專利名稱：設(shè)有逆導(dǎo)型igbt的變流器的換向方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從一以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT到一以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT的換向方法，所述IGBT構(gòu)成一換流相且與一直流電壓源并聯(lián)，該方法包括如權(quán)利要求I前序部分所述的處理步驟。本發(fā)明還涉及一種用于實施本發(fā)明方法的裝置。
背景技術(shù)：
能夠?qū)ㄏ喾捶较螂娏鞯腎GBT 又稱 RC-IGBT (Reverse-Conducting IGBT)。RC-IGBT是已知的逆阻型IGBT的一種改進(jìn)。RC-IGBT與傳統(tǒng)IGBT之間的區(qū)別在于，二極管功能和IGBT功能集中在一個芯片上。這導(dǎo)致一功率半導(dǎo)體， 其中二極管模式下的陽極效率與門電壓有關(guān)。與傳統(tǒng)IGBT相比，這一點要求驅(qū)動該類裝置的方式有所變化。逆導(dǎo)型IGBT可以通過門極來控制二極管模式下的陽極效率。門極導(dǎo)通時，陽極效率下降，而正向電壓上升，存儲電荷下降。門極關(guān)斷時，陽極效率較高，導(dǎo)通電壓較低，存儲電荷較高?？梢岳媚鎸?dǎo)型IGBT的這種性能來減小換流相上以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT的反向恢復(fù)損耗和第二逆導(dǎo)型IGBT的導(dǎo)通損耗。M. Rahimo> U. Schlapbach、A. Kopta、J. Vobecky> D. Schneider 以及 A. Baschnagel在其刊登于 ISPSD 2008 的 “A High Current 3300V Module Employing ReverseConducting IGBTs S etting a New B enchmark in Output Power Capability(使用逆導(dǎo)型IGBT的強(qiáng)電3300V模塊設(shè)立功率輸出能力的新基準(zhǔn))”一文中描述了一種從以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT到以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT的換向方法。根據(jù)這種已知方法，以二極管模式工作的IGBT在經(jīng)過一段預(yù)定的第一延遲時間(從產(chǎn)生設(shè)定值關(guān)斷控制信號時開始計算)后導(dǎo)通。兩個串聯(lián)RC-IGBT中以IGBT模式工作的IGBT在經(jīng)過一段預(yù)定的第二延遲時間(從產(chǎn)生設(shè)定值導(dǎo)通控制信號時開始計算)后導(dǎo)通。以二極管模式工作的RC-IGBT在以IGBT模式工作的RC-IGBT即將導(dǎo)通前再度關(guān)斷。為此，為以二極管模式工作的RC-IGBT設(shè)置了一個時間跨度，在該時間跨度內(nèi)，這個逆導(dǎo)型IGBT保持導(dǎo)通狀態(tài)。這種已知方法的缺點是延時性能較差。一方面，以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT在達(dá)到反向電流峰值之前，其門電壓必須下降至閾值電壓(即閾值電壓)以下。另一方面，以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT在以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT導(dǎo)通時不能已關(guān)斷較長時間，否則就無法產(chǎn)生陽極效率下降這一效果。然而，從上級控制單元(例如換流器的控制單元)到這兩個電性串聯(lián)RC-IGBT的控制電路(又稱驅(qū)動電路)的信號路徑相互間又電位分離。這會使開關(guān)時間產(chǎn)生較大偏差，而這樣的偏差將進(jìn)一步加大電性串聯(lián)RC-IGBT的控制路徑偏差。因此，相互協(xié)調(diào)的延遲時間的激活必然要求投入大量時間和資源。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是對上述已知方法進(jìn)行改進(jìn)以改善其延時性能。權(quán)利要求I前序部分所述的特征與區(qū)別特征相結(jié)合即為本發(fā)明用以達(dá)成上述目的的解決方案。據(jù)此，以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT的門極關(guān)斷不再受時間控制，而是受事件控制。根據(jù)本發(fā)明的方法，將以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT開始通流作為事件。根據(jù)第一實施方式，借助一電感上的一下降電壓測定所述以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT的通流時間點，其中，所述電感布置在換向電路中。換向電路中的電流上升率比相應(yīng)負(fù)載電路中的電流上升率至少大十倍。因此，通過電感電壓降可方便而明確地測定換向的開始。據(jù)此，換向會引起較大的正電流變化(dic/dt),進(jìn)而使所述電感上形成絕對值較大的負(fù)電壓值，在此用作測量電壓。借助預(yù)定的極限值對該測量電壓的分布進(jìn)行分析，其中，一旦達(dá)到或超過這個極限值，就對連接在下游的驅(qū)動電路進(jìn)行控制。根據(jù)一種有利實施方式，用于檢測所述以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT的通流時間點的單元是所述RC-IGBT模塊內(nèi)部的一漏感，該漏感布置在輔助發(fā)射極和功率發(fā)射極之間。這個漏感與一分析單元的兩個輸入端電性并聯(lián)。 另一種檢測所述以IGBT模式工作的RC-IGBT的通流時間點的方法是測量所述以二極管模式工作的RC-IGBT的集電極電流。一種可以實現(xiàn)電流測量的特別有利的方案是使用按羅氏線圈原理構(gòu)建的電流互感器。按羅氏線圈原理構(gòu)建的電流互感器的輸出信號與電流變化(dic/dt)成比例，因此像在換向電路中使用電感那樣非常便于分析。另一種檢測所述以IGBT模式工作的RC-IGBT的通流時間點的方法是借助飽和變壓器進(jìn)行電流檢測。用這種變壓器測定流過以二極管模式工作的IGBT的集電極電流的過零。只有當(dāng)磁場強(qiáng)度處于磁化特性曲線較窄的線性區(qū)域時，飽和變壓器才提供輸出信號。在此情況下，以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT的門極不是在換向過程開始時放電，而是在集電極電流過零(即反向恢復(fù)電流開始)時才放電。


下文將參照附圖及其所示的用于實施本發(fā)明方法的裝置的多個實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，其中圖I為具有直流電壓源的兩個RC-IGBT的橋接旁路的電路圖；圖2和圖3為圖I所示橋接旁路的兩個RC-IGBT的設(shè)定值控制信號分別以時間t為橫坐標(biāo)的時間特性曲線圖；圖4和圖5為圖I所示橋接旁路的兩個RC-IGBT的實際控制信號分別以時間t為橫坐標(biāo)的時間特性曲線圖；圖6為用于實施本發(fā)明換向方法的裝置的第一實施方式的電路圖；圖7為用于實施本發(fā)明換向方法的裝置的第二實施方式的電路圖；圖8為集電極電流及相應(yīng)測量電壓以時間t為橫坐標(biāo)的曲線圖；圖9為用于實施本發(fā)明換向方法的裝置的第三實施方式的電路圖；圖10為飽和變壓器的磁化特性曲線；以及圖11為集電極電流及相應(yīng)測量電壓以時間t為橫坐標(biāo)的曲線圖。
具體實施例方式在圖I中，附圖標(biāo)記2表示橋接旁路，4表示直流電壓源，6表示正向電流母線，8表示負(fù)母線。橋接旁路2和直流電壓源4借助這兩個母線6和8電性并聯(lián)。所述橋接旁路具有兩個電性串聯(lián)的逆導(dǎo)型IGBT Tl和T2。這兩個RC-IGBT Tl和T2的連接點構(gòu)成交流電壓側(cè)輸出端A，該輸出端上可接一負(fù)載。直流電壓源4具有兩個同樣電性串聯(lián)的電容器10和12。這兩個電容器10和12的連接點構(gòu)成中點端子M。作為設(shè)置兩個電容器10和12的替代方案，也可以在母線6和8之間只布置一個電容器。在此情況下，中點M為不可及。相對于直流電壓源4的中點端子M，橋接旁路2的輸出端A上存在一個脈寬調(diào)制方波電壓UAM。圖I所示的電路圖相當(dāng)于多相換流器(特別是交流電逆變器)的電路圖的一部分。由于二極管功能和IGBT功能集中在一個芯片上，逆導(dǎo)型IGBT Tl和T2不需要使用續(xù)流二極管或反向二極管。這些IGBT由于具有反向?qū)芰Χ直环Q作RC-IGBT (ReverseConducting-Insulated Gate Bipolar Transistor,逆導(dǎo)型絕緣柵雙極晶體管)。由于二極管功能和IGBT功能集中在一個芯片上，這種RC-IGBT可以二極管模式(負(fù)的集電極-發(fā)射極電流)和IGBT模式(正的集電極-發(fā)射極電流)工作。二極管模式 下可通過門極來控制陽極效率。門極導(dǎo)通時，陽極效率下降，導(dǎo)通電壓上升，而存儲電荷下降。門極關(guān)斷時，陽極效率較高。其結(jié)果是導(dǎo)通損耗較低，存儲電荷較高。圖2至圖5是逆導(dǎo)型IGBT Tl以二極管模式工作、逆導(dǎo)型IGBT T2以IGBT模式工作時的信號分布。圖2是以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的設(shè)定值控制信號S*T1以時間t為橫坐標(biāo)的曲線圖，圖3是以IGBT模式工作的RC-IGBT T2的設(shè)定值控制信號S*T2以時間t為橫坐標(biāo)的曲線圖。這兩個設(shè)定值控制信號S*T1和S*T2表征了時間點tl上的換向過程。從這個時間點tl出發(fā)，以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT Tl在經(jīng)過一個時間跨度Λ Tl后導(dǎo)通(圖4)。根據(jù)如圖5所示的開關(guān)狀態(tài)T2Sc;h的時間特性曲線圖，以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT T2從時間點tl出發(fā)在經(jīng)過一個時間跨度ΛΤ3后導(dǎo)通(時間點t4)。根據(jù)如圖4所示的開關(guān)狀態(tài)Tlsdl的時間特性曲線圖，以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT T2在時間點t4上必須關(guān)斷。而且，以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT Tl不能已關(guān)斷較長時間，否則就無法產(chǎn)生陽極效率下降這一效果。也就是說，以二極管模式工作的RC-IGBT Tl關(guān)斷與以IGBT模式工作的RC-IGBT T2導(dǎo)通之間的時間跨度Λ TkS盡可能地短。根據(jù)時間跨度Λ T1和相對于時間跨度AT3的時間跨度Λ Tk的函數(shù)得出時間跨度Λ T2，其中在時間跨度AT2內(nèi)，以二極管模式工作的IGBT Tl處于導(dǎo)通狀態(tài)。根據(jù)前述公開文獻(xiàn)，換流相的兩個逆導(dǎo)型IGBT Tl和Τ2的這種換向過程是受時間控制的。這種時控?fù)Q向?qū)r間有很高的精度要求。為了能可靠實現(xiàn)這種時控?fù)Q向，所選擇的時間跨度Λ Tk的長度應(yīng)確保當(dāng)兩個電性串聯(lián)的RC-IGBT Tl和Τ2中以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT Τ2導(dǎo)通時(導(dǎo)通時間點t4)，以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT Tl肯定處于關(guān)斷狀態(tài)。由于從控制單元到RC-IGBT Tl和T2的控制電路的信號路徑上設(shè)有會產(chǎn)生較大偏差的元件，因此時間跨度ΛΤΚ的長度必須再大些。根據(jù)本發(fā)明的方法，如圖2至圖5中的曲線圖所示的這種換向不再受時間控制，而是受事件控制。將以IGBT模式工作的RC-IGBT T2開始通電流作為事件。但這一事件是在以二極管模式工作的RC-IGBT Tl上測定的。圖6為用于實施本發(fā)明換向方法的裝置的第一實施方式的示意圖。這個裝置具有分析單元14，該分析單元的輸出端與又稱驅(qū)動開關(guān)的控制電路16的輸入端連接。該裝置還具有用于為流過以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的集電極電流i。檢測時間導(dǎo)數(shù)的單元。即測定集電極電流L的電流變化。在如圖6所示的實施方式中，該單元是一電感18，尤其是模塊內(nèi)部漏感。如果所述單元是模塊內(nèi)部漏感18，則該電感18在IGBT模塊內(nèi)是布置在輔助發(fā)射極El和發(fā)射極端子E之間。如果是電感18，則該電感一端與發(fā)射極端子E連接。在圖6所示的實施方式中，發(fā)射極El構(gòu)成分析單元14和驅(qū)動電路16的基準(zhǔn)電位。兩個電性串聯(lián)的RC-IGBT Tl和T2中以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的發(fā)射極端子E與分析單元14的輸入端20導(dǎo)電連接。設(shè)定值控制信號S*T1同樣傳輸給分析單元14。由于換向電路中的電流上升率比負(fù)載電路中的電流上升率至少大十倍，通過以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的電感18上的電壓降可清楚識別到以IGBT模式工作的RC-IGBT T2的開始通流。集電極電流、從以二極管模式 工作的RC-IGBT Tl到以IGBT模式工作的RC-IGBT T2的換向會引起較大的正電流變化die/dt，進(jìn)而使測量電壓uM達(dá)到絕對值較大的負(fù)值。在分析單元14中將測量電壓uM的這個值與預(yù)定的閾值進(jìn)行比較。如果達(dá)到或者超過這個閾值，就將以二極管模式工作的RC-IGBT Tl關(guān)斷，亦即，以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的門極G在換向過程開始時開始放電。圖7為用于實施本發(fā)明適用于兩個電性串聯(lián)逆導(dǎo)型IGBT Tl和T2的換向方法的裝置的第二實施方式的示意圖。該第二實施方式與第一實施方式之間的區(qū)別在于，電感18被換成了按羅氏線圈原理構(gòu)建的電流互感器22。這種電流互感器(current transformer) 22的輸出電壓與流過以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT T12的集電極電流的電流變化di/dt成比例。圖8為在以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT Tl中流動的集電極電流i。及一測定的測量電壓uM分別以時間t為橫坐標(biāo)的時間特性曲線圖。電流曲線、(0相當(dāng)于一個二極管的關(guān)斷特性曲線。在集電極電流L的振幅開始減小的時間點tM上，測量電壓曲線uM(t)具有正沿。將這個邊沿的時間點tM作為以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBTT2開始通流的時間點。時間點tM是可以關(guān)斷以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT Tl的最早時間點。圖9為用于實施本發(fā)明適用于兩個逆導(dǎo)型IGBT Tl和T2的換向方法的第三實施方式的不意圖。該第三實施方式與圖6所不的第一實施方式之間的區(qū)別在于，電感18被換成了飽和變壓器24。圖10為該飽和變壓器24的磁化特性曲線。這條磁化特性曲線只有一個較窄的線性區(qū)域。這個飽和變壓器24僅測定以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT Tl的集電極電流的過零。只有當(dāng)磁場強(qiáng)度處于磁化特性曲線的上述較窄區(qū)域時，飽和變壓器24才識別到電流過零。飽和變壓器24精確地在這個時候提供輸出信號，即測量電壓uM。圖11為該測量電壓uM以及以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的集電極電流分別以時間t為橫坐標(biāo)的時間特性曲線圖。由此借助飽和變壓器24測定從以二極管模式工作的RC-IGBT Tl到以IGBT模式工作的RC-IGBT T2的換向時間點。這個時間點tN在時間上晚于時間點tM。借此達(dá)到稍晚關(guān)斷以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的目的。借此可延長陽極效率的下降時間，從而達(dá)到降低存儲電荷的目的。通過本發(fā)明的方法可使得兩個電性串聯(lián)的RC-IGBT Tl和T2中以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的關(guān)斷時間點非常接近這兩個串聯(lián)RC-IGBT Tl和T2中以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT T2的導(dǎo)通時間點t4，從而長時間取得陽極效率下降這一效果。本發(fā)明的方法受事件控制，因而不像已知的時控?fù)Q向方法那樣對時間有很高的精度要求。
權(quán)利要求
1.一種從一以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(Tl)到一以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT (T2)的換向方法，所述IGBT構(gòu)成一換流相且與一直流電壓源(4)電性并聯(lián)，所述方法包括下列步驟 a)在所述以二極管模式工作的IGBT(Tl)的一控制信號(S*T1)轉(zhuǎn)換為關(guān)斷狀態(tài)后經(jīng)過一預(yù)定的時間跨度(AT1),所述以二極管模式工作的IGBT(Tl)導(dǎo)通， b)在所述以IGBT模式工作的IGBT(T2)的一控制信號(S*T2)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)后，所述以IGBT模式工作的IGBT(T2)在經(jīng)過一預(yù)定的時間跨度(AT3)后導(dǎo)通，其中，所述這個時間跨度(AT3)遠(yuǎn)大于所述以二極管模式工作的IGBT(Tl)的時間跨度(AT1), c)所述以二極管模式工作的IGBT(Tl)在所述以IGBT模式工作的IGBT(T2)導(dǎo)通之前關(guān)斷， 其特征在于， 只有當(dāng)所述以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(T2)中開始流過一電流時，所述以二極管模式工作的IGBT(Tl)才關(guān)斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 通過在所述以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(Tl)中流動的一集電極電流(ic)的一電流變化測定所述以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(T2)的開始通流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于， 借助布置在所述換向電路中的一電感(18)上的一下降電壓(uM)測定在所述以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(Tl)中流動的一集電極電流的電流變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于， 測量并分析一流過所述以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(Tl)的集電極電流(Ic)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于， 測量到流過所述以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(Tl)的集電極電流(i。)后對其進(jìn)行電流過零分析。
6.一種用于實施如權(quán)利要求I至5中任一項權(quán)利要求所述的方法的裝置，包含一換流相的多個逆導(dǎo)型IGBT(T1，T2)，所述換流相與一直流電壓源(4)電性并聯(lián)，其中，每個逆導(dǎo)型IGBT(T1，T2)均配有一驅(qū)動電路(16)，所述驅(qū)動電路的輸出端各與一 IGBT(T1，T2)的一門極及一發(fā)射極端子(G，E)連接， 其特征在于， 設(shè)有一控制單元(14)和一用于檢測一集電極電流(i。)的單元，其中，所述分析單元(14)的輸出端與所述驅(qū)動電路(16)的一輸入端連接，輸入端與所述單元的多個輸出端子(20，E)連接，每個分析單元(14)各配有一與相應(yīng)逆導(dǎo)型IGBT (Tl，T2)相對應(yīng)的控制信號(S*T1，S*T2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于， 所述用于檢測一集電極電流(ic)的單元是一電感(18)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于， 所述用于檢測一集電極電流(ic)的單元是一按羅氏線圈原理構(gòu)建的電流互感器(22)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于， 所述用于檢測一集電極電流(ic)的單元是一飽和變壓器(24)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從一以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(T1)到一以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(T2)的換向方法。根據(jù)本發(fā)明，只有當(dāng)所述以IGBT模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(T2)中開始流過一電流時，所述以二極管模式工作的逆導(dǎo)型IGBT(T1)才再度關(guān)斷。因此，所述換向方法受事件控制，這能改善其延時性能。
文檔編號H03K17/082GK102804605SQ201080028199
公開日2012年11月28日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者漢斯－京特·?？?申請人:西門子公司