CN103036214A - 一种功率开关串联电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种功率开关串联电路及其控制方法，包括：多个串联模块、一控制模块和一驱动模块。至少一串联模块具有功率开关和检测模块，该检测模块包括检测单元和隔离单元，以检测是否过压并根据所检测的电压输出一电压检测信号。控制模块接收电压检测信号并输出相应的控制信号。驱动模块将控制信号进行放大处理，以驱动每一功率开关导通或关断；其中，当过压时，控制模块输出相应的控制信号以关断每一功率开关。采用本发明，当任意一个串联模块的功率开关出现过压时，控制模块输出相应的控制信号，以关断整个串联桥臂上的功率开关，以免功率开关因过压而遭到损坏，因而可提升电路的运行可靠性。

Description

一种功率开关串联电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及功率开关的串联技术，尤其涉及功率开关串联电路的设计和控制方法。
背景技术
当前，在高压大功率变换器中，对于功率器件要求具有较高的耐压值，但单个的功率器件显然无法满足这一要求。现有的一种解决方式是，使用多个功率开关器件直接串联。例如，功率开关器件可以是晶闸管、门控可关断晶闸管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)，它们可应用于高压直流电路、静态可变补偿器和高压逆变器等电子设备中。
但是，采用晶闸管、门控可关断晶闸管等传统器件进行串联连接时，功率损耗大、开关速度慢，因而无法在PWM变流装置中得到广泛应用。相比之下，IGBT作为上世纪八十年代出现的一种新型半导体功率器件，不仅具有电压控制输入特性、低阻通态输出特性，而且IGBT的开关速度很快，完全能够满足PWM变流技术的要求。另一方面，尽管串联电路中各IGBT指标、栅极控制信号电路完全相同，但由于各IGBT的性能、开关速度的差异，栅极控制信号线路元器件参数的不一致，线路存在分布电感、分布电容等因素，往往会造成IGBT的开关动作不一致，进而造成个别IGBT器件在开关瞬间，集电极与发射极之间的电压超过其额定的耐压值，损坏该功率器件。
有鉴于此，如何对现有的功率开关串联电路进行改进，以便在电路出现异常情形时能够快速地保护功率开关，提升串联电路的运行可靠性，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
针对现有技术中的功率开关串联电路在使用时所存在的上述缺陷，本发明提供了一种新型的功率开关串联电路及其控制方法。
依据本发明的一个方面，提供一种功率开关串联电路，该功率开关串联电路包括：
多个串联模块，相邻的串联模块间通过各自的功率开关串联连接，并且所述多个串联模块中的至少一串联模块包括：
一功率开关，具有一第一端、一第二端和一第三端，所述第一端用于控制所述功率开关导通或关断，所述第二端连接至相邻的一串联模块中的功率开关，以及所述第三端连接至相邻的另一串联模块中的功率开关；以及
一检测模块，包括一检测单元和一隔离单元，所述检测单元用于检测所述功率开关的第二端和第三端之间的电压是否过压，以及所述隔离单元根据所检测的电压输出一电压检测信号；
一控制模块，电性连接至所述隔离单元，用于接收所述电压检测信号并输出与所述电压检测信号相对应的一控制信号；以及
一驱动模块，电性连接至所述控制模块，用于将所述控制信号进行放大处理，以驱动每一串联模块中的功率开关导通或关断；
其中，当所检测的电压高于一第一阈值电压时，所述电压检测信号为一过压信号，并且所述控制模块输出与所述过压信号相对应的控制信号，以便关断每一串联模块中的功率开关。
优选地，所述隔离单元为一光耦合器。更优选地，所述光耦合器包括一发光半导体和一受光半导体，所述发光半导体与所述检测单元串联连接，以及所述受光半导体连接至所述控制模块。进一步，所述光耦合器为一高速光耦合器。
优选地，当所述功率开关的第二端和第三端之间的电压高于所述第一阈值电压时，所述检测单元电性导通以耦接至所述隔离单元。
优选地，所述至少一串联模块还包括一均压模块，该均压模块包括一电阻，跨接于所述功率开关的第二端和第三端，用于对所述功率开关进行静态均压。
优选地，所述至少一串联模块还包括一电容及一二极管，所述电容包含第一端和第二端，所述二极管包含正极和负极，所述电容的第一端耦接于所述二极管的负极，所述二极管的正极和所述电容的第二端跨接于所述功率开关的第二端和第三端，用于对所述功率开关进行动态均压。
优选地，所述至少一串联模块还包括一箝位电路，设置于所述电容和所述检测模块之间，用于将反映所述功率开关的第二端和第三端间的电压箝位至一第二阈值电压，其中，所述第二阈值电压低于所述第一阈值电压。
优选地，该电压检测信号经由光纤传送至所述控制模块。
优选地，多个串联模块中的每一串联模块均包括该检测模块。
优选地，所述控制模块包括一逻辑电路，其输入端电性连接至所述检测模块的隔离单元，并且其输出端电性连接至所述驱动模块。在一实施例中，所述逻辑电路为或非门电路，当至少一串联模块的所述过压信号为高电平时，所述逻辑电路的输出端输出一低电平的控制信号至所述驱动模块。在另一实施例中，所述逻辑电路为与门电路，当至少一串联模块中的所述过压信号为低电平时，所述逻辑电路的输出端输出一低电平的控制信号至所述驱动模块。
优选地，所述功率开关为绝缘栅双极型晶体管。
依据本发明的另一个方面，提供一种用于控制上述功率开关串联电路的方法，该方法包括以下步骤：检测至少一串联模块中的功率开关的第二端和第三端之间的电压；将所检测的电压与一阈值电压进行比较；当所检测的电压高于所述阈值电压时，在一预设时间内输出一控制信号；以及将所述控制信号进行放大处理，以驱动所述每一串联模块中的功率开关执行关断操作。
优选地，将所检测的电压与所述控制信号通过一光耦合器进行隔离。
优选地，所述控制信号经由光纤传送至所述驱动模块。
优选地，所述功率开关为绝缘栅双极型晶体管。
依据本发明的又一个方面，提供一种多电平变换装置，其中，所述变换装置包括一三相H桥电路，其每一桥臂具有一第一子桥臂和一第二子桥臂，所述第一子桥臂和所述第二子桥臂均由根据本发明上述一个方面所述的一个或多个功率开关串联电路所构成。
优选地，所述三相H桥电路为两电平H桥或三电平H桥。
优选地，所述第一子桥臂中的每一功率开关的第一端均电性连接至一控制信号，以及所述第二子桥臂中的每一功率开关的第一端均电性连接至另一控制信号。
采用本发明的功率开关串联电路，当任意一个串联模块的功率开关的第二端和第三端之间的电压出现过压时，控制模块输出与该过压信号相对应的控制信号至驱动模块，以便关断整个串联桥臂上的功率开关，以免功率开关因过压而遭到损坏，因而可提升该功率开关串联电路的运行可靠性。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
图1示出依据本发明的一个方面的功率开关串联电路的原理示意图；
图2示出图1的功率开关串联电路的检测模块的结构示意图；
图3示出图1的功率开关串联电路的均压模块的电路示意图；
图4示出依据本发明的另一个方面的功率开关串联电路的控制方法的流程示意图；以及
图5示出将本发明的功率开关串联电路应用于多电平变换装置的原理示意图。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。
图1示出依据本发明的一个方面的功率开关串联电路的原理示意图。参照图1，本发明的功率开关串联电路包括两个串联模块10和20、控制模块30和驱动模块40。其中，串联模块10和20间通过各自的功率开关101和201串联连接，以构成功率开关串联桥臂。优选地，该功率开关采用相同型号的绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)。然而，该功率开关也可采用IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)或IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，注入增强栅晶体管)等。
串联模块10包括一功率开关101和一检测模块103，串联模块20包括一功率开关201。具体地，功率开关101具有一第一端、一第二端和一第三端。以功率开关101采用IGBT为例，该功率开关101包括一栅极、一集电极和一发射极，并且功率开关101的栅极接收来自驱动模块40的驱动信号，以控制其导通或关断，功率开关101的集电极电性连接至相邻的一串联模块中的功率开关的发射极，以及功率开关101的发射极电性连接至相邻的另一串联模块中的功率开关的集电极(如串联模块20的功率开关201的集电极)。
检测模块103包括一检测单元和一隔离单元，其中，检测单元用于检测功率开关的集电极和发射极之间的电压是否过压，并且隔离单元根据所检测的电压输出一电压检测信号。在一实施例中，当所述功率开关101的集电极和发射极之间的电压高于第一阈值电压时，该检测单元(或称为被动检测元件)电性导通以耦接至所述隔离单元。在另一实施例中，该隔离单元为一光耦合器，其包括一发光半导体和一受光半导体，该发光半导体与所述检测单元串联连接，以及所述受光半导体连接至所述控制模块。当该光耦合器选择一高速光耦合器时，还可以根据所检测的电压快速地输出一电压检测信号。例如，在一较短的预设时间内输出该电压检测信号。
控制模块30，电性连接至检测模块103的隔离单元，用于接收来自该隔离单元的电压检测信号，并输出与该电压检测信号相对应的控制信号。驱动模块40电性连接至控制模块30，用于将该控制信号进行放大处理，以驱动每一串联模块10和20中的功率开关101和201导通或关断。其中，当串联模块10中的检测模块103所检测的电压高于一第一阈值电压(如过压保护阈值电压)时，该电压检测信号为一过压信号，并且控制模块30输出与该过压信号相对应的控制信号，经由驱动模块40驱动后用来关断串联模块10的功率开关101和串联模块20的功率开关201。
在一具体实施例中，当检测模块103所检测的电压高于第一阈值电压时，检测模块103输出一过压信号至控制模块30，然后控制模块30根据所接收的过压信号来生成一控制信号。此时，该控制信号经由驱动模块进行放大处理后，不仅送入出现过压故障的串联模块10的功率开关101的栅极，还送入未出现过压故障的串联模块20的功率开关201的栅极，从而可保证功率开关101和201的同步关断操作。较佳地，本发明还可在每一串联模块中设置与检测模块103相同的检测模块，以便在任一串联模块的功率开关出现过压时，控制模块30均能输出一控制信号，以便同步关断该功率开关串联电路中的每一功率开关，因而可极大地提升该功率开关串联电路的可靠性。
在另一具体实施例中，控制模块30包括一逻辑电路，其输入端电性连接至串联模块10的检测模块103，并且其输出端电性连接至驱动模块40。例如，该逻辑电路设置为或非门电路，当来自串联模块10中的检测模块103的过压信号为高电平时，逻辑电路的输出端输出一低电平的控制信号至驱动模块40。又如，该逻辑电路设置为与门电路，当来自串联模块10中的检测模块103的过压信号为低电平时，逻辑电路的输出端输出一低电平的控制信号至驱动模块40。
本领域的技术人员应当理解，图1中的功率开关串联电路包括串联模块10和串联模块20，但本发明并不只局限于仅仅包括两个串联模块。例如，在其他实施例中，本发明的功率开关串联电路还可包括三个串联模块或三个以上串联模块的情形，而这些实施例也同样包含在本发明的精神范围内。此外，图1中的功率开关电路仅在串联模块10中包括用于过压保护的检测模块103，但本发明也并不只局限于此，例如，在其他实施例中，本发明的功率开关串联电路还可在每一串联模块中均设置检测模块，以便通过检测串联桥臂上的任一功率开关的第二端和第三端之间的电压是否过压来同步关断该串联桥臂上的所有功率开关。
图2示出图1的功率开关串联电路的检测模块的结构示意图。参照图2，以串联模块10为例，该串联模块10包括功率开关101和检测模块103。其中，该检测模块103包括检测单元1031和隔离单元1032。较佳地，该检测单元1031为一TVS二极管或一稳压二极管，用于检测该功率开关101的集电极和发射极之间的电压是否过压。又如，该隔离单元1032为一光耦合器，用于根据所检测的电压快速地输出一电压检测信号，进而将该电压检测信号经由光纤传送至控制模块30。
在一具体实施例中，光耦合器包括一发光半导体和一受光半导体，所述发光半导体与所述检测单元串联连接，以及所述受光半导体连接至所述控制模块。
在另一具体实施例中，检测模块103的隔离单元1032快速地输出一电压检测信号，并且该电压检测信号经由光纤传送至控制模块30。
图3示出图1的功率开关串联电路的均压模块的电路示意图。参照图3，以串联模块10为例，该串联模块10包括功率开关101、检测模块103和均压模块105。
均压模块105电性连接功率开关101和检测模块103。在一实施例中，该均压模块105包括静态均压电路1051。在另一实施例中，该均压模块105包括动态均压电路1052。在又一实施例中，该均压模块105包括箝位电路1053。较佳地，静态均压电路1051为电阻Roff，跨接于功率开关101的第二端和第三端，用于对功率开关101进行静态均压。较佳地，动态均压电路1052为电容C2，跨接于功率开关101的第二端和第三端或经由二极管D连接至功率开关101的第二端，用于对功率开关进行动态均压。较佳地，箝位电路1053设置于电容C2和检测模块103之间，用于将反映功率开关101的第二端和第三端间的电压箝位至一第二阈值电压，例如，上述反映功率开关101的第二端和第三端间的电压可以是电容C2两端的电压，其中，该第二阈值电压低于第一阈值电压。亦即，当功率开关101的第二端和第三端之间的电压稍高于第二阈值电压时，该箝位电路1053可将其箝位至该第二阈值电压。而当电压继续升高到高于第一阈值电压时，检测模块103的检测单元(如TVS二极管)检测到功率开关101出现过压情形，然后通过控制模块30来关断桥臂上的所有功率开关。需要指出的是，串联电路中的功率器件因阻断特性不一致，从而造成该功率器件静态不均压；而串联电路中的功率器件因开关特性不一致，从而会造成动态不均压。为此，在串联桥臂上的每一IGBT的集电极和发射极之间并联电阻值相等的电阻(如在每一串联模块10和20各自的功率开关101和201的集电极和发射极之间并联电阻R1)，从而有效地实现静态均压。另外，依据电容两端所加载的电压不能突变的特性，可对功率开关的动态均压进行显著地改进。
图4示出依据本发明的另一个方面的功率开关串联电路的控制方法的流程示意图。该方法首先执行步骤S401，检测至少一串联模块中的功率开关的第二端和第三端之间的电压。然后，在步骤S403中，将所检测的电压与一阈值电压进行比较。接着，执行步骤S405和S407，当所检测的电压高于该阈值电压时，在一预设时间内快速地输出一控制信号，并将该控制信号进行放大处理，以驱动每一串联模块中的功率开关执行关断操作。
如前所述，当功率开关串联电路中的任意一个串联模块发生过压情形时，通过其检测模块快速输出的过压信号经由控制模块处理后，控制模块所输出的控制信号经由驱动模块传送至每一串联模块中的功率开关的栅极。
图5示出将本发明的功率开关串联电路应用于多电平变换装置的原理示意图。参照图5，该多电平变换装置包括一H桥电路，其中，该H桥电路具有三个桥臂，每一桥臂分为上桥臂和下桥臂。以第一桥臂51为例，该第一桥臂51包括上桥臂511和下桥臂512，其中，该上桥臂511采用本发明的前述功率开关串联电路构成，以等效于单个的一高压半导体器件，以及该下桥臂512亦采用本发明的前述功率开关串联电路构成，以等效于单个的另一高压半导体器件。当H桥电路与三相电机电性连接时，该H桥电路的三个桥臂各自的输出端电性连接至电机的对应相。
本领域的技术人员应当理解，对于同一桥臂来说，上桥臂511或下桥臂512还可包括两个或两个以上的功率开关串联电路，这些功率开关串联电路采用串联连接。也就是说，上桥臂511或下桥臂512可包括串联连接的一等效高压半导体器件以及另一等效高压半导体器件。
采用本发明的功率开关串联电路，当任意一个串联模块的功率开关的第二端和第三端之间的电压出现过压时，控制模块输出与该过压信号相对应的控制信号至驱动模块，以便关断整个串联桥臂上的功率开关，以免功率开关因过压而遭到损坏，因而可提升该功率开关串联电路的运行可靠性。同时，本发明的功率开关串联电路中的检测模块简单易行，快速可靠，能快速有效地检测出故障信号，以便对IGBT进行控制。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (21)

1.一种功率开关串联电路，其特征在于，所述功率开关串联电路包括：
多个串联模块，相邻的串联模块间通过各自的功率开关串联连接，并且所述多个串联模块中的至少一串联模块包括：
一功率开关，具有一第一端、一第二端和一第三端，所述第一端用于控制所述功率开关导通或关断，所述第二端连接至相邻的一串联模块中的功率开关，以及所述第三端连接至相邻的另一串联模块中的功率开关；以及
一检测模块，包括一检测单元和一隔离单元，所述检测单元用于检测所述功率开关的第二端和第三端之间的电压是否过压，以及所述隔离单元根据所检测的电压输出一电压检测信号；
一控制模块，电性连接至所述隔离单元，用于接收所述电压检测信号并输出与所述电压检测信号相对应的一控制信号；以及
一驱动模块，电性连接至所述控制模块，用于将所述控制信号进行放大处理，以驱动每一串联模块中的功率开关导通或关断；
其中，当所检测的电压高于一第一阈值电压时，所述电压检测信号为一过压信号，并且所述控制模块输出与所述过压信号相对应的控制信号，以便关断每一串联模块中的功率开关。
2.根据权利要求1所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述隔离单元为一光耦合器。
3.根据权利要求1所述的功率开关串联电路，其特征在于，当所述功率开关的第二端和第三端之间的电压高于所述第一阈值电压时，所述检测单元电性导通以耦接至所述隔离单元。
4.根据权利要求1所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述至少一串联模块还包括一均压模块，该均压模块包括：
一电阻，跨接于所述功率开关的第二端和第三端，用于对所述功率开关进行静态均压。
5.根据权利要求1所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述至少一串联模块还包括一电容及一二极管，所述电容包含第一端和第二端，所述二极管包含正极和负极，所述电容的第一端耦接于所述二极管的负极，所述二极管的正极和所述电容的第二端跨接于所述功率开关的第二端和第三端，用于对所述功率开关进行动态均压。
6.根据权利要求1所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述至少一串联模块还包括一箝位电路，设置于所述电容和所述检测模块之间，用于将所述反映功率开关的第二端和第三端间的电压箝位至一第二阈值电压，其中，所述第二阈值电压低于所述第一阈值电压。
7.根据权利要求2所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述光耦合器包括一发光半导体和一受光半导体，所述发光半导体与所述检测单元串联连接，以及所述受光半导体连接至所述控制模块。
8.根据权利要求7所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述光耦合器为一高速光耦合器。
9.根据权利要求1所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述电压检测信号经由光纤传送至所述控制模块。
10.根据权利要求1所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述多个串联模块中的每一串联模块均包括所述检测模块。
11.根据权利要求1所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述控制模块包括一逻辑电路，其输入端电性连接至所述检测模块的隔离单元，并且其输出端电性连接至所述驱动模块。
12.根据权利要求11所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述逻辑电路为或非门电路，当至少一串联模块的所述过压信号为高电平时，所述逻辑电路的输出端输出一低电平的控制信号至所述驱动模块。
13.根据权利要求11所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述逻辑电路为与门电路，当至少一串联模块中的所述过压信号为低电平时，所述逻辑电路的输出端输出一低电平的控制信号至所述驱动模块。
14.根据权利要求1所述的功率开关串联电路，其特征在于，所述功率开关为绝缘栅双极型晶体管。
15.一种用于控制如权利要求1所述的功率开关串联电路的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
检测至少一串联模块中的功率开关的第二端和第三端之间的电压；
将所检测的电压与一阈值电压进行比较；
当所检测的电压高于所述阈值电压时，在一预设时间内输出一控制信号；以及
将所述控制信号进行放大处理，以驱动所述每一串联模块中的功率开关执行关断操作。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将所检测的电压与所述控制信号通过一光耦合器进行隔离。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制信号经由光纤传送至所述驱动模块。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述功率开关为绝缘栅双极型晶体管。
19.一种多电平变换装置，其特征在于，所述变换装置包括一三相H桥电路，其每一桥臂具有一第一子桥臂和一第二子桥臂，其中，
所述第一子桥臂和所述第二子桥臂均由如权利要求1至14中任意一项所述的一个或多个功率开关串联电路所构成。
20.根据权利要求19所述的多电平变换装置，其特征在于，所述三相H桥电路为两电平H桥或三电平H桥。
21.根据权利要求19所述的多电平变换装置，其特征在于，所述第一子桥臂中的每一功率开关的第一端均电性连接至一控制信号，以及所述第二子桥臂中的每一功率开关的第一端均电性连接至另一控制信号。
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