[发明专利]开关设备

说明书

一种开关设备（30），包括：多个并联连接的导电支路（32），每个导电支路（32）包含至少一个相应的气管开关（34）；以及配置成按开关顺序控制气管开关（34）的开启使得开关设备（30）中的电流的流动被控制成在导电支路（32）之间切换的开关控制单元（100），其中安排气管开关（34）的开启的开关顺序使得在开关设备（30）的每个开启循环期间，导电支路（32）中的仅一个正在承载电流。

技术领域

本发明涉及一种开关设备并且涉及一种操作开关设备的方法，优选地用于在高压直流（HVDC）应用中使用。

背景技术

已知的是，使用包括并联连接的多个开关的开关设备。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种开关设备，包括：多个并联连接的导电支路，每个导电支路包含至少一个相应的气管（gas tube）开关；以及开关控制单元，其配置成按开关顺序控制气管开关的开启使得开关设备中的电流的流动被控制成在导电支路之间开关，其中安排气管开关的开启的开关顺序使得在开关设备的每个开启循环期间只有一个导电支路正在承载电流。

将理解的是，在本发明的开关设备中，每个导电支路可包含单个气管开关或多个气管开关（例如，多个串联连接的气管开关）。

本发明的开关设备中的导电支路的并联连接通过提供代替单个气管开关的多个气管开关来改进基于“气管开关”的开关设备的可靠性。

另外，因为以下原因，根据本发明按开关顺序开启气管开关以防止在开关设备的每个开启循环期间多个导电支路中的同时流动是有利的。

在基于并联连接的功率半导体开关的常规开关设备中，一次一个地开启每个功率半导体开关比同时开启所有功率半导体开关会导致更高的损耗。因此，为了降低损耗，采用同时开启所有功率半导体开关的后者开关手段是合乎期望的。

另外，与比同时开启所有功率半导体开关相比，每次一个地开启每个功率半导体开关会增大功率半导体开关的温度波动和峰值温度。图1示出当一次一个地开启并联连接的功率半导体开关时，温度波动和峰值温度的变化（如由曲线（graph line）20所指示），以及当同时都开启相同的并联连接的功率半导体开关时，温度波动和峰值温度的变化（如由曲线22所指示）。对于诸如IGBT的功率半导体开关，更高的峰值温度和更高的温度波动都将是不可接受的，因为功率半导体开关被装在小并且由脆弱的引线结合（wire bond）连接的芯片中，当受到热循环时，引线结合容易疲劳（fatigue）。因此，这提供了控制并联连接的功率半导体开关同时都开启而不是一次开启一个的另一原因。

另一方面，发明人已发现（由于气管开关的负斜率电阻）一次一个地开启多个并联连接的气管开关比同时开启所有气管开关会导致更低的损耗。因此，为了降低损耗，采用一次一个地开启并联连接的气管开关的前者的开关手段是合乎期望的，鉴于由同时开启所有并联连接的半导体功率开关的常规开关手段实现的损耗的已知降低，这是反常的。

尽管当与同时开启所有气体开关相比时，一次一个地开启多个并联连接的气管开关增大气管开关的温度波动和峰值温度，但气管开关的配置（例如，它们相对大的、金属的阴极）使得它们容易经受住此类温度条件。由此，产生的气管开关的温度波动和峰值温度的增大不能阻止采用一次一个地开启并联连接的气管开关的开关手段。

此外，将开关控制单元配置成同时开启气管开关以在导电电流支路中提供电流的同时流动将通常要求在并联连接的导电支路之间的电流的共享以便提供可靠的开关设备。

在基于并联连接的功率半导体开关的常规开关设备中，功率半导体开关的正斜率电阻使得在并联连接的功率半导体开关之间共享的电流在一定程度上自然发生，特别是当温度系数为正时。图2示出在并联连接的功率半导体开关（其分别被称作器件1和器件2）之间共享的稳定电流，其中在其电压-电流特性之间存在稳定的交叉点。另外，对于某些类型的功率半导体开关，可采用栅极控制来控制并联连接的功率半导体开关的状态，以便重新平衡流过并联连接的功率半导体开关的电流。