CN103797714B - 栅极控制电路、功率模块和相关联的方法 - Google Patents

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Abstract

本文介绍了一种栅极控制电路，包括：主栅极单元，布置成经多个主栅极单元输出供应栅极信号到多个功率开关的相应栅极以用于控制主电流；以及辅助栅极单元，包括用于将输入光功率转换成辅助电栅极信号的光功率转换器。辅助栅极单元布置成在多个功率开关之一中发生故障时，提供辅助电栅极信号到还在操作中的多个功率开关的任何一个的相应栅极。也介绍了对应的功率模块和方法。

Description

栅极控制电路、功率模块和相关联的方法
技术领域
本发明涉及用于在故障发生时控制主电路的电流的功率开关的控制。
背景技术
如技术领域中熟知的一样，如果一个或多个单独的功率开关（例如，绝缘栅双极晶体管，IGBT）发生故障，则短路故障模式(SCFM)提供功率开关模块的可预测行为。只要一般与包含故障功率开关的IGBT模块串联连接的足够数量的其它功率开关模块可操作，应用便仍能够运行。这能够继续，直至替换或修复故障功率开关或功率开关模块。
能够提供栅极单元，以便基于提供到功率模块的控制信号，提供适合的信号到功率开关。
栅极单元能够从主电路供电，并且能够具有功率开关位置暂时在非导通状态时继续为栅极单元供电的组件。然而，短路故障功率开关最终将导致栅极单元的功率关闭，使得难以或不可能控制剩余运转正常的功率开关。
发明内容
目的是在栅极单元从主电路供电的情况下，提供实现用于功率模块的短路故障模式的健壮方式。
根据第一方面，介绍了一种栅极控制电路，包括：主栅极单元，其布置成经多个主栅极单元输出供应栅极信号到多个功率开关的相应栅极以用于控制主电流；以及辅助栅极单元，包括用于将输入光功率转换成辅助电栅极信号的光功率转换器。辅助栅极单元布置成在多个功率开关之一中发生故障时，提供辅助电栅极信号到还在操作中的多个功率开关的任何一个的相应栅极。通过从光功率为辅助栅极单元供电，确保了短路故障模式独立于主电路用于剩余的操作的功率开关。只要光功率的源在运转，这便能够在长时间期内继续，例如，直至故障的功率开关能够被替换。
辅助栅极单元可包括在光功率转换器与用于多个功率开关的每个的相应输出之间提供的多个辅助栅极单元电阻器，其中，多个辅助栅极单元电阻器中的每个辅助栅极单元电阻器大到足以保持操作功率开关的栅极电压，使得相应操作功率开关导通。这防止了故障功率开关收集来自光功率的所有功率，以便能够提供足够的电压到要设在导通状态中的剩余的操作的功率开关。
主栅极单元可还包括分别连接到每个主栅极单元输出的多个主栅极单元电阻器，其中，每个主栅极单元电阻器的电阻大大低于每个辅助栅极单元电阻器的电阻。这允许用于主栅极单元驱动器的快速响应及辅助栅极单元驱动器的持续连接。
主栅极单元可包括布置成相互断开多个主栅极单元输出的多个输出开关。具体而言，在从主栅极单元到每个栅极存在低电阻的情况下，这阻止故障功率开关压低剩余的操作的功率开关的电压。
输出开关可分别包括布置成在主栅极单元变得无功率时变为非导通的晶体管。这样，设置输出开关在阻断状态的控制信号变得是可选的。
辅助栅极单元可包括可由控制器选择性地操作用于使辅助栅极单元提供辅助电栅极信号到还在操作中的多个功率开关的任何一个的控制开关。
辅助栅极单元可包括连接到光功率转换器的电容器。电容器降低了来自光功率转换器的电压的临时变化。
第二方面是一种功率模块，包括：根据第一方面的栅极控制电路；以及连接到栅极控制电路的多个功率开关。
多个功率开关的每个功率开关可包括绝缘栅双极晶体管。
第三方面是一种在栅极控制电路中执行的方法，栅极控制电路包括：主栅极单元，布置成经多个主栅极单元输出供应栅极信号到多个功率开关的相应栅极以用于控制主电路的电流；以及辅助栅极单元，包括用于将输入光功率转换成辅助电栅极信号的光功率转换器。方法包括以下步骤：在多个功率开关之一中发生故障时，提供辅助电栅极信号到还在操作中的多个功率开关的任何功率开关的相应栅极。
要注意的是，在适合时，第一、第二或第三方面的任何特征可应用到这些方面的任何其它。
描述和权利要求中的“多个”一词要理解为表示“不止一个”。
通常，除非在本文中另有明确定义，否则，在权利要求中使用的所有术语可根据在技术领域中其普通含意理解。除非另有明确说明，否则，对“一/一个/该元素、设备、组件、部件、步骤等”的所有引用要以开放方式理解为指元素、设备、组件、部件、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则，本文中公开的任何方法的步骤不必按公开的确切顺序执行。
附图说明
现在将通过示例，参照附图描述本发明，其中：
图1A-B是示出能够应用本发明的实施例的环境的示意图；
图2A是示出在所有功率开关可操作时图1A和1B的功率模块之一的组件和接口的示意图；
图2B是示出在功率开关之一已发生故障时图1A和1B的功率模块之一的组件和接口的示意图；
图3是示出使用图2的栅极控制电路执行的方法的流程图；以及
图4是图2A-B的辅助栅极单元的一个实施例的示意图。
具体实施方式
现在，将参照显示本发明的某些实施例的附图，在下文更全面地描述本发明。然而，本发明可以许多不同的形式具体体现，并且不应视为限于本文所述的实施例；相反，这些实施例作为示例提供，使得此公开内容将是全面和完整的，并且将本发明的范围全面传达给本领域的技术人员。整个描述中类似的标号表示类似的元素。
图1A-B是示出能够应用本发明的实施例的环境的示意图。示出了逆变器中用于一相的桥臂。另外的相（如对于三相系统）以相同的方式配置。使用正DC总线DC+和负DC总线DC-供应DC功率。阀控制单元(VCU) 11连接到多个功率模块9a-h以控制通过功率模块9a-h的主电路的主电流28。桥臂的上部分包括第一组功率模块9a-9d，并且桥臂的下部分包括第二组功率模块9e-h。第一组功率模块9a-9d由来自VCU 11的第一控制信号控制，并且第二组功率模块9e-9h由来自VCU 11的第二控制信号控制。这允许VCU例如实现脉宽调制(PWM)以供应交流电到输出10。通过串联放置几个功率模块9a-d、9e-h，能够支持高电压应用。要注意的是，此处所示功率模块的数量只是示例，并且任何适合数量的功率模块均能够使用。
如果现在一个功率模块发生故障，如图1B的功率模块9c，则在故障功率模块设成在短路模式中导通时，电路能够还如希望般工作。在功率模块中检测到故障时，确保它设成短路故障模式，在该模式中它继续导通。换而言之，不考虑来自VCU 11的信号如何，故障功率模块9c将导通。只要在此配置中存在一定的溢量度（over-dimensioning），剩余功率模块9a-b、9d-h便如平常一样操作，并且提供所需功能，直至替换或修复故障功率模块9c。
故障功率模块有关的另一风险是如果故障功率模块损坏（breaks）电路，则能够发生放电，这能够导致另外的故障组件并且甚至起火。
存在相同构想在其中是有用的许多其它拓扑，如H桥、半桥等，即，在功率模块发生故障时，它应设成导通状态。
图2A和2B是分别示出在所有功率开关可操作时和在一个功率开关已发生故障时图1A和1B的功率模块之一的组件和接口的示意图。图1A-B的所有功率模块9a-h能够具有相同配置。功率模块9包括栅极控制电路2和功率开关模块3。
功率开关模块3包括如上参照图1A和1B解释，执行主电路的实际开关的一组功率开关20a-f。功率开关20a-f在此处并联提供以支持充分大的电流。任何适合数量的功率开关20a-f均能够提供。在此示例中，提供了6个功率开关20a-f。功率开关20a-f能够是任何适合的功率开关，例如，IGBT。
栅极控制电路2包括均连接到功率开关模块3的功率开关20a-f的栅极的主栅极单元5和辅助栅极单元1。
主栅极单元5接收来自VCU 11的控制信号。控制信号能够是功率开关20a-f要在导通状态，或者功率开关20a-f要在阻断状态。主栅极单元5能够从与主电路相同的源供电，例如，功率开关20a-f在阻断状态时使用跨功率开关模块3的电压。
主栅极单元5包括连接到功率开关20a-f的相应栅极的多个主栅极单元输出30a-f。对于每个主栅极单元输出30a-f，在主栅极单元5内提供了相应主栅极单元电阻器17a-f和相应输出开关18a-f。输出开关18a-f例如能够是MOSFET（金属氧化物半导体场效晶体管）或其它晶体管。输出开关18a-f能够从与剩余的主栅极单元5相同的电源供电，由此，如果主栅极单元5失去功率，则输出开关18a-f也失去功率并且由此断开。换而言之，这些输出开关18a-f属于通常关断的类型。
主栅极单元5经到阀控制单元11的连接19接收控制信号。连接19能够是光连接或者是电连接。
能够有主栅极单元5的其它组件，但为不混淆所述实施例而在此处未示出它们。
辅助栅极单元1具有分别连接到功率开关20a-f的栅极的多个辅助栅极单元输出。辅助栅极单元输出的数量对应于功率开关20a-f的数量。对于每个辅助栅极单元输出，辅助栅极单元1包括相应辅助栅极单元电阻器16a-f。控制开关15可选择性地操作，使得辅助栅极单元1能够提供或不提供栅极信号。
VCU 11包括发光二极管(LED) 4，例如，激光二极管。LED 4能够将光经光传送管道7发送到辅助栅极单元1，并且也可选地发送到主栅极单元5。光传送管道7能够是光纤，并且能够可选地与用于在VCU 11与主栅极单元5之间发送控制信号的光纤组合。
辅助栅极单元1包括能够将来自LED 4的输入光功率转换成辅助电栅极信号的光功率转换器12。
光功率转换器12包括光电二极管8和转换器22。转换器22包括将来自光电二极管8的电功率转换成适合电压以用于驱动功率开关20a-f的栅极的必需电路。例如，电压电平能够是几伏，例如，在3到25伏的范围，或者在IGBT用作功率开关时，电压电平能够在10到20伏的区域中。平滑电容器13提供用于整平电压变化。
在图2A中，所有功率开关20a-f可操作。主栅极单元5也完全可操作，并且从主电路供电。因此，由于有供应到主栅极单元5的功率，输出开关18a-f在导通状态。
图2B示出在一个功率开关20b中已发生故障，即，有故障功率开关20b的情形。故障功率开关20b使主栅极单元5无功率，这是因为故障功率开关20b能够造成跨功率开关模块3的极低电压，从而阻止将来自跨功率开关模块的电压的功率提供到栅极单元5。因此，输出开关18a-f呈现阻断状态。这阻止了在栅极之间的电流通过主栅极单元5。
辅助栅极单元1的控制器感应到故障功率开关20b的故障，并且控制控制开关15呈现导通状态。通过光传送管道7供应的功率足以使操作功率开关的栅极的电压保持在使它们导通的电压。不执行开关，这与正常可操作状态相比，进一步降低了功率要求。换而言之，辅助栅极单元1使用辅助电栅极信号将剩余的操作的功率开关保持在短路故障模式。
主栅极单元5能够主动驱动控制开关15阻断，其中，控制开关属于通常接通的类型。因此，如果主栅极单元5失去功率，例如，由于跨功率开关模块3的电压下降，则控制开关15变得导通。电容器13从主栅极单元可操作时预充电。
故障功率开关20b的栅极和发射极可能短路。辅助栅极单元电阻器16a-f量度得大到足以保持操作功率开关的栅极电压，使得相应操作功率开关导通。换而言之，从故障功率开关20b的栅极，通过对应于故障功率开关20b的辅助栅极单元电阻器16b，并且通过辅助栅极单元电阻器到剩余的操作的功率开关的相应栅极的电压差足以保持剩余的操作的功率开关在导通状态。
另外，主栅极单元电阻器17a-f的电阻更低得多，以便在正常操作期间实现快速响应。这样，在正常操作期间，能够可选地在备用模式中持续连接辅助栅极单元1。在此类实施例中，控制开关14和控制器15是可选的。与主栅极单元5的更短常规响应时间相比，辅助栅极单元5的高欧姆栅极驱动器将只产生辅助栅极单元1的更慢但还足够的响应。
如何使用辅助栅极单元1的一个选择是在正常操作期间关闭LED 4以便为VCU 11的辅助栅极单元1供电。这将大幅延长LED的寿命及因此增大其可靠性。
可选的是，主栅极单元5在正常操作期间为辅助栅极单元1供电并监控它。例如通过检查光电源11（包括光传送管道7）的功能性，有时通过在短时间间隔期间激励激光二极管4，能够实现此操作。主栅极单元5或另外的辅助光纤的现有连接19可用于监控以及在希望时控制LED 4的光输出功率。
图3是示出使用图2的栅极控制电路执行的方法的流程图。在功率开关发生故障，并且情况需要处理时，开始方法。
在提供辅助电栅极信号步骤40中，辅助电栅极信号提供到还在操作中的多个功率开关的任何一个的相应栅极。
图4是图2A-B的辅助栅极单元的一个实施例的示意图。此处，多个栅极开关25a-f提供用于选择性地阻止或允许将辅助电栅极信号提供到功率开关的相应栅极（此处未示出，参见图2A-B）。栅极开关25a-f由栅极监控器26控制。栅极监控器26还已连接，使得它能够检测用于相应功率开关的每个已连接栅极的栅极电压。
栅极监控器26能够作为辅助栅极单元1的一部分提供，或者在辅助栅极单元1的外部（未示出），仍在栅极控制电路2内提供。
功率开关20a-f发生故障时，栅极电压一般将降低。如果栅极电压降到低于阈值电压，则栅极监控器26断开连接到具有降低电压的栅极的开关。这样，故障功率开关的栅极被断开，由此没有功率传送到故障功率开关。这样，在通过栅极开关25a-f有一定的电阻或其它电压降的时候，辅助栅极单元电阻器16a-f能够提供有更低的电阻，或者辅助栅极单元电阻器16a-f可甚至被忽略。这是因为正需要检测在故障与可操作功率开关的栅极之间的不同电压。因此，如果功率开关发生故障达到这样的程度以使得栅极短路，则电流将不供应到故障功率开关，这进一步降低了在SCFM中时的功率要求。
本发明在上面主要参照几个实施例进行描述。然而，如本领域技术人员将容易理解的一样，与上面公开实施例不同的其它实施例在如所附的专利权利要求定义的本发明的范围内同样是可能的。

Claims (7)

1.一种栅极控制电路(2)，包括：
主栅极单元(5)，其布置成经多个主栅极单元输出(30a-f)供应栅极信号到主电路的多个并联功率开关(20a-f)的相应栅极以用于控制所述功率开关的开关；
辅助栅极单元(1)，其包括用于将输入光功率转换成辅助电栅极信号的光功率转换器(12)，并且所述辅助栅极单元(1)布置成在所述多个功率开关之一中发生短路故障时，提供所述辅助电栅极信号到还在操作中的所述多个功率开关(20a-f)的任何一个的相应栅极；
多个栅极开关(25a-f)，其用于选择性地阻止将所述辅助电栅极信号提供到所述相应栅极，以及
连接到所述多个栅极开关(25a-f)的栅极监控器(26)，所述栅极监控器布置成断开连接到所述栅极监控器(26)检测到其栅极电压低于阈值电压的栅极的所述栅极开关，
其中所述辅助栅极单元(1)包括在所述光功率转换器(12)与用于所述多个功率开关(20a-f)的每个的相应输出之间提供的多个辅助栅极单元电阻器(16a-f)，
所述多个辅助栅极单元电阻器(16a-f)的每个辅助栅极单元电阻器大到足以保持操作功率开关的栅极电压，使得所述相应操作功率开关导通，
所述主栅极单元(5)还包括分别连接到每个主栅极单元输出的多个主栅极单元电阻器(17a-f)，以及
每个主栅极单元电阻器的电阻低于每个辅助栅极单元电阻器的电阻，并且
多个输出开关（18a-f），连接到所述多个并联功率开关(20a-f)的相应栅极，并且设置成在其中一个功率开关(20a-f)故障的情况下呈现阻断状态。
2.如权利要求1所述的栅极控制电路(2)，其中所述输出开关分别包括布置成在所述主栅极单元(5)变得无功率时变为非导通的晶体管。
3.如权利要求1所述的栅极控制电路(2)，其中所述辅助栅极单元(1)包括可由控制器(14)选择性地操作用于使所述辅助栅极单元(1)提供所述辅助电栅极信号到还在操作中的所述多个功率开关(20a-f)的任何一个的控制开关(15)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的栅极控制电路(2)，其中所述辅助栅极单元包括连接到所述光功率转换器(12)的电容器。
5.如权利要求1-3中任一项所述的栅极控制电路(2)，其中所述主栅极单元(5)布置成由所述主电路供电。
6.一种功率模块(9)，包括：
如权利要求1到5中任一项所述的栅极控制电路(2)；以及
连接到所述栅极控制电路(2)的多个并联功率开关(20a-f)。
7.如权利要求6所述的功率模块(9)，其中所述多个功率开关(20a-f)的每个功率开关包括绝缘栅双极晶体管。
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