半导体开关电路

摘要

本发明提供了一种半导体开关电路，用于HVDC电力转换器中，包括：主半导体开关元件(12)，主半导体开关元件(12)包括第一和第二连接端子(14，16)，当主半导体开关元件(12)被接通时电流在第一和第二连接端子之间从第一连接端子(14)流向第二连接端子(16)，主半导体开关元件(12)具有电连接在其第一和第二连接端子(14，16)之间的辅助半导体开关元件(28)；以及控制单元(30)，控制单元(30)与辅助半导体开关元件(28)操作连接，控制单元(30)被编程以在给定的操作周期中控制辅助半导体开关元件(28)的切换，从而在与其关联的第一和第二连接端子(14，16)之间选择性创建备选电流路径(32)，由此电流被转移以通过备选电流路径(32)流动，以降低主半导体开关元件(12)两端的电压，其中，在给定的操作周期中辅助半导体开关元件(28)的切换创建备选电流路径(32)包括以以下的至少两者操作辅助半导体开关元件(28)：(i)完全导通模式，其中，辅助半导体开关元件(28)在其最大的额定基极电流或栅极电压下操作；(ii)脉冲开关模式，其中，辅助半导体开关元件(28)被接通和关断；以及(iii)有源模式，其中，辅助半导体开关元件(28)以连续可变的基极电流或栅极电压操作。

权利要求

1.一种半导体开关电路，用于HVDC电力转换器中，包括：

主半导体开关元件，所述主半导体开关元件包括第一连接端子和第二连接端子，当所述主半导体开关元件被接通时电流在所述第一连接端子和第二连接端子之间从所述第一连接端子流向所述第二连接端子，所述主半导体开关元件具有电连接在其所述第一连接端子和第二连接端子之间的辅助半导体开关元件；以及控制单元，所述控制单元与所述辅助半导体开关元件操作连接，所述控制单元被编程以在给定的操作周期中控制所述辅助半导体开关元件的切换，从而在与其关联的所述第一连接端子和第二连接端子之间选择性创建备选电流路径，由此电流被转移通过所述备选电流路径流动，以降低所述主半导体开关元件两端的电压，其中，在给定的操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径包括以以下的至少两者操作所述辅助半导体开关元件：（i）完全导通模式，其中，所述辅助半导体开关元件在其最大的额定基极电流或栅极电压下操作；

（ii）脉冲开关模式，其中，所述辅助半导体开关元件被接通和关断；以及（iii）有源模式，其中，所述辅助半导体开关元件以连续可变的基极电流或栅极电压操作。

2.根据权利要求1所述的半导体开关电路，其中，在所述脉冲开关模式中，所述辅助半导体开关元件在给定的操作周期中被接通和关断多次。

3.根据权利要求1所述的半导体开关电路，其中，在所述有源模式中操作所述辅助半导体开关元件包括在其线性区和/或饱和区中操作所述辅助半导体开关元件。

4.根据权利要求1所述的半导体开关电路，其中，在给定的操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径，包括：在所述脉冲开关模式之前的所述完全导通模式中和/或在所述有源模式之前的所述完全导通模式中和/或在所述有源模式之前的所述脉冲开关模式中，操作所述辅助半导体开关元件。

5.根据权利要求1所述的半导体开关电路，其中，在给定的操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径，包括：在所述完全导通模式、所述脉冲开关模式和所述有源模式中操作所述辅助半导体开关元件。

6.根据权利要求1所述的半导体开关电路，其中，在给定的操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径，包括：在所述脉冲开关和有源模式中操作所述辅助半导体开关元件，使得在所述辅助半导体开关元件的导通和关断状态之间的过渡时段中在所述有源模式中操作所述辅助半导体开关元件。

7.根据权利要求1所述的半导体开关电路，其中，在给定的操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径，包括：在所述主半导体开关元件的换向过冲暂态期间在所述完全导通模式中操作所述辅助半导体开关元件。

8.根据权利要求1所述的半导体开关电路，其中，所述辅助半导体开关元件是或者包括晶体管，所述晶体管具有连接至所述主半导体开关元件的第一连接端子的发射极或源极、连接至对应的主半导体开关元件的第二连接端子的集电极或漏极以及连接至所述控制单元的基极或栅极。

9.一种半导体开关串，用于HVDC电力转换器中，包括：多个串联连接的半导体开关组件，所述半导体开关组件的至少一个包括根据前述任一项权利要求所述的半导体开关电路。

10.根据权利要求9所述的半导体开关串，其中，在给定操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径，包括：在所述脉冲开关模式操作所述辅助半导体开关元件，以补偿两个或更多个所述主半导体开关元件的反向恢复电荷的变化。

11.根据权利要求9所述的半导体开关串，其中，在给定操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径包括在所述脉冲开关模式操作所述辅助半导体开关元件之后，在所述有源模式操作所述辅助半导体开关元件，以补偿两个或更多个所述主半导体开关元件的反向恢复电荷的变化。

12.根据权利要求9所述的半导体开关串，其中，在给定操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径，包括：在所述有源模式操作所述辅助半导体开关元件以补偿两个或更多个所述主半导体开关元件之间的残余电压不平衡。

13.根据权利要求9所述的半导体开关串，其中，在给定操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径，包括：在所述有源模式之前的所述完全导通模式中操作所述辅助半导体开关元件以补偿两个或更多个所述主半导体开关元件的反向恢复电荷的变化。

14.根据权利要求13所述的半导体开关串，其中，在对应的主半导体开关元件的换向过冲暂态期间执行在所述完全导通模式中操作所述辅助半导体开关元件。

说明书

半导体开关电路

技术领域

[0001] 本发明涉及用在高压直流(HVDC)电力变换器(power converter)中的半导体开关电路。

背景技术

[0002] 在电力传输网络中，交流(AC)电通常被转换成直流(DC)电以经由架空线和/或海底电缆传输。这种转换消除了对由传输线或电缆强加的AC电容负载效应补偿的需要，并且降低了每千米线路和/或电缆的成本，因此在需要远距离传输时是有成本效益的。

[0003] 使用HVDC电力转换器将AC电转换成DC电。半导体开关元件，诸如晶闸管是HVDC电力转换器的关键部件，并充当可控整流器将AC电转换成DC电，反之亦然。

[0004] 尽管这些半导体开关元件具有非常高的击穿电压(breakdown voltages)，能够承载大电流负载，但即便是来自相同批次的半导体开关元件表现出不同的性能特性。这在操作包括半导体开关元件的例如HVDC电力转换器中产生了困难。

[0005] 此外，许多半导体开关元件在其性能上具有固有限制，这需要在例如HVDC电力转换器中包括大的、重的和难以设计的补偿部件(remedial components)以补偿这些缺点。

发明内容

[0006] 根据本发明的第一方面，提供了一种用在HVDC电力转换器中的半导体开关电路，包括：

[0007] 主半导体开关元件，所述主半导体开关元件包括第一和第二连接端子，当所述主半导体开关元件被接通时电流在第一和第二连接端子之间从所述第一连接端子流向所述第二连接端子流动，所述主半导体开关元件具有电连接在其所述第一和第二连接端子之间的辅助半导体开关元件；以及

[0008] 控制单元，所述控制单元与所述辅助半导体开关元件操作连接，所述控制单元被编程以在给定的操作周期中控制所述辅助半导体开关元件的切换，从而在与其关联的所述第一和第二连接端子之间选择性创建备选电流路径(alternative current path)，由此电流被转移以通过所述备选电流路径流动，以降低所述主半导体开关元件两端的电压，[0009] 其中，在给定的操作周期中控制所述辅助半导体开关元件的切换，从而创建备选电流路径包括以以下的至少两者操作所述辅助半导体开关元件：

[0010] (i)完全导通模式，其中，所述辅助半导体开关元件在其最大的额定基极电流或栅极电压下操作；

[0011] (ii)脉冲开关模式，其中，所述辅助半导体开关元件被接通和关断；以及[0012] (iii)有源模式，其中，所述辅助半导体开关元件以连续可变的基极电流或栅极电压操作。

[0013] 在给定的操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径允许所述主半导体开关元件两端的电压被控制到期望电平，因此克服了补偿所述主半导体开关元件的性能特性变化面临的困难。

[0014] 对于最高量的电流需要在备选电流路径中流动，可以优选执行在完全导通模式操作辅助半导体开关元件。

[0015] 在中间值的电流需要在备选电流路径中流动时，可以优选执行在脉冲开关模式操作辅助半导体开关元件。在所述脉冲开关模式中，所述辅助半导体开关元件可以在给定操作周期中被接通和关断多次。在给定操作周期中接通和关断辅助半导体开关元件多次有助于确保在备选电流路径中流动的电流的水平以及通过辅助半导体开关元件流动的电流的水平保持在补偿主半导体开关元件的性能特性的前述变化所需的水平。

[0016] 对于低值电流需要在备选电流路径中流动和/或当需要精细控制主半导体开关元件两端的电压时，可选优选执行在有源模式操作辅助半导体开关元件。而且，在有源模式操作辅助半导体开关元件可以包括在其线性区和/或饱和区中操作所述辅助半导体开关元件。

[0017] 在给定的操作周期中，在辅助半导体开关元件的开关期间，在完全导通模式、脉冲开关模式和有源模式中的至少两者操作辅助半导体开关元件以创建备选电流路径，这不仅提供对在备选电流路径中流动的电流的准确控制(因此对主半导体开关元件两端的降低进行控制)，还允许优化辅助半导体开关元件的切换，以控制并优选地最小化在备选电流路径的创建期间辅助半导体开关元件中的功率耗散。

[0018] 可以定制在完全导通模式、脉冲开关模式和有源模式中的至少两者操作辅助半导体开关元件以实现在备选电流路径中流动的电流的期望值和/或在辅助半导体开关元件中的功率耗散的期望水平，其一些示例在下面列出。

[0019] 在一个这种示例中，在给定的操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径可以包括在所述脉冲开关模式之前的所述完全导通模式中和/或在所述有源模式之前的所述完全导通模式中和/或在所述有源模式之前的所述脉冲开关模式中，操作所述辅助半导体开关元件。

[0020] 在另一这种示例中，在给定的操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径可以包括在所述完全导通模式、所述脉冲开关模式和所述有源模式操作所述辅助半导体开关元件。

[0021] 在又一这种示例中，在给定的操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径可以包括在所述脉冲开关和有源模式中操作所述辅助半导体开关元件，使得在所述辅助半导体开关元件的导通和关断状态之间的过渡时段中在所述有源模式中操作所述辅助半导体开关元件。

[0022] 以此方式组合脉冲开关和有源模式消除了通常与强加于主晶闸管两端的电压阶跃变化关联的问题，同时继续提供对通过备选电流路径流动的电流的水平的期望控制。

[0023] 通常，在主半导体开关元件关断之后即在换向过冲暂态期间，最高电流立即需要在备选电流路径中流动。因此，在给定的操作周期中所述辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径可以包括在所述主半导体开关元件的换向过冲暂态期间在所述完全导通模式中操作所述辅助半导体开关元件。

[0024] 所述辅助半导体开关元件可以是或者可以包括晶体管，所述晶体管具有连接至所述主半导体开关元件的第一连接端子的发射极或源极、连接至所述对应的主半导体开关元件的第二连接端子的集电极或漏极以及连接至所述控制单元的基极或栅极。

[0025] 晶体管特别是包括宽带隙半导体材料(诸如碳化硅、氮化镓或金刚石)具有需要与主半导体开关元件相当甚至超过其的所需的高电压性能特性，同时允许实现主半导体开关元件两端的电压的期望降低所需的相对小量的电流从其通过。

[0026] 根据本发明的第二方面，提供了一种用在HVDC电力转换器中的半导体开关串，包括：多个串联连接的半导体开关组件，所述半导体开关组件的至少一个包括根据本发明的第一方面的任一实施例的半导体开关电路。

[0027] 包括了控制单元，所述控制单元被编程以接通相应的辅助半导体开关元件，从而选择创建对应的主半导体开关元件的第一和第二连接端子之间的备选电流路径，由此电流被转移通过所述备选电流路径，以降低所述主半导体开关元件两端的电压，允许本发明的半导体开关串补偿串联连接的主半导体开关元件串中各个主半导体开关元件的关断性能特性的变化。因此，本发明的半导体开关串允许不只是来自不同批次还有来自不同供应商的半导体开关元件(例如晶闸管)的混合和匹配。而且，本发明的开关串大大地降低了关联的补救部件的尺寸，例如否则补偿一系列半导体开关元件的关断性能特性的前述变化所需的衰减电路。

[0028] 在给定操作周期中所述或每个辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径可以包括在所述脉冲开关模式操作所述或每个辅助半导体开关元件，以补偿两个或更多个所述主半导体开关元件的反向恢复电荷的变化。

[0029] 在给定操作周期中所述或每个辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径可以包括在所述脉冲开关模式操作所述或每个辅助半导体开关元件之后，在所述有源模式操作所述或每个辅助半导体开关元件，以补偿两个或更多个所述主半导体开关元件的反向恢复电荷的变化。

[0030] 在给定操作周期中所述或每个辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径可以包括在所述有源模式操作所述或每个辅助半导体开关元件以补偿两个或更多个所述主半导体开关元件之间的残余电压不平衡。

[0031] 在给定操作周期中所述或每个辅助半导体开关元件的切换从而创建所述备选电流路径可以包括在所述有源模式之前的所述完全导通模式中操作所述或每个辅助半导体开关元件以补偿两个或更多个所述主半导体开关元件的反向恢复电荷的变化。在对应的主半导体开关元件的换向过冲暂态期间，可以执行在完全导通模式中操作所述或每个辅助半导体开关元件。

[0032] 如之前提到的，在给定的操作周期中，在辅助半导体开关元件的切换期间，在完全导通模式、脉冲开关模式和有源模式中的至少两者操作给定的辅助半导体开关元件以创建备选电流路径，这不仅提供对在备选电流路径中流动的电流的准确控制(因此对主半导体开关元件两端的降低进行控制)，还允许优化辅助半导体开关元件的切换，以控制并优选地最小化在备选电流路径的创建期间给定的辅助半导体开关元件中的功率耗散。

附图说明

[0033] 现在通过非限制性示例，参照附图描述本发明的优选实施例，其中：

[0034] 图1示出根据本发明的实施例中形成半导体开关串的一部分的第一半导体开关组件的示意图；

[0035] 图2示出根据本发明的实施例中相互串联连接的两个如图1中所示的第一半导体开关组件以形成半导体开关串的一部分的示意图。

[0036] 图3示例性说明如图1中的第一半导体开关组件的辅助半导体开关元件的切换操作。

[0037] 图4示例性说明MOSFET的电压-电流特性。

具体实施方式

[0038] 第一半导体开关组件10包括具有主半导体开关元件12的半导体开关电路，半导体开关元件12具有第一和第二连接端子14、16。在所示的实施例中，主半导体开关元件12是主晶闸管18，不过在本发明的其它实施例中，可以使用不同的半导体开关元件，诸如二极管、光触发晶闸管(LTT)、门极可关断晶闸管(GTO)、门极换向晶闸管(GCT)或集成栅换向晶闸管(IGCT)。优选地，主半导体开关元件12针对最低导通(导通状态)损耗性能优化，以其它参数为代价的，诸如导通和关断特性以及截止状态dv/dt能力。

[0039] 所示的主晶闸管18包括阳极20、阴极22和门极24，阳极20限定第一连接端子14，阴极22限定第二连接端子16，门极24限定控制端子26，通过控制端子26可以接通主晶闸管18。

[0040] 当主晶闸管18如此被接通时，即完全导通，电流通过主晶闸管18从第一连接端子14流向第二连接端子16，即从阳极20到阴极22。

[0041] 主晶闸管18具有辅助半导体开关元件28，其电连接在主晶闸管18的第一和第二连接端子14、16之间，辅助半导体开关元件28具有与其操作连接的控制单元30。控制单元30被编程以接通辅助半导体开关元件28，在第一和第二连接端子14、16之间选择性创建备选电流路径32。

[0042] 更具体地，辅助半导体开关元件28与主晶闸管18反并联连接，使得当辅助半导体开关元件接通时，产生的备选电流路径32被配置成使电流从第二连接端子16流向第一连接端子14。

[0043] 更具体地，辅助半导体开关元件28还包括晶体管34，其具有连接至主晶闸管18的第一连接端子14的源极、连接至主晶闸管18的第二连接端子16的漏极和连接至控制单元30的门极。

[0044] 图1中所示的晶体管34是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，不过也可以使用许多其它的晶体管，比方说例如双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或结型场效应晶体管(JFET)。也可以使用晶体管组件，诸如MOSFET-JFET级联电路，其包括50V MOSFET和1200V SiC JFET的串联串的超级级联(super-cascode)，或者低电压MOSFET或IGBT的直接串联连接。

[0045] 要认识到，根据晶体管的类型，一个或多个术语“源极”、“漏极”和“栅极”可以相应由术语“发射极”、“集电极”和“基极”代替。作为示例，虽然MOSFET和JFET各自有源极、漏极和栅极组合，IGBT有发射极、集电极和门极组合，而BJT有发射极、集电极和基极组合。

[0046] 图1中所示的辅助半导体开关元件28还包括形式为电阻器46的可选的电流限制元件44，其与上面提到的晶体管34和反并联二极管(未显示)组合串联连接。辅助半导体开关元件28另外还包括又一串联连接的二极管48，其被设置成允许电流以与通过晶体管34相同的方向通过备选电流路径32流动。包括又一串联连接的二极管48，其与反并联二极管结合，在主晶闸管18正向偏置时，保护晶体管34不受反向电压的影响。

[0047] 在辅助半导体开关元件28即晶体管34能够承受反向电压(而主半导体开关元件12即主晶闸管18是正向偏置的)的本发明的其它实施例中，可以省略反并联二极管和串联连接的二极管48。

[0048] 主晶闸管18也具有与其反并联连接的辅助半导体开关元件28，主晶闸管18还可以具有衰减电路(其包括衰减电容器50和衰减电阻器52)以及并联连接于第一和第二连接端子14、16之间的另一电阻器54，即DC均压电阻器。

[0049] 使用中，理想晶闸管会正好在流过晶闸管的电流下降为零的那个瞬间停止导通。然而，实际的晶闸管，诸如图1中所示的主晶闸管18在电流下降为零之后的几百毫秒继续反向导通(即便主晶闸管18被关断，处于所称的反向偏置条件)。此反向电流的时间积分是主晶闸管18的“反向恢复电荷(Qrr)”即存储电荷。

[0050] 在所示的实施例中，主晶闸管18具有比例如在其它相同的又一第一半导体开关组件10中的第二主晶闸管56更低的Qrr，该又一第一半导体开关组件10与包括第一主晶闸管18的第一半导体开关组件10串联连接，如图2中所示的。

[0051] 以此方式，两个第一半导体开关组件10共同限定根据本发明的实施例的半导体开关串100的一部分，半导体开关串100另外包括另外的串联连接的第一半导体开关组件(未显示)。所示的两个半导体开关组件10各自具有其自己相应的控制单元30。不过，在其它实施例中，在给定的半导体开关串内的一个或多个这种半导体开关组件10可以共享共同的控制单元。

[0052] 同时，前述的第一和第二主晶闸管18、56之间Qrr的不同是因为第一主晶闸管18比第二主晶闸管56更快地关断造成的。结果，通过第一主晶闸管18流动的反向电流会比在第二主晶闸管56中更快地降低。

[0053] 如图2中所示，当第一和第二主晶闸管18、56串联布置连接时，即作为第一半导体开关串100的一部分，通过第一半导体开关组件10(即包括第一主晶闸管18的开关组件)流动的电流必须与通过又一第一半导体开关组件10(即包括第二主晶闸管56的开关组件)流动的电流相同。由于第一主晶闸管18更快地关断(因此不再传导电流)，反向电流的差流入第一主晶闸管18的衰减电路中，即衰减电容器50和衰减电阻器52。这引起第一主晶闸管18两端的电压V积累得更快，并达到比具有较高Qrr的第二主晶闸管56更大的反向峰值电压。

[0054] 如果不检查这种操作的话，会导致第一主晶闸管18两端的电压和第二主晶闸管56两端的电压之间的电压偏差ΔV，其中，电压偏差ΔV由以下给出：

[0055] ΔV＝ΔQrr/Cd

[0056] 其中，

[0057] ΔQrr是由第二主晶闸管56和第一主晶闸管18存储的电荷的差，以及

[0058] Cd是衰减电容器50的值。

[0059] 这种电压偏差可能持续很长时间，使得在第一主晶闸管18稍后近似以240电角度再次接通之前，电压偏置不会明显地衰减。这种电压偏差还可能显著地影响给定的主晶闸管18、56两端的电压与零相交的时间点。必须建立消弧角的准确性的影响，例如当主晶闸管18、56形成作为逆变器操作并要求消弧角包括适应存储电荷的这种变化的余量的HVDC电力转换器的一部分。

[0060] 然而，在本发明的第一半导体开关串100的情况下，每个控制单元30被编程以接通相应的辅助半导体开关元件28，即相应的晶体管34，而相应的第一主晶闸管18处于前述的反向偏置条件，同时反向电流I通过所述第一主晶闸管18流动，以产生相应的备选电流路径32，从而通过相应的备选电流路径32转移反向电流。反向电流通过相应的备选电流路径32的这种转移防止此电流流入关联的衰减电路中，这具有抑制第一主晶闸管18两端的电压的积累的效应(因此等同于降低相应的第一主晶闸管18的有效截止状态阻抗)，使得降低在相应的第一主晶闸管18两端产生的电压。

[0061] 更具体地，每个控制单元30被编程以通过以下控制被引导通过相应的备选电流路径32流动的电流量：通过在开关操作中使相应的晶体管34开关，其中，在半导体开关串100的给定的操作周期中，晶体管34在有源模式之前的脉冲开关模式之前的完全导通模式中操作，即当每个主半导体开关元件12即主晶闸管18、56处于反向偏置条件时。

[0062] 使控制单元30编程以接通相应的辅助半导体开关元件28意味着控制单元30能够随意地控制，即根据需要控制相应的辅助半导体开关元件28的接入使用和撤出使用。

[0063] 换言之，控制单元30可以被认为是有源控制单元，其本身能够有源地控制相应的辅助半导体开关元件28的接通和关断。例如，这与通过无源部件无源地处理的给定的辅助半导体开关元件28的控制形成对照，无源部件诸如电阻器、电容器或齐纳二极管，它们只能对在其中流动的电流或施加在其上的电压的变化做出反应，因此不能够独立于电流或电压使辅助半导体开关元件接通和关断，即不能够随意地接通和关断辅助半导体开关元件。

[0064] 参照图3和图4，在下文进一步描述晶体管34的开关操作的细节。

[0065] 在相应的第一主晶闸管18的换向过冲暂态(commutation overshoot transient)58中(即当反向电流60的最高量需要在备选电流路径32中流动时)，在完全导通模式操作晶体管34中，以其最大额定栅极电压操作晶体管34。

[0066] 下述的在完全导通模式中操作晶体管34，并且需要在备选电流路径32中流动中间值的反向电流60时，晶体管34在脉冲开关模式下操作，在这种模式中，晶体管34接通和关断多次。这有助于确保通过备选电流路径32流动的反向电流60的水平，因此确保通过晶体管34流动的反向电流60的水平保持在补偿相应的第一主晶闸管18的关断性能特性的前述变化所需的水平，例如补偿主晶闸管18、56之间Qrr的变化。

[0067] 在脉冲开关模式中，晶体管34间歇性地在其有源模式中操作，其中，以连续可变的栅极电压操作晶体管34。更具体地，在晶体管34在脉冲开关模式中接通和关断，在辅助半导体开关元件的接通和关断状态之间的每个过渡时段中，在有源模式操作晶体管34，因此，在备选电流路径32中流动的反向电流60在每个过渡时段中斜坡上升或下降。以此方式组合脉冲开关和有源模式导致每个过渡时段中反向电流60的更渐进的斜坡62，从而消除强加于对应的第一主晶闸管18两端的电压阶跃，同时继续提供对通过备选电流路径32流动的反向电流60的水平的期望控制。

[0068] 当相应的第一主晶闸管18两端的电压与从串100中的所有主半导体开关元12两端的电压导出的电压参考不同时，每个控制单元30还被编程开启相应的晶体管34。

[0069] 在半导体开关串100的第一实施例中，电压参考等于串100中所有的主半导体开关元件12两端的平均电压，即所示的第一和第二主晶闸管18、56和所有剩余的主晶闸管(未显示)两端的平均电压。此平均电压可通过以下建立：通过串联连接的第一和第二主晶闸管18、56两端的高带宽分压器或者通过使每个主晶闸管18、56将其自己的电压报告回其对应的控制单元30(或者支配(overarching)控制系统或较高级的控制器)，并且使控制单元30之一(或者支配控制系统)计算平均电压(在支配控制系统的情况下，使系统向控制单元30的每一个重新传送代表所述计算的平均电压的信号)。

[0070] 作为示例，参照图2中所示的第一半导体开关串100部分，第一半导体开关组件10的控制单元30将第一主晶闸管18两端的电压与平均电压比较，并且当第一主晶闸管18两端的电压比平均电压高时，控制单元30以脉冲开关模式使反并联连接的辅助半导体开关元件28的晶体管34接通和关断以选择性引导电流通过备选电流路径32，从而选择性抑制第一主晶闸管18两端的积累电压。这种开关方式具有效应：在第一主晶闸管18的第一和第二连接端子14、16之间传递等于第一主晶闸管18的Qrr和第二主晶闸管56的Qrr之间的差的电荷量。

[0071] 如指出的，这具有在提高低于平均电压的第二主晶闸管56两端的电压的同时降低第一主晶闸管18两端的电压的效果。这具有使主晶闸管18、56的每一个两端的电压接近平均电压的净效应，即每一个主晶闸管18、56的两端的电压接近电压参考，使得在脉冲开关模式之后，补偿并抵消主晶闸管18、56两端的电压变化(因此由其不同的关断性能特性引起的主晶闸管18、56之间Qrr的变化)。

[0072] 替代性地，通过在完全导通模式之后在有源模式中切换反并联连接的辅助半导体开关元件28的晶体管34，可以补偿并抵消主晶闸管18、56之间Qrr的变化，不用在脉冲开关模式中接通和关断反并联连接的辅助半导体开关元件28的晶体管34。

[0073] 对主晶闸管18、56之间Qrr的变化的这种补偿具有附加优点：将衰减电容器50的所需电容Cd和衰减电阻器52的功率额定值降低70％和90％之间。

[0074] 以前述方式，在半导体开关串100的串联连接的第一半导体开关组件10内，每个控制单元30(如果这样配置，或者是操作连接至每个主晶闸管18的反并联连接的辅助半导体开关元件28的单个控制单元)将其相应的主晶闸管18两端的电压与电压参考进行比较。

[0075] 电压超过电压参考的那些主晶闸管18则通过相应的控制单元30使其反并联连接的辅助半导体开关元件28以脉冲开关模式接通和关断，以选择性通过相应的备选电流路径32转移电流，以便降低所述超过平均电压的主晶闸管18的每一个两端的电压，从而使这些主晶闸管18的电压更接近电压参考。这具有以下效应：直到最终提高剩余的低于平均电压的主晶闸管的平均电压，即在多次相似的开关操作之后，除了具有最长关断时间(即最大的Qrr)的那个以外，所有的主晶闸管使其相应的关断时间差异(即其相应的Qrr差异)被补偿。

[0076] 在脉冲开关模式之后，晶体管34然后在有源模式中操作，低值的反向电流60需要在备选电流路径32中流动。这提供对对应的第一主晶闸管18两端的电压的精细控制，例如以补偿可能由一个或多个其它来源引起的主晶闸管18、56之间的残余电压不平衡。

[0077] 可以认识到，在有源模式操作晶体管34可以包括在其线性区和/或饱和区操作晶体管34，这两种情况在图4中图示。

[0078] 在给定的操作周期中，在辅助半导体开关元件28的切换期间，在完全导通模式、脉冲开关模式和有源模式中操作辅助半导体开关元件28以创建备选电流路径32，这不仅提供对在备选电流路径32中流动的反向电流60的准确控制(因此对主半导体开关元件12两端的降低进行控制)，还允许优化辅助半导体开关元件28的切换，以控制并优选地最小化在备选电流路径32的创建期间辅助半导体开关元件28中的功率耗散。

[0079] 按照设想，在本发明的其它实施例中，开关操作可以省略完全导通模式、脉冲开关模式和有源模式中之一，也就是说，开关操作可以包括全导通模式、脉冲开关模式和有源模式中的两者。