用于限制电力传输或分配线的电流和/或使其断路的装置中的开关模块的制作方法

专利名称：用于限制电力传输或分配线的电流和/或使其断路的装置中的开关模块的制作方法
用于限制电力传输或分配线的电流和/或使其断路的装置中的开关模块本发明涉及开关模块，其被设置成用于限制流过电力传输或者分配线的电流和/或使该电流断路的装置中，其中，该开关模块包含至少一个功率半导体开关元件、设置成根据开关控制信号来分别接通和关断该至少一个功率半导体开关的栅极(gate)单元以及设置成向栅极单元的电源输入端提供电力的储能电容器。本发明最初源于高压直流(HVDC)断路器和电流限制器的领域，也就是开关装置的领域，其能够限制流过电力传输线的直流和/或使该直流断路，其中该线处于50kV以上的电压电平。然而，本发明还可应用于用于中压直流电力分配的断路器，也就是用于大约IkV和50kV之间的DC电压范围，并且本发明的双向实施例甚至可应用于以任何电压电平用于AC电力传输和分配的断路器。 在EP0867998B1中，描述了一种固态DC断路器，其包括至少一个主功率半导体开关和作为电涌放电器工作的非线性电阻的并联连接。当操作直流断路器以中断直流传输或者分配线中的直流电流时，该至少一个主功率半导体开关将直流电流换向(commutate)到非线性电阻中，然后非线性电阻通过消耗直流线中存储的能量来减小直流电流。在PCT/EP2009/065233中，提出了另一固态直流断路器，与主功率半导体开关和电涌放电器的并联连接并联的该另一固态直流断路器包含机械高速开关和至少一个辅助功率半导体开关的串联连接。在实践中，为了可应用于直流电力传输或者分配系统的电压电平，这样的固态直流断路器需要包含大量的串联连接的主功率半导体开关，这是因为单个功率半导体开关具有相当低的额定电压。在几十万伏的HVDC电压电平的情况下，串联连接的主功率半导体开关的数量能容易地达到几百。关于本发明，直流断路器或者直流电流限制器的主功率半导体开关以及可能存在的辅助功率半导体开关各表示开关模块，也就是，除了一个或者多个功率半导体开关元件夕卜，它们还包括栅极单元和储能电容器。例如，在EP0868014B1中详细描述了这样的开关模块，其中储能电容器经由直流/直流变换器连接到栅极单元的电源输入端。电容器中存储的能量经由该直流/直流变换器转换为栅极单元要求的直流供电电压，以用于其接通和关断至少一个功率半导体开关元件的通常操作。储能电容器自身连接到所谓的高压初级电路，也就是，它连接到与那个特定开关模块的至少一个功率半导体开关元件相同的电路，因而连接到相同的高压电平。每当至少一个功率半导体开关元件处于阻塞状态，也就是，非导通-开关状态，储能电容器就被充电。关于包含主和/或辅助功率半导体开关的直流断路器和直流电流限制器，向开关元件的栅极单元供电的这种已知的方式看起来像是成问题的，这是因为在正常的操作条件下，直流断路器或者直流电流限制器应该长时间地导通，优选的是一年或者更长，而没有对于开关操作的任何需要。因此，它们的功率半导体开关元件的至少一部分是永久地导通的，因此不提供将允许对应的储能电容器的要求的充电或者再充电的阻塞状态。这使得难以确保在功率半导体开关元件被操作的情况下有足够的电力能供给栅极单元。另外，使直流断路器进入操作通常意味着对应的电力传输或者分配线之后从直流电网分离，从而让初级电路处于零电压。因此，仅在当断路器断开时的稀有和短时期期间，直流断路器的开关模块的储能电容器的充电或者再充电是可能的。如果储能电容器的重复和定期的充电不能得到保证，则对应的直流断路器或者直流电流限制器的可靠性显著降低。从中压变换器应用已知一种用于给功率半导体开关的栅极单元提供电力的不同解决方案，其中经由脉冲变压器使用远程供电，也就是，该供电独立于初级电路工作。然而，由于设计和成本原因，该解决方案不能应用于高压电平，这是因为每个脉冲变压器的绝缘需要至少经受住标称直流电压，这对于高压应用意味着几十万伏。在高压直流断路器的情况下，在断开动作期间的过压应力甚至要求几乎两倍直流电压的绝缘水平。本发明的目的在于介绍一种用于直流断路器或者直流电流限制器中的开关模块的解决方案，尤其是应用于HVDC，通过该解决方案，该开关模块的可靠性得到提高，因而直流断路器或者直流电流限制器的可靠性也得到提高。

通过如下开关模块来实现该目的，该开关模块还包括功率转换部件，其被设置成经由光功率信号来接收功率，将光功率信号转换为电功率信号并将该电功率信号提供给储能电容器。根据本发明，通过向储能电容器提供光功率供应，使得栅极单元的供电独立于初级电路中的电压条件。因此，储能电容器的充电和再充电能够以预定的时间间隔定期地发生，以便能总是确保足够的功率可用于栅极单元以在任何时候要求时操作一个或多个对应的功率半导体开关元件。因而，包含这样的开关模块的直流断路器或者直流电流限制器的操作性和可靠性得到显著提高。由于使用经由光纤光缆传送的光功率信号(也就是，光，优选地激光)替代了电功率信号，因此克服了上述的脉冲变压器解决方案的绝缘问题。在本发明的优选实施例中，光功率信号为低于I瓦特的低功率信号。由于与用于较高功率电平的设备相比低功率设备通常以更大的可靠性为特色，所以低功率光功率供应的使用有助于进一步提高开关模块的可靠性。如果使用低功率光功率供应，那么需要采用某些措施以将栅极单元的内部功率需求保持在低水平。实现此的优选方式是将栅极单元执行的功能的数量减小至最小水平。如在介绍中提到的，可应用于直流电力分配和传输系统的中和高压电平的当今的直流断路器或者直流电流限制器需要包含串联连接的相当大数量开关模块。在串联连接中，为了避免对其中一些开关模块的非期望的电压应力(由于不同开关模块的功率半导体开关元件的不同开关特性)，在动态和瞬态过程期间相等电压分配的问题是重要的。已知的栅极单元在高压变换器阀(其中在这些阀中多个功率半导体开关串联连接并且每个功率半导体开关配备有其自身的栅极单元)中执行的功能之一是要确保在动态过程和瞬态过程期间串联连接的开关之间相等的电压分配。根据本发明一优选的实施例，该功能不是由栅极单元而是由RCD缓冲器电路(snubber circuit)来执行,RCD缓冲器电路被包含在开关模块中并与至少一个功率半导体开关元件并联连接。RCD缓冲器电路包括至少一个电阻、至少一个电容器和至少一个二极管。RCD缓冲器在现有技术中是已知的，并且例如在W096/27230中被公开。RCD缓冲器能被设置用于单向开关模块和双向开关模块(参见下文)，其中单向RCD缓冲器包括用于一个电流方向的电容器和二极管的串联连接，二极管与电阻并联，而双向RCD缓冲器另外包括用于另一个电流方向的电容器和二极管的串联连接，二极管再次与电阻并联。在功率半导体开关元件的关断期间，流过开关元件的电流经由缓冲器二极管之一(其对应与该电流方向)换向到至少一个缓冲器电容器中。如上介绍中描述的，直流断路器典型地包含多个串联连接的开关模块的组，这些开关模块一起与作为电涌放电器工作的非线性电阻并联连接。直流电流限制器包含多个这样的组。当操作直流断路器或者直流电流限制器时，这些组的开关模块被同时关断。因此，对于每个组的所有的串联连接的开关模块，发生电流到缓冲器电路中的相同换向。结果，每个组的缓冲器电容器被充电直到每个组的缓冲器电容器电压的总和高到足以使该组的放电器接收(take over)该电流。当这些组开关模块再次接通时，缓冲器电容器经由对应的缓冲器电阻来放电。这导致某些损耗，然而，由于操作动作的很少发生，所述损耗在直流断路器和直流电流限制器的应用中是不重要的。除了相等动态电压分配，RCD缓冲器具有一些另外的优点。由于RCD缓冲器中至少一个电容器的存在，跨越对应的至少一个功率半导体开关元件的电压的上升速率受到限制。因此，各个开关特性(像例如，功率半导体开关元件的各个关断延迟，其在串联连接的 开关模块之间可不同)不再具有意义。另外，受限制的电压上升速率结合下面描述的IGBT或者BIGT模块的并联连接显示了其优点，此外，因为不同的开关延迟不再具有较大的意义，因此消除了损害模块之间的高频振荡的风险。一般而言，能声明的是由于RCD缓冲器，将IGBT或者BIGT模块相互串联和/或并联连接成为可能，而同时不需要提供复杂且功率要求高的栅极单元以处理(takecare of)均勻的电压分配和可能的高频振荡。RCD缓冲器的另一优点是当功率半导体元件被关断时，缓冲器电容器使得电压在零开始，也就是，在零电压处执行开关。结果，在关断期间且因此在直流断路器或者直流电流限制器的操作期间，生成较少的瞬时损耗。降低的损耗允许在达到功率半导体开关元件的热界限之前更高的关断电流和/或更大数量的重复开关事件。在本发明的一另外的实施例中，栅极单元经由H桥连接到功率半导体开关元件的栅极，H桥产生并输出驱动至少一个功率半导体开关元件的栅极所要求的双极性直流电压，其中H桥由单极性直流电压供电并输出对称的双极性直流电压，例如正负15V。根据该实施例，栅极单元能够以单极性直流电压在内部操作，与从EP0868014B1已知的栅极单元相反，其以双极性直流电压且因此以两个内部电源来在内部操作。使用单极性操作直流电压甚至进一步降低栅极单元的内部功率需求，并使其甚至更适于以低的供电电平使用。当使用两个内部电源而不是H桥时，栅极单元能产生非对称的直流电压，例如，+18伏和-5伏。在本发明的另一实施例中，开关模块还包括控制信号检测器，其被设置成从接收的电功率信号分离出电控制信号，并将该电控制信号提供给栅极单元。换句话说，控制信号被并入相同的光信号，该控制信号尤其包含开关控制信号以发起栅极单元接通或者关断至少一个功率半导体开关元件。该光信号也包含功率信号，并且在通过功率转换部件进行的信号转换之后，该控制信号仍然被包含在电功率信号中。这样，消除了对另外的光纤光缆的需要。根据本发明的另一实施例，开关模块的栅极单元被设置成生成关于开关模块的元件中至少一个元件的功能性的状态信息，并且开关模块还包括信号转换部件，其被设置成将该状态信息转换为光信息信号并将该光信息信号发送到中央控制单元。以光学方式发送该状态信息是由于如下事实开关模块在直流断路器或者直流电流限制器应用中被设置在高达几十万伏的高压电平。使用光通信简化了设计并提高了通信系统的可靠性。通过向中央控制单元提供状态信息，中央控制单元单独地处理每个连接的开关模块成为可能，例如，在报告要求进一步调查的可疑状态的情况下，通过送回一控制信号以开始特定的测试例程。中央控制单元可同时生成发起至少一个功率半导体开关装置的接通和关断的、上面提到的控制信号。在直流断路器和直流电流限制器应用中，开关模块的开关能被延迟高达数十微秒，直到有足够数量的开关模块准备好开关，这是因为直流断路器或者直流电流限制器的实际操作与例如变换器应用中所要求的相比需要更少瞬时地发生。因此，能确保的是开关模块尽可能同时被接通或关断。换句话说，通过与中央控制单元交换状态信息，实现中央控制单元和直流断路器或者直流电流限制器的所有开关模块之间的“握手”协议成为可能，其中用该“握手”协议装备(arm)所有的栅极单元并且该“握手”协议同步所有的栅极单元以及发出实际的接通或者关断控制信号(仅当所有或(在冗余情况下)足够的开关模块准备好)。
开关模块的至少一个功率半导体开关元件能是不同的类型和设计，取决于其中将要使用开关模块的直流断路器或者直流电流限制器的操作和成本要求。在下文中，简要描述了一些优选的类型，它们适于用于单向的或者双向的直流断路器或者直流电流限制器中。为了可应用于双向直流断路器或者直流电流限制器，需要使单向功率半导体开关元件加倍(duplicate)，并且该加倍需要被设置用于相反的电流方向，S卩，在与原始的功率半导体开关元件反并联或者反串联的方向上。在至少一个功率半导体开关元件的一个单向类型中，开关元件包括第一模块，第一模块包含一个第一 IGBT或者多个IGBT的第一并联连接以及一个第一二极管或者多个二极管的第一并联连接，其中所述一个或多个二极管与IGBT或者IGBT的并联连接反并联连接。是否使用一个或多个并联连接的IGBT和二极管，取决于要用功率半导体开关元件达到的电流电平，也就是，并联连接的IGBT和二极管的数目越多，额定电流就越高，其中经由相同的栅极单元控制所有的并联连接的IGBT。双向功率半导体开关元件能通过以反并联或者反串联连接而连接适当数目的上述模块来实现，其中在IGBT具有反向阻塞能力的情况下，反并联连接是可能的。换句话说，开关模块然后还包括与第一模块反并联或者反串联连接的至少第二模块，第二模块包含一个第二 IGBT或者多个IGBT的第二并联连接以及一个第二二极管或者多个二极管的第二并联连接，其中所述一个或多个二极管再次与IGBT或者IGBT的并联连接反并联连接。实践中，第一模块和第二模块可基于IGBT和二极管的芯片的不同的物理封装概念。每个模块对应于包含IGBT和对应的反并联二极管的集成的一个单个封装，或者相同电流方向的所有并联连接的IGBT集成在一个封装中，以及相同电流方向的所有并联连接的二极管集成在另一封装中。后面的设计将克服在第一设计方面可能发生的问题。在第一设计中，不同封装的二极管可能源于不同的生产周期，并且因而它们在它们的特性方面可能稍微不同，诸如正向电压降。由于这些二极管具有负温度系数，所以不同的正向电压降可能会引起二极管之间的非期望的电流流动，这可能导致二极管芯片的所谓的热逸散，也就是，由于电流流动导致温度的增加，这甚至进一步增加电流流动。当功率半导体开关元件的相同电流方向的所有并联二极管被集成在相同封装中时(如在第二设计中提议的)，则确保它们的特性尽可能接近彼此来匹配，从而最小化热逸散的风险。在功率半导体开关元件的上述类型的特别的实施例中，二极管为线换向二极管。通常，所谓的快速恢复二极管被用作IGBT的反并联二极管，这是因为它们特别适合于IGBT通常打算用于的快速开关应用。然而，在直流断路器和直流电流限制器的情况下，不要求快速开关动作，以便可替代成使用诸如从标准50HZ整流器应用已知的线换向二极管。由于与快速恢复二极管相比线换向二极管具有较低的电压降，所以上述的第一和第二模块的损耗可被降低。另外，线换向二极管成本更低。在功率半导体开关元件的一备选单向类型中，开关元件包括第一模块，第一模块包含一个第一反向导通IGBT或者多个反向导通IGBT的第一并联连接。在反向导通IGBT中，IGBT和反并联二极管功能直接被集成在一个共同的芯片中。例如，反向导通IGBT在欧洲专利申请09159009. I中被描述，并且也被称为双模式绝缘栅极晶体管(BIGT)。如上提及的，多个这样的IGBT的并联连接提供功率半导体开关元件的更高额定电流。 双向功率半导体开关元件可通过以反串联连接的方式连接两个或者更多的BIGT模块来实现。因此，建议上面的功率半导体开关元件还包括与第一模块以反串联连接方式连接的第二模块，第二模块包含一个第二反向导通IGBT或者多个反向导通IGBT的第二并联连接。BIGT代替分离的IGBT和反并联二极管的使用包括多个优点。一个优点是，集成二极管的正向电压降显示出正温度系数，所以避免了可能的热逸散问题。在基于BIGT的双向直流断路器的特别的实施例中，功率半导体开关元件将各包括两个BIGT的反串联连接，其中两个BIGT垂直地集成在同一个封装中。在典型的双向直流断路器应用中，电流在同一个方向上流动相当长一段时间，这在具有分离的二极管的共同IGBT的情况下意味着双向直流断路器的功率半导体开关元件的硅面积只是部分地被使用。与此相反，由于垂直的集成，双向BIGT封装的娃面积能够被全部利用，导致对于相同的电流额定值，芯片的数量较小，或者导致对于每个封装给定数量的芯片，电流容量增加。第三优点是与在分离的IGBT和二极管的情况下相比较，在BIGT的情况下二极管的功能性能够更容易地被监测。一般说来，为开关模块提供另外的二极管监测部件是有利的，该另外的二极管监测部件被设置成执行一个或多个反并联二极管的阻塞功能性的测试，且其从而能够指示是否功率半导体开关元件中对应的IGBT可用于正常操作。这是被推荐的，这是因为可能在很少情况下发生的是当对应的IGBT处于关断或者非导通状态时，一个或多个反并联二极管击穿，这可能有严重的后果。在快速开关应用中，当对应的IGBT处于非导通状态并且没有主电流正流过二极管时频繁地测试二极管的阻塞功能性是可能的。然而，在直流断路器或者直流电流限制器中，其中IGBT的至少部分被连续地接通，则对于对应的二极管，这不是同样可能的。尽管如此，在直流断路器的断开之前或者直流电流限制器的进入操作之前获得关于有缺陷的二极管的信息是重要的，这是因为这样的有缺陷的二极管可能导致致命的损害。因此，对于包含分离的IGBT和二极管的开关模块，建议提供二极管监测部件，其适于每当对应的IGBT被关断且没有主电流流过将要被监测的一个或多个二极管的时候监测一个或多个二极管的阻塞功能性。换句话说，尽可能经常地执行测试，其中对于一些直流断路器配置，这可意味着只有在维护期间能执行测试，而对于其他配置，诸如在PCT/EP2009/065233中描述的直流断路器，对于没有正在携带(carry)初级电流的那些开关模块，能连续地执行该测试。该测试包括仅在被关断的IGBT的正向上应用小的正测试电压并检查该电压是否被保持或者是否其降低，可能甚至击穿(由于二极管的失效)。如果后者发生，例如通过栅极单元，能生成失效信息，并作为光信息信号将失效信息发送到中央控制单元。结合上述RCD缓冲器，测试反并联二极管的功能性的另一方式成为可能在包含串联连接的多个开关模块的直流电流限制器或者直流断路器中，在直流断路器或者直流电流限制器被接通且电流在正向上流过串联连接的IGBT时，执行该另外的测试。为了测试二极管的功能性，串联连接的IGBT的一个或者多个现在能被主动地(actively)关断一段非常短的时间，优选地几个微秒，直到流过该关断的IGBT的电流已开始转向到对应的RCD缓冲器电路且直到跨越RCD缓冲器的电压已开始稍微上升。一旦检测电压上升，该一个或者多个IGBT再次接通，其中能以简单方式通过检查是否超过预定的电压界限来检测电压上升，其中电压界限处于优选地仅几百伏直到几千伏的相当低的电压电平。如果未能检测到电压上升，则生成失效信息。这样，在没有妨碍直流断路器或者直流电流限制器的操作的情况下， 开关模块中二极管的测试成为可能。从上面变得清楚的是，一般而言，对于具有分离的IGBT和二极管的开关模块配置，难以生成关于二极管的阻塞能力的可靠信息。与此相反，在对应的IGBT的接通和关断状态期间，检测BIGT中的集成二极管功能的失效是可能的。在直流断路器应用中的BIGT的几乎所有操作状态期间，BIGT中正失效或已失效的二极管的可能检测是由于以下事实能够通过对应的IGBT的栅极-发射极电压的明显的恶化或者甚至击穿观察到有缺陷的集成二极管功能。因此，增加的栅极发射极泄漏电流可被用作BIGT的IGBT或者二极管功能的不可逆的损害的指示或者监测。因此，用于包含BIGT的开关模块的所建议二极管监测部件适于在跨越被接通或者关断的反向导通IBGT的栅极-发射极电压击穿的情况下通过生成失效信息来监测反向导通IGBT的一个或多个二极管功能的阻塞功能性。由于在BIGT的接通和关断状态下执行测试的可能性，因此，与用分离的IGBT和二极管的解决方案相比较，存在更多机会以推导出关于BIGT中的二极管功能的阻塞能力的信息，从而显著地提高直流断路器或者直流电流限制器的可靠性。除了上文结合RCD缓冲器讨论的动态电压分配，如果串联连接的开关模块的稳态电压分配保持为尽可能相等以避免对一些模块的电压应力增加，则这也是有利的。根据本发明的另一实施例，因此，建议非线性电压限制电阻与至少一个功率半导体开关元件并联连接。这样的非线性电压限制电阻不仅确保了相等的稳态电压分配，而且还限制了过电压(当串联连接的开关模块的组的放电器从该组的缓冲器电路接收电流时)。在下文中串联连接的开关模块的组的放电器也被称为主放电器。开关模块中的非线性电压限制电阻的另外优势是它允许该模块的缓冲器电容器的尺寸减小，其能够实现不同模块之间的更大电容器公差，并且其简化了主放电器的电流换向路径的机械设计。现将参照随附附图解释本发明及其实施例，其中图I示出了包含设置用于单向应用的功率半导体开关元件的第一基础单元，
图2示出了包含设置用于双向应用的功率半导体开关元件的第二基础单元，图3示出了包含设置用于双向应用的功率半导体开关元件的第三基础单元，图4示出了包含设置用于双向应用的功率半导体开关元件的第四基础单元，图5示出了直流断路器的第一示例，图6示出了直流断路器的第二示例，图7示出了直流电流限制器的一示例，图8示出了开关模块的第一实施例，图9示出了开关模块的第二实施例，


图10示出了开关模块的第三实施例，图11示出了开关模块的第四实施例，图12示出了直流断路器的开关模块和中央控制单元的一布置，图13示出了开关模块的功率半导体开关元件的一布置。图I示出了包含设置用于单向应用的功率半导体开关元件的第一基础单元6a。该功率半导体开关元件为第一电流方向4的IGBT I和与IGBTl反并联的续流ニ极管2。在图2中，能看到第二基础单元6b，其包括第一电流方向4的IGBTl和第二相反电流方向5的IGBT 3的并联连接。因此，第二基础单元6b适合于双向应用。在图3中，示出了第三基础单元6c，其包括第一电流方向的IGBT I和相反的第二电流方向的IGBT 3的串联连接，换句话说，第三基础单元6c为两个IGBT的反串联连接。每个IGBT分别具有反并联连接的续流ニ极管2和7。基础单元6c适合于双向应用。图4中示出了第四基础单元6d。它包括作为功率半导体开关元件的第一电流方向的反向导通IGBT (其也被称为BIGT 8 (双模式绝缘栅极晶体管))和与BIGT 8串联的第二电流方向的反向导通IGBT，称为BIGT 9。因此，BIGT 8和9以反串联的方式连接，意味着第四基础单元6d也适合于双向应用。根据图5中描述的ー示例，基础单元6a_6d可被用于直流断路器14中。直流断路器14适合于中压或者高压应用，并且它与直流电カ分配或者传输线13串联连接。在线13中的初级电流仅仅需要在ー个方向上被中断的情况下，可使用基础单元6a，而在线13中的初级电流需要在两个可能的方向上都被中断的情况下，可使用基础单元6b或者6c或者6d。直流断路器14包括主断路器10以及非线性电阻，主断路器10包含几十个到几百个基础单元6的串联连接-取决于电压电平，非线性电阻也被称为主放电器11并且非线性电阻与主断路器10并联连接。在与直流断路器14串联的情况下，电抗器12被设置用于限制线13中的电流率。在线13的正常操作条件下，基础单元6中的所有IGBT或者BIGT被接通，也就是，直流断路器14正在传导线13的初级电流。在初级电流将要被中断的情况下，例如，如果在线13中已发生故障(fault)，则所有的IGBT或者BIGT将被同时关断，以使初级电流换向到主放电器11，这然后将该电流减小至零。图6中示出了直流断路器17的另ー示例，对于该示例可使用基础单元6a_6d。除了主断路器10和主放电器11之外，还提供了与主断路器10和主放电器11并联连接的辅助断路器16和高速开关15的串联连接。辅助断路器16只包含一个基础単元6。高速开关15为机械开关。在与直流断路器17串联的情况下，电抗器12再次被放置(place)用于限制电流率。
有趣的是，注意到在图5和6的直流断路器配置中使用的基础单元6为类型6b，6c或者6d的双向基础单元的情况下，相同的配置也适合于用作用于交流电カ分配或者传输线的交流断路器。在图7中，示出了用于直流电流限制器18的一示例，其中直流电流限制器18包括多个直流断路器14的串联连接。换句话说，直流电流限制器18包含串联连接的基础单元6的多个组，其中每个组包括与基础单元6并联的主放电器11。直流电流限制器18与电流率限制电抗器12并且与直流电カ分配或者传输线13串联连接。在线13中的初级电流要被限制或者减小的情况下，断开适当数量的直流断路器14，以便对应的非线性电阻可消耗非期望的ー些电能。在其最简化的形式中，直流电流限制器应当包含两个断路器14，在下文中，称为第一断路器和第二断路器。第一断路器的主放电器的保护电平对应于线13的标称直流电压电平。当经过线13的电流要被限制或者减小时，第一断路器将被断开。第二断路器的主放电器的保护电平能被设置为低于线13的标称直流电压电平的值，例如，为标称直流电压的50%。在断开第一断路器之后，也通过断开第二断路器，能将第二断路器用于中断线13中的电流。
參照图8至12，现进一歩解释本发明。为了使直流断路器或者直流电流限制器中的基础单元6被操作，要求所谓的栅极单元，该栅极单元按照由中央控制单元根据线13的状态而生成的控制信号来使得对应的IGBT或者BIGT接通或者关断。因此，直流电流限制器18的直流断路器14或者17的基础单元6实际上不仅仅包含功率半导体开关元件。事实上，每个基础单元6可被开关模块38所替代，其中开关模块38除了其它还包括栅极单元
31。现在将描述开关模块38的不同实施例，其中对于每个实施例，实际所示出的功率半导体开关元件能被属于基础单元6a-6d中的另外合适的ー个基础単元的功率半导体开关元件所替代，也能被它们的进ー步的组合所替代，如下文解释的那样。图8中描述了开关模块的第一实施例38a，以及除了 IGBT I和反并联ニ极管2之夕卜，它还包括连接到IGBT I的栅极的栅极驱动模块的第一实施例30a。栅极驱动模块30a包括以光电ニ极管20形式的功率转换部件、直流/直流变换器22、储能电容器25和栅极单元31。光电ニ极管20被设置成接收光功率信号，以将该光功率信号转换为电功率信号，并将该电功率信号经由直流/直流变换器22提供给储能电容器25，因此从电源对储能电容器25进行充电或者再充电，这独立于电路的状态或者开关条件，该电路也被称为初级电路，其中IGBT I和ニ极管2为一部分。光功率信号因此是低于I瓦特的低功率信号。储能电容器25连接到栅极单元31的电源输入端29，以便向栅极驱动器和监控模块28提供要求的能量以驱动IGBT I的栅极。除了栅极驱动器和监控模块28之外，栅极单元还包括栅极单元控制模块27。栅极单元控制模块27接收来自控制信号检测器23的电控制信号，其中控制信号检测器23被设置成从光电ニ极管20所输出的电功率信号中分离出电控制信号。因此，光电ニ极管20接收的光功率信号还包含光信息信号，该光信息信号在到电信号的转换之后仍然存在。光电ニ极管20经由第一光纤光缆51连接到中央控制单元50(參见图12)。栅极单元控制模块27处理电控制信号并输出所得到的接通命令信号或者关断命令信号到栅极驱动器和监控模块28，栅极驱动器和监控模块28因此使得IGBT I接通或者关断。栅极控制模块27还接收不同的信息，诸如栅极驱动器和监控模块28递送的关于IGBT I的状态的信息和功率监控单元26递送的关于包含在栅极驱动器和监控模块28的电源中的元件的状态的信息，也就是关于储能电容器25和直流/直流变换器22的状态的信息。这些不同的信息由栅极单元控制模块27所处理，并且然后作为状态信息经由信号传送模块24提供给信号转换部件，信号转换部件在该示例中为发光二极管21。发光二极管21经由第二光纤光缆52连接到中央控制单元50(參见图2)，中央控制单元对所接收的状态信息作出反应而调整经由光功率信号发送到光电ニ极管20的控制信号。图9中示出了开关模块的第二实施例38b，其中第二实施例38b包含与第一实施例38a相同的栅极驱动模块30a。此处示出了栅极驱动器和监控模块28的一个细节，其在图8中未示出。从图9能看出栅极驱动器和监控模块28经由H桥连接到至少ー个功率半导体开关元件的栅极并且因此栅极单元31经由H桥连接到至少ー个功率半导体开关元件的栅极，所述至少一个功率半导体开关元件在此为具有反并联ニ极管2的IGBT I，其中H桥由15V的单极性直流电压供电并输出±15V的双极性直流电压。因此，在某种程度上，减小栅极单元31的内部功率需求。
除了第一实施例38a之外，开关模块的第二实施例38b也包含与至少ー个功率半导体开关元件并联的非线性电压限制电阻32以及RCD缓冲器电路，RCD缓冲器电路包括ニ极管33和电容器34的串联连接以及与ニ极管33并联的电阻35，其中RCD缓冲器电路自身也与至少ー个功率半导体开关元件并联。ニ极管33的取向与IGBT I的取向相同。RCD缓冲器电路主要负责多个开关模块38的串联连接中的相等动态电压分布，当用开关模块38替代基础单元6吋，与例如将可应用于直流断路器14和17或者直流电流限制器18的一祥。非线性电压限制电阻32主要确保开关模块38的这样的串联连接中的相等稳态电压分布。在根据附图10的开关模块的第三实施例38c中，除了第一和第二实施例(分别为38a和38b，其一起形成用字母a标记的第一模块、用字母b标记的第二模块)的ー个IGBTI和一个ニ极管2タト，还包括以与第一模块反串联连接的方式来连接第二 IGBT I和第二反并联ニ极管2。因此，开关模块38c能够应用于双向直流断路器或者双向直流电流限制器。如已经描述的，IGBT和ニ极管的另外和备选的组合是可能的。图13中示出一示例，其中第一和第二模块各包含不仅仅一个而是两个并联连接的IGBT Ia或者Ib和分别对应的反并联ニ极管2a或者2b。两个模块的物理封装能以对于每对IGBT和对应的ニ极管ー个封装的形式，或以带有第一电流方向的所有IGBT Ia的第一封装，带有另一第二电流方向的所有IGBT Ib的第二封装，以及也根据它们的电流方向分别带有所有的ニ极管2a和2b的第三和第四封装的形式。通过虚线在图13中描述该后面的封装类型，其提供热逸散风险的显著降低。除了 IGBT和ニ极管的第一和第二模块，开关模块的第三实施例38c还包括栅极驱动模块的第二实施例30b，其中该第二实施例30b包括未被包含在第一实施例30a中的两个另外的単元。该另外的単元之一为ニ极管监测部件37，其任务是监测第一模块中二极管2的阻塞功能性。每当IGBTla或者Ib被关断且当没有主电流流过对应的ニ极管的时候，通过在正向上将正测试电压分别应用到IGBT Ia或者Ib来进行该监测。通过检查该测试电压是否被保持，能够分别识别出正失效(fail)或者已经失效的ニ极管2a或者2b。举直流断路器17的示例，在正常的操作期间能为主断路器10中的ニ极管执行ニ极管监测，这是因为在该时间期间主或者初级电流流过辅助断路器16和高速开关15。
栅极驱动单元的第二实施例30b的其他另外的単元为辅助再充电电路36，除了光功率供应外，该辅助再充电电路还向储能电容器25提供能量(每当可能的时候)，并且该辅助再充电电路从IGBT I和ニ极管2被连接到的初级电路获取其能量。然而，如以上所述，用于从初级电路再充电的时机，也就是，当在直流断路器或者直流电流限制器应用中关断IGBT I时的时机通常是非常少的。这种监测和辅助再充电都由对应的起始信号发起，该起始信号分别从栅极驱动器和监控模块28发送到ニ极管监测部件37和辅助再充电电路36。通过栅极单元控制模块27或者通过辅助再充电电路36自身(在其足够智能以适应于初级电路中的条件的情况下)，这些起始信号能在开关模块中在内部生成，或者它们能以对应的控制信号的形式经由第一光纤光缆51从中央控制单元50 (參见图12)被发送到开关模块，然后经由控制信号检测器23、栅极单元控制模块27和栅极驱动器和监控模块28被分别传送到ニ极管监测部件37和辅助再充电电路36。在图11中，描述了开关模块的第四实施例38d。此处，至少ー个功率半导体开关元件为根据第四基础单元6d的两个反向导通IGBT的反串联连接，或者换句话说，第一电流方向的BIGT 8和第二电流方向的BIGT9的串联连接。因此，该开关模块适于双向应用。非 线性电压限制电阻32再次被设置为与反串联的BIGT 8和9相并联，并且双向RCD缓冲器电路与电阻32并联连接。双向RCD缓冲器电路包含第一ニ极管42和第一电阻40的第一并联连接(其中第一ニ极管42是第一电流方向的)、第二ニ极管45和第二电阻41的第二并联连接(其中第二ニ极管45是第二电流方向的)、在第一和第二并联连接之间且与其串联的共同的电容器46、连接在第二ニ极管45和第一ニ极管42之间且具有从第ニニ极管45的阴极到第一ニ极管42的阴极的方向的第三ニ极管44和连接在第二ニ极管45和第一ニ极管42之间且具有从第ニニ极管45的阳极到第一ニ极管42的阳极的方向的第四ニ极管
43。开关模块的第四实施例38d的栅极驱动模块是第三实施例30c的，包含与第二实施例30b基本相同的元件，只是其中二极管监测部件的功能与图10的ニ极管监测部件37不同，这是因为BIGT8和9的集成ニ极管功能的阻塞功能性是分别与监测BIGT 8和9的IGBT的功能性一起被监测的。在相应的BIGT的IGBT的接通和关断状态期间都执行该监测，而独立于主或者初级电流。如果跨越接通或者关断反向导通IGBT的栅极-发射极电压恶化或者击穿(其通过检测増加的栅极发射极泄漏电流来被检测)，生成失效信息。较早已经提到直流断路器的多个开关模块和中央控制单元50的布置，其中开关模块由栅极驱动单元30、IGBT I和反并联ニ极管2组成。直流断路器还包括主放电器11。直流断路器的开关模块实际上能是如上所述的四种类型38a-38d中的任ー类型，或者是开关模块的主元件的可能实施例的任何其它组合，其中主元件为至少一个功率半导体开关元件、栅极驱动单元、可选的RCD缓冲器电路和可选的非线性电压限制电阻。如在图12中能看出，在中央控制单元50和每个栅极驱动単元30之间，设置了两个光纤光缆51和52，其中第一光纤光缆51被用来将光功率信号从中央控制单兀50传送到相应的栅极驱动单兀30,且其中光功率信号此外还包括一个或者多个控制信号。第二光纤光缆52被用于以光信息信号形式的状态信息从栅极驱动单元30到中央控制单元50的传送。
权利要求
1.一种开关模块(38)，设置成用于限制流过电力传输或者分配线(13)的电流和/或使流过电力传输或者分配线(13)的电流断路的装置(14，17，18)中，所述模块包括 至少一个功率半导体开关元件(1，2 ;8，9)， 栅极单元(31)，其被设置成根据开关控制信号分别接通和关断所述至少一个功率半导体开关元件，和 储能电容器(25)，其被设置成向所述栅极单元的电源输入端(29)提供电力，其特征在于， 所述开关模块还包括功率转换部件(20)，其被设置成接收光功率信号，将所述光功率信号转换为电功率信号，并将所述电功率信号提供给所述储能电容器。
2.如权利要求I所述的开关模块(38)，其中所述光功率信号为小于I瓦特的低功率信号。
3.如权利要求I或2所述的开关模块(38)，还包括与所述至少一个功率半导体开关元件并联连接的RCD缓冲器电路，其中所述RCD缓冲器电路包括至少一个电阻(35 ；40,41)、至少一个电容器(34 ；46)和至少一个二极管(33 ;42，45)，所述二极管和所述电容器相互串联连接并且所述电阻与所述二极管并联连接。
4.如权利要求1-3的任一权利要求所述的开关模块(38)，其中所述栅极单元(31)经由H桥连接到所述至少一个功率半导体开关元件(1，2;8，9)的栅极，其中所述H桥由单极性直流电压供电并输出双极性直流电压。
5.如权利要求1-4的任一权利要求所述的开关模块(38)，还包括控制信号检测器(23)，其被设置成从接收的电功率信号中分离出电控制信号并将该电控制信号提供给所述栅极单元(31)。
6.如权利要求5所述的开关模块(38)，其中所述栅极单元(31)被设置成生成关于所述开关模块的元件中的至少一个元件的功能性的状态信息，并且其中所述开关模块还包括信号转换部件(21)，其被设置成将状态信息转换为光信息信号并将该光信息信号发送至中央控制单元(50)。
7.如权利要求1-6的任一权利要求所述的开关模块(38)，包括作为所述至少一个功率半导体开关元件的第一模块，所述第一模块包含一个第一 IGBT(I)或者多个IGBT的第一并联连接(Ia)和一个第一二极管(2)或者多个二极管的第一并联连接(Ib)，其中所述一个或多个二极管与所述IGBT或者IGBT的并联连接反并联连接。
8.如权利要求7所述的开关模块(38)，还包括与所述第一模块反并联或者反串联连接的第二模块，所述第二模块包含一个第二 IGBT或者多个IGBT的第二并联连接(Ib)和一个第二二极管或者多个二极管的第二并联连接(2b)，其中所述一个或多个二极管与所述IGBT或者与IGBT的并联连接(Ib)反并联连接。
9.如权利要求7或8所述的开关模块(38)，其中所述二极管为线换向二极管。
10.如权利要求1-6的任一权利要求所述的开关模块(38)，包括作为所述至少一个功率半导体开关元件的第一模块，所述第一模块包含一个第一反向导通IGBT(S)或者多个反向导通IGBT的第一并联连接。
11.如权利要求10所述的开关模块(38)，还包括与所述第一模块反串联连接的第二模块，所述第二模块包含一个第二反向导通IGBT (9)或者多个反向导通IGBT的第二并联连接。
12.如权利要求11所述的开关模块(38)，其中所述第一和第二模块集成在一个单个的半导体封装中，并且其中所述封装装备有一个共同的栅极端子和一个共同的发射极端子，所述端子分别连接到所述封装中的所有反向导通IGBT(S)的栅极和发射极。
13.如权利要求7-12的任一权利要求所述的开关模块(38)，还包括二极管监测部件(37)，所述二极管监测部件适于分别监测第一和/或第二模块中的所述二极管或二极管功能的阻塞功能性。
14.如权利要求13和权利要求7-9的任一权利要求所述的开关模块(38)，其中所述二极管监测部件(37)适于每当对应的IGBT(I)被关断且没有主电流流过将要被监测的所述一个或多个二极管(2)的时候，监测所述一个或多个二极管(2)的阻塞功能性，其中在监测期间，将正测试电压应用到所述IGBT的正向，并且在所述测试电压未被保持的情况下，生成失效息。 ·16.如权利要求3和13以及权利要求7-9的任一权利要求所述的开关模块(38)，其中所述开关模块(38)与直流断路器(14，17)中或者直流电流限制器(18)中的至少一个另外的开关模块串联连接，并且其中所述二极管监测部件(37)适于当所述直流断路器或者直流电流限制器被接通时且当电流在正向上流过所述开关模块和所述至少一个另外的开关模块的IGBT时，通过主动地关断所述开关模块(38) —段短的时间，且然后再次将它接通，以及通过如果跨越所述对应的RCD缓冲器电路的电压在所述一段短的时间内未超过预定的电压界限则生成失效信息，来监测所述开关模块(38)中的所述一个或多个二极管(2)的阻塞功能性。
15.如权利要求13以及权利要求10-12的任一权利要求所述的开关模块(38)，其中所述二极管监测部件(37)适于与所述对应的IGBT自身的功能性的监测一起，通过在跨越接通的或者关断的反向导通IGBT的栅极-发射极电压恶化或者击穿的情况下生成失效信息，监测所述反向导通IGBT(8，9)的所述一个二极管功能或多个二极管功能的阻塞功能性。
16.如权利要求15所述的开关模块(38)，其中通过检测所述反向导通IGBT(8，9)的增加的栅极发射极泄漏电流来检测所述栅极-发射极电压的恶化或者击穿。
17.如权利要求1-16的任一权利要求所述的开关模块(38)，还包括与所述至少一个功率半导体开关元件并联的非线性电压限制电阻(32)。
18.如权利要求1-17的任一权利要求所述的开关模块(38)，还包括辅助再充电电路(36)，其适于接收来自所述至少一个功率半导体开关元件连接到的初级电路的电能并将所述电能提供给所述储能电容器(25)。
全文摘要
一种开关模块(38)，打算用于中或者高压直流断路器或者直流电流限制器中，包括至少一个功率半导体开关元件(1，2)，被设置成根据开关控制信号分别接通和关断该至少一个功率半导体开关元件的栅极单元(31)，和被设置成向栅极单元的电源输入端(29)提供电力的储能电容器(25)。该开关模块还包括功率转换部件(20)，其被设置成接收光功率信号，将该光功率信号转换为电功率信号，并将该电功率信号提供给所述储能电容器(25)。
文档编号H03K17/18GK102823121SQ201080063090
公开日2012年12月12日 申请日期2010年2月3日 优先权日2010年2月3日
发明者J·赫夫纳, P·伦德贝格, R·西尔耶斯特伦, U·施拉普巴赫, B·比尔彦加 申请人:Abb技术有限公司