一種功率半導體開關串聯電路及其控制方法
2023-07-09 00:03:11
專利名稱：一種功率半導體開關串聯電路及其控制方法
技術領域：
本發明涉及功率半導體開關的串聯技術，尤其涉及功率半導體開關串聯電路的設計和控制方法。
背景技術：
當前，在高壓大功率變換器中，對於功率器件要求具有較高的耐壓值，但單個的功率器件顯然無法滿足這一要求。現有的一種解決方式是，使用多個功率半導體開關器件直接串聯。例如，功率半導體開關器件可以是晶閘管、門控可關斷晶閘管、絕緣柵雙極型電晶體(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor),它們可應用於高壓直流電路、靜態可變補償器和高壓逆變器等電子設備中。但是，採用晶閘管、門控可關斷晶閘管等傳統器件進行串聯連接時，功率損耗大、開關速度慢，因而無法在PWM變流裝置中得到廣泛應用。相比之下，IGBT作為上世紀八十年代出現的一種新型半導體功率器件，不僅具有電壓控制輸入特性、低阻通態輸出特性，而且IGBT的開關速度很快，完全能夠滿足PWM變流技術的要求。另一方面，儘管串聯電路中各IGBT指標、柵極控制信號電路完全相同，但由於各IGBT的性能、開關速度的差異，柵極控制信號線路元器件參數的不一致，線路存在分布電感、分布電容等因素，往往會造成IGBT的開關動作不一致，進而造成個別IGBT器件在開關瞬間，集電極與發射極之間的電壓超過其額定的耐壓值，損壞該功率器件。此外，在功率半導體開關串聯電路中，如果因某些故障使IGBT器件在導通期間出現過電流，一旦未有效檢測出過流情形，將會使IGBT器件因過流而失效。有鑑於此，如何對現有的功率半導體開關串聯電路進行改進，以便在電路出現異常情形時能夠快速地保護功率半導體開關，提升串聯電路的運行可靠性，是業內相關技術人員亟待解決的一項課題。
發明內容
針對現有技術中的功率半導體開關串聯電路在使用時所存在的上述缺陷，本發明提供了一種新型的功率半導體開關串聯電路及其控制方法。依據本發明的一個方面，提供了一種功率半導體開關串聯電路，所述功率半導體開關串聯電路包括多個串聯模塊，每個串聯模塊具有—功率半導體開關，具有一第一端、一第二端和一第三端，所述第一端接收一驅動信號，所述第二端耦接至相鄰的一串聯模塊的功率半導體開關的第三端，所述第三端耦接至相鄰的另一串聯模塊的功率半導體開關的第二端；—驅動模塊，電性連接於所述功率半導體開關的第一端，用於輸出所述驅動信號，藉由所述驅動信號使所述功率半導體開關導通或關斷；一短路檢測單元，電性連接至所述功率半導體開關，輸出一檢測信號；
一均壓電路，電性跨接於所述功率半導體開關的第二端和第三端之間，用於對功率半導體開關進行靜態均壓和動態均壓；一比較模塊，電性連接至所述短路檢測單元，用於接收所述檢測信號，並將所述檢測信號與一預設閾值進行比較，當所述檢測信號高於所述預設閾值時，所述比較模塊輸出一短路信號；以及一軟關斷模塊，當接收來自所述比較模塊的所述短路信號時，所述軟關斷模塊輸出與所述短路信號相對應的一第二控制信號至所述驅動模塊；以及一系統控制模塊，電性連接於該比較模塊和每一串聯模塊的驅動模塊，當接收來自所述比較模塊的所述短路信號時，所述系統控制模塊輸出與所述短路信號相對應的一第一控制信號至每一串聯模塊的驅動模塊，以便關斷每一串聯模塊的功率半導體開關。根據實施例，串聯模塊還包括一電感元件，藉由檢測流經所述電感元件的電流的di/dt數值來輸出所述檢測信號。例如，所述電感元件串接於相鄰的兩個串聯模塊的功率半導體開關之間。又如，所述電感元件為所述串聯模塊的功率半導體開關內部的一寄生電感。根據實施例，所述短路檢測單元電性跨接於所述功率半導體開關的第二端和第三端之間，用於檢測所述功率半導體開關的所述第二端和第三端之間的電壓值，並根據該電壓值來輸出所述檢測信號。根據實施例，所述均壓電路至少具有一電阻、一二極體和一電容，所述電阻跨接於所述功率半導體開關的第二端和第三端之間，所述二極體和所述電容串聯連接後再跨接於所述功率半導體開關的第二端和第三端之間，其中，所述二極體的陽極連接於所述功率半導體開關的第二端，以及所述二極體的陰極與電容相連。根據實施例，所述串聯模塊還包括一過壓檢測模塊，該過壓檢測模塊具有一檢測單元和一信號發送單元，所述檢測單元用於檢測反映所述功率半導體開關的第二端和第三端之間的電壓的一電壓信號，藉由所述電壓信號判斷所述功率半導體開關的第二端和第三端之間的電壓是否過壓，以及所述信號發送單元在過壓時輸出一過壓信號。根據實施例，所述過壓檢測模塊電性連接於所述電容兩端，所述檢測單元檢測所述電容兩端的電壓信號。根據實施例，所述串聯模塊還包括一邏輯電路，具有多個輸入端和至少一輸出端，所述邏輯電路的多個輸入端分別連接至所述比較模塊的輸出端以及所述過壓檢測模塊的輸出端，並且所述邏輯電路的輸出端用於輸出一第三控制信號。根據實施例，所述系統控制模塊電性連接至所述邏輯電路的輸出端，能夠接收所述第三控制信號，並輸出與所述第三控制信號相對應的所述第一控制信號至每一串聯模塊的驅動模塊。根據實施例，所述比較模塊為一比較器，用於將所述檢測信號與所述預設閾值進行比較，並在所述檢測信號高於所述預設閾值時輸出一短路信號。根據實施例，當所述功率半導體開關串聯電路出現短路時，所述第二控制信號先於所述第一控制信號到達所述驅動模塊。根據實施例，所述功率半導體開關為絕緣柵雙極型電晶體。依據本發明的另一個方面，提供了一種用於控制上述功率半導體開關串聯電路的方法，該方法包括以下步驟讀取所述短路檢測單元輸出的所述檢測信號；將所述檢測信號與所述預設閾值進行比較；當所述檢測信號高於所述預設閾值時，輸出一短路信號；根據所述短路信號，輸出與所述短路信號相對應的一第一控制信號，並將所述第一控制信號傳送至每一串聯模塊的驅動模塊，以驅動每個串聯模塊的功率半導體開關執行關斷操作；以及根據所述短路信號，輸出與所述短路信號相對應的一第二控制信號，並將所述第二控制信號傳送至相應串聯模塊的所述驅動模塊，以驅動所述功率半導體開關執行關斷操作；其中，所述第二控制信號先於所述第一控制信號到達所述驅動模塊。根據實施例，所述功率半導體開關為絕緣柵雙極型電晶體。根據本發明的又一個方面，提供了一種功率變換裝置，其中，所述功率變換裝置包括一三相變流器，其中所述三相變流器的每一相橋臂具有至少兩個子橋臂，其中，所述子橋臂均由如前所述的一個或多個功率半導體開關串聯電路所構成。根據實施例，所述三相變流器為兩電平變流器、三電平變流器或多電平變流器。採用本發明的功率半導體開關串聯電路，通過每個串聯模塊中的短路檢測單元，檢測所述功率半導體開關電路的短路參數(如流經電感元件的電流的di/dt數值和/或功率半導體開關的第二端和第三端的電壓值)，輸出檢測信號，並且當檢測信號超過預設閾值時輸出一短路信號，先由軟關斷模塊輸出與該短路信號相對應的第二控制信號至驅動模塊，再由系統控制模塊輸出與該短路信號相對應的第一控制信號至每一串聯模塊的驅動模塊，以便關斷每一串聯模塊的功率半導體開關，以免功率半導體開關因短路故障而遭到損壞，因而可提升該功率半導體開關串聯電路的運行可靠性。在短路檢測單元檢測到電路中發生短路情形時，先採用軟關斷技術先降低功率半導體開關的控制電壓，以限制短路電流繼續上升，保護均壓電路中的二極體，然後再由系統控制模塊輸出第一控制信號至驅動模塊，以驅動該功率半導體開關執行關斷操作，減緩功率半導體開關電流下降速度，避免產生電壓過衝，從而使功率半導體開關具有更大的安全工作裕量。此外，在對功率半導體開關進行短路保護時，還可同時對每一串聯模塊中的功率半導體開關進行過壓保護，從而使功率半導體開關串聯電路既具有短路保護功能，也具有過壓保護功能。
讀者在參照附圖閱讀了本發明的具體實施方式
以後，將會更清楚地了解本發明的各個方面。其中，圖1示出本發明的一個方面的功率半導體開關串聯電路的原理示意圖；圖2示本發明的另一個方面的功率半導體開關串聯電路的原理示意圖；圖3A示出圖1中的串聯模塊10的均壓電路105的電路示意圖；以及圖3B示出圖2中的串聯I旲塊10的過壓檢測I旲塊107的電路不意圖；圖4A和圖4B示出圖1中的串聯模塊的功率半導體開關在關斷時其控制電壓波形和流經功率半導體開關的短路電流波形；圖5A和圖5B示出圖2的串聯模塊的功率半導體開關在施加了軟關斷操作時其控制電壓波形和流經功率半導體開關的短路電流波形；圖6示出本發明的另一具體實施例的功率半導體開關串聯電路的控制方法的流程示意圖；以及圖7示出將本發明的功率半導體開關串聯電路應用於功率變換裝置的原理示意圖。
具體實施例方式為了使本申請所揭示的技術內容更加詳盡與完備，可參照附圖以及本發明的下述各種具體實施例，附圖中相同的標記代表相同或相似的組件。然而，本領域的普通技術人員應當理解，下文中所提供的實施例並非用來限制本發明所涵蓋的範圍。此外，附圖僅僅用於示意性地加以說明，並未依照其原尺寸進行繪製。下面參照附圖，對本發明各個方面的具體實施方式
作進一步的詳細描述。圖1示出依據本發明的一個方面的功率半導體開關串聯電路的原理示意圖。參照圖1，該功率半導體開關串聯電路包括串聯模塊10和20、系統控制模塊40。具體地，串聯模塊10包括功率半導體開關101、短路檢測單元103、均壓電路105、比較模塊106、軟關斷模塊108以及驅動模塊102 ;串聯模塊20包括功率半導體開關201、短路檢測單元203、均壓電路205、比較模塊206、軟關斷模塊208以及驅動模塊202。以串聯模塊10為例進行描述，功率半導體開關101的第一端連接於驅動模塊102，藉由驅動模塊102輸出的驅動信號，驅動其導通或關斷，功率半導體開關101的第二端耦接至相鄰的一串聯模塊的功率半導體開關的第三端，以及功率半導體開關101的第三端耦接至相鄰的另一串聯模塊的功率半導體開關的第二端，例如串聯模塊10的功率半導體開關101的第三端耦接於串聯模塊20的功率半導體開關201的第二端。短路檢測單元103電性連接於功率半導體開關101，通過檢測功率半導體開關串聯電路的短路參數，輸出一檢測信號。在一實施例中，串聯模塊10還包括一電感元件104 (或者串聯模塊20還包括一電感元件204)，串聯連接於串聯模塊10的功率半導體開關101和串聯模塊20的功率半導體開關201之間。該短路檢測單元103電性跨接於該電感元件104的兩端，通過檢測流經該電感元件104的電流的di/dt數值，輸出檢測信號至比較模塊106，其中，該檢測信號為加載於電感元件104兩端的電壓信號，數字上等於LsXdi/dt，因而該電壓信號也可線性地反映電流的di/dt數值變化。在另一實施例中，電感元件104為功率半導體開關101內部的一寄生電感，通過檢測加載於該寄生電感104上的電壓信號也可反映電流的di/dt數值，進而判斷該功率半導體開關串聯電路是否出現短路情形。在一實施例中，短路檢測單元103電性跨接於功率半導體開關101的第二端和第三端之間，用於檢測功率半導體開關101第二端和第三端之間的電壓值，並根據該電壓值來輸出檢測信號至比較模塊106，進而判斷該功率半導體開關串聯電路是否出現短路情形。在一實施例中，該功率半導體開關採用相同型號的絕緣柵雙極型電晶體(IGBT，InsulatedGate Bipolar Transistor)。比較模塊106，電性連接至短路檢測單元103，用於接收來自該短路檢測單元103所輸出的檢測信號，並將該檢測信號與一預設閾值(如短路保護閾值電壓)進行比較，當該檢測信號大於預設閾值時，比較模塊106輸出一短路信號。在一實施例中，該比較模塊106可為一比較器。該比較器的一端接收來自短路檢測單元103的檢測信號，另一端接收一預設閾值，將該檢測信號與該預設閾值進行比較，並且在該檢測信號高於該預設閾值時，從該比較器的輸出端輸出該短路信號。在比較模塊106為比較器的一些實施例中，該比較器的一端接收來自短路檢測單元103的、反映流經電感元件的電流的di/dt變化數值的電壓信號，另一端接收一電壓閾值，將該電壓信號與該電壓閾值進行比較，並且在該電壓信號高於該電壓閾值時，從該比較器的輸出端輸出該短路信號。在比較模塊106為比較器的另一些實施例中，該比較器的一端接收來自短路檢測單元103的、反映功率半導體開關的第二端和第三端之間的電壓值的電壓信號，另一端接收另一電壓閾值，將該電壓信號與該另一電壓閾值進行比較，並且在該電壓信號高於該電壓閾值時，從該比較器的輸出端輸出該短路信號。在一實施例中，該比較模塊106也可由兩個運算放大器和一邏輯門電路構成，其中短路檢測單元103輸出兩路檢測信號，即，反映流經電感元件的電流di/dt變化數值的電壓信號，以及反映功率半導體開關的第二端和第三端之間的電壓值的電壓信號。具體地，反映流經電感元件的電流di/dt變化數值的電壓信號耦接至第一個運算放大器的第一端，第一預設閾值耦接至該運算放大器的第二端，該運算放大器的輸出端耦接至邏輯門的第一輸入端；反映功率半導體開關的第二端和第三端之間的電壓值的電壓信號耦接至第二個運算放大器的第一端，第二預設閾值耦接至該運算放大器的第二端，該運算放大器的輸出端耦接至邏輯門的第二輸入端，該邏輯門根據該第一輸入端所接收的比較信號以及該第二輸入端所接收的比較信號來輸出該短路信號，其中邏輯門電路可以是邏輯或門，或者邏輯與門。均壓電路105，電性跨接於所述功率半導體開關101的第二端和第三端之間，用以對功率半導體開關101進行靜態均壓和動態均壓。軟關斷模塊108,具有一輸入端和一輸出端,其輸入端電性連接至比較模塊106的輸出端，用於接收來自短路檢測單元103的檢測信號與預設閾值之間進行比較後的比較信號(如，該檢測信號超出預設閾值時，比較模塊106輸出一短路信號)，其輸出端連接至串聯模塊10的驅動模塊102，用於在發生短路情形時根據所接收的短路信號來輸出第二控制信號，從而降低驅動模塊102輸出至功率半導體開關101第一端的驅動電壓並進行軟關斷操作。亦即，當該功率半導體開關串聯電路出現短路情形時，短路檢測單元103所輸出的檢測信號將會高於預設閾值，因而比較模塊106會輸出一短路信號，進而該軟關斷模塊108將與該短路信號相對應的第二控制信號發送至驅動模塊102，以便限制流經功率半導體開關101的短路電流繼續上升。參照圖1，串聯模塊20與串聯模塊10的電路架構基本相同或相似。為描述簡便起見，在此不再贅述。系統控制模塊40，電性連接至比較模塊106、比較模塊206、驅動模塊102和驅動模塊202，該系統控制模塊40接收來自比較模塊106和比較模塊206所輸出的短路信號，並輸出與該短路信號相對應的一第一控制信號，然後，該第一控制信號分別被送入驅動模塊102、驅動模塊202進行放大處理，並將放大處理後的驅動信號送至功率半導體開關101和功率半導體開關201各自的第一端，以驅動它們執行關斷操作。在一具體實施例中，系統控制模塊40還可將正常驅動功率半導體開關101和功率半導體開關201的控制信號同比較模塊106和比較模塊206所輸出的信號進行邏輯運算，例如，當短路檢測單元103或短路檢測單元203輸出的檢測信號(亦即，加載於電感元件兩端的電壓信號)高於短路保護閾值電壓時，通過比較模塊106或比較模塊206輸出的短路信號能夠屏蔽該正常驅動信號，進而系統控制模塊40輸出與該短路信號相對應的第一控制信號，以便同步關斷功率半導體開關串聯電路中的功率半導體開關101和功率半導體開關201 ;當短路檢測單兀103和短路檢測單元203輸出的檢測信號均低於短路保護閾值電壓時，功率半導體開關串聯電路中未出現短路情形，此時，比較模塊106和比較模塊206輸出的比較信號無法屏蔽該正常驅動信號，從而系統控制模塊40仍然能夠輸出該正常驅動信號，使該功率半導體開關串聯電路中的功率半導體開關101和功率半導體開關201繼續保持正常運行狀態。在一具體實施例中，當功率半導體開關串聯電路的串聯模塊10出現短路情形時，由軟關斷模塊108輸出的第二控制信號先於系統控制模塊40輸出的第一控制信號到達驅動模塊102，先由軟關斷模塊108輸出的第二控制信號控制驅動模塊102，以驅動功率半導體開關101執行關斷操作，再由系統控制模塊40輸出的第一控制信號控制驅動模塊102和202，以驅動功率半導體開關101和201執行關斷操作。類似地，當功率半導體開關串聯電路的串聯模塊20出現短路情形時，由軟關斷模塊208輸出的第二控制信號先於系統控制模塊40所輸出的第一控制信號達到驅動模塊202。由上述可知，採用軟關斷模塊108，在對功率半導體開關串聯電路進行短路保護的同時，利用軟關斷模塊輸出的第二控制信號，可先行限制流經功率半導體開關的短路電流繼續增加。與此同時，採用短路檢測單元103，能夠快速地檢測出功率半導體開關串聯電路的短路故障，並結合軟關斷功能，降低該功率半導體開關101的控制電壓，以快速地限制短路電流繼續增加，保護均壓電路中的二極體，然後再由系統控制模塊40輸出第一控制信號至驅動模塊102和202，以驅動該功率半導體開關101和201執行關斷操作，減緩了功率半導體開關電流的下降速度，有效地減少功率半導體開關串聯電路中的寄生電感所帶來的關斷電壓尖峰，使功率半導體開關具有更大的安全工作區裕量。本領域的技術人員應當理解，圖1中的功率半導體開關串聯電路包括串聯模塊10和串聯模塊20，但本發明並不只局限於僅僅包括兩個串聯模塊。例如，在其他實施例中，本發明的功率半導體開關串聯電路還可包括三個串聯模塊或三個以上串聯模塊的情形，而這些實施例也同樣包含在本發明的精神範圍內。圖2示出依據本發明的另一方面的功率半導體開關串聯電路的原理示意圖。圖3A示出圖1中的串聯模塊10的均壓電路105的電路示意圖；以及圖3B示出圖2中的串聯模塊10的過壓檢測模塊107的電路示意圖。參照圖2、3A和3B，本發明的功率半導體開關串聯電路在實現短路檢測和保護的同時，還可分別對每一串聯模塊中的功率半導體開關進行過壓檢測和保護。例如，功率半導體開關串聯電路通過串聯模塊10的過壓檢測模塊107和串聯模塊20的過壓檢測模塊207均可對串聯橋臂上的功率半導體開關101和201進行過壓檢測和保護。在一具體實施例中，以串聯模塊10為例，本發明的功率半導體開關串聯電路還可在串聯模塊10中設置過壓檢測模塊107，以便通過過壓檢測模塊107就可以對串聯橋臂上的所有功率半導體開關進行過壓檢測和保護。類似地，藉由串聯模塊20中設置的過壓檢測模塊207，也可對串聯橋臂上的功率半導體開關進行過壓檢測和保護。參照圖3A,串聯模塊10中的均壓電路105包括一電阻R1、一二極體Dl和一電容Cl。其中，電阻Rl跨接於功率半導體開關101的第二端和第三端之間，二極體Dl和電容Cl串聯連接後再跨接於功率半導體開關101的第二端和第三端，並且二極體Dl的陽極連接於功率半導體開關101的第二端,二極體Dl的陰極與電容Cl的一端相連，電容Cl的另一端與功率半導體開關101的第三端相連。其中，該電阻Rl用來對功率半導體開關101進行靜態均壓，以及該二極體Dl和電容Cl用來對功率半導體開關101進行動態均壓。需要指出的是，串聯電路中的半導體功率器件因阻斷特性不一致，從而造成該半導體功率器件靜態不均壓；而串聯電路中的半導體功率器件因開關特性不一致，從而會造成動態不均壓。為此，在串聯橋臂上的每一功率半導體開關的第二端和第三端之間並聯電阻值相等的電阻，以實現靜態均壓。另外，依據電容兩端所加載的電壓不能突變的特性，可對功率半導體開關的動態均壓進行改進。再次參照圖2和圖3B，串聯模塊10中的過壓檢測模塊107包括一檢測單元1071和一信號發送單元1072。該過壓檢測模塊107跨接於均壓電路105的電容Cl兩端，藉由檢測單元1071檢測電容Cl兩端的電壓值，進而判斷功率半導體開關101的第二端和第三端之間的電壓是否過壓，其中均壓電路105中電容Cl兩端的電壓值用於反映出功率半導體開關101的第二端和第三端之間的電壓。信號發送單元1072根據檢測單元1071檢測的電壓值輸出一電壓檢測信號。該信號發送單元為一非隔離單元或一隔離單元。例如，參照圖3B，檢測單元1071用於檢測均壓電路105中電容Cl兩端的電壓值，以及信號發送單元1072為一隔離單元，根據所檢測的電壓值輸出一電壓檢測信號。例如，該檢測單元1071為一 TVS二極體或一穩壓管，用於反映該功率半導體開關101的第二端和第三端之間的電壓是否過壓。例如，該信號發送單元1072為一隔離單元，該隔離單元可為一高速光耦合器，以便隔離檢測單元1071所檢測的電壓值以及隔離單元輸出的電壓檢測信號，同時，該高速光耦合器還可快速地將過壓時的電壓檢測信號傳送至邏輯電路109。例如，高速光耦合器包括一發光半導體和一受光半導體，其中，該發光半導體與檢測單元1071串聯連接，以及該受光半導體連接至邏輯電路109。在另一實施例中，功率半導體開關串聯電路的邏輯電路109具有多個輸入端和至少一輸出端，其中，一輸入端電性連接至串聯模塊10的過壓檢測模塊107的輸出端，另一輸入端電性連接至比較模塊106的輸出端，以及邏輯電路109的輸出端根據來自串聯模塊10的過壓檢測模塊107的電壓檢測信號以及比較模塊106輸出的比較信號來輸出一第三控制信號。例如，該邏輯電路為一或門電路，當功率半導體開關串聯電路出現短路(如短路信號為一高電平)或過壓(如過壓信號為一高電平)情形時，邏輯電路109輸出的該第三控制信號為高電平信號。又如，該邏輯電路為一與門電路，當功率半導體開關串聯電路出現短路(如短路信號為一低電平)或過壓(如過壓信號為一低電平)時，邏輯電路109輸出的該第三控制信號為低電平信號。系統控制模塊40電性連接至邏輯電路109、邏輯電路209、驅動模塊102和驅動模塊202，以接收來自該邏輯電路109或邏輯電路209的該第三控制信號，並輸出與該第三控制信號相對應的第一控制信號，經由驅動模塊102、202驅動放大後，分別送至串聯模塊10和20各自的功率半導體開關101和201的第一端。同樣，系統控制模塊40還可將用於功率半導體開關101和功率半導體開關201的正常驅動信號與邏輯電路109輸出的第三控制信號進行邏輯運算，例如，當第三控制信號表示功率半導體開關串聯電路出現短路或者過壓情形時，邏輯電路109輸出的該第三控制信號能夠屏蔽該正常驅動信號，從而系統控制模塊40輸出與該短路信號或過壓信號相對應的第一控制信號，經由驅動模塊102、202放大後分別送至串聯模塊10和20各自的功率半導體開關101和201的第一端，以同步關斷功率半導體開關101和201 ;而當第三控制信號表示功率半導體開關串聯電路既無短路情形又無過壓情形發生時，則邏輯電路109輸出的第三控制信號無法屏蔽該正常驅動信號，因而系統控制模塊40仍然輸出該正常驅動信號以使得功率半導體開關101和201繼續保持正常運行狀態。在一具體實施例中，來自邏輯電路109的第三控制信號經由光纖傳送至系統控制模塊40。圖4A和圖4B示出圖1中的串聯模塊的功率半導體開關在關斷時其控制電壓波形和流經功率半導體開關的短路電流波形。圖5A和圖5B示出圖2的串聯模塊的功率半導體開關在施加了軟關斷操作時其控制電壓波形和流經功率半導體開關的短路電流波形。參照圖4A和圖4B，不妨預設功率半導體開關當前的控制電壓為VeE，該功率半導體開關導通時的閾值電壓為veE(th)，在時刻to時，電路中的電流Ibus達到峰值，控制電壓從veE逐漸下降，然後執行功率半導體開關的一般關斷過程。不同於圖4A和圖4B，圖5A和圖5B示出引入了軟關斷操作時的控制電壓波形和流經功率半導體開關的短路電流波形。從圖5A和圖5B中可知，當功率半導體開關串聯電路在to時刻出現短路情形時，軟關斷電路開始輸出與短路信號相對應的一第二控制信號至驅動模塊，以驅動功率半導體開關執行關斷操作，由於信號傳遞的時間延遲，直到tl時刻該控制電壓才從veE降至ντ，並且從to時刻到tl時刻，流經功率半導體開關的短路電流繼續上升。然後，從tl時刻到t2時刻功率半導體開關的控制電壓保持Vt不變，因為功率半導體開關的控制電壓Vt使飽和電流值降低，流經功率半導體開關的短路電流不再上升，其仍然被限定於其控制電壓Vt狀態時對應的飽和電流值。接著，從t2時刻開始，控制電壓緩慢下降，進而軟關斷該功率半導體開關。將圖4B和圖5B對比，不難看出，採用軟關斷技術，當功率半導體開關串聯電路發生短路時，經過tft2的限流區間和t2、3的軟關斷區間，流經功率半導體開關的短路電流波形不再上升，因而可有效地抑制關斷時的尖峰電流，並且在軟關斷期間，流經功率半導體開關的電流緩慢下降從而可有效地減少功率半導體開關串聯電路中的寄生電感所帶來的關斷電壓尖峰，進而提高了功率半導體開關安全工作區的裕量。圖6示出依據本發明的另一個方面的功率半導體開關串聯電路的控制方法的流程示意圖。該方法首先執行步驟S701，讀取短路檢測單元所輸出的檢測信號，例如，該短路檢測單元電性跨接於電感元件兩端，讀取加載於該電感元件兩端的電壓信號，即，LsXdi/dt，以快速地反映di/dt的數值變化從而檢測功率半導體開關串聯電路是否出現短路情形；該短路檢測單元還可檢測功率半導體開關第二端和第三端之間的電壓值，進而判斷功率半導體開關串聯電路是否出現短路情形。接著，執行步驟S703和S705，將短路檢測單元所輸出的檢測信號與預設閾值進行比較，當該檢測信號高於該預設閾值時，表明該功率半導體開關串聯電路出現短路情形，輸出一短路信號；而當該檢測信號低於該預設閾值時，表明該功率半導體開關串聯電路未發生短路。然後，執行步驟S707，根據該短路信號，輸出與該短路信號相對應的一第一控制信號，並將第一控制信號傳送至每一串聯模塊的驅動模塊，以驅動功率半導體開關執行關斷操作；例如，該第一控制信號經由光纖傳送至驅動模塊，經放大處理後傳送至每一串聯模塊的功率半導體開關。最後，在步驟S709中，根據所述短路信號，輸出與該短路信號相對應的一第二控制信號，並將第二控制信號傳送至該串聯模塊的驅動模塊，以驅動功率半導體開關執行關斷操作；其中，第二控制信號先於第一控制信號到達對應的驅動模塊。圖7示出將本發明的功率半導體開關串聯電路應用於功率變換裝置的原理示意圖。該功率變換裝置包括一三相變流器，其中，該三相變流器的每一相橋臂具有至少兩個子橋臂，子橋臂由前述功率半導體開關串聯電路所構成。例如，該功率半導體開關串聯電路由串聯模塊10和串聯模塊20構成。該三相變流器可以為兩電平變流器、也可以為三電平變流器或多電平變流器。參照圖7，該三相變流器具有三個橋臂，每一橋臂分為上橋臂和下橋臂。以第一橋臂71為例，該第一橋臂71包括上橋臂711和下橋臂712，其中，該上橋臂711採用本發明的前述功率半導體開關串聯電路構成，以等效於單個的一高壓半導體器件，以及該下橋臂712亦採用本發明的前述功率半導體開關串聯電路構成，以等效於單個的另一高壓半導體器件。當三相變流器與三相電機電性連接時，該三相變流器的三個橋臂各自的輸出端電性連接至電機的對應相。在一實施例中，當第一橋臂71的上橋臂711處於工作狀態，而下橋臂712處於空閒狀態時，通過本發明前述的功率半導體開關串聯電路中的短路檢測單元輸出一檢測信號，進而可快速地檢測該第一橋臂71是否出現短路情形。例如，當上橋臂711出現短路情形時，系統控制模塊40對第一橋臂71中的上橋臂711和下橋臂712各自的功率半導體開關發出控制信號，從而關斷整個第一橋臂71。類似地，當第一橋臂71的下橋臂712處於工作狀態，而上橋臂711處於空閒狀態時，也可以通過本發明前述的功率半導體開關串聯電路中的短路檢測單元輸出一檢測信號，進而可快速地檢測該第一橋臂71是否出現短路情形。例如，當下橋臂712出現短路情形時，系統控制模塊40對第一橋臂71中的上橋臂711和下橋臂712各自的功率半導體開關發出控制信號，從而關斷整個第一橋臂71。本領域的技術人員應當理解，對於同一橋臂來說，上橋臂711或下橋臂712還可包括兩個或兩個以上的功率半導體開關串聯電路，這些功率半導體開關串聯電路採用串聯連接。也就是說，上橋臂711或下橋臂712可至少包括串聯連接的一等效高壓半導體器件以及另一等效高壓半導體器件，並且這兩個等效的高壓半導體器件分別採用本發明前述的功率半導體開關串聯電路予以實現。採用本發明的功率半導體開關串聯電路，通過短路檢測單元，檢測所述功率半導體開關電路的短路參數(例如，di/dt的數值或功率半導體開關第二端和第三端之間的電壓值)，輸出檢測信號，並且在檢測信號高於預設閾值時輸出一短路信號，先由軟關斷模塊輸出與該短路信號相對應的第二控制信號至驅動模塊，以驅動該功率半導體開關執行關斷操作，再由系統控制模塊輸出與該短路信號相對應的第一控制信號至每一串聯模塊的驅動模塊，以驅動整個串聯橋臂上的功率半導體開關執行關斷操作，以免功率半導體開關因短路故障而遭到損壞，因而可提升該功率半導體開關串聯電路的運行可靠性。在短路檢測單元檢測到電路中發生短路情形時，先採用軟關斷技術先降低功率半導體開關的控制電壓，以限制短路電流繼續上升，保護均壓電路中的二極體，然後再由系統控制模塊輸出第一控制信號至驅動模塊，以驅動該功率半導體開關執行關斷操作，減緩功率半導體開關的電流下降速度，避免產生電壓過衝，從而使功率半導體開關具有更大的安全工作裕量。此外，在對功率半導體開關進行短路保護時，還可同時對每一串聯模塊中的功率半導體開關進行過壓保護，從而使功率半導體開關串聯電路既具有短路保護功能，也具有過壓保護功能。上文中，參照附圖描述了本發明的具體實施方式
。但是，本領域中的普通技術人員能夠理解，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，還可以對本發明的具體實施方式
作各種變更和替換。這些變更和替換都落在本發明權利要求書所限定的範圍內。
權利要求
1.一種功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述功率半導體開關串聯電路包括 多個串聯模塊，每個串聯模塊具有 一功率半導體開關，具有一第一端、一第二端和一第三端，所述第一端接收一驅動信號，所述第二端耦接至相鄰的一串聯模塊的功率半導體開關的第三端，所述第三端耦接至相鄰的另一串聯模塊的功率半導體開關的第二端； 一驅動模塊，電性連接於所述功率半導體開關的第一端，用於輸出所述驅動信號，藉由所述驅動信號使所述功率半導體開關導通或關斷； 一短路檢測單元，電性連接至所述功率半導體開關，輸出至少一檢測信號； 一均壓電路，電性跨接於所述功率半導體開關的第二端和第三端之間，用於對所述功率半導體開關進行靜態均壓和動態均壓； 一比較模塊，電性連接至所述短路檢測單元，用於接收所述檢測信號，並將所述檢測信號與一預設閾值進行比較，當所述檢測信號高於所述預設閾值時，所述比較模塊輸出一短路信號；以及 一軟關斷模塊，當接收來自所述比較模塊的所述短路信號時，所述軟關斷模塊輸出與所述短路信號相對應的一第二控制信號至所述驅動模塊；以及 一系統控制模塊，電性連接於所述比較模塊和每一串聯模塊的驅動模塊，當接收來自所述比較模塊的所述短路信號時，所述系統控制模塊輸出與所述短路信號相對應的一第一控制信號至所述驅動模塊，以便關斷每一串聯模塊的功率半導體開關。
2.根據權利要求1所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述串聯模塊還包括一電感元件，藉由檢測流經所述電感元件的電流的di/dt數值來輸出所述檢測信號。
3.根據權利要求2所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述電感元件串接於相鄰的兩個串聯模塊的功率半導體開關之間。
4.根據權利要求2所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述電感元件為所述串聯模塊的功率半導體開關內部的一寄生電感。
5.根據權利要求1所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述短路檢測單元電性跨接於所述功率半導體開關的第二端和第三端之間，用於檢測所述功率半導體開關的所述第二端和第三端之間的電壓值，並根據該電壓值輸出所述檢測信號。
6.根據權利要求1所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述均壓電路至少具有一電阻、一二極體和一電容，所述電阻跨接於所述功率半導體開關的第二端和第三端之間，所述二極體和所述電容串聯連接後再跨接於所述功率半導體開關的第二端和第三端之間，其中，所述二極體的陽極連接於所述功率半導體開關的第二端，以及所述二極體的陰極與電容相連。
7.根據權利要求6所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述串聯模塊還包括一過壓檢測模塊，所述過壓檢測模塊具有 一檢測單元，用於檢測反映所述功率半導體開關的第二端和第三端之間電壓的一電壓信號，藉由所述電壓信號判斷所述功率半導體開關的第二端和第三端之間的電壓是否過壓；以及 一信號發送單元，當所述功率半導體開關的第二端和第三端之間的電壓出現過壓情形時，所述信號發送單兀輸出一過壓信號。
8.根據權利要求7所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述過壓檢測模塊跨接於所述均壓電路的電容兩端，所述檢測單元檢測所述電容兩端的電壓信號。
9.根據權利要求7所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述串聯模塊還包括一邏輯電路，具有多個輸入端和至少一輸出端，所述邏輯電路的多個輸入端分別連接至所述比較模塊的輸出端以及所述過壓檢測模塊的輸出端，並且所述邏輯電路的輸出端用於輸出一第三控制信號。
10.根據權利要求9所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述系統控制模塊電性連接至所述邏輯電路的輸出端，用於接收所述第三控制信號，並輸出與所述第三控制信號相對應的所述第一控制信號至每一串聯模塊的驅動模塊。
11.根據權利要求1所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述比較模塊為一比較器，用於將所述檢測信號與所述預設閾值進行比較，並且在所述檢測信號高於所述預設閾值時輸出所述短路信號。
12.根據權利要求1所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，當所述功率半導體開關串聯電路出現短路時，所述第二控制信號先於所述第一控制信號到達所述驅動模塊。
13.根據權利要求1所述的功率半導體開關串聯電路，其特徵在於，所述功率半導體開關為絕緣柵雙極型電晶體。
14.一種用於控制如權利要求1所述的功率半導體開關串聯電路的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 讀取所述短路檢測單元輸出的所述檢測信號； 將所述檢測信號與所述預設閾值進行比較； 當所述檢測信號高於所述預設閾值時，輸出一短路信號； 根據所述短路信號，輸出與所述短路信號相對應的一第一控制信號，並將所述第一控制信號傳送至每一串聯模塊的驅動模塊，以驅動每一串聯模塊的功率半導體開關執行關斷操作；以及 根據所述短路信號，輸出與所述短路信號相對應的一第二控制信號，並將所述第二控制信號傳送至相應串聯模塊的所述驅動模塊，以驅動所述串聯模塊的功率半導體開關執行關斷操作； 其中，所述第二控制信號先於所述第一控制信號到達所述驅動模塊。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述功率半導體開關為絕緣柵雙極型電晶體。
16.一種功率變換裝置，其特徵在於，所述功率變換裝置包括一三相變流器，所述三相變流器的每一相橋臂具有至少兩個子橋臂，其中， 所述子橋臂均由如權利要求1至13中任意一項所述的一個或多個功率半導體開關串聯電路所構成。
17.根據權利要求16所述的功率變換裝置，其特徵在於，所述三相變流器為兩電平變流器、三電平變流器或多電平變流器。
全文摘要
本發明提供了一種功率半導體開關串聯電路，包括:多個串聯模塊以及系統控制模塊。每個串聯模塊具有功率半導體開關；驅動功率半導體開關導通或關斷的驅動模塊；用於輸出至少一檢測信號的短路檢測單元；均壓電路；比較模塊，比較該檢測信號和預設閾值，當該檢測信號高於預設閾值時輸出短路信號；軟關斷模塊，接收短路信號並輸出第二控制信號；系統控制模塊，接收短路信號並輸出第一控制信號。採用本發明，當功率半導體開關電路發送短路故障時，先由第二控制信號控制驅動模塊關斷功率半導體開關，再由第一控制信號控制驅動模塊關斷串聯橋臂上的所有功率半導體開關，以免其因短路故障而遭到損壞，提升該功率半導體開關串聯電路的運行可靠性。
文檔編號H02M1/36GK103036415SQ20121022886
公開日2013年4月10日 申請日期2012年7月3日 優先權日2011年9月29日
發明者甘鴻堅, 應建平, 付潔, 付煒亮, 王明 申請人:臺達電子企業管理(上海)有限公司