体开关和用于中间存储电能的内部电容器的桥式电路来形成。通过模块式结构方式，变流器是能针对不同的功率和应用单独地扩展的。模块式多点变流器例如由DE 101 03 031A1、DE 10 2010 046 142A1或EP 1 497 911B1公知。
在非常高的功率范围中，针对半导体功率器件需要越来越大的半导体面积，所述越来越大的半导体面积相应地决定了变流器的大的结构体积和高成本。用于冷却和驱控变流器的耗费也大幅上升。存在如下应用，在所述应用中变流器虽然在高功率情况下但仅在相对短的运行时间内使用。存在有如下期望，即，针对这些应用提高能传输的功率，而不提高用于电路装置和控制变流器的耗费。相反地存在如下期望，即，在变流器的针对这样的应用的给定的高额定功率的情况下，减小功率开关的半导体面积并且减少用于实施和运行变流器的成本和耗费，或者更好地充分利用功率半导体器件。
除了变流器之外存在大量其他应用，其中使用多个串联和/或并联的功率半导体开关元件，以便可以实现高电流负载和高反向电压。例如，在用于给马达馈电的变频器中使用所谓的“制动斩波器”，用以监控和控制中间回路电压。在这样的马达的制动过程中，发电电流可以经过马达侧的变流器流回到中间回路中，并且引起中间回路电压高于允许值。如果中间回路电压高于阈值电压，则暂时电子式地接通制动斩波器，在该制动斩波器上联接有所谓的制动电阻，该制动电阻将中间回路中的多余能量转化成热能并且因此限制了最大的中间回路电压。该过程在需要时反复进行。针对高功率范围，在这里同样可能需要的是，制动斩波器的电子开关以多个串联和/或并联的功率半导体开关元件来实现。
在高压直流输电系统(参见S.K.Chaudhary等人的《Chopper ControlledResistors in VSC-HVDC Transmission for WPP with Full-scale Converters(在具有大规格变流器的用于WPP的电压源变换器-高压直流电传输中的斩波控制的电阻)》，Sustainable Alternative Energy(SAE，可持续的替代能源)，2009年IEEE PES/IAS会议，第1至8页)中或也在直至中压范围的直流输电系统中，类似的斩波器-电阻装置也可以被用在如下变流器中，所述变流器将经由高压直流输电线路接收的直流电压功率转化成适合于后置的配电网或供电网的交流电压功率。当在后置的交流电压网中出现故障并且阻碍向电网的功率传输时，斩波器-电阻装置在这里也可以通过暂时地将多余能量消耗在联接的电阻中来限制高压直流输电线路上或变流器系统中的过电压。尤其在高压和高功率应用中为此需要使用巨大的半导体并且需要巨大的结构尺寸，该结构尺寸按份额来说在整个变流器上可能处于高的一位数百分比范围内。用于实施和运行的成本和耗费是很高的。期望的是在确保稳定、鲁棒的功能性的情况下降低所述成本和耗费。
此外，已知有用于高压直流输电系统的直流分离开关，所述直流分离开关使用多个串联的功率半导体器件。例如，由WO 2011/057675A1和EP 2 780 923B1已知所谓的混合式直流功率开关，它们以由电子主开关和与之并联的具有快速的机械分离开关的电子辅助开关的串联电路的组合为基础。辅助开关和主开关都具有多个串联的功率半导体开关元件，所述功率半导体开关元件的数量在辅助开关中是少的，使得辅助开关被设立用于比主开关更小的额定功率和更小的线路损耗。在正常运行中，辅助开关和机械分离开关闭合，而主开关可以断开或闭合。因此，电流在不出现故障的情况下始终流过低欧姆的主电流路径。当例如在直流电压传输段或直流电压网内部识别出短路故障时，混合式功率开关被触发，其方式是：首先断开辅助开关，由此电流从主电流路径换向到具有主开关的旁路路径上。紧接着，机械分离开关被断开，以便将辅助开关从所传输的电压上分离，并且随后主开关被断开，这导致电流从旁路路径换向到与主开关并行布置的过电压保护器。
这样的混合式直流功率开关可以实现在小的功率损耗的情况下快速地将有故障的部分从传输段上断开并且绝缘以及重新接通无故障的部分。主开关(其视所需的反向电压而定地可以具有2个或更多个功率半导体开关元件，针对高压直流输电应用甚至可以具有10个或多于50个功率半导体开关元件)仅在触发混合式开关的短时间内使用。该主开关的线路损耗几乎无足轻重。然而，这样的用于高压直流输电应用的混合式开关可能需要用于主开关的巨大的半导体面积和总共用于混合式开关、其冷却装置和驱控装置的很多的结构空间。该结构空间与整个变流器相比在这里同样可以占在高的一位数百分比范围内的份额。在这里也期望的是，减小半导体面积和结构空间并且降低实施成本和运行成本。
IGBT的特征在于额定电流IC nom。IGBT的典型的工作区域直至两倍额定电流。必要时也可以关断三倍额定电流。此外，IGBT通过短路电流ISC来描述，该短路电流视IGBT而定地为额定电流IC nom的三倍至五倍。已经发现的是，在提高的栅极-发射极电压的情况下也可以接通多于三倍额定电流IC nom的电流。
例如，由DE 10 2010 006 525B4和EP 2 747 260A2公知的是，能反复关断的半导体开关元件，尤其是IGBT可以暂时运行在规定的参数之外，以便避免不饱和并且可以实现高负载电流。DE 10 2010 006 525B4描述了一种用于利用能反复关断的半导体开关元件导出例如由于电击所致的冲击电流或暂态过电压的设备，其中，通过将栅极-发射极电压静态地施加在针对其用于持续运行的栅极-发射极电压的规定的范围之外实现接通。通常，IGBT运行在栅极-发射极电压VGE＝15V的情况下的工作点上，其中，根据制造商的规范，用于持续运行的栅极-发射极电压典型地不允许高于20V，因为否则在栅极下方的薄的绝缘的氧化物层的使用寿命受限。针对由于电击产生的短时的或暂态的冲击电流，提出了例如30V至50V的提高的栅极-发射极电压。在短时的或暂态的冲击电流消失之后，再次关断开关元件。
EP 2 747 260A2描述了一种具有IGBT作为功率半导体开关的三相变流器，其中，在变流器的其中一个支路中出现短路的情况下，在另外的、无故障的支路的IGBT持续导通地连接，其方式是：向无故障的支路的IGBT施加在大约30V和大约70V之间的范围内(在允许的规定范围之外)的提高的栅极-发射极电压。通过由此产生的在无故障支路中的支路电流升高，可以实现流过马达的短路电流的平衡，并且可以避免马达中的摆转矩。
发明内容
从上述出发，本发明的任务在于，实现一种用于根据需要暂时承担能量传输设备或能量分配设备的电流的装置，该装置被设立用于，可以根据需要暂时传输非常高的功率。本发明的任务尤其在于，提出简单的措施，以便使这样的用于根据需要暂时承担的装置的能传输的功率最大化，并且/或者在给定的能传输的功率下减少用于实施装置和运行装置的耗费和成本。这在安全且鲁棒的功能性的情况下进行。
该任务通过具有权利要求1的特征的用于根据需要暂时承担能量传输设备或能量分配设备的电流的装置和根据权利要求13的多个功率半导体开关元件的串联电路和/或并联电路的应用来解决。本发明的特别有利的实施方式是从属权利要求的主题。
解决方案1：一种用于根据需要暂时承担能量传输设备或能量分配设备(14；36)的电流的装置，该装置具有：
至少一个线路支路(3；41；71)，其与能量传输设备或能量分配设备(14；36)连接，
多个功率半导体开关元件(7；47；53)，这些功率半导体开关元件彼此串联和/或并联地布置在至少一个线路支路(3；41；71)中，和
驱控单元(18；51)，其用于驱控多个功率半导体开关元件(7；47；53)，其中，驱控单元(18；51)被设立用于将提高的驱控电压(VGE)分别施加到多个功率半导体开关元件(7；47；53)上(该提高的驱控电压的大小高于针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压)，以便接通多个功率半导体开关元件(7；47；53)并且引起提高的经过所述多个功率半导体开关元件的通过电流，该通过电流的电流强度至少相应于两倍的额定运行电流，并且其中，驱控单元(18；51)还被设立用于，在多个功率半导体开关元件(7；47；53)传导提高的通过电流期间，通过关断驱控电压(VGE)又切断多个功率半导体开关元件(7；47；53)。
解决方案2：根据解决方案1的装置，其中正的驱控电压被选择成，使得其短时大于来自制造商的最大允许的驱控电压的1.5倍，直至4倍或甚至多于4倍。
解决方案3：根据解决方案1或2的装置，其中要关断的电流强度高于在推荐的正的驱控电压(VGE)的情况下得出的短路电流(ISC)并且直至规定的标称电流(IC nom)的27倍或更多。
解决方案4：根据上述解决方案中任一项的装置，其特征在于，能量传输设备或能量分配设备(14；36)是高压直流输电线路和/或多个功率半导体开关元件(7；47；53)中的每个通过IGBT来形成。
解决方案5：根据上述解决方案中任一项的装置，其特征在于，所述装置是混合式直流(DC)功率开关(1)的一部分，所述混合式直流(DC)功率开关具有与能量传输设备或能量分配设备(14)串联的主电流支路(3)和旁路支路(4)，所述主电流支路具有由电子辅助开关(11)和快速的机械分离开关(12)构成的串联电路，所述旁路支路与主电流支路(3)并行地联接并且包括电子主开关(6)，所述电子主开关具有多个功率半导体开关元件(7)。
解决方案6：根据解决方案5的装置，其特征在于，电子辅助开关(11)具有一个或多个串联的功率半导体开关元件(13)，所述功率半导体开关元件整体上针对比电子主开关(6)的多个功率半导体开关元件(7)的串联电路和/或并联电路更小的额定功率和更小的线路损耗来设立。
解决方案7：根据解决方案5或6的装置，其特征在于，电子主开关(6)具有由至少2个或更多的功率半导体开关元件(7)，针对高压应用由至少10个或许多的功率半导体开关元件(7)构成的串联电路。
解决方案8：根据解决方案5至7中任一项的装置，其特征在于，在正常运行中，电子辅助开关(11)导通地连接，快速的机械分离开关(12)闭合并且电流流经主电流支路(3)，并且在识别出能量传输设备或能量分配设备(14)中的故障的情况下首先断开电子辅助开关(11)，并且以提高的驱控电压(VGE)来驱控电子主开关(6)的多个功率半导体开关元件(7)，以便使电流换向到旁路支路(4)上，紧接着断开快速的机械开关(12)并且随后断开电子主开关(6)，以便中断旁路支路(4)中的提高的通过电流。
解决方案9：根据解决方案1至4中任一项的装置，其特征在于，所述装置是变流器(33、37；39)的一部分，所述变流器具有一个或多个彼此并联的支路(41a至41c)，其中，每个支路(41a至41c)具有至少两个串联的电子开关(47；52；59)，这些电子开关由驱控单元(51)根据确定的脉冲模式来驱控，以便将具有第一电流和电压特性的第一功率转化成具有第二电流和电压特性的第二功率。
解决方案10：根据解决方案9的装置，其特征在于，至少两个串联的电子开关(47；52；59)分别具有多个串联和/或并联的功率半导体开关元件(47；53)，这些功率半导体开关元件在变流器的正常运行中以提高的驱控电压(VGE)根据确定的脉冲模式来驱控。
解决方案11：根据解决方案9或10的装置，其特征在于，变流器(33、37；39)具有斩波器-电阻装置(67)，其用于防止变流器(33、37；39)的直流电压中间回路(48)中的过电压，其中，斩波器-电阻装置(67)与变流器的一个或多个并联的支路(41a至41c)并行地联接，并且具有由至少一个电阻(68)和电子开关(69)构成的串联电路，其中，电子开关(69)通过多个串联或并联的功率半导体开关元件(7；47)来形成，当直流电压中间回路(48)中的电压超过预给定的阈值电压时，在很短的时间内，脉冲式地、必要时反复地以提高的驱控电压(VGE)来驱控所述功率半导体开关元件。
解决方案12：根据上述解决方案中任一项的装置，其特征在于，驱控单元(18；51)被设立用于，以在至少一个中间水平上的驱控电压(VGE)在接通与最终的切断之间对多个功率半导体开关元件(7；47；53)进行驱控，所述中间水平低于在接通时提高的驱控电压的电压，但高于针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压。
解决方案13：多个功率半导体元件(7；47；53)、尤其是IGBT的串联电路和/或并联电路在如下的装置(1；39；67)中的应用，该装置用于根据需要暂时承担能量传输设备或能量分配设备(14；36)的电流，该装置具有至少一个线路支路(3；41；71)，所述线路支路与能量传输设备或能量分配设备(14；36)连接，并且在所述线路支路中布置有多个功率半导体开关元件(7；47；53)的串联电路和/或并联电路，其中，多个功率半导体开关元件(7；47；53)在运行中以提高的驱控电压(VGE)来驱控(所述提高的驱控电压的大小高于针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压)，以便接通多个功率半导体开关元件(7；47；53)并且引起提高的经过所述多个功率半导体开关元件的通过电流，该通过电流的电流强度至少相应于两倍的额定运行电流，并且其中，在多个功率半导体开关元件(7；47；53)传导提高的通过电流期间，在接通持续时间之后又通过关断驱控电压(VGE)来切断多个功率半导体开关元件(7；47；53)。
解决方案14：根据解决方案13的应用，其特征在于，功率半导体开关元件(7；47；53)是IGBT，并且提高的驱控电压(VGE)的大小根据如下因素来选择，以便实现预给定的使用寿命，而不发生功率半导体开关元件(7；47；53)的损坏：直至在功率半导体开关元件(7；47；53)的栅极与发射极之间的栅极氧化物层发生击穿的预给定的整个使用寿命、作为所有预期的接通过程的估计的接通持续时间之和的功率半导体开关元件的预期的整个接通持续时间、以及由于预期的接通过程和暂时提高的工作温度而估计的使用寿命减少。
解决方案15：根据解决方案13或14的应用，其特征在于，优选针对高压直流输电应用使用混合式直流(DC)功率开关(1)中的串联电路和/或并联电路，其中，混合式DC功率开关(1)具有与能量传输设备或能量分配设备(14、36)串联的主电流支路(3)和旁路支路(4)，所述主电流支路具有由电子辅助开关(11)和快速的机械分离开关(12)构成的串联电路，所述旁路支路与主电流支路(3)并行地联接并且包括电子主开关(6)，所述电子主开关具有多个功率半导体开关元件(7)的串联电路和/或并联电路，其中所述串联电路和/或并联电路具有至少2个或更多的功率半导体开关元件，针对高压应用具有至少10个或许多的功率半导体开关元件(7)。
解决方案16：根据解决方案13或14的应用，其特征在于，该应用优选针对高压直流应用使用在变流器(33、37；39)中，其中，变流器(33、37；39)具有一个或多个彼此并联的支路(41a至41c)，其中，每个支路(41a至41c)具有至少两个串联的电子开关(47；52；59)，这些电子开关根据确定的脉冲模式来驱控，以便将具有第一电流和电压特性的第一功率转化成具有第二电流和电压特性的第二功率，并且其中，至少两个串联的电子开关(47；52；59)分别具有多个串联和/或并联的功率半导体开关元件(47；53)，这些功率半导体开关元件在变流器的正常运行中以提高的驱控电压(VGE)根据确定的脉冲模式来驱控。
解决方案17：根据解决方案13或14的应用，其特征在于，该应用使用在两级或多级的变流器(33、37；39)中，其中变流器(33、37；39)具有至少一个直流电压中间回路(48)、一个或多个与至少一个直流电压中间回路(48)并联并且彼此并联的支路(41a至41c)，这些支路分别具有至少两个串联的电子开关(47；52；59)，这些电子开关根据确定的脉冲模式来驱控，以便将具有第一电流和电压特性的第一功率转化成具有第二电流和电压特性的第二功率，并且变流器(33；37；39)具有斩波器-电阻装置(67)，其用于防止所述至少一个直流电压中间回路(48)中的过电压，所述斩波器-电阻装置(67)与所述至少一个直流电压中间回路(48)并行地联接，并且具有由至少一个电阻(68)和电子开关(69)构成的串联电路，所述电子开关通过多个功率半导体开关元件(47；53)的串联电路和/或并联电路来形成，当直流电压中间回路(48)中的电压超过预给定的阈值电压时，在短时间内，脉冲式地、必要时反复地以提高的驱控电压(VGE)来驱控所述功率半导体开关元件。
根据本发明的一个方面，实现了一种用于根据需要暂时承担能量传输设备或能量分配设备的电流的装置，该装置具有：至少一个线路支路，其与能量传输设备或能量分配设备连接；多个功率半导体开关元件，这些功率半导体开关元件彼此串联和/或并联地布置在至少一个线路支路中；和驱控单元，其用于驱控多个功率半导体开关元件。驱控单元被设立用于将提高的驱控电压分别施加到多个功率半导体开关元件上(所述提高的驱控电压的大小高于针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压)，以便接通多个功率半导体开关元件并且引起提高的经过所述多个功率半导体开关元件的通过电流，该通过电流的电流强度至少相应于两倍的额定运行电流。驱控单元还被设立用于，在多个功率半导体开关元件传导提高的通过电流期间，通过关断驱控电压又切断所述多个功率半导体开关元件。
本发明基于如下认识：在以下应用中，其中在运行中应该仅暂时地将电流换向到多个彼此串联和/或并联地布置的功率半导体开关元件上，由于功率半导体开关元件的由于超出允许的界限值来提高的驱控电压所引起的更大的导电能力，可以明显减小功率半导体开关元件的半导体面积和因此用于给定的要传递的高功率的装置的整个结构空间。由此，可以减少用于装置的实施、冷却和运行的耗费，这降低了实施成本和运行成本。
在上述的装置中，正的驱控电压优选被选择成，使得其短时至少超过来自制造商的最大允许的驱控电压的1.5倍。正的驱控电压可以直至最大允许的驱控电压的4倍或甚至多于4倍。
附加地或替代地，要关断的电流强度可以高于在推荐的正的驱控电压VGE的情况下得出的短路电流ISC并且通常直至规定的标称电流(IC nom)的14倍，必要时直至至少20倍。在实验室试验中，可以成功地关断标称电流的27倍。
在优选的应用中，所使用的功率半导体开关元件优选通过IGBT来形成，IGBT提供了如下优点：如MOSFET那样的电压控制的开关特性、由于如双极型晶体管那样的双极功能性的良好的导通特性和仅仅小的驱控功率，并且与此同时可以获得具有kA范围内的电流和kV范围内的电压的高功率。这可以实现根据本发明的装置应用于高功率应用、例如应用于高压直流输电使得能量传输设备或能量分配设备例如可以是高压直流输电线路。在IGBT中，针对持续运行的工作点在驱控电压或栅极-发射极电压方面通常为大约15V，而规定的最大允许的栅极-发射极电压通常为20V。根据本发明，用于使功率半导体开关元件的串联电路和/或并联电路导通连接的栅极-发射极电压选择为30V至50V或甚至更高，直至大约70V，这可以实现将所需的半导体面积减少到一半或甚至减少到更低。提高的电流(其随后在运行中流经功率半导体开关元件的串联电路和/或并联电路，大于两倍的额定运行电流)甚至可以为额定电流的五倍或直至十倍或更高。在使用IGBT的情况下，也可以安全且可靠地通过关断或移走栅极-发射极电压来中断数倍的额定电流。必要时，这通过附加的措施(如也在下面阐述的那样)得以支持。
原则上也可以的是，以根据本发明的方式运行不同于IGBT的其他功率半导体开关元件，诸如BIGT、MOSFET等。在一种特别优选的实施方式中，根据本发明的装置是优选用于高压直流输电应用的混合式直流(DC)功率开关的一部分，混合式直流(DC)功率开关具有与能量传输设备或能量分配设备串联的或插入其中的主电流支路和旁路支路，所述主电流支路具有由电子辅助开关和快速的机械分离开关构成的串联电路，所述旁路支路与主电流支路并行地联接并且包括电子主开关，所述电子主开关具有多个功率半导体开关元件。这样的混合式DC功率开关本身已知，但是在规定的参数范围之内运行。本发明可以实现，明显减少用于这样的混合式DC功率开关的半导体面积，由此相应地也明显减少了用于混合式DC功率开关的整体结构空间以及整体实施耗费和运行耗费。
在一个实施方案中，电子辅助开关可以具有一个或多个串联的功率半导体开关元件，优选是IGBT，它们整体针对比主开关的多个功率半导体开关元件的串联电路和/或并联电路更小的额定功率和更小的线路损耗来设计。主开关可以具有由功率半导体开关元件(7)构成的串联电路。针对高压应用、包括高压直流输电，主开关也可以具有至少10个、优选至少50个或甚至100至200个功率半导体开关元件，以便提供所需的阻断能力。例如，在高压直流输电应用中，主开关的串联的功率半导体开关元件必须针对例如300kV至400kV或甚至更高电压水平的所传输的直流电压并且针对例如1000A至1500A的电流来设计。这通过本发明可以相对耗费更低和成本更适宜地实现。例如，根据现有技术，在600kV和设计到1GW功率上的情况下，必须针对每个IGBT单个元件将电流设计到大约1670A上。现在，本发明例如允许每个IGBT单个元件的5倍电流。因此，应该设计到1670/5＝334A上，在关断10倍电流的情况下，到167A上的设计就足够。因为成本和结构空间与电流成比例，因此耗费可以减少到五分之一或十分之一。根据本发明的混合式DC功率开关在正常运行中可以以如下方式来运行，即，当主开关处于不导通的状态中时，辅助开关导通地连接并且快速的机械分离开关闭合。为此，可以断开主开关或以标称的驱控电压对其进行预驱控。因为电子主开关的阻抗明显大于辅助开关的阻抗，所以电流几乎仅流经主电流支路。如果识别出故障，例如能量传输设备或能量分配设备中的短路故障，则首先断开电子辅助开关。同时，以提高的驱控电压来驱控电子主开关的功率半导体开关元件，以便使电流换向到具有主开关的旁路支路上。紧接着断开快速的机械开关，以便相对于所传输的电压隔离辅助开关，并且随后通过关断提高的驱控电压或栅极-发射极电压断开电子主开关，以便中断旁路支路中的提高的通过电流。随后，电流例如换向到并行于功率半导体开关元件的保护器或非线性电阻上，其能量在那里被转化成热。
在一种另外的优选实施方式中，根据本发明的装置是优选用于高压直流输电应用或其他高功率应用的两级或多级的变流器的一部分。变流器可以具有一个或多个彼此并联的相支路，其中，每个相支路具有至少两个串联的电子开关，这些电子开关由驱控单元根据确定的脉冲模式来驱控，以便将具有第一电流和电压特性的第一功率转化成具有第二电流和电压特性的第二功率。
在一种配置方案中，至少两个串联的电子开关可以分别具有多个串联和/或并联的功率半导体开关元件，这些功率半导体开关元件在变流器的正常运行中以提高的驱控电压、例如在IGBT的情况下是栅极-发射极电压，根据确定的脉冲模式来驱控。因此在以下应用中可以明显减小半导体面积和用于实现和运行变流器的耗费，在所述应用中针对高功率设计的变流器仅暂时或短时地运行。因此，可以明显减小这样的部件的结构空间和重量。也能够设想多个如下的应用，在所述应用中，所需的使用寿命或使用持续时间从一开始就相对受限并且适合于提高的驱控电压的暂时或短时的应用。
在本发明的另一种优选实施方式中，变流器可以具有斩波器-电阻装置，其用于防止变流器的直流电压中间回路中的过电压，斩波器-电阻装置与变流器的一个或多个并联的支路并行地联接，并且具有由至少一个电阻和电子开关构成的串联电路。电子开关通过多个串联或并联的功率半导体开关元件来形成，当直流电压中间回路中的电压超过预给定的阈值电压时，在短时间内，脉冲式地、必要时反复地、例如通过脉宽调制(PWM)以提高的驱控电压(例如在IGBT情况下是栅极-发射极电压)来驱控所述功率半导体开关元件。这类具有多个串联和/或并联的功率半导体开关元件的斩波器-电阻装置例如可以用于防止具有集中或分散的中间回路的逆变器中的过电压。但是，斩波器-电阻装置也可以充当用于驱动系统的制动斩波器装置，以便在制动情况下将多余的能量经由所联接的制动电阻转化成热能。无论如何，通过设置过高的驱控电压可以明显减小斩波器-电阻装置的结构尺寸。所需的半导体面积可以被减少到五分之一或甚至更低。实施耗费和运行耗费以及与之相关的成本都得以降低。
此外，根据本发明的设备也可以实施为所谓的“钳制器(Crowbar)”，其是用作防止尤其是低压的直流电源中的过电压的保护装置的电子钳位电路。钳制器具有晶闸管或三端双向可控硅元件作为开关元件，它们在达到确定的电压时低欧姆地短路供电电压，使得因此例如可以触发保险装置并且中断电流供应或以限制电压的方式作用到要保护的变流器部件上。通过以IGBT或类似元件的串联电路和/或并联电路代替晶闸管或三端双向可控硅元件，钳制器也可以用于中压或高压并且根据本发明以过高的驱控电压来运行。钳制器必要时也可以接在三相电网的相之间。此外，钳制器本身可以是实际的用于转换电能的变流器电路的组成部分。
在本发明的一种有利的改进方案中，驱控单元可以被设立用于，以在至少一个中间水平上的驱控电压在接通与最终的切断之间对多个功率半导体开关元件进行驱控，该中间水平低于在接通时提高的驱控电压的电压，但高于针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压。也就是说，可以插入驱控电压的中间等级，使得IGBT例如可以在接通时首先以+50V来驱控，随后以20V至30V的范围内的电压作为中间等级来驱控，并且最后在最终关断时以-15V来驱控。更多的中间等级，例如在+30V和随后在+20V上也是可行的。由此，可以控制开关损耗和关断时间并且可以根据应用和运行环境来优化开关变化过程。例如，可以优化针对集电极电流和集电极-发射极电压的di/dt曲线和dv/dt曲线并且使过电压最小化。也可以的是，以合适的中间等级在最终的关断前不久实现IGBT的去饱和，以便减少在关断时的关断损耗和与之关联的尖峰阻挡层温度或者也可以减小关断过电压和改进所使用的功率半导体构件在应用中的鲁棒性。在驱控单元中可以实施另外的措施，以便减小在切断多个功率半导体开关元件时的电压过大(过电压)并且促使可以为两倍或多倍额定电流的高电流的安全关断。属于所述措施的例如有：在IGBT的情况下经由一个栅极电阻(所谓的软关断)或多个栅极电阻对关断速度进行主动控制，通过降低栅极-发射极电压进行温和的关断或通过电压钳位(所谓的有源钳位)进行过电压限制，这些措施都在现有技术中普遍公知。结合根据本发明提高的驱控电压，这些措施可以改进装置的功能安全性和鲁棒性。
在本发明的另一方面中设置了多个功率半导体开关元件、尤其是IGBT的串联电路和/或并联电路在如下装置中的应用，该装置用于根据需要暂时承担能量传输设备或能量分配设备的电流。该装置具有至少一个线路支路，其与能量传输设备或能量分配设备连接，并且在该线路支路中布置有多个功率半导体开关元件的串联电路和/或并联电路。多个功率半导体开关元件在运行中在需要时优选全部以提高的驱控电压来驱控(所述提高的驱控电压的大小高于针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压)，以便接通多个功率半导体开关元件并且引起提高的经过所述多个功率半导体开关元件的通过电流，该通过电流的电流强度至少相应于两倍的额定运行电流。在多个功率半导体开关元件传导提高的通过电流期间，在短时的接通持续时间之后通过关断或移走驱控电压又切断多个功率半导体开关元件。
在一种优选的实施方式中，功率半导体开关元件是IGBT，并且提高的驱控电压，即栅极-发射极电压的大小根据如下因素来选择，以便实现预给定的使用寿命，而不发生功率半导体开关元件的损坏：直至在功率半导体开关元件的栅极与发射极之间的栅极氧化物层发生击穿的预给定的整个使用寿命、作为所有预期的接通过程的估计的接通持续时间之和的功率半导体开关元件的预期的整个接通持续时间以及由于预期的接通过程和暂时提高的工作温度而估计的使用寿命减少。例如研究表明，将栅极-发射极电压从通常的15V加倍到30V可以使使用寿命减小大约300倍。如果考虑到对装置使用寿命的影响，则可以由此推断出，是否应使用30V的栅极-发射极电压或是否可以施加还更高的栅极-发射极电压。
此外，根据本发明的优选的应用涉及功率半导体开关元件的串联电路和/或并联电路在混合式直流(DC)功率开关中的应用、其作为变流器的高频脉冲的开关的应用、或其作为例如用于高压直流输电线路上的变流器的斩波器-电阻装置的电子开关的应用、或其作为驱动系统的变流器的中间回路上的制动斩波器或作为钳制器的应用。在根据本发明的应用的实施方式和改进方案以及其优点方面可以参考与根据本发明的装置相结合的上述实施方案，所述实施方案在此类似地适用。
附图说明
由从属权利要球、附图以及所属的描述得出本发明的实施方式的另外的有利的细节。下面根据示出了本发明的示例性的、毫不限制性的实施方式的附图详细描述了本发明，其中，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同的元件。其中：
图1以非常简化的示图示出根据本发明的第一实施方式的混合式直流电(DC)功率开关，其包括多个串联的功率半导体开关元件；
图2示出在例如能使用在根据图1的混合式DC功率开关中的功率半导体开关元件进行切换时测量到的电压和电流曲线，用以阐明本发明的实施方式的原理；
图3以非常简化的原理图示出在阐明所谓的“电涌(SURGE)”运行(过载运行)的情况下的IGBT的输出特性曲线簇的原理图；
图4a和4b以非常简化的示图示出类似图2的电压和电流曲线，用以阐明本发明的实施方式的改进方案；
图5示出风力发电厂连同高压直流输电系统，高压直流输电系统具有根据本发明的另外的实施方式的用于根据需要暂时承担能量传输设备或能量分配设备的电流的装置；
图6以非常简化的原理图示出根据本发明的一种实施方式的示例性的变流器的示意性方框图；
图7示出多个功率半导体器件的并联电路，该并联电路根据本发明可以用在根据图1至6的装置之一或系统之一中；并且
图8示出具有功率半导体器件的子模块的电路装置，该子模块根据本发明可以用在根据图1至6的装置之一或系统之一中。
具体实施方式
图1示出混合式直流(DC)功率开关1，其形成根据本发明的用于根据需要暂时承担电流或使电流换向的装置2的第一优选实施方式。混合式DC功率开关1可以作为所谓的“DC断路器(DC中断器)”例如用在高压直流输电(HGU)系统中，以便在后置的直流电网部分中出现短路的情况下快速且安全地隔离有故障的部分，以便继续维持系统的其他部分的功能。现有的机械DC分离开关不能在数毫秒之内完全中断直流电流，如其在高压直流输电应用中所需要的那样。此外，机械DC分离开关需要复杂的措施来避免或消除在断开分离开关时出现的电弧。基于半导体的直流电流中断器可以极其快速且无电弧地切换。混合式DC功率开关1克服了所述不足并且能够在50kV或更高(例如在具有300kV至400kV的电网电压、kA范围(例如直至10kA或更高)内的电流的高压直流输电网中)的高压应用中可靠地中断。
混合式DC功率开关1具有主电流支路3和与之并行的旁路支路4。旁路支路4具有电子主开关6，该电子主开关在这里包括多个彼此串联的功率半导体开关元件7。视应用的直流电压和所使用的功率半导体开关元件7的功率数据而定地，串联电路可以包括数十个或者甚至数百个功率半导体开关元件7。如阐明的那样，优选地，功率半导体开关元件7被设置用于两个电流流动方向，其中，在这里可以使用双向的功率半导体开关，它们通常能以不同的配置来使用。如果规定了电流极性，那么也可以使用常见的单向开关。
基于半导体的主开关6被划分为多个具有单独的过电压或过电流保护器9的区段8，所述过电压或过电流保护器与分别多个串联的功率半导体开关元件7并行地布置并且通过非线性电阻形成。
主电流支路3具有由电子辅助开关11和快速的机械分离开关12构成的串联电路。电子辅助开关11同样基于半导体并且具有若干功率半导体开关元件13，它们优选同样被设立用于双向的电流传输。辅助开关11与主开关6相比被设立用于明显更低的反向电压，并且为此优选具有功率半导体开关元件13的串联电路，功率半导体开关元件13的数量明显小于在主开关6中的功率半导体开关元件的数量。最佳地，串行地使用仅一个唯一的开关。其可以被设计到比开关7更低的电压上。如果规定了电流的极性和因此能量流动方向，则也可以使用通常的单向的开关。开关11也可以由不同于元件7的其他元件，例如GCT构成。
快速的机械分离开关12可以在毫秒范围内快速切换并且例如可以基于已知的气体绝缘的开关设备技术或类似的。如还由图1得知的那样，在这里通过传输线路14(混合式DC功率开关1插入到该传输线路中)形成的能量传输设备或能量分配设备中还可以设置有故障电流保护开关16，其用于在触发混合式DC功率开关1之后中断在线路14中流动的剩余电流。此外，可以设置有限制电流的扼流圈17，以便在例如直流电网或汇流排中出现短路的情况下限制电流上升，其中混合式DC功率开关1与该直流电网或汇流排连接。
如还由图1可看出的那样，设置有驱控单元18，其用于在运行中驱控混合式DC功率开关1的部件。驱控单元18可以监控和控制混合式DC功率开关1的整个运行，并且为此例如可以利用电流传感器19监控经过线路14的通过电流。驱控单元18也可以根据需要监控在主电流支路3和旁路支路4中的电流以及还有在它们上的电压电势(未示出)。驱控单元也可以由上级的(在这里未详细示出的)控制装置本身来控制，该控制装置可以承担监控和控制混合式DC功率开关1的任务，而驱控单元18仅可以生成和施加用于功率半导体开关元件7、13的合适的驱控信号。驱控单元18也可以划分为多个配属于各个功率半导体开关元件7的或分别配属于功率半导体开关元件的组的驱控子单元(未示出)。
在此描述的混合式DC功率开关1如下地来工作：
在正常运行期间，快速的机械分离开关12闭合并且电子辅助开关11的功率半导体开关元件13同样闭合或导通地连接。在DC断路器16闭合时，电流于是仅流经主支路4和布置在其中的开关11和12。电子主开关6可以闭合、也就是导通地连接，或者断开、也就是不导通地连接。因为电子主开关与辅助开关11相比具有明显更大的阻抗，所以于是没有电流能够流经旁路支路3。
当在后置的直流电网中出现直流电流故障、尤其是短路时，通过驱控单元18或另一驱控装置来驱控辅助开关11，以便断开或将其转换到非导通的状态中。由此，流经主电流支路3的电流换向到旁路支路4上。只要辅助开关11在数微秒内是不导通的并且全部电流换向到旁路电流支路4上，就断开快速的机械分离开关12。在断开机械分离开关12的情况下，主开关6于是可以中断故障电流。
只要通过驱控单元18断开主开关6，电流就换向到并行的保护器9上并且在那里转化成热。在电流在很大程度上消失之后，根据需要断开DC断路器16，以便完全中断通过电流。
机械分离开关12使辅助开关11相对于在电流中断期间在主开关6上的初级电压隔离。因此，辅助开关11的所需的额定电压或反向电压明显减小。在导通的状态中，辅助开关11具有在相对数伏特的范围内的导通电压，使得与纯粹的基于半导体的中断器相比，混合式DC功率开关1的传输损耗显著降低。主开关6的高的线路损耗是不重要的，仅在触发了混合式DC功率开关1的情况下电流换向到主开关6上并且继续换向到保护器9上的短的持续时间期间才出现所述线路损耗。
为了提供所需的反向电压，电子主开关6需要多个功率半导体开关元件7，所述多个功率半导体开关元件容纳短路情况下的电流负载。在具有300kV至400kV电压的高压直流输电应用中和在例如以具有例如1.5kA/3.3kV功率数据的IGBT半导体开关作为功率半导体开关元件7的情况下，可能需要直至200个或更多的IGBT开关来实现主开关6。这意味着极其大的半导体面积，其大幅提高了实现的成本。此外，需要附加的用于对混合式功率开关1进行冷却和对其进行监控和控制的装置。针对高压直流输电应用的混合式DC功率开关1可以在整个变流器上按份额轻易地达到高的一位数百分比值。本发明可以实现减小该参量并且明显减少与实施和运行混合式DC功率开关1相关联的耗费和成本。
在进一步探讨本发明之前，要注意的是，图1示出IGBT T作为功率半导体开关元件7。IGBT是普遍已知的，其特征在于特别好的开关特性、好的导通特性和小的驱控功率，并且能针对不同的功率范围来运行。每个IGBTT具有控制电极(被称为栅极G)，以及发射极E和集电极C作为另外的电极。有利地，内部的续流二极管反并联于IGBT T，电流可以根据需要换向到所述续流二极管上。但是原则上，根据本发明也可以使用其他的功率半导体器件，诸如BIGT、MOSFET或类似的。因此，在这里使用的名称集电极、发射极和栅极涉及将IGBT作为功率半导体开关元件7(和13)的优选应用，而针对其他可比较的半导体器件的端子和电极的相应名称对于本领域技术人员来说是毫无困难熟悉的。
如上述那样，混合式DC功率开关1，尤其是其主开关6根据本发明被设立用于，优化所需的半导体面积和结构空间需求以及与之关联的实施和运行成本。为此，驱控单元18被设立用于，在触发混合式DC功率开关1时以提高的驱控电压或栅极-发射极电压VGE驱控主开关6的IGBT T或功率半导体开关元件7，提高的驱控电压的大小在针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压以上。通常地，针对持续运行，IGBT以大约15V的栅极-发射极电压来运行。根据制造商规范，针对持续运行的栅极-发射极电压典型不允许高于20V，因为这否则可能导致栅极G下方的薄的绝缘的栅极氧化物层的击穿并且导致IGBT损坏。
根据本发明，主开关6的IGBT 7为了使短路电流从主电流支路3换向到旁路支路4上而通过施加提高的栅极-发射极电压来运行，提高的栅极-发射极电压大于最大允许的20V并且例如为30V或50V。必要时，当统计上仅能够记录直流电网中的少的短路时，也可以选择70V的栅极-发射极电压用于主开关6的运行。
所述过高的驱控电压导致，与额定运行电流相比，主开关6的每个IGBTT可能传导提高的电流，其可能至少是额定运行电流的两倍、并且甚至直至十倍或更多。在该提高的电流仅短时地(在电流从主电流支路3换向到旁路支路4上直至完全断开主开关6后，通常在短于一毫秒或仅数毫妙的持续时间期间)流动之后，在运行中可以容忍对绝缘的栅极氧化物层的小的影响并且尽管如此仍可以确保混合式DC功率开关1的足够的使用寿命。
因此，利用根据本发明的措施(提高驱控电压超出针对持续运行来规定的最大允许的范围)，混合式DC功率开关1可以被用于电网的更高的传输的直流电压。相反地，在主开关6中的针对设计的电流负载的同样的功率半导体开关元件7的数量可以明显降低，尤其可以减少到一半或还减少更多。
这导致，相应地减小了所需的半导体面积并且相应地减少了主开关6本身的和混合式DC功率开关1整体的与之关联的成本。与用于冷却、控制和用于混合式功率开关1的运行所需的冷却装置、监控装置、控制装置、线路和类似部件相关的耗费和成本也明显减少。
图2示出按照根据本发明的驱控方式在IGBT 7的接通和切断时测量到的电压信号曲线和电流信号曲线，如该IGBT可以用在根据图1的混合式DC功率开关1的主开关6中那样。尤其示出了在集电极电流IC为1350A，也就是27倍的额定电流的情况下对规定额定电流ICnom＝50A的IGBT进行关断的测量。关于时间t示出了栅极-发射极电压VGE、集电极-发射极电压VCE和集电极电流IC。
在接通之前，VGE为-5V，中间回路电压为2000V。在t≈12μs时，施加VGE＝50V的正的栅极电压。电流根据负载的电感而上升。在t＝56μs时，设置关断信号。VGE下降到现在在过高电流的情况下在大约30V处的米勒平坦区上。现在在大约t＝65μs时，IGBT开始去饱和。与仍上升的电流IC相应地，VGE在米勒平坦区中仍稍微上升。电流IC同样地继续上升。最终，成功地关断了1350A的电流IC，这相应于所使用的4.5kV IGBT芯片的27倍额定电流。在过程的最后，栅极电压又下降到被施加的-5V上。
以相同的方式，IGBT在以提高的栅极电压运行期间的损坏界限向上移动。图3示出IGBT的输出特性曲线簇的原理图，其示出，IGBT在例如在此50V的提高的栅极电压下的所谓的“电涌”运行(过载运行)位于饱和区中。与此相应地，鉴于相应的应用应该遵守安全间距，该安全间距在有源区中维持与损坏界限足够的间距。在考虑到所述标准的情况下，在明显大于栅极-发射极额定电压的栅极-发射极电压的情况下，可以实现针对短时的过载情况的具有“电涌”电流ISurge的“电涌”运行，该“电涌”电流相应于5倍至25倍的额定电流IN并且相应于数倍的短路电流ISC。
图4a和4b以非常简化的示图示出类似图2的电压和电流曲线，但限于IGBT的关断，用以阐明本发明的实施方式的改进方案。图4a示出，施加例如35V的高于针对持续运行最大允许的电压的栅极-发射极电压VGE。由此，例如可以通过根据图1的混合式DC功率开关1的主开关6的IGBT引导五倍的额定运行电流。尽管如此，可以安全地关断该高电流。
如可看到的那样，当VGE被关断时，集电极电流IC以高斜率相对快速地下降。此外可看到的是，集电极-发射极电压VCE以高的斜率相对快速地上升直至反向电压。在到达反向电压之前不久，VCE示出关断电压尖峰(电压过高)。关断电压尖峰取决于杂散电感和因此感应出的电压，该电压相应于切换的di/dt和二极管的接通电压尖峰。
这样的高的集电极电流斜率di/dt、集电极电压斜率dv/dt和电压过高可能能够损坏IGBT并且引起过高的开关损耗。但是根据本发明的改进方案，驱控单元18可以被设立用于优化di/di曲线和dv/dt曲线、使过电压最小化、减少开关损耗以及影响接通和切断时间。
出于该目的，在一种优选的改进方案中，驱控单元18被设立用于，以在至少一个中间水平上的驱控电压在接通与最终的切断之间对根据图1的混合式DC功率开关1的主开关6的功率半导体开关元件、例如IGBT开关7进行驱控，该中间水平低于在已接通的状态期间的提高的驱控电压的电压，但高于针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压。例如，图4b示出针对例如主开关6的IGBT的有利的关断过程，其中首先施加50V的提高的栅极-发射极电压VGE，并且紧接着切换到高于20V、在此例如30V的提高的栅极电压上，在此之后最后将-5V的电压连接到栅极上，以便最终关断开关。此外，分级地切换栅极电压可以实现减小集电极电流变化速度di/dt和减小电压上升dVCE/dt。如VCE在其较陡地上升之前不久的稍微上升的曲线处可看到的那样，在30V的中间等级还引起IGBT更强烈地去饱和，由此，IGBT集电极电流和VCE的关断电压尖峰都受限。设置一个或多个用于栅极电压VGE的中间等级支持安全地关断即使很高的电流，直至十倍额定运行电流。
为了即使在非常高的集电极电流的情况下也支持安全切断IGBT和因此例如图1中的主开关6，还可以采取另外的措施。例如，可以提供具有不同的栅极电阻的用于针对接通和切断来驱控栅极的不同的驱动器级，所述栅极电阻可以根据负载电流、电压和温度而单独地选择，以便避免危急的运行状态、例如过电压、过电流和振荡，与时间相关地优化开关过程并且减少开关损耗。此外，可以使用过电压限制(所谓的有源钳位)，以便在切断过程期间通过将集电极-发射极电压反馈到IGBT的控制输入端上来减小集电极电流变化速度di/dt以及集电极-发射极电压的最大值。此外，可以主动控制或减小集电极电流变化率di/dt，以便例如减小续流二极管的负载。同样地，可以控制或减小集电极-发射极电压变化速度。通过也持续减小的栅极-发射极电压VGE可以实现柔和的关断。
有利地，要选择的驱控电压或栅极-发射极电压VGE可以根据能预给定的使用寿命和估计的运行参数合适地来选择。已知的是，直至栅极氧化物层击穿的使用寿命取决于氧化物层上的场强、氧化物层的温度、半导体面积和从稳定状态到针对击穿的被激活的过渡状态的焓变化。在此，氧化物层上的场强相应于所施加的栅极电压VGE与栅极氧化物层的氧化物厚度之商。计算和仿真已经表明，栅极电压从通常的15V加倍到30V使得使用寿命减小了大约300倍。此外，栅极氧化物层直至击穿的使用寿命与栅极-发射极电压呈指数关系。因此，提高的驱控电压或栅极-发射极电压VGE的大小根据如下因素来选择：直至在功率半导体开关元件7的栅极G与发射极E之间的栅极氧化物层发生击穿的预给定的整个使用寿命、作为所有预期的接通过程的估计的接通持续时间之和的功率半导体开关元件7的预期的整个接通持续时间以及由于预期的接通过程而估计的使用寿命减少，使得可以以高的概率实现预给定的使用寿命，而不发生功率半导体开关元件7的损坏。可以在考虑到给定的或设置的运行条件的情况下评估：在给定的应用中继续提高栅极-发射极电压，例如到+50V上或甚至更高是否可行。
图5示出另一种实施方式，其中可以极为有效地使用本发明。示出了具有多个用于产生能量的风力发电机组22的风力发电厂21和高压直流输电(HGU)系统23，所述高压直流输电系统用于将由风力发电厂21供应的能量向后置的交流电网24、例如能量分配网或公共供电网传输。如通常已知的，每个风力发电机组22具有转子叶片26，它们将风的动能转化成与发电机27连接的旋转轴的机械能。发电机27将轴的机械能转化成电能，随后借助功率电子装置、例如全功率变流器或变频器28，和后置的变压器29将电能转化成适合于馈送到风力发电机组22的共同的汇流排31中的电压和电流。例如可以是33kV的汇流排电压可以随后借助变流变压器上升变换到例如用于经由高压直流输电系统23来传输的±150kV上。
高压直流输电系统23基本上具有整流器33，其将变流变压器32的三相交流电压转化成直流电压，该直流电压经由高压直流输电系统23的直流电压线路36来传输。例如，线路36可以在能够为数百公里的距离上传输300kV或更高的直流电压。
在为高压的直流电压侧上传输的功率通过逆变器37转化成交流电压，其例如是150kV的高压，该交流电压可以经由变流变压器38被变换成后置的交流电网24的合适的电压。
整流器33和逆变器37是在这里必须针对高功率来设计的变流器。为此，已知多种变流器拓扑结构。图6中示出合适于此的变流器39的示例性的拓扑结构。
变流器39在这里具有三个相支路41a、41b、41c，它们在变流器39的正的电流排或正的直流电压端子(“+”)42与负的电流排或负的直流电压端子(“-”)43之间延伸。虽然在这里示出三个相支路41a至41c，但是易于理解的是，视在相应的应用或电路环境中的相的数量而定地，也可以存在仅唯一一个相支路41或两个或多于三个相支路。
每个相支路41a至41c具有在图6中上部的第一支路臂44a和与之连接的下部的第二支路臂44b，它们在定义相应相支路41a、41b或41c的相应交流电压端子46a、46b或46c的连接点处彼此连接。在每个相支路41a至41c的每个支路臂44a、44b中分别布置有多个功率半导体开关元件47(T1至Tn)的串联电路，这些功率半导体开关元件共同地针对相应的运行电压和电流来设计。
并行于相支路41a至41c地设置有直流电压中间回路48，其在这里示例性地由直流电压电容器C 49来形成，该直流电压电容器联接在直流电压端子42、43之间。
如示出的那样，功率半导体开关元件47有利地通过IGBT形成，它们由驱控单元51按照根据预先确定的调制方法、例如通过脉宽调制(PWM)的确定的脉冲模式来驱控，以便将直流电压中间回路48上的直流电压Vdc转化成交流电压端子46a至46c上的在这里三相的交流电压vac或者相反地转化。利用每个支路臂44a、44b的多个IGBT，可以实现具有足够的阻断能力的变流器39。
根据本发明，驱控单元51在这里被设立用于，以栅极-发射极电压对相应相支路41a至41c的相应支路臂44a、44b中的相应串联电路的功率半导体开关元件47进行驱控，该栅极-发射极电压位于规定的最大允许的针对功率半导体开关元件47的驱控电压(IGBT的栅极-发射极电压)以上。在最大允许的栅极-发射极电压为20V的情况下，驱控单元51可以在这里以与在根据图1的实施例中类似的方式施加例如30V的或当在使用寿命允许的情况下是50V的栅极-发射极电压，以便可以实现更高的集电极电流或支路臂电流，所述集电极电流或支路臂电流可以大于两倍的额定运行电流并且甚至可以是五倍至十倍的额定运行电流。以这种方式，同样的变流器可以被用于明显更高的功率，或者相反地，针对给定的额定运行功率可以减少功率半导体开关元件47的数量和减少与之相关联的半导体面积。因此，可以降低针对变流器39和系统的实施成本和运行成本，在该系统中使用诸如根据图5的高压直流输电系统23。
虽然图5中示出了用于将风力发电厂21与电网24耦联的高压直流输电系统23，但是根据本发明也可以使用中压直流系统用于耦联风力发电机组或光伏设备或驱动器。此外，所使用的变流器不限于图6中特别示出的变流器结构类型。更确切地说，能使用两级或多级的变流器的多种拓扑结构。
图7示出一种可能的修改方案，其可以应用于根据图6的变流器并且其可以实现有利地充分利用根据本发明的将栅极-发射极电压提高超过允许的范围的措施。图7示出功率半导体模块52，其可以代替由每个相支路41a至41c的相应支路臂44a或44b中的功率半导体开关元件47(T1至Tn)构成的串联电路。功率半导体模块52具有由功率半导体开关元件53(T1至Tn)构成的并联电路，所述功率半导体开关元件53彼此并行地联接在第一端子54、第二端子56和共同的控制或栅极端子57之间，其中，第一端子54与功率半导体开关元件53的所有集电极C连接，第二端子56与功率半导体开关元件53的所有发射极E连接。功率半导体模块52可以具有任意数量的至少两个彼此并行布置的IGBT T 1至Tn。
如还由图7得知，在每个IGBT T1至Tn的栅极电极G与共同的控制或栅极端子57之间分别可以布置有栅极前置电阻。所述电阻58可以被用于使电路平衡，以便引起所有IGBTT1至Tn通过驱控单元51可以尽可能同时且均匀地开关。栅极前置电阻可以与IGBTT1至Tn53共同布置在半导体芯片上或也可以布置在该芯片之外。
如上文提及的那样，功率半导体模块52可以代替相应支路臂44a或44b的多个功率半导体开关元件47的相应串联电路。因此，IGBT的串联电路被并联电路代替，由此变流器39的每个支路臂44a、44b现在针对更大的电流来设计。有利地，通过将栅极-发射极电压VGE提高超过最大允许的根据规范的栅极-发射极电压，图7中的每个IGBT T1至Tn 53可以短时负载提高的电流，该电流可以相应于两倍或更多倍、直至十倍的额定电流。因此，变流器可以针对还更高的功率来设计，或相反地，在给定的功率下，可以减少并联的IGBT T1至Tn53的数量和减小与之相关联的半导体面积，这降低了实施成本和运行成本。
在又另外的可选的修改方案中，根据图7的IGBT T1至Tn的并联电路可以分别代替图6中的功率半导体开关元件47中的单独一个。因此，每个支路臂44a或44b具有分别由多个并联的IGBT构成的串联电路。这样的变流器39适合于非常高的负载电流和非常高的电压，其中，根据本发明的驱控在这里可以特别有效地用于减少占地空间、耗费和成本。
图8示出双向的子模块59，其可以作为根据图6的变流器39中的另外的选择来使用，以便实现模块化多级变流器。子模块59具有全桥配置，该全桥配置具有：分别具有反并联的续流二极管D1、D2的IGBT T1、T2(53)的串联电路和具有所属的反并联的续流二极管D3、D4的IGBT T3、T4(53)的第二串联电路，其中，两个串联电路彼此联接在第一直流电压节点61与第二直流电压节点62之间。此外，充当储能器63的电容器C并联于两个串联电路。相应串联电路的IGBT T1、T2或T3、T4之间的连接点形成第一和第二交流电压端子64或66。
电容器C上的直流电压vdc由于接有续流二极管D1至D4而始终为正并且可以视测量和应用而定地例如在数百伏特与数千伏特之间。在子模块59的AC端子64、66之间的端子电压vac可以基本上具有值-vdc、+vdc或0。电容器C上的直流电压vdc可以如已经描述的那样变得更大或更小。原则上，电流可以在两个方向上流经子模块59。
子模块59可以代替根据图6的变流器39中的功率半导体开关元件47的每个，由此实现了模块化多点变流器。通过模块化结构方式，变流器能单独地针对不同的功率和应用来扩展。在AC侧和DC侧上的电压和电流可以以高动态且很大程度上彼此去耦的方式来控制和调节。有利地，通过以超过IGBT的最大允许的栅极-发射极电压的提高的栅极-发射极电压进行短时的驱控，在这里仍可以继续提高功率。相反地，在相同功率下，可以减小变流器39的半导体面积和结构尺寸，这可以实现减少针对实施和运行变流器39的耗费和与之关联的成本的优点。为了避免重复，参考前述的与根据图1的混合式DC功率开关相关的实施方案，其中，根据图6的变流器39在这里形成了在本发明的意义上用于根据需要暂时承担电流的装置2，该变流器代表任意的整流器(例如图5中的33)、逆变器(例如图5中的37)或变频器(例如图5中的28)。
此外应注意的是，利用根据本发明的提高栅极-发射极电压的措施原则上应该仅在如下应用中使用根据图6的变流器，在所述应用中，变流器仅相对少或短时地使用，使得IGBT的栅极氧化物层的直至击穿的持续时间不超过期望的使用寿命。但是，变流器适合于很多的仅短时和/或很少使用的驱动系统。通过本发明可以明显减小变流器39的所需的半导体面积、结构尺寸和其重量，这对许多应用来说是极其有用的。
由图5还可看出变流器39的根据本发明的另外的应用。图5示出所谓的斩波器-电阻装置67，其连接在直流电压线路36之间。斩波器-电阻装置67用于防止逆变器37的中间回路电容的过电压。为此，斩波器-电阻装置67具有由至少一个电阻68和电子开关69构成的串联电路，所述至少一个电阻68和电子开关69布置在并行于逆变器37的线路支路71中。在当前情况下，两个这样的由电阻68和电子开关69构成的对相对于接地的中点对称地布置在高压直流输电系统23的直流电压线路36之间。在交流电网24中出现故障的情况下，脉冲式地、可能反复地驱控开关69，以便导出多余的能量或将多余的能量消耗在电阻68中，并且因此将逆变器37的中间回路中的直流电压上升限制到安全的水平上。
每个图5中仅象征性示出的电子开关69优选通过功率半导体开关元件(例如类似于根据图1的混合式DC功率开关1的电子主开关6中或根据图6的变流器39中的开关元件7或47)的串联电路来构造。由此，可以实现具有所需的尤其用于高压直流输电应用的阻断能力的电子开关69。通过根据本发明的针对开关69的各个功率半导体开关元件7或47的提高驱控电压或栅极-发射极电压VGE的措施，在这里可以明显减小斩波器-电阻装置67的所需的半导体面积和结构尺寸。这样的用于高压直流输电应用、诸如用于根据图5的高压直流输电系统23的斩波器-电阻装置67可以达到庞大的尺寸。有利地，该结构尺寸可以通过本发明减小到正常尺寸的一小部分、例如一半或还更小上。
应注意的是，斩波器-电阻装置67并不限于在高压直流输电系统中的应用。斩波器-电阻装置例如也可以用作驱动系统中的制动斩波器，以便在制动情况下将多余的能量经由所联接的制动电阻转化成热能，所述多余的能量以马达的发电电流的形式回流到中间回路中。于是，在中间回路电压到达对于组件来说不允许的大小之前，电子开关、例如69接通所联接的电阻、例如68。只要中间回路电压又下降并且小于接通电压但大于电网电压，开关69就重新关断电阻68。只要电压再次上升，就重复该过程。这样的制动斩波器也相对短时地使用和/或很少使用，使得根据本发明的将驱控电压提升高于允许的界限的措施在这里也可以有利地使用。
本领域技术人员将看得出，除了示出的示例性且特别优选的应用情况以外，也能看出本发明的另外的应用，在这些应用中，功率半导体开关元件的串联电路和/或并联电路在正常运行中相对短时地和/或很少地和/或脉冲式地来驱控，使得可以实现根据本发明的用于降低电压的应用。
实现一种用于根据需要将电流从第一线路支路14、3；36换向到另外的第二线路支路4；41；71的装置2，该装置具有多个功率半导体开关元件7；47；53和用于驱控多个功率半导体开关元件7；47；53的驱控单元18；51，所述功率半导体开关元件彼此串联和/或并联地布置在第二线路支路4；41；71中。驱控单元18；51被设立用于，分别将提高的驱控电压VGE施加到所述多个功率半导体开关元件7；47；53上，所述提高的驱控电压的大小高于针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压，以便导通地连接或保持多个功率半导体开关元件，并且引起经过所述多个功率半导体开关元件的提高的通过电流，该通过电流的电流强度至少相应于两倍的额定运行电流。驱控单元18；51还被设立用于，在多个功率半导体开关元件传导提高的通过电流期间，在分别设置的短的接通持续时间之后通过关断驱控电压VGE又切断多个功率半导体开关元件。由此，装置2可以针对运行中的更高功率来设计，或在给定的运行功率下可以减小装置2的半导体面积和结构尺寸。

Claims (10)

1.一种用于根据需要暂时承担能量传输设备或能量分配设备(14；36)的电流的装置，所述装置具有：
至少一个线路支路(3；41；71)，所述至少一个线路支路与所述能量传输设备或能量分配设备(14；36)连接，
多个功率半导体开关元件(7；47；53)，所述多个功率半导体开关元件彼此串联和/或并联地布置在所述至少一个线路支路(3；41；71)中，和
驱控单元(18；51)，所述驱控单元用于驱控所述多个功率半导体开关元件(7；47；53)，其中，所述驱控单元(18；51)被设立用于将提高的驱控电压(VGE)分别施加到所述多个功率半导体开关元件(7；47；53)上(所述提高的驱控电压的大小高于针对持续运行来规定的最大允许的驱控电压)，以便接通所述多个功率半导体开关元件(7；47；53)并且引起提高的经过所述多个功率半导体开关元件的通过电流，所述通过电流的电流强度至少相应于两倍的额定运行电流，并且其中，所述驱控单元(18；51)还被设立用于，在所述多个功率半导体开关元件(7；47；53)传导提高的通过电流期间，通过关断所述驱控电压(VGE)又切断所述多个功率半导体开关元件(7；47；53)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，正的驱控电压被选择成，使得所述正的驱控电压短时大于来自制造商的最大允许的驱控电压的1.5倍，直至4倍或甚至多于4倍。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，要关断的电流强度高于在推荐的正的驱控电压(VGE)的情况下给定的短路电流(ISC)并且直至规定的标称电流(ICnom)的27倍或更多。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述能量传输设备或能量分配设备(14；36)是高压直流输电线路，并且/或者所述多个功率半导体开关元件(7；47；53)中的每个通过IGBT来形成。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置是混合式直流(DC)功率开关(1)的一部分，所述混合式直流(DC)功率开关具有与所述能量传输设备或能量分配设备(14)串联的主电流支路(3)和旁路支路(4)，所述主电流支路具有由电子辅助开关(11)和快速的机械分离开关(12)构成的串联电路，所述旁路支路与所述主电流支路(3)并行地联接并且包括电子主开关(6)，所述电子主开关具有所述多个功率半导体开关元件(7)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电子辅助开关(11)具有一个或多个串联的功率半导体开关元件(13)，所述电子辅助开关的的功率半导体开关元件整体上针对比所述电子主开关(6)的多个功率半导体开关元件(7)的串联电路和/或并联电路更小的额定功率和更小的线路损耗来设立。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述电子主开关(6)具有由至少2个或更多的功率半导体开关元件(7)，针对高压应用由至少10个或许多的功率半导体开关元件(7)构成的串联电路。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的装置，其特征在于，在正常运行中，所述电子辅助开关(11)导通地连接，所述快速的机械分离开关(12)闭合并且电流流经所述主电流支路(3)，并且在识别出所述能量传输设备或能量分配设备(14)中的故障的情况下首先断开所述电子辅助开关(11)，并且以提高的驱控电压(VGE)来驱控所述电子主开关(6)的多个功率半导体开关元件(7)，以便使电流换向到所述旁路支路(4)上，紧接着断开所述快速的机械开关(12)并且随后断开所述电子主开关(6)，以便中断所述旁路支路(4)中的提高的通过电流。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置是变流器(33、37；39)的一部分，所述变流器具有一个或多个彼此并联的支路(41a至41c)，其中，每个支路(41a至41c)具有至少两个串联的电子开关(47；52；59)，所述电子开关由驱控单元(51)根据确定的脉冲模式来驱控，以便将具有第一电流和电压特性的第一功率转化成具有第二电流和电压特性的第二功率。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述至少两个串联的电子开关(47；52；59)分别具有多个串联和/或并联的功率半导体开关元件(47；53)，所述至少两个串联的电子开关的功率半导体开关元件在所述变流器的正常运行中以提高的驱控电压(VGE)根据确定的脉冲模式来驱控。
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