[发明专利]半导体开关串

说明书

技术领域

本发明涉及用在电力变换器、诸如高压直流(HVDC)电力变换器中的半导体开关串。

背景技术

在电力传输网络中，交流(AC)电通常转换成直流(DC)电以经由架空线和/或海底电缆传输。这种转换消除了补偿由传输线或电缆施加的AC电容性负载效应的必要，降低了线路和/或电缆的每千米的成本，因此在需要通过远距离传输电力时是成本-有效的。

使用电力变换器将AC电转换成DC电。半导体开关元件、诸如晶闸管是电力变换器的关键部件，其充当受控整流器以将AC电转换成DC电，反之亦然。

尽管这些半导体开关元件具有非常高的击穿电压，能够承载大电流负载，但即便相同批次的半导体开关元件也呈现出不同的性能特性。这在例如其中包括半导体开关元件的电力变换器的操作中产生困难。

此外，许多半导体开关元件其性能具有固有的局限性，这需要在例如电力变换器内包括大的、重的、难以设计的补救部件，以补偿这些缺点。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用在电力变换器中的半导体开关串，包括：

多个串联连接的半导体开关组件，每个半导体开关组件具有主半导体开关元件，所述主半导体开关元件包括第一连接端子和第二连接端子，当所述主半导体开关元件接通时，电流在所述第一连接端子和第二连接端子之间从所述第一端子向所述第二端子流动，所述主半导体开关元件具有电连接在其所述第一连接端子和第二连接端子之间的辅助半导体开关元件；

本地控制单元，所述本地控制单元与每个辅助半导体开关元件操作连接，所述或每个本地控制单元被编程以控制各自的辅助半导体开关元件的开关，从而在与其关联的所述第一连接端子和第二连接端子之间选择性产生替代性电流路径，由此电流被转向通过所述替代性电流路径流动，以降低对应的主半导体开关元件两端的电压，所述或每个本地控制单元被这样编程以选择性控制各自的辅助半导体开关元件在完全导通模式中以及在脉冲开关模式和有源模式的一个或两个中的开关，在完全导通模式中，所述辅助半导体开关元件以其最大额定基极电流或门极电压操作，在脉冲开关模式中，所述辅助半导体开关元件被接通和关断，在有源模式中，所述辅助半导体开关元件以连续可变的基极电流或门极电压操作；以及

较高级控制单元，所述较高级控制单元设置成与所述或每个本地控制单元通信，并被编程以选择性执行：

(i)基于第一模型的控制方法，从而经由所述或每个本地控制单元共同操作每个辅助半导体开关元件处于所述完全导通模式；以及

(ii)基于第二有源控制的控制方法，从而经由所述或每个本地控制单元选择性和共同操作每个辅助半导体开关元件处于所述脉冲开关模式和所述有源模式的一个或两个。

被编程以执行基于第一模型的控制方法的较高级控制单元能够快速动作，并且不需要例如关于每个主半导体开关元件的操作状态的反馈，还能够在每个辅助半导体开关元件处于其完全导通模式的操作期间，很好地应对此需要，以在非常短的时间段(例如通常是几毫秒)中接通和关断每个这种辅助半导体开关元件。

同时，基于模型的控制方法的执行还理想地允许本发明的半导体串正在其中操作的直接环境(例如，电力变换器中的变换器分支的分支部分)被纳入考虑，以便使例如分支部分的操作稳定，由此帮助确保电力变换器中的剩余分支部分的操作也保持稳定。

同时，被编程以执行基于第二有源的控制方法的较高级控制单元能够在关于每个主半导体开关元件的状态的反馈的基础上作用，以经由对应的辅助半导体开关元件处于脉冲开关模式和有源模式的一个或两个的操作，迅速、有效地降低各自的主半导体开关元件的状态的任何偏差。

优选地，使所述较高级控制单元编程为选择性执行基于第一模型的控制方法包括使所述较高级控制单元编程为确定每个主半导体开关元件何时关断，并且一旦各自的主半导体开关元件关断，之后操作所述对应的辅助半导体开关元件在第一时间段内处于其完全导通模式。

这种配置有助于确保仅在长度足以抵消在对应的主半导体开关元件关断时其电压过冲的时间内，每个辅助半导体开关元件操作处于其完全导通模式。

辅助半导体开关元件的操作的关联协调有助于保持主半导体开关元件位于其中的半导体开关串的稳定操作。

可选地，使所述较高级控制单元编程为确定每个主半导体开关元件何时关断包括通过将给定的主半导体开关元件两端的电压与相邻的主半导体开关元件两端的电压相比较，检测给定的主半导体开关元件何时关断。