半導體切換電路的制作方法

在輸電網中，交流(AC)功率通常轉換成直流(DC)功率用于經由高架線和/或海底電纜的傳輸。這個轉換消除對于補償由傳輸線路或電纜所強加的AC電容負載效應的需要，并且降低每公里線路和/或電纜的成本，并且因而在功率需要通過長距離傳送時變為成本有效的。

HVDC功率轉換器用來將AC功率轉換成DC功率。半導體切換元件、例如晶閘管是HVDC功率轉換器的關鍵組件，并且充當可控整流器，其用來將AC功率轉換成DC功率并且反之亦然。

按照本發明的方面，提供一種供在HVDC功率轉換器中使用的半導體切換電路，包括：

主要電流支路，包含主要半導體切換元件，并且電流在主要半導體切換元件接通時流經該主要半導體切換元件；

輔助電流支路，與主要電流支路并聯或者反并聯連接，輔助電流支路包含輔助電路，輔助電路包含多個有源輔助半導體切換元件，其被連接以形成有源切換橋，輔助電流支路還包含能量存儲裝置和/或阻抗裝置，有源切換橋具有在操作上與其連接的控制單元，控制單元配置成切換有源切換橋以便將輔助電路連接到具有主要電流支路的電路中以及從其斷開，并且由此有選擇地創建經由輔助電流支路的備選電流通路，由此流經主要電流支路的電流轉向成流經備選電流通路，以調節流經主要半導體切換元件的電流和跨主要半導體切換元件出現的電壓中的一個或多個，其中控制單元配置成切換有源切換橋以布置備選電流通路有選擇地經過能量存儲裝置和/或阻抗裝置。

包含配置成創建經由輔助電流支路并且由此經由能量存儲裝置和/或阻抗裝置的備選電流通路的控制單元允許按照本發明的半導體切換電路提供用于通過有選擇地將輔助電路的能量存儲裝置和/或阻抗裝置連接到主要半導體切換元件以修改流經主要半導體切換元件的電流和跨主要半導體切換元件出現的電壓中的一個或多個來改進主要半導體切換元件的切換性能的一系列功能。

另外，控制單元用來將輔助電路切換出具有主要電流通路的電路的能力準許在不存在用于調節流經主要半導體切換元件的電流和跨主要半導體切換元件出現的電壓中的一個或多個的需要時去除備選電流通路。這意味著，只有當需要輔助電路執行其功能時，才要求輔助電路保持連接到主要半導體切換元件。否則，如果輔助電路在它沒有被要求這樣做時保持連接到主要半導體切換元件，則在其期間輔助電路連接到主要半導體切換元件的時間中的所得到的增加將會要求輔助電路的每個組件的電氣額定中的對應增加，因而導致具有更高損耗并且具有增加的尺寸和重量的輔助電路。

此外，提供有源切換橋以便將輔助電路連接到具有主要電流支路的電路中以及從其斷開，并且由此準許創建經由輔助電流支路的備選電流通路準許控制單元布置經過其備選電流通路經過輔助電流支路的路線，使得電流能夠流經輔助電流支路中的各種路線。這是因為有源切換橋的結構準許其配置提供流經其中的電流的多于一個的路線。這又準許輔助電路組件的布置在保持其功能性的同時提供更緊湊和更廉價的輔助電路。

在本發明的實施例中，控制單元可配置成切換有源切換橋以布置備選電流通路有選擇地經過和旁路能量存儲裝置和/或阻抗裝置。

按照這種方式配置控制單元準許輔助電路按照不同方式連接到主要半導體切換元件以提供不同功能，并且由此導致多功能輔助電路。

用于改進主要半導體切換元件的切換性能的該系列范圍可包含但不限于電流的變化率的調節、電壓的變化率的調節、AC電壓分級、DC電壓分級以及主要半導體切換元件的反向恢復和阻塞行為的調節。

常規地，已知使用可飽和電抗器來控制由切換元件所遭遇的電流的變化率。可飽和電抗器對于設計能夠是笨重和復雜的。另外，要求可飽和電抗器的復雜物理幾何結構以取得最佳電阻和電感參數。

控制單元可配置成切換有源切換橋，以便將輔助電路連接到具有主要電流支路的電路中以及從其斷開，并且由此有選擇地創建經由輔助電流支路的備選電流通路，由此流經主要電流支路的電流轉向成流經備選電流通路，以調節流經主要半導體切換元件的電流的變化率和跨主要半導體切換元件出現的電壓的變化率中的一個或多個。

按照這種方式配置控制單元準許上述可飽和電抗器的尺寸和復雜度中的降低，而無需使主要半導體切換元件暴露于電流和電壓的高變化率。

控制單元可配置成切換有源切換橋，以便將輔助電路連接到具有主要電流支路的電路中以及從其斷開，并且由此有選擇地創建經由輔助電流支路的備選電流通路，由此流經主要電流支路的電流轉向成流經備選電流通路，以調節跨主要半導體切換元件的出現電壓，并且由此提供主要半導體切換元件的AC和/或DC電壓分級。

另外，有源切換橋的結構可適合準許輔助電路單獨或同時地執行AC和DC電壓分級功能。

在主要半導體切換元件的反向恢復期間，主要電流支路遭遇反向恢復電流的流動，直到主要半導體切換元件中的反向恢復電荷耗盡。

控制單元可配置成切換有源切換橋，以便將輔助電路連接到具有主要電流支路的電路中以及從其斷開，并且由此有選擇地創建經由輔助電流支路的備選電流通路，由此流經主要電流支路的反向恢復電流轉向成流經備選電流通路，以調節流經主要半導體切換元件的反向恢復電流。通過將反向恢復電流轉向成在備選電流通路中流動，防止反向恢復電流流出半導體切換電路。這對于具有相異恢復特性的多個串聯連接的主要半導體切換電路能夠是有利的。

半導體切換電路可包含可連接到電氣網絡的電路端子。主要和輔助電流支路可在電路端子之間延伸。輔助電流支路可配置成當流經主要電流支路的電流轉向成流經備選電流通路時存儲能量。控制單元可配置成切換有源切換橋，以便有選擇地將所存儲能量釋放到電路端子的至少一個中。

輔助電路中的有源切換橋的配置可根據輔助電路所要求的功能而變化。有源切換橋的不同配置的示例被描述如下,但不限于。

在本發明的實施例中，阻抗裝置可與能量存儲裝置和/或有源切換橋串聯或并聯連接，和/或能量存儲裝置和/或阻抗裝置可連接在有源切換橋內。

在本發明的另外實施例中，多個有源輔助半導體切換元件可在第一與第二橋端子之間按照半橋布置與能量存儲裝置并聯連接。

在本發明的其他實施例中，多個有源輔助半導體切換元件可定義第一和第二組有源輔助半導體切換元件，以及第一和第二組有源輔助半導體切換元件可在第一與第二橋端子之間按照全橋布置與能量存儲裝置并聯連接。這種布置準許電流在第一與第二橋端子之間在任一方向上流經有源切換橋。

在本發明的這類實施例中，輔助電路可包含分支，該分支包含能量存儲和阻抗裝置的串聯連接。第一和第二組有源輔助半導體切換元件可與分支并聯連接，以在第一與第二橋端子之間定義全橋布置。

第一和第二組有源輔助半導體切換元件中的一個可包含通過對應橋端子所分隔的第一和第二對有源輔助半導體切換元件，第一對有源輔助半導體切換元件通過第一結點來分隔，第二對有源輔助半導體切換元件通過第二結點來分隔。

當輔助電路包含分支時，輔助電路可包含一對有源切換元件或無源電流檢查元件，該對有源切換元件或無源電流檢查元件跨第一和第二結點連接，該對有源切換元件或無源電流檢查元件之間的第三結點連接到分支的串聯連接的能量存儲和阻抗裝置之間的第四結點。

無源電流檢查元件是準許電流僅在一個方向上流經其中的任何裝置、例如二極管。

可選地，阻抗裝置可跨第一和第二結點連接。

有源切換橋可以是多電平有源切換橋。

能量存儲裝置可以是或者可包含電容器。阻抗裝置可包含電感器和/或電阻器。

多個有源輔助半導體切換元件的至少一個可以可切換成工作在阻抗模式中以便對流經其中的電流呈現阻抗，并且其中備選電流通路在被創建時經過輔助半導體切換元件，其被切換成工作在其阻抗模式中。優選地，可切換成工作在阻抗模式中的所述或每個有源輔助半導體切換元件是或者包含晶體管，其可切換成工作在三極管模式中。

將多個有源輔助半導體切換元件的至少一個配置成可切換成工作在阻抗模式中實現從輔助電路中省略阻抗裝置，而沒有不利地影響輔助電路用來對流經其中的電流呈現阻抗的能力，因而提供輔助電路的尺寸和重量中的進一步降低。

所述或每個輔助半導體切換元件可以是或者可包含晶體管。晶體管、特別是結合寬帶隙半導體材料的那些晶體管具有合乎需要的高壓性能特性。

多個有源輔助半導體切換元件的至少一個可以是雙向半導體切換元件。

主要電流支路可包含單個主要半導體切換元件或者多個主要半導體切換元件。

當主要電流支路包含單個主要半導體切換元件時，輔助電流支路可連接在主要半導體切換元件的第一與第二連接端子之間，由此主要和輔助電流支路共同定義半導體切換組合件。這種布置允許有源切換橋中的每個輔助半導體切換元件共享與單個主要半導體切換元件關聯的任何電壓分級電路系統，和/或與單個主要半導體切換元件共享功率供應。

每個有源輔助半導體切換元件可以是或者可包含單個半導體切換裝置。備選地，每個有源輔助半導體切換元件可包含多個半導體切換裝置，例如多個串聯連接或并聯連接的半導體切換裝置。

前述布置準許按照可用有源輔助半導體切換元件的性能額定來設計輔助電路支路的配置。

主要電流支路可包含串聯連接的主要半導體切換元件的主串，主串具有其上游端處的上游連接端子和其下游端處的下游連接端子。輔助支路可連接在主串的上游與下游連接端子之間。

輔助電流支路可包含多個輔助電路。多個輔助電路的至少兩個可串聯連接，和/或多個輔助電路的至少兩個可并聯連接。

按照這種方式所配置的主要和輔助電流支路提供設計輔助半導體切換元件的電壓額定和主要半導體切換元件的電壓額定方面的相當大的靈活性。

另外，在輔助電流支路中包含多個輔助電路還增加經過其備選電流通路能夠經過輔助電流支路的路線的數量，因而增加用于改進主要半導體切換元件的切換性能的可能功能的范圍。這是因為它準許備選電流通路的布置以便經過能量存儲和/或阻抗裝置的各種組合以執行各種功能。

此外，在輔助電流支路中包含多個輔助電路實現通過主動改變備選電流通路經過的能量存儲裝置和/或阻抗裝置的數量按照逐步方式來調節流經主要半導體切換元件的電流和跨主要半導體切換元件出現的電壓中的一個或多個。

每個輔助電路的能量存儲和/或阻抗裝置的額定可與輔助電路的數量成反比地降低。

可提供一種半導體切換設備，其包括如上文所述的多個并聯連接的半導體切換電路和/或上文所述的多個串聯連接的半導體切換電路。與通過單個這種半導體開關電路是可能的相比，這種半導體切換設備合乎需要地支持更大電流和電壓的切換。

控制單元可以是單個控制單元，或者包含一組控制子單元，每個控制子單元與多個有源輔助半導體切換元件的相應的有源輔助半導體切換元件關聯。

現在參照附圖通過非限制性示例來描述本發明的優選實施例，附圖包括：

圖1通過示意形式示出按照本發明的第一實施例的半導體切換電路；

圖2通過示意形式示出轉換器腿；

圖3通過示意形式示出當閥接通并且由此傳導正向電流時形成的等效電路；

圖4通過示意形式示出其在從傳導模式到阻塞模式的相應轉變期間的相應反向恢復狀態的晶閘管；

圖5通過圖表形式圖示形成圖2的轉換器腿的部分的晶閘管的傳導和阻塞模式內的不同狀態；

圖6至圖8通過示意形式示出圖1的半導體切換電路的輔助電路在它被切換以創建流經其中的備選電流通路時的各種配置；

圖9通過示意形式示出按照本發明的第二實施例的半導體切換電路；

圖10至圖14通過示意形式示出圖9的半導體切換電路的輔助電路在它被切換以創建流經其中的備選電流通路時的各種配置；

圖15至圖21通過示意形式分別示出按照本發明的第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九實施例的半導體切換電路；以及

圖22a至圖22c通過示意形式示出有源雙向半導體切換元件的各種配置。

按照本發明的第一實施例的第一半導體切換電路在圖1中示出，并且通常通過參考數字10來表示。

第一半導體切換電路10包括主要和輔助電流支路12、14。

主要電流支路12包含采取晶閘管16形式的主要半導體切換元件。當晶閘管16接通時，電流流經主要電流支路12。當晶閘管16關斷時，阻塞電流流經主要電流支路12。

晶閘管16是具有三個內部結點的四層(P₁、N₁、P₂、N₂)裝置。第一內部結點位于P₁與N₁層之間、即靠近陽極端子。第二內部結點位于P₂與N₂層之間、即靠近陰極端子。第三內部結點位于N₁與P₂層之間。在協調中，跨這些內部結點發生的電子空穴活動使晶閘管16遭遇傳導、反向恢復和阻塞(即，反向或正向阻塞)模式的任一種。

輔助電流支路14與主要電流支路12并聯連接。輔助電流支路14包含輔助電路18。輔助電路18包含多個有源輔助半導體切換元件，其被連接以形成有源切換橋。更具體來說，一對有源輔助半導體切換元件在第一與第二橋端子之間按照半橋布置與能量存儲裝置并聯連接。輔助電路18還包含阻抗裝置20，其與有源切換橋串聯連接。

在所示實施例中，每個有源輔助半導體切換元件是晶體管22，其與二極管反并聯連接，以及能量存儲裝置是電容器24。另外，每個晶體管22可切換成工作在三極管模式中以便對流經其中的電流呈現阻抗。晶體管22和電容器24的每個對于與晶閘管的電壓額定的兼容性而被定額。

有源切換橋具有在操作上與其連接的控制單元26。將領會，控制單元26可以是配置成控制多個有源半導體切換元件的切換的單個控制單元26，或者可包含一組控制子單元，由此每個控制子單元配置成控制多個晶體管22的相應晶體管的切換。

控制單元26配置成切換有源切換橋，以便將輔助電路18連接到具有主要電流支路12的電路中以及從其斷開。通過將輔助電路18連接到具有主要電流支路12的電路中以及從其斷開，有選擇地創建經由輔助電流支路14的備選電流通路。因此，流經主要電流支路12的電流轉向成流經備選電流通路并且流經阻抗裝置20。

另外，控制單元26配置成切換有源切換橋以布置備選電流通路有選擇地經過和旁路電容器24、通過多個晶體管22和電容器24的半橋布置所實現的特征。

通過改變晶體管22的狀態，電容器24有選擇地被旁路或插入到輔助電路18中。這有選擇地引導電流經過電容器24或者使電流旁路電容器24，使得輔助電路18對流經其中的電流呈現零或正電壓。

當晶體管22配置成直接將橋端子連接在一起時，旁路電容器24。這使輔助電路18中的電流直接在橋端子之間傳遞并且旁路電容器24，以及因此輔助電路18對流經其中的電流呈現零電壓。

當晶體管22配置成允許輔助電路18中的電流流入和流出電容器24時，將電容器24插入到輔助電路18中。電容器24則對其存儲能量進行充電或放電，以便對流經其中的電流呈現非零電壓。

為了本說明書的目的，參照其HVDC功率轉換器中的使用來描述本發明。然而將領會,HVDC功率轉換器中的本發明的所述使用只是要圖示本發明的工作，本發明并不局限于在HVDC功率轉換器中使用，并且本發明的所述使用經過必要修改適用于要求半導體切換的其他應用。

圖2通過示意形式示出組成六脈沖橋布置中的一相的轉換器腿30。轉換器腿30在第一與第二DC端子32、34之間延伸，并且包含通過AC端子40所分隔的第一和第二閥36、38。每個閥36、38包含多個串聯連接的晶閘管16，每個晶閘管16屬于相應的第一半導體切換電路10。

在對應的備選電流通路不存在的情況下，給定閥36、38中的每個晶閘管16的操作參照圖3至圖5描述如下。

圖3示出當閥36、38接通并且由此傳導正向電流I_F時形成的等效電路。在這個階段，每個晶閘管16表示跨其陽極和陰極端子的“通態”電阻。

圖4示出其從傳導模式到阻塞模式的轉變期間的反向恢復狀態(由此反向恢復電流流經閥36、38)中的每個晶閘管16。反向恢復電流的流動因每個晶閘管16中存儲的電荷而發生。對于給定晶閘管16，所存儲電荷在晶閘管16能夠進入其正向阻塞模式之前必須耗盡，以便防止它重新觸發為傳導。

圖5通過圖表形式圖示晶閘管16的傳導模式(狀態1a、1b、1c和1d)和阻塞模式(狀態2a、2b、2c和2d)中的不同狀態。

每個晶閘管16在充分電流施加于其柵極端子時被觸發。如由狀態1a所示，晶閘管16暴露于接通之后的前數μs期間來自外部電路的快速上升正向電流。在前數μs期間激活僅靠近柵極端子的晶閘管16的小部分。因此，必須限制電流的上升率，以便防止裝置的小部分在接通期間暴露于高電流幅度。這避免局部過熱并且最終避免裝置故障。

每個晶閘管16最終達到其全通態(如由狀態1b所示)。這時，每個晶閘管16通過轉換器電流重疊(其當電流從另一個轉換器腿(其組成六脈沖橋布置的另一相)的閥(未示出)換向到閥36、38時存在)來傳導交流波形。當閥36、38攜帶全轉換器腿電流時，每個晶閘管16傳導直流波形(如由狀態1c所示)。這后面是晶閘管16通過隨后轉換器電流重疊來傳導交流波形(如由狀態1d所示)。

當流經給定晶閘管16的電流下降低于其“保持電流”值時，發起其阻塞模式。給定晶閘管16中存儲的電荷使反向恢復電流I_RRM流經晶閘管16，并且由此流經閥36、38。

閥36、38中的串聯連接的晶閘管16因不同反向恢復電荷電平Q_RR1、Q_RR(n)而可具有相異恢復特性。因此，在兩個晶閘管16的情況下Q_RR1 < Q_RR(n)時，串聯連接的晶閘管16在不同時間支持恢復電壓，如由圖6中的狀態2b所示。在這種情況下，Q_RR1比Q_RR(n)更快地耗盡。因此，一個晶閘管16建立反向恢復電壓V_QRR1，其高于另一晶閘管16的反向恢復電壓V_QRR(n)并且在另一晶閘管16的反向恢復電壓V_QRR(n)之前發生。此后，在某個時間周期之后，所有晶閘管16建立其反向阻塞電壓(如由狀態2c所示)，這被保持直到閥36、38準備好開始正向阻塞(如由狀態2d所示)。

相異Qrr值可通過不同條件例如反向恢復之前的電流的變化率和每個晶閘管16的摻雜特性來影響。因此，難以確定未管理恢復特性時的正向阻塞電壓之前的時間延遲。

在晶閘管16支持正向阻塞電壓之前，每個晶閘管16中的電壓變化從反向阻塞電壓到正向阻塞電壓發生。如果電壓的所產生的上升率足夠高，則電容充電電流將在每個晶閘管16中流動。如果電容充電電流變為過大，則非預計晶閘管觸發可發生。這種觸發是破壞性的，并且可損害HVDC功率轉換器的操作。

當具有預先建立電流的電涌放電器跨每個閥36、38連接時，閥36、38當處于其阻塞模式中時將遭遇接通時電流的大的上升率。另外，這能夠導致足夠高以使其接通的跨閥36、38的電壓的上升率。

如上文所述的每個晶閘管16的切換性能能夠經過每個第一半導體切換電路10在傳導、反向恢復和阻塞模式的各種階段形成備選電流通路以形成下列任一個的操作來改進：

●與晶閘管16并聯連接的阻抗電容電路；或者

●與晶閘管16并聯連接的阻抗電路。

阻抗電容和阻抗電路的示例在圖6至圖8中示意示出。將會理解，阻抗電容電路可通過將輔助電流支路14與主要電流支路12反并聯連接來與對應的晶閘管16反并聯連接。

這些電路的每個的形成將流經晶閘管16的電流轉向成流經備選電流通路，并且由此使每個輔助電路18能夠執行特定功能以改進對應的晶閘管16的切換性能。用于改進每個晶閘管16的切換性能的該系列功能包含但不限于電流的變化率的調節、電壓的變化率的調節、AC電壓分級、DC電壓分級以及晶閘管16的反向恢復和阻塞行為的調節。

為了形成與晶閘管16并聯連接的阻抗電容電路，控制單元26切換輔助電路18的晶體管22以布置備選電流通路流經電容器24，并且由此將電容器24插入到輔助電路18中，如圖6所示。這導致電容與阻抗裝置20串聯連接以形成阻抗電容電路，并且由此導致阻抗電容電路與晶閘管16并聯連接。這準許輔助電路18提供對電流的變化率的調節、電壓的變化率的調節和晶閘管16的AC電壓分級。

為了形成與晶閘管16并聯連接的阻抗電路，控制單元26切換輔助電路18的晶體管22以布置備選電流通路旁路輔助電路18的電容器24。這導致阻抗裝置20與晶閘管16并聯連接。這準許輔助電路18提供晶閘管16的DC電壓分級。另外，備選電流通路經過的晶體管22可切換成工作在其三極管模式中，以便對流經其中的電流呈現阻抗，如圖7所示。

此外，一個晶體管22可在另一晶體管接通的同時切換成工作在其三極管模式中，以便使輔助電路18能夠同時提供對應的晶閘管16的AC和DC分級，如圖8所示。

設想在本發明的其他實施例中，可從每個輔助電路18中省略阻抗裝置20。這是因為所要求的阻抗能夠經過一個或多個晶體管22切換成工作在三極管模式中來提供。將多個有源輔助半導體切換元件的至少一個配置成可切換成工作在阻抗模式中實現從輔助電路18中省略阻抗裝置20，而沒有不利地影響輔助電路18用來對流經其中的電流呈現阻抗的能力，因而提供輔助電路18的尺寸和重量中的進一步降低。

還設想，在本發明的還有其他的實施例中：

●阻抗裝置可與電容器串聯或并聯連接；

●阻抗裝置可與有源切換橋并聯連接；和/或

●阻抗裝置可連接在有源切換橋內。

還設想，在本發明的其他實施例中：

●每個二極管可通過另一種類型的無源電流檢查元件、即準許電流僅在一個方向上流經其中的任何其他裝置來取代；

●有源切換橋可通過另一種類型的有源切換橋、例如多電平有源切換橋來取代；

●電容器可通過能夠存儲和釋放能量的另一種類型的能量存儲裝置來取代；和/或

●阻抗裝置可包含電感器和/或電阻器。

按照本發明的第二實施例的第二半導體切換電路110在圖9中示出，并且通常通過參考數字110來表示。第二半導體切換電路110的結構和操作與第一半導體切換電路10類似，并且相似特征共用相同參考數字。

第二半導體切換電路110與第一半導體切換電路10的不同之處在于，在第二半導體切換電路110中，多個晶體管22定義第一和第二組晶體管22，以及第一和第二組晶體管22在第一與第二橋端子之間按照全橋布置與電容器24并聯連接。

通過改變晶體管22的狀態，電容器24有選擇地被旁路或插入到輔助電路18中。這有選擇地引導電流經過電容器24或者使電流旁路電容器24，使得輔助電路18對流經其中的電流呈現零或正或者負電壓。

當晶體管22配置成直接將橋端子連接在一起時，旁路電容器24。這使輔助電路18中的電流直接在橋端子之間傳遞并且旁路電容器24，以及因此輔助電路18對流經其中的電流呈現零電壓。

當晶體管22配置成允許輔助電路18中的電流流入和流出電容器24時，將電容器24插入到輔助電路18中。電容器24則對其存儲能量進行充電或放電，以便對流經其中的電流呈現非零電壓。

這種布置準許電流在第一與第二橋端子之間在任一方向上流經有源切換橋。晶體管22和電容器24的全橋布置有利地準許任何所形成電路與晶閘管16并聯或者反并聯連接，而無需變更主要與輔助電流支路12、14之間的連接。輔助電路18通過其全橋布置能夠工作在四個象限中，并且能夠控制成形成如圖10至圖13中所示的阻抗電容和阻抗電路的每個，以便執行以上參照第一半導體切換電路10所述的各種功能。

另外，控制單元26可切換輔助電路18的晶體管22以布置備選電流通路流經電容器24，并且由此將電容器24插入到輔助電路18中，使得阻抗電容電路與晶閘管16反并聯連接，如圖14所示。這準許流經主要電流支路12的反向恢復電流轉向成流經備選電流通路，以調節流經晶閘管16的反向恢復電流。

通過將反向恢復電流轉向成在備選電流通路中流動，防止反向恢復電流流出第二半導體切換電路110，并且由此防止反向恢復電流流出對應的閥36、38，因而避免由反向恢復電流所引起的問題。這對于具有相異恢復特性的串聯連接的晶閘管16是特別有益的。

可選地，在本發明的實施例中，輔助電流支路14可配置成當流經主要電流支路12的電流轉向成流經備選電流通路時存儲能量(例如使用電容器24)，以及控制單元26可配置成切換有源切換橋，以便有選擇地將所存儲能量釋放到對應的AC端子40和/或DC端子32、34中。

將會理解，雖然為了說明的清楚的目的而從與以下實施例對應的附圖中省略控制單元26，但是為了本說明書的目的，在以下實施例的每個中，控制單元26仍然在操作上與相應的有源切換橋連接。

按照本發明的第三實施例的第三半導體切換電路210在圖15中示出，并且通常通過參考數字210來表示。第三半導體切換電路210的結構和操作與第一半導體切換電路10類似，并且相似特征共用相同參考數字。

第三半導體切換電路210與第一半導體切換電路10的不同之處在于，第三半導體切換電路210的輔助電流支路14包含多個串聯連接的輔助電路18。第三半導體切換電路210的每個輔助電路18包含一對晶體管22，其在第一與第二橋端子之間按照半橋布置與能量存儲裝置并聯連接。輔助電流支路14還包含阻抗裝置20，其與串聯連接的輔助電路18串聯連接。

串聯連接的輔助電路18共同定義鏈式鏈路轉換器。鏈式鏈路轉換器的結構經由將多個輔助電路18的電容器(各提供其自己的電壓)插入到鏈式鏈路轉換器中來準許跨鏈式鏈路轉換器的組合電壓的積聚，其高于從其個別輔助電路18的每個可用的電壓。鏈式鏈路轉換器的結構還經由將多個這類晶體管22(各呈現其自己的阻抗)插入到鏈式鏈路轉換器中來準許跨鏈式鏈路轉換器的組合阻抗的積聚，其高于從其具有工作在三極管模式中的一個或多個晶體管22的輔助電路18的每個可用的阻抗。

因此，除了形成以上參照第一和第二半導體切換電路110所述的阻抗電容和阻抗電路的每個之外，在輔助電流支路14中包含多個輔助電路18還實現通過主動改變電容器24、阻抗裝置20和/或工作在三極管模式中、備選電流通路經過的晶體管22的數量按照逐步方式來調節流經晶閘管16的電流和跨晶閘管16出現的電壓中的一個或多個。

每個輔助電路18的電容器24和/或阻抗裝置20的額定可與輔助電路18的數量成反比地降低。

按照本發明的第四實施例的第四半導體切換電路310在圖16中示出，并且通常通過參考數字310來表示。第四半導體切換電路310的結構和操作與第三半導體切換電路210類似，并且相似特征共用相同參考數字。

第四半導體切換電路310與第三半導體切換電路210的不同之處在于，在第四半導體切換電路310中，每個輔助電路18包含多個晶體管22，其定義第一和第二組晶體管22。在每個輔助電路18中，并且第一和第二組晶體管22在第一與第二橋端子之間按照全橋布置與電容器24并聯連接。

按照本發明的第五實施例的第五半導體切換電路410在圖17中示出，并且通常通過參考數字410來表示。第五半導體切換電路410的結構和操作與第四半導體切換電路310類似，并且相似特征共用相同參考數字。

第五半導體切換電路410與第四半導體切換電路310的不同之處在于，在第五半導體切換電路410中，輔助電路18a中的一個包含代替其電容器24的分支，由此該分支是電阻器和電容器24的串聯連接，以及輔助電路18b的另一個通過具有一對晶體管22(其在第一與第二橋端子之間按照半橋布置與電阻器并聯連接)的另外輔助電路18來取代。

本發明的輔助電路18可按照不同方式來配置，以便定義具有多電平有源切換橋的輔助電路18。

按照本發明的第六實施例的第六半導體切換電路510在圖18中示出，并且通常通過參考數字510來表示。第六半導體切換電路510的結構和操作與第二半導體切換電路110類似，并且相似特征共用相同參考數字。

第六半導體切換電路510與第二半導體切換電路110的不同之處在于，在第六半導體切換電路510中，第一和第二組晶體管22中的一個包含通過對應的橋端子所分隔的第一和第二對晶體管22，第一對晶體管22通過第一結點來分隔，第二對晶體管22通過第二結點來分隔，以及阻抗裝置20跨第一和第二結點連接。

按照本發明的第七實施例的第七半導體切換電路610在圖19中示出，并且通常通過參考數字610來表示。第七半導體切換電路610的結構和操作與第六半導體切換電路510類似，并且相似特征共用相同參考數字。

第七半導體切換電路610與第六半導體切換電路510的不同之處在于，在第七半導體切換電路610中，第一和第二組晶體管22均包含通過對應的橋端子所分隔的第一和第二對晶體管22。在這個實施例中，每個第一對晶體管22通過相應的第一結點來分隔，以及每個第二對晶體管22通過相應的第二結點來分隔。輔助電流支路14包含兩個阻抗裝置20，由此每個阻抗裝置20跨相應對的第一和第二結點連接。

按照本發明的第八實施例的第八半導體切換電路710在圖20中示出，并且通常通過參考數字710來表示。第八半導體切換電路710的結構和操作與第六半導體切換電路510類似，并且相似特征共用相同參考數字。

第八半導體切換電路710與第六半導體切換電路510的不同之處在于，在第八半導體切換電路710中，阻抗裝置20不是跨第一和第二結點連接，而是輔助電路18包含分支42，其包含電容器24和阻抗裝置20的串聯連接。第一和第二組晶體管22與分支42并聯連接，以在第一與第二橋端子之間定義全橋布置。

輔助電路18還包含一對二極管44。該對二極管44跨第一和第二結點連接。該對二極管44之間的第三結點連接到分支42的串聯連接的電容器24和阻抗裝置20之間的第四結點。

雖然用于跨第一和第二結點的連接的優選選項是圖20所示的該對二極管44，但是設想在本發明的其他實施例中，該對二極管44可通過能夠主動控制成執行類似功能性的晶體管來取代。

按照本發明的第九實施例的第九半導體切換電路810在圖21中示出，并且通常通過參考數字810來表示。第九半導體切換電路810的結構和操作與第八半導體切換電路710類似，并且相似特征共用相同參考數字。

第九半導體切換電路810與第八半導體切換電路710的不同之處在于，在第九半導體切換電路810中，第一和第二組晶體管22均包含通過對應的橋端子所分隔的第一和第二對晶體管22。在這個實施例中，每個第一對晶體管22通過相應的第一結點來分隔，以及每個第二對晶體管22通過相應的第二結點來分隔。輔助電流支路14包含兩對二極管44。每對二極管44跨相應對的第一和第二結點連接。每對二極管44之間的相應第三結點連接到分支42的串聯連接的電容器24和阻抗裝置20之間的第四結點。

包含配置成創建經由輔助電流支路14并且由此經由電容器24和/或阻抗裝置20的備選電流通路的控制單元26允許上述半導體切換電路的每個提供用于通過有選擇地將輔助電路18的電容器24和/或阻抗裝置20連接到晶閘管16以修改流經晶閘管16的電流和跨晶閘管16出現的電壓中的一個或多個來改進對應的晶閘管16的切換性能的一系列功能。

另外，控制單元26用來將輔助電路18切換出具有主要電流通路的電路的能力準許在不存在用于調節流經晶閘管16的電流和跨晶閘管16出現的電壓中的一個或多個的需要時去除備選電流通路。這意味著，只有當需要輔助電路18執行其功能時，才要求輔助電路18保持連接到晶閘管16。否則，如果輔助電路18在它沒有被要求這樣做時保持連接到晶閘管16，則在其期間輔助電路18連接到晶閘管16的時間中的所得到的增加將會要求輔助電路18的每個組件的電氣額定中的對應增加，因而導致具有更高損耗并且具有增加的尺寸和重量的輔助電路18。

此外，提供有源切換橋以便將輔助電路18連接到具有主要電流支路12的電路中以及從其斷開，并且由此準許創建經由輔助電流支路14的備選電流通路準許控制單元26布置經過其備選電流通路經過輔助電流支路14的路線，使得電流能夠流經輔助電流支路14中的各種路線。這是因為，如上文參照本發明的各個實施例所述的，有源切換橋的結構準許其配置為流經其中的電流提供多于一個的路線。這又準許輔助電路組件的布置以便在保持其功能性的同時提供更緊湊和更廉價的輔助電路18。

每個有源輔助半導體切換元件的結構在其他實施例中可變化。

設想在本發明的其他實施例中，晶體管和二極管的反并聯連接對可由晶體管取代。

設想在本發明的還有其他的實施例中，每個晶體管22可由省略三極管模式的另一個晶體管來取代。

設想在本發明的另外其他的實施例中，每個晶體管22可由有源雙向半導體切換元件來取代。這種雙向半導體切換元件可包含：

●一對反串聯連接的有源半導體切換元件，如圖22a和圖22b所示；或者

●按照全橋布置與有源半導體切換元件并聯連接的多個二極管，如圖22c所示。