半導(dǎo)體開關(guān)電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種均用于在高壓直流(HVDC)電力轉(zhuǎn)換器中使用的半導(dǎo)體開關(guān)電路以及半導(dǎo)體開關(guān)串。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，交流(AC)電力通常被轉(zhuǎn)換為經(jīng)由架空線路和/或海底電纜進行傳輸?shù)闹绷?DC)電力。此轉(zhuǎn)換使得不需要補償由傳輸線路或電纜導(dǎo)致的AC電容性負載的影響，并且降低了線路和/或電纜的每公里成本，因此當(dāng)需要長距離傳輸電力時變得具有成本效益。
[0003]HVDC電力轉(zhuǎn)換器用于將AC電力轉(zhuǎn)換為DC電力。諸如晶閘管的半導(dǎo)體開關(guān)元件是HVDC電力轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵組件，并且用作將AC電力轉(zhuǎn)換為DC電力的可控整流器，反之亦然。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用在HVDC電力轉(zhuǎn)換器中的半導(dǎo)體開關(guān)電路，包括:
[0005]主電流支路，包括至少一個主半導(dǎo)體開關(guān)元件，并且當(dāng)所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件被接通時，電流通過所述至少一個主半導(dǎo)體開關(guān)元件在第一方向上流動；以及
[0006]輔助電流支路，與主電流支路并聯(lián)連接，所述輔助電流支路包括至少一個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件，所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件具有與其可操作地連接的控制單元，所述控制單元或每個控制單元被配置為當(dāng)所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件被接通時，在輔助電流支路中接通所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件，以經(jīng)由輔助電流支路選擇性地建立替代電流路徑，由此通過主電流支路在第一方向上流動的電流被轉(zhuǎn)向為通過替代電流路徑流動，以減少緊接著所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件被接通之后流經(jīng)所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件的電流的變化率。
[0007]包括一個或多個控制單元，所述控制單元或每個控制單元被配置為經(jīng)由輔助電流支路建立替代電流路徑，由此流經(jīng)主電流支路的電流被轉(zhuǎn)向為通過替代電流路徑流動，以減少流經(jīng)所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件的電流的變化率，所述控制單元或每個控制單元允許由外部雜散電容(例如，在HVDC電力轉(zhuǎn)換器內(nèi))產(chǎn)生的電流通過替代電流路徑(而不是通過主電流支路以及其中的所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件)被轉(zhuǎn)向，其中電流可以被安全地釋放而不會損壞所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件。因此，這樣的配置避免了對大飽和電感器(或di/dt電抗器)的需求，否則將需要它們來對電流的變化率的較低耐受性進行補償，電流的變化率的較低耐受性是有些主半導(dǎo)體開關(guān)元件(諸如，晶閘管)的固有性能限制。
[0008]此外，由于具有被配置為當(dāng)所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件被接通時，接通所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件，例如被配置為在所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件被接通的同時或在所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件臨接通之前接通所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件的所述控制單元或每個控制單元，所以合乎需要地允許本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)電路當(dāng)這些限制最為嚴重時對在所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件的性能上的固有限制進行補償。
[0009]更具體地，當(dāng)所述元件或每個這樣的元件第一次被接通且暴露于大的電流變化時，本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)電路能夠減少流經(jīng)所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件的電流的變化率。在這點上，所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件最初處于正向偏置條件下，即其最初被斷開但經(jīng)歷正電壓。在這樣的條件下，在收到接通信號后(即當(dāng)其被接通時)，所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件將允許電流通過其流動，因此允許電流通過主電流支路在第一方向上流動。
[0010]優(yōu)選地，所述控制單元或每個控制單元被配置為響應(yīng)于生成用于所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件的接通信號，接通所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件。
[0011]具有這種配置的一個或多個控制單元有助于確保當(dāng)所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件被接通時，所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件始終被接通(以允許安全釋放由外部雜散電容產(chǎn)生的任何電流)，如果例如僅通過一個或多個主半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端的電壓超過給定閾值確定所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件接通，則上述情況可能不會發(fā)生。
[0012]可選地，所述控制單元或每個控制單元還被配置為將所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件斷開，以控制被轉(zhuǎn)向為通過替代電流路徑流動的電流的量。
[0013]這樣的控制是合乎需要的，以便當(dāng)試圖緩解與所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件的固有性能限制相關(guān)的困難時不會產(chǎn)生進一步的問題。
[0014]可選地，所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件為晶體管或包括晶體管。
[0015]晶體管(特別是包含寬帶隙半導(dǎo)體材料的那些晶體管)具有合乎需要的高壓性能特性。此外，有些能夠容許高脈沖電流(即峰值電流)，這在允許本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)電路在正向偏置條件下操作時對主半導(dǎo)體開關(guān)元件的各種進一步的不足進行補償上是有用的。
[0016]所述輔助開關(guān)元件或每個輔助開關(guān)元件還可以為晶閘管或包括晶閘管。
[0017]晶閘管通常具有甚至比晶體管更好的電壓和電流性能特性，因此，它們還特別適合允許本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)電路在正向偏置條件下操作時對主半導(dǎo)體開關(guān)元件的各種性能不足進行補償。
[0018]在這點上，晶閘管通?？梢詫Φ蛯?dǎo)通損耗或高開關(guān)速度進行優(yōu)化，但通常不是同時對二者進行優(yōu)化。因此，包括在所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件中的晶閘管可以對高開關(guān)速度進行優(yōu)化，而所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件可包括根據(jù)其低導(dǎo)通損耗選擇的晶閘管，以允許對這樣的晶閘管都進行優(yōu)化。
[0019]優(yōu)選地，輔助電流支路包括與所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件串聯(lián)連接的限流元件。
[0020]這樣的限流元件有助于例如釋放由任何外部雜散電容產(chǎn)生的電流。
[0021 ]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述控制單元或每個控制單元被配置為接通所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件，以經(jīng)由輔助電流支路選擇性地建立替代電流路徑，由此通過主電流支路在第一方向上流動的電流被轉(zhuǎn)向為通過替代電流路徑流動，以減少所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端出現(xiàn)的電壓變化的速率。
[0022]包括還被配置為減少所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端出現(xiàn)的電壓變化的速率的一個或多個這樣的控制單元允許上述在另外的補救組件(即飽和電感器)的尺寸上的減少，而不會招致許多半導(dǎo)體開關(guān)元件的進一步的固有性能限制，即對電壓的高變化率的敏感度。
[0023]可選地，所述控制單元或每個控制單元被配置為當(dāng)一個或多個主半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端出現(xiàn)的電壓變化的速率超過預(yù)定閾值時，接通所述并聯(lián)連接的輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個并聯(lián)連接的輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件，以減少所述主半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個主半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端出現(xiàn)的電壓變化的速率。
[0024]所述控制單元或每個控制單元的這樣的配置導(dǎo)致替代電流路徑在某個時間點處被建立，這有助于確保主半導(dǎo)體開關(guān)元件不會暴露于不可接受的電壓的高變化率。
[0025]在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，主電流支路包括具有第一連接端子和第二連接端子的單個主半導(dǎo)體開關(guān)元件，并且輔助電流支路被連接在第一連接端子與第二連接端子之間，由此主電流支路和輔助電流支路一起限定半導(dǎo)體開關(guān)組件。
[0026]這樣的布置允許輔助電流支路中的所述輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件或每個輔助半導(dǎo)體開關(guān)元件共享與單個主半導(dǎo)體開關(guān)元件相關(guān)的任何電壓分級電路，和/或與單個主半導(dǎo)體開關(guān)