CN101467340A - 用于串联结构的igbt晶体管的开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关电路，其包括串联安装的两个功率晶体管(22、24)和适于同时切换这两个晶体管的、激励每个晶体管的激励电路(26、28)。该电路包括：用于产生校正电流(δi)的装置(30)，其用于根据这两个串联连接的晶体管(22、24)的传导端子处的电压随时间的发展上的差异，产生用于控制这两个晶体管(22、24)中的一个被校正的控制晶体管(22)的所述校正电流；和用于将所述电流施加给被校正的控制晶体管(22)的栅极电极的装置(37)。

Description

用于串联结构的IGBT晶体管的开关电路

技术领域

本发明涉及这种类型的开关电路，其包括串联安装的两个功率晶体管的，并且对于每个晶体管，包括一个能够实现这两个晶体管的同时切换的激励电路。

背景技术

AC电机一般被从DC电源总线(bus)供给电能，DC电源总线的端子经由由开关组件组成的频率变换器连接电机的不同相，开关组件的状态通过适当的电子控制单元控制。

例如，在文献EP 0458511和DE 1413526中，描述了这种电子控制单元。

对于非常强力的泵或压缩机驱动电机，尤其是对于石油用途，非常高电平的电力必须流过提供电机的电力供应的开关组件。

该组件由IGBT型晶体管构成。为了制造用于非常强力的电机的频率变换器，串联安装两个IGBT型晶体管是有利的，以便执行每个切换操作，单个晶体管不允许对于这些端子上的非常高的电压应被中断的电流流过。

因此串联连接的两个晶体管必须被完全同步地控制，以使得它们在功能上相当于单个晶体管。两个晶体管之间的同步错误会导致电压仅由晶体管中一个支持，这会使它损坏。

考虑到晶体管的制造容差和电子控制系统的精度，实现晶体管操作的同步是很复杂的。已开发了精细复杂的电子控制解决方案。这些解决方案需要使用成本非常高昂的专用集成电路。

另外，已知用于保护晶体管的技术，其一般被称为“有源(active)箝位”。

根据这种解决方案，晶体管在控制栅极(grid)和传导端子之间联接有以反相状态安装的带有电阻器的齐纳二极管，且当晶体管的传导端子之间的电压足够高时，所述带有电阻器的齐纳二极管允许晶体管重新回到它的传导状态，并因此限制在其端子处的电压。

这种技术对于晶体管需要非常高的点火余量(ignition margin)，并且包括使用有阻抗的且相对精确的齐纳二极管。

已经提出了对这些困难的解决方案。

例如，在文献DE 43 35 857中，产生校正信号并且该校正信号控制晶体管中一个的切换操作的延迟。该文献形成了权利要求1的前序部分的主题。

MELITO的文章“SWITCHING BALANCEMENT OF SERIESCONNECTED INSULATE GATE DEVICES BY GATE CONTROLSTRATEGY”，EPE’97，7TH EUROPEAN CONFERENCE ONPOWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS，TRONDHEIM，1997年9月8-10日，描述了一种装置，其中串联的晶体管中的一个的控制电路用具有电流发生器和电流吸收器(current sink)的装置代替。

在BEOM-SEOK的文献“SYNCHRONISATION ON THEPOINTS OF TURN-OFF TIME OF SERIES-CONNECTED POWERSEMICONDUCTOR DEVICES USING MILLER EFFECT”，SIGNAL PROCESSING AND SYSTEM CONTROL，INTELLIGENTSENSORS AND INSTRUMENTATION，SAN DIEGO，1992年11月9-13日中，使用阻尼电路以控制晶体管的控制电路。

在这些文献中，校正信号总是施加到晶体管的控制电路而不是到晶体管本身。复杂的装置导致，并因此具有，相对显著的时间常数的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种关于串联安装的两个晶体管同步问题的低廉的解决方案。

为此，本发明首先涉及一种上述类型的开关电路，其特征在于它包括用于根据在串联安装的两个晶体管的传导端子处的电压随时间的发展上的差异，产生用于控制两个晶体管中的一个被校正的控制晶体管的校正电流的装置；和将该电流施加给被校正的控制晶体管的栅极电极的装置。

以这种方式，在该发明中，校正电流作用于进一步由常规控制系统控制的晶体管的内部操作。

根据特定实施例，开关电路包括以下特征中的一个或多个：

- 该电路包括两个电容器，它们连接到两个晶体管的传导端子并连接到用于估算串联安装的这两个晶体管的传导端子处的电压随时间的发展的差异的装置；

- 至少一个电容器与电阻器串联安装；

- 这两个电容器串联连接在这两个晶体管的外传导端子处，且用于建立串联安装的这两个晶体管的传导端子处的电压随时间的发展上的差异的装置包括在两个电容器的中心点处用于测量校正控制电流的装置；

- 第一电容器连接在这两个晶体管的外传导端子之间，且第二电容器连接在所述晶体管中的一个晶体管的传导端子之间，且用于???建立串联安装的这两个晶体管的传导端子处的电压随时间的发展上的差异的装置包括模拟装置，其用于根据这两个电容器的端子处的电压计算串联安装的这两个晶体管的传导端子处的电压随时间的发展上的差异；

- 该电路包括用于将校正控制电流直接施加到被校正的控制晶体管的栅极电极上的装置；

- 该电路包括用于将校正控制电流加到由被校正的控制晶体管的激励电路产生的控制信号上的装置；和

- 该电路包括，至少在晶体管的栅极处，用于禁止施加给被校正的控制晶体管的校正电流的电路，以在另一晶体管短路期间禁止校正。

该发明还涉及用于AC电机的频率变换器，其包括如上所述的至少一个开关电路。

附图说明

通过阅读仅以示例方式和参考附图而给出的下面的描述将更好地理解本发明，其中：

图1是向AC电机提供电力的速度变换器的示意图；

图2是图1的变换器的开关电路的图；

图3和4是示例图2的开关电路的操作的线；和

图5、6和7是根据本发明的开关电路的结构变体的图。

具体实施方式

图1中，通过所示例的速度变换器12向AC电机10提供电力。这种变换器连接到DC电源总线14。例如，电机的三个极(pole)16A、16B、16C每个都通过开关电路20连接到DC电源总线的端子18A、18B。以这种方式，操作六个开关电路20，每个都在电机的相和总线的端子之间。每个开关电路由图中未示出的控制电路控制。

图2详细地示例了开关电路20中的一个。它包括串联连接在总线的端子和电机的相之间的IGBT型的两个晶体管22、24。每个晶体管的栅极电极分别连接到激励电路26、28，所述激励电路本身是已知的。

另外，开关电路20包括用于产生校正信号的装置30，其用于根据串联安装的两个晶体管22、24的传导端子处电压的随时间的发展上的差异，产生用于控制这两个晶体管中的一个被校正的控制晶体管的校正信号，在该实例中，根据本发明，校正信号为电流δi。

在图2示例的实施例中，被校正的控制晶体管是晶体管22。

在该实例中，用于产生校正信号的装置30包括在两个晶体管22、24的外传导端子之间串联安装的两个电容器32、34。

两个电容器的中心点36通过用于注入校正电流的导体37连接到被校正的控制电容器22的栅极。

根据一个有利的实施例，且如图2所示，每个电容器32、34与改善操作稳定性的一电阻器38、40串联联接。

这些电容器相同且具有例如在100pF和10nF之间的电容。以相同的方式，两个电阻器相同且具有在1Ω和100Ω之间的电阻。

图2中示例的电路连接的结果是，从两个电容器的中心点36向被校正的控制晶体管22的栅极注入的并且对应于校正信号的电流δi为 $\mathrm{\δi}=C\frac{d}{\mathrm{dt}}(V_{32}-V_{34}),$ 其中V₃₂和V₃₄是在电容器32、34的端子处的电压，C是两个电容器的电容；而

表示对时间的导数。

以这种方式，在操作期间，当在两个晶体管22、24的端子处电压对时间的导数之间存在差异时，在电容器充电或放电中的切换期间产生不对称。以这种方式，产生电流δi且其重新注入到被校正的控制晶体管22的栅极，从而校正穿过它的电流并且以相关方式改变并联安装的电容器的电荷。

图3和4示出了一个示例，其分别示出开关电路到导通状态和到断开状态的切换。

在这两个图中可以看出，对于晶体管22用连续实线和对于晶体管24用长虚线示出了这两个晶体管的端子处的电压，这两个晶体管的端子处的电压降低或增加，但对于电流的流动或中断的整个相保持基本相等。对于晶体管22用于短虚线和对于晶体管24用细连续线示出了电流，其在通过极限值之后从最小值转到较高的稳定值，或者从稳定值到较低的值。由于两个晶体管是串联的，所以流过的电流基本相同。

以这种方式，提供简单的无源电路，其允许将被校正的控制晶体管的切换加速或减速，以便以强制方式建立在切换期间在两个晶体管之间的电压分配。

根据图5示例的另一变体，校正电流δi被引入到被校正的控制晶体管22的激励电路26，而不是直接施加给被校正的控制晶体管22的栅极。

在该实施例中，激励电路26能够根据接收的校正电流δi改变发送到被校正的控制晶体管的栅极的激励信号。尤其是，接收的校正电流被滤波并放大，以将其加到由激励电路26本身已知的产生的控制信号。

图6示例了开关电路的另一实施例，其示出了串联安装的且分别与激励电路26、28联接的两个晶体管22、24。

在该实施例中，被校正的控制晶体管22连接到晶体管24的源极，也就是说相对于图1到5的实施例，晶体管被调换了。

还提供用于产生晶体管22的校正控制电流δi的装置130。

它们包括安装在被校正的控制晶体管22的两个传导端子之间的电容器132和并联安装在两个晶体管22、24的外传导端子之间的第二电容器134。

每个电容器132、134与电阻器138、140串联安装。这些电阻器连接在晶体管22和24的集电极和对应电容器的极板之间。

连接到电阻器138、140的电容器132、134的每个极板连接到模拟计算器142的输入，该模拟计算器142能够建立在输入处所接收的信号之间的线性组合。

计算器142的输出直接连接到被校正的控制晶体管22的栅极。在一种变体中，该输出连接到激励电路26。

计算器142能够计算校正电流 $\mathrm{\δi}=C\frac{d}{\mathrm{dt}}(V_{132}-V_{134}),$ 而不管电阻器138、140的值。

应该意识到，在该实施例中，还可以根据两个电容器132、134的端子处的电压改变晶体管22的控制信号。这些电压直接连接到晶体管22、24端子处的电压。以这种方式，如果晶体管端子处的电压存在差异，则在电容器的端子处就会发现可比的差异，并将表示该差异的校正电流施加给晶体管22，从而校正在晶体管端子处的电压差。

图7示例了图1的实施例的改进。

以这种方式，相同的元件用相同的附图标记表示。

该实施例包括用于禁止校正电流的中间级200，当IGBT晶体管中的一个有缺陷且在传导状态中被阻断时，其允许IGBT晶体管的冗余和开关电路的操作。

尤其是，该级200插入在沿着校正电流的注入线37的两个电容器32、34的中心点和被校正的控制晶体管22的栅极之间。

该器件包括例如15V的电压源202和四个开关控制组件，控制它们中的每一个来将比15V大或小的电压施加到晶体管22栅极，以允许继续操作。

以这种方式，两个开关组件204、206分别连接到电压源202的端子和晶体管22的集电极。

以相同的方式，两个开关组件208、210将该电压源的端子经由两个电阻器212、214连接到晶体管22的栅极。分别连接到电阻器212、214的每个开关组件208、210的端子连接到晶体管22的栅极。

以这种方式，电压源202、开关组件208、210、212、214和电阻器212、214形成控制晶体管22的激励电路26。激励电路26通过两个二极管216、218连接到在两个电容器32、34之间定义的中心点36。

更确切地说，每个开关组件208、210经由连接在开关组件和相关电阻器之间的二极管216、218直接连接到中心点36。级200还包括用于控制开关组件204到210的单元(未示出)。

当开关电路布置在传导状态时，仅有开关组件204和210是导通的。栅极处的控制电压为V_GE＝15V，且来自激励电路26的栅极电流流过电阻器214。

当开关电路闭合时，晶体管206、208布置在传导状态。栅极处的控制电压为V_GE＝-15V，且来自激励电路26的栅极电流流过电阻器212。

在δi回路中使用二极管216、218可确保，仅当在常规操作期间被校正的控制晶体管22比相关晶体管24更慢地切换时，改变用于将被校正的控制晶体管22布置在传导状态和将它打开的特征。

如果在故障状态期间，晶体管24短路，二极管216、218的存在允许使晶体管22的切换与由在晶体管24的端子处建立的短路产生的影响断开。

在常规操作期间，为了补偿为了与晶体管24的切换对应被校正的控制晶体管22的切换不能更慢地进行的事实，选择电阻器212和214以便使晶体管24的切换操作比晶体管22的更快。可选择地，为了提高补偿，与晶体管24的相比，在被校正的控制晶体管22的栅中使用延迟。

Claims (9)

1.一种开关电路，包括串联安装的两个功率晶体管(22、24)和用于获得这两个晶体管的同时切换的激励每个晶体管的激励电路(26、28)，其特征在于，它包括：

用于产生校正电流(δi)的装置(30)，其用于根据串联安装的这两个晶体管(22、24)的传导端子处的电压随时间的发展上的差异，产生用于控制这两个晶体管(22、24)中的一个被校正的控制晶体管(22)的所述校正电流；和

用于将所述电流施加给被校正的控制晶体管(22)的栅极电极的装置(37)。

2.根据权利要求1的开关电路，其特征在于，它包括：两个电容器(32、34；132、134)，它们连接到这两个晶体管(22、24)的传导端子并且连接到用于估算串联安装的这两个晶体管(22、24)的传导端子处的电压随时间的发展上的差异的装置(36；142)。

3.根据权利要求2的开关电路，其特征在于，至少一个电容器(32、34；132、134)与电阻器(38、40；138、140)串联安装。

4.根据权利要求2或3的开关电路，其特征在于，这两个电容器(32、34)串联连接在这两个晶体管(22、24)的外传导端子处，以及特征在于，用于建立在串联安装的这两个晶体管的传导端子处的电压随时间的发展上的差异的装置包括：在这两个电容器(32、34)的中心点(36)处测量所述校正控制电流(δi)的装置(37)。

5.根据权利要求2或3的开关电路，其特征在于，第一电容器(134)连接在这两个晶体管(22、24)的外传导端子之间，第二电容器(132)连接在所述晶体管中的一个晶体管(22)的传导端子之间，以及用于建立在串联安装的这两个晶体管的传导端子处的电压随时间的发展上的差异的装置包括：模拟装置(142)，其用于根据这两个电容器(132、134)的端子处的电压计算串联安装的这两个晶体管的传导端子处的电压随时间发展上的差异。

6.根据前述权利要求中任一项的开关电路，其特征在于，它包括将所述校正控制电流(δi)直接施加给所述被校正的控制晶体管(22)的栅极电极的装置(36、37)。

7.根据权利要求5或6的开关电路，其特征在于，它包括将所述校正控制电流(δi)加到由所述被校正的控制晶体管的激励电路(26)产生的控制信号的装置(37)。

8.根据前述权利要求中任一项的开关电路，其特征在于，至少在晶体管(22)的栅极处，它包括：用于禁止施加给所述被校正的控制晶体管(22)的校正电流(δi)的电路(200)，以便在另一晶体管(24)短路期间禁止校正。

9.一种用于AC电机的频率变换器，其包括根据前述权利要求中任一项的至少一个开关电路。

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