專利名稱：用于優(yōu)化一種非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)的切斷過程的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法以及執(zhí)行該方法的一種裝置，該方法用于優(yōu)化在一硬開關(guān)式變流器中的一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)的切斷過程。
非鎖定功率半導(dǎo)體開關(guān)是指這樣的半導(dǎo)體部件，在它們的控制輸入端必須始終有一控制信號，這樣使它們處于導(dǎo)通狀態(tài)。屬于非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)的有雙極型大功率晶體管(LTR)以及場控可切斷式半導(dǎo)體組件。該場控可切斷式半導(dǎo)體組件例如有自鎖式場效應(yīng)晶體管(MOS-FET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、場控晶閘管亦稱MOS控制器的晶閘管(MCT)…。
對具有MOS控制輸入的功率半導(dǎo)體開關(guān)，其發(fā)展方向一直是朝著模塊的高載流量。目前已可得到高電流模塊，它們在閉鎖能力為1700V時可傳導(dǎo)一1200A的漏極電流。隨著載流量的提高，電流變化速度值(di/dt)亦隨之極大地提高，尤其是在模塊被切斷時，由于模塊各自與一控制裝置和一中間電路電氣連通，導(dǎo)致在開關(guān)過程中由變流器的功率部分的電感通常在絕緣柵雙極型晶體管上產(chǎn)生富能的過電壓。
為在硬開關(guān)變流器中使用非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體時僅產(chǎn)生很少的開關(guān)損失，開關(guān)時間應(yīng)盡量短。這一點卻是由結(jié)構(gòu)規(guī)定的漏電感以及在切斷時所確定的過電壓所限制。在常規(guī)控制中，開關(guān)時間是用各施加的控制電壓幅值以及一從屬的柵極電阻來調(diào)整的。通過部件性能則在這樣一種控制電路中，在對這樣一種功率半導(dǎo)體開關(guān)的切斷過程中，電壓升高時間和電流降低時間相互聯(lián)系在一起。
隨著非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)的耐壓和耐流強度的提高，對瞬態(tài)過程的控制也變得重要，因為電流改變速度(di/dt)隨待切斷電流以信電壓改變速度(du/dt)隨中間電路電壓的升高而升高。電壓變化速度不應(yīng)超過制造商所確定的值，這樣在切斷電路時可避免產(chǎn)生功率半導(dǎo)體開關(guān)的鎖定，過壓取決于電路中的漏電感以及電流改變速度。通過降低電流改變速度尤其可在短路情況下降低過壓。
從專利文獻EP0645889A1已知有一種用于在切斷具有MOS控制輸入的功率半導(dǎo)體開關(guān)時，限制電流降低速度的方法和裝置。在該方法中，在切斷時根據(jù)一電感來產(chǎn)生一反向電壓，該電壓被反饋至功率半導(dǎo)體開關(guān)中的柵極-發(fā)射極電壓，通過該反饋，該柵極-發(fā)射極電壓被提高，這樣可無延遲地有效地降低切斷速度，同時并不放大功率半導(dǎo)體開關(guān)的存貯時間或影響導(dǎo)通狀態(tài)。這種負反饋尤其在出現(xiàn)甚高負電流上升率，例如過電流或短路電流時變得特別地強烈。電流改變速度值可獨立于額定運行或短路運行地被調(diào)整。為調(diào)節(jié)反向電壓且由此也調(diào)節(jié)電流改變速度值，可改變電感的值。電感值的改變考慮到一變流器的低電感性結(jié)構(gòu)因而僅在很窄范圍內(nèi)可加以改變。
從專利文獻EP0361211B1中已知一種用于功率半導(dǎo)體開關(guān)的保護電路，該電路具有一帶有集電極-發(fā)射極監(jiān)控以及一基極-發(fā)射極監(jiān)控以及一或門的負載電流監(jiān)控電路以及一第一和第二負電流源或一第一和第二可接入柵極放電電阻。負載電流監(jiān)控電路在輸出端與一控制元件相連接，該元件在輸出端又與第二負電流源或第二可接入柵極放電電阻相連接。負載電流監(jiān)控電路確定功率半導(dǎo)體開關(guān)是否處于額定運行或短路運行狀態(tài)，據(jù)此為切斷功率半導(dǎo)體開關(guān)，要么激活第一負電流源要么激活第二負電流源。這樣可阻止在短路情況下功率半導(dǎo)體開關(guān)硬性地被清除。這樣會導(dǎo)致收縮效應(yīng)，由此功率晶體管會丟失其切斷能力。由于在短路情況下可用一較小的清除電流來切斷功率晶體管，因此功率晶體管的最大短路強度在短路情況下也被使用。
在1993年9月13～16日出版的會議錄EPE′93第二卷第317～322頁上刊載的署名作者為H.-G.Eckel和L.Sack的文章“絕緣柵雙極晶體管在過流和短路電流時切斷性能的優(yōu)化”(“Optimization of the Turn-Off Performanceof IGBT at Overcurrent and Shorr-Circuit Current”,von H.-G.Eckel undL.Sack,Konferenzband EPE′93,Vol.2,13.～16,September 1993,Seiten 317～322)一文中，介紹了兩種用于在一硬開關(guān)變流器中的絕緣柵雙極晶體管的切斷策略。在兩種策略中都使用了兩柵極放電電阻。在第一種切斷策略中，柵極-發(fā)射極電壓的下降首先由低的柵極放電電阻開始，而集電極-發(fā)射極電壓則被監(jiān)控是否超過一約10V的參考電壓。在一預(yù)定的延遲時間之后，若集電極-發(fā)射極電壓大于/等于參考電壓，則柵極-發(fā)射極電壓用高的柵極放電電阻來降低，直到功率半導(dǎo)體開關(guān)被閉鎖為止。這一雙級柵極控制方式要求精確知道絕緣柵雙極晶體管的動態(tài)性能，如果不知道這一點，則第一柵極放電電阻應(yīng)選擇得盡可能小，延遲時間應(yīng)選為大于集電極-發(fā)射極電壓的上升速度且第二柵極放電電阻應(yīng)盡可能大。
在第二個所介紹的切斷策略中，柵極-發(fā)射極電壓用一特征柵極放電電阻加以降低，直至達到柵極-發(fā)射極電壓的密勒坪(Miller-Plateau)狀態(tài)。在柵極-發(fā)射極電壓等于密勒坪時，集電極-發(fā)射極電壓升高。一旦集電極-發(fā)射極電壓超過一參考值比如10V，則柵極-發(fā)射極電壓與一參考值進行比較。在低的集電極電流時，密勒坪也較低，這樣第一柵極放電電阻在整個切斷過程中被使用。在高的集電極電流時，柵極-發(fā)射極電壓的密勒坪也高。在這種情況下在經(jīng)一預(yù)定的延遲時間之后，第一柵極放電電阻被切斷而一較大的柵極放電電阻被接通。在使用該第二切斷策略時需要精確知道密勒坪，這樣才可實施該策略。
所介紹的這兩個切斷策略的最大缺點是必須要知道密勒坪與集電極電流間的精確關(guān)系。而這對于不同的絕緣柵雙極晶體管來說是不同的，且延遲時間必須與各絕緣柵雙極晶體管匹配，因為一個太短的延遲時間會導(dǎo)致不需要的太高的損耗，而一個太長的延遲時間則意味著太慢的接通動作且由此柵極放電電阻的阻值的提高不再表示出有任何作用。
本發(fā)明的目的是提供一種方法和裝置，用來優(yōu)化在一硬開關(guān)式變流器中的一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)的切斷過程，其中一種簡單的工作方式以及最小且簡單的可測定測量參數(shù)占有優(yōu)先的地位。
本發(fā)明的目的是通過權(quán)利要求1所述特征來實現(xiàn)的，用該方法可實現(xiàn)可分開對一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)的切斷過程的電壓梯度和電流梯度施加影響。為此要使用不同的放電電流，這些電流要根據(jù)功率半導(dǎo)體開關(guān)的集電極-發(fā)射極電壓的狀態(tài)來加以選擇。在切斷過程開始時可這樣來調(diào)整放電電流，使得出現(xiàn)最大可允許的功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓改變速度。一旦集電極-發(fā)射極電壓達到一預(yù)定的參考電壓值，放電電流就降低到一較低值。該被降低的放電電流值取決于過電壓值，該過電壓值可以出現(xiàn)最大值。參考電壓值等于集電極電流開始換向時所需的電壓值。亦即在一變流器中參考電壓值等于中間電路電壓的值。
本發(fā)明方法的優(yōu)點在于對于將一放電電流轉(zhuǎn)換到另一放電電流上不再需要精確了解功率半導(dǎo)體開關(guān)的動態(tài)特性，因為該轉(zhuǎn)換僅在集電極-發(fā)射極電壓到達集電極電流開始換向時所需的一參考電壓值時才進行。為測得該轉(zhuǎn)換點則必須僅將集電極-發(fā)射極電壓與一相應(yīng)的參考電壓值作比較。通過將電壓上升時間和電流下降時間解耦，可將在一硬開關(guān)式變流器中的非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)時間做到最短，由此來達到小的開關(guān)損失。
在一種具有優(yōu)點的根據(jù)本發(fā)明的方法中，功率半導(dǎo)體開關(guān)的柵極-發(fā)射極電壓從切斷過程的一開始便用一恒定降低的放電電流來降低，直至功率半導(dǎo)體開關(guān)的集電極-發(fā)射極電壓升高為止。這種從切斷過程開始便發(fā)生的緩慢關(guān)斷在短路情況下具有特別的優(yōu)越性。
一種用于執(zhí)行本發(fā)明方法的裝置使用一普通的控制裝置用于一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)，該裝置被擴展至一種用于對功率半導(dǎo)體開關(guān)的集電極-發(fā)射極電壓、一邏輯電路以及兩個用于產(chǎn)生兩不同放電電流的可接入裝置作狀態(tài)獲取的裝置，其中邏輯電路的該可接入裝置在切斷過程中根據(jù)集電極-發(fā)射極電壓的狀態(tài)被控制。由于一種普通的控制裝置已經(jīng)具有一用于產(chǎn)生一高的放電電流的可接入裝置，因此用于產(chǎn)生一高的放電電流的可接入裝置大多是多余的。這樣可用很少的附加裝置來修改一種普通的控制裝置，使得該用于一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)的切斷過程被優(yōu)化。
在一具有優(yōu)點的裝置中，代替該邏輯電路和用以產(chǎn)生不同放電電流的可接入裝置，設(shè)有一斜坡信號發(fā)生器，它用一轉(zhuǎn)換開關(guān)與功率半導(dǎo)體開關(guān)的柵極端相連接，其中轉(zhuǎn)換開關(guān)被提供有一程序控制。這樣可得到對一普通控制裝置的一種特別簡單的修改，由此可對切斷過程作優(yōu)化處理。
在另一具有優(yōu)點的裝置中，代替該轉(zhuǎn)換開關(guān)卻使用了三個開關(guān)，其操作輸入與程序控制相連，其中第三個開關(guān)將功率半導(dǎo)體開關(guān)的柵極端與斜坡信號發(fā)生器的一輸入相連接。該電路類型較之具有斜坡信號發(fā)生器和轉(zhuǎn)換開關(guān)的亦稱之為存儲電路的電路類型的優(yōu)點在于可以確保柵極與斜坡信號發(fā)生器在轉(zhuǎn)換時刻通過程序控制具有相等的值。在該存儲電路中可由于漏電流產(chǎn)生問題，而功率半導(dǎo)體開關(guān)的柵極電位等于密勒坪。
為進一步說明本發(fā)明可參考以下附圖，其中示出用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的用于優(yōu)化一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)的切斷過程的方法的裝置的實施例。


圖1在一張圖中分別示出在一切斷過程中一絕緣柵雙極晶體管的集電極-發(fā)射極電壓、集電極電流和柵極-發(fā)射極電壓的隨時間的變化過程，
圖2示出用于實施本發(fā)明方法的裝置的第一實施形式的方塊圖，圖3示出用于獲取圖2所示裝置的集電極-發(fā)射極電壓的狀態(tài)的裝置的一方塊圖，圖4示出用于獲取圖2所示裝置的集電極-發(fā)射極電壓的狀態(tài)的裝置的一實施例，圖5示出圖2所示裝置的邏輯電路的一方塊圖，圖6示出另一用于獲取圖2所示裝置的集電極-發(fā)射極電壓的狀態(tài)的裝置的一方塊圖，圖7示出該另一用于獲取圖6所示集電極-發(fā)射極電壓狀態(tài)的裝置的求值裝置的一方塊圖，圖8示出用于執(zhí)行本發(fā)明方法的裝置的另一實施形式的方塊圖，圖9示出用于執(zhí)行本發(fā)明方法的裝置的第三實施形式的一方塊圖。
用于優(yōu)化一種非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)的切斷過程的方法和裝置是在上述附圖中用一具有一普通控制裝置4的絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2來舉例說明的，其中該絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2為更好地辨識用粗線畫出。絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的集電極端C被接到一正向中間電路母線6上，該中間電路母線提供一正向中間電路電壓+Uz。發(fā)射極端E一方面與一交流電端子8、另一方面與另一具有一控制裝置的絕緣柵雙極晶體管高電流模塊的一集電極端C相連，該控制裝置為簡明起見圖中未詳細示出。控制裝置4的兩輸出10和12分別與該絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的柵極端G和發(fā)射極控制輸入Est相連接。
在德國雜志“Elektronik”第24卷(1990年)第62-67頁上刊載的署名為W.Boesterling,W.Keuter和M.Tscharn的文章“優(yōu)化的功率控制”(“OptimierteLeistungssteuerung”,W.Boesterling,W.Keuter und M.Tscharn,DE-Zeitschrift“Elektronik”,Band 24,1990,Seiten 62-67)中詳細描述了用于絕緣柵雙極晶體管模塊的不同控制裝置，這樣在本文中便可省去這些內(nèi)容。用于執(zhí)行本發(fā)明方法的裝置與控制裝置的構(gòu)造無關(guān)。
根據(jù)圖1的集電極-發(fā)射極電壓UCE、集電極電流IC和柵極-發(fā)射極電壓UGE的信號過程則應(yīng)首先說明絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的切斷過程。
為能切斷一絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2，必須將柵極G的電位放電至發(fā)射極電位為止。一般將柵極電位放在(相對于發(fā)射極)負電位上以消除干擾。柵極G的放電經(jīng)一柵極放電電阻RGoff來進行，該放電電阻同時也可以是充電電阻RGon。放電過程在時刻t0開始且先降至密勒坪Up(時刻t1)，密勒坪Up取決于負載電流iL。這里首先對寄生電容進行再充電。集電極-發(fā)射極電壓UCE在時刻t1上升(密勒坪)。當集電極-發(fā)射極電壓UCE達到中間電路電壓+UZ的值時(時刻t2)，則一自振蕩二極管從絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2接受電流而集電極電流IC下降。同時柵極-發(fā)射極電壓UGE也下降。電流下降時間可通過一種控制(控制電容的較小或較大放電電流)來加以影響且在時刻t3終止。從該時刻t3開始流過該絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的僅僅是產(chǎn)生于部件所存儲的電荷的尾電流(Tailstrom)。與前述階段相反，通過控制器4不能對尾電流施加影響。在電流下降時，在絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2上的集電極-發(fā)射極電壓UCE超過了由饋電線中的漏電感所確定的中間電路電壓+UZ?？赏ㄟ^改變柵極放電電阻的值RGoff來影響切斷過程。一個小的電阻值意味著來自絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的柵極G的一個大的電流影響，這樣也就意味著在單個開關(guān)過程中的較快的充電、較高的電壓上升速度和較高的電流下降速度。
圖2示出一用于執(zhí)行本發(fā)明方法的裝置的第一實施形式的一方塊圖。該裝置具有一常規(guī)的控制裝置4、一用于獲取絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的集電極-發(fā)射極電壓UCE狀態(tài)的裝置14、一邏輯電路16以及兩個用于產(chǎn)生不同放電電流的可接入裝置18和20。裝置14的輸入22與功率半導(dǎo)體開關(guān)2的一集電極端C相連而其輸出24則與邏輯電路16的一第一輸入26相連接。在該邏輯電路16的一第二輸入端28有一切斷信號SAus。邏輯電路16的輸出30或32與裝置18或20的一控制輸入34或36相連接。裝置18或20的輸出則與功率半導(dǎo)體開關(guān)2的柵極端G相連而其輸入則與控制裝置4的一信號輸出38或40相連。此外在這種裝置中，功率半導(dǎo)體開關(guān)2的柵極端G經(jīng)一虛線與用于獲取功率半導(dǎo)體開關(guān)2的集電極-發(fā)射極電壓UCE狀態(tài)的裝置14的第二輸入端42相連。柵極-發(fā)射極電壓UGE的電位過程的連接取決于裝置14的實施形式。
圖3中示出裝置14的一第一實施形式的一方塊圖。該用于獲取絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的集電極-發(fā)射極電壓UCE狀態(tài)的裝置14具有一分壓器44、一快速比較器46、一可調(diào)參考電壓源48以及一單穩(wěn)觸發(fā)器50。分壓器44輸入端與裝置14的輸入端22相連，輸出端與比較器46的非反相輸入端相連。參考電壓源48被接到該比較器46的反相輸入端。在輸出端該比較器46經(jīng)單穩(wěn)觸發(fā)器50與裝置14的輸出24相連。一旦集電極-發(fā)射極電壓UCE等于參考電壓UCEref，快速比較器46的輸出信號YCE就從低變高。這樣便可起動該單穩(wěn)觸發(fā)器50，這樣裝置14的輸出信號SPuls從低變?yōu)楦?。一旦單穩(wěn)觸發(fā)器50的時間運行完畢，裝置14的輸出信號SPuls重新變低。該單穩(wěn)觸發(fā)器50的時間例如可調(diào)至一可實現(xiàn)最大電流下降時間的時間。作為參考電壓UCEref例如可選擇中間電路電壓+UZ的電壓值。該參考電壓值也可以高于或低于符合運行條件的一中間電路電壓+UZ。通過選擇參考電壓UCEref＞Ud，則可在正常工作時快速地開關(guān)而在有升高的中間電路電壓時則緩慢地開關(guān)。
圖4中示出用于獲取功率半導(dǎo)體開關(guān)2的集電極-發(fā)射極電壓UCE狀態(tài)的裝置14的一實施例。該裝置14的圖示實施形式是設(shè)計成模擬電路形式。只要裝置14的輸入端22上的集電極-發(fā)射極電壓UCE小于參考電壓UCEref，則該電壓為齊納二極管D1所接收。若集電極-發(fā)射極電壓UCE超過參考電壓UCEref，則有一電流流經(jīng)電容C1和電阻R1，只要集電極-發(fā)射極電壓改變速度大于零。同時電容器C2經(jīng)二極管D2被迅速充電，一旦電容器C2上的電壓等于MOS場效應(yīng)管T的工作柵-源電壓，該晶體管T導(dǎo)通且在輸出端24上裝置14將輸出信號Spuls從5V改變成比如0V。若集電極-發(fā)射極電壓UCE的升高終結(jié)之后，則不再有電流流過電容器C1。電容C2經(jīng)電阻R1和R2緩慢放電。通過選擇電阻R2可對放電時間常數(shù)且因此也可對裝置14的輸出端24上的輸出信號Spuls的脈沖寬度進行調(diào)節(jié)。用二極管D4使電容器C1在功率半導(dǎo)體開關(guān)2的下一個接通過程中重新快速放電。輸出信號Spuls必須被反相以作進一步應(yīng)用或者邏輯電路16的輸出30和32必須交換。
圖5示出根據(jù)圖2的裝置的邏輯電路16的一方塊圖。該邏輯電路16具有一第一和第二與門52和54以及一第一和第二反相器56和58。第一反相器56的輸出分別與第一和第二與門52和54的一輸入相連。第一與門52的第二輸入與邏輯電路16的第一輸入26相連，其中該與門52的輸出與邏輯電路16的第二輸出32相連接。第二反相器58的輸入同樣與邏輯電路16的第一輸入26相連且在輸出端與第二與門54的一第二輸入相連，該與門54的輸出端則與邏輯電路16的第一輸出30相連。第一反相器56在輸入端與邏輯電路16的第二輸入28相連。用該邏輯電路16在當控制信號SAus從高變?yōu)榈颓覡顟B(tài)信號Spuls為低時，用于第一可接入裝置18的控制信號SstF則由低變?yōu)楦?。而當狀態(tài)信號Spuls由低變?yōu)楦咔仪袛嘈盘朣Aus為低時，用于第二可接入裝置20的控制信號SstsL則由低變?yōu)楦摺Ｓ脿顟B(tài)信號Spuls的這種電平變化使控制信號Sstf由高變?yōu)榈汀?br> 圖6中示出用于獲取功率半導(dǎo)體開關(guān)2的集電極-發(fā)射極電壓UCE狀態(tài)的裝置14的另一實施形式的一方塊圖。裝置14的該實施形式與根據(jù)圖3的裝置14的實施形式的區(qū)別在于替代單穩(wěn)觸發(fā)器50而采用了一求值裝置60。該求值裝置60的第一輸入62與比較器46的輸出相連而第二輸入64則與裝置14的第二輸入42相連接，在該輸入42上有著柵極-發(fā)射極電壓UGE。用該求值裝置60來對柵極-發(fā)射極電壓UGE以及集電極-發(fā)射極電壓UCE進行詢問。
圖7中詳細示出求值電路60的一方塊圖。該求值電路60具有一比較器66、一參壓電壓源68和一與門70。與門70的一輸入端與求值電路60的第一輸入端62相連，在該輸入端上加有裝置14的比較器46的比較器信號YCE。與門70的第二輸入與比較器66的輸出相連，該比較器66的非反相輸入與求值電路60的第二輸入64相連且在反相輸入端連有參考電壓源68。
當集電極-發(fā)射極電壓UCE大于/等于參考電壓UCEref且柵極-發(fā)射極電壓UGE也大于/等于一參考電壓UGEref時，求值裝置60便僅僅提供一個信號。參考電壓UGEref給出用于密勒坪的參考值，該密勒坪已知是取決于集電極電流IC的。參考電壓UGEref也可低于密勒坪(亦即低于絕緣柵雙極晶體管/型號＜5V的閾電壓。這樣當根據(jù)柵極-發(fā)射極電壓UGE已經(jīng)確定存在一過載或短路情況時，在時刻t2，圖1所示柵極電位僅隨減小的放電電流而下降。如果柵極-發(fā)射極電壓UGE保持低于參考電壓UGEref，則不發(fā)生任何過載或短路情況，這樣?xùn)艠O電位隨提高的放電電流可進一步下降。
這樣對切斷過程作如下優(yōu)化，使得僅在過載或短路情況下電流下降速度才減小，這樣過壓便被限制在代表值上。
用于產(chǎn)生一放電電流的可接入裝置18或20可以不同方式加以實現(xiàn)。最簡單的實現(xiàn)方式是借助一柵極放電電阻RGoff1來斷路。由此該柵極放電電阻RGoff1的值在作普通切斷時可選為斷路電阻的值。柵極放電電阻RGoff2的值其大小可選擇成使得斷路僅僅以一種緩慢的方式方法繼續(xù)。該柵極放電電阻RGoff1和RGoff2各自經(jīng)一開關(guān)尤其是一晶體管與控制裝置4的一負電位相連。
替代可接入柵極放電電阻RGoff1和RGoff2，也可應(yīng)用具有電壓Uoff1和Uoff2的兩可接入電壓源，它們經(jīng)一柵極放電電阻與絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的柵極端G相連。在此該電壓Uoff1具有一小的或負的值，這樣落在柵極放電電流上的電壓UR便大。電壓Uoff2具有一較高的值，這樣電壓UR便小。電壓Uoff2僅允許大到一定的程度，使得在密勒坪的最低程度時電壓UR仍保持為正，以便防止對功率半導(dǎo)體開關(guān)2的柵極G再充電。不同的電壓源可通過不同的電源電位來實現(xiàn)。
替代可接入電壓源亦可采用可接入電流源，其中一個電流源提供用于一快速斷路的一放電電流，而另一電流源則提供用于一緩慢斷路的一放電電流。
根據(jù)如圖2所示的所描述的裝置，以下更詳細地來描述用于優(yōu)化一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)2的切斷過程的方法。
從一圖中未詳加表示的控制裝置來的一切斷信號SAus被加在絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的控制裝置4上。該切斷信號SAus因此也位于邏輯電路16上。該切斷信號SAus在時刻t0時到來。在該時刻t0，集電極-發(fā)射極電壓UCE等于一取決于功率半導(dǎo)體開關(guān)2的飽和電壓，該電壓與變流器的中間電路電壓+UZ相比則近似為零。這樣該用于獲取集電極-發(fā)射極電壓UCE狀態(tài)的裝置14的輸出信號Spuls處于低電平狀態(tài)。在邏輯電路16的輸出端30上代表快速切斷模式的控制信號SstF處于高電平狀態(tài)，而代表慢速切斷模式的控制信號SstsL則處于低電平狀態(tài)。這樣絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的柵極-發(fā)射極電位UGE借助于一恒定最大許可放電電流而下降。在該柵極-發(fā)射極電壓UGE下降時，集電極-發(fā)射極電壓UCE則上升。在圖1所示的集電極-發(fā)射極電壓UCE的信號曲線中可看出，該集電極-發(fā)射極電壓UCE恰恰在當柵極-發(fā)射極電壓UGE等于密勒坪時開始上升。只要集電極-發(fā)射極電壓UCE不等于參考電壓UCEref，則用于產(chǎn)生一用于快速切斷模式的放電電流的裝置18便一直保持為被接入狀態(tài)。一旦集電極-發(fā)射極電壓UCE等于/大于參考電壓UCEref，例如等于中間電路電壓+UZ(時刻t2)，裝置14的輸出信號Spuls便從低變高，這樣邏輯電路16的輸出端30上的控制信號SstF從高變低且邏輯電路16的輸出端上的控制信號SstsL則由低變高。這樣在切斷過程中可無延遲地從快速切斷模式轉(zhuǎn)換到慢速切斷模式。柵極-發(fā)射極電壓UGE從時刻t2起隨一較小的放電電流而下降。該放電電流的大小取決于功率半導(dǎo)體開關(guān)2上的許可閉鎖電壓，該閉鎖電壓可出現(xiàn)但不能損壞功率半導(dǎo)體開關(guān)2。在時刻t3時，集電極電流IC已經(jīng)下降很多，以至于從該時刻t3起僅僅只有產(chǎn)生于部件所存貯的電量的尾電流流過。在時刻t4切斷過程結(jié)束，因為此時集電極電流IC和柵極-發(fā)射極電壓UGE等于零且集電極-發(fā)射極電壓UCE等于中間電路電壓+UZ。由此功率半導(dǎo)體開關(guān)2不再由于干擾自動重被接通，建議將柵極-發(fā)射極電壓UGE置于比如-5V的一負電位上，其中這一點在圖1所示的柵極-發(fā)射極電壓UGE的時間曲線上未被表示出來。輸出信號Spuls在單穩(wěn)觸發(fā)器50被調(diào)整的時間(＞t4max)經(jīng)過之后從高狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜖顟B(tài)，這樣用于快速切斷模式的裝置18重新被接入。若裝置18和20用柵極放電電阻RGoff1和RGoff2來實現(xiàn)，則絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的柵極端G在單穩(wěn)觸發(fā)器50的時間走完之后低阻抗地與一負電位相連。
如果用于檢測集電極-發(fā)射極電壓UCE狀態(tài)的裝置14也被輸入有柵極-發(fā)射極電壓UGE，則有可能阻止快速切斷模式轉(zhuǎn)換至緩慢切斷模式。這意味著，這種轉(zhuǎn)換僅當柵極-發(fā)射極電壓UGE大于/等于一參考電壓UGEref時才進行，該參考電壓給出了密勒坪的一閾值。由于密勒坪的大小取決于集電極電流IC，則密勒坪大小是功率半導(dǎo)體開關(guān)2的一正常工作或一過載工作或短路工作的一個標志。僅當過載工作或短路工作被識別時，快速切斷模式才被無延遲地轉(zhuǎn)換到緩慢切斷模式。
這樣便可采用本發(fā)明方法用較小的費用來優(yōu)化一個切斷過程，使得在將非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)2用在硬開關(guān)式變流器中而其開關(guān)時間須盡量短時，切斷過程與功率半導(dǎo)體開關(guān)2的工作狀態(tài)無關(guān)，在其中電壓上升時間和電流下降時間的聯(lián)系被斷開，以及依靠功率半導(dǎo)體開關(guān)2的工作狀態(tài)相互獨立地控制該電壓上升時間和電流下降時間。
圖8中示出用于執(zhí)行本發(fā)明方法的裝置的一第二實施形式。裝置的該實施形式與圖2所示的裝置的實施形式的區(qū)別在于替代裝置14、邏輯電路16以及可接入裝置18和20，設(shè)有一斜坡信號發(fā)生器72、一轉(zhuǎn)換開關(guān)74以及一順序控制器76。斜坡信號發(fā)生器72在輸出端與轉(zhuǎn)換開關(guān)74的一輸入相連，其另一輸入則與控制裝置4的一第一輸出10相連。該轉(zhuǎn)換開關(guān)74的輸出與絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的柵極端G相連?？刂蒲b置4的第二輸出12與絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的發(fā)射極控制輸入Est相連。該轉(zhuǎn)換開關(guān)74的開關(guān)78受順序控制器76控制。該順序控制器76在其輸入端與絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的集電極端C相連接。此外，該順序控制器76被輸入有切斷信號SAus。根據(jù)切斷過程中集電極-發(fā)射極電壓UCE的狀態(tài)可產(chǎn)生一控制信號Sum，用它來在切斷過程中控制轉(zhuǎn)換開關(guān)74的開關(guān)78。
隨著切斷信號SAus到達控制裝置4和順序控制器76，一方面在控制裝置4中柵極放電電阻RGoff用一推挽級的晶體管與-5V的負電位相連，另一方面轉(zhuǎn)換開關(guān)74的開關(guān)78受到順序控制器76的控制，使得斜坡信號發(fā)生器72與絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的柵極端G相連接。這樣?xùn)艠OG經(jīng)斜坡信號發(fā)生器72放電。一旦集電極-發(fā)射極電壓UCE升高(圖1中的時刻t1)，順序控制器76的控制信號Sum就改變狀態(tài)，這樣轉(zhuǎn)換開關(guān)74的開關(guān)78轉(zhuǎn)向，從而使絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的柵極G與柵極放電電阻RGoff相連。通過將斜坡信號發(fā)生器72從柵極端G切斷，斜坡信號發(fā)生器被中斷。絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的柵極G現(xiàn)在將通過柵極放電電阻RGoff快速放電。在柵極G的該快速放電過程中，集電極-發(fā)射極電壓UCE升高。如果該集電極-發(fā)射極電壓UCE等于/大于參考電壓UCEref，則順序控制器76的控制信號Sum再次改變其狀態(tài)，這樣轉(zhuǎn)換開關(guān)74的開關(guān)78重新被換向，從而使柵極G重新經(jīng)斜坡信號發(fā)生器72受控制地以一被調(diào)節(jié)的斜率放電。當集電極電流IC為零且集電極-發(fā)射極電壓UCE等于中間電路電壓+UZ時(圖1中時刻t4)，控制信號Sum再次改變其狀態(tài)且此時將柵極G與柵極放電電阻RGoff相連，這樣功率半導(dǎo)體開關(guān)2的柵極G低阻地與負電位相連。
裝置的該實施形式，亦稱為存貯電路，相對于圖2所示的裝置實施形式有如下優(yōu)點在切斷過程開始時功率半導(dǎo)體開關(guān)2的柵極G其放電的斜率與在時間段t4-t2中的斜率一樣，在該時間段中集電極-發(fā)射極電壓UCE大于/等于參考電壓UCEref。該措施尤其在短路情況下具有突出優(yōu)點。
圖9示出用于執(zhí)行本發(fā)明方法的裝置的一第三實施形式。相對于圖8所示的第二實施形式，此處替代轉(zhuǎn)換開關(guān)74設(shè)有三個通/斷開關(guān)80、82和84。該通/斷開關(guān)80、82和84的操作輸入各自與順序控制器76的一控制輸出相連。通/斷開關(guān)80將控制裝置4的輸出10與柵極端G相連，而通/斷開關(guān)84則將絕緣柵雙極晶體管高電流模塊2的柵極端G與斜坡信號發(fā)生器72的一輸入86相連，而通/斷開關(guān)82則將斜坡信號發(fā)生器72的輸出88與柵極端G相連。借助于通/斷開關(guān)82和84，斜坡信號發(fā)生器72可有選擇地控制柵極-發(fā)射極電壓UGE(通/斷開關(guān)82閉合)或調(diào)整到柵極G上的電位值(通/斷開關(guān)84閉合)。在時間段[t0,t2]中，通/斷開關(guān)80和84被閉合，這樣?xùn)艠OG經(jīng)控制裝置4的柵極放電電阻RGoff快速放電，斜坡信號發(fā)生器72的值被調(diào)整到柵極G的電位值。在轉(zhuǎn)換開關(guān)時刻(圖1中時刻t2)，通/斷開關(guān)82被閉合而通/斷開關(guān)80和84斷開。在這一轉(zhuǎn)換開關(guān)時刻t2，斜坡信號發(fā)生器72正好具有柵極電壓值。隨后柵極G經(jīng)斜坡信號發(fā)生器72以所調(diào)節(jié)的斜率放電。
裝置的該第三實施形式相對于圖8所示第二實施形式(存儲電路)的優(yōu)點在于柵極G和斜坡信號發(fā)生器72在轉(zhuǎn)換時刻t2具有相同的電壓值。在所謂的存儲電路中，在時間段[t1,t2]中因漏電流可能會產(chǎn)生問題，在該時間段中柵極電壓等于密勒坪電壓。
權(quán)利要求
1．一種用于優(yōu)化在一硬開關(guān)式變流器中的一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的切斷過程的方法，其中隨著一切斷信號(SAus)的到來，該功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的柵極-發(fā)射極電壓(UGE)借助于一最大許可放電電流下降，且其集電極-發(fā)射極電壓(UCE)被監(jiān)控是否超過一被調(diào)節(jié)成能使集電極電流(IC)開始換向的參考值(UCEref)，當達到這一參考值(UCEref)時，放電電流被減小到小于最大許可放電電流值的一個值上。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中，功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的柵極-發(fā)射極電壓(UGE)在切斷過程開始時借助于一恒定被減小的放電電流被降低，直至功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的集電極-發(fā)射極電壓(UCE)上升為止。
3．如權(quán)利要求1和2所述的方法，其中，該恒定被減小的放電電流值在功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的切斷過程的開始和終了是相等的。
4．一種用于執(zhí)行如權(quán)利要求1所述方法的裝置，它具有一控制裝置(4)，其信號輸出(10)與一硬開關(guān)式變流器的一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的一柵極端(G)相連，而其基準輸出(12)與開關(guān)(2)的一發(fā)射極控制輸入(Est)相連接，其中，在控制裝置(4)的輸入端加有一控制信號(SAus)，用于獲取集電極-發(fā)射極電壓(UCE)狀態(tài)的一裝置(14)在輸入端與功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的一集電極端(C)相連而在輸出端則與一邏輯電路(16)的一第一輸入(26)相連接，在其第二輸入端(28)上有控制信號(SAus)且提供有用于產(chǎn)生兩不同放電電流的兩個可接入裝置(18,20)，其控制輸入(34,36)各自與邏輯電路(16)的一輸出(30,32)相連，在此，裝置(18,20)的輸出與功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的柵極端(G)相連而其輸入與控制裝置(4)的信號輸出(39,40)相連接。
5．一種用于執(zhí)行如權(quán)利要求1和2所述方法的裝置，它具有一控制裝置(4)，其信號輸出(10)與一硬開關(guān)式變流器的一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的一柵極端(G)相連，其基準輸出(12)與該開關(guān)(2)的一發(fā)射極控制輸入(Est)相連接，其中在控制裝置(4)的輸入端加有一控制信號(SAus)，其特征在于設(shè)有一斜坡信號發(fā)生器(72)，它在輸出端與一轉(zhuǎn)換開關(guān)(74)的一輸入相連，其另一輸入與控制裝置(4)的信號輸出(10)相連而其輸出與功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的柵極端(G)相連，還設(shè)有一順序控制器(76)，它在輸入端與功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的集電極端(C)相連而在輸出端則與轉(zhuǎn)換開關(guān)(74)的開關(guān)(78)相連接，其中該順序控制器(76)被輸入有切斷信號(SAus)。
6．如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，用于獲取集電極-發(fā)射極電壓(UCE)的狀態(tài)的裝置(14)在輸入端與功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的柵極端(G)相連接。
7．如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，替代轉(zhuǎn)換開關(guān)(74)設(shè)有三個通/斷開關(guān)(80,82,84)，其操作輸入與順序控制器(76)相連，且其中第三個開關(guān)(84)將功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的柵極端(G)與斜坡信號發(fā)生器(72)的一輸入(86)相連。
8．如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，用于獲取功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的集電極-發(fā)射極電壓(UCE)的狀態(tài)的裝置(14)在輸入端具有一后接有比較器(46)的分壓器(44)、一可調(diào)節(jié)參考電壓源(48)以及在輸出端具有一單穩(wěn)觸發(fā)器(50)，其中，該單穩(wěn)觸發(fā)器(50)在輸入端與比較器(46)的輸出相連，且參考電壓源(48)被接在比較器(46)的反相輸入和一參考電位之間。
9．如權(quán)利要求4和6所述的裝置，其中，用于獲取功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的集電極-發(fā)射極電壓(UCE)的狀態(tài)的裝置(14)在輸入端具有一后接有比較器(46)的一分壓器(44)、一可調(diào)節(jié)參考電壓源(48)以及在輸出端具有一求值裝置(60)，其中該求值電路(60)在輸入端一方面與功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的柵極端(G)相連且另一方面與比較器(46)的輸出相連，參考電壓源(48)被接在比較器(46)的反相輸入和一參考電位之間。
10．如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，邏輯電路(16)具有一第一和第二與門(52,54)以及一第一和第二反相器(56,58)，其中第一反相器(56)的輸出各自與兩與門(52,54)的一輸入相連，且其中第二反相器(58)的輸出與第二與門(54)的一第二輸入相連，且其中第二反相器(58)的輸入一方面與第一與門(52)的一第二輸入相連而另一方面則與邏輯電路(16)的一輸入端(26)相連，在該輸入端加有用于獲取狀態(tài)的裝置(14)的輸出信號(Spuls)，其中第一反相器(56)的輸入與邏輯電路(16)的一第二輸入端(28)相連，在該輸入端上有控制信號(SAus)且與門(52,54)的輸出與邏輯電路(16)的一控制輸出(32,30)相連。
11．如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，求值電路(60)具有一比較器(66)、一可調(diào)節(jié)參考電壓源(68)以及一與門(70)，其中該與門(70)在輸出端與求值電路(60)的輸出相連而在輸入端一方面與比較器(66)，另一方面與求值電路(60)的一輸入(62)相連接，在該輸入端(62)上加有一比較器信號(Yce)，其中，該參考電壓源(68)被接在比較器(66)的反相輸入和一參考電位間，且比較器(68)的非反相輸入與求值電路(60)的一第二輸入(64)相連，在該第二輸入端(64)上加有功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的柵極-發(fā)射極電壓(UGE)。
12．如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，作為所述可接入裝置(18,20)分別設(shè)有一可接入電阻。
13．如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，作為所述可接入裝置(18,20)分別設(shè)有一可接入電壓源。
14．如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，作為所述可接入裝置(18,20)分別設(shè)有一可接入電流源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化在一硬開關(guān)式變流器中的一非鎖定的可切斷式功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的切斷過程的方法以及一種用于執(zhí)行該方法的裝置。根據(jù)本發(fā)明,在切斷信號(S
文檔編號H03K17/042GK1234146SQ97199012
公開日1999年11月3日 申請日期1997年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月27日
發(fā)明者曼弗雷德·布魯克曼, 貝努·韋斯, 英戈爾夫·霍夫曼, 斯蒂芬·斯帕格, 漢斯-岡特·埃克爾 申請人:西門子公司