电压源转换器设备的制作方法

本申请涉及用于电压源转换器的模块化设备，并且涉及用于控制电压源转换器的模块化设备的方法和设备，以及特别地涉及能够用作供高压功率传输中使用的电压源转换器的链式链路电路的单元的模块化设备。

高压直流(hvdc)电功率传输将直流用于电功率的传输。这是对更常见的交流电功率传输的替代。存在使用hvdc电功率传输的多个益处。

为了使用hvdc电功率传输，通常必需将交流(ac)电功率转换成直流(dc)并且再次将dc转换回交流（ac）电功率。功率电子器件领域的最近发展已引起针对ac到dc和dc到ac转换的电压源转换器(vsc)的增加使用。vsc利用半导体开关元件，所述半导体开关元件能够可控地接通和关断。与相应反并联二极管相连接的绝缘栅双极晶体管(igbt)通常已用作半导体开关元件。

通常，vsc将包括用于ac网络的每个电相（electricalphase）的相分支。每个相分支可例如在正与负dc汇流条之间的相应正和负dc端子处耦合到dc网络，并且还将经由至少一个ac节点来连接到ac网络。相分支将包括多个转换器臂，其中每个转换器臂在ac节点与dc端子中的一个或者某个其他所定义的dc电压(例如接地)之间延伸。在对称单极布置中，相分支可具有两个转换器臂，即，在ac节点与正dc端子之间延伸的正转换器臂以及在ac节点与负dc端子之间延伸的负转换器臂。在其他布置(例如双极方案)中，可存在更多转换器臂，例如可存在正dc端子与接地端子之间串行以形成正极的两个转换器臂，其中ac节点处于串联连接的中点。同样，通过接地端子与负dc端子之间所连接的类似布置来形成负极。在每种情况下，每个转换器臂包括开关设备，称作阀。

vsc的各种设计是已知的。一种这样的变体是模块化多电平转换器(mmc)。mmc的阀可至少部分由多个模块化装置或单元（modularunitsorcells）的串联连接来形成，每个单元具有能量存储元件(例如电容器)和开关元件(例如igbt)，它们被布置，使得能量存储元件能够有选择地串联连接在单元的端子之间或者被旁路。这类单元的串联连接有时称作链式链路电路或链式链路转换器或者简单地称作链式电路，以及单独单元或链路通常称作子模块，其中多个单元共同形成模块。这类链式链路电路能够用于电压波整形，并且能够允许ac与dc之间以相对低的失真的转换。这类链式链路电路还可用于其他vsc变体中。

取决于vsc的类型，可采用按照半桥类型配置与能量存储元件所布置的开关元件来实现链式链路电路的单元，因此能量存储元件可在一个取向上串联连接在单元端子之间，或者可被旁路。但是，对于一些vsc设计，可采用按照全桥类型配置与能量存储元件所布置的开关元件来实现链式链路电路的单元的至少一些，因此能量存储元件可被旁路或者可在两个相反取向的任一个方向上串联连接在单元端子之间，以便在单元端子处呈现相反极性的电压。

图1a图示按照半桥配置所布置的单元100a的一个示例。单元100a包括能量存储元件，该能量存储元件在这个示例中是电容器101。第一单元端子102a耦合到两个开关元件103的串联连接的中点，所述两个开关元件103跨电容器101串联连接。每个开关元件103包括适当晶体管开关装置t1或t2(例如具有相应反并联二极管d1或d2的igbt)。在半桥单元中，第二单元端子102b连接在开关元件103中的一个的另一侧上。因此，两个开关元件103提供半桥单元的两个不同开关臂，以及通过彼此相反地开关该开关t1或t2，能够实现两种可能的输出状态。

在晶体管开关t1闭合(接通)而晶体管开关t2打开(关断)的情况下，电容器在所谓的活动状态中串联连接在单元端子102a与102b之间。如果电容器101在这种活动状态中被充电到给定电压，则电容器电压将被施加在单元端子之间。备选地，为了提供旁路状态，晶体管开关t2可闭合以直接连接单元端子102a和102b，而晶体管开关t1可被打开。

将会理解，图1a中所图示的半桥布置能够仅生成跨单元端子102a和102b的一个极性的电压。如所图示，电容器101可被充电，使得从其下板到其上板存在正电压。在图1a中所图示的示例中，第二单元端子102b连接到电容器101的下板，以及电容器101的上板可经由晶体管开关t1电连接到第一单元端子102a，从而引起单元端子之间的正电压(使得第一单元端子102a相对于第二单元端子102b为正)。但是将会理解，在一些实施例中，第二单元端子可改为耦合到电容器101的上板。但是，这种布置再次能够简单地将单元端子短接在一起，以便处于基本上相同的电压，或者引入按照一种配置的串行的电容器，以生成单元端子之间的一个极性的电压差。

但是在一些vsc设计中，使至少一些单元能够形成任一极性的电压可能是有利的。图1b图示按照全桥配置所布置的单元100b的示例。在这个配置中，电容器101连同四个半导体开关元件103一起布置。与图1a中所图示的半桥布置相似，包括串行的第一和第二晶体管开关t1和t2的电路支路可跨电容器101两端连接，其中第一单元端子102a耦合到晶体管t1与t2之间的节点。但是在这个示例中，电容器101还与另一个支路并联连接，所述另一个支路具有两个串联连接的晶体管开关t3和t4，以及第二单元端子102b耦合到t3与t4之间的节点。在这个示例中，电容器101能够被连接，以通过闭合晶体管开关t4和t1来提供单元端子102a处相对于单元端子102b的正电压，其中晶体管开关t2和t3打开，以提供第一活动状态。但是备选地，电容器电压能够被连接，以通过闭合晶体管开关t2和t3来提供跨单元端子的相反极性的电压，其中晶体管开关t1和t4打开，以提供第二活动状态。为了提供旁路通路，晶体管开关t2和t4可闭合，其中晶体管开关t1和t3打开，或者等效地，晶体管开关t2和t4均可打开，其中晶体管开关t1和t3均闭合。因此，诸如图1b中所示的全桥配置之类的全桥配置提供相反极性的两种不同的活动状态，并且还允许两种不同的旁路状态。

因此，全桥单元100b提供用来有选择地提供跨单元端子102a和102b的正或负电压的能力，这在一些应用中能够是有利的。但是将领会，与图1a中所图示的半桥单元100a相比，全桥单元100b要求附加半导体开关元件103，这能够增加单元的成本、尺寸和功率损耗并且因此增加总体vsc。

如上所述，用于vsc(例如mmc类型vsc)的链式链路转换器的单元通常通过使用igbt作为开关元件来实现。常规igbt开关元件通常按照开关封装来生产，例如每个开关封装是单个开关。因此，每个开关元件103将按常规通过这样的单个开关封装来实现。

本公开的实施例涉及用于vsc的半桥和全桥单元设计中的改进。

因此，在一个方面中，提供有一种用于电压源转换器的单元，包括：

第一和第二单元端子；第一能量存储设备；以及多个双开关半导体封装，每个双开关半导体封装包括串联电连接在第一封装端子与第二封装端子之间的第一和第二半导体开关以及电连接到第一和第二半导体开关之间的节点的第三封装端子。多个双开关半导体开关封装被配置，以便可操作在第一活动状态和旁路状态中，在所述第一活动状态中，第一能量存储设备串联电连接在第一和第二单元端子之间，并且在所述旁路状态中，第一和第二单元端子经由旁路第一能量存储设备的通路电连接。多个双开关半导体开关封装被配置，使得：半导体开关的第一集合连接在单元的节点之间，所述节点在第一活动状态中电连接，而在第一旁路状态中电断开；以及半导体开关的第二集合连接在单元的节点之间，所述节点在第一活动状态中电断开，而在旁路状态中电连接。与开关的第一集合的相比，开关的第二集合包括更大数量的并行开关。

因此，实施例涉及利用双开关半导体封装的vsc的单元或子模块。这类双开关半导体封装提供许多益处，如下面将更详细陈述。双开关半导体封装被布置，使得与仅在第一活动状态期间传导的单元的节点之间相比，在旁路状态期间传导的单元的节点之间存在更大数量的可用的并行电流通路。因此，开关的第一集合布置在单元的节点之间，所述节点在单元的第一活动状态中电连接，而在旁路状态中断开。第一集合可包括一个或多个开关，并且可以或者可以不包括并联连接的开关。因此，第一集合的(一个或多个)开关在第一活动状态期间接通，而在旁路状态中关断。

开关的第二集合连接在单元的节点之间，所述节点在第一活动状态中电断开，而在旁路状态中电连接。与第一集合相比，开关的第二集合具有更多的并联连接的开关。因此，第二集合包括至少一些并联连接的开关，并且与第一集合中并联连接的开关(若有的话)的数量相比包括更多的并行开关。因此，第二集合的开关在旁路状态期间接通，而在第一活动状态中关断。如下面将更详细说明，可预计更大电流在旁路状态中流动，并且因此在第二集合中提供并行开关允许更高电流被多个开关分摊。仅在开关的第二集合中提供这类附加并联连接避免具有随之发生的成本和尺寸影响（implication）的单元中的冗余开关的使用。

在一些实施例中，多个双开关半导体开关封装可被配置，使得半导体开关的第三集合连接在单元的节点之间，所述节点在第一活动状态中并且还在旁路状态中均电连接。在所述情况下，与开关的第一集合相比，开关的第二集合和开关的第三集合中的每个可包括更大数量的并行开关。多个双开关半导体开关封装还可被配置，以便还可操作在第二活动开关状态中，在所述第二活动开关状态中，第一能量存储设备在与第一开关状态相反的取向上串联电连接在第一和第二单元端子之间。在这种情况下，多个双开关半导体开关封装可被配置，使得半导体开关的第四集合连接在单元的节点之间，所述节点在第一活动状态和第一旁路状态中均电断开，而在第二活动状态中电连接。与开关的第一集合和开关的第四集合中的任一个相比，开关的第二集合和开关的第三集合中的每个可包括更大数量的并行开关。

在一些实现中，至少一个双开关半导体封装可连接在第一单元端子与能量存储设备的一个端子之间以提供开关的第一集合，以及至少两个双开关半导体封装可连接在第一单元端子与能量存储设备的相反端子之间以提供开关的第二集合。在一些实例中，提供开关的所述第一集合的至少一个双开关半导体封装的中间封装端子可经由快速电容器来连接到提供开关的所述第二集合的至少两个双开关半导体封装的中间封装端子。备选地，在一些实例中，第一能量存储设备可包括与第二电容器串行的第一电容器，以及提供开关的第一集合的至少一个双开关半导体封装的中间封装端子可通过第一控向二极管来连接到第一电容器与第二电容器之间的中点节点，并且提供开关的第二集合的至少一个双开关半导体封装的中间封装端子通过第二控向二极管来连接到第一电容器与第二电容器的中点节点。

在一些实施例中，多个双开关半导体封装可包括第一双开关半导体封装，该第一双开关半导体封装被配置，使得第一双开关半导体封装的第一半导体开关形成开关的第一集合的至少一部分，而第一双开关半导体封装的第二半导体开关形成开关的所述第二集合的一部分。

多个双开关半导体封装可还包括第二双开关半导体封装，该第二双开关半导体封装被配置，使得第二双开关半导体封装的第一半导体开关形成开关的第二集合的一部分，而第二双开关半导体封装的第二半导体开关形成开关的第一集合的一部分。第三双开关半导体封装可分别与第一和第二双开关半导体封装的第二和第一开关并联连接。

备选地，第二双开关半导体封装可与第一双开关半导体封装的第二开关并联连接。在一些实例中，与第一双开关半导体封装相比，第二双开关半导体封装可具有更低的电压额定值。

在一些实施例中，至少一个双开关半导体封装可直接连接在第一和第二单元端子之间，以提供开关的第二集合中的一些开关。

在一些实施例中，开关的第二集合可包括至少一个主开关和至少一个附加双开关封装，其中与至少一个主开关相比，至少一个附加双开关封装更远离能量存储设备。单元可包括开关控制器，该开关控制器配置成在涉及关断第二集合的开关的开关转变期间，在至少一个主开关之前关断至少一个附加双开关封装的开关。在一些实现中，开关控制器可配置成在涉及接通第二集合的开关的开关转变期间，在至少一个主开关之后接通至少一个附加双开关封装的开关。备选地，开关控制器可配置成在涉及接通第二集合的开关的开关转变期间，在至少一个主开关之前接通至少一个附加双开关封装的开关。

在以下描述中将陈述附加特征和实施例。

这些方面还涉及链式链路电路，该链式链路电路包括按照本文所述变体的任何变体的多个串联连接的单元。

这些方面还涉及电压源转换器(vsc)，该电压源转换器(vsc)包括按照本文所述变体的任何变体的至少一个单元或者这类单元的串联连接。vsc例如可以是模块化多电平转换器(mmc)类型vsc。这些方面还涉及功率传输系统，该功率传输系统包括至少一个这样的vsc。

现在将仅作为示例、参照附图来描述本发明，其中：

图1a和图1b分别图示适合供在vsc中使用的常规半桥和全桥单元的示例；

图2a和图2b分别图示使用双开关半导体封装所实现的示例半桥和全桥单元；

图3图示按照一个实施例的全桥单元的一个示例；

图4a和图4b分别图示按照本发明的实施例、基于三电平中性点钳位拓扑的示例半桥和全桥单元；

图5a和图5b分别图示按照本发明的实施例、基于快速电容器拓扑的半桥和全桥单元的示例；

图6a和图6b分别图示按照本发明的另外的实施例的半桥和全桥单元的示例；

图7a和图7b分别图示按照本发明的实施例、使用可具有不同电压额定值的半导体封装的半桥和全桥单元的示例；

图8图示如何可提供物理上远离主开关的集合的附加开关；

图9a和图9b图示按照实施例的单元的开关的方法的示例时序图；

图10图示具有一个开关位置中的二极管的全桥类型单元的另外的示例；

图11图示具有混合拓扑的全桥类型单元的另外的示例；以及

图12图示按照实施例的vsc。

如上所述，用于vsc(例如mmc类型vsc)的链式链路转换器的单元通常通过使用igbt作为开关元件来实现。通常按照开关封装来生产常规igbt开关元件，其中单独封装针对每个单独开关元件，即，每个开关封装提供单个开关。因此，参照回图1a和图1b，每个开关元件103将按常规通过这种单个开关封装来实现。

但是近来已经提出了提供作为三端子双开关半导体封装的一部分的半导体开关。这些双开关半导体封装包括第一和第二半导体开关，所述第一和第二半导体开关串联连接在第一与第二封装端子之间。中间(第三)封装端子耦合到两个半导体开关之间的节点。这类双开关半导体封装在成本和尺寸方面能够具有优于单独单个开关封装的使用的各种优点。

对于诸如图1a中所图示的半桥单元之类的半桥单元，两个开关元件103(即，具有相应二极管d1和d2的晶体管t1和t2)因此能够通过一个双开关半导体封装来共同提供，其中双开关半导体封装的中间端子耦合到或者用作第一单元端子103a。对于全桥单元，晶体管开关t3和t4也可通过另一个双开关半导体封装来提供。这类双开关半导体封装通常设计成通过并联连接两个或更多个这类双开关半导体封装来易于可扩展到更高电流额定值。因此，对于高电流应用，提出了使用并行的多个双开关半导体封装根据需要来实现半桥或全桥单元。

图2a和图2b分别图示各自包括多个双开关半导体封装的半桥单元200a和全桥单元200b的可能实现。单元200a和200b按照与以上针对图1a和图1b所述的方式类似的方式各自包括电容器101以及单元端子102a和102b，但是在图2a和图2b中所图示的单元中，使用双开关半导体封装来实现开关。图2a图示具有两个双开关封装201的半桥单元。

每个双开关半导体封装201具有带有关联二极管的第一和第二半导体开关202和203。在一些实例中，开关202和203可以是igbt，并且可存在作为续流二极管跨igbt所连接的单独二极管。但是在一些实现中，半导体开关可通过mosfet装置来提供，所述mosfet装置包括固有体二极管，并且因此可以不存在对单独二极管组件的需要。在任何情况下，半导体开关202和203串行布置在第一与第二封装端子204a和204b之间，其中将被称作中间封装端子的第三封装端子204c提供到串联连接的开关202与203之间的节点的连接。

在图2a中所图示的布置中，两个双开关半导体封装201跨电容器201并联连接。因此，一个双开关半导体封装的第一开关202与另一双开关半导体封装的对应第一开关并联连接。同样，并联连接两个双开关半导体封装的第二开关203。因此，能够共同操作半导体封装201的第一开关202，以提供来自图1a的开关t1的功能性，以及能够共同操作半导体封装201的第二开关203，以提供开关t2的功能性。图2b图示全桥单元200b，其具有并联连接以提供图1b的开关t1和t2的功能性的两个双开关半导体封装201（其中它们的中间封装端子耦合到单元端子102a）以及并联连接以提供图1b中所示的开关t3和t4的功能性的另外两个双开关半导体封装201。

因此，图1a和图1b中所图示的布置能够提供利用双开关半导体封装的半桥和全桥单元。为了提供所要求的电流操控能力，可并联连接多个双开关半导体封装201。因此，可并联连接一定数量的双开关半导体封装，以基于预计最大正常操作电流来提供电流操控能力。

但是对于某些类型的vsc(例如mmc类型vsc)，与当在其中能量存储元件串联连接在端子之间的活动状态中时相比，当单元处于旁路状态中时，使更大电流在vsc的链式链路电路的单元的端子之间流动是正常的。这意味着，将经由并联连接的双开关半导体封装201的第二开关203(它们在旁路状态中共同提供电流通路)所传递的最大电流可明显大于在使用中将在活动状态中经由并联连接的双开关封装201的第一开关202来传递的电流。

因此，能够并联连接一定数量的双开关半导体封装201，以提供对应数量的并联连接的第二开关203，以便提供针对旁路状态的所要求电流操控能力。但是，在图2a中所图示的布置中，这还将导致相同数量的并联连接的第一开关202，这可多于用来操控在活动状态中流动的预计最大电流实际要求的数量。因此，与在仅用于在活动状态中提供电流通路的开关位置中将是必需的并联连接的开关的数量相比，这种布置将提供更多并联连接的开关。因此，这类开关能够被看作是不必要或冗余开关。通常，由于成本和尺寸的原因，避免提供单元中的不必要组件以供在vsc中使用将是有利的。

在本公开的实施例中，可提供用于vsc的单元(例如子模块)，所述单元使用双开关半导体封装，但是其中双开关半导体封装被布置，使得一个或多个半导体开关的第一集合布置在单元的节点之间，所述节点在活动状态中电连接，而在旁路状态中电断开，以及多个半导体开关的第二集合布置在单元的节点之间，所述节点在活动状态中电断开，而在旁路状态中电连接，其中与开关的第一集合相比，开关的第二集合包括更多的并行开关。

图3图示按照实施例的用于vsc的全桥单元(或子模块)300的一个示例。单元300包括用来充当用于单元的能量存储元件的电容器101，并且还包括多个双开关半导体封装201，所述双开关半导体封装201布置成提供用于单元的所要求开关功能性。在这个示例中，第一开关位置中的半导体开关的第一集合将第一单元端子102a耦合到电容器101的上板。在这个示例中，开关的第一集合包括双开关半导体封装301。第二开关位置中的半导体开关的第二集合将第一单元端子102a耦合到电容器101的下板。在这个示例中，开关的第二集合包括并联连接的双开关半导体封装302a和302b。第二单元端子102b还通过第三开关位置中的由双开关半导体封装303所提供的开关的第三集合来连接到电容器101的上板，以及通过第四开关位置中的由并行的双开关半导体封装306a和306b所提供的开关的第四集合来连接到电容器101的下板。

因此能够看到，第二集合中的每个开关(例如t3a、t3b、t4a、t4b)与(在这个示例中)一个其他开关并联连接。但是，开关t1和t2的第一集合包括(在这个示例中)没有并行开关的开关。同样，第四集合中的每个开关(例如t7a、t7b、t8a、t8b)与(在这个示例中)一个其他开关并联连接。但是，开关t5和t6的第三集合再次包括(在这个示例中)没有并行开关的开关。当然将领会，开关的第二集合和/或开关的第四集合可包括多于两个并行的双开关封装201。而且在一些实施例中，开关的第一和/或第三集合可包括与封装301或303并行的至少一个双开关封装。但是通常，与第一或第三集合的任一个中的并行开关(若有的话)的数量相比，第二和第四集合中存在更大数量的并行开关。

这个全桥单元300能够被操作以提供具有(相等电压幅值但相反极性的)两种主要活动状态或者两种可能的旁路状态的常规全桥单元的功能性。但是，旁路状态中的一种状态与另一旁路状态或者两种主要活动状态的任一种状态相比提供更多的并行开关。

第一活动状态提供第一输出电压，该第一输出电压在这个示例中能够被看作是正电压，其中第一单元端子102a相对于第二单元端子102b为正，其中开关t1和t2、t7a和t7b的至少一个以及t8a和t8b的至少一个全部接通(闭合)，而全部其他开关关断(打开)。在这种状态中，电容器101串联连接在单元端子102b与102a之间，其中其正极板连接到第一单元端子102a。类似地，在第二活动状态中，单元300能够提供相等幅值但相反极性的输出电压(例如负输出电压)，其中开关t5和t6、t3a和t3b的至少一个以及t4a和t4b的至少一个全部接通，而全部其他开关关断。这再次在端子102a与102b之间但在相反取向上将电容器101串联连接。

单元300还可切换为两种不同的可能旁路状态。在一种旁路状态(其能够称作正旁路状态)中，开关t1、t2、t5和t6接通，其中全部其他开关关断。因此，电容器101经由连接到电容器101的上板的单元的干线（rail）被旁路。在备选旁路状态(其能够称作负旁路状态)中，开关t3a/t3b、t4a/t4b、t7a/t7b和t8a/t8b接通，其中上部位置中的全部开关关断。在这种状态中，电容器101经由耦合到电容器101的下板的单元300的下干线被旁路。

对于诸如图1b中所图示的全桥单元之类的vsc中使用的常规全桥单元，正和负旁路状态通常均可在不同时间例如基于旋转用来分摊跨每个开关位置中的半导体装置的热应变。

但是如上所述，在许多vsc中的旁路状态期间，可存在对于(一个或多个)开关的需要，所述(一个或多个)开关提供(一个或多个)旁路通路以与用来在活动状态中传导电流的(一个或多个)半导体开关相比承载更大的电流。因此，为了为旁路状态中所要求的电流提供预期数量的并行开关而没有为活动状态提供不必要或冗余开关，单元300被配置，使得可能旁路状态的优选的一个旁路状态能够通过开关集合(所述开关集合包括预期数量的并行开关)来实现，而单元的节点之间没有用来在优选旁路状态中承载电流(例如其在两种活动状态中的一种活动状态或者非优选旁路状态中将仅被接通或闭合)的开关集合具有更少的并行开关(若有的话)。

在图3中所示的示例中，负旁路状态已被设计为优选旁路状态。这个旁路通路通过并联连接的双开关半导体封装302a和302b中的开关的第二集合连同并联连接的双开关半导体封装304a和304b中的开关的第四集合一起提供。因此，这个优选旁路通路中使用的每个开关与(在这个实施例中)一个其他开关并联连接。当然将领会，将有可能使用正旁路状态作为优选旁路状态。

还将领会，通过并联连接的双开关半导体封装304a和304b所提供的开关的第四集合在优选旁路状态期间被使用，但是也在第一活动状态期间被使用。但是将领会，在这种第一活动状态中的在单元端子102a与102b之间所建立的电流通路的至少一部分将包括开关t1和t2。与用于在优选旁路状态中的电流流动的任何开关相比，在活动状态中形成电流通路的一部分的这些开关具有更少的并行开关(在图3中所图示的示例中，不存在与t1或者t2并行的开关)。

将注意，在从活动状态到旁路状态(或者反之亦然)的转变中要求开关双开关半导体封装201的串联连接的开关的两者。例如在第一活动状态中，双开关半导体封装301的串联连接的开关的两者t1和t2均被接通，而双开关半导体封装302a和302b的串联连接的开关t3a和t4a(和/或t3b和t4b)关断。在旁路状态中，双开关半导体封装301的串联连接的开关的两者t1和t2均被关断，而双开关半导体封装302a和302b的串联连接的开关t3a、t4a、t3b和t4b全部接通。

为了避免关于当开关这些串联连接的开关时的电压平衡的问题，每个双开关半导体封装201的串联连接的开关与电压平衡元件(在这个示例中为电压平衡电容器305)并行布置。例如，在优选旁路状态中，电容器101的dc电压跨双开关半导体封装301的串联连接的开关t1和t2被施加。当从旁路状态改变成活动状态时，开关t1和t2将均被接通。但是，如果这些开关中的一个开关更快被接通，或者存在某个定时误差，因此一个开关在其他开关之前被接通，则dc电压将不成比例地施加到其他开关。因此，电压平衡电容器305帮助平衡跨串联连接开关的电压，以避免开关的任何开关上的过度应力。

将会理解，在图3的示例中，双开关半导体封装304a和304b的开关t7a/t7b和t8a/t8b的第四集合可接通或闭合，以便在优选旁路状态和第一(正)活动状态中均传导。在一些vsc布置中，链式链路电路的全桥单元在正常操作中可以仅在正活动状态与旁路状态之间来切换，即，与半桥单元的操作类似。可以仅在故障条件期间使用负活动状态，以用于故障阻断。在这种情况下，开关t7a/t7b和t8a/t8b因此可在正常操作期间持续接通，以及同样地，双开关半导体封装303的开关t5和t6在正常操作中可持续关断。

当然将会理解，单元300还能够操作在另外的开关状态中，这能够被称作阻断状态。在这种状态中，单元300的开关全部关断或者进入打开状态，使得没有电流能够经过单元300。阻断状态在使用中通常很少使用，而仅响应于故障在vsc的一部分中发生而使用。

按照上述方式操作单元300提供各种优点。如上所述，如果在正常使用中操作单元300以便只提供正活动状态或优选(负)旁路状态，则这意味着开关t7a、t7b、t8a和t8b均在两种状态中传导电流。因此，与针对其他开关位置相比，更高电流额定值的半导体开关封装可用于这些开关位置中。另外地或备选地，更大数量的半导体开关封装可在这个开关位置处并联连接，以增加该开关位置处的电流额定值。

为了提供所要求的操作，开关控制器306可作为单元的一部分来布置。开关控制器在使用中可生成各种半导体开关的门控信号，以提供所要求的操作状态，并且按照来自vsc的某个更高级的控制器的所接收的控制信号在状态之间进行转变。

应当注意，描述了单元300及其操作的各种优点，其中单元被操作以便在活动状态期间提供正输出电压并且使用负旁路状态作为优选旁路状态。但是技术人员将会理解，单元300可在其他应用中被配置和/或操作以利用其他可能开关配置来提供类似优点。

因此，单元300提供如下优点：与不用来在(优选)旁路状态中传导电流的开关位置中相比，在用来在(优选)旁路状态中传导电流的开关位置中提供更大数量的并行半导体元件。

相同原理将适用于单元的半桥变体，例如没有双开关封装303、304a或304b但是具有耦合到电容器101的上或者下板的第二单元端子102b。

但是单元300要求每个单独开关或者开关的并联连接与适当电压平衡元件并联连接，这确实增加单元中要求的组件的数量。在一些实施例中，可实现单元拓扑，该单元拓扑避免对每个开关的这类并行电压平衡元件的需要。

图4a图示按照实施例的用于vsc的半桥单元400a的一个示例。在这个示例中，半桥单元400a包括充当用于单元的能量存储元件的两个串联连接的电容器101a和101b。在这个半桥变体中，电容器101b的下板直接耦合到第二单元端子102b，以及电容器101a的上板通过开关的第一集合来耦合到第一输出端子，所述开关的第一集合在这个示例中包括双开关半导体封装401。两个单元端子102a和102b还经由开关的第二集合来耦合，所述开关的第二集合在这个示例中包括并联连接的双开关半导体封装402a和402b。

为了提供活动状态，半导体双开关半导体封装401的开关的第一集合(即，t1和t2)可接通(闭合)，其中第二集合的开关关断(打开)。这将电容器101a和101b串联连接在单元端子102a与102b之间。为了提供旁路通路，双开关半导体封装402a的开关的第二集合(即，开关t3a和t4a)以及双开关半导体封装402b的并行开关t3b和t4b可全部闭合，其中封装401的开关t1和t2打开。

因此再次能够看到，第二集合中的每个开关(例如t3a、t3b、t4a、t4b)与(在这个示例中)一个其他开关并联连接，但是开关的第一集合t1和t2包括(在这个示例中)没有并行开关的开关。当然将领会，开关的第二集合可包括与封装402a和402b并行的更多双开关半导体封装201。而且在一些实施例中，开关的第一集合可包括与封装301并行的至少一个双开关半导体封装。但是通常，与第一集合中的并行开关(若有的话)的数量相比，第二集合中存在更大数量的并行开关。

为了避免关于当开关串联连接的开关时的电压平衡的问题，第一控向二极管403a布置在从中点节点404(位于串联连接的电容器101a与101b之间)到双开关半导体封装401的中间端子的通路中。同样，并联连接的双开关半导体封装402a和402b的中间端子经由控向二极管303b来耦合到中点节点404。

单元400a在一些方面中与中性点钳位三电平输出半桥拓扑的设计(该设计可用于其他应用中)类似，但是其具有一个开关位置中的更大数量的并行开关。因此，和其中电容器101a和101b均串联连接在单元端子102a与102b之间的主要活动状态和旁路状态一样，存在第三状态，该第三状态能够通过接通开关t2和t3a(和/或t3b)来实现，其中剩余开关关断。在这种状态中，电容器101b有效地连接在单元端子102a与102b之间，因此与第一活动状态相比提供更低幅值的输出电压。

供在vsc的链式链路电路中使用，二电平输出通常将是充分的，因为由链式链路电路的多个单元所提供的所要求电压波整形通常具有充分分辨率。因此，通过这个设计所实现的附加电压幅值电平无需在使用中被保持任何相当长的周期。但是在一些实例中，使开关控制器306经由这个中间活动状态(其中开关t2和t3a/t3b接通而开关t1和t4a/t4b关断)来控制第一、主要、活动状态(其中开关t1和t2接通而开关t3a/t3b和t4a/t4b关断)和旁路状态(其中开关t1和t2关断而开关t3a/t3b和t4a/t4b接通)之间的转变可能是有益的。在转变中包含中间状态意味着，只有每个串联连接的一个开关在任何时间需要被开关。因此，为了从主要活动状态转变成中间活动状态，开关控制器306可关断开关t1，同时将开关t2保持为接通，并且还接通开关t3a/t3b，同时将开关t4a/t4b保持为关断。然后，为了从中间活动状态转变成旁路状态，开关t2能够被关断，同时将开关t1保持为关断，并且接通开关t4a/t4b接通，同时将开关t3a/t3b保持为接通。经由中间状态从旁路状态到主要活动状态的转变将涉及相反过程。因此，这能够提供两种预期输出状态(即，主要活动状态和旁路状态)之间的平滑转变，这避免关于串联连接开关的开关和电压平衡的任何重大问题。但是在一些实施例中，中间活动状态根本无需被使用，而是通过控向二极管所提供的钳位将提供串联连接的开关的适当电压平衡。

如所述，图3a的单元400a的拓扑与一些已知的三电平半桥拓扑略微类似。但是，如所述，给定在链式链路电路中通常不要求三个不同幅值输出电平，这种布置通常将不考虑供vsc的链式链路电路中的使用。此外，在已知的三电平布置中，将不会预计存在用于输出状态中的一种输出状态中的更多并行开关。

相同原理能够适用于vsc的单元的全桥变体。

图4b图示按照实施例的用于vsc的全桥单元400b的示例，其中使用相同参考数字来标识与图4a中所示的那些组件类似的组件。图4b图示，第一单元端子可耦合到通过双开关半导体封装401所提供的开关的第一集合，并且还耦合到通过如上所述的并行的双开关半导体封装402a和402b所提供的开关的第二集合。但是在全桥变体中，第二单元端子102b还耦合到开关的两个另外的集合，第一另外的集合通过双开关半导体封装405来提供，以及第二另外的集合通过并行的双开关半导体封装406a和406b来提供。双开关半导体封装405以及并联连接的封装406a和406b的中间节点还经由另外的控向二极管403c和403d来耦合到中点404。将领会，通过双开关半导体封装405、406a和406b以及控向二极管所提供的开关的附加集合相对于第二单元端子102b的布置反映以上相对于图4a所述的布置。

这个全桥单元400b能够被操作以提供具有(相等电压幅值但相反极性的)两种主要活动状态或者两种可能的旁路状态的常规全桥单元的功能性。但是，旁路状态的优选的一个旁路状态(在这个示例中为负旁路状态)再次提供比另一旁路状态或者两种主要活动状态的任一种状态更多的并行开关。第一活动状态提供第一输出电压，该第一输出电压在这个示例中能够被看作是正电压，使得第一单元端子102a相对于第二单元端子102b为正，其中开关t1和t2、t7a和t7b的至少一个以及t8a和t8b的至少一个接通，而全部其他开关关断。在这种状态中，电容器101a和101b串联连接在单元端子102b与102a之间，其中其正极板连接到第一单元端子102a。类似地，在第二活动状态中，单元400b能够提供跨单元端子的相等幅值但相反极性的输出电压(例如负输出电压)，其中开关t5和t6、t3a和t3b的至少一个以及t4a和t4b的至少一个全部接通，而全部其他开关关断。这再次在端子102a与102b之间但是在相反取向上将电容器101a和101b串联连接。

单元400b还可切换为两种不同的可能旁路状态，但是一种旁路状态(在这个示例中为负旁路状态)按照如相对于图3所述的方式类似的方式来设计为具有更大数量的并并开关的优选旁路状态。

单元400b的拓扑意味着，单元还能够被开关以提供中间电压电平，其中只有电容器101a和101b中的一个电容器连接在单元端子101a与101b之间。例如，在一个中间活动状态中，开关t2和t3a/t3b可闭合或接通，其中开关t1和t4a/t4b关断，以便经由控向二极管403a或403b将第一单元端子102a有效地连接到中点节点404。如果开关t7a/t7b和t8a/t8b接通或闭合(其中开关t5和t6打开)，则这将引起只有电容器101b在正取向上连接在单元端子102b与102a之间。与主要正活动状态相比，这将提供更低幅值的正输出电压。

但是，如以上相对于图4a所述，在许多vsc中，为了电压波整形的目的，通常可以不要求不同电压幅值的中间状态，因为当仅使用主要活动状态和优选旁路状态时，由全链式链路电路所生成的波形质量可能具有足够良好质量。因此，如上所述，可以仅当开关控制器306在活动状态与旁路状态之间进行转变时才瞬时地使用中间状态。例如，如果在正常操作中通常要求一种正活动状态，则开关t7a/t7b和t8a/t8b可在正常操作期间持续接通，其中开关t5和t6关断。单元然后可通过接通开关t4a/t4b而关断开关t2从旁路状态转变成中间正活动状态，并且然后通过接通开关t3a/t3b而关断开关t1来转变成主要正活动状态。

但是将会注意，将有可能通过有选择地控制开关t7a/t7b和t8a/t8b来得到其他中间状态。例如，在另一种中间活动状态中，开关t2和t3a/t3b可闭合或接通，其中开关t1和t4a/t4b关断，以便将单元端子102a连接到中点节点404，以及开关t5和t6可闭合，其中开关t7a/t7b和t8a/t8b打开，以便在负取向上将电容器101a连接在这些单元端子之间。还将有可能改为接通开关t6和t7a/t7b，以便将第二单元端子102b有效地连接到中点节点404，并且然后闭合封装301或者封装402a和402b中的一个或两者的开关，以便将电容器101a或者101b连接在单元端子之间。

如上所述，如果在正常使用中操作单元400b以便只提供主要正活动状态或优选(负)旁路状态(可能其中在这两种状态之间的转变期间短暂地使用正中间状态)，则这意味着开关t7a、t7b、t8a和t8b均在两种状态中传导电流。因此，与其他开关位置相比，更高电流额定值的半导体开关封装可用于这些开关位置中。另外地或备选地，更大数量的半导体开关封装可在这个开关位置处并联连接，以增加那个开关位置处的电流额定值。

应当注意，描述了单元400b及其操作的各种优点，其中单元被操作以便在主要活动状态期间提供正输出电压并且使用负旁路状态作为优选旁路状态。但是技术人员将理解，单元400b可在其他应用中被配置和/或操作以利用其他可能开关配置来提供类似优点。

如上所述，单元400a和400b能够被看作在某个方面与三电平中性点钳位拓扑类似。还能够使用具有其他拓扑的半桥和全桥单元来实现类似益处。

图5a和图5b分别图示按照实施例的半桥和全桥单元的另外的示例。在图5a和图5b中，使用类似参考数字来标识与先前附图中所示那些组件类似的组件。

单元500a共用与单元400a类似的拓扑，其中开关的第一集合由双开关半导体封装401所提供以供在活动状态中使用，以及开关的第二集合由并联连接的双开关半导体封装402a和402b所提供以供在旁路状态中使用。但是在单元500a中，存在一个主要dc电容器101，以及封装402a和402b的中间端子经由快速电容器501来耦合到封装401的中间端子。

单元500a能够被操作，以按照与以上相对于图4a所述的方式相同的方式来提供主要活动状态和旁路状态，其在与活动状态相比提供更大数量的并行开关以提供旁路状态的方面具有相同优点。单元500a还能够进行操作，以提供中间电压，但是按照与参照图4a所述的方式不同的方式进行操作。为了产生中间电压，开关t1和t3a/t3b能够接通，其中全部其他开关关断。这将与主要dc电容器101反串联的快速电容器501有效地连接在单元端子之间。备选地，能够采用开关t2和t4a/t4b来产生中间电压，其中全部其他开关关断。如果快速电容器的电压被保持为主要dc电容器101的电压vdc的一半，则这些中间活动状态均将产生vdc/2的相同中间电压电平。将会理解，如果快速电容器501被保持在某个其他非零电压电平(低于vdc)，则不同中间状态将引起不同幅值的中间电压。通过在这两种中间活动状态之间交替，能够平衡快速电容器501上的电压。(一个或多个)中间活动状态再次可通常仅用作主要活动状态与旁路状态之间的转变的一部分。

单元500b共用与单元400b类似的拓扑，但是基于如参照图5a所述的快速电容器设计，并且因此单元500b具有两个快速电容器501a和501b。

可按照与单元300和400b通常相同的方式来操作单元500b，以提供优选旁路状态以及正和负活动状态，其具有与先前所述的益处相同的益处。如上所述，在一些实现中，单元在正常操作中可由开关控制器306来控制，以响应于某个更高级的控制信号而在优选旁路状态与正活动状态之间交替，可能经由中间正活动状态在这两种状态之间进行转变，其中其他状态用于异常操作条件中。因此，如上所述，开关t7a/t7b和t8a/t8b可在正常操作中持续接通，而开关t5和t6可常断。

可通过接通开关t2和t4a/t4b(其中t7a/t7b和t8a/t8b接通)而全部其他开关关断，或者备选地通过接通t1和t3a/t3b(其中t7a/t7b和t8a/t8b接通)而全部其他开关关断来提供中间状态。

单元500a和500b提供如下优点：与在不用来在(优选)旁路状态中传导电流的位置中相比，在用来在(优选)旁路状态中传导电流的开关位置中提供更大数量的并行半导体元件。在一些应用中，单元500a和500b的快速电容器拓扑可优于单元400a和400b的中性点钳位拓扑。利用单个主要dc电容器101代替两个dc电容器101a和101b能够在设计和制造中提供更简单的单元架构。快速电容器501代替两个控向二极管403a和403b的使用还可在设计和制造方面提供更简单的单元架构。

图6a图示按照实施例的用于vsc的半桥单元600a的另外的示例。在图6a中，使用类似参考数字来标识与先前附图中所示的那些组件类似的组件。

单元600a包括主要dc电容器101和多个双开关半导体封装201。在这个示例中，第一和第二双开关半导体封装601和602跨主要dc电容器101串联连接，但是在这个布置中，单元端子102a和102b耦合到第一和第二双开关半导体封装601和602的中间端子。在这个示例中，因此通过接通第一半导体封装601的开关t1和第二半导体封装601的开关t4而其他开关关断来实现活动状态。因此，通过接通半导体封装601和602的开关t2a和t3a来提供旁路状态。为了提供用于旁路状态的附加并行开关，至少第三双开关半导体封装603耦合在单元端子102a与102b之间。第三双开关半导体封装503的开关t2b和t3b通常可与开关t2a和t3b同步地接通，以提供旁路状态。能够看到，在这个布置中，双开关封装503的第一开关t2b与半导体封装601的开关并联连接，以及双开关封装603的第二开关t3b与不同半导体封装602的开关并联连接。

为了提供电压平衡，第三双开关半导体封装603的中间端子耦合到第一与第二半导体封装601和602之间的节点，并且进一步耦合到两个辅助电容器604a与604b之间的节点。

单元600a的布置还提供用于中间输出状态的能力，即，单元600a还能够被看作是三电平拓扑，但是本领域的技术人员将会知道，它能够备选地被看作是二电平转换器的级联布置。中间电压能够经由两种不同的可能中间活动状态来提供。在一种中间状态中，辅助电容器504a串联连接在单元端子102a与102b之间，其中开关t1和t3a/t3b接通，而全部其他开关关断。备选地，另一种中间状态能够被提供，以便将辅助电容器504b串联连接在单元端子102a与102b之间，其中开关t2a/t2b和t4接通，而全部其他开关关断。但是如先前所述，中间状态在正常操作期间可以不需要，而是可仅当在主要活动状态与旁路状态之间进行转变(若有的话)时才短暂被使用。由于将只是很短暂地使用中间状态，所以辅助电容器604a和604b因此将仅需要适合供在相对短的时间周期内使用，这将意味着可使用相对小和/或不太贵的组件。

如同单元400a和500a那样，单元600a提供具有如下优点的半桥单元：当单元处于旁路状态时，与处于活动状态相比，经过更多并行半导体元件来传导电流。

单元600a的拓扑还提供另外的优点。单元600a包括中点连接404，使得全部机械组件能够在类似位置便利地连接。因此，这使电气绝缘要求为最小，这因此能够节省成本和浪费。能够提供另外的成本节省措施，因为降低的绝缘要求意味着也可使用更低成本的双开关半导体封装，同时仍然提供高质量波整形功能。

在一些实施例中，可通过使用分别跨每个电容器604a和604b所连接的高值电阻器605a和605b，无源地实现两个辅助电容器604a与604b之间的电压平衡。另外地或备选地，在一些实施例中，阻尼电阻器606a和606b可与相应辅助电容器604a和604b串联连接。这些阻尼电阻器606a和606b起作用以减弱（dampout）寄生振荡，所述寄生振荡能够通过在vsc(例如mmc)的链式链路电路中的单元600a的操作中可要求的极快开关速度来引起。这类阻尼电阻器可有用地在本文所述的其他实施例的一些实施例中实现，其中附加或辅助电容器—除了主要dc电容器之外—还被提供，并且在状态之间的切换转变(若有的话)期间仅在短时长内承载主要负载电流。

如先前所述，常规硅igbt已用作vsc(例如mmc)的链式链路电路的单元的半导体开关元件。但是，hvdc工业的发展意味着，碳化硅mosfet越来越多地作为半导体开关元件被提出以供在vsc中使用。碳化硅mosfet与硅igbt相比提供甚至更高的开关速度，并且因此阻尼电阻器在与碳化硅mosfet一起使用时将有利地被利用。

双开关半导体封装201的布置(其中至少一个双开关半导体封装并联连接在两个其他双开关半导体封装的中间端子之间)也能够用于基于参照图4a所述的三电平中性点钳位设计的拓扑中，以提供允许全桥类型操作的变体单元。图6b图示按照实施例的用于vsc的单元600b的另外的示例。在单元600b中，按照如参照图4a所述的方式类似的方式存在两个串联连接的dc电容器101a和101b。还存在三个双开关封装201。第一和第二双开关半导体封装601和602跨两个串联连接的dc电容器101a和101b串联连接。第三双开关半导体封装603并联连接在第一和第二双开关半导体封装601和602的中间端子之间。

但是在这个示例中，第一和第二双开关半导体封装601和602的中间端子还经由相应控向二极管403a和403b来连接到两个dc电容器101a与101b之间的中点404。第一单元端子102a也连接到这个中点节点404，其中第二单元端子连接到双开关半导体封装603的中间端子以及双开关半导体封装601与602之间的中点。

这个单元600b能够提供正活动状态、负活动状态和旁路状态。为了提供正输出电压，开关t3a/t3b和t4a接通，其中全部其他开关关断。这将电容器101b在正取向上连接在单元端子102a与102b之间，即，其中其正极板连接到第一单元端子102a。为了提供负活动状态，开关t1和t2a/t2b接通，其中全部其他开关关断。这将电容器101a在负取向上连接在单元端子102a与102b之间。旁路状态能够通过接通开关t2a/t2b和t3a/t3b而全部其他开关关断来提供。活动状态的每个因此仅将dc电容器101a或101b中的一个dc电容器连接在单元端子之间将是清楚的，并且因此在活动状态中所输出的电压幅值将是单个电容器的电压幅值(而不是如针对一些其他变体所述的串行的两个电容器)。还将会理解，单元600b不提供不同电压幅值的其他活动状态，但是如上所述，在旁路(零电压状态)与一个幅值的活动状态之间交替足以供在vsc的链式链路电路中使用。

通过这个开关布置，能够看到，与任一种活动状态相比，再次存在可用来在旁路状态中传导电流的更大数量的并联连接的开关元件。因此，当单元用于vsc(例如mmc)的链式链路电路中时，单元600b提供与以上所述的优点相同的优点。由于便利中点连接，单元600c的拓扑还提供与单元600a类似的优点。这再次提供降低的电气绝缘要求。

图7a和图7b图示按照另外的实施例、适合于vsc的链式链路电路的半桥单元700a和全桥单元700b的另外的设计。在图7a和图7b中，使用类似参考数字来标识与先前附图中所示的那些组件类似的组件。

单元700a包括单个电容器101和多个双开关半导体封装201。第一双开关半导体封装701跨电容器101来连接，其中其中间端子连接到第一单元端子102a。因此，双开关半导体封装701的开关t1在活动状态中接通而在旁路状态中关断，其中开关t2a在活动状态中关断而在旁路状态中接通。为了提供用于旁路状态中的电流的附加并行开关，第二双开关半导体封装702连接在单元端子102a与102b之间。这意味着，第一双开关半导体封装701的开关t2a与第二双开关半导体封装702的开关t2b和t2c的串联连接并联连接。

在这个布置中，第一双开关半导体封装701可具有与第二双开关半导体封装702不同的电压额定值。针对单元的dc电压，应当对第一双开关半导体封装701的开关t1和t2a中的每个开关定额。将会理解，在旁路状态中，将跨开关t1遭遇电容器101的dc电压，而在活动状态中，将跨开关t2a遭遇dc电压。但是，对于第二双开关半导体封装702，在活动状态中将跨串行的两种开关t2b和t2c来施加dc电压，因此第二双开关半导体封装702的每个开关的电压额定值可更低，例如一直到第一双开关半导体封装701的开关的电压额定值的一半。使用不同电压额定值的半导体封装能够是有利的，因为双开关半导体封装的更宽阵列能够在这些单元中用来在旁路状态中提供改进电流操控。

图7b的单元700b示出全桥变体，其中第二单元端子102b连接到第三双开关半导体封装703的中间端子，以及第四双开关半导体封装704连接在第二单元端子102b与(在这个示例中)连接到电容器101的下板的干线之间，以便提供用于优选旁路状态的并行开关通路。第四双开关半导体封装704可具有与第三双开关半导体封装703不同的更低的电压额定值。

与其他变体的一些变体相比，单元700a和700b还使用减少数量的组件，这能够提供更廉价和更小的单元以及更简单的制造过程。

为了避免与串联连接的开关t2b和t2c接通或关断关联的任何电压平衡问题，单元700a和700b的控制可被布置，使得略微在状态之间的转变中接通开关t2b和t2c之前特意接通开关t2a。同样，能够略微在当从旁路状态转变成活动状态时关断开关t2a之前关断开关t2b和t2c。这意味着，第一双开关半导体封装701的开关t2a充分接通，从而在开关t2b和t2c接通或关断的时间降低跨第二双开关半导体封装702的电压。这降低跨开关的电压应力，并且意味着电压平衡问题更不用担心。因此，第二双开关半导体封装702的中间端子能够保持为浮动。同样，如果t4b和t4c需要开关，则它们可在开关t4a之后接通并且在开关t4a之前被关断。

因此，以上所述的本公开的全部实施例确保位于用来在(优选)旁路状态期间传导电流的单元的开关位置处的每个半导体开关与至少一个其他半导体开关并联连接。在以上所述的全部实施例中，至少一个双开关半导体封装因此布置为附加开关封装，以提供用于旁路状态的并行开关。

例如参照回图3，双开关半导体封装301和302a可被看作提供主电流通路，而双开关半导体封装302b能够被看作是提供与双开关半导体封装302a的那些开关并行的附加开关的附加开关封装。同样，双开关半导体封装303和304a可被看作提供主开关通路，其中双开关半导体封装304b的开关t7b和8b是附加开关。在图4a、图4b、图5a和图5b的每个中，双开关半导体封装401和402a能够被看作提供主电流通路，其中附加双开关半导体封装402b提供与双开关半导体封装402a的那些开关并行的附加开关。在图6a和图6b中，双开关半导体封装601和603能够被识别为提供主电流通路，其中附加双开关半导体封装603提供与双开关半导体封装601和602的相应开关并行的附加开关。在图7a和图7b中，双开关半导体封装701提供主开关，其中双开关半导体封装702提供与主开关t2a并行的附加开关。因此，附加双开关半导体封装提供用于旁路状态中的并行开关，这意味着，通过只并联连接附加双开关半导体封装的更多附加双开关半导体封装，单元拓扑易于可扩展以提供用于旁路状态的任何预期数量的并行开关。

按照本公开的实施例的单元的另外的优点在于，这类附加并行半导体开关能够与主半导体开关物理分离。如所述，将附加开关定位在与主开关物理分离的位置处允许附加并联连接的双开关半导体封装的数量易于配置用于特定vsc应用。因此，组合附加半导体开关的电流额定值能够易于如对于特定应用所要求的那样增加或减少。

图8图示这个原理。图8图示与图6a中所图示的单元拓扑类似的单元拓扑。双开关半导体封装601和602布置成提供主半导体开关t1、t2a、t3a和t4，以用于提供旁路和活动状态。双开关半导体封装601和602位于第一主要冷却板801上。至少一个附加双开关半导体封装603位于物理分离的冷却板802上，以提供附加半导体开关t2b和t3b。提供分离的冷却板802能够允许相同基本单元设计，以允许可变数量的附加双开关半导体封装如对于特定应用所要求的那样易于接纳。

这个构造的一个可能缺点在于，具有按照这种方式物理分离的附加半导体开关t2b和t3b可引起从附加半导体开关到电容器的增加电感。在一些实施例中，主开关可定位成比较靠近主要dc电容器101，并且可通过相对短和低电感耦合(例如，比如具有电感小于50nh的汇流条803)来耦合到主要dc电容器101。如果附加开关相对远离地定位在分离的冷却板上，则可存在来自所要求的更长连接的对这些附加开关的更大杂散电感。

增加杂散电感的作用能够当接通或关断时引起附加半导体开关中的增加开关应力，这是不合需要的。与接通或关断开关相关联的电流中的变化能够与电感进行交互，以给予电压突跳（voltagekick），该电压突跳可引起开关上的增加电压应力。

通常，与主开关的给定一个主开关并行的任何(一个或多个)附加开关可与主开关基本上同时地接通或关断。但是，为了减轻增加杂散电感对附加开关的影响，在一些实施例中，开关控制器306可配置成交错主开关及其关联附加并行开关的接通和/或关断的定时。例如，在一些实施例中，(一个或多个)附加开关可略微在接通关联并行主开关之后被接通，以便降低附加开关上的电压应力。另外地或备选地，(一个或多个)附加开关可略微在关断关联并行主开关之前被关断。

图9a图示适合于图8中所图示的示例单元或子模块的开关定时控制的一个示例。

如先前所述，为了提供活动状态，利用正子模块输出电压，开关t1和t4接通，而剩余开关关断。图9a图示在这种活动状态中开始并且因此对开关t1和t4的栅极信号是高的以将这些开关保持为接通的示例。对主旁路开关t2a和t3a的栅极信号以及还有对附加旁路开关t2a和t3a的栅极信号全都是低的，使得这些开关全部关断。

为了转变成旁路状态，开关t1和t4关断，而旁路开关接通。但是，如由本领域的技术人员将会理解，提供活动状态的开关略微在提供旁路状态的开关接通之前实际被关断。关断开关的一个集合与接通开关的另一集合之间的这个所谓死区时间防止开关的两个集合至少部分同时接通，因此有效地连接电容器的上与下板，这可能导致不希望的电流直通状况。在当开关的两个集合均关断时的这个死区时间周期期间，电流仍然能够经由与半导体开关关联的二极管在单元中流动。

如先前所述，当半导体开关实现为igbt时，可存在跨igbt所连接的专用续流二极管，以允许反向传导。但是在至少某个应用中，可期望使用mosfet来代替用于hvdc应用的常规igbt，例如碳化硅mosfet。碳化硅mosfet的特征在于，不一定总是在开关元件中提供续流二极管。如本领域的技术人员将理解，mosfet具有固有体二极管，该固有体二极管能够执行与跨igbt的续流二极管类似的功能。但是，mosfet体二极管的性能是相对差的，因为体二极管因碳化硅的大带隙而具有相对高的正向偏压降(例如对于碳化硅为大约3v)。因此，一般惯例已经发展成在被选通导通（gated-on）时使用mosfet的传导沟道作为在正向方向和反向方向上的主要传导通路。体二极管然后仅在‘死区时间’期间瞬时地被使用，其中没有电压偏置在从一个传导开关到另一个传导开关的换向中被施加到开关。因此，图8中所图示的示例单元可通过具有固定体二极管的mosfet来实现。

参照回图9a，因此能够看到，在时间t1处，来自半导体开关t1和t4的栅极信号变低，以便关断这些开关。但是直到时间t2之前没有旁路开关被选通导通，以允许短的死区时间。但是在这个示例中，只有主开关t2a和t3a在时间t2处被选通导通。附加开关t3b和t4b仅在时间t3之后的短时间被选通导通。

图9a中所图示的交错开关能够降低开关应力，所述开关应力能够在附加半导体开关具有增加的物理间隔并且因此具有增加的杂散电感时被引起。当单元从活动状态转变成旁路状态时，主开关t2a和t3a就在附加开关t2b和t3b之前开始传导电流。主开关定位成比附加开关在物理上更靠近电容器，并且因此没有遭遇相同杂散电感影响。当用于旁路状态的主开关在附加开关之前开始传导电流时，这能够降低由附加开关所遭遇的开关应力(与同时操作全部旁路开关时的情况相比)。类似地，当单元从旁路状态转变成活动状态时，当主开关在时间t5处被选通截止以及用于活动状态的开关稍后在时间t6处被选通导通之前，用于旁路状态中的附加开关在时间t4处被选通截止。

将会注意，针对图9a所图示的开关示例从活动状态直接(具有作为转变的一部分的必要死区时间)转变成旁路状态，并且反之亦然，并且因此没有利用可以是可能的中间活动状态。但是将会理解，如果包括其中t1和t3a/t3b被选通导通而其他开关关断的中间状态和/或其中t2a/t2b和t4被选通导通而其他开关关断的中间状态，则相同原理可适用。在一些实例中，可以仅使用主开关来实现中间状态，其中附加开关仅用于旁路状态中，或者相关主和附加开关可顺次被开关，以提供中间转变状态。

显然的是，相同原理能够适用于其他单元。图9b图示类似定时控制可如何用于全桥单元(例如图3、图4b或图5b中所图示的全桥单元的任何全桥单元)的示例。在这些示例单元中，正活动状态通过开关t1和t2连同开关t7a/t7b和t8a/t8b一起被选通导通来提供。优选旁路状态通过开关t3a/t3b和t4a/t4b连同开关t7a/t7b和t8a/t8b一起被选通导通来提供。

在图9b中所图示的示例开关控制中，单元被控制成在正常操作中只在这两种状态(即，正活动状态和优选旁路状态)之间交替。因此，用于开关t7a/t7b和t8a/t8b(一般称作t7、t8)的栅极控制信号持续是高的，而用于开关t5和t6(未示出)的栅极控制信号持续是低的。仅对活动状态被选通导通的开关t1和t2以及仅对旁路状态被选通导通的开关t3a/t3b和t4a/t4b可按照与参照图9a对于针对于电压应力的类似优点所述的方式相同的方式来定序。

在上述示例中，仅在旁路状态期间传导电流的附加开关可在关联并行主开关之后被接通，并且可在关联并行主开关之前被关断。在一些实施例中，可使用其他定序。例如在一些实施例中，与开关转变关联的电压瞬变对于开关接通比关断可能更差。因此，附加开关可在关联并行主开关之前被关断，以便避免过度电压应力。但是对于开关接通，附加开关可在与关联并行主开关基本上相同的时间被接通。在一些实例中，附加开关可在关联并行主开关之前被接通。这将意味着，附加半导体开关(所述附加半导体开关可更远离dc电容器并且因此遭遇更大电感)将在非零电压处被接通而在零电压处被关断。由于与接通时相比，开关期间的瞬态过电压在关断时通常是更大问题，所以这减轻关断时的电压应力，并且对于mosfet实现具有如下优点：附加开关与电容器之间的更大电感将降低主mosfet中的电流的变化率并且因此降低其体二极管的反向恢复电流。

本发明的全部实施例可使用任何种类的双开关半导体封装来实现。但是，包括碳化硅mosfet的双开关半导体封装的使用提供如上所述的优点，并且表示本公开的一个特定方面。hvdc工业正走向双开关半导体封装的使用，因为这些封装能够易于并联连接，以提供更高电流额定值。与按照相同方式使用常规igbt相比，使用封装并联连接碳化硅mosfet提供对电流额定值和损耗的更大改进。

如以上相对于图9b所述，在一些实例中，可实现全桥单元拓扑，但是在正常操作中可能不使用负活动状态。因此，如先前例如针对图3所述，在一些开关位置处的开关可以没有被使用或者可在正常操作中持续接通。例如参照回图3，在第三开关位置处的开关t5和t6可在正常操作中持续关断，而在第四开关位置处的开关可持续接通。因此，在一些实施例中，在某个开关位置处、在正常操作中常断的开关可采用一个或多个二极管来取代。图10示出作为图3中所图示的单元的变体的实施例，其中在第三开关位置处的开关(t5和t6)通过低成本二极管1001取代。二极管1001在正常操作中将经过反向偏置，并且因此阻止传导。但是，当那些晶体管被关断以抑制dc侧故障电流时，二极管将充当缓冲电路以减轻第四位置t7/t8处的关断应力。

图10还图示，仅在活动状态中传导电流的开关集合也可通过预期数量的并行开关来实现，以及在这个示例中，第一开关位置包括并行的开关t1a和t1b以及并行的开关t2a和t2b。但是，在开关位置中存在在(优选)旁路状态中传导电流的更多并行开关。

图10还图示，在不同开关位置中可存在不同数量的并行开关，甚至对于用于(优选)旁路状态中的开关位置处也是如此。在图10中所示的示例中，由于第四开关位置中的开关在正常操作中持续接通，所以与在第二开关位置相比，在这个位置处可存在更大数量(在这个示例中为四)的并联连接的双开关半导体封装。

以上描述了各种不同拓扑和操作体系（regime），并且本领域的技术人员将会理解，针对一个实施例所述的各种特征通常可用于任何其他兼容实施例中。实际上，在一些实施例中，共同使用不同拓扑可以是有利的。作为示例，图11图示全桥单元1100的示例，其中第一单元端子102连接到按照诸如针对图5a所述三电平快速电容器类型拓扑之类的三电平快速电容器类型拓扑所实现的开关集合。这能够提供中间正活动状态的优点。第二单元端子连接到双开关半导体封装，所述双开关半导体封装具有可允许更易于制造和连接的诸如相对于图3所述单独电压平衡电容器之类的单独电压平衡电容器305。因此，能够为了上述各种优点而组合各个实施例的方面。

在另一个实施例中，附加双开关半导体封装可与(一个或多个)主要dc电容器串行定位。这个布置可适用于先前所述全桥单元的任何全桥单元。在这个实施例中，当操作在旁路状态中时，与电容器串行的封装可被操作以关断，因此将(一个或多个)电容器与单元的剩余部分完全隔离。在这个布置中，单元的顶部和底部干线均可同时并行传导电流。因此，这在旁路状态中跨甚至更大数量的半导体元件来分摊电流，并且因此提供进一步应力削减（stresssaving）措施。

通常，虽然与在(优选)旁路状态期间没有用于传导的开关位置中所提供的半导体开关数量相比，全部实施例允许更大数量的半导体开关并行布置在在(优选)旁路状态期间要求传导的开关位置中。

应当注意，用于vsc的链式链路电路的单元可提供有故障旁路开关，该故障旁路开关与正常操作中使用的单元的半导体开关分离。这样的故障旁路开关(该故障旁路开关可包括机械开关元件)用来在关于子模块的故障的情况下按照相对永久的方式使单元端子短路。故障旁路开关的一些变体可包括某个半导体开关元件。但是，故障旁路开关在单元的正常非故障操作期间没有被使用，并且因此在正常操作中没有在单元的正常旁路状态期间传导电流，并且改为仅用于单独故障状态中。

如上所述，本文所述单元的任何单元可用作vsc的一部分。图12图示按照本公开的实施例的可利用单元1200的vsc1201的一个示例。图12中所图示的vsc1201具有三个相分支1202a-c。每个相分支具有将相应ac端子1203a-c连接到正dc端子dc+的高压侧相臂以及将相应ac端子1203a-c连接到负dc端子dc-的低压侧相臂。要注意，如本文所使用的，术语“正”和“负”按照相对意义来使用，即，正端子与负端子相比更正/不太负。在一些实施例中，正或负dc端子中的一个可被保持在接地。在这个示例中，每个相臂包括链式链路电路1204，该链式链路电路1204包括多个串联连接的单元1200，其中单元1200的至少一些可以是按照上述实施例的任何实施例的单元。通过向链式链路电路的单元1200提供开关指令以提供跨整个链式链路电路1204的预期电压波整形，控制器1205可控制链式链路电路1204的单元的开关。

应当注意，上述实施例说明而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够设计许多备选实施例，而没有背离所附权利要求书的范围。词语“包括”并不排除除了权利要求书中所列的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一个（“a”或者“an”）”并不排除多个。权利要求书中的任何参考数字将不是被理解为限制其范围。