本發(fā)明涉及一種用于根據(jù)需要暫時承擔能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備的電流的裝置，并且特別是涉及一種這樣的裝置，其具有多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，這些功率半導(dǎo)體開關(guān)元件彼此串聯(lián)和/或并聯(lián)地布置在以下線路支路中，電流應(yīng)根據(jù)需要換向到該線路支路上。

背景技術(shù)：

功率半導(dǎo)體器件，諸如igbt(絕緣柵雙極型晶體管)、bigt(雙模式絕緣柵極晶體管)、mosfet(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和類似的，還被用于對電壓和電流進行整流和逆變。為此，合適的變流器通常具有多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件。已知有以用于不同應(yīng)用的不同拓撲結(jié)構(gòu)的變流器用于不同的功率水平，這些應(yīng)用例如是用于將電網(wǎng)與轉(zhuǎn)速可變的驅(qū)動器耦聯(lián)以及用于在兩個電網(wǎng)之間的能量交換。

隨著功率半導(dǎo)體開關(guān)的持續(xù)發(fā)展，針對越來越高的功率范圍和電壓范圍始終期望和發(fā)展出新的變流器拓撲結(jié)構(gòu)和另外的電路拓撲結(jié)構(gòu)。在中壓和高壓范圍內(nèi)，例如增多地使用具有多個彼此串聯(lián)和/或并聯(lián)地布置的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的變流器，以便針對相應(yīng)應(yīng)用實現(xiàn)高阻斷能力和/或高導(dǎo)電能力并且將電壓提高到最高水平直至高壓直流輸電的范圍內(nèi)。也發(fā)展出模塊式多點變流器，它們在每個支路中具有若干相同類型的單元或子模塊，所述單元或子模塊分別通過具有能驅(qū)控的功率半導(dǎo)體開關(guān)和用于中間存儲電能的內(nèi)部電容器的橋式電路來形成。通過模塊式結(jié)構(gòu)方式，變流器是能針對不同的功率和應(yīng)用單獨地擴展的。模塊式多點變流器例如由de10103031a1、de102010046142a1或ep1497911b1公知。

在非常高的功率范圍中，針對半導(dǎo)體功率器件需要越來越大的半導(dǎo)體面積，所述越來越大的半導(dǎo)體面積相應(yīng)地決定了變流器的大的結(jié)構(gòu)體積和高成本。用于冷卻和驅(qū)控變流器的耗費也大幅上升。存在如下應(yīng)用，在所述應(yīng)用中變流器雖然在高功率情況下但僅在相對短的運行時間內(nèi)使用。存在有如下期望，即，針對這些應(yīng)用提高能傳輸?shù)墓β?，而不提高用于電路裝置和控制變流器的耗費。相反地存在如下期望，即，在變流器的針對這樣的應(yīng)用的給定的高額定功率的情況下，減小功率開關(guān)的半導(dǎo)體面積并且減少用于實施和運行變流器的成本和耗費，或者更好地充分利用功率半導(dǎo)體器件。

除了變流器之外存在大量其他應(yīng)用，其中使用多個串聯(lián)和/或并聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，以便可以實現(xiàn)高電流負載和高反向電壓。例如，在用于給馬達饋電的變頻器中使用所謂的“制動斬波器”，用以監(jiān)控和控制中間回路電壓。在這樣的馬達的制動過程中，發(fā)電電流可以經(jīng)過馬達側(cè)的變流器流回到中間回路中，并且引起中間回路電壓高于允許值。如果中間回路電壓高于閾值電壓，則暫時電子式地接通制動斬波器，在該制動斬波器上聯(lián)接有所謂的制動電阻，該制動電阻將中間回路中的多余能量轉(zhuǎn)化成熱能并且因此限制了最大的中間回路電壓。該過程在需要時反復(fù)進行。針對高功率范圍，在這里同樣可能需要的是，制動斬波器的電子開關(guān)以多個串聯(lián)和/或并聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件來實現(xiàn)。

在高壓直流輸電系統(tǒng)(參見s.k.chaudhary等人的《choppercontrolledresistorsinvsc-hvdctransmissionforwppwithfull-scaleconverters(在具有大規(guī)格變流器的用于wpp的電壓源變換器-高壓直流電傳輸中的斬波控制的電阻)》，sustainablealternativeenergy(sae，可持續(xù)的替代能源)，2009年ieeepes/ias會議，第1至8頁)中或也在直至中壓范圍的直流輸電系統(tǒng)中，類似的斬波器-電阻裝置也可以被用在如下變流器中，所述變流器將經(jīng)由高壓直流輸電線路接收的直流電壓功率轉(zhuǎn)化成適合于后置的配電網(wǎng)或供電網(wǎng)的交流電壓功率。當在后置的交流電壓網(wǎng)中出現(xiàn)故障并且阻礙向電網(wǎng)的功率傳輸時，斬波器-電阻裝置在這里也可以通過暫時地將多余能量消耗在聯(lián)接的電阻中來限制高壓直流輸電線路上或變流器系統(tǒng)中的過電壓。尤其在高壓和高功率應(yīng)用中為此需要使用巨大的半導(dǎo)體并且需要巨大的結(jié)構(gòu)尺寸，該結(jié)構(gòu)尺寸按份額來說在整個變流器上可能處于高的一位數(shù)百分比范圍內(nèi)。用于實施和運行的成本和耗費是很高的。期望的是在確保穩(wěn)定、魯棒的功能性的情況下降低所述成本和耗費。

此外，已知有用于高壓直流輸電系統(tǒng)的直流分離開關(guān)，所述直流分離開關(guān)使用多個串聯(lián)的功率半導(dǎo)體器件。例如，由wo2011/057675a1和ep2780923b1已知所謂的混合式直流功率開關(guān)，它們以由電子主開關(guān)和與之并聯(lián)的具有快速的機械分離開關(guān)的電子輔助開關(guān)的串聯(lián)電路的組合為基礎(chǔ)。輔助開關(guān)和主開關(guān)都具有多個串聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，所述功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的數(shù)量在輔助開關(guān)中是少的，使得輔助開關(guān)被設(shè)立用于比主開關(guān)更小的額定功率和更小的線路損耗。在正常運行中，輔助開關(guān)和機械分離開關(guān)閉合，而主開關(guān)可以斷開或閉合。因此，電流在不出現(xiàn)故障的情況下始終流過低歐姆的主電流路徑。當例如在直流電壓傳輸段或直流電壓網(wǎng)內(nèi)部識別出短路故障時，混合式功率開關(guān)被觸發(fā)，其方式是：首先斷開輔助開關(guān)，由此電流從主電流路徑換向到具有主開關(guān)的旁路路徑上。緊接著，機械分離開關(guān)被斷開，以便將輔助開關(guān)從所傳輸?shù)碾妷荷戏蛛x，并且隨后主開關(guān)被斷開，這導(dǎo)致電流從旁路路徑換向到與主開關(guān)并行布置的過電壓保護器。

這樣的混合式直流功率開關(guān)可以實現(xiàn)在小的功率損耗的情況下快速地將有故障的部分從傳輸段上斷開并且絕緣以及重新接通無故障的部分。主開關(guān)(其視所需的反向電壓而定地可以具有2個或更多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，針對高壓直流輸電應(yīng)用甚至可以具有10個或多于50個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件)僅在觸發(fā)混合式開關(guān)的短時間內(nèi)使用。該主開關(guān)的線路損耗幾乎無足輕重。然而，這樣的用于高壓直流輸電應(yīng)用的混合式開關(guān)可能需要用于主開關(guān)的巨大的半導(dǎo)體面積和總共用于混合式開關(guān)、其冷卻裝置和驅(qū)控裝置的很多的結(jié)構(gòu)空間。該結(jié)構(gòu)空間與整個變流器相比在這里同樣可以占在高的一位數(shù)百分比范圍內(nèi)的份額。在這里也期望的是，減小半導(dǎo)體面積和結(jié)構(gòu)空間并且降低實施成本和運行成本。

igbt的特征在于額定電流icnom。igbt的典型的工作區(qū)域直至兩倍額定電流。必要時也可以關(guān)斷三倍額定電流。此外，igbt通過短路電流isc來描述，該短路電流視igbt而定地為額定電流icnom的三倍至五倍。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，在提高的柵極-發(fā)射極電壓的情況下也可以接通多于三倍額定電流icnom的電流。

例如，由de102010006525b4和ep2747260a2公知的是，能反復(fù)關(guān)斷的半導(dǎo)體開關(guān)元件，尤其是igbt可以暫時運行在規(guī)定的參數(shù)之外，以便避免不飽和并且可以實現(xiàn)高負載電流。de102010006525b4描述了一種用于利用能反復(fù)關(guān)斷的半導(dǎo)體開關(guān)元件導(dǎo)出例如由于電擊所致的沖擊電流或暫態(tài)過電壓的設(shè)備，其中，通過將柵極-發(fā)射極電壓靜態(tài)地施加在針對其用于持續(xù)運行的柵極-發(fā)射極電壓的規(guī)定的范圍之外實現(xiàn)接通。通常，igbt運行在柵極-發(fā)射極電壓vge＝15v的情況下的工作點上，其中，根據(jù)制造商的規(guī)范，用于持續(xù)運行的柵極-發(fā)射極電壓典型地不允許高于20v，因為否則在柵極下方的薄的絕緣的氧化物層的使用壽命受限。針對由于電擊產(chǎn)生的短時的或暫態(tài)的沖擊電流，提出了例如30v至50v的提高的柵極-發(fā)射極電壓。在短時的或暫態(tài)的沖擊電流消失之后，再次關(guān)斷開關(guān)元件。

ep2747260a2描述了一種具有igbt作為功率半導(dǎo)體開關(guān)的三相變流器，其中，在變流器的其中一個支路中出現(xiàn)短路的情況下，在另外的、無故障的支路的igbt持續(xù)導(dǎo)通地連接，其方式是：向無故障的支路的igbt施加在大約30v和大約70v之間的范圍內(nèi)(在允許的規(guī)定范圍之外)的提高的柵極-發(fā)射極電壓。通過由此產(chǎn)生的在無故障支路中的支路電流升高，可以實現(xiàn)流過馬達的短路電流的平衡，并且可以避免馬達中的擺轉(zhuǎn)矩。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

從上述出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)在于，實現(xiàn)一種用于根據(jù)需要暫時承擔能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備的電流的裝置，該裝置被設(shè)立用于，可以根據(jù)需要暫時傳輸非常高的功率。本發(fā)明的任務(wù)尤其在于，提出簡單的措施，以便使這樣的用于根據(jù)需要暫時承擔的裝置的能傳輸?shù)墓β首畲蠡⑶?或者在給定的能傳輸?shù)墓β氏聹p少用于實施裝置和運行裝置的耗費和成本。這在安全且魯棒的功能性的情況下進行。

該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1的特征的用于根據(jù)需要暫時承擔能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備的電流的裝置和根據(jù)權(quán)利要求13的多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路的應(yīng)用來解決。本發(fā)明的特別有利的實施方式是從屬權(quán)利要求的主題。

解決方案1：一種用于根據(jù)需要暫時承擔能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備(14；36)的電流的裝置，該裝置具有：

至少一個線路支路(3；41；71)，其與能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備(14；36)連接，

多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)，這些功率半導(dǎo)體開關(guān)元件彼此串聯(lián)和/或并聯(lián)地布置在至少一個線路支路(3；41；71)中，和

驅(qū)控單元(18；51)，其用于驅(qū)控多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)，其中，驅(qū)控單元(18；51)被設(shè)立用于將提高的驅(qū)控電壓(vge)分別施加到多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)上(該提高的驅(qū)控電壓的大小高于針對持續(xù)運行來規(guī)定的最大允許的驅(qū)控電壓)，以便接通多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)并且引起提高的經(jīng)過所述多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的通過電流，該通過電流的電流強度至少相應(yīng)于兩倍的額定運行電流，并且其中，驅(qū)控單元(18；51)還被設(shè)立用于，在多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)傳導(dǎo)提高的通過電流期間，通過關(guān)斷驅(qū)控電壓(vge)又切斷多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)。

解決方案2：根據(jù)解決方案1的裝置，其中正的驅(qū)控電壓被選擇成，使得其短時大于來自制造商的最大允許的驅(qū)控電壓的1.5倍，直至4倍或甚至多于4倍。

解決方案3：根據(jù)解決方案1或2的裝置，其中要關(guān)斷的電流強度高于在推薦的正的驅(qū)控電壓(vge)的情況下得出的短路電流(isc)并且直至規(guī)定的標稱電流(icnom)的27倍或更多。

解決方案4：根據(jù)上述解決方案中任一項的裝置，其特征在于，能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備(14；36)是高壓直流輸電線路和/或多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)中的每個通過igbt來形成。

解決方案5：根據(jù)上述解決方案中任一項的裝置，其特征在于，所述裝置是混合式直流(dc)功率開關(guān)(1)的一部分，所述混合式直流(dc)功率開關(guān)具有與能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備(14)串聯(lián)的主電流支路(3)和旁路支路(4)，所述主電流支路具有由電子輔助開關(guān)(11)和快速的機械分離開關(guān)(12)構(gòu)成的串聯(lián)電路，所述旁路支路與主電流支路(3)并行地聯(lián)接并且包括電子主開關(guān)(6)，所述電子主開關(guān)具有多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7)。

解決方案6：根據(jù)解決方案5的裝置，其特征在于，電子輔助開關(guān)(11)具有一個或多個串聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(13)，所述功率半導(dǎo)體開關(guān)元件整體上針對比電子主開關(guān)(6)的多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7)的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路更小的額定功率和更小的線路損耗來設(shè)立。

解決方案7：根據(jù)解決方案5或6的裝置，其特征在于，電子主開關(guān)(6)具有由至少2個或更多的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7)，針對高壓應(yīng)用由至少10個或許多的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7)構(gòu)成的串聯(lián)電路。

解決方案8：根據(jù)解決方案5至7中任一項的裝置，其特征在于，在正常運行中，電子輔助開關(guān)(11)導(dǎo)通地連接，快速的機械分離開關(guān)(12)閉合并且電流流經(jīng)主電流支路(3)，并且在識別出能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備(14)中的故障的情況下首先斷開電子輔助開關(guān)(11)，并且以提高的驅(qū)控電壓(vge)來驅(qū)控電子主開關(guān)(6)的多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7)，以便使電流換向到旁路支路(4)上，緊接著斷開快速的機械開關(guān)(12)并且隨后斷開電子主開關(guān)(6)，以便中斷旁路支路(4)中的提高的通過電流。

解決方案9：根據(jù)解決方案1至4中任一項的裝置，其特征在于，所述裝置是變流器(33、37；39)的一部分，所述變流器具有一個或多個彼此并聯(lián)的支路(41a至41c)，其中，每個支路(41a至41c)具有至少兩個串聯(lián)的電子開關(guān)(47；52；59)，這些電子開關(guān)由驅(qū)控單元(51)根據(jù)確定的脈沖模式來驅(qū)控，以便將具有第一電流和電壓特性的第一功率轉(zhuǎn)化成具有第二電流和電壓特性的第二功率。

解決方案10：根據(jù)解決方案9的裝置，其特征在于，至少兩個串聯(lián)的電子開關(guān)(47；52；59)分別具有多個串聯(lián)和/或并聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(47；53)，這些功率半導(dǎo)體開關(guān)元件在變流器的正常運行中以提高的驅(qū)控電壓(vge)根據(jù)確定的脈沖模式來驅(qū)控。

解決方案11：根據(jù)解決方案9或10的裝置，其特征在于，變流器(33、37；39)具有斬波器-電阻裝置(67)，其用于防止變流器(33、37；39)的直流電壓中間回路(48)中的過電壓，其中，斬波器-電阻裝置(67)與變流器的一個或多個并聯(lián)的支路(41a至41c)并行地聯(lián)接，并且具有由至少一個電阻(68)和電子開關(guān)(69)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其中，電子開關(guān)(69)通過多個串聯(lián)或并聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47)來形成，當直流電壓中間回路(48)中的電壓超過預(yù)給定的閾值電壓時，在很短的時間內(nèi)，脈沖式地、必要時反復(fù)地以提高的驅(qū)控電壓(vge)來驅(qū)控所述功率半導(dǎo)體開關(guān)元件。

解決方案12：根據(jù)上述解決方案中任一項的裝置，其特征在于，驅(qū)控單元(18；51)被設(shè)立用于，以在至少一個中間水平上的驅(qū)控電壓(vge)在接通與最終的切斷之間對多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)進行驅(qū)控，所述中間水平低于在接通時提高的驅(qū)控電壓的電壓，但高于針對持續(xù)運行來規(guī)定的最大允許的驅(qū)控電壓。

解決方案13：多個功率半導(dǎo)體元件(7；47；53)、尤其是igbt的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路在如下的裝置(1；39；67)中的應(yīng)用，該裝置用于根據(jù)需要暫時承擔能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備(14；36)的電流，該裝置具有至少一個線路支路(3；41；71)，所述線路支路與能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備(14；36)連接，并且在所述線路支路中布置有多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路，其中，多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)在運行中以提高的驅(qū)控電壓(vge)來驅(qū)控(所述提高的驅(qū)控電壓的大小高于針對持續(xù)運行來規(guī)定的最大允許的驅(qū)控電壓)，以便接通多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)并且引起提高的經(jīng)過所述多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的通過電流，該通過電流的電流強度至少相應(yīng)于兩倍的額定運行電流，并且其中，在多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)傳導(dǎo)提高的通過電流期間，在接通持續(xù)時間之后又通過關(guān)斷驅(qū)控電壓(vge)來切斷多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)。

解決方案14：根據(jù)解決方案13的應(yīng)用，其特征在于，功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)是igbt，并且提高的驅(qū)控電壓(vge)的大小根據(jù)如下因素來選擇，以便實現(xiàn)預(yù)給定的使用壽命，而不發(fā)生功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)的損壞：直至在功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7；47；53)的柵極與發(fā)射極之間的柵極氧化物層發(fā)生擊穿的預(yù)給定的整個使用壽命、作為所有預(yù)期的接通過程的估計的接通持續(xù)時間之和的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的預(yù)期的整個接通持續(xù)時間、以及由于預(yù)期的接通過程和暫時提高的工作溫度而估計的使用壽命減少。

解決方案15：根據(jù)解決方案13或14的應(yīng)用，其特征在于，優(yōu)選針對高壓直流輸電應(yīng)用使用混合式直流(dc)功率開關(guān)(1)中的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路，其中，混合式dc功率開關(guān)(1)具有與能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備(14、36)串聯(lián)的主電流支路(3)和旁路支路(4)，所述主電流支路具有由電子輔助開關(guān)(11)和快速的機械分離開關(guān)(12)構(gòu)成的串聯(lián)電路，所述旁路支路與主電流支路(3)并行地聯(lián)接并且包括電子主開關(guān)(6)，所述電子主開關(guān)具有多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7)的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路，其中所述串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路具有至少2個或更多的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，針對高壓應(yīng)用具有至少10個或許多的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7)。

解決方案16：根據(jù)解決方案13或14的應(yīng)用，其特征在于，該應(yīng)用優(yōu)選針對高壓直流應(yīng)用使用在變流器(33、37；39)中，其中，變流器(33、37；39)具有一個或多個彼此并聯(lián)的支路(41a至41c)，其中，每個支路(41a至41c)具有至少兩個串聯(lián)的電子開關(guān)(47；52；59)，這些電子開關(guān)根據(jù)確定的脈沖模式來驅(qū)控，以便將具有第一電流和電壓特性的第一功率轉(zhuǎn)化成具有第二電流和電壓特性的第二功率，并且其中，至少兩個串聯(lián)的電子開關(guān)(47；52；59)分別具有多個串聯(lián)和/或并聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(47；53)，這些功率半導(dǎo)體開關(guān)元件在變流器的正常運行中以提高的驅(qū)控電壓(vge)根據(jù)確定的脈沖模式來驅(qū)控。

解決方案17：根據(jù)解決方案13或14的應(yīng)用，其特征在于，該應(yīng)用使用在兩級或多級的變流器(33、37；39)中，其中變流器(33、37；39)具有至少一個直流電壓中間回路(48)、一個或多個與至少一個直流電壓中間回路(48)并聯(lián)并且彼此并聯(lián)的支路(41a至41c)，這些支路分別具有至少兩個串聯(lián)的電子開關(guān)(47；52；59)，這些電子開關(guān)根據(jù)確定的脈沖模式來驅(qū)控，以便將具有第一電流和電壓特性的第一功率轉(zhuǎn)化成具有第二電流和電壓特性的第二功率，并且變流器(33；37；39)具有斬波器-電阻裝置(67)，其用于防止所述至少一個直流電壓中間回路(48)中的過電壓，所述斬波器-電阻裝置(67)與所述至少一個直流電壓中間回路(48)并行地聯(lián)接，并且具有由至少一個電阻(68)和電子開關(guān)(69)構(gòu)成的串聯(lián)電路，所述電子開關(guān)通過多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(47；53)的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路來形成，當直流電壓中間回路(48)中的電壓超過預(yù)給定的閾值電壓時，在短時間內(nèi)，脈沖式地、必要時反復(fù)地以提高的驅(qū)控電壓(vge)來驅(qū)控所述功率半導(dǎo)體開關(guān)元件。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，實現(xiàn)了一種用于根據(jù)需要暫時承擔能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備的電流的裝置，該裝置具有：至少一個線路支路，其與能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備連接；多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，這些功率半導(dǎo)體開關(guān)元件彼此串聯(lián)和/或并聯(lián)地布置在至少一個線路支路中；和驅(qū)控單元，其用于驅(qū)控多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件。驅(qū)控單元被設(shè)立用于將提高的驅(qū)控電壓分別施加到多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件上(所述提高的驅(qū)控電壓的大小高于針對持續(xù)運行來規(guī)定的最大允許的驅(qū)控電壓)，以便接通多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件并且引起提高的經(jīng)過所述多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的通過電流，該通過電流的電流強度至少相應(yīng)于兩倍的額定運行電流。驅(qū)控單元還被設(shè)立用于，在多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件傳導(dǎo)提高的通過電流期間，通過關(guān)斷驅(qū)控電壓又切斷所述多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件。

本發(fā)明基于如下認識：在以下應(yīng)用中，其中在運行中應(yīng)該僅暫時地將電流換向到多個彼此串聯(lián)和/或并聯(lián)地布置的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件上，由于功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的由于超出允許的界限值來提高的驅(qū)控電壓所引起的更大的導(dǎo)電能力，可以明顯減小功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的半導(dǎo)體面積和因此用于給定的要傳遞的高功率的裝置的整個結(jié)構(gòu)空間。由此，可以減少用于裝置的實施、冷卻和運行的耗費，這降低了實施成本和運行成本。

在上述的裝置中，正的驅(qū)控電壓優(yōu)選被選擇成，使得其短時至少超過來自制造商的最大允許的驅(qū)控電壓的1.5倍。正的驅(qū)控電壓可以直至最大允許的驅(qū)控電壓的4倍或甚至多于4倍。

附加地或替代地，要關(guān)斷的電流強度可以高于在推薦的正的驅(qū)控電壓vge的情況下得出的短路電流isc并且通常直至規(guī)定的標稱電流(icnom)的14倍，必要時直至至少20倍。在實驗室試驗中，可以成功地關(guān)斷標稱電流的27倍。

在優(yōu)選的應(yīng)用中，所使用的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件優(yōu)選通過igbt來形成，igbt提供了如下優(yōu)點：如mosfet那樣的電壓控制的開關(guān)特性、由于如雙極型晶體管那樣的雙極功能性的良好的導(dǎo)通特性和僅僅小的驅(qū)控功率，并且與此同時可以獲得具有ka范圍內(nèi)的電流和kv范圍內(nèi)的電壓的高功率。這可以實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的裝置應(yīng)用于高功率應(yīng)用、例如應(yīng)用于高壓直流輸電使得能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備例如可以是高壓直流輸電線路。在igbt中，針對持續(xù)運行的工作點在驅(qū)控電壓或柵極-發(fā)射極電壓方面通常為大約15v，而規(guī)定的最大允許的柵極-發(fā)射極電壓通常為20v。根據(jù)本發(fā)明，用于使功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路導(dǎo)通連接的柵極-發(fā)射極電壓選擇為30v至50v或甚至更高，直至大約70v，這可以實現(xiàn)將所需的半導(dǎo)體面積減少到一半或甚至減少到更低。提高的電流(其隨后在運行中流經(jīng)功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路，大于兩倍的額定運行電流)甚至可以為額定電流的五倍或直至十倍或更高。在使用igbt的情況下，也可以安全且可靠地通過關(guān)斷或移走柵極-發(fā)射極電壓來中斷數(shù)倍的額定電流。必要時，這通過附加的措施(如也在下面闡述的那樣)得以支持。

原則上也可以的是，以根據(jù)本發(fā)明的方式運行不同于igbt的其他功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，諸如bigt、mosfet等。在一種特別優(yōu)選的實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的裝置是優(yōu)選用于高壓直流輸電應(yīng)用的混合式直流(dc)功率開關(guān)的一部分，混合式直流(dc)功率開關(guān)具有與能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備串聯(lián)的或插入其中的主電流支路和旁路支路，所述主電流支路具有由電子輔助開關(guān)和快速的機械分離開關(guān)構(gòu)成的串聯(lián)電路，所述旁路支路與主電流支路并行地聯(lián)接并且包括電子主開關(guān)，所述電子主開關(guān)具有多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件。這樣的混合式dc功率開關(guān)本身已知，但是在規(guī)定的參數(shù)范圍之內(nèi)運行。本發(fā)明可以實現(xiàn)，明顯減少用于這樣的混合式dc功率開關(guān)的半導(dǎo)體面積，由此相應(yīng)地也明顯減少了用于混合式dc功率開關(guān)的整體結(jié)構(gòu)空間以及整體實施耗費和運行耗費。

在一個實施方案中，電子輔助開關(guān)可以具有一個或多個串聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，優(yōu)選是igbt，它們整體針對比主開關(guān)的多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路更小的額定功率和更小的線路損耗來設(shè)計。主開關(guān)可以具有由功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(7)構(gòu)成的串聯(lián)電路。針對高壓應(yīng)用、包括高壓直流輸電，主開關(guān)也可以具有至少10個、優(yōu)選至少50個或甚至100至200個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，以便提供所需的阻斷能力。例如，在高壓直流輸電應(yīng)用中，主開關(guān)的串聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件必須針對例如300kv至400kv或甚至更高電壓水平的所傳輸?shù)闹绷麟妷翰⑶裔槍?000a至1500a的電流來設(shè)計。這通過本發(fā)明可以相對耗費更低和成本更適宜地實現(xiàn)。例如，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在600kv和設(shè)計到1gw功率上的情況下，必須針對每個igbt單個元件將電流設(shè)計到大約1670a上。現(xiàn)在，本發(fā)明例如允許每個igbt單個元件的5倍電流。因此，應(yīng)該設(shè)計到1670/5＝334a上，在關(guān)斷10倍電流的情況下，到167a上的設(shè)計就足夠。因為成本和結(jié)構(gòu)空間與電流成比例，因此耗費可以減少到五分之一或十分之一。根據(jù)本發(fā)明的混合式dc功率開關(guān)在正常運行中可以以如下方式來運行，即，當主開關(guān)處于不導(dǎo)通的狀態(tài)中時，輔助開關(guān)導(dǎo)通地連接并且快速的機械分離開關(guān)閉合。為此，可以斷開主開關(guān)或以標稱的驅(qū)控電壓對其進行預(yù)驅(qū)控。因為電子主開關(guān)的阻抗明顯大于輔助開關(guān)的阻抗，所以電流幾乎僅流經(jīng)主電流支路。如果識別出故障，例如能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備中的短路故障，則首先斷開電子輔助開關(guān)。同時，以提高的驅(qū)控電壓來驅(qū)控電子主開關(guān)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，以便使電流換向到具有主開關(guān)的旁路支路上。緊接著斷開快速的機械開關(guān)，以便相對于所傳輸?shù)碾妷焊綦x輔助開關(guān)，并且隨后通過關(guān)斷提高的驅(qū)控電壓或柵極-發(fā)射極電壓斷開電子主開關(guān)，以便中斷旁路支路中的提高的通過電流。隨后，電流例如換向到并行于功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的保護器或非線性電阻上，其能量在那里被轉(zhuǎn)化成熱。

在一種另外的優(yōu)選實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的裝置是優(yōu)選用于高壓直流輸電應(yīng)用或其他高功率應(yīng)用的兩級或多級的變流器的一部分。變流器可以具有一個或多個彼此并聯(lián)的相支路，其中，每個相支路具有至少兩個串聯(lián)的電子開關(guān)，這些電子開關(guān)由驅(qū)控單元根據(jù)確定的脈沖模式來驅(qū)控，以便將具有第一電流和電壓特性的第一功率轉(zhuǎn)化成具有第二電流和電壓特性的第二功率。

在一種配置方案中，至少兩個串聯(lián)的電子開關(guān)可以分別具有多個串聯(lián)和/或并聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，這些功率半導(dǎo)體開關(guān)元件在變流器的正常運行中以提高的驅(qū)控電壓、例如在igbt的情況下是柵極-發(fā)射極電壓，根據(jù)確定的脈沖模式來驅(qū)控。因此在以下應(yīng)用中可以明顯減小半導(dǎo)體面積和用于實現(xiàn)和運行變流器的耗費，在所述應(yīng)用中針對高功率設(shè)計的變流器僅暫時或短時地運行。因此，可以明顯減小這樣的部件的結(jié)構(gòu)空間和重量。也能夠設(shè)想多個如下的應(yīng)用，在所述應(yīng)用中，所需的使用壽命或使用持續(xù)時間從一開始就相對受限并且適合于提高的驅(qū)控電壓的暫時或短時的應(yīng)用。

在本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方式中，變流器可以具有斬波器-電阻裝置，其用于防止變流器的直流電壓中間回路中的過電壓，斬波器-電阻裝置與變流器的一個或多個并聯(lián)的支路并行地聯(lián)接，并且具有由至少一個電阻和電子開關(guān)構(gòu)成的串聯(lián)電路。電子開關(guān)通過多個串聯(lián)或并聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件來形成，當直流電壓中間回路中的電壓超過預(yù)給定的閾值電壓時，在短時間內(nèi)，脈沖式地、必要時反復(fù)地、例如通過脈寬調(diào)制(pwm)以提高的驅(qū)控電壓(例如在igbt情況下是柵極-發(fā)射極電壓)來驅(qū)控所述功率半導(dǎo)體開關(guān)元件。這類具有多個串聯(lián)和/或并聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的斬波器-電阻裝置例如可以用于防止具有集中或分散的中間回路的逆變器中的過電壓。但是，斬波器-電阻裝置也可以充當用于驅(qū)動系統(tǒng)的制動斬波器裝置，以便在制動情況下將多余的能量經(jīng)由所聯(lián)接的制動電阻轉(zhuǎn)化成熱能。無論如何，通過設(shè)置過高的驅(qū)控電壓可以明顯減小斬波器-電阻裝置的結(jié)構(gòu)尺寸。所需的半導(dǎo)體面積可以被減少到五分之一或甚至更低。實施耗費和運行耗費以及與之相關(guān)的成本都得以降低。

此外，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備也可以實施為所謂的“鉗制器(crowbar)”，其是用作防止尤其是低壓的直流電源中的過電壓的保護裝置的電子鉗位電路。鉗制器具有晶閘管或三端雙向可控硅元件作為開關(guān)元件，它們在達到確定的電壓時低歐姆地短路供電電壓，使得因此例如可以觸發(fā)保險裝置并且中斷電流供應(yīng)或以限制電壓的方式作用到要保護的變流器部件上。通過以igbt或類似元件的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路代替晶閘管或三端雙向可控硅元件，鉗制器也可以用于中壓或高壓并且根據(jù)本發(fā)明以過高的驅(qū)控電壓來運行。鉗制器必要時也可以接在三相電網(wǎng)的相之間。此外，鉗制器本身可以是實際的用于轉(zhuǎn)換電能的變流器電路的組成部分。

在本發(fā)明的一種有利的改進方案中，驅(qū)控單元可以被設(shè)立用于，以在至少一個中間水平上的驅(qū)控電壓在接通與最終的切斷之間對多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件進行驅(qū)控，該中間水平低于在接通時提高的驅(qū)控電壓的電壓，但高于針對持續(xù)運行來規(guī)定的最大允許的驅(qū)控電壓。也就是說，可以插入驅(qū)控電壓的中間等級，使得igbt例如可以在接通時首先以+50v來驅(qū)控，隨后以20v至30v的范圍內(nèi)的電壓作為中間等級來驅(qū)控，并且最后在最終關(guān)斷時以-15v來驅(qū)控。更多的中間等級，例如在+30v和隨后在+20v上也是可行的。由此，可以控制開關(guān)損耗和關(guān)斷時間并且可以根據(jù)應(yīng)用和運行環(huán)境來優(yōu)化開關(guān)變化過程。例如，可以優(yōu)化針對集電極電流和集電極-發(fā)射極電壓的di/dt曲線和dv/dt曲線并且使過電壓最小化。也可以的是，以合適的中間等級在最終的關(guān)斷前不久實現(xiàn)igbt的去飽和，以便減少在關(guān)斷時的關(guān)斷損耗和與之關(guān)聯(lián)的尖峰阻擋層溫度或者也可以減小關(guān)斷過電壓和改進所使用的功率半導(dǎo)體構(gòu)件在應(yīng)用中的魯棒性。在驅(qū)控單元中可以實施另外的措施，以便減小在切斷多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件時的電壓過大(過電壓)并且促使可以為兩倍或多倍額定電流的高電流的安全關(guān)斷。屬于所述措施的例如有：在igbt的情況下經(jīng)由一個柵極電阻(所謂的軟關(guān)斷)或多個柵極電阻對關(guān)斷速度進行主動控制，通過降低柵極-發(fā)射極電壓進行溫和的關(guān)斷或通過電壓鉗位(所謂的有源鉗位)進行過電壓限制，這些措施都在現(xiàn)有技術(shù)中普遍公知。結(jié)合根據(jù)本發(fā)明提高的驅(qū)控電壓，這些措施可以改進裝置的功能安全性和魯棒性。

在本發(fā)明的另一方面中設(shè)置了多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件、尤其是igbt的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路在如下裝置中的應(yīng)用，該裝置用于根據(jù)需要暫時承擔能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備的電流。該裝置具有至少一個線路支路，其與能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備連接，并且在該線路支路中布置有多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路。多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件在運行中在需要時優(yōu)選全部以提高的驅(qū)控電壓來驅(qū)控(所述提高的驅(qū)控電壓的大小高于針對持續(xù)運行來規(guī)定的最大允許的驅(qū)控電壓)，以便接通多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件并且引起提高的經(jīng)過所述多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的通過電流，該通過電流的電流強度至少相應(yīng)于兩倍的額定運行電流。在多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件傳導(dǎo)提高的通過電流期間，在短時的接通持續(xù)時間之后通過關(guān)斷或移走驅(qū)控電壓又切斷多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件。

在一種優(yōu)選的實施方式中，功率半導(dǎo)體開關(guān)元件是igbt，并且提高的驅(qū)控電壓，即柵極-發(fā)射極電壓的大小根據(jù)如下因素來選擇，以便實現(xiàn)預(yù)給定的使用壽命，而不發(fā)生功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的損壞：直至在功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的柵極與發(fā)射極之間的柵極氧化物層發(fā)生擊穿的預(yù)給定的整個使用壽命、作為所有預(yù)期的接通過程的估計的接通持續(xù)時間之和的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的預(yù)期的整個接通持續(xù)時間以及由于預(yù)期的接通過程和暫時提高的工作溫度而估計的使用壽命減少。例如研究表明，將柵極-發(fā)射極電壓從通常的15v加倍到30v可以使使用壽命減小大約300倍。如果考慮到對裝置使用壽命的影響，則可以由此推斷出，是否應(yīng)使用30v的柵極-發(fā)射極電壓或是否可以施加還更高的柵極-發(fā)射極電壓。

此外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的應(yīng)用涉及功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路在混合式直流(dc)功率開關(guān)中的應(yīng)用、其作為變流器的高頻脈沖的開關(guān)的應(yīng)用、或其作為例如用于高壓直流輸電線路上的變流器的斬波器-電阻裝置的電子開關(guān)的應(yīng)用、或其作為驅(qū)動系統(tǒng)的變流器的中間回路上的制動斬波器或作為鉗制器的應(yīng)用。在根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用的實施方式和改進方案以及其優(yōu)點方面可以參考與根據(jù)本發(fā)明的裝置相結(jié)合的上述實施方案，所述實施方案在此類似地適用。

附圖說明

由從屬權(quán)利要球、附圖以及所屬的描述得出本發(fā)明的實施方式的另外的有利的細節(jié)。下面根據(jù)示出了本發(fā)明的示例性的、毫不限制性的實施方式的附圖詳細描述了本發(fā)明，其中，在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相同的元件。其中：

圖1以非常簡化的示圖示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的混合式直流電(dc)功率開關(guān)，其包括多個串聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件；

圖2示出在例如能使用在根據(jù)圖1的混合式dc功率開關(guān)中的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件進行切換時測量到的電壓和電流曲線，用以闡明本發(fā)明的實施方式的原理；

圖3以非常簡化的原理圖示出在闡明所謂的“電涌(surge)”運行(過載運行)的情況下的igbt的輸出特性曲線簇的原理圖；

圖4a和4b以非常簡化的示圖示出類似圖2的電壓和電流曲線，用以闡明本發(fā)明的實施方式的改進方案；

圖5示出風(fēng)力發(fā)電廠連同高壓直流輸電系統(tǒng)，高壓直流輸電系統(tǒng)具有根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方式的用于根據(jù)需要暫時承擔能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備的電流的裝置；

圖6以非常簡化的原理圖示出根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的示例性的變流器的示意性方框圖；

圖7示出多個功率半導(dǎo)體器件的并聯(lián)電路，該并聯(lián)電路根據(jù)本發(fā)明可以用在根據(jù)圖1至6的裝置之一或系統(tǒng)之一中；并且

圖8示出具有功率半導(dǎo)體器件的子模塊的電路裝置，該子模塊根據(jù)本發(fā)明可以用在根據(jù)圖1至6的裝置之一或系統(tǒng)之一中。

具體實施方式

圖1示出混合式直流(dc)功率開關(guān)1，其形成根據(jù)本發(fā)明的用于根據(jù)需要暫時承擔電流或使電流換向的裝置2的第一優(yōu)選實施方式?；旌鲜絛c功率開關(guān)1可以作為所謂的“dc斷路器(dc中斷器)”例如用在高壓直流輸電(hgu)系統(tǒng)中，以便在后置的直流電網(wǎng)部分中出現(xiàn)短路的情況下快速且安全地隔離有故障的部分，以便繼續(xù)維持系統(tǒng)的其他部分的功能?，F(xiàn)有的機械dc分離開關(guān)不能在數(shù)毫秒之內(nèi)完全中斷直流電流，如其在高壓直流輸電應(yīng)用中所需要的那樣。此外，機械dc分離開關(guān)需要復(fù)雜的措施來避免或消除在斷開分離開關(guān)時出現(xiàn)的電弧。基于半導(dǎo)體的直流電流中斷器可以極其快速且無電弧地切換?；旌鲜絛c功率開關(guān)1克服了所述不足并且能夠在50kv或更高(例如在具有300kv至400kv的電網(wǎng)電壓、ka范圍(例如直至10ka或更高)內(nèi)的電流的高壓直流輸電網(wǎng)中)的高壓應(yīng)用中可靠地中斷。

混合式dc功率開關(guān)1具有主電流支路3和與之并行的旁路支路4。旁路支路4具有電子主開關(guān)6，該電子主開關(guān)在這里包括多個彼此串聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7。視應(yīng)用的直流電壓和所使用的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7的功率數(shù)據(jù)而定地，串聯(lián)電路可以包括數(shù)十個或者甚至數(shù)百個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7。如闡明的那樣，優(yōu)選地，功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7被設(shè)置用于兩個電流流動方向，其中，在這里可以使用雙向的功率半導(dǎo)體開關(guān)，它們通常能以不同的配置來使用。如果規(guī)定了電流極性，那么也可以使用常見的單向開關(guān)。

基于半導(dǎo)體的主開關(guān)6被劃分為多個具有單獨的過電壓或過電流保護器9的區(qū)段8，所述過電壓或過電流保護器與分別多個串聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7并行地布置并且通過非線性電阻形成。

主電流支路3具有由電子輔助開關(guān)11和快速的機械分離開關(guān)12構(gòu)成的串聯(lián)電路。電子輔助開關(guān)11同樣基于半導(dǎo)體并且具有若干功率半導(dǎo)體開關(guān)元件13，它們優(yōu)選同樣被設(shè)立用于雙向的電流傳輸。輔助開關(guān)11與主開關(guān)6相比被設(shè)立用于明顯更低的反向電壓，并且為此優(yōu)選具有功率半導(dǎo)體開關(guān)元件13的串聯(lián)電路，功率半導(dǎo)體開關(guān)元件13的數(shù)量明顯小于在主開關(guān)6中的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的數(shù)量。最佳地，串行地使用僅一個唯一的開關(guān)。其可以被設(shè)計到比開關(guān)7更低的電壓上。如果規(guī)定了電流的極性和因此能量流動方向，則也可以使用通常的單向的開關(guān)。開關(guān)11也可以由不同于元件7的其他元件，例如gct構(gòu)成。

快速的機械分離開關(guān)12可以在毫秒范圍內(nèi)快速切換并且例如可以基于已知的氣體絕緣的開關(guān)設(shè)備技術(shù)或類似的。如還由圖1得知的那樣，在這里通過傳輸線路14(混合式dc功率開關(guān)1插入到該傳輸線路中)形成的能量傳輸設(shè)備或能量分配設(shè)備中還可以設(shè)置有故障電流保護開關(guān)16，其用于在觸發(fā)混合式dc功率開關(guān)1之后中斷在線路14中流動的剩余電流。此外，可以設(shè)置有限制電流的扼流圈17，以便在例如直流電網(wǎng)或匯流排中出現(xiàn)短路的情況下限制電流上升，其中混合式dc功率開關(guān)1與該直流電網(wǎng)或匯流排連接。

如還由圖1可看出的那樣，設(shè)置有驅(qū)控單元18，其用于在運行中驅(qū)控混合式dc功率開關(guān)1的部件。驅(qū)控單元18可以監(jiān)控和控制混合式dc功率開關(guān)1的整個運行，并且為此例如可以利用電流傳感器19監(jiān)控經(jīng)過線路14的通過電流。驅(qū)控單元18也可以根據(jù)需要監(jiān)控在主電流支路3和旁路支路4中的電流以及還有在它們上的電壓電勢(未示出)。驅(qū)控單元也可以由上級的(在這里未詳細示出的)控制裝置本身來控制，該控制裝置可以承擔監(jiān)控和控制混合式dc功率開關(guān)1的任務(wù)，而驅(qū)控單元18僅可以生成和施加用于功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7、13的合適的驅(qū)控信號。驅(qū)控單元18也可以劃分為多個配屬于各個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7的或分別配屬于功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的組的驅(qū)控子單元(未示出)。

在此描述的混合式dc功率開關(guān)1如下地來工作：

在正常運行期間，快速的機械分離開關(guān)12閉合并且電子輔助開關(guān)11的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件13同樣閉合或?qū)ǖ剡B接。在dc斷路器16閉合時，電流于是僅流經(jīng)主支路4和布置在其中的開關(guān)11和12。電子主開關(guān)6可以閉合、也就是導(dǎo)通地連接，或者斷開、也就是不導(dǎo)通地連接。因為電子主開關(guān)與輔助開關(guān)11相比具有明顯更大的阻抗，所以于是沒有電流能夠流經(jīng)旁路支路3。

當在后置的直流電網(wǎng)中出現(xiàn)直流電流故障、尤其是短路時，通過驅(qū)控單元18或另一驅(qū)控裝置來驅(qū)控輔助開關(guān)11，以便斷開或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換到非導(dǎo)通的狀態(tài)中。由此，流經(jīng)主電流支路3的電流換向到旁路支路4上。只要輔助開關(guān)11在數(shù)微秒內(nèi)是不導(dǎo)通的并且全部電流換向到旁路電流支路4上，就斷開快速的機械分離開關(guān)12。在斷開機械分離開關(guān)12的情況下，主開關(guān)6于是可以中斷故障電流。

只要通過驅(qū)控單元18斷開主開關(guān)6，電流就換向到并行的保護器9上并且在那里轉(zhuǎn)化成熱。在電流在很大程度上消失之后，根據(jù)需要斷開dc斷路器16，以便完全中斷通過電流。

機械分離開關(guān)12使輔助開關(guān)11相對于在電流中斷期間在主開關(guān)6上的初級電壓隔離。因此，輔助開關(guān)11的所需的額定電壓或反向電壓明顯減小。在導(dǎo)通的狀態(tài)中，輔助開關(guān)11具有在相對數(shù)伏特的范圍內(nèi)的導(dǎo)通電壓，使得與純粹的基于半導(dǎo)體的中斷器相比，混合式dc功率開關(guān)1的傳輸損耗顯著降低。主開關(guān)6的高的線路損耗是不重要的，僅在觸發(fā)了混合式dc功率開關(guān)1的情況下電流換向到主開關(guān)6上并且繼續(xù)換向到保護器9上的短的持續(xù)時間期間才出現(xiàn)所述線路損耗。

為了提供所需的反向電壓，電子主開關(guān)6需要多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7，所述多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件容納短路情況下的電流負載。在具有300kv至400kv電壓的高壓直流輸電應(yīng)用中和在例如以具有例如1.5ka/3.3kv功率數(shù)據(jù)的igbt半導(dǎo)體開關(guān)作為功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7的情況下，可能需要直至200個或更多的igbt開關(guān)來實現(xiàn)主開關(guān)6。這意味著極其大的半導(dǎo)體面積，其大幅提高了實現(xiàn)的成本。此外，需要附加的用于對混合式功率開關(guān)1進行冷卻和對其進行監(jiān)控和控制的裝置。針對高壓直流輸電應(yīng)用的混合式dc功率開關(guān)1可以在整個變流器上按份額輕易地達到高的一位數(shù)百分比值。本發(fā)明可以實現(xiàn)減小該參量并且明顯減少與實施和運行混合式dc功率開關(guān)1相關(guān)聯(lián)的耗費和成本。

在進一步探討本發(fā)明之前，要注意的是，圖1示出igbtt作為功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7。igbt是普遍已知的，其特征在于特別好的開關(guān)特性、好的導(dǎo)通特性和小的驅(qū)控功率，并且能針對不同的功率范圍來運行。每個igbtt具有控制電極(被稱為柵極g)，以及發(fā)射極e和集電極c作為另外的電極。有利地，內(nèi)部的續(xù)流二極管反并聯(lián)于igbtt，電流可以根據(jù)需要換向到所述續(xù)流二極管上。但是原則上，根據(jù)本發(fā)明也可以使用其他的功率半導(dǎo)體器件，諸如bigt、mosfet或類似的。因此，在這里使用的名稱集電極、發(fā)射極和柵極涉及將igbt作為功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7(和13)的優(yōu)選應(yīng)用，而針對其他可比較的半導(dǎo)體器件的端子和電極的相應(yīng)名稱對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是毫無困難熟悉的。

如上述那樣，混合式dc功率開關(guān)1，尤其是其主開關(guān)6根據(jù)本發(fā)明被設(shè)立用于，優(yōu)化所需的半導(dǎo)體面積和結(jié)構(gòu)空間需求以及與之關(guān)聯(lián)的實施和運行成本。為此，驅(qū)控單元18被設(shè)立用于，在觸發(fā)混合式dc功率開關(guān)1時以提高的驅(qū)控電壓或柵極-發(fā)射極電壓vge驅(qū)控主開關(guān)6的igbtt或功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7，提高的驅(qū)控電壓的大小在針對持續(xù)運行來規(guī)定的最大允許的驅(qū)控電壓以上。通常地，針對持續(xù)運行，igbt以大約15v的柵極-發(fā)射極電壓來運行。根據(jù)制造商規(guī)范，針對持續(xù)運行的柵極-發(fā)射極電壓典型不允許高于20v，因為這否則可能導(dǎo)致柵極g下方的薄的絕緣的柵極氧化物層的擊穿并且導(dǎo)致igbt損壞。

根據(jù)本發(fā)明，主開關(guān)6的igbt7為了使短路電流從主電流支路3換向到旁路支路4上而通過施加提高的柵極-發(fā)射極電壓來運行，提高的柵極-發(fā)射極電壓大于最大允許的20v并且例如為30v或50v。必要時，當統(tǒng)計上僅能夠記錄直流電網(wǎng)中的少的短路時，也可以選擇70v的柵極-發(fā)射極電壓用于主開關(guān)6的運行。

所述過高的驅(qū)控電壓導(dǎo)致，與額定運行電流相比，主開關(guān)6的每個igbtt可能傳導(dǎo)提高的電流，其可能至少是額定運行電流的兩倍、并且甚至直至十倍或更多。在該提高的電流僅短時地(在電流從主電流支路3換向到旁路支路4上直至完全斷開主開關(guān)6后，通常在短于一毫秒或僅數(shù)毫妙的持續(xù)時間期間)流動之后，在運行中可以容忍對絕緣的柵極氧化物層的小的影響并且盡管如此仍可以確?；旌鲜絛c功率開關(guān)1的足夠的使用壽命。

因此，利用根據(jù)本發(fā)明的措施(提高驅(qū)控電壓超出針對持續(xù)運行來規(guī)定的最大允許的范圍)，混合式dc功率開關(guān)1可以被用于電網(wǎng)的更高的傳輸?shù)闹绷麟妷骸Ｏ喾吹?，在主開關(guān)6中的針對設(shè)計的電流負載的同樣的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7的數(shù)量可以明顯降低，尤其可以減少到一半或還減少更多。

這導(dǎo)致，相應(yīng)地減小了所需的半導(dǎo)體面積并且相應(yīng)地減少了主開關(guān)6本身的和混合式dc功率開關(guān)1整體的與之關(guān)聯(lián)的成本。與用于冷卻、控制和用于混合式功率開關(guān)1的運行所需的冷卻裝置、監(jiān)控裝置、控制裝置、線路和類似部件相關(guān)的耗費和成本也明顯減少。

圖2示出按照根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)控方式在igbt7的接通和切斷時測量到的電壓信號曲線和電流信號曲線，如該igbt可以用在根據(jù)圖1的混合式dc功率開關(guān)1的主開關(guān)6中那樣。尤其示出了在集電極電流ic為1350a，也就是27倍的額定電流的情況下對規(guī)定額定電流icnom＝50a的igbt進行關(guān)斷的測量。關(guān)于時間t示出了柵極-發(fā)射極電壓vge、集電極-發(fā)射極電壓vce和集電極電流ic。

在接通之前，vge為-5v，中間回路電壓為2000v。在t≈12μs時，施加vge＝50v的正的柵極電壓。電流根據(jù)負載的電感而上升。在t＝56μs時，設(shè)置關(guān)斷信號。vge下降到現(xiàn)在在過高電流的情況下在大約30v處的米勒平坦區(qū)上?，F(xiàn)在在大約t＝65μs時，igbt開始去飽和。與仍上升的電流ic相應(yīng)地，vge在米勒平坦區(qū)中仍稍微上升。電流ic同樣地繼續(xù)上升。最終，成功地關(guān)斷了1350a的電流ic，這相應(yīng)于所使用的4.5kvigbt芯片的27倍額定電流。在過程的最后，柵極電壓又下降到被施加的-5v上。

以相同的方式，igbt在以提高的柵極電壓運行期間的損壞界限向上移動。圖3示出igbt的輸出特性曲線簇的原理圖，其示出，igbt在例如在此50v的提高的柵極電壓下的所謂的“電涌”運行(過載運行)位于飽和區(qū)中。與此相應(yīng)地，鑒于相應(yīng)的應(yīng)用應(yīng)該遵守安全間距，該安全間距在有源區(qū)中維持與損壞界限足夠的間距。在考慮到所述標準的情況下，在明顯大于柵極-發(fā)射極額定電壓的柵極-發(fā)射極電壓的情況下，可以實現(xiàn)針對短時的過載情況的具有“電涌”電流isurge的“電涌”運行，該“電涌”電流相應(yīng)于5倍至25倍的額定電流in并且相應(yīng)于數(shù)倍的短路電流isc。

圖4a和4b以非常簡化的示圖示出類似圖2的電壓和電流曲線，但限于igbt的關(guān)斷，用以闡明本發(fā)明的實施方式的改進方案。圖4a示出，施加例如35v的高于針對持續(xù)運行最大允許的電壓的柵極-發(fā)射極電壓vge。由此，例如可以通過根據(jù)圖1的混合式dc功率開關(guān)1的主開關(guān)6的igbt引導(dǎo)五倍的額定運行電流。盡管如此，可以安全地關(guān)斷該高電流。

如可看到的那樣，當vge被關(guān)斷時，集電極電流ic以高斜率相對快速地下降。此外可看到的是，集電極-發(fā)射極電壓vce以高的斜率相對快速地上升直至反向電壓。在到達反向電壓之前不久，vce示出關(guān)斷電壓尖峰(電壓過高)。關(guān)斷電壓尖峰取決于雜散電感和因此感應(yīng)出的電壓，該電壓相應(yīng)于切換的di/dt和二極管的接通電壓尖峰。

這樣的高的集電極電流斜率di/dt、集電極電壓斜率dv/dt和電壓過高可能能夠損壞igbt并且引起過高的開關(guān)損耗。但是根據(jù)本發(fā)明的改進方案，驅(qū)控單元18可以被設(shè)立用于優(yōu)化di/di曲線和dv/dt曲線、使過電壓最小化、減少開關(guān)損耗以及影響接通和切斷時間。

出于該目的，在一種優(yōu)選的改進方案中，驅(qū)控單元18被設(shè)立用于，以在至少一個中間水平上的驅(qū)控電壓在接通與最終的切斷之間對根據(jù)圖1的混合式dc功率開關(guān)1的主開關(guān)6的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件、例如igbt開關(guān)7進行驅(qū)控，該中間水平低于在已接通的狀態(tài)期間的提高的驅(qū)控電壓的電壓，但高于針對持續(xù)運行來規(guī)定的最大允許的驅(qū)控電壓。例如，圖4b示出針對例如主開關(guān)6的igbt的有利的關(guān)斷過程，其中首先施加50v的提高的柵極-發(fā)射極電壓vge，并且緊接著切換到高于20v、在此例如30v的提高的柵極電壓上，在此之后最后將-5v的電壓連接到柵極上，以便最終關(guān)斷開關(guān)。此外，分級地切換柵極電壓可以實現(xiàn)減小集電極電流變化速度di/dt和減小電壓上升dvce/dt。如vce在其較陡地上升之前不久的稍微上升的曲線處可看到的那樣，在30v的中間等級還引起igbt更強烈地去飽和，由此，igbt集電極電流和vce的關(guān)斷電壓尖峰都受限。設(shè)置一個或多個用于柵極電壓vge的中間等級支持安全地關(guān)斷即使很高的電流，直至十倍額定運行電流。

為了即使在非常高的集電極電流的情況下也支持安全切斷igbt和因此例如圖1中的主開關(guān)6，還可以采取另外的措施。例如，可以提供具有不同的柵極電阻的用于針對接通和切斷來驅(qū)控柵極的不同的驅(qū)動器級，所述柵極電阻可以根據(jù)負載電流、電壓和溫度而單獨地選擇，以便避免危急的運行狀態(tài)、例如過電壓、過電流和振蕩，與時間相關(guān)地優(yōu)化開關(guān)過程并且減少開關(guān)損耗。此外，可以使用過電壓限制(所謂的有源鉗位)，以便在切斷過程期間通過將集電極-發(fā)射極電壓反饋到igbt的控制輸入端上來減小集電極電流變化速度di/dt以及集電極-發(fā)射極電壓的最大值。此外，可以主動控制或減小集電極電流變化率di/dt，以便例如減小續(xù)流二極管的負載。同樣地，可以控制或減小集電極-發(fā)射極電壓變化速度。通過也持續(xù)減小的柵極-發(fā)射極電壓vge可以實現(xiàn)柔和的關(guān)斷。

有利地，要選擇的驅(qū)控電壓或柵極-發(fā)射極電壓vge可以根據(jù)能預(yù)給定的使用壽命和估計的運行參數(shù)合適地來選擇。已知的是，直至柵極氧化物層擊穿的使用壽命取決于氧化物層上的場強、氧化物層的溫度、半導(dǎo)體面積和從穩(wěn)定狀態(tài)到針對擊穿的被激活的過渡狀態(tài)的焓變化。在此，氧化物層上的場強相應(yīng)于所施加的柵極電壓vge與柵極氧化物層的氧化物厚度之商。計算和仿真已經(jīng)表明，柵極電壓從通常的15v加倍到30v使得使用壽命減小了大約300倍。此外，柵極氧化物層直至擊穿的使用壽命與柵極-發(fā)射極電壓呈指數(shù)關(guān)系。因此，提高的驅(qū)控電壓或柵極-發(fā)射極電壓vge的大小根據(jù)如下因素來選擇：直至在功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7的柵極g與發(fā)射極e之間的柵極氧化物層發(fā)生擊穿的預(yù)給定的整個使用壽命、作為所有預(yù)期的接通過程的估計的接通持續(xù)時間之和的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7的預(yù)期的整個接通持續(xù)時間以及由于預(yù)期的接通過程而估計的使用壽命減少，使得可以以高的概率實現(xiàn)預(yù)給定的使用壽命，而不發(fā)生功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7的損壞。可以在考慮到給定的或設(shè)置的運行條件的情況下評估：在給定的應(yīng)用中繼續(xù)提高柵極-發(fā)射極電壓，例如到+50v上或甚至更高是否可行。

圖5示出另一種實施方式，其中可以極為有效地使用本發(fā)明。示出了具有多個用于產(chǎn)生能量的風(fēng)力發(fā)電機組22的風(fēng)力發(fā)電廠21和高壓直流輸電(hgu)系統(tǒng)23，所述高壓直流輸電系統(tǒng)用于將由風(fēng)力發(fā)電廠21供應(yīng)的能量向后置的交流電網(wǎng)24、例如能量分配網(wǎng)或公共供電網(wǎng)傳輸。如通常已知的，每個風(fēng)力發(fā)電機組22具有轉(zhuǎn)子葉片26，它們將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化成與發(fā)電機27連接的旋轉(zhuǎn)軸的機械能。發(fā)電機27將軸的機械能轉(zhuǎn)化成電能，隨后借助功率電子裝置、例如全功率變流器或變頻器28，和后置的變壓器29將電能轉(zhuǎn)化成適合于饋送到風(fēng)力發(fā)電機組22的共同的匯流排31中的電壓和電流。例如可以是33kv的匯流排電壓可以隨后借助變流變壓器上升變換到例如用于經(jīng)由高壓直流輸電系統(tǒng)23來傳輸?shù)摹?50kv上。

高壓直流輸電系統(tǒng)23基本上具有整流器33，其將變流變壓器32的三相交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，該直流電壓經(jīng)由高壓直流輸電系統(tǒng)23的直流電壓線路36來傳輸。例如，線路36可以在能夠為數(shù)百公里的距離上傳輸300kv或更高的直流電壓。

在為高壓的直流電壓側(cè)上傳輸?shù)墓β释ㄟ^逆變器37轉(zhuǎn)化成交流電壓，其例如是150kv的高壓，該交流電壓可以經(jīng)由變流變壓器38被變換成后置的交流電網(wǎng)24的合適的電壓。

整流器33和逆變器37是在這里必須針對高功率來設(shè)計的變流器。為此，已知多種變流器拓撲結(jié)構(gòu)。圖6中示出合適于此的變流器39的示例性的拓撲結(jié)構(gòu)。

變流器39在這里具有三個相支路41a、41b、41c，它們在變流器39的正的電流排或正的直流電壓端子(“+”)42與負的電流排或負的直流電壓端子(“-”)43之間延伸。雖然在這里示出三個相支路41a至41c，但是易于理解的是，視在相應(yīng)的應(yīng)用或電路環(huán)境中的相的數(shù)量而定地，也可以存在僅唯一一個相支路41或兩個或多于三個相支路。

每個相支路41a至41c具有在圖6中上部的第一支路臂44a和與之連接的下部的第二支路臂44b，它們在定義相應(yīng)相支路41a、41b或41c的相應(yīng)交流電壓端子46a、46b或46c的連接點處彼此連接。在每個相支路41a至41c的每個支路臂44a、44b中分別布置有多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件47(t1至tn)的串聯(lián)電路，這些功率半導(dǎo)體開關(guān)元件共同地針對相應(yīng)的運行電壓和電流來設(shè)計。

并行于相支路41a至41c地設(shè)置有直流電壓中間回路48，其在這里示例性地由直流電壓電容器c49來形成，該直流電壓電容器聯(lián)接在直流電壓端子42、43之間。

如示出的那樣，功率半導(dǎo)體開關(guān)元件47有利地通過igbt形成，它們由驅(qū)控單元51按照根據(jù)預(yù)先確定的調(diào)制方法、例如通過脈寬調(diào)制(pwm)的確定的脈沖模式來驅(qū)控，以便將直流電壓中間回路48上的直流電壓vdc轉(zhuǎn)化成交流電壓端子46a至46c上的在這里三相的交流電壓vac或者相反地轉(zhuǎn)化。利用每個支路臂44a、44b的多個igbt，可以實現(xiàn)具有足夠的阻斷能力的變流器39。

根據(jù)本發(fā)明，驅(qū)控單元51在這里被設(shè)立用于，以柵極-發(fā)射極電壓對相應(yīng)相支路41a至41c的相應(yīng)支路臂44a、44b中的相應(yīng)串聯(lián)電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件47進行驅(qū)控，該柵極-發(fā)射極電壓位于規(guī)定的最大允許的針對功率半導(dǎo)體開關(guān)元件47的驅(qū)控電壓(igbt的柵極-發(fā)射極電壓)以上。在最大允許的柵極-發(fā)射極電壓為20v的情況下，驅(qū)控單元51可以在這里以與在根據(jù)圖1的實施例中類似的方式施加例如30v的或當在使用壽命允許的情況下是50v的柵極-發(fā)射極電壓，以便可以實現(xiàn)更高的集電極電流或支路臂電流，所述集電極電流或支路臂電流可以大于兩倍的額定運行電流并且甚至可以是五倍至十倍的額定運行電流。以這種方式，同樣的變流器可以被用于明顯更高的功率，或者相反地，針對給定的額定運行功率可以減少功率半導(dǎo)體開關(guān)元件47的數(shù)量和減少與之相關(guān)聯(lián)的半導(dǎo)體面積。因此，可以降低針對變流器39和系統(tǒng)的實施成本和運行成本，在該系統(tǒng)中使用諸如根據(jù)圖5的高壓直流輸電系統(tǒng)23。

雖然圖5中示出了用于將風(fēng)力發(fā)電廠21與電網(wǎng)24耦聯(lián)的高壓直流輸電系統(tǒng)23，但是根據(jù)本發(fā)明也可以使用中壓直流系統(tǒng)用于耦聯(lián)風(fēng)力發(fā)電機組或光伏設(shè)備或驅(qū)動器。此外，所使用的變流器不限于圖6中特別示出的變流器結(jié)構(gòu)類型。更確切地說，能使用兩級或多級的變流器的多種拓撲結(jié)構(gòu)。

圖7示出一種可能的修改方案，其可以應(yīng)用于根據(jù)圖6的變流器并且其可以實現(xiàn)有利地充分利用根據(jù)本發(fā)明的將柵極-發(fā)射極電壓提高超過允許的范圍的措施。圖7示出功率半導(dǎo)體模塊52，其可以代替由每個相支路41a至41c的相應(yīng)支路臂44a或44b中的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件47(t1至tn)構(gòu)成的串聯(lián)電路。功率半導(dǎo)體模塊52具有由功率半導(dǎo)體開關(guān)元件53(t1至tn)構(gòu)成的并聯(lián)電路，所述功率半導(dǎo)體開關(guān)元件53彼此并行地聯(lián)接在第一端子54、第二端子56和共同的控制或柵極端子57之間，其中，第一端子54與功率半導(dǎo)體開關(guān)元件53的所有集電極c連接，第二端子56與功率半導(dǎo)體開關(guān)元件53的所有發(fā)射極e連接。功率半導(dǎo)體模塊52可以具有任意數(shù)量的至少兩個彼此并行布置的igbtt1至tn。

如還由圖7得知，在每個igbtt1至tn的柵極電極g與共同的控制或柵極端子57之間分別可以布置有柵極前置電阻。所述電阻58可以被用于使電路平衡，以便引起所有igbtt1至tn通過驅(qū)控單元51可以盡可能同時且均勻地開關(guān)。柵極前置電阻可以與igbtt1至tn53共同布置在半導(dǎo)體芯片上或也可以布置在該芯片之外。

如上文提及的那樣，功率半導(dǎo)體模塊52可以代替相應(yīng)支路臂44a或44b的多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件47的相應(yīng)串聯(lián)電路。因此，igbt的串聯(lián)電路被并聯(lián)電路代替，由此變流器39的每個支路臂44a、44b現(xiàn)在針對更大的電流來設(shè)計。有利地，通過將柵極-發(fā)射極電壓vge提高超過最大允許的根據(jù)規(guī)范的柵極-發(fā)射極電壓，圖7中的每個igbtt1至tn53可以短時負載提高的電流，該電流可以相應(yīng)于兩倍或更多倍、直至十倍的額定電流。因此，變流器可以針對還更高的功率來設(shè)計，或相反地，在給定的功率下，可以減少并聯(lián)的igbtt1至tn53的數(shù)量和減小與之相關(guān)聯(lián)的半導(dǎo)體面積，這降低了實施成本和運行成本。

在又另外的可選的修改方案中，根據(jù)圖7的igbtt1至tn的并聯(lián)電路可以分別代替圖6中的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件47中的單獨一個。因此，每個支路臂44a或44b具有分別由多個并聯(lián)的igbt構(gòu)成的串聯(lián)電路。這樣的變流器39適合于非常高的負載電流和非常高的電壓，其中，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)控在這里可以特別有效地用于減少占地空間、耗費和成本。

圖8示出雙向的子模塊59，其可以作為根據(jù)圖6的變流器39中的另外的選擇來使用，以便實現(xiàn)模塊化多級變流器。子模塊59具有全橋配置，該全橋配置具有：分別具有反并聯(lián)的續(xù)流二極管d1、d2的igbtt1、t2(53)的串聯(lián)電路和具有所屬的反并聯(lián)的續(xù)流二極管d3、d4的igbtt3、t4(53)的第二串聯(lián)電路，其中，兩個串聯(lián)電路彼此聯(lián)接在第一直流電壓節(jié)點61與第二直流電壓節(jié)點62之間。此外，充當儲能器63的電容器c并聯(lián)于兩個串聯(lián)電路。相應(yīng)串聯(lián)電路的igbtt1、t2或t3、t4之間的連接點形成第一和第二交流電壓端子64或66。

電容器c上的直流電壓vdc由于接有續(xù)流二極管d1至d4而始終為正并且可以視測量和應(yīng)用而定地例如在數(shù)百伏特與數(shù)千伏特之間。在子模塊59的ac端子64、66之間的端子電壓vac可以基本上具有值-vdc、+vdc或0。電容器c上的直流電壓vdc可以如已經(jīng)描述的那樣變得更大或更小。原則上，電流可以在兩個方向上流經(jīng)子模塊59。

子模塊59可以代替根據(jù)圖6的變流器39中的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件47的每個，由此實現(xiàn)了模塊化多點變流器。通過模塊化結(jié)構(gòu)方式，變流器能單獨地針對不同的功率和應(yīng)用來擴展。在ac側(cè)和dc側(cè)上的電壓和電流可以以高動態(tài)且很大程度上彼此去耦的方式來控制和調(diào)節(jié)。有利地，通過以超過igbt的最大允許的柵極-發(fā)射極電壓的提高的柵極-發(fā)射極電壓進行短時的驅(qū)控，在這里仍可以繼續(xù)提高功率。相反地，在相同功率下，可以減小變流器39的半導(dǎo)體面積和結(jié)構(gòu)尺寸，這可以實現(xiàn)減少針對實施和運行變流器39的耗費和與之關(guān)聯(lián)的成本的優(yōu)點。為了避免重復(fù)，參考前述的與根據(jù)圖1的混合式dc功率開關(guān)相關(guān)的實施方案，其中，根據(jù)圖6的變流器39在這里形成了在本發(fā)明的意義上用于根據(jù)需要暫時承擔電流的裝置2，該變流器代表任意的整流器(例如圖5中的33)、逆變器(例如圖5中的37)或變頻器(例如圖5中的28)。

此外應(yīng)注意的是，利用根據(jù)本發(fā)明的提高柵極-發(fā)射極電壓的措施原則上應(yīng)該僅在如下應(yīng)用中使用根據(jù)圖6的變流器，在所述應(yīng)用中，變流器僅相對少或短時地使用，使得igbt的柵極氧化物層的直至擊穿的持續(xù)時間不超過期望的使用壽命。但是，變流器適合于很多的僅短時和/或很少使用的驅(qū)動系統(tǒng)。通過本發(fā)明可以明顯減小變流器39的所需的半導(dǎo)體面積、結(jié)構(gòu)尺寸和其重量，這對許多應(yīng)用來說是極其有用的。

由圖5還可看出變流器39的根據(jù)本發(fā)明的另外的應(yīng)用。圖5示出所謂的斬波器-電阻裝置67，其連接在直流電壓線路36之間。斬波器-電阻裝置67用于防止逆變器37的中間回路電容的過電壓。為此，斬波器-電阻裝置67具有由至少一個電阻68和電子開關(guān)69構(gòu)成的串聯(lián)電路，所述至少一個電阻68和電子開關(guān)69布置在并行于逆變器37的線路支路71中。在當前情況下，兩個這樣的由電阻68和電子開關(guān)69構(gòu)成的對相對于接地的中點對稱地布置在高壓直流輸電系統(tǒng)23的直流電壓線路36之間。在交流電網(wǎng)24中出現(xiàn)故障的情況下，脈沖式地、可能反復(fù)地驅(qū)控開關(guān)69，以便導(dǎo)出多余的能量或?qū)⒍嘤嗟哪芰肯脑陔娮?8中，并且因此將逆變器37的中間回路中的直流電壓上升限制到安全的水平上。

每個圖5中僅象征性示出的電子開關(guān)69優(yōu)選通過功率半導(dǎo)體開關(guān)元件(例如類似于根據(jù)圖1的混合式dc功率開關(guān)1的電子主開關(guān)6中或根據(jù)圖6的變流器39中的開關(guān)元件7或47)的串聯(lián)電路來構(gòu)造。由此，可以實現(xiàn)具有所需的尤其用于高壓直流輸電應(yīng)用的阻斷能力的電子開關(guān)69。通過根據(jù)本發(fā)明的針對開關(guān)69的各個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7或47的提高驅(qū)控電壓或柵極-發(fā)射極電壓vge的措施，在這里可以明顯減小斬波器-電阻裝置67的所需的半導(dǎo)體面積和結(jié)構(gòu)尺寸。這樣的用于高壓直流輸電應(yīng)用、諸如用于根據(jù)圖5的高壓直流輸電系統(tǒng)23的斬波器-電阻裝置67可以達到龐大的尺寸。有利地，該結(jié)構(gòu)尺寸可以通過本發(fā)明減小到正常尺寸的一小部分、例如一半或還更小上。

應(yīng)注意的是，斬波器-電阻裝置67并不限于在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用。斬波器-電阻裝置例如也可以用作驅(qū)動系統(tǒng)中的制動斬波器，以便在制動情況下將多余的能量經(jīng)由所聯(lián)接的制動電阻轉(zhuǎn)化成熱能，所述多余的能量以馬達的發(fā)電電流的形式回流到中間回路中。于是，在中間回路電壓到達對于組件來說不允許的大小之前，電子開關(guān)、例如69接通所聯(lián)接的電阻、例如68。只要中間回路電壓又下降并且小于接通電壓但大于電網(wǎng)電壓，開關(guān)69就重新關(guān)斷電阻68。只要電壓再次上升，就重復(fù)該過程。這樣的制動斬波器也相對短時地使用和/或很少使用，使得根據(jù)本發(fā)明的將驅(qū)控電壓提升高于允許的界限的措施在這里也可以有利地使用。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將看得出，除了示出的示例性且特別優(yōu)選的應(yīng)用情況以外，也能看出本發(fā)明的另外的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的串聯(lián)電路和/或并聯(lián)電路在正常運行中相對短時地和/或很少地和/或脈沖式地來驅(qū)控，使得可以實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的用于降低電壓的應(yīng)用。

實現(xiàn)一種用于根據(jù)需要將電流從第一線路支路14、3；36換向到另外的第二線路支路4；41；71的裝置2，該裝置具有多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7；47；53和用于驅(qū)控多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7；47；53的驅(qū)控單元18；51，所述功率半導(dǎo)體開關(guān)元件彼此串聯(lián)和/或并聯(lián)地布置在第二線路支路4；41；71中。驅(qū)控單元18；51被設(shè)立用于，分別將提高的驅(qū)控電壓vge施加到所述多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件7；47；53上，所述提高的驅(qū)控電壓的大小高于針對持續(xù)運行來規(guī)定的最大允許的驅(qū)控電壓，以便導(dǎo)通地連接或保持多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件，并且引起經(jīng)過所述多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的提高的通過電流，該通過電流的電流強度至少相應(yīng)于兩倍的額定運行電流。驅(qū)控單元18；51還被設(shè)立用于，在多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件傳導(dǎo)提高的通過電流期間，在分別設(shè)置的短的接通持續(xù)時間之后通過關(guān)斷驅(qū)控電壓vge又切斷多個功率半導(dǎo)體開關(guān)元件。由此，裝置2可以針對運行中的更高功率來設(shè)計，或在給定的運行功率下可以減小裝置2的半導(dǎo)體面積和結(jié)構(gòu)尺寸。