半导体器件控制中的改进可靠性的制作方法

半导体器件控制中的改进可靠性的制作方法
【专利摘要】半导体器件的栅控装置(30)包括：至少一个电源模块(42、46)；至少一个光学通信接口(40、44)，用于从两个阀门控制单元(36、38)接收光信号(OS1、OS2)并且将其转换成电信号以提供给对应电源模块(42、46)，其中在正常操作模式中，一个阀门控制单元是活动阀门控制单元，而另一个是备用阀门控制单元，其中活动单元的光信号激励栅控装置并且为半导体器件提供控制数据；半导体器件控制模块(52)和可靠性控制模块(50)，其执行活动阀门控制单元的选择。
【专利说明】半导体器件控制中的改进可靠性
【技术领域】
[0001]一般来说，本发明涉及半导体器件的控制。更具体来说，本发明涉及用于操作栅控装置的方法、栅控装置以及半导体器件的控制系统。
【背景技术】
[0002]直流(DC)输电系统对于在各种情况中的使用是有意义的，例如在通过长距离传递电功率时。
[0003]在这些系统中，为了安全措施，例如为了能够在故障、例如接地故障的情况下中断电力线中的电流，必须提供DC断路器。
[0004]这种DC断路器在许多情况下将包括一个或多个半导体器件，例如采取使用栅控装置和一个或多个阀门控制单元来控制的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的形式。
[0005]此外，一些DC系统可被提供以用于覆盖长距离，并且还可在诸如高于500 kV之类、例如在500 - 1200 kV的范围中的高电压下提供。这还表示DC断路器将放置在高电位。
[0006]半导体器件在这里可由控制系统(其包括阀门控制单元和栅控装置)来控制。高电位引起栅控装置的电流隔离的问题，以便能够操作这些高电压。隔离通常将要求大变压器，其既笨重并且昂贵。
[0007]解决这个问题的一种方式是通过使用光控制信号。这些光信号可提供给栅控装置，栅控装置又执行半导体器件的控制。这样，解决高电压下的控制信号的电流隔离的问题，而无需借助于变压器。
[0008]在多个文献中描述了光控制信号。
[0009]一个示例在US 7239535中给出，其描述经由光纤连接到一个中央阀门控制装置的栅控装置。阀门控制装置还描述为与栅控装置在电流上分隔。
[0010]JP 62-131755描述来自启动信号发生器的启动信号和其它信号如何组合在光导中并且提供给晶闸管。光导中的信号还提供给启动信号开关电路的光检测器。
[0011]JP 59-209066描述经由光纤连接到栅极电路的双启动装置。各启动电路连接到对应栅极电路。
[0012]US 5629869描述智能断路器，其中断路器控制单元能够是冗余的，并且使用光纤电缆布线。
[0013]因此，这些文献描述光纤用于相对于半导体器件的控制来传送控制信号。
[0014]但是，也将光信号用于能量供应则也可以是感兴趣的。
[0015]但是，为了能够这样做，激光源、例如激光二极管必须用于代替发光二极管(LED)。由于所需的功率，这些激光源的可靠性则也将成需要得到解决的问题。
[0016]此外，当栅控装置在光学上从阀门控制单元来供电时，可靠性变得重要。与LED或者用于控制HVDC转换器的低功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的可靠性相比，阀门控制单元中的激光源的可靠性通常更低。[0017]当今，维护周期长大约为一年。因此对这些周期进行延长是感兴趣的。
[0018]本发明涉及解决处置将光学光用作功率源和控制信号源两者的半导体器件的控制系统中的可靠性的问题。

【发明内容】

[0019]本发明针对处置与半导体器件的控制系统中的栅控装置有关的可靠性，其中栅控装置将光学光用作功率源和控制信号源两者。
[0020]本发明的一个目的是提供一种操作半导体器件的控制系统中的半导体器件的栅控装置、以便增强控制系统的可靠性的方法。
[0021]按照本发明的第一方面，这个目的通过一种用于操作半导体器件的栅控装置的方法来实现，栅控装置连接到第一和第二阀门控制单元，其中在正常操作模式中，一个阀门控制单元是活动阀门控制单元，而另一阀门控制单元是备用阀门控制单元，以及活动阀门控制单元提供用于激励栅控装置并且提供用于控制半导体器件的数据的光信号，该方法在栅控装置中执行，并且包括下列步骤:
在第一阀门控制单元活动时从第一阀门控制单元接收第一光信号，
在第二阀门控制单元活动时从第二阀门控制单元接收第二光信号，
执行活动阀门控制单元的选择，以及
将第一和第二光信号中的能量用于为栅控装置供电。
[0022]本发明的另一个目的是提供半导体器件的控制系统中的栅控装置，其增强控制系统的可靠性。
[0023]按照本发明的第二方面，这个目的通过半导体器件的栅控装置来实现，其包括: 至少一个电源模块，
用于从两个阀门控制单元接收光信号的至少一个光学通信接口，其中在阀门控制单元的正常操作模式中，一个阀门控制单元是活动阀门控制单元，而另一阀门控制单元是备用阀门控制单元，以及活动阀门控制单元提供用于激励栅控装置并且提供用于控制半导体器件的数据的光信号，所述至少一个光学接口还配置成将光信号转换成电信号以提供给为栅控装置供电的对应电源模块，
半导体器件控制模块，用于控制半导体器件，以及 可靠性控制模块，配置成执行活动阀门控制单元的选择。
[0024]本发明的另一个目的是提供至少一个半导体器件的控制系统，其具有增强可靠性。
[0025]按照本发明的第三方面，这个目的通过至少一个半导体器件的控制系统来实现，其包括:
第一阀门控制单元，配置成提供第一光信号，
第二阀门控制单元，配置成提供第二光信号，
第一栅控装置，包括 至少一个电源模块，
用于从所述两个阀门控制单元接收所述光信号的至少一个光学通信接口，其中在阀门控制单元的正常操作模式中，一个阀门控制单元是活动阀门控制单元，而另一阀门控制单元是备用阀门控制单元，以及活动阀门控制单元提供用于激励栅控装置并且提供用于控制半导体器件的数据的光信号，所述至少一个光学接口还配置成将光信号转换成电信号以提供给为栅控装置供电的对应电源模块，
半导体器件控制模块，用于控制第一半导体器件，以及 可靠性控制模块，配置成执行活动阀门控制单元的选择。
[0026]本发明具有多个优点。通过栅控装置选择活动阀门控制单元，省去阀门控制单元的中央选择功能和两个阀门控制单元之间的相互通信的需要。这还简化阀门控制单元的设计。
【专利附图】

【附图说明】
[0027]下面将参照附图来描述本发明，其中:
图1示意示出DC输电系统，该DC输电系统还包括转换器、DC电力线以及DC断路器、栅控装置和本地控制系统，
图2示意示出DC输电系统中的简化DC断路器，
图3示意示出按照本发明的第一实施例的半导体器件的控制系统的一部分，
图4示意示出用于操作图3所示控制系统的部分中的栅控装置的方法的流程图，以及 图5示意示出按照本发明的第二实施例的冗余半导体器件的控制系统的一部分。
【具体实施方式】
[0028]下面将给出本发明的优选实施例的详细描述。
[0029]图1示出简化直流(DC)输电系统10的单线图。输电系统可有利地是工作在高于500 kV、例如在500 - 1200 kV的范围中、以及有利地在800 - 1200 kV的范围中的高压直流(HVDC)系统。在这里，存在第一转换器12，其具有供连接到第一 AC电力线(未示出)的交流(AC)侧和连接到第一 DC电力线20以及连接到第二 DC电力线22的DC侧。提供第一转换器12以用于在AC与DC之间进行转换。还存在第二转换器14，其在AC与DC之间进行转换，并且具有连接到第二 AC电力线(未示出)的AC侧和连接到第二 DC电力线22以及连接到第三DC电力线24的DC侧。还存在第三转换器16，其在AC与DC之间进行转换，并且具有连接到第三AC电力线(未示出)的AC侧和连接到第一 DC电力线20以及连接到第四DC电力线26的DC侧。此外，存在第四转换器18，其用于在AC与DC之间进行转换，并且具有连接到第四AC电力线(未示出)的AC侧和连接到第三DC电力线24以及连接到第四DC电力线26的DC侧。此外，提供第一电力线20中的第一断路器28，断路器28包括第一半导体器件。最后，图1示出本地控制系统32，其放置成与第一转换器12相邻，并且连接到第一栅控装置30以控制断路器28的第一半导体器件。此外，本地控制系统32与第一栅控装置30之间的这个连接通过至少一个光纤34来提供。本地控制系统32和第一栅控装置30共同形成断路器28中的第一半导体器件的控制系统。
[0030]AC电力线在这里可在不同的AC输电和/或配电系统中提供。DC输电系统10又可称作DC电网。转换器在这里可以是电压源转换器。但是，它对于电流源转换器也是可能的。
[0031]在这里应当知道，DC输电系统能够更为复杂，并且包括若干更多DC电力线，例如连接到各转换器以用于提供双极系统的两个DC电力线。它还能够包括较少电力线，例如一个。还应当知道，DC系统中可存在若干更多断路器。图1中仅存在一个断路器，以便简化本发明的描述。如果存在更多断路器，则当然将存在更多栅控装置以及也许还有本地控制系统。还可存在与DC输电系统进行接口连接的更多或更少转换器。
[0032]图2示意示出断路器28的简化结构。它包括与电子断路器元件串联的机械断路器元件BR1。机械断路器元件BRl例如可以是继电器或者单极单掷开关。电子断路器元件在这个示例中由一对半导体器件组成，其中一个是前面所述的第一半导体器件SCDl (其在这个示例中是高压或功率半导体器件)，而另一个是第二半导体器件SCD2。各半导体器件SCDl和SCD2可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其中源极和集电极连接在DC电力线的电流通路中。在这个示例中，还存在连接在集电极与发射极之间的反并联二极管，以便提供沿相反主要电流方向的旁路。二极管的阳极在这里连接到对应半导体器件的集电极，而阴极连接到对应半导体器件的发射极。如前所述，半导体器件SCDl和SCD2具有相反取向。这样做以便能够阻断两个不同的主要电流方向。这意味着，在这里，第一半导体器件S⑶I的发射极连接到第二半导体器件SCD2的发射极，而集电极彼此相背朝向。晶体管还各具有栅极，并且这个栅极应该接收来自对应栅控装置的控制信号，其中第一半导体器件接收来自第一栅控装置30的控制信号，以及第二半导体器件接收来自另一个栅控装置的控制信号。
在断路器28中，还存在与电子开关元件并联、即与具有反并联二极管的两个半导体器件SCDl和SCD2并联的过电压保护元件。在这个示例中，这个元件是电涌放电器ZA、例如变阻器。
[0033]在这里应当知道，有可能并且也通常常见的是，在断路器中存在相互串联连接的更多这类功率半导体器件。所有这些则需要在栅极接收来自独立栅控装置的对应控制信号。还应当知道，IGBT只是能够在断路器中使用的高压半导体器件的一个示例。能够使用的其它类型例如是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、晶闸管、栅极可关断晶闸管(GTO)和集成栅极换流晶闸管(IGCT)。最后，应当知道，可省略反并联二极管。这例如可在第一和第二半导体器件是以相反取向串联的两个反向导通集成栅双极晶体管(RC-1GBT)时进行。如果两个反向阻断集成栅双极晶体管(RB-1GBT)反并联连接，则也可省略反并联二极管。
[0034]这种断路器28的功能在于，在系统的正常操作中，机械和电子断路器元件BRl和S⑶1、S⑶2均闭合。然后，如果检测到故障、例如接地故障，则两者将均必须断开。在这种情况下，电子断路器元件SCDl和SCD2首先断开，之后有可能断开机械断路器元件BRl。
[0035]如前面所述，DC系统10通常工作在高电压电平、例如800 kV - 1200 kV。在那些电压下，存在的问题在于，栅控装置必须对于高电压电平在电流上隔离，这是费用高并且也是成问题的。此外，当使用串联连接IGBT时，栅控装置在不同电压下使用。
[0036]本发明通过将控制信号作为光信号提供给栅控装置，来解决这个问题。此外，这些光信号还用于激励栅控装置。这意味着，将光信号转换成电压，该电压还用作栅控装置的供应电压。这具有提供栅控信号与系统的其余部分的电流隔离的优点。
[0037]为了能够这样做，阀门控制单元的光源必须是激光器，例如激光二极管。此外，用于控制电子开关的信号(通常表示为启动脉冲(FP))还在这些激光器的低输出功率级来提供。这意味着，没有半导体器件控制信号在高输出功率级来传送。断路器仅当存在故障时才很少地开关。它通常使用通过短数据突发所形成的控制信号来开关。这样，将在大多数时间提供高功率级。这还意味着，高电平将通常存在，并且足够长以用于实现对栅控装置的供电。
[0038]图3示意示出按照本发明的第一实施例的第一半导体器件SCDl的控制系统的部分，以及在这里更具体地示出两个阀门控制单元36和38，其在图1所示的本地控制系统32中提供。这两个阀门控制单元36和38与第一栅控装置30进行通信。通信在这里经由提供I/O信道的专用光纤来提供，并且因此阀门控制单元36和38配备有用于传送光信号的光学发射器以及用于接收光信号的光学接收器。发射器在这里通常是激光器、例如激光二极管，以及接收器是光电检测器、例如光电二极管。光学发射器和光学接收器的组合也可被认为是光学收发器。由于这个原因，按照这个第一实施例，第一栅控装置30配备有用于与第一阀门控制单元36的光学收发器进行通信的第一光学接口 40。在这个第一实施例中，存在提供第一阀门控制单元36与栅控装置30的第一光学接口 40之间的专用I/O信道的专用光纤。这个第一光学通信接口 40电连接到第一电源模块42、到可靠性控制模块50和到半导体控制模块52。第一光学通信接口 40还执行光电转换，因为它在一方面将光信号转换成电信号并且将这些电信号中的功率提供给第一电源模块42，以及另一方面将电信号转换成光信号，供通过专用I/O信道传递给第一阀门控制单元36。因此，第一光学通信接口也配备有光学收发器。但是，在这里充分的是，光学发射器是发光二极管(LED)。基于所接收光信号所生成的电信号也可提供给可靠性控制模块50。如前面所述，光信号包括采取启动脉冲形式的数据，其可被转发给半导体器件控制模块52。
[0039]栅控装置30的第二光学接口 44按照相同方式经由提供第二阀门控制单元38与第一栅控装置30之间的专用I/O信道的第二光纤连接到第二阀门控制单元38。第二光学接口 44还包括光学收发器，并且电连接到第二电源模块46、到可靠性控制模块50和到半导体器件控制模块52。半导体器件控制模块52在这里提供第一控制信号SCD_CTRL1，其被应用到断路器中的第一半导体器件SCDl的栅极，其中信号因而是电信号。它还可提供指示脉冲，该指示脉冲被发送给阀门控制单元，它从该阀门控制单元中接收启动脉冲。指示脉冲在这里是与第一半导体器件的控制相关的数据。在这个第一实施例中，可靠性控制模块50还连接到第一和第二电源模块42和46以及连接到半导体器件控制模块52。
[0040]现在还将参照图4来描述本发明的第一实施例，图4示出用于操作栅控装置并且在第一栅控装置中执行的方法中的多个方法步骤的流程图。
[0041]用于半导体器件的控制系统通常在包括至少三个等级的各种分层等级来提供。在最低分层等级提供栅控装置，以及在下一个较高等级提供阀门控制单元。在甚至更高的等级，例如由于电力线中的接地故障的检测，通常提供执行保护功能的一个或多个控制计算机。在这里，控制计算机生成控制命令，控制命令被发送给阀门控制单元36或38，阀门控制单元36或38又基于控制命令来生成启动脉冲，该启动脉冲在光信号OSl或0S2中发送给栅控装置30。栅控装置30中的半导体控制模块52则基于启动脉冲采用控制信号SCD_CTRLl来控制半导体器件。
[0042]为了冗余目的而提供两个阀门控制单元36和38。这意味着，在正常操作模式中，始终存在作为活动阀门控制单元的阀门控制单元以及作为后备阀门控制单元的另一个阀门控制单元。这还意味着，活动阀门控制单元提供信号、即启动脉冲，该信号用于控制半导体器件，而备用阀门控制单元是备用单元，其信号通常仅用于取代主要阀门控制单元(其在这个主要阀门控制单元在正常操作模式中变成有故障时通常是活动的)的信号。在本发明的这个第一实施例中，第一阀门控制单元36在这里最初是活动阀门控制单元，而第二阀门控制单元是备用阀门控制单元。
[0043]在这个第一实施例中，第一栅控装置30在正常操作模式中连续并且同时地提供有来自第一阀门控制单元36的第一光信号OSl以及来自第二阀门控制单元38的第二光信号0S2。因此，如能够看到，第一光学通信接口 40接收来自第一活动阀门控制单元的第一光信号0S1，步骤54，而第二光学接口 44接收来自第二阀门控制单元38的第二光信号0S2。在存在由本地控制系统所提供的、预计送往半导体控制模块52的数据、例如启动脉冲的情况下，这则将在第一光信号OSl中而不在第二光信号0S2中提供。在这里不可能的是，启动脉冲存在于来自备用阀门控制单元的光信号0S2中，即使在第一光信号OSl中存在这类启动脉冲也是如此。但是，在本发明的一些实施例中，始终存在第二光信号0S2。按照本发明的一些实施例，来自阀门控制单元36和38的光信号以某个功率级来提供，以及在这个实施例中，两者均以光学发射器的最大输出功率级的一半来提供。
[0044]因此，第一光信号OSl由第一光学接口 40来接收，转换为电信号，并且提供给第一电压馈送模块42以及给可靠性控制模块50。它还可提供给半导体控制模块52，特别是在信号包括启动脉冲时。
[0045]还按照相同方式，第二光信号0S2由第二光学接口 44来接收，转换为电信号，并且提供给第二电压馈送模块46以及可能还提供给半导体控制模块52。
[0046]在这里，可靠性控制模块50可控制半导体控制模块52来仅处置来自活动阀门控制单元的信号，而忽视或者忽略来自备用阀门控制单元的可能信号。
[0047]半导体控制模块52则将启动脉冲转换成栅电压以便施加到半导体器件的栅极，并且采用指示脉冲来响应启动脉冲。
[0048]此外，为了确保活动阀门控制单元令人满意地进行操作，它可由可靠性控制模块设置或者指示以定期发送功能控制数据。在本发明的一个变型中，可将它设置成以固定间隔发送数据，其可与半导体器件控制命令清楚地分离，但是足够相似以确保能够发送开关命令。可以仅提供这个功能控制数据以用于给出证明活动阀门控制单元正确起作用。作为备选方案，功能控制数据可以是启动脉冲，栅控装置已知其为不是用于控制第一半导体器件而是仅用于调查阀门控制单元的功能性的“假”或“伪”启动脉冲。但是，由于只有活动阀门控制单元发送这种功能控制数据，所以不可能从冗余阀门控制单元得到相同的功能控制。这可能是个问题，因为有故障的冗余备用阀门控制单元与健康活动阀门控制单元并联提供。
[0049]为了处置这种情况，以及作为补充或替代，为了延长活动阀门控制单元的寿命，可靠性控制模块50可按照可靠性增强方案来暂时将第二阀门控制单元38切换为活动阀门控制单元，步骤56。因此，可靠性控制模块50可生成传递给第一光学接口 40的命令，其中将命令变换为光学形式并且传送给第一阀门控制单元36。这个命令则会指挥第一阀门控制单元36停止作为活动阀门控制单元，并转而成为备用阀门控制单元。这个命令还可包括与这种情况为有效的时间长度有关的数据。作为对这个命令的响应，第一阀门控制单元36则可与第二阀门控制单元38进行通信，以便对作用进行切换。第一阀门控制单元36在这里可通知第二阀门控制单元38关于状态的变化以及还关于时间持续期。作为备选方案，有可能的是，当到了切换回去的时间的时候，可靠性控制模块50通知第一阀门控制单元36或者第二阀门控制单元38。作为又一个备选方案，有可能的是，可靠性控制模块50同时向第一阀门控制单元36 (其将作为备用阀门控制单元)发送第一控制信号VCU_CTRL1以及向第二阀门控制单元38 (其将成为活动阀门控制单元)发送第二控制信号VCU_CTRL2，其中可能还具有时间持续期的指示。在这后一种变型中，有可能的是，不是通知关于持续期，可靠性控制模块50而是再次同时通知两个阀门控制单元36和38关于它们将恢复其活动和备用阀门控制单元的先前作用。这样，能够看到，栅控装置的可靠性控制模块执行活动阀门控制单元的选择。
[0050]在这里，作用被改变、即第二阀门控制单元为活动的时间长度可需要是充分的，以便接收数据，由该数据能够确定第二阀门控制单元的正确功能。因此，在这里还清楚地知道，包括功能控制数据的第二光信号0S2在第二阀门控制单元38为活动时从第二阀门控制单元38来接收，步骤58。
[0051]可靠性处置方案通常展示作用的这种切换的周期性，作为示例其可以是每秒一次、每分钟一次、每小时一次或者每天一次。
[0052]两个信号OSl和0S2在这里由第一和第二电源单元42和46用于激励整个栅控装置，步骤60。在这个实施例中，第一光信号OSl用于激励栅控装置30的一部分，以及第二光信号0S2用于激励栅控装置30的另一个部分。在这个第一实施例中，第一光信号OSl还激励栅控装置30的前一半，而第二光信号0S2激励栅控装置30的另一半。
[0053]可靠性控制模块50还可执行可靠性检查，步骤62。这个检查可涉及来自活动阀门控制单元的光信号的光功率级的检测，步骤62。由于这个原因，可靠性控制模块50可从光学接口接收或者取光信号的功率级测量。光功率级例如可在可靠性控制模块50中与可靠性阈值、即与指示阀门控制单元是否正确起作用以及更具体来说阀门控制单元的激光器是否正确起作用的阈值进行比较。还有可能的是，调查功能控制数据查看它是否正确，作为对功率级检查的代替或补充。功能控制数据可以是可靠性控制模块已知的，以及检查可涉及将所接收功能控制数据与所接收功能控制数据进行比较。另外，没有预计功能控制数据可指示故障的阀门控制单元。
[0054]如果所调查阀门控制单元通过可靠性检查，如同功率级高于阈值或者功能控制数据存在并且是正确的情况中一样，步骤64，则活动阀门控制单元正确起作用，并且因此继续进行正常操作模式，步骤68。但是，在活动阀门控制单元未通过可靠性检查的情况下，步骤64，则可靠性控制模块50进入故障模式，步骤66。
[0055]这种故障模式可包括可靠性控制模块50，其指挥备用阀门控制单元接管作为活动阀门控制单元，并且指挥在故障模式的整个持续期内未通过可靠性检查的阀门控制单元的断开。故障模式通常可持续到更换了故障阀门控制单元。
[0056]在这个第一实施例中，这可与可靠性控制模块50相结合，该可靠性控制模块50连接与健康阀门控制单元、即故障模式中唯一活动阀门控制单元关联的电源模块，以用于向整个栅控装置、即还向故障阀门控制单元最初供给的部分提供功率。
[0057]这样，能够看到，栅控装置配备有提供光学电源、启动控制(FP)和指示脉冲(IP)的功能性的两个单独光学通信接口。可靠性控制模块还定期地轮转和控制经由通信信道来自两个冗余阀门控制单元的光信号。这将允许单独I/o信道的控制，而无需中央阀门控制单元和相互通信控制器在冗余阀门控制单元之间选择活动阀门控制单元。因此，这意味着，按照本发明，阀门控制单元之间的切换的确定在阀门控制单元所放置的分层等级之下的控制系统的分层等级、而不是如通常情况那样在其之上的分层等级进行。本发明还克服被应用以激励栅控装置的激光驱动光学电源的平均故障间隔时间(MTBF)使用期限限制。由栅控装置对I/O信道的单独控制简化与硬件和软件都有关的阀门控制单元的设计，并且因而降低冗余的成本。在激光器的使用期限结束或者I/O信道的突然故障时，充分光功率仍然由其余I/O信道来提供，直到下一个维护间隔。不要求DC断路器的立即跳闸和修复，并且因此有可能避免连接到栅控装置的半导体器件的破坏。
[0058]第一实施例的一个优点在于，两种I/O信道的光功率连续控制成为供给栅控装置的不同部分。在使用期限结束或者一个I/o信道的突然故障时，其余I/O信道的光学功率供给则重定向成服务于栅控装置的所有部分。通过避免半导体器件位置的致命损坏，可靠性、维护间隔和成本以DC断路器阀门控制的冗余光学接口的适度代价来显著降低。通过使用降低50%的输出功率级,激光源的所产生平均激光电流(laser current)和操作温度极大地降低。这不止使激光源的预计使用期限(MTBF)为两倍。
[0059]由栅控单元所执行的监控来自阀门控制单元的激光输出功率的方式能够按照多种方式执行。
[0060]存在对各阀门控制单元来监测的两个功率级，即警告级和告警级。警告级在这里可用于判定阀门控制单元将增加还是降低其光输出功率。这个等级因而可用于向阀门控制单元发送功率控制命令。与光输入功率、即从阀门控制单元提供给栅控单元的功率是否充分有关的信息可以以充分频率从栅控单元发送给对应阀门控制单元。阀门控制单元按这个信息起作用，并且相应地调节其输出的光功率。
[0061]一方面，告警级可用于判定哪一个阀门控制单元将是活动的。栅控单元则可将判定发送给阀门控制单元，该阀门控制单元按照判定起作用。存在其中可以这样做的多种方式。
[0062]在第一变型中，栅控单元的一部分提供有经由一个光学通信接口所得到的功率，以及另一个部分提供有经由另一光学通信接口所接收的功率。在这里，只有一个栅控单元可以是活动的并且发送控制脉冲。如果可靠性控制模块从活动栅控单元检测到功率低于告警极限，则它可将命令发送给这个阀门控制单元以自行停用，并且同时命令另一阀门控制单元自行激活。同时，来自激活阀门控制单元的光功率用于为整个阀门控制单元供电。
[0063]作为备选方案，有可能以这样的方式调制连接到通过光学通信接口所提供的两个光学接收器的负荷:即使得阀门控制单元的两个光源遇到相同负荷。调制可在使得光学通信接口连续遇到该负荷的一半的频率来执行。用于控制所连接半导体器件的控制脉冲仅从活动的一个阀门控制单元发送。另一个仅传递光功率。如果在光输入功率的监测中，存在所进行的关于来自活动阀门控制单元的功率低于告警极限的检测，则栅控单元将把命令发送给这个阀门控制单元，直到应当使它不活动。同时，栅控单元指挥另一阀门控制单元被激活。
[0064]作为又一个备选方案，有可能的是，栅控单元所需的所有能量经由一个光学通信接口来得到。另一接口的负荷则完全断开。不活动阀门控制单元则仅发送多达使功率监测起作用所需的功率。如果光功率的监测揭示来自活动阀门控制单元的功率低于告警级，则栅控单元指挥这个阀门控制单元被停用，并且同时指挥另一阀门控制单元变成被激活。
[0065]另一备选方案是以低频率将整个负荷从一个阀门控制单元切换到另一阀门控制单元。切换应当以使得它没有中断阀门控制单元与栅控单元之间发生的通信的这样的频率进行。栅控单元判定哪一个阀门控制单元是活动的，并且发送控制命令和光功率两者。如果对栅控单元的光输入功率低于告警极限，则这个切换被中断，并且只有能够提供足够功率的阀门控制单元被激活。
[0066]存在能够由本发明组成的多种其它变型。
[0067]以上对活动阀门控制单元进行可靠性检查。只要光信号由备用阀门控制单元来提供，则还能够调查这个信号的功率级。这意味着，可靠性检查也能够对备用阀门控制单元进行。
[0068]还应当知道，能够改变功率级的关系。备用阀门控制单元例如可使用具有作为活动阀门控制单元的功率级的一小部分的功率级的光信号。这个小部分在一个实施例中可以是25%,以及在另一个实施例中可以是10%。具有活动阀门控制单元的功率级的一部分的功率级的优点在于，有可能调查备用阀门控制单元，而同时甚至进一步延长系统在必须更换故障阀门控制单元之前可运行的时间。
[0069]作为又一个备选方案，有可能关断备用阀门控制单元的光源，这节省能量，并且甚至进一步延长备用阀门控制单元的寿命。但是，在这种情况下，不可能调查备用阀门控制单元，直到它变为活动为止。在这种情况下，两种光信号还将用于激励整个栅控装置。
[0070]作为本发明的另一个变型，有可能的是，各光学接口配备有电存储电容器。在本发明的这种变型中，可靠性控制模块可将两个阀门控制单元控制成在起动模式中同时是活动的，即，即使备用阀门控制的光源稍后在正常操作模式中完全关断。在这里，它们最初还可工作在最大输出功率。这意味着，在初始起动期间，两个I/o信道可用于向栅控装置供电。这降低栅控装置的起动时间。单独电容能量存储在这里允许信道之间的安全轮转，而没有公共栅控装置功能的功率中断的风险。
[0071]各阀门控制单元还可配备有激光控制状态表，其中存储激光电流设定数据。当某个阀门控制单元的激光器开始使用时，完成校准之后的最终激光电流值存储在这个阀门控制单元的激光控制状态表中，该值则在这个激光器在已经关断之后稍后开始使用时立即使用。具有非校准激光器的其他栅控装置的表值则可接收校准激光器的最终激光电流值。这加速稍后开始的激光器的校准过程。所述的值可在阀门控制单元之间直接传递。作为备选方案，它可从一个阀门控制单元传递给栅控装置，栅控装置接着将它转发给另一阀门控制单元。
[0072]在另一个变型中，两种阀门控制单元可在相同电路板上提供。因此，它们可放置在公共阀门控制单元I/o板上。这还意味着，它们可采用到栅控装置的相同I/O信道，因而第二光学接口可从栅控装置中去除。这还将光纤数量减少至少25%。
[0073]在本发明的另一种变型中，对于第一栅控装置和第一半导体器件实现完全并联冗余。这将允许对出故障半导体器件设旁路，以便防止DC断路器的立即跳闸和修复。这种情况在图5中示意示出。
[0074]如前所述，存在与第一栅控装置30进行通信的第一和第二阀门控制单元36和38，第一栅控装置30又控制第一半导体器件SCDl。但是，在这种变型中，存在控制第三另一半导体器件SCD3的第二并联栅控装置70，该第三半导体器件SCD3与第一半导体器件SCDl并联连接。在这里，还应当知道，所示半导体器件的每个通常会与具有正如图2中的相反取向的半导体器件串联连接。但是，这些在这里被省略，以免以不必要细节影响对本发明的理解。在这里，第一和第二阀门控制单元36和38还与第二栅控装置70进行通信。这意味着，它们均还向这个第二栅控装置70发送其光信号OSl和0S2以及从这个第二栅控装置70接收控制信号VCU_CTRL3和VCU_CTRL4。这个第二栅控装置70将具有与第一栅控装置30相同的功能性。
[0075]除了已经所述的之外，还存在可由本发明组成的许多变型。省略可靠性检查是可能的。作为备选方案，省略活动阀门控制单元的暂时切换是可能的。但是，这些功能之一应当由栅控装置执行。本发明并不局限于DC系统，而是可用于任何输电或配电系统中。在除了断路器中之外的另一个领域中使用半导体器件也是可能的。它例如可用于转换器或者STATC0M 中。
[0076]从前面的论述显而易见，本发明能够按照许多方式来改变。因此，将会知道，本发明仅受到以下权利要求书限制。
【权利要求】
1.一种用于操作半导体器件(SCDl)的栅控装置(30)的方法，所述栅控装置连接到第一和第二阀门控制单元(36，38)，其中在正常操作模式中，一个阀门控制单元是活动阀门控制单元，而另一阀门控制单元是备用阀门控制单元，以及所述活动阀门控制单元提供用于激励所述栅控装置并且提供用于控制所述半导体器件的数据的光信号，所述方法在所述栅控装置中执行，并且包括下列步骤: 在所述第一阀门控制单元活动时从所述第一阀门控制单元接收(54)第一光信号(OSl)， 从所述第二阀门控制单元接收(58)第二光信号(0S2)， 执行(58，62)活动阀门控制单元的选择，以及 将所述第一光信号和所述第二光信号中的能量用于(60)为所述栅控装置供电。
2.如权利要求1所述的方法，其中，活动阀门控制单元的选择的执行包括按照在正常操作模式中应用的可靠性增强方案从活动的所述第一阀门控制单元暂时切换(58)到活动的所述第二阀门控制单元。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，活动阀门控制单元的选择的执行包括执行(62)所述阀门控制单元之一的可靠性检查，并且基于所述可靠性检查的结果(64)进入(66)故障模式，其中所述故障模式包括选择另一阀门控制单元作为在所述故障模式的持续期内的唯一活动阀门控制单元。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述可靠性检查包括检测来自所调查阀门控制单元的光信号的功率级，并且将所述功率级与可靠性阀值进行比较，以及如果所述功率级无法达到所述可靠性阈值，则进行所述故障模式的进入。
5.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，关断备用阀门控制单元的光源。
6.如权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，备用阀门控制单元提供具有与所述活动阀门控制单元的功率级相关的功率级的光信号。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述备用阀门控制单元的功率级是所述活动阀门控制单元的功率级的一小部分。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述备用阀门控制单元的功率级与所述活动阀门控制单元的功率级相同。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一和第二阀门控制单元具有其光源的最大功率级的一半的功率级。
10.如权利要求5-8中的任一项所述的方法，其中，所述第一阀门控制单元激励所述栅控装置的第一部分，以及所述第二阀门控制单元激励所述栅控装置的第二部分。
11.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，将光信号中的数据作为所述信号的低功率级来提供。
12.如以上权利要求中的任一项所述的方法，还包括将所述第一阀门控制单元和所述第二阀门控制单元控制成在起动模式中同时是活动的。
13.一种用于半导体器件(S⑶I)的栅控装置(30)，包括: -至少一个电源模块(42,46), -至少一个光学通信接口(40 ;44)，其用于从两个阀门控制单元(36，38)接收光信号(OSI, 0S2)，其中在所述阀门控制单元的正常操作模式中，一个阀门控制单元是活动阀门控制单元，而另一阀门控制单元是备用阀门控制单元，以及活动阀门控制单元提供用于激励所述栅控装置并且提供用于控制所述半导体器件的数据的光信号，所述至少一个光学接口还配置成将光信号转换成电信号以提供给为所述栅控装置供电的对应电源模块(42，46)， -半导体器件控制模块(52)，其用于控制所述半导体器件，以及 -可靠性控制模块(50)，其配置成执行活动阀门控制单元的选择。
14.如权利要求13所述的栅控装置，其中，所述可靠性控制模块在配置成执行活动阀门控制单元的选择时还配置成经由所述至少一个光学通信接口、按照正常操作模式中应用的可靠性增强方案从活动的所述第一阀门控制单元暂时切换到活动的所述第二阀门控制单元。
15.如权利要求13或14所述的栅控装置，其中，所述可靠性控制模块在配置成执行活动阀门控制单元的选择时还配置成执行所述阀门控制单元之一的可靠性检查，并且基于所述可靠性检查的结果进入故障模式，其中在所述故障模式中，所述可靠性控制模块还配置成选择另一阀门控制单元作为在所述故障模式的持续期内唯一活动阀门控制单元。
16.如权利要求15所述的栅控装置，其中，所述可靠性控制模块在执行可靠性检查时配置成检测来自所调查阀门控制单元的光信号的功率级，并且将所述功率级与可靠性阈值进行比较，以及在进入所述故障模式时配置成在所述功率级无法达到所述可靠性阈值时进入所述故障模式。
17.如权利要求13-16中的任一项所述的栅控装置，其中，备用阀门控制单元提供具有与所述活动阀门控制单元的功率级相关的功率级的光信号。
18.如权利要求17所 述的栅控装置，其中，存在第一和第二光学通信接口(40，44)以及第一和第二电源模块(42，46)，其中所述第一光学通信接口(40)连接到所述第一电源模块(42)，以允许所述第一阀门控制单元(36)激励所述栅控装置的第一部分，以及第二光学通信接口(44)连接到所述第二电源模块(46)，以允许所述第二阀门控制单元激励所述栅控装置的第二部分。
19.如权利要求18所述的栅控装置，其中，各光学通信接口配备有电存储电容器。
20.如权利要求13-19中的任一项所述的栅控装置，其中，所述可靠性控制模块还配置成在起动模式中将两个阀门控制单元保持为活动。
21.一种用于至少一个半导体器件(S⑶I ;srai，S⑶3)的控制系统，包括: -第一阀门控制单兀(36),其配置成提供第一光信号(OSl), -第二阀门控制单元(38)，其配置成提供第二光信号(0S2)， -第一栅控装置(30)，包括 -至少一个电源模块(42,46), -至少一个光学通信接口(40 ;42)，其用于从所述两个阀门控制单元(36，38)接收所述光信号(0S1，0S2)，其中在所述阀门控制单元的正常操作模式中，一个阀门控制单元是活动阀门控制单元，而另一阀门控制单元是备用阀门控制单元，以及所述活动阀门控制单元提供用于激励所述栅控装置并且提供用于控制所述半导体器件的数据的光信号，所述至少一个光学接口还配置成将光信号转换成电信号以提供给为所述栅控装置供电的对应电源模块(42，46)， -半导体器件控制模块(52)，其用于控制第一半导体器件(SCDl)，以及-可靠性控制模块(50)，其配置成执行活动阀门控制单元的选择。
22.如权利要求21所述的控制系统，其中，各阀门控制单元配备有激光控制状态表，其中一个阀门控制单元的所述激光控制状态表通过来自另一阀门控制单元的校准激光电流值来更新。
23.如权利要求21或22所述的控制系统，其中，所述第一阀门控制单元和第二阀门控制单元放置在相同电路板上。
24.如权利要求21-23中的任一项所述的控制系统，还包括与所述第一栅控装置并联的冗余第二栅控装置(70)以及与所述第一半导体器件并联的另一半导体器件(SCD3)，其中所述另一半导 体器件连接到所述第二冗余栅控装置(70)。
【文档编号】H02H3/05GK103828163SQ201180071876
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2011年6月27日 优先权日:2011年6月27日
【发明者】R.斯杰斯特雷姆, J.赫夫纳, M.达维德斯森 申请人:Abb 技术有限公司