CN104734471B - 平衡功率半导体的电流的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了平衡功率半导体的电流的方法和设备，包括：多个功率半导体单元(PSU)和中央控制单元(CCU)，每个功率半导体单元(PSU)包括功率半导体并且中央控制单元和功率半导体单元被布置在双向环中，其中中央控制单元向双向环的两个方向发送用于功率半导体单元的控制信息并且每个功率半导体单元接收来自两个方向的控制信息并转发接收到的控制信息。在本方法中，每个功率半导体单元处理如下步骤：在第一时刻(T_1)接收来自第一方向的控制信息，在第二时刻(T_2)接收来自第二方向的控制信息，计算在第一时刻和第二时刻之间的中点(T_IN)，以及在计算的中点之后的时间延迟(T_ADD)过去之后，根据控制信息控制功率半导体部件。

Description

平衡功率半导体的电流的方法和设备
技术领域
本发明涉及功率半导体部件的控制，并且更具体地涉及平衡功率半导体的电流。
背景技术
功率半导体比如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)用于在诸如变流器、逆变器和频率转换器的不同器件中接通和切断电流。如果需要的电流非常高或需要可扩展性和模块化，则可并行控制若干这样的器件。
在这些情况中，在不同的并行分支之间的电流平衡可能会出现问题。如果，由于个体的功率半导体的差异，一个半导体早于其他半导体接通，则其比其他半导体承受更多的压力。
一种防止上述情况的方法是针对每个功率半导体提供单独的输出滤波器、即感应器或滤波器，并在滤波器后组合这些电流。该方法的问题是成本、复杂度以及可能的谐振问题。
另一种方法是将不同分支的所有变量控制为尽可能相等。在实践中这将意味着测量和选择类似的功率半导体并且对每个受控部件而言具有类似的稳压栅极控制电压。匹配半导体的选择增加了成本并且如果其中一个半导体随后必须更换则产生了困难。
另一种方法是单独地测量具有非常好的动态性能的每个分支的电流。通过改变切换的定时以使得每个分支同时切换，可以微调每个分支的接通和断开时间。
一种用于分配定时信息的技术方案是将来自每个功率半导体单元PSU的实际电流改变的时间传送至中央控制单元CCU。因此，每个功率半导体单元测量状态改变的实际时刻并将该信息发送至中央控制单元。中央控制单元通过向功率半导体单元发送控制信息来控制功率半导体。在已知结构中，CCU对于接通和断开两者针对每个功率半导体单独地微调定时信息。
在另一种技术方案中，功率半导体单元相互传送它们的延迟以找出最慢的单元。一旦找出最慢的单元，则每个PSU增加其延迟以使得实现同时切换。然而，不同的PSU之间的通信增加了系统的复杂度。
存在各种网络拓扑用于分配定时信息。当使用具有CCU作为中心节点的星型拓扑时，由于不同单元之间的通信延迟的变化，因此每个PSU在不同的时间处接收定时信息。作为星型拓扑的替代方案，可形成传统的链式或环形拓扑。这就是说，定时信息的路线是CCU->PSU_1->PSU_2->…->PSU_n，n为功率半导体单元的数目。在链式拓扑中，不同PSU的延迟总是不同并且朝向链或环的末端而增加。
分配定时信息的已知系统即使在功率半导体单元之间也使用有些复杂的通信并且需要取决于其他单元的延迟的计算。
发明内容
本发明的目的是提供一种通信系统和通信方法以便克服上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种平衡功率半导体的电流的方法，包括：多个功率半导体单元(PSU)和中央控制单元(CCU)，每个功率半导体单元(PSU)包括功率半导体并且中央控制单元和功率半导体单元被布置在双向环中，其中中央控制单元向双向环的两个方向发送用于功率半导体单元的控制信息，并且每个功率半导体单元接收来自两个方向的控制信息并转发所接收到的控制信息，在该方法中每个功率半导体单元处理如下步骤：在第一时刻(T_1)接收来自第一方向的所述控制信息，在第二时刻(T_2)接收来自第二方向的所述控制信息，计算在第一时刻和第二时刻之间的中点(T_IN)，以及在计算出的中点之后的时间延迟(T_ADD)过去之后，根据控制信息控制功率半导体部件。
在一个实施例中，每个功率半导体单元还包括用于确定功率半导体的电流改变时的时刻的装置，在该方法中每个功率半导体单元处理如下步骤：设定恒定延迟(T_MAX)，检测所述功率半导体部件的实际状态改变的时刻，如果从所计算的在所述第一时刻与所述第二时刻之间的所述中点(T_IN)开始测得的所述实际状态改变的时刻与所述恒定延迟(T_MAX)的值不同，则改变所述时间延迟(T_ADD)的值。
在一个示例中，计算在第一时刻和第二时刻之间的中点(T_IN)的步骤包括：在所述第一时刻起动计数器，以及在所述第二时刻将计数器的值除以2用于获得在第一时刻和第二时刻之间的中点(T_IN)。
在一个示例中，在所计算的中点之后的时间延迟过去之后，根据控制信息控制功率半导体部件的步骤包括：将计数器的值设定为与所计算的中点的值相对应的值；当计数器的值与时间延迟(T_ADD)对应时，触发功率半导体部件。
在一个示例中，在所计算的中点之后的时间延迟过去之后，根据控制信息控制功率半导体部件的步骤包括：通过将所计算的中点(T_IN)的值加到时间延迟来修改时间延迟(T_ADD)；以及当计数器的值与时间延迟(T_ADD)对应时，触发功率半导体部件。
可以针对接通和断开使用单独的时间延迟(T_ADD)的值。
在一个示例中，改变时间延迟(T_ADD)的值的步骤包括将设定值加到先前的延迟的值或从先前的延迟的值减去设定值的步骤。
设定值可以取决于在检测的所述实际状态改变的时刻的所述计数器的值之间的差异。
根据本发明的另一个方面，提供了一种平衡功率半导体的电流的设备，包括多个功率半导体单元(PSU)和中央控制单元(CCU)，每个功率半导体单元(PSU)包括功率半导体并且中央控制单元和功率半导体单元被布置在双向环中，其中中央控制单元向双向环的两个方向发送用于功率半导体单元的控制信息并且每个功率半导体单元接收来自两个方向的控制信息并转发所接收到的控制信息，在设备中每个功率半导体单元包括：用于在第一时刻(T_1)接收来自第一方向的控制信息的装置，用于在第二时刻(T_2)接收来自第二方向的控制信息的装置，用于计算在第一时刻和第二时刻之间的中点(T_IN)的装置，用于在所计算的中点之后的时间延迟(T_ADD)过去之后根据控制信息控制功率半导体部件的装置。
本发明是基于形成双向环的想法，其中中央控制单元和多个功率半导体单元按照环形通信结构连接。中央控制单元向两个功率半导体单元发送控制信息。半导体单元转发它们接收的控制信息。当来自环的两个方向的控制信息在每个功率半导体单元处被接收时，每个功率半导体单元基于来自两个方向的控制信息被接收的时刻计算用于执行控制操作的适当时刻。
本发明的系统和方法的优点是功率半导体单元无需为了同步功率半导体的操作而向其他功率半导体单元或中央控制单元传送任何延迟时间。从而简化了单元之间的通信并且获得了分离的功率半导体之间精确的并行操作。
附图说明
下面，将参照附图借助优选的实施方式来更详细地描述本发明，其中
图1示出了通信拓扑的一个示例；
图2示出了本发明的用于计算接收到的定时标记的中间点的时间轴；
图3示出了描述实施方式的操作的时间轴；以及
图4示出了本发明的设备的简化框图。
具体实施方式
图1示出了本发明的结构化通信拓扑。在该拓扑中，一个中央控制单元(CCU)向多个功率半导体单元(PSU)发送控制信息。中央控制单元负责发送控制信息比如功率半导体的接通或断开。在本发明中使用的中央控制单元能够向两个功率半导体单元发送控制信息。优选地，控制信息包括定时标记和信息部分。定时标记可以是数字脉冲序列，类似地，信息部分可以是能够被功率半导体单元解译的数字脉冲序列。控制信息还可包括一些其他数据。
如图1所示，中央控制单元和功率半导体单元被布置成双向环状通信结构。该结构意味着中央控制单元通过通信链路连接到两个功率半导体单元并且每个功率半导体单元连接到两个相邻单元。如图1可以看到的，中央控制单元CCU连接到功率半导体单元PSU_1和PSU_4。图1的示例包括四个PSU并且每个PSU是双向环的一部分，以使得在环的两个方向上形成从CCU到所有PSU的通信路径。在单元之间的双向通信连接或链路可以由两个单独的通信路径形成或由使得能够同时在两个方向上通信的单个通信路径形成。
当图1的结构中的中央控制单元(CCU)发送控制信息时，信息同时发送至双向环的两个方向。这意味着相同的信息发送至功率半导体单元PSU_1和功率半导体单元PSU_4两者。这两个单元接收该信息并将该信息转发至相邻的PSU，即PSU_1将控制信息转发至PSU_2而PSU_4将控制信息转发至PSU_3。控制信息由其他单元接收并转发，并且最后控制信息被转发回中央控制单元CCU。中央控制单元发送的控制信息因此在双向构造的通信路径的两个方向上传播通过所有功率半导体单元。
本发明中使用的功率半导体单元适用于接收和转发接收到的控制信息。当控制信息被PSU接收时，PSU转发控制信息并解译该信息。如上所述，控制信息优选地由数字脉冲形成，并作为消息或包而被接收。每个PSU包括适于解译控制信息的装置比如处理器或类似装置。功率半导体单元还包括功率半导体，被PSU接收的控制信息与控制部件相关，例如接通或断开部件。为了切换部件，功率半导体单元还包括用于产生栅极信号的装置。
在本发明的方法中，每个功率半导体单元接收来自双向环的第一方向以及来自双向环的第二方向的控制信息。每个PSU计算从两个方向接收到的控制信息之间的时间差。例如，如果在时刻T_1接收第一接收到的控制信息，而在时刻T_2接收第二接收到的控制信息，则时刻之间的差是T_2-T_1。例如可以通过在接收到第一控制信息时起动计时器来计算时间差。
在从两个方向接收控制信息后，每个功率半导体单元计算第一时刻与第二时刻之间的中点T_IN。如果使用了计时器，如上文所述，则将第二时刻T_2、即在接收到后面的控制信息时计时器的值除以2。
此外，在本方法中，在从计算出的中点T_IN开始的时间延迟T_ADD过去后，每个功率半导体单元根据控制信息控制单元的功率半导体。每个功率半导体单元具有这样设定的时间延迟T_ADD，并且在从计算出的中点开始的时间T_ADD到期后每个PSU控制其功率半导体。
这样，在本方法中，每个PSU接收来自两个方向的控制信息，并计算在两条接收到的控制信息项之间的时间中点。当计算出中点时，将时间延迟加至中点。在时间延迟过去之后，每个半导体单元控制半导体部件。
图2例示了通过CCU发送到双向环的两个方向的在时间轴上的控制信息。时间轴示出了当控制信息被PSU接收时的时刻。图2特别地示出了当控制信息在PSU_1处和在PSU_2处被接收时的时刻。可以看出，当控制信息被PSU_1接收时的时刻之间的中点与当控制信息被PSU_2接收时的时刻之间的中点相同。类似地，对于环中的所有PSU而言，时刻之间的中点均相同。
这可以通过将四个功率半导体单元的环中的消息路径定义为如下而在数学上示出：
CCU->PSU_1->PSU_2->PSU_3->PSU_4->CCU
CCU->PSU_4->PSU_3->PSU_2->PSU_1->CCU
在一个方向上从CCU至PSU_3的延迟被定义为节点或单元之间的延迟之和、即T_DEL1+T_DEL2+T_DEL3，而在另一方向上，为T_DEL5+T_DEL4。这些两个延迟之间的中点可被表示为：
从上述公式可以看出，对于所有节点或单元来说不管可能地不同延迟T_DELi，从环的不同方向的两个到达时间之间的该中点是相同的。为此，在环中的所有PSU中，在两条接收到的控制信息项中间的时刻在时间上处于相同点。
如果在每个功率半导体单元中的内部控制延迟相等，则每个功率半导体根据接收到的控制信息同时接通或断开。然而，由于功率半导体通常具有不同延迟，因此根据一种实施方式，每个功率半导体单元包括用于测量实际电流改变的时刻的测量装置。这意味着在栅极信号在PSU中产生之后，在PSU中测量从栅极信号到电流的实际改变的时间。这样在功率半导体单元中测量功率半导体的电流。将测量的电流与阈值相比较，并且基于比较，检测电流的改变。
根据一种实施方式，在每个功率半导体模块中检测功率半导体部件的实际状态改变的时刻。如果从计算出的第一时刻与第二时刻之间的中点T_IN开始测得的状态改变的时刻与恒定最大延迟T_MAX的设定值不同，则改变时间延迟T_ADD的值。恒定最大延迟T_MAX是当功率半导体需要改变它们的状态时的时刻。设定最大延迟的值以使得实际上所有功率半导体的延迟都小于该最大延迟。
当功率半导体在从中点T_IN计算的时刻T_ADD处被触发时，从触发到实际状态改变的延迟是T_VAR，并且这些时间的和(T_ADD+T_VAR)在双向环的所有受控部件中应等于T_MAX。如果在早于T_MAX的时刻检测到状态改变，则增加T_ADD的值，而如果状态改变发生在时刻T_MAX之后，则减小T_ADD的值。
图3示出了上文描述的在时间轴上的各种时刻的示例。在时间轴的开始处，具有定时标记的控制信息从CCU 31发送。定时标记被PSU从第一方向(顺时针方向)接收32，并且在PSU中重置计时器。
此外，定时标记被PSU从第二方向(逆时针方向)接收33。在图3的示例中，当接收到第二定时标记时，读出计数器的值(t＝1352ns)，将该计数器的值除以2，并且将计时器值设定成获得的值(726ns)。
图3还示出了两个定时标记到达时间34的中点T_IN，其在本示例中为726ns，以及从所提及的中点T_IN开始的所需要的附加延迟T_ADDi，连同同样从该中点T_IN开始的恒定延迟T_MAX。在该示例中，恒定延迟的值被设定为2000ns。
当计数器达到T_ADDi的值35时，PSU触发半导体部件比如IGBT的切换。根据该实施方式，PSU还检测36受控部件的实际状态改变以及在状态改变时的计时器的值。如果状态改变发生在恒定延迟T_MAX之前，则增加T_ADDi的值，而如果状态在恒定延迟之后改变，则减小T_ADDi的值。
在本示例中，在两个定时标记被PSU接收后改变了计数器的值。通过将接收到的定时标记之间的时间差T_IN的一半加到所需的附加延迟T_ADDi以及恒定延迟T_MAX两者，并在使用该修改的延迟值的同时使计数器以连续方式运行，同样能执行本方法。
当每个功率半导体单元执行了上述步骤并且每个功率半导体单元具有相同的恒定延迟T_MAX的值时，每个PSU将改变其自身的触发以使得所有的功率半导体同时接通或断开。上文提到的定时标记包括在中央控制单元发送的控制信息中。
功率半导体单元的接通和断开延迟可以不同。在一种实施方式中，每个功率半导体单元包括用于接通和断开两者的附加延迟T_ADD。也就是说，当控制信息包括用于触发功率半导体部件导通的命令时，则PSU选择在接通时使用的T_ADD的值。类似地，如果控制信息包括用于将功率半导体部件触发至阻塞状态的命令，则PSU选择在断开时要使用的T_ADD的值。
由于附加延迟T_ADD的值在操作期间改变，因此改变的值在使用期间被存储在功率半导体单元中。此外，如果针对接通或断开使用单独的值，则这些值被存储在PSU中并在操作中需要时从存储器读出。
图4示出了发明的一种实施方式的电源单元和中央控制单元的简化框图。如上所述，中央控制单元CCU 41在双向环的两个方向上发送控制信息。在图4的示例中，三个功率半导体单元PSU 42连接到相同的环并意在被同时控制。各个PSU被类似地构建。控制信息被通信单元43接收，在本实施方式中，该通信单元43还适用于计算接收到的定时标记之间的中点T_IN以及将计算出的中点发送到调整单元44。调整单元负责基于从电流测量单元46接收的信息改变附加延迟T_ADD的值并负责设定恒定延迟T_MAX的值。
本示例还包括栅极控制单元45，其在延迟的时刻根据控制信息控制半导体部件47。栅极控制单元可以接收加到T_IN的延迟的值并在从中点开始T_IN该时间过去之后控制栅极。栅极控制单元还可以是基于传入的控制信号立即操作的单元，在这种情况下触发信号在模块44中被延迟。在图4中，未示出在定义延迟和操作时使用的计数器。然而，显然计数器可向多个单元提供信息并且这些单元中的一个或更多个也能重置计数器。
图4的示例被提供用于理解本发明的操作并且框图的结构划分并不限制功率半导体单元的实现。功率半导体单元可由通信单元、处理需要的信息的处理单元、用于控制部件的栅极控制单元以及用于提供状态信息的电流测量单元构成。栅极控制单元还包括使得能够控制功率半导体部件的的所有需要的设备。
在一种实施方式中，基于在所需的最大延迟和实际状态改变之间的比较来改变延迟(T_ADD)。可以通过向在先前切换中使用的延迟(T_ADD)的值加上恒定值或从在先前切换中使用的延迟(T_ADD)的值中减去恒定值来改变延迟。此外，可以通过将延迟直接校正至如下值来改变延迟：如果切换如在前切换一样类似地发生，则该值将是正确的。也就是说，如果超过最大限制达X ns，则延迟T_ADD减少相同的量。如果在下一次的切换中装置从触发到实际状态改变的内部延迟与前一次相同，则下一次的状态改变将精确地在所期望的时刻处发生。
对本领域技术人员明显的是，随着技术的发展，能够采用各种方法来实现本发明构思。本发明及其实施方式并不限于上述示例，而是可在权利要求的范围内变化。

Claims (9)

1.一种平衡功率半导体的电流的方法，包括：多个功率半导体单元(PSU)和中央控制单元(CCU)，每个功率半导体单元(PSU)包括功率半导体并且所述中央控制单元和所述功率半导体单元被布置在双向环中，其中所述中央控制单元向所述双向环的两个方向发送用于所述功率半导体单元的控制信息，并且每个功率半导体单元接收来自两个方向的所述控制信息并转发所接收到的控制信息，
在所述方法中每个功率半导体单元处理如下步骤：
在第一时刻接收来自第一方向的所述控制信息，
在第二时刻接收来自第二方向的所述控制信息，
计算在所述第一时刻和所述第二时刻之间的中点(T_IN)，以及
在计算出的中点之后的时间延迟(T_ADD)过去之后，根据所述控制信息控制所述功率半导体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每个功率半导体单元还包括用于确定所述功率半导体的电流改变时的时刻的装置，在所述方法中每个功率半导体单元处理如下步骤：
设定恒定延迟(T_MAX)，
检测所述功率半导体的实际状态改变的时刻，
如果从所计算的在所述第一时刻与所述第二时刻之间的所述中点(T_IN)开始测得的所述实际状态改变的时刻与所述恒定延迟(T_MAX)的值不同，则改变所述时间延迟(T_ADD)的值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中计算在所述第一时刻和所述第二时刻之间的所述中点(T_IN)的步骤包括：
在所述第一时刻起动计数器，以及
在所述第二时刻将所述计数器的值除以2用于获得在所述第一时刻和所述第二时刻之间的所述中点(T_IN)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在所计算的中点之后的时间延迟过去之后，根据所述控制信息控制所述功率半导体的步骤包括：
将所述计数器的值设定为与所计算的中点的值相对应的值；
当所述计数器的值与所述时间延迟(T_ADD)对应时，触发所述功率半导体。
5.根据权利要求3所述的方法，其中在所计算的中点之后的时间延迟过去之后，根据所述控制信息控制所述功率半导体的步骤包括：
通过将所计算的中点(T_IN)的值加到所述时间延迟来修改所述时间延迟(T_ADD)；以及
当所述计数器的值与所述时间延迟(T_ADD)对应时，触发所述功率半导体。
6.根据前述权利要求1或2所述的方法，其中针对接通和断开使用单独的时间延迟(T_ADD)的值。
7.根据前述权利要求3所述的方法，其中改变所述时间延迟(T_ADD)的值的步骤包括将设定值加到先前的延迟的值或从先前的延迟的值减去设定值的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述设定值取决于在检测的所述实际状态改变的时刻的所述计数器的值之间的差异。
9.一种平衡功率半导体的电流的设备，包括多个功率半导体单元(PSU)和中央控制单元(CCU)，每个功率半导体单元(PSU)包括功率半导体并且所述中央控制单元和所述功率半导体单元被布置在双向环中，其中所述中央控制单元向所述双向环的两个方向发送用于所述功率半导体单元的控制信息并且每个功率半导体单元接收来自两个方向的所述控制信息并转发所接收到的控制信息，
在所述设备中每个功率半导体单元包括：
用于在第一时刻接收来自第一方向的所述控制信息的装置，
用于在第二时刻接收来自第二方向的所述控制信息的装置，
用于计算在所述第一时刻和所述第二时刻之间的中点(T_IN)的装置，
用于在所计算的中点之后的时间延迟(T_ADD)过去之后根据所述控制信息控制所述功率半导体的装置。
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