CN113258809A - 使故障转换器子模块短路的方法和支持该方法的功率转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明的标题为“使故障转换器子模块短路的方法和支持该方法的功率转换器”。公开了一种使电压源功率转换器的故障子模块短路的方法。子模块基于全桥、非对称全桥或半桥电路设计，具有带有反并联续流二极管的功率半导体开关以及可选的非可控半导体阀。方法36包括标识故障半导体装置并确定从短路故障模式和开路故障模式中选择的故障模式。该方法还包括：取决于所标识的故障半导体装置和所确定的故障模式而选择适合于提供通过子模块的旁路路径的最小数量的功率半导体开关；以及与正常操作相比，通过修改后的驱动电压来驱动所选功率半导体开关以使其击穿。还公开了一种功率转换器，其包括串联连接的这种子模块并支持使故障子模块短路的方法。

Description

使故障转换器子模块短路的方法和支持该方法的功率转换器
技术领域
本发明涉及一种使故障转换器子模块短路的方法和一种包括串联连接的多个子模块并支持这种方法的功率转换器。
背景技术
用于转换电能、用于功率因数补偿以及用于许多其他目的的功率转换器通常由子模块构成，这些子模块具有带有可控功率半导体开关的桥式电路和用于临时存储电能的内部电容器，该内部电容器形成DC中间电路。桥式电路与中间电路并联连接，并且可以被形成为例如所谓的H桥或全桥，其具有连接到中间电路的两个并联桥臂，其中的每个具有串联布置在其中的两个功率半导体开关。桥也可以是具有串联连接的两个可控功率半导体开关的半桥。每个功率半导体开关具有分配给它的反并联续流二极管。例如，以适当的方式控制功率半导体开关以在开关的连接点处产生AC电压。相反，可以将开关的连接点处的AC电压转换为DC电压，以馈入中间电路。
对于高功率功率转换器，通常将多个此类子模块级联或链式链接，即彼此串联，以允许兆瓦级范围内的高额定系统功率和高压应用，并产生具有精细渐变的正弦电压。这些应用包括静态同步补偿器（STATCOM），其是改进电力网络的电能质量（power quality）或补偿负载的无功功率或谐波含量的基于电压源转换器的补偿系统、用于铁路供电的直接转换器系统、高压直流（HVDC）传输系统等等。冗余要求也可以要求使用多个串联的功率转换器子模块，根据该冗余要求，即使一个或多个子模块发生故障，也必须确保装置的功能。
故障子模块应尽可能不影响整个系统的功能性。故障可能是由桥式电路的损坏或破坏的功率半导体开关、续流二极管或其他半导体元件而引起的，或者也可能是由功率半导体开关的驱动器单元的故障而引起的。各种半导体开关可供使用。例如，子模块可以使用以所谓的扁平封装或模块化设计的形式的绝缘栅双极晶体管（IGBT）来构建，该子模块在基板上具有多个IGBT和反并联二极管芯片。每个芯片通过接合线与模块内部的汇流排（busbar）电连接。当发生故障时，故障电流或过电压可以导致IGBT芯片击穿并在其集电极与其发射极连接之间形成短路。然后，损害的芯片通常导通整个故障电流，其强度和与之相关的过热可以导致接合线在微秒范围内熔化或撕裂。这可能导致电弧故障，这可以导致所讨论的IGBT模块和其他IGBT模块的爆炸，并最终断开整个子模块的电路。这将中断子模块的串联电路中的电流，其将有关闭整个功率转换器的后果。应该阻止这种场景。要期望，在发生故障时，在故障子模块的AC电压连接之间设立长期的低阻抗电流路径，以允许子模块之间的冗余，并确保功率转换器或整个系统的附加的功能性。
DE 103 23 220 A1公开了一种用于故障功率变换器子模块的短路电路，其具有内部中间电路电容器和全桥电路，其中每个中间电路电容器具有并联连接的电子半导体装置，该电子半导体装置在子模块发生故障时，要么接受中间电路电容器的短路电流，要么根据这种短路电流被控制，并且然后永久击穿，或者由于通过电容器的放电而产生的高浪涌电流而击穿。并联连接到中间电路电容器的半导体装置可以是二极管、晶闸管或功率半导体开关，尤其是IGBT。当发生故障时，例如，晶闸管被触发并且桥式电路的功率半导体开关以如下方式被控制：其饱和度减小并且短路电流迅速换流到触发的晶闸管，然后触发的晶闸管击穿并形成持续的短路的旁路路径。这样的旁路路径要求附加的组件并增加了电路的复杂性。
如今在实践中通常还提供所谓的AC短路器，其例如由快速开关的机械开关形成，该机械开关布置在子模块的AC电压连接之间的旁路分支中，并且在故障发生时闭合以在AC电压连接之间创建短路旁路路径。又再者，对于旁路路径还要求附加的组件。
DE 103 33 798 B4描述了一种使功率转换器的故障子模块短路的方法，其中具有全桥电路和至少一个内部中间电路电容器作为能量存储设备的子模块连接在子模块的串联电路中。当发生故障时，将同时控制所有功率半导体开关以通过子模块的每个臂提供击穿（shoot-through）故障，使得电容器随后通过每个子模块臂放电，并且流经功率半导体开关的高短路电流导致其永久性击穿，以便创建子模块直流电压侧的持续短路。当发生故障时，无论故障装置和故障模式如何，所有功率半导体开关都将被破坏，从而导致整个子模块的机械破坏，这可能是成本高昂的。还存在功率半导体开关爆炸的危险以及由于爆裂零件而引起的连锁反应的其他半导体元件和其他子模块的损坏。实施该方法，以便一方面实现功率半导体开关的快速击穿，并且同时要避免形成电弧故障和子模块组件的爆炸，可能是非常复杂的，并且在很多情况下也很难实现。
发明内容
因此，本发明的目的是提出复杂且有效的措施，其允许在发生故障时以较小的努力来旁路具有可控功率半导体开关的功率转换器的子模块。特别地，本发明的目的是提供一种使故障全桥转换器子模块短路的方法，当子模块中存在故障时，该方法允许设立子模块的AC电压端子之间的持续、稳定、低阻抗的短路路径，使得可以继续功率转换器和整个电力系统的长期运行。这优选地是，使用低复杂度的短路部件来实现，同时减少了对子模块的损坏程度。在这方面，必须忽略击穿故障，以减少故障传播到相邻子模块的可能性。
本发明的另一个目的是创建一种电压源功率转换器，其具有串联连接的多个子模块并支持这种方法。
通过使具有独立权利要求1的特征的功率转换器的故障子模块短路的方法以及支持如独立权利要求15所要求保护的方法的电压源功率转换器，实现本发明的这些和其他目的。在从属权利要求中定义了本发明的特别优选实施例。
本发明的一个方面提供了一种使功率转换器的故障子模块短路的方法，其中，子模块包括桥电路和电容器。桥电路包括连接在第一DC电压节点和第二DC电压节点之间的至少一个臂，每个桥臂包括串联连接到另一可控开关装置或不可控半导体阀的可控开关装置。每个开关装置包括与续流二极管反并联连接的可驱动功率半导体开关。该电容器与第一DC电压节点和第二DC电压节点之间的桥电路并联连接，并且充当DC电压中间电路电容器。该方法包括：检测子模块中的故障；标识至少一个桥臂中的故障半导体装置；确定与故障半导体装置相关联的故障模式，故障模式选自短路故障模式和开路故障模式；取决于所标识的故障半导体装置和所确定的故障模式，选择一个或两个功率半导体开关作为子模块的第一AC电压端子与第二AC电压端子之间的所选旁路路径中的一个或多个旁路装置；以及与正常操作相比，通过修改后的驱动电压来驱动被选择为一个或多个旁路装置的一个或两个功率半导体开关，以使所选一个或两个功率半导体开关击穿，以便在子模块的第一AC电压端子与第二AC电压端子之间提供持续、稳定、低阻抗的短路路径。
根据本发明，基于故障半导体装置的位置和类型以及普遍的故障模式，仅单个或最多两个特定的功率半导体开关被选择性地破坏，以创建短路（旁路）路径，该短路（旁路）路径穿过子模块的AC电压端子之间的所选一个或两个旁路功率半导体开关，并且其可以永久地负载有额定电流。这提供了故障安全功能性，因为故障子模块的电流可以继续流动。这是使用功率转换器开关中所选一个作为旁路装置来实现的，无论哪种开关都存在，并且在正常操作中，这些开关被驱动为导通和关断，以便分别导通和阻断操作电流。在本发明的所有实施例中，除了已经存在的那些以外，该方法不要求任何额外的旁路分支或任何额外的电子或机械组件来提供短路路径，从而降低了电路的复杂性并且减少了设计和控制子模块的组件和功率转换器的努力。
根据该方法的应用过程，一个或两个所选功率半导体开关由于在半导体的驱动（栅极）端子处的修改后的驱动电压以及当它们被驱动为导通状态时流过其的正常标称操作电流流动而击穿。可以避免DC电压节点之间的短路故障以及由于击穿故障引起的过大的过电流，从而降低了电弧故障、爆炸以及由于连锁反应而对其他半导体组件和其他子模块造成进一步损坏的额外风险。
在优选实施例中，子模块可以是电压源转换器（VSC）的子模块，所述电压源转换器（VSC）特别是模块化多级转换器（MMC），其包括多个转换器臂，每个转换器臂包括多个串联连接的子模块，并且优选是臂电抗器，其中，至少一个子模块的第一AC电压端子与相邻子模块的第二AC电压端子电连接，并且其中转换器臂各自连接在两个AC电压连接之间或功率转换器的AC和DC电压连接之间，其中（一个或多个）AC连接用于连接到多相电力系统的至少一个相线。转换器臂可以以本领域中已知的配置中的任何来连接，包括星形、双星形、三星形、角形或组合的配置以等等，以提供期望的MMC拓扑。
利用本发明的方法，可以实现电压源转换器的连续操作而没有任何中断。可选地，可以断开冗余子模块的相应开关（如果可用的话），以便可以通过冗余子模块的操作来替换故障子模块。在任何情况下，故障子模块的所需端子电压都可以通过电压源转换器的其他子模块来进行补偿。
在一些优选的实施方式中，子模块可以包括全桥电路，该全桥电路包括并联连接的两个桥臂，每个桥臂包括串联连接的两个可控开关装置，每个可控开关装置包括与续流二极管反并联连接的可驱动功率半导体开关。每个桥臂中的可控开关装置之间的连接点可以分别定义子模块的第一AC电压端子和第二AC电压端子。该方法的选择和驱动步骤然后可以包括以下过程：如果所确定的故障模式是短路故障模式，则位于另一桥臂中而不是位于包括故障半导体装置的桥臂中并且直接连接到与故障半导体装置相同的DC电压节点的一个功率半导体开关被选择为单个旁路装置并被驱动使其击穿。如果所确定的故障模式是开路故障模式，则直接连接到另一DC电压节点而不是故障半导体装置的两个功率半导体开关都被选作旁路装置并都被驱动以使其击穿。
在另外的优选的实施方式中，子模块可以包括非对称（或减小的）全桥，其包括第一桥臂和第二桥臂，该第一桥臂包括串联连接的第一可控开关装置和第一二极管（第一不可控半导体阀），该第二桥臂包括串联连接的第二可控开关装置和第二二极管（第二不可控半导体阀）。第一二极管和第二二极管可以位于桥电路的桥对角线中。每个桥臂中的可控开关装置与二极管之间的连接点可以定义子模块的各自的第一AC电压连接和第二AC电压连接。该方法的选择和驱动步骤然后可以包括以下过程：如果故障半导体装置是第一二极管和第二二极管中的一个，并且所确定的故障模式是短路故障模式，则位于另一桥臂中而不是位于包括故障半导体装置的桥臂中并且直接连接到与故障半导体装置相同的DC电压节点的一个功率半导体开关被选择为单个旁路装置并被驱动使其击穿。如果故障半导体装置是连接到DC电压节点中的一个的二极管或功率半导体开关，并且所确定的故障模式是开路故障模式，则直接连接到另一DC电压节点而不是故障半导体装置的功率半导体开关被选作单个旁路装置并被驱动使其击穿。
应该注意的是，在其中在常规操作期间电流在AC连接之间仅沿一个方向流动的应用中，包括非对称或缩小的全桥的子模块通常用作单向开关模块。因此，对于这些应用，设立了稳定、持续、低阻抗的单向短路路径。
在又另外优选实施方式中，子模块可以包括半桥电路，该半桥电路包括一个桥臂，所述一个桥臂包括串联连接的第一可控开关装置和第二可控开关装置。子模块的第一AC电压端子和第二AC电压端子可以在第一可控开关装置的两侧上分接（tap）。该方法的选择和驱动步骤然后可以包括以下过程：如果故障半导体装置是第一可控开关装置的续流二极管、第二可控开关装置的功率半导体开关或第二可控开关装置的续流二极管中的任何一个，并且所确定的故障模式是短路或开路故障模式中的任何一个，则第一可控开关装置的功率半导体开关被选作单个旁路装置并且被驱动使其击穿。
在前面提到实施方式中的每个和实施例中，确定开路故障模式可以包括检测以下中的一种或多种：由于磨损或故障而导致半导体装置的接合线剥离（lift-off）、用于驱动可控开关装置的驱动器单元的可控性丧失、和/或像汇流排、螺钉、缆线等载流组件的电连接丧失等。电连接的丧失对应于开路故障模式，并且可以被认为是相同桥臂中的（最近的）半导体开关的故障，并且可以与此相关联。确定短路故障模式可以包括检测半导体装置中的至少一个，即，开关、续流二极管和二极管，如果存在的话，由于过电压、过电流或过高的驱动电压而进入短路故障模式失败。
在优选实施例中，功率半导体开关具有选自IGBT（绝缘栅双极晶体管）、IGCT（集成栅换向晶闸管）和GTO（栅极关断晶闸管）的类型。也可以使用具有外部反并联二极管的MOSFET和适合本发明目的的其他可比较的半导体元件。本文使用的术语集电极、发射极和栅极涉及IGBT作为全桥电路的功率半导体开关的优选使用，但本领域技术人员将熟悉用于其他可比较的类型的半导体装置的连接或电极的对应术语。
在有利的实施方式中，功率半导体开关可以是紧压包装的中压或高压半导体装置。与所谓的扁平包装、模块化或线接合的装置不同，其中IGBT和反并联二极管芯片在基板上形成，并且每个均通过接合线与模块内部汇流排电连接，并且发生故障时，可能会熔断并使模块开路，紧压包装设计中使用压力接触，保证装置在故障状况下将具有短路故障模式，即紧压包装将短路失败。此外，在发生高能故障时，它们稳健的壳体提供了比扁平包装模块更高的抗破裂性。因此，尽管紧压包装设计更复杂和昂贵，但是对于确保故障开关装置形成稳定且低阻抗的短路以便确保长期的短路稳定性和高壳体断裂强度，这可能是非常有用的。高断裂强度有效地防止了零件或破碎片在发生故障时从压力接触壳体中逸出，这还可以避免损坏周围的系统组件。功率转换器或系统可以继续运行达数月或甚至数年，直到下一调度的服务停止为止，其中然后可以替换故障开关装置和损坏的旁路装置。故障子模块的全桥的所有其他开关装置都可被维持并继续操作。
原则上，子模块的续流二极管和不可控半导体阀（例如，二极管），如果存在的话，也可能具有模块化或扁平包装设计。大多数开源故障模式可以通过本发明的方法来处置。优选地，续流二极管也可被设计为紧压包装半导体装置。随后，还确保在续流二极管和/或二极管中发生的故障将导致二极管的击穿，从而产生穿过其的稳定短路。
该方法可优选地还包括关断故障桥臂中的短路，如果存在的话。这可以通过关断或断开故障桥臂中另一开关装置的功率半导体开关来实现。特别地，在已经标识出故障开关装置之后，所有功率半导体开关可以首先被关断或保持关断以暂时中断任何短路电流。
另外，在关断短路的步骤和/或选择一个或多个旁路装置的步骤之前或之后，该方法可优选地包括停用在正常操作期间使用的正常装置保护，像短路或过电压保护，以便发起针对破坏所选一个或多个装置的期望过程。特别地，栅极驱动器单元可以禁用用于正常操作的相应保护阈值。
在一些实施例中，可以通过监视在桥臂中流动的电流来标识故障开关装置。例如，当功率半导体开关导通并且短路电流形成并被检测到时，则先前刚导通的功率半导体开关或其对应的续流二极管可被标识为故障装置。这虑及快速且可靠的检测。
用于驱动所选旁路装置以实现将其击穿的各种技术是可能的。在一些实施例中，驱动步骤可包括以修改后的驱动电压（例如，栅极-发射极电压）驱动所选旁路装置，该驱动电压略微高于用于导通功率半导体开关的阈值电压，但明显低于在正常操作中用于导通功率半导体开关的驱动电压。术语“略微”表示指比阈值高大约0-5 V，优选地约0-2 V。给定用于导通IGBT的阈值为6 V并且正常导通栅极电压大约为15 V，可以利用大约6-8 V的栅极电压来驱动IGBT，以快速且可靠地引起短路。在一些实施例中，可以使用大约10-11 V的栅极电压。
降低的驱动（栅极）电压导致装置的减饱和以及活动区域中的操作，从而导致损坏装置，并且随后导致通过装置的永久短路或旁路。功率半导体开关（例如，IGBT）的传递特性（跨导，即，输出电流与驱动电压的陡度或比率）可用于在额定电流下使功率半导体开关减饱和，其中正常电流适于短路水平并且结合半导体开关的所得高输出电压（集电极-发射极电压）导致装置的热破坏。装置破坏的操作范围取决于减饱和水平。
根据另外的技术，驱动步骤可包括利用超过装置的栅极氧化极限的极高的修改后的驱动（例如，栅极-发射极）电压来驱动所选旁路装置。“超过栅极氧化极限”表示高于装置的栅极氧化物的最大可允许电场强度的电压。施加到所选装置的大幅增加的栅极-发射极电压（例如，在IGBT的情形中超过6o V）导致栅极-发射极击穿。由于栅极-发射极击穿（在由金属氧化物半导体（MOS）层控制的半导体组件的情形中，栅极与发射极之间的氧化层被破坏），发射极与集电极之间发生短路，使得半导体开关永久击穿并导通。所需的高栅极电压可以由任何合适的升压级（boost stage）电路来提供，所述升压级电路例如包括可选择性地放电到栅极的扼流圈。
根据又一技术，驱动步骤可包括在阈值水平附近的两个不同电压水平之间交替地切换修改后的驱动电压，而不关断所选旁路装置。在IGBT的情形中，可以通过在5 V和7 V（或6 V和8 V等）的驱动电压水平之间交替改变来反复（back and forth）切换所选旁路功率半导体开关，例如以增加旁路装置的热负荷，同时避免装置的关断，以由此防止该装置冷却。这也有助于快速破坏所选旁路装置。
根据又另一优选技术，驱动步骤可包括通过以下方式交替切换直接施加到所选功率半导体开关的控制电极（例如，IGBT的栅极）的修改后的驱动电压：由栅极驱动装置交替地通过可被布置在该栅极驱动装置与开关的控制电极（栅极）之间的驱动路径中的两个不同的高欧姆驱动（栅极）电阻器来提供预定的驱动电压。高欧姆驱动（栅极）电阻器大小被确定为大于正常驱动（栅极）电阻的若干倍，并且以便使功率半导体开关的输出电压在功率半导体开关的活动操作区域内保持在两个输出电压极限之间的指定范围内。这可导致高开关导通损耗和高功率耗散，从而最终导致功率半导体开关的热破坏。
根据又另一技术，驱动步骤可包括在具有非常高的关断功率损耗的状况下关断所选旁路装置，该关断功率损耗被设计为使所选旁路装置击穿。这种关断操作的持续时间相当长，比正常关断操作长至少5或10倍，并且例如可以至少为200μs或甚至500μs。在一些实施方式中，可以在驱动路径中插入大于50欧姆或甚至大于200欧姆的高关断电阻器和/或大于实际栅极电容的至少10倍的附加的栅极-发射极电容器。这将减慢所选旁路装置的关断行为或降低所选旁路装置的关断动态。可以基于功率转换器拓扑和估算的操作状况可靠地确定所需的功率损耗和所得的操作点。
上述驱动技术可以单独使用或采用任意组合使用。在每个情形中，由于将功率半导体开关用作旁路装置，因此可以实现对全桥式电路中的故障的快速响应，以远远小于10ms来创建永久短路路径。与具有至少10ms的响应时间的机械开关相比，可以减少本发明的方法的响应时间。另外，仅一个装置（即，一个旁路功率半导体开关）被故意破坏，并且需要被替换。由于用于期望的中压或高压高功率应用的半导体元件是非常昂贵的装置，因此可以使费用最小化。更进一步，对于本发明的方法，不要求用于旁路路径的附加组件、用于驱动和控制的附加电子装置、附加空间等，这全都对实施方式、测试和操作的努力和成本的降低做出贡献。
在优选实施例中，该方法可附加地包括检测与特定功率半导体开关相关联的驱动器单元的故障。例如，可以通过检测驱动的功率半导体开关的开路或缺乏开关的可控制性来检测驱动器单元的故障。该方法可随后包括：将直接连接到另一DC电压节点而不是与故障驱动器单元相关联的功率半导体开关的两个功率半导体开关都被选作旁路装置，并且驱动这两个旁路装置以使其击穿。因此，如果驱动器单元发生故障，则还可以提供持续、稳定、低阻抗的短路路径。
本发明的另一方面提供了一种电压源功率转换器。功率转换器具有多个转换器臂，其中每个转换器臂包括串联连接的两个或更多个子模块。每个子模块包括桥电路，该桥电路包括连接在第一DC电压节点和第二DC电压节点之间的至少一个桥臂，并且每个桥臂包括串联连接到另一可控开关装置或不可控半导体阀的可控开关装置。每个开关装置包括与续流二极管反并联连接的可驱动功率半导体开关。电容器在第一DC电压节点和第二DC电压节点之间并联连接到桥电路。从至少一个桥臂分接第一AC电压端子和第二AC电压端子。子模块还包括与功率半导体开关相关联的至少一个驱动器单元，用于将所述功率半导体开关导通和关断。通过将一个子模块的第一AC电压端子连接到邻近子模块的第二AC电压端子来将子模块彼此电连接。转换器臂以星形或三角形配置彼此连接，并且定义功率转换器的AC电压连接，以用于连接到多相电力系统的相线。功率转换器还包括用于控制其操作的控制装置，其中控制装置与至少一个驱动器单元协作地被配置成执行使故障子模块短路（旁路）的方法，如上所述。
功率转换器连同其有利的效果可以支持该方法的上述实施例中的任何。功率转换器尤其适合供高压直流（HVDC）传输系统或高功率转换器使用，并且还在必须满足冗余要求时也如此。在任何情形中，功率转换器被配置成以稳定的方式使故障子模块在其AC端子之间短路或旁路达长时间，以允许功率转换器继续操作。
本发明提供一组技术方案：
技术方案1. 一种使功率转换器（8）的故障子模块（12、12'、12''）短路的方法，所述子模块（12、12'、12''）包括：桥电路（21、21'、21''），所述桥电路（21、21'、21''）包括连接在第一DC电压节点和第二DC电压节点（26、27）之间的至少一个桥臂（23、24），每个桥臂（23、24）包括串联连接到另一可控开关装置或不可控半导体阀（D1'-D4'）的可控开关装置（TD1-TD4、TD1'-TD4'、TD1''、TD2''），每个开关装置（TD1-TD4、TD1'-TD4'、TD1''、TD2''）包括与续流二极管（D1-D4、D1'-D4'、D1''、D2''）反并联连接的可驱动功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''），电容器（22）在所述第一DC电压节点和所述第二DC电压节点（26、27）之间并联连接到所述桥电路（21、21'、21''），并且第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29）从所述至少一个桥臂（23、24）分接，其中，所述方法包括：
检测所述子模块（12、12'、12''）中的故障；
标识所述至少一个桥臂（23、24）中的故障半导体装置；
确定与所述故障半导体装置相关联的故障模式，所述故障模式是从短路故障模式和开路故障模式中选择的；
取决于所标识的故障半导体装置和所确定的故障模式而在所述子模块（12、12'、12''）的所述第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29）之间的所选旁路路径中选择一个或两个功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''）作为一个或多个旁路装置；以及
与正常操作相比，通过修改后的驱动电压来驱动被选择为一个或多个旁路装置的所述一个或两个功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''），以使所选的一个或两个功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''）击穿，以便在所述子模块（12、12'、12''）的所述第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29）之间提供持续、稳定、低阻抗的短路路径（37a-37d、39a-39b）。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述子模块（12、12'、12''）是电压源功率转换器（8）的子模块，所述电压源功率转换器（8）包括多个转换器臂（11a-11c），每个转换器臂（11a-11c）包括串联连接的多个子模块（12、12'、12''），其中至少一个子模块（12、12'、12''）的第一AC电压端子（28）电连接到邻近子模块（12、12'、12''）的第二AC电压端子（29），并且其中所述转换器臂（11a-11c）各自连接在所述电源转换器（8）的AC电压连接（13a-13c）与另一AC电压连接（13a-13c）或DC电压连接之间。
技术方案3. 根据技术方案1或2所述的方法，其中，所述子模块（12）包括全桥电路（21），所述全桥电路（21）包括并联连接的两个桥臂（23、24），每个桥臂（23、24）包括串联连接的两个可控开关装置（TD1-TD4），每个可控开关装置（TD1-TD4）包括与续流二极管（D1-D4）反并联连接的可驱动功率半导体开关（T1-T4），其中每个桥臂（23、24）中的所述可控开关装置（TD1-TD4）之间的连接点分别定义了所述子模块（12）的第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29），其中选择和驱动步骤包括：
如果所确定的故障模式是短路故障模式：则将位于所述另一桥臂（24、23）中而不是位于包括所述故障半导体装置的所述桥臂（23、24）中并且直接连接到与所述故障半导体装置相同的DC电压节点（26、27）的一个功率半导体开关（T1-T4）选作所述旁路装置；并且驱动被选作所述旁路装置的所述一个功率半导体开关（T1-T4）以使其击穿；以及
如果所确定的故障模式是开路故障模式：则将直接连接到所述另一直流电压节点（26、27）而不是位于所述故障半导体装置的两个功率半导体开关（T1、T3；T2、T4）选作所述旁路装置并且驱动所述两个旁路装置以使其击穿。
技术方案4. 根据技术方案1或2所述的方法，其中，所述子模块（12'）包括非对称全桥（21'），所述非对称全桥（21'）包括第一桥臂（23）和第二桥臂（24），所述第一桥臂（23）包括串联连接的第一可控开关装置（TD2'、TD1'）和第一二极管（D1'、D2'），所述第二桥臂（24）包括串联连接的第二可控开关装置（TD3'、TD4'）和第二二极管（D4'、D3'），其中所述第一二极管和第二二极管（D1'、D2'；D4'、D3'）位于所述桥电路（21'）的桥对角线中，并且其中每个桥臂（23、24）中的所述可控开关装置（TD2'、TD1'；TD3'、TD4'）与所述二极管（D1'、D2'；D4'、D3'）之间的所述连接点定义了所述子模块（12'）的相应的第一AC电压连接和第二AC电压连接（28、29），其中所述选择和驱动步骤包括：
如果所述故障半导体装置是所述第一二极管和所述第二二极管（D1'、D2'；D4'、D3'）中的一个，并且所确定的故障模式是短路故障模式：则将位于所述另一桥臂（24、23）中而不是位于包括所述故障半导体装置的所述桥臂（23、24）中并且直接连接到与所述故障半导体装置相同的DC电压节点（26、27）的一个功率半导体开关（T1'-T4'）选作所述旁路装置，并且驱动所选旁路装置以使其击穿；以及
如果所述故障半导体装置是连接到所述DC电压节点（26、27）中的一个的二极管（D1'、D2'；D4'、D3'）或功率半导体开关（T2'、T1'；T3'、T4'），并且所确定的故障模式是开路故障模式：则将直接连接到所述另一DC电压节点（26、27）而不是位于所述故障半导体装置的所述功率半导体开关（T1'-T4'）选作所述旁路装置，并且驱动所选旁路装置以使其击穿。
技术方案5. 根据技术方案1或2所述的方法，其中，所述子模块（12''）包括半桥电路（21''），所述半桥电路（21''）包括一个桥臂（23），所述桥臂（23）包括串联连接的第一可控开关装置和第二可控开关装置（TD1''、TD2''），其中所述子模块（12''）的第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29）在所述第一可控开关装置（TD1''）的两侧上分接，其中选择和驱动步骤包括：
如果所述故障半导体装置是所述第一可控开关装置（TD1''）的所述续流二极管（D1''）、所述第二可控开关装置（TD2''）的所述功率半导体开关（T2''）或所述第二可控开关装置（TD2''）的所述续流二极管（D2''）中的任何一个，并且所确定的故障模式是所述短路故障模式或所述开路故障模式中的任何一个：则将所述第一可控开关装置（TD1''）的一个功率半导体开关（T1''）选作所述旁路装置，并且驱动所选旁路装置以使其击穿。
技术方案6. 根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，确定开路故障模式包括检测以下中的一个或多个：半导体装置的接合线剥离、用于驱动可控开关装置的驱动器单元（31）的可控制性丧失、和/或载流组件的电连接丧失；以及
其中确定短路故障模式包括检测所述半导体装置中的至少一个由于过电压、过电流或过高的驱动电压而进入短路故障模式失败。
技术方案7. 根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，至少所有功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）是在故障状况下具有短路故障模式的紧压包装的中压或高压半导体装置。
技术方案8. 根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，所有续流二极管（D1-D4、D1'-D4'、D1''、D2''）和所述不可控半导体阀（D1'-D4'），如果存在的话，被设计为紧压包装半导体装置。
技术方案9. 根据前述技术方案中的任一项所述的方法，还包括：关断所述故障桥臂（23、24）中的短路电流。
技术方案10. 根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，当功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）导通并且检测到短路电流时，则先前刚导通的功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）或其对应的续流二极管（D1-D4、D1'-D4'、D1''、D2''）被标识为故障装置。
技术方案11. 根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，所述驱动步骤包括：利用修改后的驱动电压（UGE）驱动所选旁路装置（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''），所述修改后的驱动电压（UGE）略高于用于导通所述功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）的阈值电压（Uth），但明显低于用于导通所述功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）的正常驱动电压。
技术方案12. 根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，所述驱动步骤包括：利用超过所述装置的栅极氧化极限的极高的修改后的驱动电压（UGE）来驱动所选旁路装置（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）。
技术方案13. 根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，所述驱动步骤包括：在用于导通所述功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）的所述阈值电压（Uth）附近的两个不同电压水平之间交替地切换所述修改后的驱动电压（UGE），而不关断所选旁路装置。
技术方案14. 根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，所述驱动步骤包括通过交替地通过两个不同的高欧姆驱动电阻器（RGonSOFT、RGoffSOFT）提供驱动电压来交替地切换直接施加到所选功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）的控制电极（G）的所述修改后的驱动电压（UGE），以使所述功率半导体开关的所述输出电压（UGE）在所述功率半导体开关的活动操作区域内保持在指定范围内，从而提供高开关导通损耗。
技术方案15. 根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其中，所述驱动步骤包括：在具有非常高的关断功率损耗的状况下关断所选旁路装置（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''），所述关断功率损耗被设计为使所选旁路装置击穿。
技术方案16. 一种电压源功率转换器，包括：
多个转换器臂（11a-11c），每个转换器臂（11a-11c）包括串联连接的两个或更多个子模块（12、12'、12''），每个子模块（12、12'、12''）包括：
桥电路（21、21'、21''），所述桥电路（21、21'、21''）包括连接在第一DC电压节点和第二DC电压节点（26、27）之间的至少一个桥臂（23、24），每个桥臂（23、24）包括串联连接到另一可控开关装置或不可控半导体阀（D1'-D4'）的可控开关装置（TD1-TD4、TD1'-TD4'、TD1''、TD2''），每个开关装置（TD1-TD4、TD1'-TD4'、TD1''、TD2''）包括与续流二极管（D1-D4、D1'-D4'、D1''、D2''）反并联连接的可驱动功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''），电容器（22）在所述第一DC电压节点和第二DC电压节点（26、27）之间并联连接到所述桥电路（21、21'、21''），并且第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29）从所述至少一个桥臂（23、24）分接，
与所述功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）相关联的至少一个驱动器单元（31），用于将所述功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）导通和关断；
其中通过将一个子模块（12、12'、12''）的第一AC电压端子（28）连接到邻近子模块（12、12'、12''）的第二AC电压端子（29）来将所述子模块（12、12'、12''）彼此电连接；以及
其中所述转换器臂（11a-11c）各自连接在所述电源转换器（8）的AC电压连接（13a-13c）与另一AC电压连接（13a-13c）或DC电压连接之间；以及
控制装置（32），所述控制装置（32）用于控制所述功率转换器（8）的操作并且与所述至少一个驱动器单元（31）协作地被配置成执行根据前述技术方案中的任一项所述的使故障子模块（12、12'、12''）短路的方法。
附图说明
本发明的有利实施例的另外细节可以从从属权利要求、附图和相关联的描述中获得。下面参照附图更详细地描述本发明，该附图示出了本发明的示例性实施例，这些实施例不以任何方式进行限制，其中，在所有附图中使用相同的附图标记以表示相同的元件。在附图中：
图1是包括由多个子模块构成的电压源功率转换器的示例性系统的框图，所述多个子模块耦合到电能传输网络以便提供无功功率补偿，以说明本发明的示例性应用；
图2示出了根据本发明的具有全桥拓扑的功率转换器子模块的第一实施例的简化电路图，该全桥拓扑可用在诸如图1所示的功率转换器之类的模块化或链式链接的电转换器中；
图3示出了根据本发明的具有所谓的简化的或非对称的全桥拓扑的功率转换器子模块的第二实施例的简化电路图，该全桥拓扑可用在诸如图1所示的功率转换器之类的模块化或链式链接的电转换器中；
图4示出了根据本发明的具有半桥拓扑的功率转换器子模块的第三实施例的简化电路图，该半桥拓扑可用在模块化或链式链接的电转换器中；
图5示出了根据本发明的使故障功率转换器子模块短路的方法的简化框图；
图6示出了IGBT的输出特性图，以阐述图5中所示的方法的技术；
图7a和图7b示出了图示栅极-发射极电压随时间的变化的时间图，以阐述图5中所示的方法的技术；
图8a-8c示出了图2的功率转换器子模块的简化电路图，其示出了由于应用图5的方法而产生的各种旁路路径；
图9a和图9b示出了图2的功率转换器子模块的简化电路图，其示出了由于应用图5的方法而产生的另外的旁路路径；以及
图10示出了供图2至图4中所示的任何类型的子模块使用以便执行图5的方法的驱动器单元的简化电路图。
图11示出了旁路装置的集电极-发射极电压、呈现旁路装置的装置电流的转换器臂电流以及旁路装置的耗散功率以便执行图5的方法的简化电波形。
具体实施方式
图1示出了电传输系统1的极大简化图示，该电传输系统1可以用于针对许多其他应用的电功率传输。这里系统1例如包括三相交流（AC）电压源2，其可以是电能供应网络、交流（AC）电机、AC发电机、风力发电厂等。AC电压源经由可选变压器4连接到三相线3a、3b、3c，该可选变压器4可以将由电压源2提供的AC电压转换成合适的电压水平以便传输。由图1中的框6示意性表示的单元连接到相线3a、3b、3c，以从电压源2接收三相电功率。单元6可以是另外的电能供应网络、AC电机或其他三相负载。在一些应用中，单元2可以是发电厂等，并且可以将三相电功率传送到电压源2，该电压源2然后充当功率下沉（sink）2。
电压源功率转换器（VSC）8经由电导体9a、9b、9c连接到相线3a、3b、3c。在所示的优选应用中，功率转换器8是补偿系统7的一部分，即所谓的静态同步补偿器（STATCOM），其被布置为用于为电传输系统1提供无功功率补偿以用于电压稳定或功率因数增强或降低连接点处特定负载的谐波含量。
在图1中所示的示例性实施例中，功率转换器8具有三个转换器臂11a、11b和11c，其首尾相连，使得其形成三角形闭合环。该配置称为三角形连接。转换器臂11a-c中的两个的连接点形成功率转换器8的相应AC电压连接13a、13b、13c。
转换器臂11a-c中的每一个由级联或链式链接的多个功率转换器子模块或模块化开关12的串联电路来形成，从而意味着它们串联连接。每个转换器臂11a、11b、11c还分别包括电感14a、14b和14c，其可以由电抗器来提供并且促进生成或吸收无功功率。通过根据脉冲操作模式操作子模块或模块化开关12，功率转换器可以在其AC电压连接13a、13b、13c处生成具有可变电压幅度和所需相移的合适的三相电压系统，以充当到输电系统1的无功交流功率的源或下沉。三相电压由功率转换器8从转换器的内部DC电压源合成，并且可以通过各个功率转换器子模块12的开关状态而动态地改变。功率转换器子模块12的数量确定电压水平的可用数量，其允许精细的电压分级和高质量的电压波形。这样的子模块12将在下面结合图2更详细地说明。
链式链接的功率转换器8在图1中以三角形配置示出。作为备选方案，也可以使用所谓的星形或Y字形配置。在星形/Y字形配置中，功率转换器8的三个转换器臂11a-c的任一端子连接到公共点以形成像Y或星形连接。此外，尽管本文示出并且描述了电压源功率转换器8作为无功功率补偿系统7的一部分，但是在其他应用中，功率转换器8也可以用于针对铁路供电的直接转换器系统、高压直流（HVDC）传输系统等转换器系统。具有多个串联连接的子模块12的电压源功率转换器8有时也被称为多级或多点转换器。通常，取决于应用和所需的转换器拓扑，具有多个串联子模块12的转换器臂11a-c可以以星形、双星形、三星形、角形、双角形和当前已知或将来开发的其他配置中的任一个来连接。
图2示出了子模块或模块化开关12的已知拓扑的简化电路图，其可用在图1中所示类型的链式链接的或多级功率转换器8中以实现本发明。图2中所示的双向子模块12具有桥式电路21和与桥式电路21并联连接的电容器C 22。这里桥式电路21以具有两个并联的桥臂23、24的所谓的对称H桥或全桥的形式，所述两个并联的桥臂23、24在第一DC电压节点和第二DC电压节点26、27之间彼此并联连接。第一桥臂23具有串联连接的第一功率半导体开关T1和第二功率半导体开关T2，第一功率半导体开关和第二功率半导体开关T1、T2中的每个分别与续流二极管D1和D2相关联，它们是反并联连接的。续流二极管D1、D2用于在功率半导体开关T1或T2断开时导通操作电流，并用于保护相关联的功率开关免受不可接受的过电压或反向电压。
类似地，第二桥臂24具有串联连接的第三功率半导体开关和第四功率半导体开关T3、T4，其中的每个分别具有与其反并联连接的续流二极管D3和D4。续流二极管D3、D4实现与续流二极管D1、D2相同的功能。功率半导体开关Ti和对应的续流二极管Di（i = 1…4）的组合随后也称为开关装置TDi（i = 1…4）。
功率半导体开关T1-T4是可控制的开关，其这里有利地由IGBT（绝缘栅双极晶体管）来形成。然而，原则上也可以使用其他晶体管，诸如例如IGCT（集成栅换向晶闸管）、GTO（栅极关断晶闸管）、提供有外部反并联续流二极管或其他可比较的可切换功率半导体组件的MOSFET。本文所使用的术语集电极、发射极和栅电极涉及IGBT作为桥式电路21的功率半导体开关T1-T4的优选使用。本领域技术人员将熟悉并通常使用其他对应术语以用于其它可比较的半导体装置的连接或电极。
从图2明显的是，第一功率半导体开关T1的发射极连接到第二功率半导体开关T2的集电极，连接点形成子模块12的第一AC电压端子28，其备选地可以是输入或输出连接。同样，第三功率半导体开关T3的发射极连接到第四功率半导体开关T4的集电极，该连接点形成子模块12的第二AC电压端子29，其备选地可以是输入或输出连接。
电容器C与两个并联的串联电路或桥臂23、24并联连接并且用作能量存储设备22。也可以将其指定为子模块12的DC链路电容器。由于续流二极管D1-D4的连接，跨电容器C的DC电压Udc总是正的，并且取决于其额定值和应用，可以例如在几百伏与几千伏之间。子模块12的AC端子28、29之间的电压可以基本上假设为值-udc、+udc、或0。跨电容器C的DC电压Udc可以变得更大或变得更小。电流可以在两个方向上流过子模块12，即从端子28流到端子29，或反之亦然。
从图2可以进一步看出，驱动器单元（栅极驱动器）31与IGBT中的每个相关联以用于使它们导通和关断。如本领域中已知的，驱动器单元31接受来自更高级别控制单元（例如，图1和图2所示的控制装置32）的低功率输入，并为高功率半导体开关（例如，当前情况下的IGBT T1-T4）的栅极产生大电流驱动输入。驱动器单元31可以与对应晶体管一起在芯片上提供，或者作为分立模块提供。可能为一个子模块12的所有IGBT T1-T4提供共同的驱动器单元31。驱动器单元31用作控制装置32与IGBT或其他功率半导体开关T1-T4之间的接口。控制单元32可以是用于控制图1的功率转换器8的操作的控制装置，其包括如图2中所示的串联连接的子模块12。
子模块12可以还包括电压和电流感测部件33，以用于感测遍及子模块12的桥式电路21中的各个位置处的电压电势和电流水平。在一些实施例中，照此驱动器单元31可被配置成测量跨对应的开关T1-T4的电压和/或经由对应的开关T1-T4的电流，并将测量值传送到控制装置32的监视单元34。在其他实施例中，监视单元34可以被布置成直接测量桥式电路21中的电压和电流。在备选实施例中，在转换器臂水平处测量电流，并且各个开关的状态提供关于各个子模块内的电流路径的信息。因此，在开关处测得的电压和转换器臂电流测量可以复制流经各个开关的电流。
图3和图4示出了其他拓扑的子模块12'和12''，其可用在链式链接的或模块化的多级电压源功率转换器中，诸如图1的功率转换器8，以实践本发明。图3中所示的子模块12'具有非对称或简化的H桥或全桥设计，其是图2的子模块12的修改后的版本。在此，子模块12'由单向开关模块形成，在所述单向开关模块中，在正常操作期间，电流在连接件28、29之间仅沿一个方向流动。与图2的子模块12相比，在图3中，在此省略了桥式电路21'的桥对角线上的功率半导体开关T1和T4，使得每个桥臂23、24分别具有串联连接的二极管D1'和D4'以及分别具有可控开关装置TD2'和TD3'。每个开关装置TD2'和TD3'分别由功率半导体开关T2'和T3'来形成，以及分别由对应的反并联的续流二极管D2'和D3'来形成。换言之，可控开关装置TD1和TD4被桥对角线上采用二极管D1'和D4'形式的不可控半导体阀所替换。
子模块12'的AC电压连接28、29被定义在第一桥臂23中的第一二极管D1'与第一开关装置TD2'之间的连接点处以及被定义在第二桥臂24中的第二开关装置TD3'与第二二极管D4之间的连接点处。在常规操作期间，流过子模块12'的电流始终沿由二极管D1'和D4'所确定的相同方向（即，沿从第一AC连接28到第二AC连接29的方向）上流动。因此，当子模块12'在功率转换器8中串联连接时，必须注意电流流动方向在所有子模块中是相同的。子模块12'的连接28、29之间的电压可以基本上假设为三个值+udc、-udc或0，其中udc是跨电容器22的电压。
图3的子模块12'可以通过互换桥对角线而进一步改变。换言之，图2中所示的子模块12的第二功率半导体开关和第三功率半导体开关T2、T3（具有相关联的续流二极管D2、D3）可以由不可控的阀或二极管D2'，D3'来代替，而维持其他可控开关装置TD1和TD4。结果又是单向开关模块，其中在正常操作期间，电流流动现在由二极管D2'和D3'来确定，并从第二子模块连接29向第一子模块连接28流动。在其他方面，关于子模块12'的讨论在此相应地适用。
图4中所示的子模块12"具有半桥设计。因此，子模块12''包括半桥电路21''，该半桥电路21''具有包括串联连接的第一可控开关装置和第二可控开关装置TD1''、TD2''的仅一个桥臂23。每个可控开关装置TD1''、TD2''分别由功率半导体开关T1''和T2''来形成，以及分别由对应的反并联的续流二极管D1''和D2''来形成。在第一可控开关装置和第二可控开关装置TD1''、TD2''的连接点处分接第一AC电压端子28，并且在第一开关装置TD1''和电容器C 22的连接点处分接子模块12的第二AC电压端子29。换言之，AC电压端子28、29在第一可控开关装置TD1''的两侧上分接。
在图3和图4中，仅出于简单和方便的原因，省略了驱动器单元31、控制装置32、电压/电流感测部件33和监视单元34。应当理解，这些装置31-34也与图3和图4中所示的子模块12'，12''结合使用，并且在上面与子模块12结合而给出的它们的对应描述也类比地适用于子模块12'、12"。
子模块12、12'，12"的功率半导体开关T1-T4、T1'-T4'、T1"、T2"优选地全部以所谓的紧压包装设计来制造。在特别优选实施例中，子模块12'中的续流二极管D1-D4、D1'-D4'、D1"、D2"和不可控的阀或二极管D1'-D4'也是紧压包装的装置。与模块化或所谓的扁平包装或线接合的装置相比，其在发生故障时使模块熔断并使模块开路，压力接触的使用确保紧压包装将不会短路。此外，在发生高能故障时，其稳健的壳体提供了比模块化或扁平包装的装置更高的抗破裂性。原则上也可能使用扁平包装装置，但由于在故障情况下其固有的短路故障模式，首选紧压包装的装置。
在任何情况下，故障子模块12、12'、12"都应尽可能不影响功率转换器8或者甚至整个电力系统1的功能性。要期望，在发生故障时，在故障子模块12、12'、12"的AC电压端子28、29之间设立长期的低阻抗电流路径，以允许子模块之间冗余，并确保转换器4或整个系统1的附加功能性。为了实现这一点，本发明提供了一种使功率转换器（例如，图1的电压源转换器8）的故障子模块12、12'、12"短路的方法。结合图5更详细地描述该方法。
图5示出了使功率转换器（例如，图1的功率转换器8）的故障子模块短路的方法36的简化框图。显然，该方法可以用于各种功率转换器拓扑，其包括图2-4中所示的子模块12、12'、12"等。仅为了方便起见，仅参考图2的子模块12来给出以下解释，但是其同样适用于图3、图4的子模块12'、12"和其他类似的子模块。因此，对子模块12的任何参考应被理解为对子模块12'和12"等的参考。
在第一步骤S1中，方法36包括在串联连接的功率转换器8的子模块中检测子模块（例如，子模块12）中的故障。特别地，可以检测通过子模块的短路电流或子模块的错误的输出电压。
接下来，在步骤S2中，方法36包括标识一个桥臂23或24中的故障开关装置TDi（i =1…4）。此外，在步骤S3中确定与故障的半导体装置相关联并选自短路故障模式和开路故障模式的故障模式。
例如，可以检测通过功率半导体开关Ti或对应的续流二极管Di（i = 1…4）的短路。如上所述，功率半导体开关T1-T4和对应的续流二极管D1-D4优选地为紧压包装设计。然后，在故障的情况下，它们将短路失败。可以通过图1、图2中所示的驱动器单元31和/或监视单元34使用电压和/或电流感测部件33来检测故障。例如，如果导通桥臂（例如，23）中的开关（例如，T2），并且然后形成短路电流，并由驱动器单元31和/或监视单元34检测到，则在相同桥臂（例如，23）中先前刚导通的开关T1或其对应的续流二极管D1可以被标识为故障装置。
如果在开关装置中发生开路，例如在扁平包装装置的情况下，则例如可以通过错误的集电极-发射极电压或在IGBT的导通状态下缺乏电流流动或缺乏通过续流二极管的电流流动或由于通过子模块的电流路径不同而导致的电容器电压分歧（diverging）来检测该开路。
通常，确定开路故障模式可以包括检测以下状况或故障中的一种或多种：由于磨损或故障而导致半导体装置Ti、Di的接合线剥离、驱动可控开关装置TDi的驱动器单元31的可控性丧失、和/或像汇流排、螺钉、缆线等载流组件的电连接丧失等。短路故障模式的确定可以包括检测由于过电压、过电流或过高的驱动电压UGE而进入短路故障模式失败的半导体装置Ti、Di中的一个。
一旦标识故障开关装置并且确定或已知故障模式，则在接下来的可选方法步骤S4中，可以关断故障桥臂23、24中的短路电流（如果存在的话）。这可以通过关断施加在所有有源开关Ti上的驱动电压UGE来关断短路电流路径中的所述所有有源开关Ti来实现。为此，将用于所有功率半导体开关T1-T4的驱动电压降低到远低于用于导通功率半导体开关的阈值电压Uth的低水平，例如远低于零。因此，子模块12的所有开关T1-T4被关断或保持关断。
接下来，在步骤S5中，取决于所标识的故障半导体装置和所确定的故障模式，在第一AC电压端子和第二AC电压端子（例如，子模块12的端子28、29）之间的所选旁路路径中选择一个或两个功率半导体开关Ti作为一个或多个旁路装置。特别地，选择需要被短路的具有最少数量的功率半导体的旁路路径。
例如，当检测到功率半导体开关中和/或位于子模块12的一个桥臂（例如，23）中的续流二极管中短路时，位于另一桥臂（例如，24）中而不是位于包括故障开关装置的一个桥臂中并且直接连接到与故障开关装置相同的DC电压节点的功率半导体开关被选择为合适的旁路装置。合适的旁路装置是在这种情况下与故障开关装置一起可以提供通过子模块12的共同DC电压节点26、27的短路路径的旁路装置。
接下来，在步骤S6中，方法36还包括：与正常操作相比，通过修改后的驱动电压来驱动被选择为一个或多个旁路装置的一个或多个功率半导体开关，以使所选一个或两个功率半导体开关击穿，以便在子模块（例如，12）的第一AC电压端子和第二AC电压端子（例如，28、29）之间提供持续、稳定、低阻抗的短路路径。
用于驱动所选旁路装置以实现将其击穿的各种技术是可能的。在优选实施例中，所选旁路装置可以在驱动电压UGE处被驱动，该驱动电压UGE略高于用于导通功率半导体开关的阈值水平Uth，但明显低于在正常操作中用于导通功率半导体开关的驱动电压。特别地，驱动电压UGE可以高于阈值水平Uth大约0-5 V，优选地约0-2 V。以IGBT为例，用于导通IGBT的阈值Uth约为6 V，并且正常导通栅极电压大约为15 V。方法36中的驱动步骤S6可以包括施加大约6-11 V，优选地约6-8 V的栅极电压，以快速并且可靠地引起短路。在其他实施例中，可以使用大约10-11 V的栅极电压。
由于短路电流由功率转换器的拓扑和相应的应用来确定，因此低驱动（栅极）电压导致装置减饱和。在IGBT的输出特性图中，如图6所示，其示出了针对各种栅极-发射极电压的集电极-发射极电压上的集电极电流，这导致在输出特性图的活动区域中的操作点A，即，其中输出特性曲线示出基本平坦的水平形状。操作点A略高于截止或正向阻塞区，其在图6中示出并且其中IGBT被关断。操作点A中的高集电极-发射极电压UCE导致IGBT上的较高热负荷，其最终导致在短时间内（少于50 ms或优选地在10 ms内）损坏IGBT。此时，IGBT将击穿，并且因此短路失败。这在子模块12的AC电压端子28、29之间提供了持续、稳定、低阻抗的短路路径。
根据另外的技术，图5的方法36中的驱动步骤S6可以包括利用超过装置的栅极氧化极限的极高的驱动（例如，栅极-发射极）电压UGE来驱动所选旁路装置。换言之，施加高于装置的栅极氧化物的最大可允许电场强度的驱动电压。给定栅极发射极电压UGE和IGBT的栅极氧化层的厚度d，则电场强度被给定为
Figure 40478DEST_PATH_IMAGE001
。
IGBT的最大可允许电场强度可取自制造商的对应产品规格。
在IGBT的情况下，高度增加的栅极-发射极电压可能包括超过60 V的电压。例如，栅极-发射极电压UGE在60-100 V（优选地80-100V）的范围内，当施加到所选旁路装置上时，将导致IGBT的栅极-发射极的快速击穿，其中在小于10 ms内栅极与发射极之间的氧化层被破坏。由于栅极-发射极击穿，发射极与集电极之间发生短路，使得半导体开关将击穿并永久导通。例如，可以通过集成在驱动器单元31中的合适的升压级电路来提供所需的高栅极电压。对于该驱动技术的合适的操作点在图6中所示的输出特性图中被表示为B。
根据又另一技术，图5中所示的方法36的驱动步骤S6可以包括在围绕用于导通功率半导体开关的阈值水平Uth的两个不同的电压水平之间交替切换驱动电压（栅极-发射极电压）UGE，而不关闭所选择的旁路开关。在IGBT的情况下，例如，可以通过在在6 V与8 V之间或5 V与7 V的驱动电压水平之间交替改变来反复切换所选旁路功率半导体开关。在图6中所示的输出特性图中，这可以包括例如在通过A和C限制的操作点之间进行切换。这两个电压水平之间的切换在很大程度上增加了功率半导体开关的功率损耗及其产生的热负荷。由于避免了旁路装置的关断，所以可以防止装置的冷却。这在短于50 ms或甚至小于10 ms的短时段内大大有助于所选旁路装置的快速击穿。
根据又另一技术，图5的方法36中的驱动步骤S6可以包括在具有非常高的关断功率损耗的状况下关断所选旁路装置，所述关断功率损耗被设计为使所选旁路装置击穿。可以基于所使用的功率半导体开关的类型、功率转换器的拓扑和所估算的工作状况来确定所需的功率损耗和所得的操作点。
上述驱动技术可以单独使用或任意组合使用。
图7a和图7b是说明栅极-发射极电压UGE随时间变化的时间图，以阐述图5的方法36中用于驱动所选旁路装置进入短路的上述技术中的一些。图7a示出了当所选功率半导体开关已经导通并且在检测到并标识出故障时导通电流的情况。然后，用于所选一个或多个旁路装置的驱动电压（用于IGBT的栅极-发射极电压UGE）被切换到修改后的水平，所述修改后的水平小于正常驱动电压水平，以用于在正常操作期间导通功率半导体开关（例如，图7a中所示的示例中为15-16 V），但高于正常操作期间用于关断功率半导体开关的正常驱动电压水平（图7a中所示的示例中大约为-12 V）。尤其是高于用于导通功率半导体开关的阈值水平Uth（大约6 V）。在图7a中，四个示例性的修改后的驱动电压UGE水平指示为大约5 V、8 V、10 V和12 V。在执行的测试中，这些修改后的驱动电压水平已说明出在假定的操作状况下有效且快速地导致IGBT击穿的可能性。
图7b示出了当发生故障时所选功率半导体开关被关断并且处于非导通状态下的情况。然后，驱动电压UGE从正常的关断水平（例如，-12V）切换到修改后的水平，该修改后的水平高于用于导通功率半导体开关的阈值水平Uth，但小于正常操作期间用于导通功率半导体开关的正常驱动电压水平。如前所述，修改后的驱动电压UGE水平可能大约为5 V、8 V、10V或12 V。
根据上述结合图6解释的优选的技术，驱动电压UGE可以在围绕用于导通功率半导体开关而不将其关断的阈值水平Uth的所指示的修改后的驱动电压水平中的两个之间，例如在5V和8V之间或8V和10V之间交替切换。这将迅速使功率半导体开关击穿并短路失败。
图8a-8c示出了图2的功率转换器子模块12的简化电路图，其示出了由于应用图5中所示的方法36而产生的各种旁路路径。图8a示出了其中已经在子模块12的桥臂23中的功率半导体开关T1中标识故障（短路故障模式）的情况。这由开关T1上方所示的叉号表示。在该情况下，选择功率半导体开关T3作为指定的单个旁路装置，该功率半导体开关T3的集电极直接连接到与故障开关T1的集电极的子模块12的相同DC电压节点26上。然后，通过上述驱动技术中的任何一种来驱动功率半导体开关T3，使得开关T3击穿，或者换言之，由于破坏而短路失败。这由功率半导体开关T3上方显示的闪电图标来表示。结果，在子模块12的AC电压端子28、29之间产生了持续、稳定、低阻抗的短路路径，如在图8a中由相应的实线37a来表示的那样，其穿过功率半导体开关T1和T3以及DC节点26。
如果将续流二极管D1标识为子模块12中的故障装置，则基本上应用相同的过程。这由图8a中的二极管D1上的虚线叉来表示。在这种情况下，功率半导体开关T3被选择为单个旁路装置，并被驱动为短路失败，所述功率半导体开关T3的集电极直接连接到与二极管D1的阴极相同的DC电压节点26上。结果，产生了持续、稳定、低阻抗的短路路径，其在AC电压端子28、29之间流经故障二极管D1、节点26和破坏的开关T3。
图8b示出了其中将开关T2标识为短路失败的故障装置的情况。在这种情况下，开关T4被选择为单个旁路装置，并被驱动使得其短路失败，所述开关T4的发射极直接连接到与开关T2的发射极相同的DC电压节点27。这产生了持续、稳定、低阻抗的短路路径37c，其在AC电压端子28、29之间流经开关T2和T4以及子模块12的DC电压节点27。还选择相同的开关T4作为指定的单个旁路装置，并且如果续流二极管D2发生故障则选择性地将其破坏。
图8c示出了其中检测到功率半导体开关D4或二极管D4中短路的情况。然后，功率半导体开关T2被选择为指定的单个旁路装置，并被驱动使得其短路失败，所述功率半导体开关T2的发射极直接连接到与开关D4的发射极或二极管D4的阳极相同的DC电压节点。所得的持续、稳定、低阻抗的短路路径37d在AC电压端子28、29之间流经有缺陷的开关T4或二极管D4、直流电压节点27和破坏的旁路装置T2。
在每种情况下，仅需要故意损坏功率半导体开关T1-T4中的一个，以产生持续、永久性短路路径，并且需要替换。由于用于期望的高功率应用的半导体元件是昂贵的装置，因此可以使费用最小化。本发明的方法不要求用于旁路路径的任何附加组件、附加的跳闸组装件、附加的空间等。所有这些都有助于减少实施方案、测试和操作的努力和成本。此外，由于所选功率半导体开关被修改后的驱动电压和正常的操作电流破坏，因此可以避免过大的过电流和电弧的风险以及与其相关联的损坏。此外，由于将功率半导体开关T1-T4用作旁路装置，因此可以实现对全桥式电路21中的故障的非常快速的响应，以远远小于10 ms地产生短路路径。与机械开关相比，本发明的方法36的响应时间可以减少。所创建的短路路径使得控制装置32能够操作功率转换器8，使得故障子模块可以由功率转换器8的其他子模块12来补偿，以确保功率转换器8的连续操作而无需中断。
图9a和图9b示出了图2中所示的功率转换器子模块12的简化电路图，其示出了由于应用图5的方法而产生的另外的旁路路径。这些电路图说明了将故障驱动器单元或开路标识为子模块故障的原因的情况。与故障驱动器单元相关联或具有开路的半导体装置随后被称为故障半导体装置。例如，可以通过检测故障半导体装置上的开路电压、不管所要求的驱动电压如何，故障开关的可控性的缺乏、或驱动器单元31与控制装置32之间的通信失败或缺乏来标识这种故障。
然后，方法36可以包括选择直接连接到除了故障半导体装置之外的另一DC电压节点的两个功率半导体开关作为旁路装置。例如，如果功率半导体开关T1连接到DC电压节点26，其对应的续流二极管D1或其相关联的驱动器单元31被标识为故障半导体装置，如图9a中该驱动器单元31上的虚线叉所示的那样，则将直接连接到相对的DC电压节点27的功率半导体开关T3和T4选作指定的旁路装置。如果直接连接到直流电压节点26的另一功率半导体开关T3或其续流二极管D3具有开路故障模式或与其相关联的驱动器单元31故障，则同样适用。
如果如图9b中所示，与直接连接到DC电压节点27的开关T3和T4相关联的驱动器单元31中的任何一个发生故障，则选择直接连接到相对的DC电压节点26的功率半导体开关T1和T3作为指定的旁路装置。当半导体装置T2、D2、T4和D4中的任何进入开路故障模式失败时，这同样适用。
在所有解释的情况下，如上所述，使用合适的驱动技术来驱动所选旁路装置，以使它们击穿，或者换言之，故意破坏它们以使短路失败。然后，在子模块12的第一AC电压端子与第二AC电压端子28、29之间产生了持续、稳定、低阻抗的短路路径。在图9a所示的故障情况下，该短路路径39a流经下部的两个开关T2、T4和对应的DC电压节点27。在图9b所示的故障情况下，短路路径39b流经子模块12的上部的两个开关T1、T3和对应的DC电压节点26。
在故障驱动器单元31或开路故障模式的情况下，功率半导体开关T1-T4中的仅两个需要被故意地破坏并且需要被替换。可以产生持续、永久的短路路径，其虑及功率转换器的继续运行而无需中断。不要求用于旁路路径的任何其他组件和对应的辅助装置。
原则上，相同的技术也应用于图3和图4中所示的子模块12'、12''配置。在图3的子模块12'的情况下，如果故障半导体装置是第一二极管和第二二极管中的一个D1'（或D3'），并且确定了短路故障模式，则位于另一桥臂24（23）中而不是位于包括故障半导体装置的桥臂23（24）中并且直接连接到与故障半导体装置相同的DC电压节点26（27）的一个功率半导体开关T3'（T2'）被选择为单个旁路装置并被驱动使其击穿。
如果故障半导体装置是连接到DC电压节点26（27）的二极管D1'（D4'）或功率半导体开关T3'（T2'），并且确定开路故障模式，则直接连接到另一DC电压节点27（26）而不是故障半导体装置的功率半导体开关T2'（T3'）被选作单个旁路装置并被驱动使得其击穿。
再次参考图4和其中所示的半桥型的子模块12''，如果故障半导体装置是第一可控开关装置TD1''的续流二极管D1''、第二可控开关装置TD2''的功率半导体开关T2''、或第二可控开关装置TD2''的续流二极管D2''中的任何一个，并且所确定的故障模式是短路或开路故障模式，则第一可控开关装置TD1''的功率半导体开关T1''始终被选作旁路装置并且被驱动使得其击穿并产生穿过其中的持续、稳定、低阻抗的短路路径。
参考图10，示出了根据示例性实施例供图2至图4中所示的任何类型的子模块12、12'、12''使用以便执行图5的方法的驱动器单元31的简化电路图。驱动器单元31可以布置在相关联的功率半导体开关T的紧邻附近，例如，布置在相同印刷电路板上、在共同的安装框架上或采用接近于其的某种其他方式。驱动器单元31可以与更高级别控制装置32通信，以便从其接收开关命令或控制信号。更高级别控制装置32可以远离驱动器单元31地定位并且可以是外部控制。
如图10中所示的，所示实施例中的驱动器单元31基本上包括电压检测装置41、电流检测装置42、评估装置43和栅极驱动装置44。尽管装置41-44全被示为存在于栅极驱动器单元31中，但是不必将所有装置41-44都提供到一起。它们也可以分布在包括更高级别控制装置32的各种单元上。
电压检测装置41用于检测相对于栅极驱动器单元31的发射极连接E或内部发射极e的功率半导体开关T的集电极连接C处的电压电势以及可选的栅极连接G上的电势，其电势被用作用于电压测量的参考电势并将指示其的电压测量信号传送到评估装置43。例如，借助分压器，电压检测可以直接在相应的连接上执行。备选地，可以从电路中的其他测量参数间接确定一些电压。
电流检测装置42被配置成检测通过功率半导体开关T的负载电流，其在这里是集电极电流IC，其等于发射极电流IE。在功率半导体开关T的发射极连接E处提供电流传感器46以用于电流检测。电流检测也可以通过知道半导体功率开关的辅助器与主发射器连接之间的寄生电感的值，通过整合测量电压或利用分流电阻上的电压测量来确定。电流检测装置36发送指示负载/集电极电流IC的电流信号到评估装置43。
由电压检测装置41测量的电压信号被提供给第一比较器和第二比较器47和48，这两个比较器各自分别将接收到的电压信号与预定的参考电压Vref1和Vref2进行比较，其被选择为允许确定功率半导体开关T的当前状态。评估装置43接收比较器47和48的输出信号和来自电流检测装置42的可选测量电流信号，以及来自控制装置32的ON和OFF开关命令或其它控制信号，并评估这些信号，以指示栅极驱动装置38生成分别所需的栅极信号，以便驱动功率半导体开关T。基于接收到的信号，评估装置43可以被配置成检测功率半导体开关T的开路或短路故障模式。作为备选方案，评估装置43可以将接收到的信号传送到更高级别控制装置32，所述更高级别控制装置32然后可以确定各自的故障模式。评估装置43优选地使用可编程逻辑装置来实现，但是也可以基于处理器。
评估装置43被配置成使栅极驱动装置44导通和关断功率半导体开关T。栅极驱动装置44包括用于驱动功率半导体开关T的栅极G的合适的输出级。取决于普遍的操作或故障状况，评估装置43被配置成使栅极驱动装置44施加不同水平的驱动电压UGE，以用于导通和关断半导体开关T并使其击穿。为了实现这一点，提供有一组导通和截止电阻器，其内插在栅极驱动装置44与功率半导体开关T的栅极G之间，并且其可以选择性地耦合到用于驱动功率半导体开关T的栅极G的路径中。
在正常操作期间，第一驱动电压水平可以通过正常的导通电阻RGon来施加以导通功率半导体开关T，而第二驱动电压水平可以通过正常的关断电阻RGoff来施加以将其关断。在故障状况下，当功率半导体开关T关断时，在发生故障的同时，然后可以使用另一导通电阻器RGonSOFT来导通功率半导体开关T，其具有修改后的驱动电压水平，该修改后的驱动电压水平仅略高于用于导通功率半导体开关的阈值水平Uth，但明显小于通过正常的导通电阻RGon所施加的驱动电压以便在正常操作中导通功率半导体开关。上面结合图7b也对此进行了解释。
如果功率半导体开关T已经导通并传导，在发生故障的同时，则还有另一电阻RGoffSOFT可以用于利用修改后的驱动电压水平来驱动功率半导体开关T，该修改后的驱动电压水平小于用于在正常操作期间导通功率半导体开关的正常驱动电压水平，但是高于用于在正常操作期间关断功率半导体的正常驱动电压水平，并且尤其是高于用于导通功率半导体开关T的阈值水平Uth。上面结合图7a也对此进行了解释。
作为备选实施方式，为了更有效地使功率半导体开关T击穿且短路失败，栅极驱动装置44可以在电阻RGonSOFT和RGoffSOFT两者之间交替切换，以在栅极端子上交替施加两个不同的修改后的驱动电压水平，这两者均围绕阈值水平Uth，而无需关断功率半导体开关T。
结合图10参考图11，图11中示出了用于破坏功率半导体开关或IGBT T以提供穿过其的稳定、低阻抗的短路路径的特定优选方法的另一实施例。在确定至少一个所选旁路装置之后，例如根据图5中的步骤S5，所选装置被导通以承载转换器臂电流。然后，控制装置32将专用信号传送到相应的栅极驱动器单元31，其指示必须破坏相关联的开关T以旁路子模块12。栅极驱动器单元的控制逻辑或微处理单元（即评估单元43）例如接收用于装置破坏的专用信号，并禁用用于正常操作（像短路和过压保护）的保护阈值。迄今为止，该过程可以应用于上述用于破坏功率半导体开关或IGBT的方法中的任何。
一旦正常保护阈值被禁用，图10中所示的第一比较器和第二比较器47和48就被激活，以确定栅极-集电极电压UGC的两个电压水平，这两个电压水平用于根据图6在操作点A与C之间的活动区域内操作开关T。然后，开关T被导通并开始承载转换器臂电流，该电流在图11中表示为IGBT电流。在考虑到作为图10中所示的电路实施例的一部分的高导通电阻RGonSOFT和高关断电阻RGoffSOFT的情况下，通过在两个不同的栅极电压UGE水平之间的切换，将图11中的集电极-发射极电压UCE保持在根据图6的规定范围内。高欧姆栅极电阻RGonSOFT和RGoffSOFT支持减缓半导体开关动态，并将开关T保持在活动区域内以避免突然关断。注意到以下情况是重要的：栅极电阻器RGonSOFT和RGoffSOFT被选择为避免关断开关T，使得开关T变得不导电。
由图10中用于上阈值Vref2的第二比较器48检测到达到图11（也参见图6）中A点的集电极-发射极电压的上层。然后，驱动器单元31通过栅极电阻RGonSOFT提供用于导通开关T的驱动电压，以提供直接施加于开关T的栅极G的修改后的驱动电压UGE的更高的栅极-发射极电压水平。结果，集电极-发射极电压UCE将降低到如下点处：其中图10中用于下阈值Vref1的第一比较器47检测到达到图11中的C点处下阈值（也参见图6）。这时候，开关T通过高关断电阻RGoffSOFT来“关断”，其中将修改后的驱动电压UGE的较低的栅极电压水平直接施加到开关T的栅极G上。然后集电极-发射极电压UCE又开始上升至图6和图11中的A点处的上面的集电极-发射极电压阈值。
高欧姆栅极电阻RGonSOFT和RGoffSOFT比正常的栅极电阻（通常为1-3欧姆）大若干倍，并且至少为50欧姆（或甚至在千欧姆范围内），以确保IGBT开关动态特性充分降低，以使装置保持在图6中所表示的活动区域内。
该方法适用，直到开关T最终击穿并且检测到该装置的短路故障模式为止。这种检测例如可以通过测量栅极-集电极电压UGC、栅极-发射极电压UGE、流入栅极G的电荷等来完成。然后，驱动器单元31将开关T已被成功破坏的相应信号发送到控制装置32，该信号还被用于在系统级别上验证：对应的子模块12已经达到稳定的旁路状态。
图11中所示的示例表明，开关T的导通状态电压保持在平均子模块电压（子模块12的中间电路电压）的大约10％的范围内。因此，与正常操作相比，图11中的开关导通损耗明显更高。图11中的波形示出，装置封装的功率耗散极限被超过至30倍，由于高的过热和结温超过装置极限，这有效地导致了半导体开关T的热破坏。结果，开关T产生可靠的短路，该可靠的短路可以由检测栅极-发射极电压或栅极-集电极电压下降到某些阈值水平以下的驱动器单元31来确定。
公开了一种使电压源功率转换器8的故障子模块12、12'、12''短路的方法36。子模块12、12'、12"基于全桥、非对称全桥或半桥电路设计，其具有带有反并联续流二极管D1-D4的功率半导体开关T1-T4以及可选的非可控半导体阀D1'-D4'。方法36包括标识故障半导体装置并确定从短路故障模式和开路故障模式中选择的故障模式。该方法还包括：取决于所标识出的故障半导体装置和所确定的故障模式，选择适合于提供通过子模块的旁路路径的最小数量的功率半导体开关；以及与正常操作相比，通过修改后的驱动电压来驱动所选功率半导体开关，以使其击穿，以便在子模块12、12'、12''的AC电压端子28、29之间提供持续、稳定、低阻抗的短路路径37a-37d。还公开了一种功率转换器8，其包括串联连接的这种子模块12、12'、12''并支持使故障子模块12、12'、12''短路的方法36。

Claims (10)

1.一种使功率转换器（8）的故障子模块（12、12'、12''）短路的方法，所述子模块（12、12'、12''）包括：桥电路（21、21'、21''），所述桥电路（21、21'、21''）包括连接在第一DC电压节点和第二DC电压节点（26、27）之间的至少一个桥臂（23、24），每个桥臂（23、24）包括串联连接到另一可控开关装置或不可控半导体阀（D1'-D4'）的可控开关装置（TD1-TD4、TD1'-TD4'、TD1''、TD2''），每个开关装置（TD1-TD4、TD1'-TD4'、TD1''、TD2''）包括与续流二极管（D1-D4、D1'-D4'、D1''、D2''）反并联连接的可驱动功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''），电容器（22）在所述第一DC电压节点和所述第二DC电压节点（26、27）之间并联连接到所述桥电路（21、21'、21''），并且第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29）从所述至少一个桥臂（23、24）分接，其中，所述方法包括：
检测所述子模块（12、12'、12''）中的故障；
标识所述至少一个桥臂（23、24）中的故障半导体装置；
确定与所述故障半导体装置相关联的故障模式，所述故障模式是从短路故障模式和开路故障模式中选择的；
取决于所标识的故障半导体装置和所确定的故障模式而在所述子模块（12、12'、12''）的所述第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29）之间的所选旁路路径中选择一个或两个功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''）作为一个或多个旁路装置；以及
与正常操作相比，通过修改后的驱动电压来驱动被选择为一个或多个旁路装置的所述一个或两个功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''），以使所选的一个或两个功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''）击穿，以便在所述子模块（12、12'、12''）的所述第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29）之间提供持续、稳定、低阻抗的短路路径（37a-37d、39a-39b）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述子模块（12、12'、12''）是电压源功率转换器（8）的子模块，所述电压源功率转换器（8）包括多个转换器臂（11a-11c），每个转换器臂（11a-11c）包括串联连接的多个子模块（12、12'、12''），其中至少一个子模块（12、12'、12''）的第一AC电压端子（28）电连接到邻近子模块（12、12'、12''）的第二AC电压端子（29），并且其中所述转换器臂（11a-11c）各自连接在所述电源转换器（8）的AC电压连接（13a-13c）与另一AC电压连接（13a-13c）或DC电压连接之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述子模块（12）包括全桥电路（21），所述全桥电路（21）包括并联连接的两个桥臂（23、24），每个桥臂（23、24）包括串联连接的两个可控开关装置（TD1-TD4），每个可控开关装置（TD1-TD4）包括与续流二极管（D1-D4）反并联连接的可驱动功率半导体开关（T1-T4），其中每个桥臂（23、24）中的所述可控开关装置（TD1-TD4）之间的连接点分别定义了所述子模块（12）的第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29），其中选择和驱动步骤包括：
如果所确定的故障模式是短路故障模式：则将位于所述另一桥臂（24、23）中而不是位于包括所述故障半导体装置的所述桥臂（23、24）中并且直接连接到与所述故障半导体装置相同的DC电压节点（26、27）的一个功率半导体开关（T1-T4）选作所述旁路装置；并且驱动被选作所述旁路装置的所述一个功率半导体开关（T1-T4）以使其击穿；以及
如果所确定的故障模式是开路故障模式：则将直接连接到所述另一直流电压节点（26、27）而不是位于所述故障半导体装置的两个功率半导体开关（T1、T3；T2、T4）选作所述旁路装置并且驱动所述两个旁路装置以使其击穿。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述子模块（12'）包括非对称全桥（21'），所述非对称全桥（21'）包括第一桥臂（23）和第二桥臂（24），所述第一桥臂（23）包括串联连接的第一可控开关装置（TD2'、TD1'）和第一二极管（D1'、D2'），所述第二桥臂（24）包括串联连接的第二可控开关装置（TD3'、TD4'）和第二二极管（D4'、D3'），其中所述第一二极管和第二二极管（D1'、D2'；D4'、D3'）位于所述桥电路（21'）的桥对角线中，并且其中每个桥臂（23、24）中的所述可控开关装置（TD2'、TD1'；TD3'、TD4'）与所述二极管（D1'、D2'；D4'、D3'）之间的所述连接点定义了所述子模块（12'）的相应的第一AC电压连接和第二AC电压连接（28、29），其中所述选择和驱动步骤包括：
如果所述故障半导体装置是所述第一二极管和所述第二二极管（D1'、D2'；D4'、D3'）中的一个，并且所确定的故障模式是短路故障模式：则将位于所述另一桥臂（24、23）中而不是位于包括所述故障半导体装置的所述桥臂（23、24）中并且直接连接到与所述故障半导体装置相同的DC电压节点（26、27）的一个功率半导体开关（T1'-T4'）选作所述旁路装置，并且驱动所选旁路装置以使其击穿；以及
如果所述故障半导体装置是连接到所述DC电压节点（26、27）中的一个的二极管（D1'、D2'；D4'、D3'）或功率半导体开关（T2'、T1'；T3'、T4'），并且所确定的故障模式是开路故障模式：则将直接连接到所述另一DC电压节点（26、27）而不是位于所述故障半导体装置的所述功率半导体开关（T1'-T4'）选作所述旁路装置，并且驱动所选旁路装置以使其击穿。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述子模块（12''）包括半桥电路（21''），所述半桥电路（21''）包括一个桥臂（23），所述桥臂（23）包括串联连接的第一可控开关装置和第二可控开关装置（TD1''、TD2''），其中所述子模块（12''）的第一AC电压端子和第二AC电压端子（28、29）在所述第一可控开关装置（TD1''）的两侧上分接，其中选择和驱动步骤包括：
如果所述故障半导体装置是所述第一可控开关装置（TD1''）的所述续流二极管（D1''）、所述第二可控开关装置（TD2''）的所述功率半导体开关（T2''）或所述第二可控开关装置（TD2''）的所述续流二极管（D2''）中的任何一个，并且所确定的故障模式是所述短路故障模式或所述开路故障模式中的任何一个：则将所述第一可控开关装置（TD1''）的一个功率半导体开关（T1''）选作所述旁路装置，并且驱动所选旁路装置以使其击穿。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，确定开路故障模式包括检测以下中的一个或多个：半导体装置的接合线剥离、用于驱动可控开关装置的驱动器单元（31）的可控制性丧失、和/或载流组件的电连接丧失；以及
其中确定短路故障模式包括检测所述半导体装置中的至少一个由于过电压、过电流或过高的驱动电压而进入短路故障模式失败。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，至少所有功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）是在故障状况下具有短路故障模式的紧压包装的中压或高压半导体装置。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所有续流二极管（D1-D4、D1'-D4'、D1''、D2''）和所述不可控半导体阀（D1'-D4'），如果存在的话，被设计为紧压包装半导体装置。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括：关断所述故障桥臂（23、24）中的短路电流。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，当功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）导通并且检测到短路电流时，则先前刚导通的功率半导体开关（T1-T4、T1'-T4'、T1''、T2''）或其对应的续流二极管（D1-D4、D1'-D4'、D1''、D2''）被标识为故障装置。
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