專(zhuān)利名稱(chēng)：用于限制電力傳輸或分配線的電流和/或使其斷路的裝置中的開(kāi)關(guān)模塊的制作方法
用于限制電力傳輸或分配線的電流和/或使其斷路的裝置中的開(kāi)關(guān)模塊本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)模塊，其被設(shè)置成用于限制流過(guò)電力傳輸或者分配線的電流和/或使該電流斷路的裝置中，其中，該開(kāi)關(guān)模塊包含至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件、設(shè)置成根據(jù)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)來(lái)分別接通和關(guān)斷該至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的柵極(gate)單元以及設(shè)置成向柵極單元的電源輸入端提供電力的儲(chǔ)能電容器。本發(fā)明最初源于高壓直流(HVDC)斷路器和電流限制器的領(lǐng)域，也就是開(kāi)關(guān)裝置的領(lǐng)域，其能夠限制流過(guò)電力傳輸線的直流和/或使該直流斷路，其中該線處于50kV以上的電壓電平。然而，本發(fā)明還可應(yīng)用于用于中壓直流電力分配的斷路器，也就是用于大約IkV和50kV之間的DC電壓范圍，并且本發(fā)明的雙向?qū)嵤├踔量蓱?yīng)用于以任何電壓電平用于AC電力傳輸和分配的斷路器。 在EP0867998B1中，描述了一種固態(tài)DC斷路器，其包括至少一個(gè)主功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和作為電涌放電器工作的非線性電阻的并聯(lián)連接。當(dāng)操作直流斷路器以中斷直流傳輸或者分配線中的直流電流時(shí)，該至少一個(gè)主功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)將直流電流換向(commutate)到非線性電阻中，然后非線性電阻通過(guò)消耗直流線中存儲(chǔ)的能量來(lái)減小直流電流。在PCT/EP2009/065233中，提出了另一固態(tài)直流斷路器，與主功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和電涌放電器的并聯(lián)連接并聯(lián)的該另一固態(tài)直流斷路器包含機(jī)械高速開(kāi)關(guān)和至少一個(gè)輔助功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的串聯(lián)連接。在實(shí)踐中，為了可應(yīng)用于直流電力傳輸或者分配系統(tǒng)的電壓電平，這樣的固態(tài)直流斷路器需要包含大量的串聯(lián)連接的主功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，這是因?yàn)閱蝹€(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)具有相當(dāng)?shù)偷念~定電壓。在幾十萬(wàn)伏的HVDC電壓電平的情況下，串聯(lián)連接的主功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的數(shù)量能容易地達(dá)到幾百。關(guān)于本發(fā)明，直流斷路器或者直流電流限制器的主功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)以及可能存在的輔助功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)各表示開(kāi)關(guān)模塊，也就是，除了一個(gè)或者多個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件夕卜，它們還包括柵極單元和儲(chǔ)能電容器。例如，在EP0868014B1中詳細(xì)描述了這樣的開(kāi)關(guān)模塊，其中儲(chǔ)能電容器經(jīng)由直流/直流變換器連接到柵極單元的電源輸入端。電容器中存儲(chǔ)的能量經(jīng)由該直流/直流變換器轉(zhuǎn)換為柵極單元要求的直流供電電壓，以用于其接通和關(guān)斷至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的通常操作。儲(chǔ)能電容器自身連接到所謂的高壓初級(jí)電路，也就是，它連接到與那個(gè)特定開(kāi)關(guān)模塊的至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件相同的電路，因而連接到相同的高壓電平。每當(dāng)至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件處于阻塞狀態(tài)，也就是，非導(dǎo)通-開(kāi)關(guān)狀態(tài)，儲(chǔ)能電容器就被充電。關(guān)于包含主和/或輔助功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的直流斷路器和直流電流限制器，向開(kāi)關(guān)元件的柵極單元供電的這種已知的方式看起來(lái)像是成問(wèn)題的，這是因?yàn)樵谡５牟僮鳁l件下，直流斷路器或者直流電流限制器應(yīng)該長(zhǎng)時(shí)間地導(dǎo)通，優(yōu)選的是一年或者更長(zhǎng)，而沒(méi)有對(duì)于開(kāi)關(guān)操作的任何需要。因此，它們的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的至少一部分是永久地導(dǎo)通的，因此不提供將允許對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能電容器的要求的充電或者再充電的阻塞狀態(tài)。這使得難以確保在功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件被操作的情況下有足夠的電力能供給柵極單元。另外，使直流斷路器進(jìn)入操作通常意味著對(duì)應(yīng)的電力傳輸或者分配線之后從直流電網(wǎng)分離，從而讓初級(jí)電路處于零電壓。因此，僅在當(dāng)斷路器斷開(kāi)時(shí)的稀有和短時(shí)期期間，直流斷路器的開(kāi)關(guān)模塊的儲(chǔ)能電容器的充電或者再充電是可能的。如果儲(chǔ)能電容器的重復(fù)和定期的充電不能得到保證，則對(duì)應(yīng)的直流斷路器或者直流電流限制器的可靠性顯著降低。從中壓變換器應(yīng)用已知一種用于給功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的柵極單元提供電力的不同解決方案，其中經(jīng)由脈沖變壓器使用遠(yuǎn)程供電，也就是，該供電獨(dú)立于初級(jí)電路工作。然而，由于設(shè)計(jì)和成本原因，該解決方案不能應(yīng)用于高壓電平，這是因?yàn)槊總€(gè)脈沖變壓器的絕緣需要至少經(jīng)受住標(biāo)稱(chēng)直流電壓，這對(duì)于高壓應(yīng)用意味著幾十萬(wàn)伏。在高壓直流斷路器的情況下，在斷開(kāi)動(dòng)作期間的過(guò)壓應(yīng)力甚至要求幾乎兩倍直流電壓的絕緣水平。本發(fā)明的目的在于介紹一種用于直流斷路器或者直流電流限制器中的開(kāi)關(guān)模塊的解決方案，尤其是應(yīng)用于HVDC，通過(guò)該解決方案，該開(kāi)關(guān)模塊的可靠性得到提高，因而直流斷路器或者直流電流限制器的可靠性也得到提高。

通過(guò)如下開(kāi)關(guān)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的，該開(kāi)關(guān)模塊還包括功率轉(zhuǎn)換部件，其被設(shè)置成經(jīng)由光功率信號(hào)來(lái)接收功率，將光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電功率信號(hào)并將該電功率信號(hào)提供給儲(chǔ)能電容器。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)向儲(chǔ)能電容器提供光功率供應(yīng)，使得柵極單元的供電獨(dú)立于初級(jí)電路中的電壓條件。因此，儲(chǔ)能電容器的充電和再充電能夠以預(yù)定的時(shí)間間隔定期地發(fā)生，以便能總是確保足夠的功率可用于柵極單元以在任何時(shí)候要求時(shí)操作一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件。因而，包含這樣的開(kāi)關(guān)模塊的直流斷路器或者直流電流限制器的操作性和可靠性得到顯著提高。由于使用經(jīng)由光纖光纜傳送的光功率信號(hào)(也就是，光，優(yōu)選地激光)替代了電功率信號(hào)，因此克服了上述的脈沖變壓器解決方案的絕緣問(wèn)題。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，光功率信號(hào)為低于I瓦特的低功率信號(hào)。由于與用于較高功率電平的設(shè)備相比低功率設(shè)備通常以更大的可靠性為特色，所以低功率光功率供應(yīng)的使用有助于進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)模塊的可靠性。如果使用低功率光功率供應(yīng)，那么需要采用某些措施以將柵極單元的內(nèi)部功率需求保持在低水平。實(shí)現(xiàn)此的優(yōu)選方式是將柵極單元執(zhí)行的功能的數(shù)量減小至最小水平。如在介紹中提到的，可應(yīng)用于直流電力分配和傳輸系統(tǒng)的中和高壓電平的當(dāng)今的直流斷路器或者直流電流限制器需要包含串聯(lián)連接的相當(dāng)大數(shù)量開(kāi)關(guān)模塊。在串聯(lián)連接中，為了避免對(duì)其中一些開(kāi)關(guān)模塊的非期望的電壓應(yīng)力(由于不同開(kāi)關(guān)模塊的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的不同開(kāi)關(guān)特性)，在動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)過(guò)程期間相等電壓分配的問(wèn)題是重要的。已知的柵極單元在高壓變換器閥(其中在這些閥中多個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接并且每個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)配備有其自身的柵極單元)中執(zhí)行的功能之一是要確保在動(dòng)態(tài)過(guò)程和瞬態(tài)過(guò)程期間串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)之間相等的電壓分配。根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選的實(shí)施例，該功能不是由柵極單元而是由RCD緩沖器電路(snubber circuit)來(lái)執(zhí)行,RCD緩沖器電路被包含在開(kāi)關(guān)模塊中并與至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)連接。RCD緩沖器電路包括至少一個(gè)電阻、至少一個(gè)電容器和至少一個(gè)二極管。RCD緩沖器在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且例如在W096/27230中被公開(kāi)。RCD緩沖器能被設(shè)置用于單向開(kāi)關(guān)模塊和雙向開(kāi)關(guān)模塊(參見(jiàn)下文)，其中單向RCD緩沖器包括用于一個(gè)電流方向的電容器和二極管的串聯(lián)連接，二極管與電阻并聯(lián)，而雙向RCD緩沖器另外包括用于另一個(gè)電流方向的電容器和二極管的串聯(lián)連接，二極管再次與電阻并聯(lián)。在功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的關(guān)斷期間，流過(guò)開(kāi)關(guān)元件的電流經(jīng)由緩沖器二極管之一(其對(duì)應(yīng)與該電流方向)換向到至少一個(gè)緩沖器電容器中。如上介紹中描述的，直流斷路器典型地包含多個(gè)串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)模塊的組，這些開(kāi)關(guān)模塊一起與作為電涌放電器工作的非線性電阻并聯(lián)連接。直流電流限制器包含多個(gè)這樣的組。當(dāng)操作直流斷路器或者直流電流限制器時(shí)，這些組的開(kāi)關(guān)模塊被同時(shí)關(guān)斷。因此，對(duì)于每個(gè)組的所有的串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)模塊，發(fā)生電流到緩沖器電路中的相同換向。結(jié)果，每個(gè)組的緩沖器電容器被充電直到每個(gè)組的緩沖器電容器電壓的總和高到足以使該組的放電器接收(take over)該電流。當(dāng)這些組開(kāi)關(guān)模塊再次接通時(shí)，緩沖器電容器經(jīng)由對(duì)應(yīng)的緩沖器電阻來(lái)放電。這導(dǎo)致某些損耗，然而，由于操作動(dòng)作的很少發(fā)生，所述損耗在直流斷路器和直流電流限制器的應(yīng)用中是不重要的。除了相等動(dòng)態(tài)電壓分配，RCD緩沖器具有一些另外的優(yōu)點(diǎn)。由于RCD緩沖器中至少一個(gè)電容器的存在，跨越對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的電壓的上升速率受到限制。因此，各個(gè)開(kāi)關(guān)特性(像例如，功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的各個(gè)關(guān)斷延遲，其在串聯(lián)連接的 開(kāi)關(guān)模塊之間可不同)不再具有意義。另外，受限制的電壓上升速率結(jié)合下面描述的IGBT或者BIGT模塊的并聯(lián)連接顯示了其優(yōu)點(diǎn)，此外，因?yàn)椴煌拈_(kāi)關(guān)延遲不再具有較大的意義，因此消除了損害模塊之間的高頻振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。一般而言，能聲明的是由于RCD緩沖器，將IGBT或者BIGT模塊相互串聯(lián)和/或并聯(lián)連接成為可能，而同時(shí)不需要提供復(fù)雜且功率要求高的柵極單元以處理(takecare of)均勻的電壓分配和可能的高頻振蕩。RCD緩沖器的另一優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)功率半導(dǎo)體元件被關(guān)斷時(shí)，緩沖器電容器使得電壓在零開(kāi)始，也就是，在零電壓處執(zhí)行開(kāi)關(guān)。結(jié)果，在關(guān)斷期間且因此在直流斷路器或者直流電流限制器的操作期間，生成較少的瞬時(shí)損耗。降低的損耗允許在達(dá)到功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的熱界限之前更高的關(guān)斷電流和/或更大數(shù)量的重復(fù)開(kāi)關(guān)事件。在本發(fā)明的一另外的實(shí)施例中，柵極單元經(jīng)由H橋連接到功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的柵極，H橋產(chǎn)生并輸出驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的柵極所要求的雙極性直流電壓，其中H橋由單極性直流電壓供電并輸出對(duì)稱(chēng)的雙極性直流電壓，例如正負(fù)15V。根據(jù)該實(shí)施例，柵極單元能夠以單極性直流電壓在內(nèi)部操作，與從EP0868014B1已知的柵極單元相反，其以雙極性直流電壓且因此以?xún)蓚€(gè)內(nèi)部電源來(lái)在內(nèi)部操作。使用單極性操作直流電壓甚至進(jìn)一步降低柵極單元的內(nèi)部功率需求，并使其甚至更適于以低的供電電平使用。當(dāng)使用兩個(gè)內(nèi)部電源而不是H橋時(shí)，柵極單元能產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的直流電壓，例如，+18伏和-5伏。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)模塊還包括控制信號(hào)檢測(cè)器，其被設(shè)置成從接收的電功率信號(hào)分離出電控制信號(hào)，并將該電控制信號(hào)提供給柵極單元。換句話說(shuō)，控制信號(hào)被并入相同的光信號(hào)，該控制信號(hào)尤其包含開(kāi)關(guān)控制信號(hào)以發(fā)起柵極單元接通或者關(guān)斷至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件。該光信號(hào)也包含功率信號(hào)，并且在通過(guò)功率轉(zhuǎn)換部件進(jìn)行的信號(hào)轉(zhuǎn)換之后，該控制信號(hào)仍然被包含在電功率信號(hào)中。這樣，消除了對(duì)另外的光纖光纜的需要。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，開(kāi)關(guān)模塊的柵極單元被設(shè)置成生成關(guān)于開(kāi)關(guān)模塊的元件中至少一個(gè)元件的功能性的狀態(tài)信息，并且開(kāi)關(guān)模塊還包括信號(hào)轉(zhuǎn)換部件，其被設(shè)置成將該狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為光信息信號(hào)并將該光信息信號(hào)發(fā)送到中央控制單元。以光學(xué)方式發(fā)送該狀態(tài)信息是由于如下事實(shí)開(kāi)關(guān)模塊在直流斷路器或者直流電流限制器應(yīng)用中被設(shè)置在高達(dá)幾十萬(wàn)伏的高壓電平。使用光通信簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并提高了通信系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)向中央控制單元提供狀態(tài)信息，中央控制單元單獨(dú)地處理每個(gè)連接的開(kāi)關(guān)模塊成為可能，例如，在報(bào)告要求進(jìn)一步調(diào)查的可疑狀態(tài)的情況下，通過(guò)送回一控制信號(hào)以開(kāi)始特定的測(cè)試?yán)獭Ｖ醒肟刂茊卧赏瑫r(shí)生成發(fā)起至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)裝置的接通和關(guān)斷的、上面提到的控制信號(hào)。在直流斷路器和直流電流限制器應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)模塊的開(kāi)關(guān)能被延遲高達(dá)數(shù)十微秒，直到有足夠數(shù)量的開(kāi)關(guān)模塊準(zhǔn)備好開(kāi)關(guān)，這是因?yàn)橹绷鲾嗦菲骰蛘咧绷麟娏飨拗破鞯膶?shí)際操作與例如變換器應(yīng)用中所要求的相比需要更少瞬時(shí)地發(fā)生。因此，能確保的是開(kāi)關(guān)模塊盡可能同時(shí)被接通或關(guān)斷。換句話說(shuō)，通過(guò)與中央控制單元交換狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)中央控制單元和直流斷路器或者直流電流限制器的所有開(kāi)關(guān)模塊之間的“握手”協(xié)議成為可能，其中用該“握手”協(xié)議裝備(arm)所有的柵極單元并且該“握手”協(xié)議同步所有的柵極單元以及發(fā)出實(shí)際的接通或者關(guān)斷控制信號(hào)(僅當(dāng)所有或(在冗余情況下)足夠的開(kāi)關(guān)模塊準(zhǔn)備好)。
開(kāi)關(guān)模塊的至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件能是不同的類(lèi)型和設(shè)計(jì)，取決于其中將要使用開(kāi)關(guān)模塊的直流斷路器或者直流電流限制器的操作和成本要求。在下文中，簡(jiǎn)要描述了一些優(yōu)選的類(lèi)型，它們適于用于單向的或者雙向的直流斷路器或者直流電流限制器中。為了可應(yīng)用于雙向直流斷路器或者直流電流限制器，需要使單向功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件加倍(duplicate)，并且該加倍需要被設(shè)置用于相反的電流方向，S卩，在與原始的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件反并聯(lián)或者反串聯(lián)的方向上。在至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的一個(gè)單向類(lèi)型中，開(kāi)關(guān)元件包括第一模塊，第一模塊包含一個(gè)第一 IGBT或者多個(gè)IGBT的第一并聯(lián)連接以及一個(gè)第一二極管或者多個(gè)二極管的第一并聯(lián)連接，其中所述一個(gè)或多個(gè)二極管與IGBT或者IGBT的并聯(lián)連接反并聯(lián)連接。是否使用一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)連接的IGBT和二極管，取決于要用功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件達(dá)到的電流電平，也就是，并聯(lián)連接的IGBT和二極管的數(shù)目越多，額定電流就越高，其中經(jīng)由相同的柵極單元控制所有的并聯(lián)連接的IGBT。雙向功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件能通過(guò)以反并聯(lián)或者反串聯(lián)連接而連接適當(dāng)數(shù)目的上述模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中在IGBT具有反向阻塞能力的情況下，反并聯(lián)連接是可能的。換句話說(shuō)，開(kāi)關(guān)模塊然后還包括與第一模塊反并聯(lián)或者反串聯(lián)連接的至少第二模塊，第二模塊包含一個(gè)第二 IGBT或者多個(gè)IGBT的第二并聯(lián)連接以及一個(gè)第二二極管或者多個(gè)二極管的第二并聯(lián)連接，其中所述一個(gè)或多個(gè)二極管再次與IGBT或者IGBT的并聯(lián)連接反并聯(lián)連接。實(shí)踐中，第一模塊和第二模塊可基于IGBT和二極管的芯片的不同的物理封裝概念。每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)于包含IGBT和對(duì)應(yīng)的反并聯(lián)二極管的集成的一個(gè)單個(gè)封裝，或者相同電流方向的所有并聯(lián)連接的IGBT集成在一個(gè)封裝中，以及相同電流方向的所有并聯(lián)連接的二極管集成在另一封裝中。后面的設(shè)計(jì)將克服在第一設(shè)計(jì)方面可能發(fā)生的問(wèn)題。在第一設(shè)計(jì)中，不同封裝的二極管可能源于不同的生產(chǎn)周期，并且因而它們?cè)谒鼈兊奶匦苑矫婵赡苌晕⒉煌?，諸如正向電壓降。由于這些二極管具有負(fù)溫度系數(shù)，所以不同的正向電壓降可能會(huì)引起二極管之間的非期望的電流流動(dòng)，這可能導(dǎo)致二極管芯片的所謂的熱逸散，也就是，由于電流流動(dòng)導(dǎo)致溫度的增加，這甚至進(jìn)一步增加電流流動(dòng)。當(dāng)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的相同電流方向的所有并聯(lián)二極管被集成在相同封裝中時(shí)(如在第二設(shè)計(jì)中提議的)，則確保它們的特性盡可能接近彼此來(lái)匹配，從而最小化熱逸散的風(fēng)險(xiǎn)。在功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的上述類(lèi)型的特別的實(shí)施例中，二極管為線換向二極管。通常，所謂的快速恢復(fù)二極管被用作IGBT的反并聯(lián)二極管，這是因?yàn)樗鼈兲貏e適合于IGBT通常打算用于的快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用。然而，在直流斷路器和直流電流限制器的情況下，不要求快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以便可替代成使用諸如從標(biāo)準(zhǔn)50HZ整流器應(yīng)用已知的線換向二極管。由于與快速恢復(fù)二極管相比線換向二極管具有較低的電壓降，所以上述的第一和第二模塊的損耗可被降低。另外，線換向二極管成本更低。在功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的一備選單向類(lèi)型中，開(kāi)關(guān)元件包括第一模塊，第一模塊包含一個(gè)第一反向?qū)↖GBT或者多個(gè)反向?qū)↖GBT的第一并聯(lián)連接。在反向?qū)↖GBT中，IGBT和反并聯(lián)二極管功能直接被集成在一個(gè)共同的芯片中。例如，反向?qū)↖GBT在歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)09159009. I中被描述，并且也被稱(chēng)為雙模式絕緣柵極晶體管(BIGT)。如上提及的，多個(gè)這樣的IGBT的并聯(lián)連接提供功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的更高額定電流。 雙向功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件可通過(guò)以反串聯(lián)連接的方式連接兩個(gè)或者更多的BIGT模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，建議上面的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件還包括與第一模塊以反串聯(lián)連接方式連接的第二模塊，第二模塊包含一個(gè)第二反向?qū)↖GBT或者多個(gè)反向?qū)↖GBT的第二并聯(lián)連接。BIGT代替分離的IGBT和反并聯(lián)二極管的使用包括多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，集成二極管的正向電壓降顯示出正溫度系數(shù)，所以避免了可能的熱逸散問(wèn)題。在基于BIGT的雙向直流斷路器的特別的實(shí)施例中，功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件將各包括兩個(gè)BIGT的反串聯(lián)連接，其中兩個(gè)BIGT垂直地集成在同一個(gè)封裝中。在典型的雙向直流斷路器應(yīng)用中，電流在同一個(gè)方向上流動(dòng)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，這在具有分離的二極管的共同IGBT的情況下意味著雙向直流斷路器的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的硅面積只是部分地被使用。與此相反，由于垂直的集成，雙向BIGT封裝的娃面積能夠被全部利用，導(dǎo)致對(duì)于相同的電流額定值，芯片的數(shù)量較小，或者導(dǎo)致對(duì)于每個(gè)封裝給定數(shù)量的芯片，電流容量增加。第三優(yōu)點(diǎn)是與在分離的IGBT和二極管的情況下相比較，在BIGT的情況下二極管的功能性能夠更容易地被監(jiān)測(cè)。一般說(shuō)來(lái)，為開(kāi)關(guān)模塊提供另外的二極管監(jiān)測(cè)部件是有利的，該另外的二極管監(jiān)測(cè)部件被設(shè)置成執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)反并聯(lián)二極管的阻塞功能性的測(cè)試，且其從而能夠指示是否功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件中對(duì)應(yīng)的IGBT可用于正常操作。這是被推薦的，這是因?yàn)榭赡茉诤苌偾闆r下發(fā)生的是當(dāng)對(duì)應(yīng)的IGBT處于關(guān)斷或者非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，一個(gè)或多個(gè)反并聯(lián)二極管擊穿，這可能有嚴(yán)重的后果。在快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，當(dāng)對(duì)應(yīng)的IGBT處于非導(dǎo)通狀態(tài)并且沒(méi)有主電流正流過(guò)二極管時(shí)頻繁地測(cè)試二極管的阻塞功能性是可能的。然而，在直流斷路器或者直流電流限制器中，其中IGBT的至少部分被連續(xù)地接通，則對(duì)于對(duì)應(yīng)的二極管，這不是同樣可能的。盡管如此，在直流斷路器的斷開(kāi)之前或者直流電流限制器的進(jìn)入操作之前獲得關(guān)于有缺陷的二極管的信息是重要的，這是因?yàn)檫@樣的有缺陷的二極管可能導(dǎo)致致命的損害。因此，對(duì)于包含分離的IGBT和二極管的開(kāi)關(guān)模塊，建議提供二極管監(jiān)測(cè)部件，其適于每當(dāng)對(duì)應(yīng)的IGBT被關(guān)斷且沒(méi)有主電流流過(guò)將要被監(jiān)測(cè)的一個(gè)或多個(gè)二極管的時(shí)候監(jiān)測(cè)一個(gè)或多個(gè)二極管的阻塞功能性。換句話說(shuō)，盡可能經(jīng)常地執(zhí)行測(cè)試，其中對(duì)于一些直流斷路器配置，這可意味著只有在維護(hù)期間能執(zhí)行測(cè)試，而對(duì)于其他配置，諸如在PCT/EP2009/065233中描述的直流斷路器，對(duì)于沒(méi)有正在攜帶(carry)初級(jí)電流的那些開(kāi)關(guān)模塊，能連續(xù)地執(zhí)行該測(cè)試。該測(cè)試包括僅在被關(guān)斷的IGBT的正向上應(yīng)用小的正測(cè)試電壓并檢查該電壓是否被保持或者是否其降低，可能甚至擊穿(由于二極管的失效)。如果后者發(fā)生，例如通過(guò)柵極單元，能生成失效信息，并作為光信息信號(hào)將失效信息發(fā)送到中央控制單元。結(jié)合上述RCD緩沖器，測(cè)試反并聯(lián)二極管的功能性的另一方式成為可能在包含串聯(lián)連接的多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的直流電流限制器或者直流斷路器中，在直流斷路器或者直流電流限制器被接通且電流在正向上流過(guò)串聯(lián)連接的IGBT時(shí)，執(zhí)行該另外的測(cè)試。為了測(cè)試二極管的功能性，串聯(lián)連接的IGBT的一個(gè)或者多個(gè)現(xiàn)在能被主動(dòng)地(actively)關(guān)斷一段非常短的時(shí)間，優(yōu)選地幾個(gè)微秒，直到流過(guò)該關(guān)斷的IGBT的電流已開(kāi)始轉(zhuǎn)向到對(duì)應(yīng)的RCD緩沖器電路且直到跨越RCD緩沖器的電壓已開(kāi)始稍微上升。一旦檢測(cè)電壓上升，該一個(gè)或者多個(gè)IGBT再次接通，其中能以簡(jiǎn)單方式通過(guò)檢查是否超過(guò)預(yù)定的電壓界限來(lái)檢測(cè)電壓上升，其中電壓界限處于優(yōu)選地僅幾百伏直到幾千伏的相當(dāng)?shù)偷碾妷弘娖?。如果未能檢測(cè)到電壓上升，則生成失效信息。這樣，在沒(méi)有妨礙直流斷路器或者直流電流限制器的操作的情況下， 開(kāi)關(guān)模塊中二極管的測(cè)試成為可能。從上面變得清楚的是，一般而言，對(duì)于具有分離的IGBT和二極管的開(kāi)關(guān)模塊配置，難以生成關(guān)于二極管的阻塞能力的可靠信息。與此相反，在對(duì)應(yīng)的IGBT的接通和關(guān)斷狀態(tài)期間，檢測(cè)BIGT中的集成二極管功能的失效是可能的。在直流斷路器應(yīng)用中的BIGT的幾乎所有操作狀態(tài)期間，BIGT中正失效或已失效的二極管的可能檢測(cè)是由于以下事實(shí)能夠通過(guò)對(duì)應(yīng)的IGBT的柵極-發(fā)射極電壓的明顯的惡化或者甚至擊穿觀察到有缺陷的集成二極管功能。因此，增加的柵極發(fā)射極泄漏電流可被用作BIGT的IGBT或者二極管功能的不可逆的損害的指示或者監(jiān)測(cè)。因此，用于包含BIGT的開(kāi)關(guān)模塊的所建議二極管監(jiān)測(cè)部件適于在跨越被接通或者關(guān)斷的反向?qū)↖BGT的柵極-發(fā)射極電壓擊穿的情況下通過(guò)生成失效信息來(lái)監(jiān)測(cè)反向?qū)↖GBT的一個(gè)或多個(gè)二極管功能的阻塞功能性。由于在BIGT的接通和關(guān)斷狀態(tài)下執(zhí)行測(cè)試的可能性，因此，與用分離的IGBT和二極管的解決方案相比較，存在更多機(jī)會(huì)以推導(dǎo)出關(guān)于BIGT中的二極管功能的阻塞能力的信息，從而顯著地提高直流斷路器或者直流電流限制器的可靠性。除了上文結(jié)合RCD緩沖器討論的動(dòng)態(tài)電壓分配，如果串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)模塊的穩(wěn)態(tài)電壓分配保持為盡可能相等以避免對(duì)一些模塊的電壓應(yīng)力增加，則這也是有利的。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，因此，建議非線性電壓限制電阻與至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)連接。這樣的非線性電壓限制電阻不僅確保了相等的穩(wěn)態(tài)電壓分配，而且還限制了過(guò)電壓(當(dāng)串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)模塊的組的放電器從該組的緩沖器電路接收電流時(shí))。在下文中串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)模塊的組的放電器也被稱(chēng)為主放電器。開(kāi)關(guān)模塊中的非線性電壓限制電阻的另外優(yōu)勢(shì)是它允許該模塊的緩沖器電容器的尺寸減小，其能夠?qū)崿F(xiàn)不同模塊之間的更大電容器公差，并且其簡(jiǎn)化了主放電器的電流換向路徑的機(jī)械設(shè)計(jì)。現(xiàn)將參照隨附附圖解釋本發(fā)明及其實(shí)施例，其中圖I示出了包含設(shè)置用于單向應(yīng)用的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的第一基礎(chǔ)單元，
圖2示出了包含設(shè)置用于雙向應(yīng)用的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的第二基礎(chǔ)單元，圖3示出了包含設(shè)置用于雙向應(yīng)用的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的第三基礎(chǔ)單元，圖4示出了包含設(shè)置用于雙向應(yīng)用的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的第四基礎(chǔ)單元，圖5示出了直流斷路器的第一示例，圖6示出了直流斷路器的第二示例，圖7示出了直流電流限制器的一示例，圖8示出了開(kāi)關(guān)模塊的第一實(shí)施例，圖9示出了開(kāi)關(guān)模塊的第二實(shí)施例，


圖10示出了開(kāi)關(guān)模塊的第三實(shí)施例，圖11示出了開(kāi)關(guān)模塊的第四實(shí)施例，圖12示出了直流斷路器的開(kāi)關(guān)模塊和中央控制單元的一布置，圖13示出了開(kāi)關(guān)模塊的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的一布置。圖I示出了包含設(shè)置用于單向應(yīng)用的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的第一基礎(chǔ)單元6a。該功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件為第一電流方向4的IGBT I和與IGBTl反并聯(lián)的續(xù)流ニ極管2。在圖2中，能看到第二基礎(chǔ)單元6b，其包括第一電流方向4的IGBTl和第二相反電流方向5的IGBT 3的并聯(lián)連接。因此，第二基礎(chǔ)單元6b適合于雙向應(yīng)用。在圖3中，示出了第三基礎(chǔ)單元6c，其包括第一電流方向的IGBT I和相反的第二電流方向的IGBT 3的串聯(lián)連接，換句話說(shuō)，第三基礎(chǔ)單元6c為兩個(gè)IGBT的反串聯(lián)連接。每個(gè)IGBT分別具有反并聯(lián)連接的續(xù)流ニ極管2和7?；A(chǔ)單元6c適合于雙向應(yīng)用。圖4中示出了第四基礎(chǔ)單元6d。它包括作為功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的第一電流方向的反向?qū)↖GBT (其也被稱(chēng)為BIGT 8 (雙模式絕緣柵極晶體管))和與BIGT 8串聯(lián)的第二電流方向的反向?qū)↖GBT，稱(chēng)為BIGT 9。因此，BIGT 8和9以反串聯(lián)的方式連接，意味著第四基礎(chǔ)單元6d也適合于雙向應(yīng)用。根據(jù)圖5中描述的ー示例，基礎(chǔ)單元6a_6d可被用于直流斷路器14中。直流斷路器14適合于中壓或者高壓應(yīng)用，并且它與直流電カ分配或者傳輸線13串聯(lián)連接。在線13中的初級(jí)電流僅僅需要在ー個(gè)方向上被中斷的情況下，可使用基礎(chǔ)單元6a，而在線13中的初級(jí)電流需要在兩個(gè)可能的方向上都被中斷的情況下，可使用基礎(chǔ)單元6b或者6c或者6d。直流斷路器14包括主斷路器10以及非線性電阻，主斷路器10包含幾十個(gè)到幾百個(gè)基礎(chǔ)單元6的串聯(lián)連接-取決于電壓電平，非線性電阻也被稱(chēng)為主放電器11并且非線性電阻與主斷路器10并聯(lián)連接。在與直流斷路器14串聯(lián)的情況下，電抗器12被設(shè)置用于限制線13中的電流率。在線13的正常操作條件下，基礎(chǔ)單元6中的所有IGBT或者BIGT被接通，也就是，直流斷路器14正在傳導(dǎo)線13的初級(jí)電流。在初級(jí)電流將要被中斷的情況下，例如，如果在線13中已發(fā)生故障(fault)，則所有的IGBT或者BIGT將被同時(shí)關(guān)斷，以使初級(jí)電流換向到主放電器11，這然后將該電流減小至零。圖6中示出了直流斷路器17的另ー示例，對(duì)于該示例可使用基礎(chǔ)單元6a_6d。除了主斷路器10和主放電器11之外，還提供了與主斷路器10和主放電器11并聯(lián)連接的輔助斷路器16和高速開(kāi)關(guān)15的串聯(lián)連接。輔助斷路器16只包含一個(gè)基礎(chǔ)単元6。高速開(kāi)關(guān)15為機(jī)械開(kāi)關(guān)。在與直流斷路器17串聯(lián)的情況下，電抗器12再次被放置(place)用于限制電流率。
有趣的是，注意到在圖5和6的直流斷路器配置中使用的基礎(chǔ)單元6為類(lèi)型6b，6c或者6d的雙向基礎(chǔ)單元的情況下，相同的配置也適合于用作用于交流電カ分配或者傳輸線的交流斷路器。在圖7中，示出了用于直流電流限制器18的一示例，其中直流電流限制器18包括多個(gè)直流斷路器14的串聯(lián)連接。換句話說(shuō)，直流電流限制器18包含串聯(lián)連接的基礎(chǔ)單元6的多個(gè)組，其中每個(gè)組包括與基礎(chǔ)單元6并聯(lián)的主放電器11。直流電流限制器18與電流率限制電抗器12并且與直流電カ分配或者傳輸線13串聯(lián)連接。在線13中的初級(jí)電流要被限制或者減小的情況下，斷開(kāi)適當(dāng)數(shù)量的直流斷路器14，以便對(duì)應(yīng)的非線性電阻可消耗非期望的ー些電能。在其最簡(jiǎn)化的形式中，直流電流限制器應(yīng)當(dāng)包含兩個(gè)斷路器14，在下文中，稱(chēng)為第一斷路器和第二斷路器。第一斷路器的主放電器的保護(hù)電平對(duì)應(yīng)于線13的標(biāo)稱(chēng)直流電壓電平。當(dāng)經(jīng)過(guò)線13的電流要被限制或者減小時(shí)，第一斷路器將被斷開(kāi)。第二斷路器的主放電器的保護(hù)電平能被設(shè)置為低于線13的標(biāo)稱(chēng)直流電壓電平的值，例如，為標(biāo)稱(chēng)直流電壓的50%。在斷開(kāi)第一斷路器之后，也通過(guò)斷開(kāi)第二斷路器，能將第二斷路器用于中斷線13中的電流。
參照?qǐng)D8至12，現(xiàn)進(jìn)一歩解釋本發(fā)明。為了使直流斷路器或者直流電流限制器中的基礎(chǔ)單元6被操作，要求所謂的柵極單元，該柵極單元按照由中央控制單元根據(jù)線13的狀態(tài)而生成的控制信號(hào)來(lái)使得對(duì)應(yīng)的IGBT或者BIGT接通或者關(guān)斷。因此，直流電流限制器18的直流斷路器14或者17的基礎(chǔ)單元6實(shí)際上不僅僅包含功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件。事實(shí)上，每個(gè)基礎(chǔ)單元6可被開(kāi)關(guān)模塊38所替代，其中開(kāi)關(guān)模塊38除了其它還包括柵極單元
31。現(xiàn)在將描述開(kāi)關(guān)模塊38的不同實(shí)施例，其中對(duì)于每個(gè)實(shí)施例，實(shí)際所示出的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件能被屬于基礎(chǔ)單元6a-6d中的另外合適的ー個(gè)基礎(chǔ)単元的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件所替代，也能被它們的進(jìn)ー步的組合所替代，如下文解釋的那樣。圖8中描述了開(kāi)關(guān)模塊的第一實(shí)施例38a，以及除了 IGBT I和反并聯(lián)ニ極管2之夕卜，它還包括連接到IGBT I的柵極的柵極驅(qū)動(dòng)模塊的第一實(shí)施例30a。柵極驅(qū)動(dòng)模塊30a包括以光電ニ極管20形式的功率轉(zhuǎn)換部件、直流/直流變換器22、儲(chǔ)能電容器25和柵極單元31。光電ニ極管20被設(shè)置成接收光功率信號(hào)，以將該光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電功率信號(hào)，并將該電功率信號(hào)經(jīng)由直流/直流變換器22提供給儲(chǔ)能電容器25，因此從電源對(duì)儲(chǔ)能電容器25進(jìn)行充電或者再充電，這獨(dú)立于電路的狀態(tài)或者開(kāi)關(guān)條件，該電路也被稱(chēng)為初級(jí)電路，其中IGBT I和ニ極管2為一部分。光功率信號(hào)因此是低于I瓦特的低功率信號(hào)。儲(chǔ)能電容器25連接到柵極單元31的電源輸入端29，以便向柵極驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控模塊28提供要求的能量以驅(qū)動(dòng)IGBT I的柵極。除了柵極驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控模塊28之外，柵極單元還包括柵極單元控制模塊27。柵極單元控制模塊27接收來(lái)自控制信號(hào)檢測(cè)器23的電控制信號(hào)，其中控制信號(hào)檢測(cè)器23被設(shè)置成從光電ニ極管20所輸出的電功率信號(hào)中分離出電控制信號(hào)。因此，光電ニ極管20接收的光功率信號(hào)還包含光信息信號(hào)，該光信息信號(hào)在到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換之后仍然存在。光電ニ極管20經(jīng)由第一光纖光纜51連接到中央控制單元50(參見(jiàn)圖12)。柵極單元控制模塊27處理電控制信號(hào)并輸出所得到的接通命令信號(hào)或者關(guān)斷命令信號(hào)到柵極驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控模塊28，柵極驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控模塊28因此使得IGBT I接通或者關(guān)斷。柵極控制模塊27還接收不同的信息，諸如柵極驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控模塊28遞送的關(guān)于IGBT I的狀態(tài)的信息和功率監(jiān)控單元26遞送的關(guān)于包含在柵極驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控模塊28的電源中的元件的狀態(tài)的信息，也就是關(guān)于儲(chǔ)能電容器25和直流/直流變換器22的狀態(tài)的信息。這些不同的信息由柵極單元控制模塊27所處理，并且然后作為狀態(tài)信息經(jīng)由信號(hào)傳送模塊24提供給信號(hào)轉(zhuǎn)換部件，信號(hào)轉(zhuǎn)換部件在該示例中為發(fā)光二極管21。發(fā)光二極管21經(jīng)由第二光纖光纜52連接到中央控制單元50(參見(jiàn)圖2)，中央控制單元對(duì)所接收的狀態(tài)信息作出反應(yīng)而調(diào)整經(jīng)由光功率信號(hào)發(fā)送到光電ニ極管20的控制信號(hào)。圖9中示出了開(kāi)關(guān)模塊的第二實(shí)施例38b，其中第二實(shí)施例38b包含與第一實(shí)施例38a相同的柵極驅(qū)動(dòng)模塊30a。此處示出了柵極驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控模塊28的一個(gè)細(xì)節(jié)，其在圖8中未示出。從圖9能看出柵極驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控模塊28經(jīng)由H橋連接到至少ー個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的柵極并且因此柵極單元31經(jīng)由H橋連接到至少ー個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的柵極，所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件在此為具有反并聯(lián)ニ極管2的IGBT I，其中H橋由15V的單極性直流電壓供電并輸出±15V的雙極性直流電壓。因此，在某種程度上，減小柵極單元31的內(nèi)部功率需求。
除了第一實(shí)施例38a之外，開(kāi)關(guān)模塊的第二實(shí)施例38b也包含與至少ー個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)的非線性電壓限制電阻32以及RCD緩沖器電路，RCD緩沖器電路包括ニ極管33和電容器34的串聯(lián)連接以及與ニ極管33并聯(lián)的電阻35，其中RCD緩沖器電路自身也與至少ー個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)。ニ極管33的取向與IGBT I的取向相同。RCD緩沖器電路主要負(fù)責(zé)多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊38的串聯(lián)連接中的相等動(dòng)態(tài)電壓分布，當(dāng)用開(kāi)關(guān)模塊38替代基礎(chǔ)單元6吋，與例如將可應(yīng)用于直流斷路器14和17或者直流電流限制器18的一祥。非線性電壓限制電阻32主要確保開(kāi)關(guān)模塊38的這樣的串聯(lián)連接中的相等穩(wěn)態(tài)電壓分布。在根據(jù)附圖10的開(kāi)關(guān)模塊的第三實(shí)施例38c中，除了第一和第二實(shí)施例(分別為38a和38b，其一起形成用字母a標(biāo)記的第一模塊、用字母b標(biāo)記的第二模塊)的ー個(gè)IGBTI和一個(gè)ニ極管2タト，還包括以與第一模塊反串聯(lián)連接的方式來(lái)連接第二 IGBT I和第二反并聯(lián)ニ極管2。因此，開(kāi)關(guān)模塊38c能夠應(yīng)用于雙向直流斷路器或者雙向直流電流限制器。如已經(jīng)描述的，IGBT和ニ極管的另外和備選的組合是可能的。圖13中示出一示例，其中第一和第二模塊各包含不僅僅一個(gè)而是兩個(gè)并聯(lián)連接的IGBT Ia或者Ib和分別對(duì)應(yīng)的反并聯(lián)ニ極管2a或者2b。兩個(gè)模塊的物理封裝能以對(duì)于每對(duì)IGBT和對(duì)應(yīng)的ニ極管ー個(gè)封裝的形式，或以帶有第一電流方向的所有IGBT Ia的第一封裝，帶有另一第二電流方向的所有IGBT Ib的第二封裝，以及也根據(jù)它們的電流方向分別帶有所有的ニ極管2a和2b的第三和第四封裝的形式。通過(guò)虛線在圖13中描述該后面的封裝類(lèi)型，其提供熱逸散風(fēng)險(xiǎn)的顯著降低。除了 IGBT和ニ極管的第一和第二模塊，開(kāi)關(guān)模塊的第三實(shí)施例38c還包括柵極驅(qū)動(dòng)模塊的第二實(shí)施例30b，其中該第二實(shí)施例30b包括未被包含在第一實(shí)施例30a中的兩個(gè)另外的単元。該另外的単元之一為ニ極管監(jiān)測(cè)部件37，其任務(wù)是監(jiān)測(cè)第一模塊中二極管2的阻塞功能性。每當(dāng)IGBTla或者Ib被關(guān)斷且當(dāng)沒(méi)有主電流流過(guò)對(duì)應(yīng)的ニ極管的時(shí)候，通過(guò)在正向上將正測(cè)試電壓分別應(yīng)用到IGBT Ia或者Ib來(lái)進(jìn)行該監(jiān)測(cè)。通過(guò)檢查該測(cè)試電壓是否被保持，能夠分別識(shí)別出正失效(fail)或者已經(jīng)失效的ニ極管2a或者2b。舉直流斷路器17的示例，在正常的操作期間能為主斷路器10中的ニ極管執(zhí)行ニ極管監(jiān)測(cè)，這是因?yàn)樵谠摃r(shí)間期間主或者初級(jí)電流流過(guò)輔助斷路器16和高速開(kāi)關(guān)15。
柵極驅(qū)動(dòng)單元的第二實(shí)施例30b的其他另外的単元為輔助再充電電路36，除了光功率供應(yīng)外，該輔助再充電電路還向儲(chǔ)能電容器25提供能量(每當(dāng)可能的時(shí)候)，并且該輔助再充電電路從IGBT I和ニ極管2被連接到的初級(jí)電路獲取其能量。然而，如以上所述，用于從初級(jí)電路再充電的時(shí)機(jī)，也就是，當(dāng)在直流斷路器或者直流電流限制器應(yīng)用中關(guān)斷IGBT I時(shí)的時(shí)機(jī)通常是非常少的。這種監(jiān)測(cè)和輔助再充電都由對(duì)應(yīng)的起始信號(hào)發(fā)起，該起始信號(hào)分別從柵極驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控模塊28發(fā)送到ニ極管監(jiān)測(cè)部件37和輔助再充電電路36。通過(guò)柵極單元控制模塊27或者通過(guò)輔助再充電電路36自身(在其足夠智能以適應(yīng)于初級(jí)電路中的條件的情況下)，這些起始信號(hào)能在開(kāi)關(guān)模塊中在內(nèi)部生成，或者它們能以對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)的形式經(jīng)由第一光纖光纜51從中央控制單元50 (參見(jiàn)圖12)被發(fā)送到開(kāi)關(guān)模塊，然后經(jīng)由控制信號(hào)檢測(cè)器23、柵極單元控制模塊27和柵極驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控模塊28被分別傳送到ニ極管監(jiān)測(cè)部件37和輔助再充電電路36。在圖11中，描述了開(kāi)關(guān)模塊的第四實(shí)施例38d。此處，至少ー個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件為根據(jù)第四基礎(chǔ)單元6d的兩個(gè)反向?qū)↖GBT的反串聯(lián)連接，或者換句話說(shuō)，第一電流方向的BIGT 8和第二電流方向的BIGT9的串聯(lián)連接。因此，該開(kāi)關(guān)模塊適于雙向應(yīng)用。非 線性電壓限制電阻32再次被設(shè)置為與反串聯(lián)的BIGT 8和9相并聯(lián)，并且雙向RCD緩沖器電路與電阻32并聯(lián)連接。雙向RCD緩沖器電路包含第一ニ極管42和第一電阻40的第一并聯(lián)連接(其中第一ニ極管42是第一電流方向的)、第二ニ極管45和第二電阻41的第二并聯(lián)連接(其中第二ニ極管45是第二電流方向的)、在第一和第二并聯(lián)連接之間且與其串聯(lián)的共同的電容器46、連接在第二ニ極管45和第一ニ極管42之間且具有從第ニニ極管45的陰極到第一ニ極管42的陰極的方向的第三ニ極管44和連接在第二ニ極管45和第一ニ極管42之間且具有從第ニニ極管45的陽(yáng)極到第一ニ極管42的陽(yáng)極的方向的第四ニ極管
43。開(kāi)關(guān)模塊的第四實(shí)施例38d的柵極驅(qū)動(dòng)模塊是第三實(shí)施例30c的，包含與第二實(shí)施例30b基本相同的元件，只是其中二極管監(jiān)測(cè)部件的功能與圖10的ニ極管監(jiān)測(cè)部件37不同，這是因?yàn)锽IGT8和9的集成ニ極管功能的阻塞功能性是分別與監(jiān)測(cè)BIGT 8和9的IGBT的功能性一起被監(jiān)測(cè)的。在相應(yīng)的BIGT的IGBT的接通和關(guān)斷狀態(tài)期間都執(zhí)行該監(jiān)測(cè)，而獨(dú)立于主或者初級(jí)電流。如果跨越接通或者關(guān)斷反向?qū)↖GBT的柵極-發(fā)射極電壓惡化或者擊穿(其通過(guò)檢測(cè)増加的柵極發(fā)射極泄漏電流來(lái)被檢測(cè))，生成失效信息。較早已經(jīng)提到直流斷路器的多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊和中央控制單元50的布置，其中開(kāi)關(guān)模塊由柵極驅(qū)動(dòng)單元30、IGBT I和反并聯(lián)ニ極管2組成。直流斷路器還包括主放電器11。直流斷路器的開(kāi)關(guān)模塊實(shí)際上能是如上所述的四種類(lèi)型38a-38d中的任ー類(lèi)型，或者是開(kāi)關(guān)模塊的主元件的可能實(shí)施例的任何其它組合，其中主元件為至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件、柵極驅(qū)動(dòng)單元、可選的RCD緩沖器電路和可選的非線性電壓限制電阻。如在圖12中能看出，在中央控制單元50和每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)単元30之間，設(shè)置了兩個(gè)光纖光纜51和52，其中第一光纖光纜51被用來(lái)將光功率信號(hào)從中央控制單兀50傳送到相應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)單兀30,且其中光功率信號(hào)此外還包括一個(gè)或者多個(gè)控制信號(hào)。第二光纖光纜52被用于以光信息信號(hào)形式的狀態(tài)信息從柵極驅(qū)動(dòng)單元30到中央控制單元50的傳送。
權(quán)利要求
1.一種開(kāi)關(guān)模塊(38)，設(shè)置成用于限制流過(guò)電力傳輸或者分配線(13)的電流和/或使流過(guò)電力傳輸或者分配線(13)的電流斷路的裝置(14，17，18)中，所述模塊包括 至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(1，2 ;8，9)， 柵極單元(31)，其被設(shè)置成根據(jù)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)分別接通和關(guān)斷所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，和 儲(chǔ)能電容器(25)，其被設(shè)置成向所述柵極單元的電源輸入端(29)提供電力，其特征在于， 所述開(kāi)關(guān)模塊還包括功率轉(zhuǎn)換部件(20)，其被設(shè)置成接收光功率信號(hào)，將所述光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電功率信號(hào)，并將所述電功率信號(hào)提供給所述儲(chǔ)能電容器。
2.如權(quán)利要求I所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，其中所述光功率信號(hào)為小于I瓦特的低功率信號(hào)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，還包括與所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)連接的RCD緩沖器電路，其中所述RCD緩沖器電路包括至少一個(gè)電阻(35 ；40,41)、至少一個(gè)電容器(34 ；46)和至少一個(gè)二極管(33 ;42，45)，所述二極管和所述電容器相互串聯(lián)連接并且所述電阻與所述二極管并聯(lián)連接。
4.如權(quán)利要求1-3的任一權(quán)利要求所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，其中所述柵極單元(31)經(jīng)由H橋連接到所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(1，2;8，9)的柵極，其中所述H橋由單極性直流電壓供電并輸出雙極性直流電壓。
5.如權(quán)利要求1-4的任一權(quán)利要求所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，還包括控制信號(hào)檢測(cè)器(23)，其被設(shè)置成從接收的電功率信號(hào)中分離出電控制信號(hào)并將該電控制信號(hào)提供給所述柵極單元(31)。
6.如權(quán)利要求5所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，其中所述柵極單元(31)被設(shè)置成生成關(guān)于所述開(kāi)關(guān)模塊的元件中的至少一個(gè)元件的功能性的狀態(tài)信息，并且其中所述開(kāi)關(guān)模塊還包括信號(hào)轉(zhuǎn)換部件(21)，其被設(shè)置成將狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為光信息信號(hào)并將該光信息信號(hào)發(fā)送至中央控制單元(50)。
7.如權(quán)利要求1-6的任一權(quán)利要求所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，包括作為所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的第一模塊，所述第一模塊包含一個(gè)第一 IGBT(I)或者多個(gè)IGBT的第一并聯(lián)連接(Ia)和一個(gè)第一二極管(2)或者多個(gè)二極管的第一并聯(lián)連接(Ib)，其中所述一個(gè)或多個(gè)二極管與所述IGBT或者IGBT的并聯(lián)連接反并聯(lián)連接。
8.如權(quán)利要求7所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，還包括與所述第一模塊反并聯(lián)或者反串聯(lián)連接的第二模塊，所述第二模塊包含一個(gè)第二 IGBT或者多個(gè)IGBT的第二并聯(lián)連接(Ib)和一個(gè)第二二極管或者多個(gè)二極管的第二并聯(lián)連接(2b)，其中所述一個(gè)或多個(gè)二極管與所述IGBT或者與IGBT的并聯(lián)連接(Ib)反并聯(lián)連接。
9.如權(quán)利要求7或8所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，其中所述二極管為線換向二極管。
10.如權(quán)利要求1-6的任一權(quán)利要求所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，包括作為所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的第一模塊，所述第一模塊包含一個(gè)第一反向?qū)↖GBT(S)或者多個(gè)反向?qū)↖GBT的第一并聯(lián)連接。
11.如權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，還包括與所述第一模塊反串聯(lián)連接的第二模塊，所述第二模塊包含一個(gè)第二反向?qū)↖GBT (9)或者多個(gè)反向?qū)↖GBT的第二并聯(lián)連接。
12.如權(quán)利要求11所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，其中所述第一和第二模塊集成在一個(gè)單個(gè)的半導(dǎo)體封裝中，并且其中所述封裝裝備有一個(gè)共同的柵極端子和一個(gè)共同的發(fā)射極端子，所述端子分別連接到所述封裝中的所有反向?qū)↖GBT(S)的柵極和發(fā)射極。
13.如權(quán)利要求7-12的任一權(quán)利要求所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，還包括二極管監(jiān)測(cè)部件(37)，所述二極管監(jiān)測(cè)部件適于分別監(jiān)測(cè)第一和/或第二模塊中的所述二極管或二極管功能的阻塞功能性。
14.如權(quán)利要求13和權(quán)利要求7-9的任一權(quán)利要求所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，其中所述二極管監(jiān)測(cè)部件(37)適于每當(dāng)對(duì)應(yīng)的IGBT(I)被關(guān)斷且沒(méi)有主電流流過(guò)將要被監(jiān)測(cè)的所述一個(gè)或多個(gè)二極管(2)的時(shí)候，監(jiān)測(cè)所述一個(gè)或多個(gè)二極管(2)的阻塞功能性，其中在監(jiān)測(cè)期間，將正測(cè)試電壓應(yīng)用到所述IGBT的正向，并且在所述測(cè)試電壓未被保持的情況下，生成失效息。 ·16.如權(quán)利要求3和13以及權(quán)利要求7-9的任一權(quán)利要求所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，其中所述開(kāi)關(guān)模塊(38)與直流斷路器(14，17)中或者直流電流限制器(18)中的至少一個(gè)另外的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接，并且其中所述二極管監(jiān)測(cè)部件(37)適于當(dāng)所述直流斷路器或者直流電流限制器被接通時(shí)且當(dāng)電流在正向上流過(guò)所述開(kāi)關(guān)模塊和所述至少一個(gè)另外的開(kāi)關(guān)模塊的IGBT時(shí)，通過(guò)主動(dòng)地關(guān)斷所述開(kāi)關(guān)模塊(38) —段短的時(shí)間，且然后再次將它接通，以及通過(guò)如果跨越所述對(duì)應(yīng)的RCD緩沖器電路的電壓在所述一段短的時(shí)間內(nèi)未超過(guò)預(yù)定的電壓界限則生成失效信息，來(lái)監(jiān)測(cè)所述開(kāi)關(guān)模塊(38)中的所述一個(gè)或多個(gè)二極管(2)的阻塞功能性。
15.如權(quán)利要求13以及權(quán)利要求10-12的任一權(quán)利要求所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，其中所述二極管監(jiān)測(cè)部件(37)適于與所述對(duì)應(yīng)的IGBT自身的功能性的監(jiān)測(cè)一起，通過(guò)在跨越接通的或者關(guān)斷的反向?qū)↖GBT的柵極-發(fā)射極電壓惡化或者擊穿的情況下生成失效信息，監(jiān)測(cè)所述反向?qū)↖GBT(8，9)的所述一個(gè)二極管功能或多個(gè)二極管功能的阻塞功能性。
16.如權(quán)利要求15所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，其中通過(guò)檢測(cè)所述反向?qū)↖GBT(8，9)的增加的柵極發(fā)射極泄漏電流來(lái)檢測(cè)所述柵極-發(fā)射極電壓的惡化或者擊穿。
17.如權(quán)利要求1-16的任一權(quán)利要求所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，還包括與所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)的非線性電壓限制電阻(32)。
18.如權(quán)利要求1-17的任一權(quán)利要求所述的開(kāi)關(guān)模塊(38)，還包括輔助再充電電路(36)，其適于接收來(lái)自所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件連接到的初級(jí)電路的電能并將所述電能提供給所述儲(chǔ)能電容器(25)。
全文摘要
一種開(kāi)關(guān)模塊(38)，打算用于中或者高壓直流斷路器或者直流電流限制器中，包括至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(1，2)，被設(shè)置成根據(jù)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)分別接通和關(guān)斷該至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的柵極單元(31)，和被設(shè)置成向柵極單元的電源輸入端(29)提供電力的儲(chǔ)能電容器(25)。該開(kāi)關(guān)模塊還包括功率轉(zhuǎn)換部件(20)，其被設(shè)置成接收光功率信號(hào)，將該光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電功率信號(hào)，并將該電功率信號(hào)提供給所述儲(chǔ)能電容器(25)。
文檔編號(hào)H03K17/18GK102823121SQ201080063090
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者J·赫夫納, P·倫德貝格, R·西爾耶斯特倫, U·施拉普巴赫, B·比爾彥加 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司