半导体开关串的制作方法

在输电网络中，交流(AC)电力通常转换成直流(DC)电力以便通过架空线路和/或海底电缆进行传输。经过这种转换，不需要补偿由输电线路或电缆施加的交流电容性负载效应，并降低每公里线路和/或电缆的成本，从而在需要长距离输电的情况下具有高性价比。

HVDC功率变换器用于将交流电转换成直流电。半导体开关元件例如晶闸管是HVDC功率变换器的关键部件，并且用作将交流电转换成直流电并且反之将直流电转换成交流电的可控整流器。

尽管所述半导体开关元件具有非常高的击穿电压并且能够承载强电流负载，但是即便同一批次的半导体开关元件也会呈现不同的性能特性。这导致难以操作例如其中集成了所述半导体开关元件的HVDC功率变换器。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于HVDC功率变换器中的半导体开关串(semiconductor switching string)，所述半导体开关串包括：多个串联的半导体开关组件，每个半导体开关组件具有主半导体开关元件，每个主半导体开关元件在导通时以导通模式操作，其中在所述导通模式下，导通电流从所述主半导体开关元件的第一端子流向其第二端子，每个主半导体开关元件在断开时从反向恢复模式过渡到阻断模式，其中在所述反向恢复模式下，反向恢复电流从第二端子流向所述第一端子，而在所述阻断模式下，所述第一端子与第二端子之间没有电流流动，每个主半导体开关元件具有有源(active)辅助电路，所述有源辅助电路电连接在所述第一端子与第二端子之间，并且每个有源辅助电路包括彼此串联的辅助半导体开关元件和电阻元件；以及与每个辅助半导体开关元件可操作地连接的控制单元，所述或每个控制单元配置成将相应的辅助半导体开关元件切换到导通状态(conducting state)以引导电流通过对应的电阻元件，并且所述或每个控制单元进一步配置成，至少在每个主半导体开关元件以其反向恢复模式或阻断模式中的一者操作时，使所有所述辅助半导体开关元件同时进入导通状态，由此当给定主半导体开关元件过渡到以其阻断模式操作时，跨所述给定主半导体开关元件的电压仅由跨电阻元件的电压决定，所述电阻元件位于电连接在所述给定主半导体开关元件的所述第一端子与第二端子之间的对应有源辅助电路中。

使跨以阻断模式操作的所述或每个主半导体开关元件的电压仅由跨对应有源辅助电路中的电阻元件的电压决定是有利的，因为这样可使跨所述或者每个主半导体开关元件的所述电压通过对应电阻元件的电阻值得到确定。

所述电阻值可以非常精确地控制在严格的制造容差(manufacturing tolerances)以内，因此可以精确地控制跨所述或每个所述主半导体开关元件产生的电压。准确控制电压的能力进而可以精确地管理所述半导体开关串中的多个半导体开关元件间的电压分配。

优选地，所述或每个控制单元另外配置成随后同时断开所有所述辅助半导体开关元件，以同时截断通过每个辅助电路和相关联电阻元件的电流流动。

通过断开每个辅助半导体开关元件，即将其切换到非导通状态，以同时截断通过每个电阻元件的电流流动，可进一步有助于维持对跨以其阻断模式操作的每个主半导体开关元件的电压的精确控制。

视情况而定，所述或每个控制单元配置成在半导体开关串内经历某一事件之后同时断开所有所述辅助半导体开关元件。

所述事件可以是以下事件中的一者：

(a)每个辅助半导体开关元件导通；

(b)跨对应主半导体开关元件和所述半导体开关串中的一者或者两者产生峰值电压；

(c)收到来自更高级别控制器的专用断开信号；

(d)流动通过每个辅助电路的电流达到稳定；以及

(e)跨对应主半导体开关元件和所述半导体开关串中的一者或者两者的电压达到稳定。

上述特征有利地使得所述或每个关联控制单元能够以可靠、准确并且可重复的方式同时断开所有所述辅助半导体开关元件。

在本发明的一个优选实施例中，每个辅助电路中的所述电阻元件具有电阻值，使得当对应的主半导体开关元件以其对应的阻断模式操作时继续流动通过所述电阻元件的电流量等于当所述主半导体开关元件以其反向恢复模式操作时流动通过所述对应主半导体开关元件的峰值反向恢复电流的至少10％。

每个辅助电路中的所述电阻元件可以具有电阻值，使得当所述对应主半导体开关元件以阻断模式操作时继续流动通过所述电阻元件的电流量等于当所述主半导体开关元件以反向恢复模式操作时流动通过所述对应主半导体开关元件的峰值反向恢复电流的30％到40％之间。

包括具有所述电阻值的电阻元件有助于确保当所有所述辅助半导体开关元件同时导通时产生的所得辅助电路串能够处理预期电流电平，例如，以使得本发明所位于的HVDC功率变换器能够继续操作，同时使得每个电阻元件对跨对应主半导体开关元件产生的电压具有预期程度的影响。

在本发明的一个进一步优选实施例中，每个辅助电路中的所述电阻元件具有相同电阻值。

所述布置意味着当每个关联的辅助半导体开关元件处于其导通状态时，跨所述半导体开关串中的每个电阻元件的电压将相同，进而使得当多个主半导体开关元件中的每个主半导体开关元件以其阻断模式操作时，跨所述每个主半导体开关元件产生的电压也相同。

结果，使所有所述辅助半导体开关元件同时处于其导通状态的效果在于：在几十微秒内，跨以阻断模式操作的所有所述主半导体开关元件将产生相等电压。使跨每个单独的主半导体开关元件产生相等电压是特别需要的，因为它有助于本发明的半导体开关串例如在HVDC功率变换器内进行最佳操作。

视情况而定，每个辅助半导体开关元件包括至少一个自换流(self-commutated)半导体开关。

相应的自换流半导体开关，即可经由门控制导通和断开的开关在断开性能特性方面呈现出比如自然换流(naturally commutated)半导体开关(例如常规晶闸管)小得多的变化，其中所述自然换流半导体开关可以经由门控制导通，但是只能通过将它们所在的电路布置成迫使流动通过其中的电流减小到零、然后持续一段时间(通常为几百微妙)来关闭，在此期间他们处于反向偏置(reverse-biased)。

所述断开性能特性的小变化使得能够更准确地断开所述装置，即更准确地同时断开所述装置，进而有助于保持对跨对应主半导体开关元件的电压的准确控制。

优选地，所述或每个自换流开关包括与所述自换流开关并联的缓冲电路。

包括一个或多个所述缓冲电路可取地有助于当所述或每个自换流开关断开时抑制跨所述自换流开关的电压的升高，并且还有助于确保跨对应主半导体开关元件的电压的变化率保持在安全限制内。

此外，在所述缓冲电路中包括电容部件为例如所述或每个关联控制单元提供了有用的电源。

所述或每个控制单元中的一个或多个控制单元可以进一步配置成在对应主半导体开关元件以其导通模式操作的同时，使至少一个辅助半导体开关元件处于导通状态。

使给定辅助半导体开关元件在与其相关联的主半导体开关元件以其导通模式操作时导通，将为所述缓冲电路内的电容部件建立放电路径，所述放电路径通过所述辅助半导体开关元件而不是通过对应主半导体开关元件。这会减小主半导体开关元件在切换到其导通模式时，即导通时将经受的电流应力。

视情况而定，所述或每个控制单元配置成在所述半导体开关串的操作周期中的给定参考点之后，使所有所述辅助半导体开关元件同时处于其导通状态并且持续预定时间段。

所述特征意味着所述或每个控制单元能够采用开环控制模式，其中在所述开环控制模式下，所述控制单元不依赖于来自其他元件的反馈，而所述依赖会增加所述或每个控制单元的复杂性并且/或者需要更广泛的通信网络才能传送所述反馈。

优选地，所述给定参考点是以下项中的一项：

(a)向每个主半导体开关元件发送导通信号；

(b)将导通信号发送到与本发明的半导体开关串可操作地关联的另一个半导体开关串；以及

(c)跨对应主半导体开关元件和所述半导体开关串中的一者或者两者产生零电压。

上述特征可取地使得所述或每个关联控制单元能够以可靠、准确并且可重复的方式导通所有所述辅助半导体开关元件，即，将它们切换到其导通状态。

现在将参照附图以非限制性示例的方式对本发明的优选实施例进行简要描述，在附图中：

图1示出了根据本发明第一实施例的半导体开关串的一部分；以及

图2示出了在形成图1中所示半导体开关串的一部分的给定半导体开关组件的操作期间的电流和电压电平。

如图1所示，根据本发明第一实施例的半导体开关串大体上用参考数字10表示。

半导体开关串10包括多个串联的半导体开关组件12，其中每个半导体开关组件12包括主半导体开关元件14。尽管图1中示出了三个半导体开关组件12，但是半导体开关串10可以包括数十个所述半导体开关组件12，甚至数百个半导体开关组件12。

在所示的实施例中，每个主半导体开关元件14是主晶闸管16、16′、16"，但是在本发明的其他实施例中，可以使用不同主半导体开关元件14，例如二极管、光触发晶闸管(LTT)、门断开晶闸管(GTO)、门换流晶闸管(GCT)或集成门换流晶闸管(IGCT)。优选地，优化主半导体开关元件14，以其他参数例如断开性能特性为代价而获得最低的导通(导通状态)损耗。

图示的每个主晶闸管16、16′、16"包括限定第一端子20的阳极18、限定第二端子24的阴极22以及限定控制端子28的门26，其中所述主晶闸管18可以经由所述控制端子导通。

更确切地说，每个主晶闸管16、16′、16"是自然换流，因此尽管所述主晶闸管可以通过上述门26即控制端子28导通，但是它只能通过以下方式来断开：将它所在的电路布置成迫使流动通过其中的电流减小到零，然后保持一段时间(通常为几百微秒)，在此期间其处于反向偏置，即，在此期间在第一连接端子20与第二连接端子24之间施加负电压。

当导通时，每个主晶闸管16、16′、16"以导通模式操作，其中在所述导通模式下，导通电流i_c从第一端子20向第二端子24流动。当断开时，即在自然换流时，每个主晶闸管16、16′、16"从反向恢复模式过渡到阻断模式，其中在所述反向恢复模式下，反向恢复电流irr从第二端子24向第一端子20流动，并且其中在所述阻断模式下，所述第一端子20与第二端子24之间没有电流流动。

每个主半导体开关元件14，即每个主晶闸管16、16′、16"都具有有源辅助电路30，所述有源辅助电路电连接在上述第一端子20与第二端子24之间，以便与对应主半导体开关元件14并联。在本发明的上下文中，“有源”意指可以任意控制所述辅助电路，即可通过例如电子可编程控制单元在操作和非操作配置之间切换，而不是由无源部件例如电阻器和电容器来控制其使用，所述无源部件只能对流动通过其中的电流或施加到其上的电压的变化作出反应，而无法独立于所述电流或电压做出操作性决策。

每个辅助电路30包括彼此串联的辅助半导体开关元件32和电阻元件34。

在所示实施例中，每个辅助半导体开关元件32包括单个自换流半导体开关36，即半导体开关36，所述半导体开关可以经由施加到开关36内的门控制的信号导通和断开。作为示例，所示的半导体开关36是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)38，但是其他可能的自换流半导体开关36包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、门断开晶体管(GTO)、双极结型晶体管(BJT)和集成门换流晶闸管(IGCT)。

每个IGBT 38与对应主晶闸管16、16′、16"反并联，并且其本身包括跨所述IGBT连接的反并联二极管40。

另外，所示的每个辅助半导体开关元件32包括串联二极管42，用于提供反向电流阻断能力。每个辅助半导体开关元件32还具有与自换流开关36，即IGBT 38，以及串联二极管42两者并联的缓冲电路44。每个缓冲电路44包括缓冲电阻器46以及以缓冲电容器48形式存在的电容部件，它们彼此串联。在本发明的其他实施例中，一些或全部缓冲电路可以仅与所述自换流开关并联。

在本发明的其他实施例(未示出)中，一个或多个所述辅助半导体开关元件32，例如相应自换流半导体开关36能够提供对称电压阻断能力的辅助半导体开关元件，可以省略串联二极管42。在所述布置中，所述对应自换流半导体开关36可能基于宽带隙材料，例如碳化硅。

在本发明的又一些其他实施例中(也未示出)，一个或多个辅助半导体开关元件32可以包括彼此串联的多个自换流半导体开关36。每个所述半导体开关36可以包括其自身的反并联二极管40以及相关联的串联二极管42。所述多个半导体开关32和二极管40、42组合可以各自具有与其并联的相应缓冲电路，或者若干半导体开关32和二极管40、42组合可以替代地具有与其并联的单个缓冲电路。

回到图1中部分示出的实施例，每个电阻元件34都为电阻器的形式，但是也可以使用其他类型的电阻元件。每个电阻器具有电阻值，所述电阻值在使用中使得当对应主晶闸管16、16′、16"以其阻断模式操作时，即当对应主晶闸管16、16′、16"完全断开时继续流动通过电阻元件34的电流量，等于当所述对应主晶闸管16、16′、16"以其反向恢复模式操作时流动通过所述主晶闸管的峰值反向恢复电流irr的至少10％，并且优选地在30％与40％之间。

更尤其是，每个电阻元件34具有相同的电阻值(符合极其严格/紧的(tight)制造容差)，所述电阻值将在例如75Ω到90Ω的范围内。但是，所述电阻值可能位于上述范围之外，具体取决于主晶闸管16、16′、16"的类型以及与包括在所述半导体开关串10内的所述主晶闸管16、16′、16"相关联的峰值反向恢复电流irr。

除了上述多个半导体开关组件12之外，本发明的半导体开关串10还包括控制单元50，所述控制单元可操作地与每个辅助半导体开关元件32连接。

如图1所示，所述半导体开关串10可以包括多个独立控制单元50，每个所述控制单元布置成与单个对应半导体开关元件32直接可操作地连接。或者，给定半导体开关串10内的多个或者实际上全部半导体开关元件32可共用单个控制单元(未示出)。

在所示的实施例中，每个控制单元50配置成将对应辅助半导体开关元件32切换到导通状态，即导通位于其中的自换流半导体开关36，以在所述对应主晶闸管16、16′、16"的第一端子20与第二端子24之间建立替代电流路径52(为清楚起见，图1中仅示出一个所述路径)，其中电流经由所述替代电流路径引导通过对应电阻元件34。

此外，每个控制单元50进一步配置成使每个控制单元中的所有辅助半导体开关元件32，即，所有自换流半导体开关36同时处于导通状态，同时每个主半导体开关元件14，即每个主晶闸管16、16′、16"首先以反向恢复模式操作，然后以阻断模式操作。

因此，每个控制单元50配置成在对应主晶闸管16、16′、16"以反向恢复条件操作时导通每个控制单元的关联辅助半导体开关元件32(尽管在本发明的其他实施例中，这可能在对应主晶闸管16、16′、16"以其反向恢复条件操作之前执行)，并且一旦所述对应主晶闸管16、16′、16"完成其反向恢复并且以其阻断模式操作，就断开所述关联辅助半导体开关元件32。

但是在本发明的其他实施例中，所述或每个控制单元50可以配置成仅在每个主半导体开关元件14以其反向恢复模式以及其阻断模式中的一者或另一者操作时，使所有所述辅助半导体开关元件32同时处于导通状态。

同样地，在这种性质的其他实施例中，所述控制单元50中的一个或多个控制单元可替代地配置成在主晶闸管16、16′、16"开始以阻断模式操作的同时导通控制单元的关联辅助半导体开关元件32。

通过单独编程并且能够协调每个控制单元50与每个其他控制单元50的操作，或者通过指示每个控制单元按照例如一个更高级别控制器的要求进行操作，可以以上述方式中的每一种方式配置每个控制单元50。

在包括仅一个或者减少数量的共用控制单元的实施例中，所述或者每个此类控制单元可以以类似方式配置，即单独编程并且能够协调其操作，或者指示所述控制单元按照某个更高级别实体的要求进行操作。

回到图示的实施例，当每个主晶闸管16、16′、16"以其反向恢复模式操作并且然后以其阻断模式操作时使控制单元50能够确保所有所述辅助半导体开关元件32同时处于其导通状态的一种实用方式是：将控制单元50配置成在半导体开关串10的操作周期中的给定参考点的一段预定时间之后使所有所述辅助半导体开关元件32同时处于其所述导通状态。

所述操作周期内的可能参考点是：

(a)发送导通信号，例如，从较高级别控制器向每个主半导体开关元件14即每个主晶闸管16、16′、16"发送；

(b)发送导通信号，例如，从较高级别控制器向与本发明的半导体开关串10可操作地关联的另一个半导体开关串发送，其中所述另一个半导体开关串例如是位于本发明的半导体开关串10所在的HVDC功率变换器的不同支路部分中的另一个半导体开关串；或者

(c)跨所述主晶闸管16、16′、16"和所述半导体开关串10中的一者或者两者产生零电压。

在任何情况下，每个控制单元50另外配置成随后同时断开所有所述辅助半导体开关元件32。这样将同时截断通过每个辅助电路30及其关联电阻元件34的电流流动，所述电流是先前经由导通所述辅助半导体开关元件32临时形成的流过相应替代电流路径52的电流。

如上所述，每个控制单元50配置成在对应主晶闸管16、16′、16″已完成其反向恢复之后，即当对应主晶闸管16、16′、16"以其阻断(blocking)模式操作时，断开关联的辅助半导体开关元件32。

但是，在本发明的其他实施例中，所述控制单元50中的一个或多个控制单元可以配置成在对应主晶闸管16、16′、16"处于反向恢复的后期时，即在主晶闸管16、16′、16"开始以其阻断模式操作之前不久并且当流动通过主晶闸管16、16′、16"的反向恢复电流i_rr接近零时，断开一个或多个控制单元关联的辅助半导体开关元件32。

此外，使控制单元50能够在预期点同时断开所有所述辅助半导体开关元件32的一种实用方式是在半导体开关串10内经历某个事件之后才执行所述操作。

所述事件可以是以下事件中的一者：

(a)导通每个辅助半导体开关元件32；

(b)跨所述对应主晶闸管16、16′、16"和所述半导体开关串10中的一者或者两者产生峰值电压。

(c)收到来自更高级别控制器的针对每个辅助半导体开关元件32的专用断开信号；

(d)流动通过每个辅助电路30的电流达到稳定；以及

(e)跨所述主晶闸管16、16′、16"和所述半导体开关串10中的一者或者两者的电压达到稳定。

在使用中，图1中所示的半导体开关串10如下文参考图2所述进行操作，图2示出了流动通过主晶闸管16、16′、16"的电流，即晶闸管电流i_thy，以及流动通过开关串10的给定半导体开关组件12内的对应辅助电路30的电流，即，辅助电流i_aux，以及流动通过开关串10本身的电流，即串电流i_string。

当每个主半导体开关元件14，即每个主晶闸管16、16′、16"导通并以其各自的导通模式操作时(如图2中的第一周期54所示)，正向的导通电流i_c能够从每个主晶闸管16、16′、16"的第一端子20流向第二端子24，并因此作为一个整体经由每个半导体开关组件12流动通过半导体开关串10。因此晶闸管电流i_thy和串电流i_string中的每一者均等于导通电流i_c。同时，每个辅助半导体开关元件32断开，即处于其非导通状态，因此流动通过每个对应辅助电路30的电流即辅助电流i_aux为零。

当每个主晶闸管16、16′、16"断开时，即当流动通过其中的导通电流i_c被强制为零并且变成反向偏置时，它们首先以其反向恢复模式操作(如在图2中的第二周期56中所示)，其中反向恢复电流i_rr能够从第二端子24流向其第一端子20。

初始地在第二周期56期间，晶闸管电流i_thy和串电流i_string两者均等于反向恢复电流irr，并且所述辅助电流i_aux保持为零。

每个辅助半导体开关元件32的导通58在所述对应主晶闸管16、16′、16"开始66支持电压之前并且在对应主晶闸管16、16′、16"以其反向恢复模式操作时执行。所述导通58产生电流，即从半导体开关串10中的上一个半导体开关组件12流出，然后被引导通过对应辅助电路30和位于对应辅助电路中的电阻元件34的电流。所述电流初始在主晶闸管16、16′、16"与对应辅助电路30之间共用(shared)。

此后，随着每个所述主晶闸管16、16′、16"继续恢复，即过渡到能够在以其阻断模式操作时阻断电流，辅助电流i_aux，即流动通过半导体开关36以及每个辅助电路30的电阻元件34两者的电流将在晶闸管电流i_thy减小时增大。在同一周期中，所述串电流i_string增大，然后下降。

一旦每个主晶闸管16、16′、16"已经转换到其阻断模式(如图2中的第三周期60中所示)，其第一端子20与第二端子24之间没有电流流动，并且因此晶闸管电流i_thy为零。同时，所有所述辅助半导体开关元件32同时保持在导通状态，即，所有辅助半导体开关元件32及其相应的关联辅助电路30同时处于操作配置，并且因此继续流动通过半导体开关串10的电流仅由流动通过每个辅助电路30的电流组成。结果，串电流i_string变得与辅助电流i_aux相等。

在此阶段，半导体开关串10实质上是一串辅助电路30，因为每个主晶闸管16、16′、16"已恢复其电压阻断能力，即正在以阻断模式操作，因此有效地限定了开路。结果，跨每个主晶闸管16、16′、16"的电压，即，跨每个主半导体开关元件14的电压仅由跨对应辅助电路30中的电阻元件34的电压决定，所述辅助电路电连接在所述主晶闸管16、16′、16"的第一端子20与第二端子24之间。

此外，由于每个电阻元件34的电阻值是相同的，因此如图2所示，跨每个主晶闸管16、16′、16"的电压v、v′、v"也是相同的。因此，跨整个半导体开关串10的电压在多个主晶闸管16、16′、16"之间均等地分配。

每个辅助半导体开关元件32，即每个自换流半导体开关34的同时断开62使得每个所述辅助半导体开关元件32和相关联的缓冲电路44上发生暂时电压过冲，所述暂时电压过冲进而表现为每个对应主晶闸管16、16′、16"上的电压过冲64。但是，阻止了电流流动通过每个对应辅助电路30，因此辅助电流i_aux下降到零，并且跨每个主晶闸管16、16′、16"的电压v、v′、v′恢复为相等的共用(shared)值。

在本发明的更进一步实施例中(未示出)，一个或多个所述半导体开关组件可以包括改进辅助半导体开关元件，在所述改进辅助半导体开关元件中，串联二极管替换成另一个自换流半导体开关，所述另一个自换流半导体开关相对于原始自换流半导体开关反向方向连接，以使所述改进辅助半导体开关元件能够提供对称的电压阻断能力。在所述实施例中，可操作地与所述改进辅助半导体开关元件相关联的所述控制单元可以进一步配置成在对应主晶闸管以其导通模式操作时使所述改进辅助半导体开关元件处于其导通状态。

所述改进辅助半导体开关元件的所述导通为缓冲电路内与所述改进辅助半导体开关元件并联的电容器提供电流放电路径，其中所述电流放电路径通过所述辅助半导体开关元件，而不是通过所述对应主晶闸管，因此相对于所述主晶闸管在切换到其导通模式中时，即导通时，减少了所述主晶闸管经历的电流应力。

一旦所述电容器已经放电，流动通过所述辅助半导体开关元件的电流就下降到零，并且所述辅助半导体开关元件可以断开以节省电能。在接近对应主半导体开关元件以其反向恢复模式操作时，可以根据需要再次导通所述辅助半导体开关元件。或者，它可以在对应主半导体开关元件以其导通模式操作的整个期间内保持导通。