電子功率變流器電路結構及其驅動的方法
2023-04-27 22:39:21
專利名稱：電子功率變流器電路結構及其驅動的方法
技術領域：
本發明涉及功率電子學的領域。
本發明涉及電子功率變流器電路結構的驅動方法，它還涉及一種電子功率變流器的電路結構。
對於這種方法及電子功率變流器電路結構已經有過描述，例如在A.Stamberger的文章「具有精確同步關斷的串聯或並聯連接的大功率GTOs」中描述過(Elektroniker，No.3/1985，第68-72頁)如果在一個半橋的單個橋臂中含有串聯連接的功率半導體開關管(如上述文章中的GTOs)，這就會導致差的、就是說不規則的電壓分配。這可能進一步導致串聯電路中單個半導體元件的過載。這種不相同的加載原因在於有關電路中半導體元件的不同關斷時間，不同的參數及工作中參數的變化。
在上述文章中，利用這樣地對控制信號的關斷時間進行控制來試圖使各個開關的加載電壓均衡，即使得一個電子功率變流器橋臂中的所有GTOs同時地開始阻斷。關斷信號的時刻被用作控制變量。
但是，由此僅是關斷時間被精確校正。然而，由於對精確的電壓分配不能提供任何信息，從而參數差異及參數變化引起的不規則加載電壓不能被平衡。此外，上述方法僅在開關時、確切地說在關斷時起作用。儘管由於參數差異及參數飄移這是可能發生的，對於在「阻塞」的穩態中加載電壓的差別仍未被考慮。
因此，這種校正是不完整的並且半導體元件的使用未能最佳化。在相對大的半導體組件(0.5MVA的開關容量或更大)中應用的情況下，這會具有不利的作用。
因而，本發明的一個目的是提供一種新的驅動電子功率變流器電路的方法及一種電子功率變流器的電路結構，在其中可以避免上述的現有技術的缺點。尤其是，電壓分配的控制也考慮到參數的差異及變化並在穩態中也起到作用。
這個目的，是根據本發明的方法及裝置來實現。
本發明的一種驅動電子功率變流器電路結構的方法，a)這種電路結構包括n個串聯連接的功率半導體開關管，這些功率半導體開關管的每一個可通過施加於柵極的控制電壓在任意開通及關斷時刻重複地被開通及關斷，並由此能呈現「導通」及「阻塞」狀態，b)在該方法中，各個功率半導體開關管的加載電壓是利用控制各個功率半導體開關管的關斷時刻來均衡的，c)在每個開關管上的開關電壓作為控制變量被檢測，d)開關管的開關時刻藉助於被檢測電壓這樣來確定，即在開關時使所有的開關管的加載電壓均衡，及e)在阻塞階段藉助於被測量電壓這樣地對每個開關管計算控制電壓的電平，即在阻塞期間使每個開關管的加載電壓相等。
本發明的一種電子功率變流器電路結構包括，a)n個功率半導體開關管的串聯電路(n≥2)，這些開關管可通過施加於柵極的控制電壓在任意的時刻重複被開通或關斷，並由此能呈現「導通」及「阻塞」狀態，b)一個驅動單元，具有可與控制信號源相連接的控制信號輸入端，並在該驅動單元中產生控制信號，及一個驅動器，在其中控制信中被放大;其中c)在驅動單元中設置了第一裝置，它經過一個延時電路與控制信號源相連接;d)在驅動單元中，測量每個開關管上的電壓，並由被測量的串聯電路兩端總電壓的n分之一及被測量電壓形成其差值，及有以下情況e)第一裝置控制延時電路中各開關管控制信號的開通及關斷時刻，其方式為在開通及關斷時使所有開關管的電壓相等地被加載;f)在驅動單元中設置第二裝置，它與驅動器相連接，並當阻塞階段可以藉助於計算出的差值這樣地調整阻塞狀態中的控制電壓，即在阻塞時間使各個開關管的加載電壓基本相等。
根據本發明的方法的核心在於將串聯電路中每個開關管上的電壓作為控制變量進行檢測，並由該被測量電壓使開關時間這樣地變化，即在開關時使所有開關管的加載電壓變得基本上相等;並在阻塞狀態中藉助於被測量電壓影響控制電壓的電平，從而使得開關管的阻塞電壓基本相等。
本發明的一個最佳實施例的特徵在於在特定的開關操作中由被測得的每個開關管電壓以及串聯電路兩端的整個被測電壓的n分之一(在n個開關管串聯的情況下)形成其差值;並在兩次開關操作之間的時間中由該差值計算用於下次開關操作的開關時間延時的增加量或減少量;以及用此方式確定的開關時間在隨後的開關操作中被調整。
在開通時，如果開通較早則得到較低的加載電壓，在較晚開通情況下得到較高的加載電壓。在關斷情況下這種表現正好反過來。
在穩態中，也就是說阻塞狀態時，能藉助於控制信號的電平使阻塞電流特別地增大，就是說使柵極關斷電壓接近於半導體元件的閾值電壓。在此情況下，阻塞電流的增加引起了阻塞電壓的下降。使用這種方法，即使在阻塞狀態下加載電壓也能均衡。
根據本發明的電路結構的核心在於在驅動單元中設置了第一裝置，它測量每個開關管上的電壓，由所測電壓與全部電壓的n分之一形成其差值，並確定每個開關管控制信號的開通及關斷時間，從而所有的開關管在電壓上能被均等地加載。此外，設有第二裝置，它由計算出的差值調整阻塞狀態中控制信號的電平，從而對於所有的開關管產生相同的加載電壓。
這些第一及第二裝置可對於每一個開關管局部地設置也可對於所有的開關管集中地設置。
根據本發明的方法或電路結構的優點總地在於每個半導體元件的加載電壓不僅在開通及關斷時間中而且在阻塞狀態中也能均衡分配。此外，控制部分也使參數差異及變化以及電路的影響得到補償。其結果為，在功率及頻率方面均使開關管得到最佳作用。
參照以下結合附圖的詳細說明，將會對本發明及其許多附帶優點易於更全面的了解及更好的理解，其附圖為
圖1表示具有串聯連接的半導體元件的一種電子功率變流器的電路結構;
圖2表示根據本發明的用於一個開關管的驅動電路的方框圖，它用於在開關期間均衡開關管的加載電壓;
圖3表示根據本發明的用於一個開關管的驅動電路的方框圖，它用於在阻塞期間均衡開關管的加載電壓;
圖4表示根據本發明的第一示範實施例的用於多個開關管的控制單元的方框圖;
圖5表示根據第二示範實施例的用於多個開關管的驅動單元的方框圖;
圖6表示在三個開關管的開關操作情況下的各個階段、狀態及加載電壓;
圖7表示通過開關管的電壓如何受到移動開通及關斷時間影響的示意圖;
圖8表示在開通時均衡控制的原理;
圖9表示在關斷時均衡控制的原理;
圖10表示在阻塞期間均衡控制的原理;
圖11a-d表示具有及不具有根據本發明控制的三個開關管在開通及關斷時的被測量電壓曲線圖。
現在參見附圖，其中在各個附圖中相同的標號表示相同的或相應的部件，在圖1中表示非常快速的半導體開關(2)，例如是絕緣柵雙極性三極體IGBT，串聯地連接以增大可被開關的電壓。在暫態開關操作(開通及關斷)及穩態閉鎖狀態(已關斷)時，整個加載電壓(Uce)在各個半導體開關(2)上的分配是不規則的，因為它們的自然參數不同。這便會導致單個半導體開關的過載。
在開通階段(P1)，導通階段(P2)，關斷階段(P3)及阻塞段(P4)中的三個開關管的不同電壓(Uce1，Uce2，Uce3)以例舉的方式表示在圖6中。
主要是固有的半導體特性，例如存儲電荷及耗盡層電容方面的不一致，不同的延遲時間及開通與關斷時間，這些確定了暫態的電壓分配，也就是說在開通及關斷階段(P1及P3)時的電壓分配。但是，受容差，偏差及飄移影響的信號傳播時間引起的驅動差別及負載電路中的特性(漏電感，漏電容及對地電容和附加電路)對其也具有不可忽略的影響。
在已關斷狀態(P4)中，電壓分配是不穩定的，但依賴於在前的關斷操作、關斷電流及漏電流Ices的幅值、容差及飄移，以及依賴於可能的目前電路。在與耗盡層及電路電容有關的時間後，漏電流導致了不規則的穩態電壓分配，其中在最不利的情況下，一個單個開關管必須吸收整個的阻塞電壓。
在現有技術中已作出嘗試，利用精確地在同一時刻關斷所有的半導體開關管來防止這種不規則的加載電壓。但由此未必能保證在各開關管上電壓分配是均衡的，因為在這種控制中未考慮到參數差異的影響。
本發明著手於不同的途徑。如圖2如示，對串聯電路的n個開關管、n≥2，中的每一個進行開通及關斷電壓(Uce1，Uce2……Ucen)的測量。該被測量電壓用來這樣地確定控制信號(Uge1…Ugen)的開關時刻(Tdon，Tdoff)，即在開關時對所有的開關管(2)的加載電壓是基本上相等的。由圖7可清楚地看出，在開通時由於開通點(例如Uge1)的延遲，產生了較高的加載電壓(Uce1)。由較早的開通(例如Uge3)獲得較小的加載電壓(Uce3)。在關斷時其情況正好反過來較早的關斷(Uge1)產生了較高的加載電壓(Uce1)，而較遲的關斷(Uge3)產生了較低的加載電壓(Uce3)。
控制是以這種方式進行的在一個特定的開關階段(P1或P3)中，在跨接串聯電路的全部電壓(Ucetot)的n分之一與被測量電壓(Uce1…Ucen)之間形成了差值(1/n Ucetot-Ucei)。如果在開通時該差值為正，這就是說經過特定開關管降落的電壓值過低，則在下一次開通操作中，該相關的開關管帶有一定的延時開通。如果該差值為負，則具有一定的超前時間進行開道。這種時間的移動對於每次開通操作均要重新計算，最終產生均勻的電壓分配。如圖8中清楚地表示的，但這不意味著所有的開關管由此在同一時刻被開通。而是，它們在對所有的開關管會產生均勻的電壓分配的時刻被開通。
在關斷時其過程是類似的(圖9)，所不同是在負差值(電壓過高)的情況下，在下一次關斷(例如Uge1)時，關斷延遲，而在正差值(例如Uge3)的情況下則關斷提前。這裡也同樣認為，關斷不必要同時，但需在能使電壓分配均勻的那些時刻進行關斷。
該控制是一種抽樣控制，也就是說在特定的開關操作(例如t1)時檢測電壓，直到後一個開關操作時(例如t2)才作出控制。其結果是，在操作時參數的波動能得到自適應的平衡。此外，在兩次開關操作之間具有足夠的時間來進行所需的操作。
在穩態(阻塞狀態P4)中，使用了另一種控制變量。這裡，每個開關管的自然差異及受飄移影響的漏電流及它們的電路影響必須這樣地相互調節，即產生出一種對稱的電壓分配。
IGBTs及MOSFETs在非飽和穩態時，其性能就象電壓被控制的電流源一樣。其結果是，藉助於接近半導體元件閾值電壓的關斷控制電壓使阻塞電流明確地增加。隨著阻塞電流的增加，串聯電路中的各個半導體元件電壓下降。結果，利用對關斷控制電壓(Uge off1，n)電平的影響使每個開關管的阻塞電壓持續地受到校正。
為此目的，在施加於串聯電路的全部電壓(Uce tot)的n分之一與開關管上的測量電壓(Uce1，n)之間形成了差值。根據這個差值這樣地確定關斷控制電壓(Ugeoff1，n)的電平，即結果產生平衡的電壓分配(圖10)。開關管電壓(Uce1，n)的測量及相減可以連續地或以時間離散的方式(如在開通/在斷的情況下)進行。
圖為當穩態及瞬態平衡控制施加於所有各開關管時，該系統在控制方面是一致的，這很可能引起開關時刻及阻塞電流失去控制，切合實際的作法是，將開關管中的一個作為主控制，所有其它開關管作為隨動控制對待。在這種情況下，隨動控制將根據剛才描述的平衡原理進行操作，而主控制是利用對開關時刻及阻塞電流的預定值來操作。主控制阻塞電流的自適應調整能作到對容差及飄移的自動跟蹤。
一個根據本發明的電子功率變流器電路結構(圖1-3)包括一個n個功率半導體開關管的串聯電路，其中n≥2，該串聯電路例如可以是一個多相半橋的一部分。這些半導體開關管可用公知方式藉助施加於柵極(3)的電壓(Uge1…Ugen)在任意時刻重複地開通與關斷。為此，設置了與柵極相連接並具有一個可控信號輸入端(5)及一個驅動器(7)的驅動單元(4)。
為了能進行以上所說的控制，在該驅動單元中對各個開關管上降落的電壓(Uce1…Ucen)及整個串聯電路兩端的電壓(Ucetot)進行測量。在每種情況下由這兩種電壓(Ucei，Ucetot)形成差值(1/n Ucetot-Ucei)，並傳送到第一裝置(6)，在該裝置中如上所述地確定每個開關管的開關時刻(Tdon，Tdoff)。此外，第一裝置(6)與一延時電路(9)相連接，在該延時電路中整定控制信號的開關時刻。延時電路的輸出與驅動器(7)相連接，後者本身將控制電壓(Ugei)施加給各開關管的柵極(3)。
這樣，第一裝置(6)及延時電路(9)可用來這樣地影響控制信號(Uge1…Ugen)，即在開關時使得產生均衡的電壓分配。
此外，在驅動單元(4)中設有第二裝置(8)，它藉助於計算出的差值持續地調整阻塞狀態(P4)中控制電壓(Ugeoff1，n)的電平，其方式為使每個開關管在電壓上被基本相等地加載。該第二裝置與驅動器(7)相連接。
根據本發明電路結構的兩個優選示範實施例給出在圖4及5中。可以在驅動單元(4)中局部地設置用於每個開關管的第一及第二裝置(6及8)(圖5)。另一種變型的組成為第一及第二裝置(6及8)僅集中地設置一次，而所有的驅動器(7)及延時電路(9)由這種集中的第一及第二裝置(6及8)驅動(圖4)。
在三個開關管上電壓測量的結果顯示在圖11a-d中，在開通情況下為圖11a及11b，及在關斷情況下為圖11c及11d。如圖中可見到的，受控制的開關狀況中(圖11b及11d)電壓分配明顯地被改善。
顯然，根據上述指導可以對本發明作出多種改型及變型。因此可以理解，在附設權利要求的範圍內，本發明可用不同於以上專門描述的方式來實施。
權利要求
1.一種驅動電子功率變流器電路的方法，a)這種電路結構包括n個串聯連接的功率半導體開關管，這些功率半導體開關管的每一個可通過施加於柵極的控制電壓在任意開通及關斷時刻重複地被開通及關斷，並由此能呈現「導通」及「阻塞」狀態，b)在該方法中，各個功率半導體開關管的加載電壓是利用控制各個功率半導體開關管的關斷時刻來均衡的，其中c)在每個開關管上的開關電壓作為控制變量被檢測，d)開關管的開關時刻藉助於被檢測電壓這樣來確定，即在開關時使所有的開關管的加載電壓均衡，及e)在阻塞階段藉助於被測量電壓這樣地對每個開關管計算控制電壓的電平，即在阻塞期間使每個開關管的加載電壓相等。
2.根據權利要求1所述的方法，其中a)在開通或關斷時對於一個特定的開關時刻，重複地由施加於串聯電路兩端的全部電壓的n分之一及被測量電壓來計算其差值;b)在兩次開關操作之間的時間中，由計算出的差值確定每個單個開關管控制信號的開通或關斷時刻;及c)在下一開關時刻利用計算出的控制信號驅動開關管。
3.根據權利要求2所述的方法，其中a)在開通的情況下，如果差值為正時開通是在較遲的開通時刻作出的，而如果差值為負時開通是在較早時刻作出的，及b)在關斷情況下，如果差值為負時關斷是在較遲的時刻作出的，而如果差值為正時關斷是在較早的時刻作出的。
4.根據權利要求1所述的方法，其中在阻塞階段時，a)由施加給串聯電路兩端全部電壓的n分之一及被測量電壓相應地形成其差值;b)由差值對每個開關管計算控制電壓的電平。
5.根據權利要求4所述的方法，其中如果差值為正則電壓被增加，而如果差值為負則電壓被減少。
6.根據權利要求1，2或3中一項所述的方法，其中一個特定的開關管利用對開通及關斷時刻的預定值及阻塞控制電壓電平的預定值作為主控制操作。而其餘的開關管的值根據權利要求2及3來確定。
7.一種電子功率變流器電路結構包括，a)n個功率半導體開關管的串聯電路(n≥2)，這些開關管可通過施加於柵極的控制電壓在任意的時刻被重複開通或關斷，並由此能呈現「導通」及「阻塞」狀態，b)一個驅動單元，具有可與控制信號源相連接的控制信號輸入端，並在該驅動單元中產生控制信號，及一個驅動器，在其中控制信中被放大;其中c)在驅動單元中設置了第一裝置，它經過一個延時電路與控制信號源相連接;d)在驅動單元中，測量每個開關管上的電壓，並由被測量的串聯電路兩端總電壓的n分之一及被測量電壓形成其差值，及有以下情況e)第一裝置控制延時電路中各開關管控制信號的開通及關斷時刻，其方式為在開通及關斷時使所有開關管的電壓相等地被加載;f)在驅動單元中設置第二裝置，它與驅動器相連接，並當阻塞階段可以藉助於計算出的差值這樣地調整阻塞狀態中的控制電壓，即在阻塞時間使各個開關管的加載電壓相等。
8.根據權利要求7所述的電路結構，其中在開通及關斷時，開關管電壓的測量，相減及開通/關斷時刻的計算均在它們被使用前的相應狀態中完成。
9.根據權利要求8所述的電路結構，其中驅動單元具有用於所有開關管的集中的第一及第二裝置，並對每個開關管分散地設置了一個驅動器及一個延時電路。
10.根據權利要求9所述的電路結構，其中在驅動電路中對每個開關管分散地設置了一個驅動器、一個延時電路及第一和第二裝置。
11.根據權利要求7至10中一項所述的電路結構，其中功率半導體開關管為MOS可控開關管，尤其是MOSFETs或IGBTs。
全文摘要
一種驅動功率半導體開關管的串聯電路的方法及裝置中，利用對串聯電路中每個開關管上的電壓進行測量，作為控制變量，並將被測量電壓用來改變開關時刻，即在開關時使所有開關管的加載電壓基本相等，由此使串聯電路中每個開關管的加載電壓均衡。此外，在阻塞狀態中的控制電壓電平可以藉助於被測量電壓受調整，即使得各開關管的阻塞電壓基本相等。本發明的優點為不但在開關時而且在阻塞狀態中各個半導體元件的加載電壓均能保持均衡。
文檔編號H02M1/088GK1105163SQ94117198
公開日1995年7月12日 申請日期1994年10月21日 優先權日1993年10月21日
發明者C·傑斯特, R·舍布 申請人:Abb管理有限公司