专利名称：电流转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于转换电流或用于形成电压的装置，该装置具有串联的
半导体模块、位于一个半导体模块的电位上的高压控制单元和借助至少一个光
波导与高压控制单元相连的靠近地电位的低压控制单元，所述半导体模块具有至少一个可控功率半导体。
背景技术：
一种这样的装置在US 5969956中已经公知。那里描述的装置是作为高压直流输电(HG(J)设备的一部分的变流器。那里示出的变流器具有整流器支路，其分别具有一个由半导体模块组成的串联电路。这些半导体模块分别包括一个晶闸管，其可以通过电触发脉沖(zuendpuls)从截止状态被转换到导通状态，在该截止状态电流经过晶闸管断开，在该导通状态电流可以流过该晶闸管。调节装置用于触发晶闸管d调节装置包括位于高压电位上的高压控制单元以及接近地电位的低压控制单元，它们借助电位分离的光波导互相连接。由此，低压控制单元的电信号被转换为光学信号并且经过光波导传输到高压控制单元。高压控制单元具有光电转换器，其将接收的光学信号转换为电信号。接收的信号用于合适地触发晶闸管。此外，每个晶闸管对应一个状态监视传感器，其分别监视对应的晶闸管的状态，以获得状态数据。状态数据最后被传输到高压控制单元，其中该高压控制单元至少部分地处理状态数据，并且将在处理中获得的数据经过光波导传输到低压控制单元。
具有由半导体模块组成的串联电路的变流器同样从能量传输和分配的实践中公知。通过串联电路，在串联电路的接线柱上施加的电压分布到各个半导体模块。以这种方式可以4是供变流器整流阀(Umrichterventile )，其4皮构造用于高压，尽管各个半导体模块的耐压是有限的。在高压应用中，所需的半导体模块的数量在几十个到上千个的范围中。半导体模块例如包括一个可控功率半导体，或者电容器和多个互相连接成半电桥或全电桥的功率半导体。功率半导体通常必须精确并快速地被控制。如上面已经提到的，按照现有技术每个功率半导体通常经过两条光波导与一个接近地电位的控制装置相连。这具有如下缺陷需要非常多的光波导。在控制装置冗余设计的情况下，光波导的数量还要提高两倍以上。而且，难以在所需的时间内中央地处理在监视中获得的、经过各条光波导被传输的所有数据。
发明内容
由此本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开头提到类型的装置，该装置可靠、开销少、成本低。
本发明这样解决上述技术问题高压控制单元具有高压接口，其位于半导体模块之一的电位上并且经过信号导线与至少两个可控的功率半导体相连，其中高压接口经过至少 一条所说的光波导与低压控制单元相连。
按照本发明，设置了高压接口，其接收由低压控制单元发送的数据并且进
这个原因，可以在空间直接靠近半导体设置高压接口 ，从而能够相应短地并且成本低地敷设通向功率半导体的信号导线，例如电数据导线和光学数据导线。此外，按照本发明的装置仅需要在高压接口和低压控制单元之间的较少数量的光波导，其结果是按照本发明的装置使成本降低。为了合适地进一步分发，由4氐乂玉4空制单元4专專fr的凄l才居合适:i也具有口向应i也i止(Ansprechadresse )，该响应地址
确定，高压接口将数据以及信号进一步传输到哪个功率半导体上。传输的数据在本发明的范围内既可以是模拟的、优选地还可以是数字的数据，其以数据报文的形式发送。
可控功率半导体的概念在本发明的范围内理解为对于在高压范围中的应
用被证明是合适的那些功率半导体。由此例如仅提到晶闸管、所谓的GTO(GateTurn-()fi'-Thyristor，门4及关断晶闸管)、IGCT (Integrated Gate CommutatedThyristor,集成门极换流晶闸管)、GCT ( Gate Commutated Turn-Off-Thyristor ，门极换流关断晶闸管)和IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘对册双极晶体管)。 一个半导体模块例如仅具有一个这样的功率半导体。与此不同，在本发明的范围内一个半导体模块具有多个可控的以及必要时不可控的功率半导体，它们互相连接成半电桥或全电桥。此外半导体模块还可以包括其它组件例如电容器 功率半导体在本发明的范围内理解为最小的可控单元。在此每个功
4率半导体由多个互相任意接触的半导体芯片组成。
按照本发明的优选实施方式，每个高压接口与至少四个可控功率半导体相 连。这四个可控功率半导体互相连接成全电桥，电容器与该全电桥并联。
高压接口优选构造为用于经过与其相连的光波导接收控制信号并将接收
的控制信号分布到与其相连的功率半导体。
在按照本发明的装置的优选扩展中，设置状态传感器，其与高压接口相连， 从而高压接口接收状态传感器的测量信号。就状态传感器的测量信号来说，高 压接口例如还可以作为简单的分配器工作，在此测量信号被进一步传输到低压 控制单元。
每个低压控制单元经过光波导仅与高压接口相连。在低压控制单元和按照
本发明的装置的位于高压电位的组件之间没有其它连接。
按照优选实施方式，高压接口构造用于处理状态传感器的测量信号并用于 根据测量信号来控制与其相连的功率半导体。换言之高压接口承担在其它情况 下由低压控制单元进行的功能。由此对按照本发明的装置的整个控制得到大的 简化。在最短时间内，例如在毫秒范围内必须进行的、对半导体的测量信号的 反应，可以通过高压接口有效地独立并且局部进行。以这种方式减轻了低压控 制单元的负载。
优选设置靠近地电位的能量供应单元，其经过电位分离的连接装置与高压 接口相连，从而通过该靠近地电位的能量供应单元来提供高压接口中的能量供/义。
按照合适的扩展设置了高压能量供应装置，其位于一个半导体模块的电位 上并用于高压接口的能量供应。
如已经提到的，半导体模块包括可关断的和/或不可关断的功率半导体、例 如晶闸管。晶闸管只能主动地从断开状态转换到导通状态，而在可关断的功率 半导体、例如IGBT的情况下，其通过控制信号还可以主动地从导通状态转换 到截止状态。这当然扩展了半导体开关的控制可能性。可关断功率半导体通常 具有反并联连接的续流二极管。
在本发明的范围内例如设置通过光可控的功率半导体，其可以通过合适的 光信号控制。或者，在本发明的范围内设置电可控功率半导体。
在本发明的另 一个实施方式中，每个可控功率半导体经 所谓的门单元与 高压接口相连，其中门单元被构造成用于电控制半导体模块的可控功率半导体。由此门单元用于控制可电响应的功率半导体。在此门单元通常直接与半导体开 关相连。设置高压接口以响应门单元，从而该门单元产生用于与其相连的功率 半导体的所需控制信号。然而门单元本身是公知的，从而在此不必详细讨论。 按照与此相关的合适扩展，设置高压接口用于门单元的能量供应。同样， 通过门单元和高压接口之间的该连接进一步降低了按照本发明装置的接线成 本。
本发明的其它合适的实施方式和优点是以下结合附图对本发明的实施例 的描述的内容，其中相同的附图标记表示作用相同的组件，其中，
图1示出作为按照本发明的装置的一部分的由半导体模块组成的串联电路 的实施例的示意图，并且
图2示出了通过高压接口对功率半导体的控制。
具体实施例方式
图1示出了由半导体模块l组成的串联电路，这些半导体模块分别由开关 模块2组成。开关模块与电容器C连接成所谓的H电路或者全电桥电路，从而 在每个半导体模块1的接线柱上根据开关模块的状态而降落在电容器C上降 落的电容器电压Uc、反向电容器电压-Uc或者零电压。在此，每个开关模块包 括一个可关断的功率半导体，此处是IGBT 3以及与其反并耳关连接的续流二4及管 4。在图1中示出的装置例如可以与交流电网的一相连接并且用于可能在交流电 网中形成的抑制谐波、用于无功功率补偿、用于电压稳定等等。接线柱5和6 用于连接到交流电网的该相。在三相交流电网的情况下，三个这样的串联电路 形成按照本发明装置的实施方式。具有按照图1中的串联电路的整流支路的装 置也称为多级变流器。
高压接口 7用于控制半导体模块1的四个IGBT，其经过电位分离的光波 导与图1中未示出的低压控制单元相连。高压接口 7是同样在图1中没有示出 的高压控制单元的一部分。或者，高压控制单元仅由高压接口组成。
图2详细示出了通过高压接口 7对可控功率半导体Vll、 VI2、 V21和V22 的控制。特别可以看出，每个可控功率半导体Vll、 V12、 V^和VZZ经过所 谓的门单元8与高压接口 7相连。门单元8在实践中通常称为门驱动器。其用于产生用于与其相连的功率半导体的各个门接头(Gate-Anschluss )的控制信号。 为了给每个门单元8提供能量，高压接口对于每个门单元8包括一个高压能量 供应装置9。在此每个能量供应装置9经过电缆连接IO连接到门单元。信号导 线11用于传输由高压接口 7接收的并且进一步传输的接通和断开信号。
此外，每个门单元8还具有状态发生器，其经过信号导线12、 13和14与 高压接口7相连。在此高压接口 7用于接收和处理状态发生器的状态信号。该 处理借助在高压接口中执行的内部逻辑来进行。当根据获得的状态信号，必须 改变、产生或抑制接通和断开信号时，该内部逻辑也被构造为用于改变、产生 或抑制接通和断开信号。
仅示意性示出的温度传感器15采集在半导体模块1的所有开关模块2上
的平均温度。
所确定的电容器电压值Ue和温度值T由高压接口 7处理，在此高压接口 7 的内部逻辑确定，产生还是抑制接通和断开信号。
两条仅示意性示出的光波导17和18用于将高压接口 7与在图2中未示出 的、接近地电位的低压接口相连，在此从未示出的低压控制单元经过光波导n 接收数据并经过光波导18将数据从高压接口 7发送到^1压控制单元。
高压接口 7优选是所谓的现场可编程门阵列或者说FPGA。这样的FPGA 是本身为公知的可编程半导体组件，从而在此不必详细讨论。
权利要求
1.一种用于转换电流或用于形成电压的装置，该装置具有串联的、具有至少一个可控功率半导体(3)的半导体模块(1)、位于这些半导体模块(1)之一的电位上的高压控制单元和借助至少一条光波导(17，18)与该高压控制单元相连的接近地电位的低压控制单元，其特征在于，所述高压控制单元具有高压接口(7)，该高压接口(7)位于半导体模块(1)之一的电位上并经过信号导线(10，11，12，13，14)与至少两个可控功率半导体(3)相连，所述高压接口经过至少一条所述光波导(17，18)与所述低压控制单元相连。
2. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述高压接口 (7)设置用来经过与其相连的光波导(7， 18)接收控制信号以及将接收的控制信号分发给与其相连的可控功率半导体(3)。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，具有状态传感器(15，]6)，其与所述高压接口 (7)相连，从而使所述高压接口 (7)接收该状态传感器(15， 16)的测量信号。
4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述高压接口 (7)设置用来处理所述状态传感器(15, 16)的测量信号以及用于根据所述测量信号控制与该高压接口 (7)相连的可控功率半导体(3)。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，具有接近地电位的能量供应单元，其经过电位分离的连接装置与所述高压接口 (7)相连，从而通过该接近地电位的能量供应单元为所述高压4妻口 (7)提供能量。
6. 根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，具有位于所述半导体模块(l)之一的电位上的高压能量供应装置，其与所述高压接口相连，并为所述高压接口提供能量。
7. 根据权利要求5或6所述的裝置，其特征在于，每个可控功率半导体(3 )经过门单元(8)与所述高压接口相连，其中所述门单元(8)用于产生对于所述半导体模块(l )的可控功率半导体(3)的控制信号。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述高压接口 (7)利用能量供应装置(9)给所述门单元(8)提供能量。
全文摘要
本发明涉及一种用于转换电流或用于形成电压的装置，该装置具有串联的、具有至少一个可控功率半导体(3)半导体模块(1)、位于这些半导体模块(1)之一的电位上的高压控制单元和借助至少一条光波导(17，18)与该高压控制单元相连的靠近地电位的低压控制单元，该装置可靠、费用少且成本低，本发明提出，所述高压控制单元具有高压接口(7)，其位于半导体模块(1)之一的电位上并且经过信号导线(10，11，12，13，14)与至少两个可控功率半导体(3)相连，其中所述高压接口经过至少一条所述光波导(17，18)与所述低压控制单元相连。
文档编号H02M1/092GK101689800SQ200880022868
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月16日 优先权日2007年7月2日
发明者马科斯·佩雷拉 申请人:西门子公司