轉換器開關設備及方法
【專利摘要】一種開關設備，包括：半導體功率開關(220)，半導體功率開關被連接為在被柵極驅動電壓驅動時傳送電流；以及連接至功率開關的柵極(225)的自適應柵極驅動單元(602)。所述柵極驅動單元配置成為柵極驅動電壓選擇多個預定時間函數(shù)中的一個，以及根據(jù)所選擇的時間函數(shù)向功率開關的柵極傳送柵極驅動電壓，從而驅動功率開關在預定轉換速率范圍內傳送電流。
【專利說明】轉換器開關設備及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明的實施例總體上涉及功率轉換器。其他實施例涉及用于功率轉換器的開關設備。

【背景技術】
[0002]在鐵路行業(yè)中，鐵路車輛用于在軌道上將乘客和/或貨物從一個位置運輸?shù)搅硪粋€位置。典型的，機車為火車提供牽引動力。機車被連接以拉動或推動火車的其余部分，且具有與軌道接合的牽引輪。在現(xiàn)代設計中，牽引輪由電動車輪馬達驅動，電動車輪馬達通過配電供電，配電來自于安置在機車內的一個或多個發(fā)動機驅動的發(fā)電機。牽引輪和車輪馬達能夠可逆配置，也作為用于減緩機車的制動器。
[0003]類似的，在采礦行業(yè)中，大型非公路車輛(OHV)通常采用電動車輪來推進或減速車輛。特別的，OHV —般采用大馬力柴油發(fā)動機結合交流發(fā)電機、主牽引逆變器以及安置在車輛后輪胎內的一對車輪驅動組件。柴油發(fā)動機與交流發(fā)電機直接關聯(lián)，使得柴油發(fā)動機驅動交流發(fā)電機。交流發(fā)電機為主牽引逆變器供電，其中半導體功率開關對交流發(fā)電機輸出的電流進行換向，以向車輪驅動組件的電驅動馬達提供電功率。
[0004]在機車和OHV應用中，使用固態(tài)功率轉換器將高壓電流從發(fā)電機或交流發(fā)電機提供至車輪馬達。這樣的功率轉換器包括用于降低電壓的感應線圈以及用于對電流進行換向的半導體功率開關。雖然上述應用是典型的，但是應理解功率轉換器可用于其他場景中。
[0005]通常，功率轉換器的操作以如下方式實現(xiàn):通過相應的柵極驅動單元向單個半導體功率開關的柵極交替地施加兩個不同的柵極驅動電壓水平。每個功率開關的柵極是用于通過改變半導體區(qū)域內電荷載流子的濃度來接通或斷開開關的低功率端子。電荷載流子濃度可通過耗盡或通過電場改變，即通過場效應和耗盡效應開關。但是，根據(jù)半導體所連接的電路的電氣參數(shù)，場效應和耗盡效應半導體功率開關對于任何恒定值的柵極驅動電壓做出不同的響應。這樣，功率轉換器效率在影響半導體功率開關響應的電氣參數(shù)的整個操作范圍上是變化的。
[0006]相應地，希望通過調節(jié)開關電流轉換速率維持最優(yōu)的功率轉換器效率。


【發(fā)明內容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種開關設備包括半導體功率開關，所述半導體功率開關被連接為在被柵極驅動電壓驅動時傳送電流，還包括連接至功率開關的柵極的柵極驅動單元。柵極驅動單元配置成為柵極驅動電壓選擇多個預定時間函數(shù)(pre-determined timefunct1n)中的一個，以及根據(jù)所選擇的時間函數(shù)向功率開關的柵極傳送柵極驅動電壓，從而驅動功率開關在預定轉換速率范圍(slew rate envelope)內傳送電流。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種柵極驅動單元包括:控制端子；邏輯電路；以及配置為提供用于驅動半導體功率開關的柵極驅動電壓的輸出級。邏輯電路配置為基于通過控制端子接收的控制信號選擇時間函數(shù)。邏輯電路還配置為控制輸出級以根據(jù)所選擇的時間函數(shù)提供柵極驅動電壓。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種開關設備包括:連接至DC鏈路的半導體功率開關；以及連接至半導體功率開關的柵極的柵極驅動單元。對于DC鏈路的至少一些不同的DC鏈路電壓，柵極驅動單元配置為向半導體功率開關的柵極傳送不同的柵極驅動電壓。通過傳送不同的柵極驅動電壓，柵極驅動單元驅動半導體功率開關從DC鏈路向負載傳送電流。
[0010]在另一方面中，本發(fā)明涉及一種方法，用于將半導體功率開關的電流轉換速率維持在預定轉換速率范圍內，而不直接測量電流轉換速率。基于在柵極驅動單元接收的控制信號，通過調節(jié)由柵極驅動單元提供至半導體功率開關的柵極驅動電壓維持電流轉換速率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]參考附圖，通過閱讀以下非限制性實施例的描述將更好地理解本發(fā)明，其中:
[0012]圖1是包括三相功率轉換器的柴油機電力推進系統(tǒng)的示意圖，其可由根據(jù)本發(fā)明的實施例的開關設備控制。
[0013]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括半導體功率開關和續(xù)流二極管的開關設備的示意圖。
[0014]圖3是圖2的開關設備的透視圖。
[0015]圖4顯示當由傳統(tǒng)的柵極驅動單元控制時，對于圖2的半導體功率開關兩端的不同電壓值的接通特征。
[0016]圖5A和5B的曲線圖顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例，在單一設定柵極驅動電壓或在自適應柵極驅動電壓控制下，圖2的半導體功率開關的接通特征。
[0017]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的自適應柵極驅動單元的示意圖，其與圖2中顯示的開關設備連接。
[0018]圖7-9的曲線圖描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例，在不同半導體功率開關參數(shù)的操作范圍內的比較開關特征。

【具體實施方式】
[0019]以下將詳細參考本發(fā)明的示例性實施例，其示例顯示在附圖中。只要可能，各幅圖中使用的相同的附圖標記指代相同或類似的部件。雖然參考功率轉換器描述本發(fā)明的示例性實施例，但是本發(fā)明的實施例也適用于小型半導體功率開關。
[0020]本發(fā)明的實施例涉及自適應柵極驅動單元，其調節(jié)半導體功率開關柵極驅動電壓以在DC鏈路電壓的整個操作范圍上維持與預定參數(shù)一致的電流轉換功能。
[0021]圖1顯示柴油機電力推進系統(tǒng)100的示意圖，其中內燃機102(例如柴油機或其他發(fā)動機)驅動三相發(fā)電機104。發(fā)電機104產生的AC電壓由三相二極管陣列106 (在此也稱為整流器106)進行整流，其將電壓Vdc傳送至連接在電容器108和功率逆變器110或其他轉換器(“轉換器”指將一種電壓形式轉換為另一種電壓形式的裝置，例如將DC轉換為三相AC)兩端的DC鏈路107。功率逆變器包括開關設備或“模塊”111、112、113、114、115、116，其一起被控制以對Vdc進行換向(commutate),從而通過輸出端子120將三相電功率傳送至牽引馬達130或其他負載(雖然顯示三相負載作為示例，但是本發(fā)明的實施例也適用于其他負載。)。在本發(fā)明的實施例中，每個開關設備由相應的自適應柵極驅動單元(ADGU)601、602、603、604、605、606控制，以下參考圖6進一步討論。
[0022]圖2顯示開關設備112的實施例的示意圖。如圖所示,開關設備112包括在其殼體320內(圖3)的半導體功率開關220和續(xù)流二極管221。半導體功率開關220具有通過結224結合的集電極222和發(fā)射極223。在結224處，柵極225被連接以從相關聯(lián)的柵極驅動單元602接收柵極驅動電壓Vg和柵極電流Ige。這樣，柵極驅動單元602作用在半導體功率開關的開放管腳柵極端子上。
[0023]應理解，柵極驅動單元602可以通過提供適當水平的電壓和/或電流“驅動”柵極225。當柵極被驅動時，功率開關220處于“導通”狀態(tài)，從集電極222到發(fā)射極223具有相對較小的電壓降。當柵極不被驅動時，功率開關一般處于“非導通”或高電壓降狀態(tài)，從集電極到發(fā)射極僅有最小的泄露電流。功率轉換器還可以使用可控硅(SCR)來實現(xiàn)，SCR保持導通直到被反向偏壓。續(xù)流二極管221反向并聯(lián)連接至半導體功率開關220。換言之，續(xù)流二極管的陽極連接至半導體功率開關發(fā)射極223，而續(xù)流二極管的陰極連接至半導體集電極222。相應地，續(xù)流二極管221通過電流以防止在功率開關220被反向偏壓的情況下在功率開關兩端強加擊穿電壓。
[0024]在開關設備112外部，集電極222通過包含在開關設備殼體320中的集電極端子322連接至輸出導線120之一以及連接至電氣相鄰的開關設備113。發(fā)射極223通過包含在開關設備殼體320中的發(fā)射極端子323連接至電容器108和整流器106底側的DC鏈路107。自適應柵極驅動單元602通過感應端子324和325以及控制端子326分別連接至半導體功率開關集電極222、發(fā)射極223和柵極225，如以下參考圖6進一步討論。自適應柵極驅動單元602還連接至實際或虛擬溫度傳感器。在所述實施例中，存在如熱敏電阻327的實際溫度傳感器，其可安裝至圖3的開關設備殼體320以測量開關設備殼體溫度。
[0025]雖然圖2特別顯示了半導體功率開關為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的示例性實施例，但是本發(fā)明也適用于其他固態(tài)半導體器件，包括作為非限制性示例的雙模絕緣柵晶體管(BiGT)、M0SFET和其他電壓受控器件。此外，雖然通常開關設備111、112……116將是同類的，但是本發(fā)明的方面可在包括異類功率開關的功率轉換器中實施。本發(fā)明的其他實施例適用于單個功率開關。
[0026]圖4顯示當由傳統(tǒng)的柵極驅動單元控制時，對于圖2的開關設備112兩端的DC鏈路電壓的不同值，在接通時的電壓和電流瞬態(tài)的時序圖。特別地，圖4顯示對于Vdc = 1800V和對于Vdc = 800V，開關設備電壓降Vce、開關設備功率電流Ice、開關設備功率損耗Eon、電流轉換速率dlce/dt的瞬態(tài)。當比較兩個不同的Vdc水平時，電壓的增大提高了開關瞬態(tài)過程中開關設備功率損耗的大小，且趨向于驅動較大的電流轉換速率和較大的Ice峰值。例如，如圖4所示，較大值Vdc = 1800V產生較大的轉換速率和Ice峰值，如實線所示，而較小值Vdc = 800V產生較小的轉換速率和Ice峰值，如虛線所示。
[0027]應理解，功率轉換器操作條件，例如DC鏈路電壓、輸出電流和半導體功率開關結溫可影響功率電流Ice的接通和斷開轉換速率。例如，在DC鏈路電壓Vdc具有較低值時，功率電流Ice的接通轉換速率降低。在半導體結溫具有較低值時，功率電流Ice絕對值中的斷開轉換速率顯著增大，具有潛在的負面影響(例如過壓)。因此，在本發(fā)明的實施例中，為了半導體功率開關的最佳利用和安全操作，在操作參數(shù)的整個預定范圍上功率電流接通轉換速率被保持在預定轉換速率范圍內。
[0028]例如，在整個開關瞬態(tài)中，開關電流轉換速率可以保持在最小值-最大值范圍內。在整個開關瞬態(tài)中使開關電流轉換速率保持在最小值-最大值范圍內是控制功率開關在預定轉換速率范圍內傳送電流的一個示例。替代性的，開關電流轉換速率可以保持在理想瞬態(tài)時間函數(shù)附近的特定誤差范圍內。使開關電流轉換速率保持在理想瞬態(tài)時間函數(shù)附近的特定誤差范圍內是控制功率開關在預定轉換速率范圍內傳送電流的另一個示例。
[0029]在接通或斷開過程中，柵極驅動電壓Vg是最容易調節(jié)的影響電流轉換速率dice/dt的參數(shù)。但是，由于Ice所要求的極高的采樣率，已認為在閉環(huán)模式中通過調節(jié)Vg來控制半導體功率電流轉換速率dlce/dt是不可行的。相應的，按照慣例以單一目標值的柵極驅動電壓Vg預先設定柵極驅動單元，以保證在DC鏈路電壓Vdc的最高設計值下的安全操作。
[0030]在Vdc具有較低值時，單一設定的柵極驅動單元將提供不足的柵極驅動電壓Vg，導致半導體功率開關的接通慢于期望，引起高于期望的開關損耗。在Vdc具有較低值時的高輸出電流導致出現(xiàn)Ice的最大值，較高的開關損耗與該Ice的最大值組合會導致半導體結處的不期望的或最壞情況下的高溫條件。因此，傳統(tǒng)的柵極驅動單元要求半導體功率開關的熱和電的超裕度設計，從而為單一值的柵極驅動電壓Vg提供全量程的適當操作。超裕度設計導致除了在所設計的最壞情況條件下操作時，半導體功率開關的利用差。在例如柴油機電力牽引系統(tǒng)100的應用中，DC鏈路電壓可能劇烈變化以在從全速前進到再生制動的各種負載下優(yōu)化功率傳輸效率，在這樣的應用中半導體功率開關的利用差是值得關注的。
[0031]考慮到上述問題，在本發(fā)明的實施例中，功率電流Ice的開關轉換速率被控制以使包括結溫Tj在內的半導體功率開關參數(shù)可以維持在可接受的設計極限內。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，自適應柵極驅動單元配置為調節(jié)柵極驅動電壓以將功率電流轉換速率維持在預定的轉換速率范圍內，而不直接測量功率電流轉換速率。通過調節(jié)柵極驅動電壓Vg，在Vdc的整個操作范圍上可以維持一致的電流轉換速率dlce/dt。
[0032]例如，圖5A顯示在800Vdc下由針對1800Vdc進行優(yōu)化的單一設定柵極驅動電壓Vg正向偏壓的示例性半導體功率開關的接通瞬態(tài)。作為對比，圖5B顯示在800Vdc下由針對SOOVdc進行優(yōu)化的柵極驅動電壓Vg正向偏壓的相同半導體功率開關的接通瞬態(tài)。顯而易見，使用適當優(yōu)化的柵極驅動電壓設定導致較高的柵極電流Ig、增大的柵極驅動電壓Vg和功率電流Ice的轉換速率，因此，導致半導體功率開關的增強性能和較低開關損耗。相應地，在實施例中，提供柵極驅動電壓Vg的多個設定，所述多個設定在DC鏈路電壓Vdc的預期操作范圍內針對Vdc的多個值進行優(yōu)化或者選擇/預先選擇。
[0033]相應地，圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的與開關設備112連接的自適應柵極驅動單元602的示意圖。自適應柵極驅動單元602包括可編程邏輯控制器(PLC)620，在一個實施例中其可以是FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)。柵極驅動單元602還包括DC電源621、光學轉換器或其他控制端子622、ADC (模擬數(shù)字信號轉換器624 ( “ADCMUX”)、柵極驅動單元存儲器626和多個信號連接。特別地，與控制端子622連接的命令鏈路628接收和發(fā)送包括操作者控制信號OCl、0C2等的數(shù)據(jù)，同時PLC 620通過ADC 624直接從傳感器連接630、632和634接收Vce、Tj和Ice的測量值。
[0034]基于測量值和接收的數(shù)據(jù)，PLC 620控制輸出級640以傳送柵極驅動電壓Vg，柵極驅動電壓Vg選自存儲在柵極驅動單元存儲器626內的查找表642中的多個預定值641。在本發(fā)明的一方面中，Vg的存儲值是根據(jù)Tj和Vce的線性函數(shù)進行預定的。在本發(fā)明的另一方面中，Vg的存儲值是根據(jù)通過命令鏈路628和控制端子622在PLC 620接收的一個或多個操作者控制信號OCl、OC2等進行預定的。在本發(fā)明的又一方面中，Vg的存儲值可以是按時間排序的數(shù)組或時間函數(shù)，每一個對應于例如Tj、Vce、Vdc和/或OCl、OC2等一個或多個操作參數(shù)的多個預定范圍中的一個或多個?？勺僔g的實現(xiàn)可通過連接至單一柵極驅動單元電壓源的電阻陣列來實現(xiàn)(如圖所示)，或者通過連接至單一電阻的多個電壓源來實現(xiàn)，或者通過其他方式實現(xiàn)。在特定實施例中，Vg以數(shù)字形式變化，即在離散值之間變化。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的一方面，柵極驅動單元602根據(jù)由PLC 620從柵極驅動單元存儲器626中選擇的時間函數(shù)Vg(t)控制柵極驅動電壓Vg的轉換速率，從而控制開關瞬態(tài)過程中集電極-發(fā)射極電流Ice的轉換速率。例如，在一些方面中，Vg(t)可以是時間的函數(shù)，設定時間范圍(例如0，10us)和目標范圍(例如_15，15V)內柵極驅動電壓Vg的目標值。
[0036]柵極驅動電壓Vg的目標值的實現(xiàn)可通過連接至單一柵極驅動單元電壓源的電阻陣列來實現(xiàn)(如圖所示)，或者通過連接至單一電阻的多個電壓源來實現(xiàn)，或者通過其他方式實現(xiàn)。例如，在圖6顯示的實施例中，在柵極驅動單元602測量功率開關兩端的電壓Vce，輸出級640包括包含多個電阻的可編程分壓器，每個電阻可由PLC 620通過受控MOSFET或類似器件進行開關。然后根據(jù)測量電壓，輸出級640由PLC 620進行開關，以獲得獨立于DC鏈路電壓的接通電流轉換速率。這樣，對于DC鏈路電壓Vdc的較低值，輸出級640被切換以提供較高目標值的柵極驅動電壓Vg。如圖6所示，輸出級640還包括可變電壓源(例如“自耦變壓器”類器件)。在其他實施例中，輸出級可包括一個或多個自耦變壓器、可變電流源或可編程分壓器。
[0037]仍然參考圖6，對應于DC鏈路電壓Vdc的預定范圍的目標值641存儲在柵極驅動單元存儲器626中的查找表642中。PLC 620 (在一個實施例中可以是FPGA)讀取功率開關電壓Vce的測量結果，在查找表中搜索相應的Vdc范圍，選擇適當?shù)腣g值，并發(fā)送命令信號至輸出級640從而為下一次開關事件取得優(yōu)化的驅動強度Vg?！跋鄳腣dc范圍”表示在開關試運行過程中或者在其他非故障基準操作過程中已經被識別的Vdc值的范圍，其與Vce的測量值對應。
[0038]在未顯示的另一個實施例中，可以在每個自適應柵極驅動單元601......606測量或估計從功率轉換器110供給到牽引馬達130的三相輸出電流，而且每個PLC能夠以時間為函數(shù)調節(jié)或改變柵極驅動電壓Vg，以獲得獨立于目標輸出電流Ice的接通電流轉換速率dlce/dt。在其他實施例中，可以測量或估計半導體功率開關的結溫Tj，以及可以調節(jié)驅動強度以獲得獨立于溫度的接通電流轉換速率。在又一個實施例中，可以在中央控制單元(未顯示)測量例如負載電流或操作者控制輸入的操作條件，中央控制單元可以選擇并向自適應柵極驅動單元傳輸用于選擇柵極驅動電壓Vg的適當值的控制信號。
[0039]圖7顯示在電源電壓Vdc的整個操作范圍上，接通電流轉換速率dlce/dt的平均值的配對曲線。上部曲線顯示使用根據(jù)本發(fā)明的一方面的自適應柵極驅動單元提供預先選擇的Vg值的結果。下部曲線顯示使用傳統(tǒng)柵極驅動單元的結果。應注意，隨著Vdc減小而增大Vg起到加速電流轉換速率dlce/dt的作用，導致dlce/dt相對于Vdc的基本上平坦的函數(shù)。這與傳統(tǒng)的非自適應(單一設定)柵極驅動單元的明顯向上的斜率形成對比。
[0040]在圖8中可見類似效果，圖8顯示在DC鏈路電壓Vdc的整個相同的操作范圍上，續(xù)流二極管處的峰值功率ro的配對曲線。帶有明顯向上斜率的下部線條是對于Vg保持在單一值的基準情況，而上部基本上平坦的線條顯示本發(fā)明的方面，其中Vg根據(jù)Vdc進行調節(jié)。
[0041]這樣，通過調節(jié)Vg，根據(jù)本發(fā)明的實施例的自適應柵極驅動單元可以在DC鏈路電壓的整個操作范圍上消除熱和電應力，從而減小由所發(fā)明的柵極驅動單元控制的半導體功率開關的熱疲勞。例如，圖9顯示對于具有單一設定柵極驅動電壓Vg的基準情況以及對于根據(jù)本發(fā)明的方面調節(jié)柵極驅動電壓的情況，在接通電流的整個操作范圍中，整個半導體功率開關/續(xù)流二極管模塊的開關損耗能量Eon的變化。可以看出，根據(jù)本發(fā)明的一方面，通過調節(jié)柵極驅動電壓Vg，可以減小開關損耗，從而減輕半導體功率開關上的熱負載和熱應力。此外，通過調節(jié)柵極驅動電壓Vg，半導體功率開關結溫Tj可以被控制在設計極限內。
[0042]這樣，根據(jù)本發(fā)明的方面，自適應柵極驅動單元可以減輕用在功率逆變器或功率轉換器中的半導體功率開關的超裕度設計，例如在圖1中顯示的柴油機電力牽引系統(tǒng)100中使用的。
[0043]在一個實施例中，開關設備包括:半導體功率開關，所述半導體功率開關被連接為在半導體功率開關被柵極驅動電壓驅動時傳送電流；以及連接至半導體功率開關的柵極的自適應柵極驅動單元。柵極驅動單元配置成為柵極驅動電壓選擇多個預定時間函數(shù)之一，以及根據(jù)所選擇的時間函數(shù)向功率半導體的柵極傳送柵極驅動電壓。這樣，柵極驅動單元驅動半導體功率開關在預定轉換速率范圍內傳送電流。
[0044]在另一個實施例中，自適應柵極驅動單元包括:控制端子；邏輯電路；以及配置為向半導體功率開關提供柵極驅動電壓的輸出級。邏輯電路配置為基于通過控制端子接收的控制信號選擇時間函數(shù)。邏輯電路還配置為控制輸出級以根據(jù)所選擇的時間函數(shù)提供柵極驅動電壓。
[0045]在特定方面和實施例中，時間函數(shù)可以在半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時基于半導體功率開關的集電極和發(fā)射極之間的電壓的測量結果進行選擇。在其他方面或實施例中，時間函數(shù)可基于開關設備殼體溫度的測量結果或基于半導體功率開關結溫的估計進行選擇。功率開關結溫可至少基于功率開關電氣參數(shù)的測量值進行估計。此外，功率開關結溫可至少基于開關設備殼體溫度進行估計。在特定實施例中，時間函數(shù)可基于功率轉換器輸出電流的值進行選擇。例如，功率轉換器輸出電流可以在半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時進行測量或估計。此外，可以基于在柵極驅動單元接收的操作者控制信號估計功率轉換器輸出電流。在一些實施例中，時間函數(shù)可以在半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時基于切換之后功率開關電流的估計進行選擇。
[0046]在本發(fā)明的實施例中，柵極驅動單元接收控制信號，并基于控制信號調節(jié)柵極驅動單元提供至半導體功率開關的柵極驅動電壓，從而將半導體功率開關的電流轉換速率維持在預定轉換速率范圍內，而不直接測量電流轉換速率。例如，控制信號可以基于非導通狀態(tài)下半導體功率開關的集電極和發(fā)射極之間的電壓的測量值。調節(jié)柵極驅動電壓可包括基于控制信號選擇時間函數(shù)，以及基于所選擇的時間函數(shù)調節(jié)柵極驅動電壓。在所選實施例中，控制信號可以替代性的或者還可以基于功率開關結溫的測量結果或估計。例如，功率開關結溫可以基于開關設備殼體溫度和功率開關電氣參數(shù)的測量值進行估計。在特定實施例中，控制信號可以替代性的基于或者還基于在半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時測量或估計的功率轉換器輸出電流的值。
[0047]開關設備的另一個實施例包括連接至DC鏈路的半導體功率開關和柵極驅動單元。柵極驅動單元連接至半導體功率開關的柵極。對于DC鏈路的至少一些不同的DC鏈路電壓，柵極驅動單元配置為向半導體功率開關的柵極傳送不同的柵極驅動電壓，以驅動半導體功率開關從DC鏈路向負載傳送電流。在一個實施例中，開關設備還包括存儲多個DC鏈路電壓的信息的存儲器單元，多個DC鏈路電壓在指定的DC鏈路操作范圍內彼此不同(例如從第一非零DC鏈路電壓到不同的第二非零DC鏈路電壓的范圍內的多個非零電壓值)。分別與存儲器單元中的多個DC鏈路電壓關聯(lián)的是多個柵極驅動電壓，多個柵極驅動電壓中的至少一些是彼此不同的。即對于給定的第一和第二 DC鏈路電壓，與存儲器單元中的第一和第二 DC鏈路電壓關聯(lián)的柵極驅動電壓可以是相同的，但是在所有的DC鏈路電壓中，至少一些柵極驅動電壓是不同的。柵極驅動電壓可以是絕對電壓水平(例如用于將半導體功率開關轉換到接通狀態(tài)，在半導體功率開關將被通電的指定操作時間期間，柵極驅動電壓處于水平V)，或者是時變電壓水平(例如在半導體功率開關將被通電的指定操作時間期間，柵極驅動電壓被驅動為多個不同的指定電壓水平)。在操作中，柵極驅動單元接收當前/目前的DC鏈路電壓的第一值的信息?；谠摦斍暗腄C鏈路電壓的第一值，柵極驅動單元在存儲器單元中識別與該當前的DC鏈路電壓的第一值關聯(lián)/相關的第一柵極驅動電壓。柵極驅動單元將第一柵極驅動電壓傳送至半導體功率開關的柵極。如果DC鏈路電壓改變至第二值(任何改變量，或者替代性地改變量超過閾值)，那么柵極驅動單元在存儲器單元中識別與DC鏈路電壓的第二值關聯(lián)/相關的第二柵極驅動電壓，且控制驅動柵極至第二柵極驅動電壓。至少在一些情況下，第二柵極驅動電壓與第一柵極驅動電壓不同。在實施例中，柵極驅動電壓的選擇還基于電壓(例如Vce)或與半導體功率開關關聯(lián)的其他操作參數(shù)，例如Vce可以與DC鏈路電壓相關。
[0048]在另一個實施例中，柵極驅動單元配置為向半導體功率開關傳送選擇的柵極驅動電壓，以驅動半導體功率開關在預定轉換速率范圍內傳送電流。
[0049]在另一個實施例中，開關設備包括:連接至DC鏈路的半導體功率開關和柵極驅動單元。柵極驅動單元連接至半導體功率開關的柵極。柵極驅動單元配置為向半導體功率開關的柵極傳送多個柵極驅動電壓中選定的一個。多個柵極驅動電壓(i)彼此不同，以及(?)當多個柵極驅動電壓中的任意一個被施加到柵極時，其驅動半導體功率開關向負載傳送電流。柵極驅動單元配置為基于當前/目前的DC鏈路的DC鏈路電壓選擇多個柵極驅動電壓中被選擇的一個。多個柵極驅動電壓分別與DC鏈路的指定操作范圍內的多個DC鏈路電壓關聯(lián)(例如在存儲器單元中)。
[0050]這樣，本發(fā)明的方面涉及一種方法，包括:在柵極驅動單元接收控制信號；以及基于控制信號調節(jié)柵極驅動電壓。柵極驅動電壓由柵極驅動單元提供至半導體功率開關，以將半導體功率開關的開關電流轉換速率維持在預定轉換速率范圍內。柵極驅動單元基于控制信號被調節(jié)，而不直接測量開關電流轉換速率。在特定方面中，控制信號基于非導通狀態(tài)下半導體功率開關的集電極和發(fā)射極之間的電壓的測量值，以及調節(jié)柵極驅動電壓包括基于控制信號選擇時間函數(shù)以及根據(jù)所選擇的時間函數(shù)調節(jié)柵極驅動電壓。
[0051]在一些方面中，控制信號基于半導體功率開關的功率開關結溫的測量結果或估計的至少其中之一。例如，功率開關結溫基于容納半導體功率開關的殼體的殼體溫度的測量值以及半導體功率開關的功率開關電氣參數(shù)的測量值進行估計。
[0052]在一些方面中，控制信號基于包括半導體功率開關的功率轉換器的功率轉換器輸出電流的測量或估計值的至少其中之一。功率轉換器輸出電流的值可以在半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時進行測量。替代性的或者額外的，功率轉換器輸出電流的值在半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時基于在與柵極驅動單元分離的控制器接收的操作者控制信號進行估計。
[0053]容易理解，本發(fā)明的實施例和方面能夠在操作條件的整個范圍上實現(xiàn)半導體功率開關的增強性能。特別的，通過根據(jù)半導體功率開關的操作參數(shù)調節(jié)柵極驅動電壓，能夠將開關電流轉換速率維持在預定轉換速率范圍內。因此，換向損耗減小，熱應力減輕。相應的，可以增強功率轉換器的耐久性和功率效率。
[0054]應理解，以上描述旨在是說明性的，而不是限制性的。例如，上述實施例(和/或其方面)可彼此組合使用。此外，可以進行許多修改以使特定情況或材料適應于本發(fā)明的教導，而不背離本發(fā)明的范圍。雖然本文描述的尺寸和材料類型旨在限定本發(fā)明的參數(shù)，但是它們絕不是限制性的，而是示例性實施例。通過閱讀以上描述，許多其他實施例將對本領域技術人員是顯而易見的。因此，本發(fā)明的范圍應參考權利要求連同權利要求所賦予的等效物的全部范圍來確定。在所附權利要求中，術語“包括”和“其中”分別用作術語“包含”和“其中”的簡明英語等效詞。此外，在以下權利要求中，術語如“第一”、“第二”、“第三”、“上部”、“下部”、“底部”、“頂部”等僅用作符號，并不旨在對其對象強加數(shù)字或位置要求。此外，以下權利要求的限制不是以裝置加功能的格式撰寫的，也不旨在基于35U.S.C.§ 122第6款進行解釋，除非且只有權利要求限制明確使用了短語“用于……的裝置”然后是缺少其他結構的功能陳述。
[0055]本書面描述使用示例來公開本發(fā)明的幾個實施例，包括最佳實施方式，并使任何本領域技術人員能實施本發(fā)明的實施例，包括利用和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所含方法。本發(fā)明的可專利范圍由權利要求書限定，并且可以包括本領域的技術人員想到的其它示例。這樣的其它示例旨在屬于權利要求書的范圍內，只要它們具有與該權利要求書的文字語言沒有區(qū)別的結構元件，或者只要它們包括與該權利要求的文字語言無實質區(qū)別的等效結構元件。
[0056]如本文所用，以單數(shù)形式列舉且前面帶有單詞“一”的元件或步驟應理解為不排除多個所述元件或步驟，除非明確聲明了這種排除。此外，引用本發(fā)明的“一個實施例”不應解釋為排除也包含了所述特征的其他實施例的存在。此外，除非明確做出相反的聲明，實施例“包含”、“包括”或“具有”具有特定特征的一個元件或多個元件可以包括不具有該特征的其他此類元件。
[0057]在不背離本文涉及的發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以在上述自適應柵極驅動單元中進行特定改變，因此以上描述或附圖中顯示的全部主題旨在被理解為僅僅作為顯示本文的創(chuàng)造性概念的示例，不應被解釋為限制本發(fā)明。
【權利要求】
1.一種開關設備，包括: 半導體功率開關，所述半導體功率開關被連接為在被柵極驅動電壓驅動時傳送電流；以及 連接至所述功率開關的柵極的柵極驅動單元，所述柵極驅動單元配置成為所述柵極驅動電壓選擇多個預定時間函數(shù)中的一個，以及根據(jù)所選擇的時間函數(shù)向所述功率開關的柵極傳送所述柵極驅動電壓，從而驅動所述功率開關在預定轉換速率范圍內傳送電流。
2.根據(jù)權利要求1所述的開關設備，其特征在于，所選擇的時間函數(shù)在接通所述半導體功率開關之前是基于所述功率開關的集電極和發(fā)射極之間的電壓測量進行選擇的。
3.根據(jù)權利要求1所述的開關設備，其特征在于，所選擇的時間函數(shù)是基于對所述功率開關的功率開關結溫的測量或估計中的至少一個進行選擇的。
4.根據(jù)權利要求3所述的開關設備，其特征在于，所述功率開關結溫是基于所述功率開關的功率開關電氣參數(shù)的測量值進行估計的。
5.根據(jù)權利要求3所述的開關設備，其特征在于，所述半導體功率開關結溫是基于容納所述功率開關的開關設備殼體的開關設備殼體溫度進行估計的。
6.根據(jù)權利要求1所述的開關設備，其特征在于，所選擇的時間函數(shù)是基于包括所述功率開關的功率轉換器的輸出電流的測量值或估計值中的至少一個進行選擇的。
7.根據(jù)權利要求6所述的開關設備，其特征在于，所述功率轉換器的所述輸出電流是在所述半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時進行測量或進行估計中的至少一個。
8.根據(jù)權利要求6所述的開關設備，其特征在于，所述功率轉換器的輸出電流的值是基于在所述柵極驅動單元接收的操作者控制信號進行估計的。
9.根據(jù)權利要求1所述的開關設備，其特征在于，所選擇的時間函數(shù)是在所述半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時基于接通之后對功率開關電流的估計進行選擇的。
10.一種柵極驅動單元，包括: 用于接收控制信號的控制端子； 邏輯電路，所述邏輯電路被連接為從所述控制端子接收所述控制信號，并且配置為基于所述控制信號選擇時間函數(shù)；以及 配置為向半導體功率開關提供柵極驅動電壓的輸出級； 其中所述邏輯電路配置為控制所述輸出級以根據(jù)所選擇的時間函數(shù)提供所述柵極驅動電壓。
11.根據(jù)權利要求10所述的柵極驅動單元，其特征在于，所選擇的時間函數(shù)在所述功率開關處于非導通狀態(tài)時是基于所述功率開關的電壓測量進行選擇。
12.根據(jù)權利要求10所述的柵極驅動單元，其特征在于，所選擇的時間函數(shù)是基于對所述半導體功率開關的半導體功率開關溫度的測量或估計中的至少一個進行選擇。
13.根據(jù)權利要求12所述的柵極驅動單元，其特征在于，所述半導體功率開關溫度是在相關散熱器處直接測量的。
14.根據(jù)權利要求12所述的柵極驅動單元，其特征在于，所述半導體功率開關溫度是基于容納所述半導體功率開關的殼體的殼體溫度的測量值進行估計的結溫。
15.根據(jù)權利要求10所述的柵極驅動單元，其特征在于，所選擇的時間函數(shù)是基于包括所述半導體功率開關的功率轉換器的功率轉換器輸出電流的測量值或估計值中的至少一個進行選擇的。
16.根據(jù)權利要求15所述的柵極驅動單元，其特征在于，所述功率轉換器輸出電流的值是在所述半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時進行測量或估計的。
17.根據(jù)權利要求15所述的柵極驅動單元，其特征在于，所述功率轉換器輸出電流的值是基于在所述柵極驅動單元接收的操作者控制信號進行估計的。
18.根據(jù)權利要求10所述的柵極驅動單元，其特征在于，所選擇的時間函數(shù)是從存儲在所述邏輯電路可訪問的存儲器中的多個預定柵極驅動電壓時間函數(shù)中進行選擇的，且其中每個預定柵極驅動電壓時間函數(shù)包括至少一柵極驅動電壓電平，用于將所述半導體功率開關控制為接通狀態(tài)以向負載傳送電流。
19.根據(jù)權利要求10所述的柵極驅動單元，其特征在于，所述邏輯電路配置為控制所述半導體功率開關的輸出級以在預定轉換速率范圍內傳送電流。
20.—種開關設備,包括: 連接至DC鏈路的半導體功率開關；以及 連接至所述半導體功率開關的柵極的柵極驅動單元，其中對于所述DC鏈路的至少一些不同的DC鏈路電壓，所述柵極驅動單元配置為向所述半導體功率開關的柵極傳送不同的柵極驅動電壓，以驅動所述半導體功率開關從所述DC鏈路向負載傳送電流。
21.根據(jù)權利要求20所述的開關設備，還包括存儲器單元，所述存儲器單元存儲: 多個DC鏈路電壓值，所述多個DC鏈路電壓值在預先指定的DC鏈路操作范圍內彼此不同；以及 多個柵極驅動電壓值，每個柵極驅動電壓值對應于一個或多個不同的DC鏈路電壓值。
22.根據(jù)權利要求21所述的開關設備，其特征在于，至少兩個不同的DC鏈路電壓值對應于相同的柵極驅動電壓值。
23.—種方法,包括: 在柵極驅動單元接收控制信號；以及 基于所述控制信號調節(jié)由所述柵極驅動單元提供至半導體功率開關的柵極驅動電壓，以將所述半導體功率開關的開關電流轉換速率維持在預定轉換速率范圍內，而不直接測量開關電流轉換速率。
24.根據(jù)權利要求23所述的方法，其特征在于，所述控制信號基于在非導通狀態(tài)下的所述半導體功率開關的集電極和發(fā)射極之間的電壓測量值，以及其中調節(jié)所述柵極驅動電壓包括基于所述控制信號選擇時間函數(shù)以及根據(jù)所選擇的時間函數(shù)調節(jié)所述柵極驅動電壓。
25.根據(jù)權利要求23所述的方法，其特征在于，所述控制信號是基于對所述半導體功率開關的功率開關結溫的測量或估計中的至少一個的。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其特征在于，所述功率開關結溫是基于容納所述半導體功率開關的殼體的殼體溫度的測量值以及所述半導體功率開關的功率開關電氣參數(shù)的測量值進行估計的。
27.根據(jù)權利要求23所述的方法，其特征在于，所述控制信號是基于包括所述半導體功率開關的功率轉換器的功率轉換器輸出電流的測量值或估計值中的至少一個的。
28.根據(jù)權利要求27所述的方法，其特征在于，所述功率轉換器輸出電流的值是在所述半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時進行測量的。
29.根據(jù)權利要求27所述的方法，其特征在于，所述功率轉換器輸出電流的值是在所述半導體功率開關處于非導通狀態(tài)時基于在與所述柵極驅動單元分離的控制器接收的操作者控制信號進行估計的。
【文檔編號】H03K17/08GK104247264SQ201380021789
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年3月21日 優(yōu)先權日:2012年4月24日
【發(fā)明者】J. 馬里庫爾韋洛 A., A. 策爾斯 T., 加西亞克萊門特 M., 羅伊納 P. 申請人:通用電氣公司