开关设备的制作方法

已知使用包括并联连接的多个开关的开关设备。

根据本发明的一方面，提供有一种开关设备，所述开关设备包括多个并联连接的电流传导支路，每个电流传导支路包括至少一个相应的气体管开关，其中所述开关设备还包括电气电路，所述电气电路包括至少一个开关元件，所述至少一个开关元件被配置成可操作以选择性地综合（synthesise）与所述气体管开关中的一个或多个串联的电压差或相应的电压差，以便控制所述电流传导支路之间的电流的分布。

将理解到，在本发明的开关设备中，每个电流传导支路可以包括单个气体管开关或多个气体管开关（例如，多个串联连接的气体管开关）。

取决于开关应用，给定的气体管开关的电流额定值可能太低而无法满足开关应用的电流额定值要求。本发明的开关设备中的电流传导支路的并联连接为基于“气体管开关”的开关设备提供比单独气体管开关的电流额定值更高的组合电流额定值，并且由此能够实现在具有更高电流额定值要求的开关应用中使用气体管开关。

为了提供可靠的开关设备，有必要控制并联连接的电流传导支路之间的电流的共享。

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并联连接的功率半导体开关之间的电流共享在一定程度上自然发生，特别是如果温度系数为正的话。图1图示了在并联连接的功率半导体开关（它们分别称为器件1和器件2）之间的稳定电流共享，其中在它们的电压-电流特性之间存在稳定的交叉点。此外，对于某些类型的功率半导体开关，能采用门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。

另一方面，在基于并联连接的气体管开关的开关设备中，不可能在并联连接的气体管开关之间获得电流的稳定共享。这是因为，如图示了在并联连接的气体管开关之间的不稳定电流共享的图2中所示的，稳定的操作点是当所有电流流过气体管开关之一而零电流流过另一个气体管开关时。这是因为气体管开关的负斜率电阻使得在气体管开关的电压-电流特性之间的不稳定的交叉点的任一侧上存在电流仅流过气体管开关中的一个或另一个的趋势。而且，由于气体管开关仅具有全开和全关状态的事实，将不可能通过开关控制来重新平衡流过并联连接的气体管开关的电流。

在本发明的开关设备中包括电气电路能够实现在基于气体管开关的电流传导支路之间的电流的稳定共享。更特别地，所述或每个开关元件用来综合与气体管开关中的一个或多个串联的所述或相应电压差的操作控制所述或每个对应电流传导支路中的电流的流动，这又能够实现所有电流传导支路之间的电流的分布的控制。优选地，对电流传导支路之间的电流的分布的控制涉及电流传导支路之间的电流的分布的平衡。

因此，本发明的开关设备的配置提供了一种控制电流传导支路之间的电流的分布的方式，从而有益地改进了基于“气体管开关”的开关设备的可靠性。

电气电路及其（一个或多个）开关元件在配置上可以变化，以便能够实现与气体管开关中的一个或多个串联的所述或相应电压差的综合，以便控制电流传导支路之间的电流的分布。

在本发明的实施例中，电气电路可以包括多个电子开关元件，每个电子开关元件连接在所述电流传导支路中的相应一个电流传导支路中，每个电子开关元件与所述或每个相应的气体管开关串联连接，每个电子开关元件被配置成用作限流二极管。

在每个电流传导支路中包括限流二极管提供了综合与每个气体管开关串联的相应电压差的被动机制。将每个电子开关元件配置为限流二极管允许流过相应的电流传导支路和流过（一个或多个）相应的气体管开关的电流上升直到特定的电流电平，在该点它开始趋向平稳。这具有将流过相应电流传导支路的电流限制到最大电平的效果。

每个电子开关元件可以在配置上变化，以便用作限流二极管（其在本领域中也称为“恒流二极管”或“电流调节二极管”）。

每个电子开关元件可以被配置成具有非线性电压-电流特性。非线性电压-电流特性的使用提供了将每个电子开关元件配置成用作限流二极管的可靠方式。

每个电子开关元件可以包括至少一个固态开关器件。使用固态开关器件来将电子开关元件配置为限流二极管提供了一种综合与每个气体管开关串联的相应电压差的紧凑机制。

每个固态开关器件可以是结型场效应晶体管（JFET）。JFET的结构也提供了将每个电子开关元件配置成用作限流二极管的可靠方式。

在本发明的另外实施例中，电气电路可以包括至少一个电压源和开关控制单元，所述开关控制单元被配置成控制所述或每个开关元件的切换，以选择性地将所述或每个电压源接入所述电流传导支路中的一个或多个中的或与所述电流传导支路中的一个或多个一起的电路，以便综合与所述气体管开关中的一个或多个串联的所述或相应电压差。

在电气电路中包括所述或每个电压源和开关控制单元提供了综合与气体管开关中的一个或多个串联的所述或相应电压差的主动机制。对所述或每个开关元件的切换的主动控制可以结合在电流传导支路中流动的电流的监测和测量来执行。

在采用使用至少一个电压源的本发明的另外实施例中，电气电路可以包括电流流动控制器，该电流流动控制器包括：

多个端子，其连接到所述多个电流传导支路，使得每个电流传导支路连接到所述多个端子中的至少一个；以及

电流流动控制单元，其互连所述多个端子，所述电流流动控制单元包括所述或每个开关元件和所述或每个电压源，

其中所述开关控制单元被配置成控制所述或每个开关元件的切换，以选择性地将所述或每个电压源接入所述电流传导支路中的一个或多个中的或与所述电流传导支路中的一个或多个一起的电路，以便综合与所述气体管开关中的一个或多个串联的所述或相应电压差，以便同时控制所述电流传导支路之间的电流的分布并经由所述电流流动控制单元将能量从至少一个电流传导支路转移到至少一个其它电流传导支路中。

在电流流过开关设备期间，与至少一个其它电流传导支路相比，至少一个电流传导支路可以携带更高的电流。

与气体管开关中的一个或多个串联的所述或相应电压差的综合或者产生正电阻效应或者产生负电阻效应，在该正电阻效应中，所述或相应电压差相反，并且由此降低了对应电流传导支路中的电流，在该负电阻效应中，所述或相应电压差有助于对应电流传导支路中的电流的增大。

多个端子经由电流流动控制单元的互连准许能量经由电流流动控制单元在电流传导支路之间传递。从而，在多个电流传导支路之间的电流的分布的控制期间，能量从正经历电流流动的降低的至少一个电流传导支路中移除，并且该能量经由电流流动控制单元被转移到正经历电流流动的增大的至少一个其它电流传导支路中。

取决于开关设备的电流共享要求，电流流动控制单元可以用于将能量从单个电流传导支路转移到单个其它电流传导支路，从单个电流传导支路转移到多个其它电流传导支路，从多个电流传导支路转移到单个其它电流传导支路，或者从多个电流传导支路转移到多个其它电流传导支路。

在本发明的此类实施例中，电流流动控制单元的所述或每个开关元件可以被配置成可操作以在至少一个电流传导支路和至少一个其它电流传导支路之间选择性地建立通过所述电流流动控制单元的电流路径，并且其中所述开关控制单元可以被配置成控制所述或每个开关元件的切换，以选择性地建立通过电流流动控制单元的电流路径，并且选择性地将所述或每个电压源接入电流传导支路中的一个或多个中的或与电流传导支路中的一个或多个一起的电路，以便综合与气体管开关中的一个或多个串联的所述或相应电压差，并且由此将电流通过所述电流路径从至少一个电流传导支路转移到至少一个其它电流传导支路，以便同时控制在电流传导支路之间的电流的分布并经由电流路径将能量从至少一个电流传导支路转移到至少一个其它电流传导支路中。

用来建立通过电流流动控制单元的电流路径的能力能够实现在电流传导支路之间的能量的转移。

电流流动控制单元可以包括多个电流流动控制子单元。每个电流流动控制子单元可以连接到电流传导支路中的相应支路。每个电流流动控制子单元可以包括至少一个开关元件。每个电流流动控制子单元的所述或每个开关元件可以连接到公共电压源。在本发明的优选实施例中，电气电路可以包括单个电压源。

与具有多个电压源的开关设备相比，使用公共电压源来能够实现与气体管开关中的一个或多个串联的所述或相应电压差的综合导致了更紧凑的开关设备。

所述或每个电压源可以包括至少一个能量存储装置，所述或每个能量存储装置被配置成能够存储和释放能量以选择性地提供电压。例如，所述或每个能量存储装置可以包括至少一个电容器、至少一个燃料电池和/或至少一个电池。

应当理解，本发明的开关设备可以被用在广泛的开关应用中。

在本发明的优选实施例中，开关设备可以被配置成供HVDC应用使用。在此类实施例中，开关设备的电流传导支路的数量可以被配置成使得开关设备具有适合于HVDC应用的电流额定值。

本发明的开关设备的用来控制电流传导支路之间的电流的分布的能力改进了气体管开关与HVDC应用的高电流额定值要求的兼容性。

现在将参考附图，通过非限制性示例描述本发明的优选实施例，附图中：

图1图示了并联连接的半导体开关的电流共享特性；

图2图示了并联连接的气体管开关的电流共享特性；

图3示意性示出了根据本发明的第一实施例的开关设备；

图4图示了限流二极管连接中的JFET的非线性电压-电流特性，在限流二极管连接中，源极和栅极连接在一起；

图5图示了作为图3的开关设备中的限流二极管的JFET的操作；

图6示意性示出了根据本发明的第二实施例的开关设备；以及

图7示意性示出了根据本发明的第三实施例的开关设备。

本发明的以下实施例主要用于HVDC应用中，但是应当理解，本发明的以下实施例在作必要的修改后可应用于其它开关应用。

根据本发明的第一实施例的开关设备在图3中示出，并且一般由参考数字30标示。

开关设备30包括多个并联连接的电流传导支路32。每个电流传导支路32包括相应气体管开关34。每个气体管开关34包括包围可电离气体的室，并被配置成生成电离气体的等离子体，以促进通过气体管开关34的受控电流流动。在所示的实施例中，存在四个电流传导支路32，但是应当理解，开关设备30的电流传导支路32的数量可以变化。

开关设备30还包括电气电路，该电气电路包括多个电子开关元件。每个电子开关元件被连接在电流传导支路32中的相应一个电流传导支路中。

图4图示了限流二极管连接中的JFET 36的一般非线性电压-电流特性。

每个电子开关元件采取JFET 36的形式，该JFET 36与相应的气体管开关34串联连接并与其恒流连接。在每个JFET 36中，JFET 36的源极和栅极永久连接。JFET 36的源极和栅极之间的连接可以借助于低阻抗或零阻抗来实现。然而，在其它实施例中，设想JFET 36的源极和栅极之间的连接可以借助于受控电阻阻抗来实现。

永久地连接JFET 36的源极和栅极导致在电流和电压的一个方向上表现出非线性电阻和限流功能的限流二极管的形成。这是因为器件耗尽层变宽以夹断（pinch off）电流，而在电流和电压的相反方向上，器件耗尽层收缩，这具有降低阻抗和改进电流的效果。

每个JFET 36的前述非线性电压-电流特性使得每个JFET 36对电流的电阻随电压非线性增大，直到达到夹断电压38，在这一点，流过每个JFET 36的电流开始趋向平稳。这具有将流过JFET 36的电流限制到最大电平的效果。以这种方式，每个JFET 36被配置成用作限流二极管。

应当理解，如图4中所示的限流二极管连接中的JFET 36的一般非线性电压-电流特性旨在帮助说明JFET 36作为限流二极管的功能，但是由于栅极连接到栅极驱动器，限流二极管连接中的JFET 36的使用中非线性电压-电流特性可能比图4中所示的更复杂。

每个JFET 36的用来用作限流二极管的能力使它能够被动地综合与每个气体管开关34串联的相应电压差。如图5中所图示，给定的电流传导支路32中的JFET 36和气体管开关34的恒流和串联连接意味着，与气体管开关34的正常电压-电流特性（如通过实线42所指示）对照，与气体管开关34串联的电压差的综合具有限制流过电流传导支路32的电流的最大电平的效果（如通过虚线40所指示），其中最大电平由JFET 36的电压-电流特性来设置。

通过将每个JFET 36配置成用作限流二极管，以被动地综合与每个气体管开关34串联的相应电压差，变得有可能以能够实现所有电流传导支路32之间的电流I的分布的平衡的方式来控制每个电流传导支路32中的电流的流动。

因此，图3的开关设备30的配置提供了一种基于气体管开关34而提供在电流传导支路32之间的电流I的稳定共享的方式。

可以设想，在本发明的其它实施例中，每个JFET 36可以由多个JFET 36（优选为多个并联连接的JFET 36）替换。还可以设想，在本发明的其它实施例中，每个JFET 36可以由另一种类型的固态开关器件替换，该固态开关器件能够实现将每个电子开关元件配置为限流二极管。

根据本发明的第二实施例的开关设备在图6中示出，并且一般由参考数字130标示。

开关设备130包括多个并联连接的电流传导支路32。每个电流传导支路32包括相应气体管开关34。每个气体管开关34包括包围可电离气体的室，并被配置成生成电离气体的等离子体，以促进通过气体管开关34的受控电流流动。在所示的实施例中，存在四个电流传导支路32，但是应当理解，开关设备130的电流传导支路32的数量可以变化。

开关设备130还包括电气电路，该电气电路包括电流流动控制器和开关控制单元100。

电流流动控制器包括电流流动控制单元和多个端子。

在所示的实施例中，多个端子限定四对端子，每个端子被连接在电流传导支路32中的相应的一个电流传导支路中。

电流流动控制单元包括四个电流流动控制子单元44。每个电流流动控制子单元44包括以全桥布置与相应电容器并联连接的两对开关元件。

电流流动控制单元的每个开关元件由以绝缘栅双极晶体管（IGBT）形式的半导体器件构成。每个开关元件还包括与之并联连接的反并联二极管。

在本发明的其它实施例中（未示出），可以设想，电流流动控制单元的每个开关元件可以是或者可以包括不同的半导体器件，例如栅极关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅极晶体管、集成栅极换向晶闸管或任何其它自换向半导体器件。

还可以设想，在本发明的其它实施例（未示出）中，每个电容器可以由诸如燃料电池、电池或能够存储和释放能量以选择性地提供电压的任何其它能量存储装置之类的不同的能量存储装置替换。

每个电流流动控制子单元44被连接在电流传导支路32中的相应的一个电流传导支路中，以便串联连接在相应对端子之间。以这种方式，每个电流流动控制子单元44与相应的气体管开关34串联连接。

在使用中，通过改变对应开关元件的状态，每个电流流动控制子单元44的电容器可以被选择性地旁路或插入到相应电流传导支路32中的电路中。开关控制单元100被配置成控制电流流动控制子单元44的开关元件的切换。

当对应的开关元件被配置成形成短路时，给定的电流流动控制子单元44的电容器被旁路，这准许在对应的电流传导支路32中流动的电流绕过电容器。这又意味着电流流动控制子单元44未综合与对应的气体管开关34串联的任何电压差。

当对应的开关元件被配置成为在电流传导支路32中流动的电流提供流入和流出电容器的路径时，给定的电流流动控制子单元44的电容器被插入到相应的电流传导支路32中的电路中。电容器然后将其存储的能量充电或放电，以便综合与对应的气体管开关34串联的电压差。电流流动控制子单元44的全桥布置使电容器能够在正向或反向方向上插入到相应电流传导支路32中的电路中，以便综合与对应的气体管开关34串联的正或负电压差。

电容器彼此并联连接，以电耦合电流流动控制子单元44，以便准许在使用中在电流流动控制子单元44之间的能量的传递。控制流动控制子单元44以这种方式的互连使开关元件的操作能够选择性地在至少一个电流传导支路32和至少一个其它电流传导支路32之间建立通过电流流动控制单元的电流路径。

在电流流过开关设备130期间，由于气体管开关34的不稳定电流共享，与至少一个其它电流传导支路32相比，至少一个电流传导支路32可以携带更高的电流。

为了降低电流传导支路32中的电流，开关控制单元100切换对应的电流流动控制子单元44的开关元件，以综合与对应的气体管开关34串联的电压差。电压差的极性被设置成使得与对应的气体管开关34串联的电压差的综合产生正电阻效应，其中电压差相反，并且由此降低在电流传导支路32中流动的电流。

同时，为了增大另一电流传导支路32中的电流，开关控制单元100切换对应的电流流动控制子单元44的开关元件，以综合与对应的气体管开关34串联的电压差。电压差的极性被设置成使得与对应的气体管开关34串联的电压差的综合产生负电阻效应，其中电压差有助于在电流传导支路32中流动的电流的增大。

同时，与对应的气体管开关34串联的相应电压差的综合连同通过电流流动控制单元的电流路径的形成允许能量经由电流流动控制单元在电流传导支路32之间传递。更特别地，能量从正经历电流流动的降低的所述或每个电流传导支路32移除，并且该能量经由电流路径转移到正经历电流流动的增大的所述或每个电流传导支路32。电流流动控制器的这种操作有效地将通过电流路径的电流从至少一个电流传导支路32转移到至少一个其它电流传导支路32，这又准许在电流传导支路32之间的电流I的分布的平衡。

因此，图6的开关设备130的配置提供了一种基于气体管开关34而主动提供在电流传导支路32之间的电流I的稳定的共享的方式。

电流传导支路32之间的电流I的分布的上述平衡优选结合电流传感器（例如Rogowski线圈）的使用来执行，以监测和测量电流传导支路32中流动的电流。这允许开关控制单元100在检测到电流传导支路32中流动的电流中的不平衡时，发起与对应的气体管开关34串联的相应电压差的综合以及通过电流流动控制单元的电流路径的形成。

应当理解，电流流动控制器的配置可以变化。特别是，开关元件和电容器的数量以及它们的布置可以变化，只要电流流动控制器被配置成能够实现与对应的气体管开关34串联的相应电压差的综合以及通过电流流动控制单元的电流路径的形成。

例如，代替在每个电流流动控制子单元44中具有相应的电容器，电流流动控制子单元44中的两个或更多可以共享公共电容器，其中每个此类电流流动控制子单元44的开关元件以相应的全桥布置与公共电容器并联连接。

根据本发明的第三实施例的开关设备在图7中示出，并且一般由参考数字230标示。

开关设备230包括连接在第一端口48和第二端口50之间的多个电流传导支路32，这些端口被配置成准许电流流入和流出开关设备230。每个电流传导支路32包括相应气体管开关34。每个气体管开关34包括包围可电离气体的室，并被配置成生成电离气体的等离子体，以促进通过气体管开关34的受控电流流动。在所示的实施例中，存在四个电流传导支路32，但是应当理解，开关设备230的电流传导支路32的数量可以变化。

开关设备230还包括电气电路，该电气电路包括电流流动控制器和开关控制单元100。

电流流动控制器包括多个端子和电流流动控制单元。

在所示的实施例中，多个端子限定四个端子，每个端子被连接到电流传导支路32中的相应的一个电流传导支路的第一端。同时，每个电流传导支路32的第二端连接到开关设备230的第二端口50。

电流流动控制单元包括单个电容器52和四个电流流动控制子单元46。每个电流流动控制子单元46包括相应的一对开关元件。每个电流流动控制子单元46的该对开关元件之间的中点被连接到多个端子中的相应一个端子，这些端子分别连接到电流传导支路32的第一端。每个电流流动控制子单元46的该对开关元件与单个电容器52并联连接，即，每个电流流动控制子单元46的开关元件被连接到公共电容器52。

电流流动控制单元还包括与单个电容器52并联连接的另一对开关元件。另一对开关元件之间的中点被连接到开关设备的第一端口48。

电流流动控制单元的开关元件的上述布置准许它们的切换，以便将电流传导支路32配置成并联连接在开关设备230的第一端口48和第二端口50之间。

电流流动控制单元的每个开关元件由以绝缘栅双极晶体管（IGBT）形式的半导体器件构成。每个开关元件还包括与之并联连接的反并联二极管。

在本发明的其它实施例中（未示出），可以设想，电流流动控制单元的每个开关元件可以是或者可以包括不同的半导体器件，例如栅极关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅极晶体管、集成栅极换向晶闸管或任何其它自换向半导体器件。

还可以设想，在本发明的其它实施例（未示出）中，电容器可以由诸如燃料电池、电池或能够存储和释放能量以选择性地提供电压的任何其它能量存储装置之类的不同的能量存储装置替换。

每个电流流动控制子单元46被连接到电流传导支路32中的相应的一个电流传导支路，以便与相应的气体管开关34串联连接。

在使用中，通过改变对应开关元件的状态，电容器52可以选择性地被旁路或插入到具有电流传导支路32中的一个或多个的电路中。开关控制单元100被配置成控制电流流动控制子单元46的开关元件的切换以及另一对开关元件的切换。

当对应的开关元件被配置成形成短路时，电容器相对于给定的电流传导支路32被旁路，该短路准许在对应的电流传导支路32中流动的电流绕过电容器52。这又意味着电流流动控制子单元46未综合与对应的气体管开关34串联的任何电压差。

当对应的开关元件被配置成提供用于在电流传导支路32中流动的电流流入和流出电容器52的路径时，电容器52被插入到具有给定电流传导支路32的电路中。电容器然后对其存储的能量充电或放电，以便综合与对应的气体管开关34串联的电压差。电流流动控制单元中的开关元件的布置使电容器52能够在正向或反向方向上插入到具有给定电流传导支路32的电路中，以便综合与对应的气体管开关34串联的正或负电压差。

电流流动控制子单元46的开关元件与公共电容器52的连接通过在至少一个电流传导支路32和至少一个其它电流传导支路32之间的通过电流流动控制单元的电流路径的建立来准许在使用中在电流流动控制子单元44之间的传递的能量。

在电流流过开关设备230期间，由于气体管开关34的不稳定电流共享，与至少一个其它电流传导支路32相比，至少一个电流传导支路32可以携带更高的电流。

为了降低电流传导支路32中的电流，开关控制单元100切换对应的电流流动控制子单元46的开关元件，以综合与对应的气体管开关34串联的电压差。电压差的极性被设置成使得与对应的气体管开关34串联的电压差的综合产生正电阻效应，其中电压差相反，并且由此降低在电流传导支路32中流动的电流。这具有间接增大在一个或多个其它电流传导支路32中流动的电流的效果，对于一个或多个其它电流传导支路32，没有与对应的气体管开关34串联的电压差的综合。

为了增大电流传导支路32中的电流，开关控制单元100切换对应的电流流动控制子单元46的开关元件，以综合与对应的气体管开关34串联的电压差。电压差的极性被设置成使得与对应的气体管开关34串联的电压差的综合产生负电阻效应，其中电压差有助于在电流传导支路32中流动的电流的增大。这具有间接减少在一个或多个其它电流传导支路32中流动的电流的效果，对于一个或多个其它电流传导支路32，没有与对应的气体管开关34串联的电压差的综合。

同时，通过电流流动控制单元的电流路径的形成允许能量经由电流流动控制单元在电流传导支路32之间传递。更特别地，能量从正经历电流流动的降低的所述或每个电流传导支路32移除，并且该能量经由电流路径转移到正经历电流流动的增大的所述或每个电流传导支路32。电流流动控制器的这种操作有效地通过电流路径将电流从至少一个电流传导支路32转移到至少一个其它电流传导支路32，这又准许在电流传导支路32之间的电流I的分布的平衡。

因此，图7的开关设备230的配置提供了一种基于气体管开关34而主动提供在电流传导支路32之间的电流I的稳定共享的方式。

电流传导支路32之间的电流I的分布的上述平衡优选结合电流传感器（例如Rogowski线圈）的使用执行以监测和测量在电流传导支路32中流动的电流。这允许开关控制单元100在检测到电流传导支路32中流动的电流的不平衡时，发起与对应的气体管开关34串联的相应电压差的综合以及通过电流流动控制单元的电流路径的形成。