CN103888002A - 用于操作电力整流器的方法以及电力整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于操作电力整流器的方法以及电力整流器。所述电力整流器包括彼此并联连接的至少两条支线，所述支线中的每条支线包括串联连接的至少两个功率半导体元件。所述功率半导体元件中的一个的集电极-发射极电压Vce(t)和／或集电极电流Ic(t)借助所述方法进行检测。另外，确定是否满足以下条件中的至少一个：dVce(t)／dt<(dVce／dt)crit和／或dIc(t)／dt<(dIc／dt)crit和／或Ic(t_ent)<Iccrit。如果已经满足上述条件中的至少一个，那么所述功率半导体元件中的至少一个的栅极-发射极电压增大。

Description

用于操作电力整流器的方法以及电力整流器
技术领域
本发明涉及用于操作电力整流器(Electrical Power Rectifier)的方法以及涉及电力整流器。
背景技术
已经为人所知的是，三相电力整流器可以用来将直流电转换成交流电压并且反之亦然。在考虑到电力整流器的二相实施例时，通过使用相应两个功率半导体元件将三条支线彼此并联连接。例如，功率半导体元件可以是所谓的IGBT(IGBT为绝缘栅双极晶体管)，其中每个均可并联连接到相反极性的二极管上。中间电路可以并联连接到三条支线上，即，具体来说是以电容器的形式并联连接。例如，可将三条支线中的相应两个串联连接的功率半导体元件的三个连接点连接到三相电动机或发电机的相上。
如果电力整流器的其中一条支线中的两个功率半导体元件中的一个和／或关联二极管是有缺陷的，那么支线中的另一功率半导体元件的下游限位开关布置中会发生支线短路。这意味着并联连接的电容器通过缺陷元件而短路且支线中的经导通切换的另一功率半导体元件短路。
其中可以检测到此种支线短路的方法已经为人所知。例如，就此而言，已知的是在使用IGBT时对栅极-发射极电压或集电极电流进行监测。如果监测到了此种支线短路，那么同样已知的是，至少再次将支线中的另一经导通连接的功率半导体元件切换成非导通的，也就是说，将它切断。另外，已知的是，还将所有其他功率半导体元件切断或阻止其接通。因此，可能避免对另外的功率半导体元件的破坏。
然而，通过电力整流器的一条支线中的缺陷功率半导体元件和／或其关联的二极管，短路电流继续流动，即流动通过连接到的电动机或发电机并通过另外两条支线中的二极管。这样做时，通过电动机或发电机的这个短路电流可以遵循不对称的过程，其中确切地说，交流分量可由直流叠加。这可引起电动机或发电机中的关键转矩变化，并且确切地说，导致振荡转矩。
发明内容
本发明的目的在于避免已知电力整流器的上述缺点。
本发明通过一种根据权利要求1所述的方法以及通过根据权利要求9所述的电力整流器来实现这个目的。
具体的，本发明提供一种用于操作电力整流器的方法，其中所述电力整流器包括彼此并联连接的至少两条支线，所述支线中的每条支线包括串联连接的至少两个功率半导体元件，所述方法检测所述功率半导体元件中的至少一个的集电极-发射极电压Vce(t)和／或集电极电流Ic(t)，并确定是否满足以下条件中的至少一个：dVce(t)／dt<(dVce／dt)crit和／或dIc(t)／dt<(dIc／dt)crit和／或Ic(t_ent+Δt)<Iccrit，并且如果满足上述条件中的至少一个，那么所述功率半导体元件中的至少一个的栅极-发射极电压增大。
其中，在所述功率半导体元件接近去饱和(desaturation)时确定是否已经满足／满足所述条件dVce(t)／dt<(dVce／dt)crit和／或dIc(t)／dt<(dIc／dt)crit。
其中，(dVce／dt)crit、(dIc／dt)crit和／或Iccrit的值为预先设定的，如此当连接到所述电力整流器的负载上存在负载短路时，未达到所述值中的至少一个。
其中，在负载短路情况下，借助所述栅极-发射极电压增大而实现短路电流对称。
其中，所述栅极-发射极电压的所述增大至少大到足以防止受影响的功率半导体元件去饱和。
其中，借助检测短路来检测缺陷功率半导体元件，并且其中确定所述支线中的哪条支线中存在所述缺陷功率半导体元件。
其中，在所述电力整流器的其他支线中的所述功率半导体元件上，所述栅极-发射极电压增大。
其中，确定在受影响的支线的所述至少两个功率半导体元件中哪个功率半导体元件存在缺陷，并且其中在所述其他支线中的对应功率半导体元件上，所述栅极-发射极电压增大。
根据本发明，提供一种电力整流器，所述整流器包括至少两条并联连接的支线，每条支线各自具有至少两个串联连接的功率半导体元件以及用于激活所述功率半导体元件的控制装置；其中所述控制装置设计用于执行如前述任一所述用于操作电力整流器的方法。参照根据本发明的方法，集电极-发射极电压Vce(t)和／或集电极电流Ic(t)由所述功率半导体元件中的至少一个来检测。此外，确定是否已经满足以下条件中的至少一个：dVce(t)／dt<(dVce／dt)crit和／或dIc(t)／dt<(dIc／dt)crit和／或Ic(t_ent+Δt)<Iccrit。如果已经满足上述条件中的至少一个，那么所述功率半导体元件中的一个的所述栅极-发射极电压增大。
所述电力整流器中设有功率半导体元件，具体来说是可切断的IGBT。
在所述电力整流器中，在所述功率半导体元件中的至少一个的所述集电极与所述栅极之间，连接有开关和电路，借助所述开关和所述电路可使所述功率半导体元件的所述栅极-发射极电压增大。
其中，所述电路包括二极管，并且可选地包括偏移电压源。
通过增大所述栅极-发射极电压，较高的集电极电流可能流过受影响的功率半导体元件，但这不会引起所述元件的去饱和以及后续破坏。因此，这揭露了将所述电力整流器控制处于这种状态的可能性：所述电力整流器的负载已经连接到的那些接线短路。因此，流过所述负载上的所得短路电流可以对称形成。如果所述负载是电动机或发电机，那么电力整流器的对称状态具有以下效果：在负载上发生较小转矩变化。
因此，借助于本发明，可将所述电力整流器一方面移动到检测支线短路的位置和切断一个或多个适当功率半导体元件的位置中，以及另一方面，在负载短路情况下，移动到增大所述功率半导体元件中的一个的所述栅极-发射极电压的位置中，并且因此移动到能够实现短路电流对称的位置中。
因此，通过增大所述栅极-发射极电压，可能防止因高的负载驱动电流而导致的功率半导体元件的去饱和以及后续破坏。
附图说明
可从下文对本发明的示例性实施例的描述中推断本发明的另外特征、应用可能性和优点，所述实施例将在相关附图中展示。这样做时，所描述并展示的特征中的每个特征单独或以任何组合来对本发明的目的进行展示，而与其在专利权利要求或其引用文献中的概述无关，并与其在发明或附图中的公式或表示无关。这些内容在以下附图中示出：
图1是根据本发明的电力整流器的示例性实施例的示意性电路图；
图2是如图1所示电力整流器的功率半导体元件上的电流和电压的行为的示意性时间依赖性图(Time-dependency diagram)；以及
图3a至图3c是如图1所示电力整流器的功率半导体元件的电气布线的示意性电路图。
具体实施方式
图1示出三相二级电力整流器10的实例。电力整流器10包括三条并联连接的支线11、12、13，每条支线包括两个串联连接的IGBT14(IGBT为绝缘栅双极晶体管)。IGBT中的每个都与相反极性的二极管15并联连接。电力整流器10的三条支线11、12、13并联连接到电容器16上。电力整流器10的三条支线11、12、13中的每条支线中的两个IGBT14的连接点连接到三相负载17的一个相上，其中负载17可为提供在三角形或星形电路中的电动机或发电机。
IGBT14中的每个都包括了栅极、集电极以及发射极。IGBT14中的每个均呈导通和非导通状态。IGBT14的栅极连接到未示出的控制装置上，借助所述控制装置可将所述IGBT14切换成导通或非导通状态。IGBT14具有以下性质：首先，其可从其导通状态切换成其非导通状态，即使在短路情况下也是如此；并且其次，如果以增大的栅极电压激活，那么其可在至少数毫秒内以其额定电流多倍水平携载负载短路电流，而不会去饱和或／和受损。
参照还可使用其他可切断的功率半导体元件替代IGBT14这一事实，在这种情况下，可切断的功率半导体元件应理解为意指这样一种元件：也可使其变为非导通的，并且因此在短路情况下切断。
此外，应当指出，可在电力整流器10中提供另外更多或更少的支线11、12、13并且因此提供更多或更少的相。同样，电力整流器10可能经配置成并非仅仅包括两个级而是包括三个或更多个级。此外，IGBT14中的每个可配置成若干IGBT的串联和／或并联电路，和／或电容器16可配置成若干电容器的串联和／或并联电路。
在电力整流器10的正常操作模式下，IGBT14由控制装置通过以下这种方式激活：在提供电动机的情况下，将施加到电容器16上的直流电压转换成施加到电动机17的三个相上的交流电压，或在发电机的情况下，将施加到发电机17的三个相上的交流电压转换成施加到电容器16上的直流电压。
现在假设处于电力整流器10的上述正常操作模式下，IGBT14中的一个和／或其关联的二极管15存在缺陷，从而导致对应元件短路。此种缺陷例如可为IGBT14的集电极-发射极线路和／或关联的二极管15的阳极-阴极线路的短路。在图1中，上述缺陷用左支线11的上部IGBT14′或其关联的二极管15′中的双箭头来指示。因此，此时在电力整流器10中存在短路18。
一旦在同一支线11中将另外下部IGBT14"切换成导通，那么整条左支线11上就形成支线短路。借助在目前情况下未确切描述的短路检测，检测这个支线短路，并在几毫秒内切断短路18的同一支线11中存在的下部IGBT14"。
另外，应当指出，两条其他支线12、13中的另外IGBT14保持在较大程度上不受上述措施影响。
参照上述短路检测，可能的是例如监测下部IGBT14"的去饱和。为了实现这种情况，可以随着时间t而来确定IGBT14"上的以下操作参数中的至少一个：集电极-发射极电压Vce(t)和／或集电极电流Ic(t)。确定这些操作参数可以通过任何期待方式实现，例如，通过借助传感器来执行测量实现。应当了解，关于短路检测，上述情况也适用于其他IGBT。如果在切断左支线11的下部IGBT14"后，例如切换中心支线12中的上部IGBT14′以便使其成导通的，那么现在并不存在至少一相负载短路。在这种情况下，负载17的两个相一方面是在短路18上彼此之间形成短路，并且另一方面是与中心支线12的经导通切换的上部IGBT14′形成短路。在这种负载短路情况下，短路电流流过中心支线12中的上部IGBT14′。所述短路电流也可施加到负载17的第三相。
现在确定在中心支线12中的这个上部IGBT14′上是否已满足以下三个条件中的一个条件：dVce(t)／dt<(dVce／dt)crit，和／或dIc(t)／dt<(dIc／dt)crit，和／或Ic(t_ent+Δt)<Iccrit，其中t_ent是受影响的IGBT的去饱和开始时间，并且Δt(delta t)表示可预先设定的延时。
需说明的是，在本发明中，所述Δt也可写为delta t、Δ_t或delta_t。
考虑第一条件，检查短路电流所流过的中心支线12的上部IGBT14′的集电极-发射极电压的增大速度在这个IGBT的去饱和时间t_ent时是否可能低于可预先设定的临界值(Critical value)。考虑第二条件，检查短路电流所流过的中心支线12的上部IGBT14′的集电极-发射极电流的增大速度是否可能低于可预先设定的临界值。并且，考虑第三条件，检查在短路电流所流过的中心支线12的IGBT14′的去饱和开始后、在延时Δt期满后集电极-电流是否小于可预先设定的临界值。可以例如借助控制装置来对这些条件进行检查。
应当了解，对应条件还适用于中心支线12和右支线13的其他IGBT14′、14″，只要其在切断左支线11中的短路后进行切换以便导通或已进行切换以便导通即可。
所述临界值(dVce／dt)crit、(dIc／dt)crit和／或Iccrit通过以下这种方式选择：在一方面由缺陷IGBT14导致的电力整流器10的支线短路与另一方面由缺陷整流器10导致的连接到电力整流器10上的负载17的负载短路之间可能进行区别。
具体来说，当在电力整流器10的支线11、12、13内，支线短路(例如短路18)已被切断并且随后负载短路中的短路电流继续达到高值时，上述临界值中的至少一个并未达到。
其中一个条件或两个条件的组合或所有三个条件都可用于上述区别。可以在下文中参照图2详细阐述所提及的区别。
在这种情况下，上述支线短路如已阐述那样应当切断，而负载短路则如将在下文阐述那样应以不同方式处理。
如果对上述条件的验证表明已经满足所述条件中的至少一个，那么在目前情况下，将中心支线12的上部IGBT14′继续切换成是导通的，并且上部IGBT14′的栅极-发射极电压增大。另外，将中心支线12的下部IGBT14"可选地切换成非导通的，或者阻止其导通端切换。
另外，应当指出，如果已经满足所述条件中的至少一个，那么可以省略对短路的上述切断。这对应地也已针对右支线13完成。在下文中，电力整流器10处于这种状态：一方面，左支线11中存在短路18，并且另一方面，切换中心支线12和右支线13的两个上部IGBT14′以便使其在升高的栅极-发射极电压下是导通的。这表示了一种对称状态，因为在第一支线11中，电容器16的正极通过中心支线12的上部IGBT14′并通过右支线13的上部IGBT14′分别连接到负载17的一个不同相上。
鉴于中心支线12和右支线13的两个上部IGBT14′的栅极-发射极电压Vge增大，将要添加以下需要：
在一个IGBT的正常操作模式下，对其栅极-发射极电压进行调整，例如，调整为约15伏的值。如果在这种情况下，经导通切换的IGBT的集电极-发射极电压超过12伏的值，那么例如给定IGBT的去饱和。这种状态可能导致IGBT的去饱和。通过已提及的短路检测，即可检测这种状态，并且如已提及的那样可以在几毫秒内切断IGBT。
参照栅极-发射极电压的上述增大，提供与上述约15伏不同的值，所述值至少高到足以防止IGBT的去饱和。这意味着，通过增大的栅极-发射极电压，并不发生IGBT的去饱和，并且因此，与15伏的栅极-发射极电压的情况相比，相当高的集电极电流更有可能在IGBT上自由流动。
例如，增大的栅极-发射极电压可以具有在约30伏至约70伏范围内的值。因此，由于增大的栅极-发射极电压，因此，在上述示例性实施例中，中心支线12和右支线13的两个经导通切换的上部IGBT14′还可能在不受损的情况下引起较高的集电极电流。
这样做时，在电力整流器10的所提及的对称状态下，可选存在的电流可以流动通过短路18以及通过中心整流器12和右整流器13的两个上部IGBT14′，但这不会引起对IGBT14′的破坏。由于电力整流器10的对称状态，这些电流引起负载17(即电动机或发电机)上的较低转矩变化。
应当指出，短路18可能不仅存在于图1所示上部IGBT14′的区域中，而且可能存在于下部IGBT14"的区域中。同样，可以存在所述相的每个相中两个IGBT14′和／或14"中的每个IGBT的短路。在这些情况下，所述方法通过适当适配方式执行。
当将电力整流器10配置成三相或多相装置时，也会发生对应适配。在这些情况下，可能的是，在其中存在有短路18的每条支线中，串联连接到短路18上的一个或多个IGBT必须以较高栅极-发射极电压切换成导通的。
还应指出，在两条其他支线12、13中的一条支线中，还可存在如上述支线11中的一条或多条短路。
在下文中，将参照图2来详细阐述在一方面由缺陷IGBT导致的电力整流器10的支线短路与另一方面由负载短路导致的连接到电力整流器10上的负载17的负载短路之间的已提及的区别。
图2示出针对两种情况而言IGBT在每个情况下随时间t的集电极电流Ic(t)和集电极-发射极电压Vce(t)的图。第一情况以短划线示出并被提供有另外参考符号Ic1，并且涉及支线短路。第二情况以实线示出并被提供有另外参考符号Ic2，并且涉及负载短路。
在第一情况下，即在如图1中那样可能与短路18进行连接的支线短路情况下，集电极电流Ic1非常急剧地增大到额定电流多倍，例如，达到额定电流的五至十倍。在时间t_ent1时，IGBT在支线短路开始后极快速地去饱和，这与集电极-发射极电压Vce1极快速地增大到约为驱动电压的值具有相同意义。
如已阐述，在这种第一情况下，必须要在几毫秒(例如10毫秒)内切断IGBT，以便防止IGBT受损。
在第二种情况下，即在如图1中那样可能在所述支线电路后发生的负载短路情况下，电流Ic2并不太急剧地增大，这具体来说是因负载17的匝的漏电感造成的。这造成的结果是，经过了更长的时间段才使IGBT在时间t_ent2时去饱和并且因此集电极-发射极电压Vce2显著增大。
结合图1所提及的三个区别条件中的第一条件如下：dVce(t)／dt<(dVce／dt)crit。这样做时，这个条件基本上涉及相应IGBT的去饱和时间t_ent。
如上文已阐述，集电极-发射极电压Vce在支线短路中要比在负载短路中明显更快速地增大。就此而言，参照图2所示集电极-发射极电压Vce1和Vce2的时间曲线。因此，值dVce(t)／dt在支线短路中要比在负载短路中更大：dVce／dt_1>dVce／dt_2。因此，如果将值(dVce／dt)crit设定成介于支线电路和负载短路的预期值dVce／dt_1与dVce／dt_2之间，那么在支线短路与负载短路之间可以进行区别。
结合图1所提及的三个区别条件中的第二条件如下：dIc(t)／dt<(dIc／dt)crit。这样做时，这个条件基本涉及相应IGBT的去饱和时间t_ent。
如上文已阐述，集电极电流Ic在支线短路中要比在负载短路中大幅更快速地增大。就此而言，参照图2所示集电极电流Ic1和Ic2的时间曲线。因此，dIc(t)／dt在支线短路中要比在负载短路中更大：dIc／dt_1>dIc／dt_2。因此，如果(dIc／dt)crit的值近似介于支线短路和负载短路的预期值dIc／dt_1与dIc／dt_2之间，那么在支线短路与负载短路之间可以进行区别。
结合图1所提及的三个区别条件中的第三条件如下：Ic(t_ent+Δt)<Iccrit，其中t_ent是IGBT开始去饱和的时间，并且Δt是可预先设定的延时。
如可从图2中推断，支线短路中在时间(t_ent1+Δt)时的集电极电流Ic(t_ent1+Δt)高于负载短路中在时间(t_ent2+Δt)时的集电极电流Ic(t_ent2+Δt)。因此，如果将值Iccrit设定成近似介于支线短路的预期值Ic(t_ent1+Δt)与负载短路的预期值Ic(t_ent2+Δt)之间，那么在支线短路与负载短路之间可以进行区别。
如已阐述，通过应用一个、两个或者全部三个条件，在支线短路的情况与负载短路的情况之间进行区别是可能的。如另外已阐述，在几毫秒内切断支线短路中的相应IGBT，而在负载短路中，相应IGBT的栅极发射极电压增大并且切换IGBT以便使其成导通的。
如果检测到了负载短路并且相应IGBT的栅极-发射极电压增大，那么这会产生以下结果：此后，集电极-发射极电压不再增大，如关于图2中的集电极-发射极电压Vce2所示，但集电极-发射极电压基本保持在初始值。所述初始值在图2中以虚线示出并标记为Vce，sat。这意味着IGBT的去饱和并未发生。
原则上，栅极-发射极电压可以借助所提及的控制装置增大。
图3a至图3c示出电力整流器10的IGBT14的交替布线布置，所述布置可能实现栅极-发射极电压的增大。
图3示出包括IGBT31的大体布线布置，其典型地对电力整流器10的IGBT14起作用。IGBT31的栅极通过开关32和电路33来连接到IGBT31的集电极上。
开关32通过以下方式由上述控制装置激活：开关32在电力整流器10的正常操作模式下是非导通的，然而，如果三个所述区别条件中的一个得到满足，那么切换开关32以便使其成导通的。
图3a的电路33更普遍地旨在提供IGBT31的具有期待值或期待级数的栅极-发射极电压。具体来说，电路33旨在增大IGBT31的栅极-发射极电压。
图3b示出电路33的第一示例性实施例，其中IGBT31的集电极通过在传递方向上切换的二极管35并通过开关32来连接到IGBT31的栅极上。
考虑到这种布线，IGBT31的栅极-发射极电压始终以二极管35上的电压降低于IGBT31的集电极-发射极电压。通过闭合开关32，IGBT31的栅极-发射极电压因此近似增大到集电极-发射极电压的值。如已阐述，栅极-发射极电压的这种增大防止IGBT31的去饱和。
图3c示出电路33的第二示例性实施例，其中IGBT31的集电极通过偏移电压源37、通过二极管35并通过开关32连接到IGBT31的栅极上。这样做时，偏移电压源37的负极连接到IGBT31的集电极上。
考虑到这种布线，IGBT31的栅极-发射极电压可以借助偏移电压源37以期待方式联接到IGBT31的集电极-发射极电压上。具体来说，就IGBT31的集电极-发射极电压而言，可以将栅极-发射极电压调整为几乎任何期待值。通过闭合开关32，将IGBT31的栅极-发射极电压增大到集电极-发射极电压的期待值。如已阐述，栅极-发射极电压的这种增大防止IGBT31的去饱和。
另外，应当指出，开关32和电路33的布置也可反向。另外，也可能使电路33的设计实质更为复杂。例如，可以提供用于限制电压的元件或用于电源电压的接线或到控制装置的回程。

Claims (12)

1.一种用于操作电力整流器(10)的方法，其中所述电力整流器(10)包括彼此并联连接的至少两条支线(11、12、13)，所述支线中的每条支线包括串联连接的至少两个功率半导体元件，并且检测所述功率半导体元件中的至少一个的集电极-发射极电压Vce(t)和／或集电极电流Ic(t)；
确定是否满足以下条件中的至少一个：dVce(t)／dt<(dVce／dt)crit和／或dIc(t)／dt<(dIc／dt)crit和／或Ic(t_ent+Δt)<Iccrit，并且如果满足上述条件中的至少一个，那么所述功率半导体元件中的至少一个的栅极-发射极电压增大。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述功率半导体元件接近去饱和时确定是否满足／已经满足所述条件dVce(t)／dt<(dVce／dt)crit和／或dIc(t)／dt<(dIc／dt)crit。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中(dVce／dt)crit、(dIc／dt)crit和／或Iccrit的值为预先设定的，如此当连接到所述电力整流器(10)的负载(17)上存在负载短路时，未达到所述值中的至少一个。
4.如权利要求3所述的方法，其中在负载短路情况下，借助所述栅极-发射极电压增大而实现短路电流对称。
5.如前述权利要求中的一项权利要求所述的方法，其中所述栅极-发射极电压的所述增大至少大到足以防止受影响的功率半导体元件去饱和。
6.如前述权利要求中的一项权利要求所述的方法，其中借助检测短路来检测缺陷功率半导体元件，并且其中确定所述支线(11、12、13)中的哪条支线中存在所述缺陷功率半导体元件。
7.如权利要求6所述的方法，其中在所述电力整流器(10)的其他支线中的所述功率半导体元件上，所述栅极-发射极电压增大。
8.如权利要求6所述的方法，其中确定在受影响的支线(11、12、13)的所述至少两个功率半导体元件中哪个功率半导体元件存在缺陷，并且其中在所述其他支线中的对应功率半导体元件上，所述栅极-发射极电压增大。
9.一种电力整流器(10)，其包括彼此并联连接的至少两条支线(11、12、13)，所述支线中的每条支线包括串联连接的至少两个功率半导体元件以及用于激活所述功率半导体元件的控制装置；
其中所述控制装置设计用于执行如前述权利要求中的任一项权利要求所述的方法。
10.如权利要求9所述的电力整流器(10)，其中设有功率半导体元件，具体来说是可切断的IGBT(14′、14″)。
11.如权利要求9或10所述的电力整流器(10)，其中在所述功率半导体元件中的至少一个的所述集电极与所述栅极之间，连接有开关(32)和电路(33)，借助所述开关(32)和所述电路(33)可使所述功率半导体元件的所述栅极-发射极电压增大。
12.如权利要求11所述的电力整流器(10)，其中所述电路(33)包括二极管(35)，并且可选地包括偏移电压源(37)。
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