用於使串聯的門極控制半導體上電壓分配均衡方法和設備的製作方法

2023-07-21 02:05:26

專利名稱：用於使串聯的門極控制半導體上電壓分配均衡方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於使具有不等長關斷時間的、門極控制的半導體的串聯電路上的電壓分配均衡的方法和設備。
在此，應把門極控制的半導體理解為所有的、可通過其控制極(門極)進行通、斷的半導體。
為了提高整流器的功率，增加工作電壓是一關鍵措施；在此，功率半導體的串聯連接是一可能性。其中，特別是把可關斷晶閘管(GTO)用作半導體是很有意義的，因為可關斷晶閘管具有可關斷半導體整流管的最高反向耐壓能力。
串聯電路中的主要問題在於半導體整流管的不等同的關斷特性，據此，使半導體整流管承受的反向電壓不均衡。主要以不同的關斷時間表現的、不同的關斷特性既是通過半導體的同型元件的參數差異造成的，又是通過外部參數，如關斷電流和溫度造成的。如果不採取其它措施，這種情況會導致半導體整流管及其電路的規格過大，從而使電路變得不經濟並使電路中串聯的半導體整流管的數量受到限制。
相對而言，通過一直對電流的上升率有所限定的整流器電路的給定參數、通過半導體整流管在導通瞬間的反向耐壓能力並且也通過功率半導體的關斷特性的極小差別，串聯半導體整流管的導通過程是不困難的。用消極的措施可控制靜態的反向電壓負荷。因此，在這裡不詳細探討通導特性和靜態阻塞。
因此，必須找到一個途徑，在導通過程期間使半導體整流管具有均衡的動態電壓負荷。作為給定的邊界條件，必須注意的是，整流器在滿電壓時須馬上工作，並且須避免對半導體整流管的選擇或其它手控措施。此外，還須注意的是，除半導體的同型元件的參數差異之外，關斷電流和溫度也影響半導體整流管的關斷特性，特別是影響關斷時間的差別。因此，既須補償突變的關斷電流的影響，以須補償緩慢變化的溫度的影響。對這種用於使在串聯的功率半導體上的電壓分配均衡的方法的另一要求是電路在所有的狀態(包括出錯狀態)下的運行安全性。
現已公開了不同的方法，用以使可關斷的半導體整流管串聯連接並確保可靠地關斷。其中，解決方案既包括純消極的方法，又包括須手控介入的措施，還包括以調整為工作基礎的方法。
應把純消極的方法理解為如下措施，如超量規定電路容量、超量規定半導體整流管的反向電壓、根據同樣的關斷對半導體整流管進行選擇以及對操縱裝置和電路進行選擇。這樣做的目的在於儘可能得到均衡的動態反向電壓分配。
應把手控介入電路理解為如下方法，這些方法通過對關斷時間點的手動調整(通過操縱中的延遲或不同的門極電感可實現上述調整)力圖在半導體整流管上達到均衡的反向電壓分配。
這些解決方案顯然不能滿足對上述用於串聯半導體整流管的方法提出的要求。這些方案首先會使半導體整流管的串聯電路變得不經濟。
EPO 288 422 B1公開了一種用於在可控半導體的串聯電路關斷時使電壓分配均衡的方法，該方法建立在對半導體整流管的反向電壓的調整上，即在操縱上使各個半導體整流管的關斷時間點相應延遲，在該方法中，串聯的半導體整流管的陽極電壓的實際幅度被測量並與串聯的半導體整流管的總電壓的幅度進行比較，從該對比中形成一個用以確定各個半導體整流管的關斷延遲的修正量。據此，各半導體之間的電壓差在理想的情況下被補償到零。功率半導體的關斷是在起始為小電流至最後為滿工作電流間進行的，其中，兩個相互銜接的關斷過程的關斷電流之間的差修正用於各個半導體整流管的規定延遲時間。為了對每一個半導體整流管產生一個延遲時間，規定一個差組分。據此，應產生一個與測出的、實際的電壓分配和理想的電壓分配之間的電壓差成比例的信號，該信號同時是用於具體的半導體整流管的關斷延遲值。因此，所述的這種調整器具有一純比例的特性。為了補償變化的電流的影響，相互銜接的關斷過程的不同的關斷電流應通過一個電流差組分造成關斷信號的一個附加的延遲，用於對變化電流的影響進行補償，對其關斷時間與關斷電流的關係很小並且在總體上具有耐用特性的半導體整流管，如功率電晶體和絕緣雙柵極電晶體(IGBT)而言，該調節系統是很有意義的。但在這些半導體整流管中，好象也可實現一種更簡單的、純粹的、跟蹤的調整裝置，該調整裝置在超過相關的半導體整流管的從外部給定的或調定的電壓的情況下，在關斷中延遲。
本發明的任務在於提供一種用於在串聯的、門極控制的半導體中使電壓分配均衡的方法和設備，用以在每一關斷瞬間足夠精確地知曉用於串聯的、門極控制的半導體整流管的正確延遲時間，以便保證可靠地關斷。
按照本發明，解決以上任務的技術方案在於權利要求1的方法特徵1)至7)和權利4的特徵部分中的特徵。
本發明的方法的基點在於把串聯的、門極控制的半導體的允許關斷電流範圍劃分成若干範圍，其中，預先確定的延遲時間供每個範圍和串聯的半導體整流管中的每個半導體整流管支配。據此，在導通狀態期間，延遲時間已供一個瞬時的電流支配，在每個關斷瞬間，足夠精確的延遲時間也就供半導體整流管支配。因為此外，預先確定的延遲時間總是在關斷進行過後被修正，所以從換向作業到換向作業，延遲時間總是與其整流器分別由串聯的、門極控制的半導體構成的整流器裝置的作業相適配。在該方法中，變化的影響因素，如關斷電流和溫度也受到考慮。因此，人們得到一種用於使串聯的、門極控制的半導體的電壓分配均衡化的方法，該方法總是按當前的工作狀態進行的自動調整，據此，人們得到一種系統能自學習的方法。
在本發明方法的一個優選的實施形式中，藉助一個學習價段自動求得預先確定的關斷延遲時間。該系統的學習階段與權利要求1所述的方法的區別在於，給出了對調整系統的關斷電流的給定和限定，在最簡單的情況下，學習階段的過程如下整流器首先多次在最小的電流範圍內被關斷，通過對於各個整流管的延遲時間的調整使電壓的不均衡分配被修正到近似於零。如果在第一電流範圍內做到這一點，則在下一電流範圍內把該延遲時間轉做初始值。現在為該較高的電流進行相同的調整過程，直至也為此使電壓的不均衡分配得到補償為止。在規格設計正確的情況下，一個調整過程的持續時間不多於兩個開關過程。以上描述的過程被反覆進行到最高的電流範圍。在此，電壓的錯誤分配總能被保持在一定限度內這一點建立在半導體整流管的關斷電流和關斷時間之間的穩定關係上。學習階段期間的最大的電壓錯誤分配可通過對電流範圍的規定來確定。
在一個用於實施本發明的方法的、有利的設備中，為了實施方法，設有一個微處理機，由一個脈衝調製器把一個電流測量值、測出反向電壓分配的電壓測量值和通、斷信號輸往該微處理機。在脈衝調製器已應用一個微處理機的條件下，採納軟體觖決方案。在脈中調製器和實施發明的方法的設備構成一個結構單元的條件下，該解決方案甚至更為有利。
也可藉助分立的調整器建立實施本發明的方法的設備。在此，為每個電流範圍和為每個串聯的、門極控制的半導體設置一個分立的積分調整器。這種類型的調整器既保證對緩慢變化的參數(如溫度)進行補償，又有能力記憶用於各個半導體整流器的正確延遲時間。在每次關斷整流管時，延遲時間均在調整器的輸出端供支配，延遲時間由前一開關過程的時間的修正構成，其中，修正值為一與在上次關斷時存在的電壓錯誤分配成比例的值。
通過為每一電流範圍配設一個專有的調整器，可保證在每個關斷過程中有一與具體的關斷電流相適應的延遲時間供支配。該也在軟體解決方案中得以實現的方案可允許在延遲時間和關斷電流之間存在任意的、也包括非線性的關係。此外，該方案還保證在關斷時馬上有正確的延遲時間供支配。
檢測關斷電流最好是通過對整流器的輸出電流的測量來進行，因為該輸出電流在電流的相應方向上等同於整流電流。該方法的優點在於，負載電流可輕易測量或者在大多情況下已作為測量值零電位地存在。
對電壓錯誤分配的測量一方面是通過針對一個半導體整流管測量陽極電壓來進行，然後把陽極電壓針對整流管和半導體的數量與由整個電壓構成的比率進行比較。測量電壓的第二可能性在於只測量各個陰極電位和一個並聯設置的分壓器網絡之間的電壓差。這些小的電壓差被相互聯結並被一個裝置補償到零。這些方法的共同特點是，總是對靜態的反向電壓進行檢測，就是說，毋須採用用於動態過程的昂貴的測值傳感器。
下面藉助附圖詳細說明本發明，在附圖中示意地示出了一個實施本發明的用於使串聯的、門極控制半導體整流管的電壓分配均衡的方法的設備。附圖所示為

圖1本發明的、用於串聯的、門極控制的半導體的操縱時間的設備的一個優越的實施例的原理電路圖，圖2對串聯的、門極控制半導體關斷延遲時間進行調整的、能學習的調整系統的調整流程圖，圖3簡化檢測電壓的原理電路圖，圖4在沒有補償的情況下，兩個串聯的、門極控制的、具有關斷時間差間t變化的曲線。
圖5在對操縱側的關斷時間有補償的情況下，上述信號曲線分別與時間t的關係線圖。
圖1示出了一個用以使在具有不等長關斷時間的、門極控制的半導體2的串聯電路上的電壓分配均衡化的、能學習的調整系統的原理電路圖。在此，可關斷晶閘管(GTO)被用作門極控制的半導體2。這些可關斷晶閘管2構成一個圖中來詳細示出的整流電路的一個電橋支路的一半，該整流電路，譬如一個6脈衝的逆變器，由一個直流電壓源供電，圖中只示出了以上直流電壓源的一條正向級間耦合電路母線4。電橋支路中被示出的部分除n個可關斷晶體閘管2外還具有一個用以限定電源的扼流圈6。在電橋支路中點連接一個負載接口8，該負載接口8具有一個用於檢測負載電流iL的電流互感器10。每個半導體整流管2設有一個與整流管電並聯的裝置12。
該裝置12包括一個公知的卸載網絡，譬如一個RCD電路，一般又稱為緩衝電路，分壓器網絡的一個電阻和一個用以能分別測量電壓錯誤分配的一個值的測試電壓裝置。公開的RCD電路由一個包括一個電容和一個與一個歐姆電阻電並聯的二極體的串聯電路構成。在固定狀態下，在n個半導體整流管2的串聯電路上的電壓分配通過與每個半導體2並聯的電阻來保證。該固定的、其電壓分配只能緩慢地通過較高歐姆的、並聯的電阻建立的狀態只有在整流管2處於持續關斷狀態時才具有實在的意義。而在關斷過程後跟著存在的電壓錯誤分配在一個正常的脈衝持續時間期間幾乎保持不變，據此，該錯誤分配在關斷期間是準固定地可達的。此外，每個裝置12還具有一個用於所屬的半導體整流管2的自振蕩二極體。輸出信號，即電壓錯誤分配的值ΔU1、ΔU2……ΔUn－2、ΔUn－1經過n－1個導線被電位分離地輸往設備14。
操縱n個半導體整流管2導通和關斷是分別藉助一個公開的驅動電路16進行的，這些驅動電路16分別接在相關的、門極控制的半導體2的控制極G和陰極K上。驅動電路的16的輸入端分別電位分離地與設備14的輸出端相連。
為了進行電位分離，可採用具有光電耦合器和光電導體的電壓頻率轉換裝置或具有數位訊號光電傳輸裝置的、在測量電位上的測值數位化裝置。為了進行簡化的信號傳輸，看來也可對電壓錯誤分配只進行很粗略的測量。
用於使在串聯的、門極控制的半導體2上的電壓分配均衡化的設備14
用於使在串聯的、門極控制的半導體2上的電壓分配均衡化的設備14的輸入端與整流器裝置的一個脈衝調製器18相連，整流器裝置從脈衝調製器18處得到一個控制信號E/A(導通信號或者關斷信號)和一個啟動信號StA。該調製器18從設備14處分別得到一個涉及半導體整流管2和學習階段的開關狀態的回答信號RS和RL。設備14由一個不平衡臨視器20、一個控制裝置22、一個計算裝置24、一個中間存儲裝置26和一個輸出裝置28組成。控制裝置22設在設備14中的輸出側並接收來自脈衝調製器18的啟動信號St或控制信號E/A。此外，尚有一個關斷信號SG和負載電流iL的一個電流測量信號被輸往該控制裝置22。控制裝置22一方面為調製器18生成回答信號RS和RL，另一方面為計算裝置24生成狀態信號SL、SEA並為輸出裝置28生成一個啟動信號St。此外，尚有電壓錯誤分配的值ΔU1……ΔUn－1和負載電流iL的一個電流測量信號被輸往計算裝置24。
下面藉助該原理電路圖和圖2所示的流程圖詳細說明發明的方法，其中，首先詳細說明權利要求1所述的方法，然後詳細說明學習程序在計算裝置24中具有一張其上有用於K個電流範圍和n個半導體整流管2的延遲時間的表，其中，這些延遲時間可譬如藉助為發明的方法的一個子程序的學習程序得以建立。在正常工作期間，設備14的控制裝置22得到來自脈衝調製器18的一個控制信號E或A。隨後，控制裝置22觸發狀態信號SEA，據此，計算裝置24被置入轉換模式。根據一個圖中未詳細示出的時鐘信號，負載電流iL的測量值連續地被讀入計算裝置24，其中，對於該電流測量範圍，在下一時鐘脈衝時從表中有n個所屬的延遲時間被讀出，這些延遲時間在下一時鐘脈衝時被存儲在中間存儲裝置26內。如果調製器18的控制信號由E轉換成A關斷狀態，則控制裝置22生成啟動信號st，據此，存儲在中間存儲裝置26內的n個延遲時間被轉入輸出裝置28中，使n個半導體整流管2分別以其專有的延遲時間被關斷。此外，狀態信號SEA的電平也發生變換，使上次被調用的延遲時間被標記。
在n個串聯的、門極控制的半導體2完成關斷之後，為關斷電流範圍所標記的延遲時間被更新。發生該更新的根據在於，在一個待給定的周期之後，根據電壓值為每個整流管2形成電壓錯誤分配的一個值ΔU1……ΔUn－1並且該值被輸往不平衡監視器20和計算裝置24。計算裝置24從電壓錯誤分配的這些值ΔU1……Un－1中為該關斷電流範圍求得新的延遲時間，即分別有一個與由電壓錯誤分配的值ΔU1……ΔUn－1構成的結合成比例的量被加在被標記的延遲時間上。
電壓錯誤分配的值ΔU1……ΔUn－1可譬如按下列方程式相互結合Uunsym.vi＝ΔUn－1＋ΔUi－ΔUi－1其中，n為串聯的整流管2的個數，i為第1、2……i個整流管2。
這些被更新了的延遲時間為該關斷電流範圍被寄存在表中，就是說，現實的延遲時間對用於該電流範圍的相應的、被存儲了的延遲時間進行重寫。據此，設備14不斷地適應可變的參數。如果電壓錯誤分配的一個值超過一個預先確定的限定值，則設備14被關斷並通過一個光電信號被識別。通過關斷，防止在下一開關過程中因過大的電壓錯誤分配使串聯的、門極控制的整流管2遭到損害或破壞。
這是設備14在正常工作中的典型調整過程，因此變得清楚的一點是，設備14具有積分的特性，據此，調整誤差，即電壓的不均衡分布可被補償到零。設備14的時鐘頻率或者掃描時間相當於整流管2的開關時間。
也可為每個表值採用一個分立的積分調整器，用以替代計算裝置24中的表，因為這種調整器既可保證補償緩慢變化的參數(如溫度)，又有能力，「標記記憶」用於各個半導體整流管2的正確的延遲時間。
因為在整流器第一次導通時用於半導體整流管2的延遲時間是未知的，而在第一次關斷時過電壓會導致半導體2受破壞，所以藉助發明的方法在一個所謂的學習階段中求得延遲時間。學習階段中的方法與已經述及的方法的區別在於，在學習階段中由調整器對關斷電流作出了給定或者限定。
根據圖2所示的流程圖，初始時電壓等於額定電壓，電流值近似於零並且GTO的參數是未知的。因為用作整流管2的可關斷晶閘管(GTO)的參數是未知的，所以在設備14中也儲有關斷延遲時間。串聯的、門極控制半導體2在最小的電流範圍K＝1內被關斷。藉助計算裝置24把求得的電壓錯誤分配值ΔU1……ΔUn－1換算成延遲時間。用於最小的電流範圍K＝1的該過程可多次反覆進行，以便把電壓的錯誤分配補償到近似於零。該調整過程的持續時間最好不多於兩個開關過程。這些為第一電流範圍求得的n個延遲時間被存儲在計算裝置24的表內並作為各電流範圍K＝2選定的延遲時間被記憶。在關斷進行過後，電流範圍K＝2這些被記憶了的延遲時間藉助電壓錯誤分配的求得值ΔU1……ΔUn－1得以更新並且為第二電流範圍被存儲在表中。同時，這些延遲時間再形用於下一電流範圍K＝3的延遲時間。這些過程一直被反覆進行，直至達到最大的電流範圍K＝K為止。
在每個電流範圍K中可進行多次關斷，以便在求得關斷延遲時間時達到很高的精確度。在設備14的該學習階段中，由一個圖中未詳細示出的調整裝置把電流由零提高到最大關斷電流。如果為K個電流範圍分別求得了n個關斷延遲時間，則切換到正常運作。
對電壓錯誤分配的測量一方面可針對一個半導體整流管2通過測量陽極電壓UV1……UVn來進行，然後把陽極電壓針對半導體整流管2的數量與由整個電壓Uges構成的比率Uges/n進行比較。測量電壓的第二可能性在於只測量各個陽極電位UV1……UVn和一個並聯設置的分壓器網絡之間的電壓差ΔU1……Un－1(圖3)。這兩個測量方式的共有特點是，總是對關斷後存在的、靜態的反向電壓進行檢測，而毋須應用昂貴的、用於動態過程的測值傳感器。在這兩種情況下，需要對電壓測量值進行電位分離地傳輸，其中，在檢測陽極電壓時所需的解析度比檢測電壓差時所需的高四倍。電位分離地傳輸相宜地通過對測量信號的數位化來進行並且看來原則上可在反正存在的驅動器回答信號的範疇內以適中的費用實現。
在圖3中示出了在應用一個用於測量半導體整流管2上的電壓錯誤分配的電阻分壓器網絡情況下檢測電壓的原理電路圖。從該圖中可以清楚看出，在此，只需驅動器16的一個附加的回答信號RSZ，即ΔUmax是否被超過。-ΔUmax是否被低過。據此省去了模擬/數字轉換並且可想而知，電位分離也變得簡單了。
通過該發明的方法，參數的緩慢變化，即經歷多個開關過程的參數變化，如溫度變化，通過一個純粹的、跟蹤的調整裝置得以補償，而快速變化的影響因素關斷電源，作為調整參數馬上地並從而在實在的關斷過程中作用到延遲時間上，通過調整裝置的跟蹤和直接調整之間的這種結合使本文開頭狀所述的問題得到很有利的解決。
為了清楚說明發明的，用於使串聯的、門極控制半導體整流管2的電壓分配均衡化的方法的作用，在圖4和5中分別在與時間t的關係線圖中分別示出了兩個串聯的、具有不同的關斷時間的半導體2的關斷隨時間變化的曲線。在線圖中示出了控制信號S的、控制電流IGV1、IGV2的以及陽極電流IAV1、IAV2的和陽極電壓UV1、UV2的隨時間變化的曲線。在圖4中，關斷時間差Δtoff不等於零，而在圖5中，該關斷時間差Δtoff藉助發明的方法被補償至零。通過對更快的半導體整流管的相應延遲，使整流管2上的電壓變化變得均衡。
本發明方法的另一優點在於，系統有能力在毋須進行費工的校準的情況下能自動啟動並在啟動時能保證整流器的安全運行。在首次投入運行的情況下，在更換部件之後或在較長時間停機後，用於半導體整流管2的未知的延遲時間問題可通過學習階段中的方法解決。
權利要求
1.用於使具有不等長關斷時間的、門極控制半導體(2)的串聯電路上的電壓分配均衡的方法，其特徵在於，具有如下方法步驟1)在串聯的、門極控制的半導體(2)的導通狀態期間，測量流經這些半導體(2)的電流(iL)，2)根據測得的電流值，為串聯的、門極控制半導體(2)分別調用一個預確定的關斷延遲時間，3)隨著關斷信號(A)的抵達，串聯的、門極控制的半導體(2)以求得的關斷延遲時間被關斷，4)在這些半導體(2)被關斷過後，在一個待給定的周期後檢測半導體(2)上的反向電壓分配，5)根據該檢測出的反向電壓分配，求得電壓錯誤分配的值，6)被調用了的關斷延遲時間被更新，即分別加上一個與電壓錯誤分配的求得的值(ΔU1.....ΔUn－1)構成的結合成比例的量，7)這些被更新了的關斷延遲時間被存儲。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，在投入運行時自行藉助一個學習階段求得並存儲預先確定的關斷延遲時間。
3.按照權利要求2所述的方法，其特徵在於，具有如下方法步驟1)流經串聯的、門極控制半導體(2)的電流(iL)的測量範圍被分成K個電流測量範圍，2)為每個電流範圍進行權利要求1所述的方法步驟1)至7)，其中，分別把待存儲的、更新了的關斷延遲時間同時作為用於下一電流測量範圍的預先確定的關斷延遲時間，3)在為所有的K個電流測量範圍分別求得更新了的關斷延遲時間之後，切換到正常工作。
4.實施權利要求1所述的方法的，用於具有不等長關斷時間的、門極控制半導體12)的串聯電路的設備(14)，在其控制極(G、K)上分別連接一個驅動電路(16)，該驅動電路(16)藉助一個電位分離裝置與一個脈衝調製器(18)電氣連接，其特徵在於，該設備(14)包括一個控制裝置(22)、一個計算裝置(24)、一個中間存儲裝置(26)和一個輸出裝置(28)，並且接在脈衝調製器(18)和電位分離裝置之間，其中，控制裝置(22)根據脈衝調製器(18)的信號(StA)、E/A)控制計算裝置(24)和輸出裝置(28)，其中，負載電流(iL)的一個測量值被輸往控制裝置(22)和計算裝置(24)，還有電壓測量值(UV1……UVn，ΔU1……ΔUn－1)被輸往計算裝置(24)。
5.按照權利要求4所述的設備(14)，其特徵在於，設備(14)包括一個不平衡監視裝置(20)，電壓測量值(ΔU1……ΔUn－1)被輸往該監視裝置(20)的輸入端，該監視裝置(20)的輸出端一方面與控制裝置(22)相連，另一方面與中間存儲裝置(26)相連。
6.按照權利要求4所述的設備(14)，其特徵在於，該設備(14)是一個微處理機。
7.按照權利要求4所述的設備(14)，其特徵在於，設備(14)是脈衝調製器(18)的組成部分。
全文摘要
本發明涉及一種用於使串聯的、門極控制半導體(2)的電壓分配均衡的方法和設備(14)。按照發明，在導通狀態期間根據負載電流(i
文檔編號H02M1/08GK1144024SQ95192109
公開日1997年2月26日 申請日期1995年3月3日 優先權日1994年3月15日
發明者馬克-馬西亞斯·貝克蘭 申請人:西門子公司