CN105099145A - 用于电力开关的短路保护的门极驱动单元和方法 - Google Patents

用于电力开关的短路保护的门极驱动单元和方法 Download PDF

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Abstract

本发明题为用于电力开关的短路保护的门极驱动单元和方法。门极驱动单元包括测量单元、多电阻驱动装置和处理单元。测量单元测量跨电力开关的主端子。驱动装置包括多个单独可控电阻元件。处理单元控制施加到电力开关的控制电极的控制电压，以激活电力开关。处理单元单独激活或停用多电阻驱动装置的电阻元件，以改变电阻元件中的哪些响应跨主端子的电压表示短路事件而在不同时间至少部分向电力开关传导控制电压。处理单元改变电阻元件中的哪些被激活或停用，以控制该控制电压降低的速率。

Description

用于电力开关的短路保护的门极驱动单元和方法
技术领域
本文所述主题的实施例涉及开关、例如电力开关，其用来控制电路、例如包括高功率转换器或其他组件的电路中的电流的传导。本文所述的一个或多个方面涉及电压控制功率半导体开关、例如MOSFET、IGBT和反向导通IGBT。
背景技术
电路中的开关在激活或接通状态(其中开关闭合以将电流从电流源传导到一个或多个负载)与停用或关断状态(其中开关断开以防止电流的传导)之间进行交替。开关和/或包括开关的电路可在电路的不同位置遇到多种不同的短路。根据短路的类型和严重性，能够损坏或破坏开关。
一些不同类型的短路要求不同的保护方案，以防止开关的损坏或破坏。电流保护装置、例如熔丝、门极驱动器等在遇到某些短路时对保护开关可能是不充分的。
例如，一些短路在最初激活或接通开关时发生。短路较快地发生，并且在传导较大电流量的电路中能够很快地损坏或破坏开关。这些类型的电路中的熔丝可能无法及时熔断以防止大电流损坏或破坏开关。
其他一些短路在开关闭合并且电流经过开关传导到负载之后发生。这些短路对开关会是危险的，因为开关可能充满电流并且无法只切断电流的传导。突然消除或降低用来控制开关的电压(例如门极电压)能够导致开关被损坏或破坏。
保护开关免受短路的一种已知尝试包括有源钳位，其保护开关免受短路关断时的过电压。但是，有源钳位能够要求模拟电路的密集调谐和所有操作条件的最佳性能，这即使不是不可能但也会是难以实现的。
发明内容
在本文所述的发明主题的一个示例中，提供一种用于转换器的操作的门极驱动单元。门极驱动单元包括测量单元、多电阻驱动装置和处理单元。测量单元配置成测量跨电力开关的主端子的第一电压。多电阻驱动装置与电力开关的控制电极传导地耦合。多电阻驱动装置包括多个单独可控电阻元件，其传导地耦合在电压源与电力开关的控制电极之间。处理单元配置成控制由电压源施加到电力开关的控制电极的控制电压，以激活电力开关。处理单元还配置成单独激活或停用多电阻驱动装置的电阻元件，以改变电阻元件的哪一个响应跨电力开关的主端子的第一电压表示第一类型的短路事件而在不同时间至少部分将控制电压从电压源传导到电力开关的控制电极。处理单元还配置成改变电阻元件的哪一个被激活或停用，以控制该控制电压在电力开关的停用期间响应第一类型的短路事件发生而降低的速率。
在本文所述的发明主题的另一个示例中，一种用于提供短路保护的方法包括监测经过电力开关的主端子所传导的电流的变化速率，确定电流的变化速率比所指定检测速率要快的时间，并且响应电流的变化速率超过所指定检测速率而改变多电阻驱动装置中的多个单独可控电阻元件中的哪些是活动的、以在不同时间至少部分传导提供给电力开关的控制电极的控制电压。改变电阻元件的哪一个在不同时间是活动的操作控制提供给电力开关的控制电极的控制电压降低的速率。
在发明主题的另一个示例中，一种方法包括监测经过电力开关的主端子所传导的电流的变化速率，确定电流的变化速率比所指定检测速率要快的时间，并且响应电流的变化速率超过所指定检测速率而将控制电压降低到中间电平，之后接着在控制电压降低到中间电平后的第二时间期间到期、电流的变化速率降低到低于第一所指定阈值或者电力开关两端的电压增加到高于第二所指定阈值中的至少一个之后将控制电压增加到增加的电平。通过改变多电阻驱动装置中的多个单独可控电阻元件中的哪些是活动的、以在不同时间至少部分传导提供给电力开关的控制电极的控制电压，来降低控制电压。该方法还能够包括在电力开关两端的电压高于第三指定阈值时的第三指定时间期间之后通过控制该控制电压的下降斜率来关断短路电流。
在发明主题的另一个示例中，一种(例如用于提供短路保护的)方法包括响应跨电力开关的主端子的第一电压表示第一类型的短路事件而测量跨电力开关的主端子的第一电压，单独激活或停用耦合在电压源与电力开关的控制电极之间的多电阻驱动装置的电阻元件。单独激活或停用电阻元件，以改变电阻元件的哪一个在不同时间至少部分将控制电压从电压源传导到电力开关的控制电极。单独激活或停用电阻元件以可控速率来降低控制电压。
在本文所述的发明主题的另一个示例中，一种用于转换器的操作的门极驱动单元包括测量单元、多电阻驱动装置和处理单元。测量单元配置成测量跨电力开关的主端子的第一电压。多电阻驱动装置配置成与接收控制电压的电力开关的控制电极传导地耦合，以激活电力开关。多电阻驱动装置包括多个单独可控电阻元件，其传导地耦合在电压源(其提供控制电压)与电力开关的控制电极之间。处理单元配置成单元激活或停用多电阻驱动装置的电阻元件，以便在不同时间在电阻元件的不同集合之间分配施加到电力开关的控制电极的控制电压以降低控制电压，并且响应跨电力开关的主端子的第一电压指示第一类型的短路事件而停用电力开关。处理单元配置成基于跨电力开关的主端子的第一电压的幅值来控制该控制电压在电力开关的停用期间降低的速率。
技术方案1：一种用于转换器中的电力开关的操作的门极驱动单元，其中，所述门极驱动单元包括：
测量单元，配置成测量跨电力开关的主端子的第一电压；
多电阻驱动装置，与所述电力开关的控制电极传导地耦合，所述多电阻驱动装置包括传导地耦合在至少一个电压源与所述电力开关的所述控制电极之间的多个单独可控电阻元件；以及
处理单元，配置成控制由所述电压源施加到所述电力开关的所述控制电极的控制电压以激活所述电力开关，所述处理单元配置成单独激活或停用所述多电阻驱动装置的所述电阻元件，以改变所述电阻元件中的哪些响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示第一类型的短路事件而在不同时间至少部分将所述控制电压从所述电压源传导到所述电力开关的所述控制电极，所述处理单元配置成改变所述电阻元件中的哪些被激活或停用，以控制所述控制电压在所述电力开关的停用期间响应第一类型的短路事件发生而降低的速率。
技术方案2：如技术方案1所述的门极驱动单元，其中，所述多电阻驱动装置包括在各电压源与所述电力开关的所述控制电极之间的多个并联级中相互连接的所述电阻元件，所述多电阻驱动装置还包括与所述电阻元件耦合的多个开关，所述处理单元配置成单独激活或停用所述开关，以分别将所述控制电压或者阻止将所述控制电压经过所述电阻元件传导到所述电力开关的所述控制电极，以分配和降低所述控制电压。
技术方案3：如技术方案2所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元配置成改变所述开关中的哪些在不同时间来激活，以在不同时间将施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压以不同量分配并且降低。
技术方案4：如技术方案1所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元配置成开始单独激活或停用所述电阻元件，以在接着电力开关的激活的所指定时间期间到期之后、跨电力开关主端子的第一电压超过短路检测阈值时控制施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压降低的所述速率。
技术方案5：如技术方案1所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元还配置成开始单独激活或停用所述电阻元件，以控制施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示不同的第二类型的短路事件而降低的所述速率，当跨所述电力开关的所述主端子的所述电压在所述电力开关闭合时降低到低于短路检测阈值并且然后在所述电力开关的所述控制电极处的所述控制电压仍然配置成闭合所述电力开关的同时增加到高于所述短路检测阈值时，跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示所述第二类型的短路事件。
技术方案6：如技术方案5所述的门极驱动单元，其中，响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示所述第二类型的短路事件，所述处理单元配置成通过等待所指定延迟时间期间，并且在所述延迟时间期间到期时，通过单独激活或停用所述多电阻驱动装置的所述电阻元件以控制所述控制电压降低的所述速率，来降低施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压。
技术方案7：如技术方案1所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元配置成控制所述多电阻驱动装置，以将施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压增加到初始激活电平，所述处理单元还配置成响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压在所述所指定时间期间之后不表示所述第一类型的短路事件而将所述控制电压增加到高于所述初始激活电平。
技术方案8：一种方法，包括：
监测经过电力开关的主端子所传导的电流的变化速率；
确定所述电流的所述变化速率是否比所指定检测速率要快；以及
响应所述电流的所述变化速率超过所述所指定检测速率，在缩短的第一时间期间之内将控制电压降低到中间电平，之后接着在所述控制电压降低到所述中间电平后的第二时间期间到期、所述电流的所述变化速率降低到低于第一所指定阈值或者跨所述电力开关的电压增加到高于第二所指定阈值中的至少一个之后，将所述控制电压增加到增加的电平；以及
在所述电力开关两端的所述电压高于第三指定阈值时的第三指定时间期间之后通过控制所述控制电压的下降斜率来关断短路电流。
技术方案9：如技术方案8所述的方法，经过所述电力开关的所述主端子的所述电流的所述变化速率响应第二类型的短路事件发生而超过所述所指定检测速率。
技术方案10：如技术方案8所述的方法，其中，通过改变多电阻驱动装置中的多个单独可控电阻元件中的哪些是活动的、以在不同时间至少部分传导提供给所述电力开关的所述控制电极的控制电压，来降低所述控制电压。
技术方案11：一种方法，包括：
测量跨电力开关的主端子的第一电压；以及
响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示第一类型的短路事件，以可控速率来降低所述控制电压。
技术方案12：如技术方案11所述的方法，其中，降低所述控制电压包括单独激活或停用电压源与所述电力开关的控制电极之间所耦合的多电阻驱动装置的电阻元件，所述电阻元件单独激活或停用，以改变所述电阻元件中的哪些在不同时间至少部分将控制电压从所述电压源传导到所述电力开关的所述控制电极。
技术方案13：如技术方案12所述的方法，还包括改变所述开关中的哪些在不同时间来激活，以在不同时间将施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压以不同量分配并且降低。
技术方案14：如技术方案11所述的方法，其中，单独开始激活或停用所述电阻元件，以在接着所述电力开关的激活的所指定时间期间到期之后、跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压超过短路检测阈值时控制施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压降低的所述速率。
技术方案15：如技术方案11所述的方法，还包括单独激活或停用所述电阻元件，以控制施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示不同的第二类型的短路事件而降低的所述速率，当跨所述电力开关的所述主端子的所述控制电压在所述电力开关闭合时降低到低于短路检测阈值并且然后在所述电力开关的所述控制电极处的所述控制电压仍然配置成闭合所述电力开关的同时增加到高于所述短路检测阈值时，跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示所述第二类型的短路事件。
技术方案16：如技术方案15所述的方法，响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示所述第二类型的短路事件，通过等待所指定延迟时间期间，并且在所述延迟时间期间到期时，通过单独激活或停用所述多电阻驱动装置的所述电阻元件以控制施加到控制电极的所述控制电压降低的所述速率，来降低施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压。
技术方案17：如技术方案11所述的方法，还包括将施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压增加到初始激活电平，以及响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压在所述所指定时间期间之后不表示所述第一类型的短路事件而将施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压增加到高于所述激活电平。
技术方案18：一种用于转换器中的电力开关的操作的门极驱动单元，其中，所述门极驱动单元包括：
测量单元，配置成测量跨电力开关的主端子的第一电压；
多电阻驱动装置，配置成与所述电力开关的控制电极传导地耦合，其接收控制电压以激活所述电力开关，所述多电阻驱动装置包括提供所述控制电压的电压源与所述电力开关的所述控制电极之间传导地耦合的多个单独可控电阻元件；以及
处理单元，配置成单独激活或停用所述多电阻驱动装置的所述电阻元件，以便在不同时间、在所述电阻元件的不同集合之间分配施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压，以降低所述控制电压，以及响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压指示第一类型的短路事件而停用所述电力开关，所述处理单元配置成基于跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压的幅值来控制所述控制电压在所述电力开关停用期间降低的速率。
技术方案19：如技术方案18所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元配置成基于跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压的幅值来改变所述电阻元件集合中的哪些是在不同时间被激活或停用的至少一个。
技术方案20：如技术方案18所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元配置成基于跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压的幅值来改变所述电阻元件集合的一个或多个是被激活或停用的至少一个。
技术方案21：如技术方案18所述的门极驱动单元，其中，所述多电阻驱动装置包括在至少电压源与所述电力开关的所述控制电极之间的多个并联级中相互连接的所述电阻元件，所述多电阻驱动装置还包括与所述电阻元件耦合的多个开关，所述处理单元配置成单独激活或停用所述开关，以分别将所述电源电压或者阻止将所述控制电压经过所述电阻元件传导到所述电力开关的所述控制电极，以分配和降低所述控制电压。
技术方案22：如技术方案18所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元配置成开始单独激活或停用所述电阻元件，以便在接着电力开关的激活的所指定时间期间到期之后、跨所述电力开关主端子的第一电压超过短路检测阈值时控制施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压降低的所述速率。
技术方案23：如技术方案18所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元还配置成开始单独激活或停用所述电阻元件，以控制施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示不同的第二类型的短路事件而降低的所述速率，当跨所述电力开关的所述主端子的所述控制电压在所述电力开关闭合时降低到低于短路检测阈值并且然后在所述电力开关的所述控制电极处的所述控制电压仍然配置成闭合所述电力开关的同时增加到高于所述短路检测阈值或者另一个阈值中的至少一个时，跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示所述第二类型的短路事件。
技术方案24：如技术方案23所述的门极驱动单元，其中，响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示所述第二类型的短路事件，所述处理单元配置成通过等待所指定延迟时间期间，并且在所述延迟时间期间到期时，通过单独激活或停用所述多电阻驱动装置的所述电阻元件以控制所述控制电压降低的所述速率，来降低施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压。
技术方案25：如技术方案18所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元配置成控制所述多电阻驱动装置，以将施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压增加到初始激活电平，所述处理单元还配置成响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压在所述所指定时间期间之后不表示所述第一类型的短路事件而将所述控制电压增加到高于所述初始激活电平。
技术方案26：一种方法，包括：
在电力开关接通之后检测短路事件，短路事件检测下列至少一个：确定跨所述电力开关的主端子的电压在电力开关接通时开始的时间期间到期之后超过第一阈值的时间，确定控制端子电流回流到门极驱动单元或者所述电力开关的控制电极电压超过参考电压的时间，确定经过所述主端子的电流超过阈值电流的时间，或者确定经过所述主端子的所述电流的变化速率超过阈值速率的时间；
等待所述短路事件的检测之后的所指定时间期间或者等待到跨所述电力开关的所述主端子的所述电压超过比所述第一阈值要大的第二阈值；以及
通过所述电力开关的所述控制电极电压的可控降低斜率来触发所述控制电压的保护关断，所述保护关断包括把来自门极驱动单元的所述控制电极电压降低到高于所述电力开关的传导阈值电压的至少两个不同值。
技术方案27：一种方法，包括：
检测涉及电力开关的短路事件；以及
响应所述短路事件而控制提供给所述电力开关的控制电压的降低变化速率。
技术方案28：如技术方案27所述的方法，还包括识别所述短路事件的类型，其中所述控制电压降低时的定时基于所述短路事件的类型。
附图说明
通过阅读以下参照附图的非限制性实施例的描述，将会更好地了解本文所述的主题，附图包括：
图1示出按照本文所述的发明主题的一个示例的功率牵引转换器电路的电路图；
图2是按照本文所述的发明主题的一个示例的门极驱动单元或系统的电路图；
图3示出按照本文所述的发明主题的一个示例、图2所示多电阻驱动装置的电路图；
图4示出按照本文所述的发明主题的一个示例、图1所示电力开关和图2所示门极驱动单元的操作的电压；
图5示出按照本文所述的发明主题的一个示例、图1所示电力开关和图2所示门极驱动单元的操作的电压和电流；
图6示出按照本文所述的发明主题的一个示例、施加到图1所示电力开关的图2所示门极端子的门极电压；
图7示出能够包含在图2所示门极驱动单元中的多电流源装置的另一个实施例；以及
图8示出按照本文所述的发明主题的一个示例、用于提供电力开关的短路保护的方法的流程图。
具体实施方式
本文所述的发明主题的一个或多个实施例涉及门极驱动单元和方法，其在一种或多种不同类型的短路情况下对电力开关、例如功率转换器中的半导体电力开关(例如绝缘栅双极晶体管(IGBT))提供保护。虽然本文的描述集中于半导体电力开关、例如IGBT，但是并非发明主题的所有实施例均受此限。本文所述的发明主题的各个方面可用来对其他类型的功率判刑提供保护。
在一个方面，测量单元检测短路，可编程驱动级或装置控制施加到电力开关的控制电极，以及处理单元、例如现场可编程门阵列(FPGA)或另一类型的处理器用于控制驱动级或装置。控制电压可选地能够称作门极电压、激活电压等，因为这个电压激活或停用电力开关。例如，控制电压施加到电力开关的控制电极可激活电力开关以在电力开关的主端子之间传导电压。在至少一个实施例中，驱动级或装置可称作多电阻驱动装置。系统和方法能够区分包括功率转换器(例如电源或电力源)和电负载的电路中的不同类型的短路。系统和方法则能够为检测的不同类型的短路提供不同保护机制。提供针对短路的保护中的响应性能够比至少部分当前已知的短路保护机制要快地提供，并且因此对电力开关的应力能够降低，并且开关的破坏性损坏在短路事件期间能够避免。
一种类型的短路(又称作短路事件)能够在电力开关接通(例如激活)以传导电流时发生。这种类型的短路能够称作第一类型短路事件或SC1。SC1事件能够通过测量跨电力开关的主端子的电压来检测。在SC1事件的情况下，电路的至少一个阻隔元件出故障而在所述电力开关处于断态时进入导电状态。当所述电力开关此后接通时，经过能量供应元件的低阻抗环路闭合，这导致经过电力开关主端子的电流超过正常操作中出现的电流电平。例如MOSFET和IGBT等的一些类型的功率半导体开关通过去饱和(这意味着接受跨电力开关的主端子的电压，并且进入限制经过电力开关主端子的短路电流的模式)将短路电流限制到可控电平。在称作所述电压源转换器的一种类型的功率转换器中，能量供应元件能够是DC链路电容器。出故障的阻隔元件能够是同一转换器桥臂中的另一个电力开关，其控制成关断但是处于导电状态。在一个示例中，可测量电力开关的集电极-发射极电压。当跨电力开关主端子的电压在所指定时间期间(t1，例如八微秒或者另一个时间长度)之后仍然高于某个阈值(例如40伏或另一个阈值)时，SC1事件则由门极驱动单元来测量，并且门极驱动单元进行电力开关的保护关断过程。如以下所述，这个保护关断过程能够包括控制该控制电压(Vge)降低的速率或斜率。在至少一个实施例中，这种过程能够称作“软关断”。
另一方面，如果跨电力开关主端子的电压在所指定时间期间之后低于阈值，则成功接通由处理单元来识别，并且不识别SC1事件。
另一种类型的短路事件能够在电力开关接通并且过量电流至少最初经过电力开关来传导。这个短路事件能够称作第二短路事件或SC2事件。SC2事件能够在开关的成功接通之后(例如在没有检测到SC1事件之后)发生。当电力开关两端的电压在电力开关仍然接通以传导电流的同时在消隐时间期间之后超过阈值时，能够检测SC2事件。SC2事件也能够按照另一种方式来检测，例如当控制端子电流回流到驱动器、控制端子电压超过参考电压(例如通态操作电压、例如+15V等)时。
SC2事件能够通过多种因素引起，例如负载的外部短接、转换器桥臂中的相对电力开关的内部短接、电路的汇流条中的短接或者另一个因素。从SC2事件对电力开关的损坏能够比SC1事件所引起的损坏更为严重，因为电力开关主端子的电流和电压电平会更大。去饱和期间跨电力开关主端子的上升电压(表示电力开关改变为限流模式)经过米勒效应(其能够将施加到电力开关的控制电极的控制电压拉取到高于从电压源所提供的电压)将电流馈入电力开关的控制电极。这能够引起提供给电力开关的主端子的电流(例如电源电流，例如集电极-发射极电流或Ice)的过冲(例如，增加到高于安全上限)以及电力开关中的极高应力。当跨电力开关主端子的电压达到DC链路电压(例如电容器110所提供的电压)时，经过电力开关主端子的电流(Ice)可按照比较迅速和不可控速率降低到静态短路电流，这能够引起跨电力开关主端子的电压的过冲，其对电力开关能够是破坏性的。在一个方面，电力开关在短路电流达到稳态(例如至少对所指定时间期间没有比阈值速率更快地增加或降低)之前无法响应识别SC2事件而关断。否则，跨电力开关主端子的电压的高过冲能够发生。
响应识别SC2事件，能够执行另一个保护过程。处理单元能够包括定时器或者以其他方式跟踪时间的推移。处理单元能够响应SC2事件的检测而发起定时器。当定时器达到预定义值(例如四微秒或者另一个时间期间)时，触发以可控控制电压(Vge)斜率的保护关断，与以上所述相似。例如，在这个时间期间到期之后控制电压(Vge)降低的速率，以确保短路电流已经达到稳态。控制电压(Vge)控制成缓慢降低，以防止跨电力开关主端子的电压的过冲。可选地，跨电力开关主端子的电压能够响应SC2事件的识别而监测，以及当除了时间期间的到期之外、跨电力开关主端子的电压还高于DC链路电压(例如由功率转换器所提供的电压)的大约75%(或者另一个值)时，执行门极电压的保护关断。
在另一方面，可通过监测经过电力开关主端子的电流(Ice)和/或经过电力开关主端子的电流相对时间的变化速率(例如)，更迅速地识别SC2事件。这允许在经过电力开关主端子的电流(Ice)增加(例如，在经过电力开关主端子的电流(Ice)的上升沿)时检测SC2事件。在SC2事件的这种检测时，多电阻驱动装置控制成具有第一电阻器配置(例如，装置中的电阻元件的某个组合被激活以提供第一分压电路)，其将控制电压(Vge)降低到所指定值或以下(例如13伏特或者另一个值)。这能够防止控制电压(Vge)和/或经过电力开关主端子的电流(Ice)的过冲。另外，能够启动定时器。当定时器达到第一预定义值和/或dIce/dt降低到低于某个阈值和/或跨电力开关主端子的电压增加到高于某个阈值时，建立多电阻驱动装置的不同门极电阻器配置，以便将控制电压(Vge)增加到例如14.5伏特或者另一个值。这能够防止经过电力开关主端子的电流(Ice)的无控制回退以及跨电力开关主端子的电压(Vce)的过冲。在定时器达到第二预定义值之后，执行以可控控制电压的保护关断，如本文所述。例如，多电阻驱动装置的电阻器配置可相对时间来修改，以便以所指定速率或者比单个电阻器在低于电力开关控制阈值电压、例如-15V的电源电压与电力开关控制电极之间切换时原本出现的要低的速率来逐渐降低控制电压。
通过提供区分不同短路事件的发明的门极驱动单元和方法并且然后基于所识别短路事件来提供保护方案或过程，能够降低不同短路事件期间对电力开关的应力。降低这个应力能够引起电力开关的更低故障率。因此，能够实现电路中的降低转换器故障率，更多转换器可以是可用的，对功率转换器中的熔丝的需要可降低或消除，等等。
本文所述的发明门极驱动单元和方法的另一方面提供增加电力开关的静态通态门极电压的能力。例如，通过上述改进短路保护，施加到电力开关的控制电极的控制电压(Vge)能够相对于在没有上述短路保护的情况下使用的控制电压的上限来增加。
图1示出按照本文所述的发明主题的一个示例的电源电路100的电路图。电路100经由导电通路106(例如母线、导线、电缆等)将一个或多个发电机102与一个或多个负载104传导地耦合。发电机102能够表示交流发电机、发电机、公用电网、电池等，其生成或提供电流或电压以向负载104供电。在所示示例中，负载104表示牵引马达，但是备选地可表示消耗电能(例如电流和/或电压)以做功的其他系统或装置。
电路100包括若干电力开关108(例如电力开关108A-F)，其在状态之间交替以控制电能从功率转换器112到负载104的传导。例如，电力开关108能够激活到活动或“导通”状态(其经过电力开关108在发电机102与负载104之间传导电流或电压)，并且能够停用到停用或“截止”状态(其阻止功率转换器112与负载104之间的电流或电压的传导)。开关108能够控制电流从发电机102到负载104和/或从负载104到发电机102的传导。例如，在一个实施例中，电流可经过开关108的一个或多个从负载104传导到发电机102。在一个方面，电力开关108的一个或多个是半导体电力开关，例如IGBT或其他类型的开关。备选地，电力开关108能够是另一种类型的开关。
电力开关108能够在不同时间、在导通和截止状态之间交替，以控制由发电机102施加到负载104的电流的多相的传导。在所示示例中，电力开关108成对设置。例如，开关108A、108B可以是一对，开关108C、108D可以是另一对，以及开关108E、108F可以是另一对。每对中的开关108能够进行交替，使得该对中每次只有开关108其中之一导通，以控制电流的一相传导到负载104。备选地，开关108可按照另一种布置，和/或可使用另一个数量的开关108。
开关108能够与到DC链路电容器110的低电感汇流条网络连接，DC链路电容器110在短时间事件、例如换向、短路等期间提供电能。如果短路事件发生，则桥接负载104的电感，并且提供经过DC链路电容器110的低电感通路。例如，如果电力开关108A、108C或108E出故障，则同一对开关108中的对应电力开关108B、108D或108F在对应电力开关108B、108D或108F接通时遭遇短路事件。门极驱动单元能够通过实现本文所述关断过程的一个或多个，来保护对应电力开关108B、108D或108F。
电力开关108能够使用一个或多个门极驱动单元来控制并且保护免受因短路事件引起的损坏或故障。如本文所述，这些门极驱动单元能够检测和识别不同类型的短路事件，以及取决于识别哪一种类型的短路事件而实现不同过程，以防止电力开关108被短路事件损坏。
图2是按照本文所述的发明主题的一个示例的门极驱动单元200的电路图。门极驱动单元200进行操作以区分涉及电力开关108的不同短路事件，以及取决于哪一种事件发生而实现纠正动作，以防止电力开关108的损坏或故障。
门极驱动单元200与门极驱动器电源224和电力开关108传导地耦合。在一个实施例中，门极驱动单元上的电流隔离转换器将门极驱动器电源224所输送的电压转换为电压源218和220，其能够为例如+15V和-15V。电压源218和220表示控制电压源，其施加到电力开关108的控制电极212，以激活电力开关108。门极驱动器电源224能够表示电池或者另一装置，其提供除了发电机102所提供的电流之外的电压或者另一电能。
通过将门极驱动单元200连接到一个或多个电力开关108的辅助端子，能够将它包含在图1所示的电路100中。门极驱动单元200与控制器板202连接，控制器板202能够激活或停用各电力开关的门极驱动单元200。
门极驱动单元200包括硬件电路或者包括一个或多个组件和/或处理器(例如计算机微处理器)和/或与其连接的电路。门极驱动单元200的一个组件是测量单元204(图2中的“Vce电平检测”)，其测量电力开关108处的电压。在所示实施例中，测量单元204感测跨电力开关108的辅助端子206、208的电压，其指示跨电力开关的主端子230、232的电压。电连接206和230以及208和232是电气上相似的连接。在这些端子之间是数毫微亨范围的小电感，其反映从主端子到晶体管芯片的模块内部布线。电力开关的辅助端子以及主端子均适合于识别电力开关状态，如本主题所述。如果电力开关108是IGBT电力开关，则这个电压能够称作集电极电压或者集电极-发射极电压(Vce)，例如跨电力开关108的集电极端子206与发射极端子208的电压降。备选地，测量单元204能够测量另一种类型的电量和/或测量在另一个位置的量。测量单元204能够包括或表示一个或多个硬件电路或者测量电流或者另一电量的电路，例如伏特计的硬件等。
门极驱动单元200还包括处理单元或驱动单元210(图2中的“控制和定时逻辑”)，其控制将控制电压(Vge)施加到电力开关108的控制电极212的速率。这个控制电压(Vge)从电压源218和220来提供，并且能够控制成激活或停用开关108。例如，将控制电压增加到高于所指定电压电平能够使开关108闭合并且将电流或电压传导到负载104，而将控制电压降低到低于所指定电平能够使开关108断开。处理单元210能够包括硬件电路或者包括一个或多个处理器(例如计算机微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)等)和/或与其连接。
门极驱动单元200通过改变门极驱动单元200的多电阻驱动装置214(图2中的“驱动级”)的配置或状态，来控制该控制电压(Vge)。多电阻驱动装置214包括若干电阻元件(例如电阻器)，其能够单独控制成改变提供给开关108的控制电极212的控制电压(Vge)。例如，多电阻驱动装置214能够从电压源218和220来接收控制电压(Vge)，并且能够作为分压器进行操作，以降低施加到开关108的控制电极212的控制电压(Vge)。如上所述，处理单元210能够随时间而改变多电阻驱动装置214的电阻配置，使得控制电压(Vge)随时间而改变。处理单元210能够按照这种方式操作以响应短路事件的识别而控制该控制电压(Vge)的降低速率，以防止对开关108的损坏。
图3示出按照本文所述的发明主题的一个示例的多电阻驱动装置214的电路图300。在所示示例中，多电阻驱动装置或级214包括若干推送-拉取输出级302(例如级302a-d)，其相互并联并且与电压源218、220和电力开关108传导地耦合。级300能够在电压源218、220与门极驱动单元200(图2所示)内部的电力开关108的控制电极212之间相互并联。多电阻驱动装置214包括四个并联级302，但是可选地可包括更多或更少数量的级302。
开关306能够包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或其他开关，其通过从沿输入线216(图2所示)的处理单元210(又如图2所示)所接收的输入信号(例如电压、电流或者另一信号)来控制。开关306能够是处理单元210单独可控的，因为处理单元210能够通过沿输入线216的不同输入线单独传递输入信号，来单独激活或停用(例如接通或关断)单独开关306。激活电阻器开关306使从电压源218和219所接收的控制电压的至少一部分流经与电压源224下游的电阻器开关306所连接的电阻元件304。当控制电压经过多电阻驱动装置214来传导时，开关306的不同组合能够激活或停用，以改变控制电压所遇到的总电阻。例如，多电阻驱动装置214能够作为分压器进行操作，其中开关306单独控制成改变(例如降低)控制电压(Vge)，其从输出线222(又如图2所示)()其将降低的控制电压(Vge)传导到电力开关108的控制电极212)上的多电阻驱动装置214来输出。
例如，级302包括多个电阻元件304(例如电阻器)和开关306。每级302中存在两个电阻元件304和两个开关306，使得所示实施例中存在总共八个电阻元件304(例如电阻元件304a-h)和总共八个开关306(例如开关306a-h)。备选地，可存在另一个数量的电阻元件304。开关306能够单独控制成引起或阻止控制电压从输入线218经过电阻元件304传导。例如，处理单元210能够接通电阻器开关306a以使控制电压的至少一部分经由线路222、经过电阻元件304a传导到控制电极212，能够接通电阻器开关306b以使控制电压的至少一部分经由线路222、经过电阻元件304b传导到控制电极212，依此类推。处理单元210还能够关断电阻器开关306a以阻止控制电压经由线路222、经过电阻元件304a传导到控制电极212，能够关断电阻器开关306b以阻止控制电压经由线路222、经过电阻元件304b传导到控制电极212，依此类推。
在所示示例中，通过并联的四个级302并且每级包括两个开关306和两个电阻元件304，存在“关断”的总电阻(例如，由控制电压之一经过其中传导的电阻器304b、d、f、h所提供的电阻，由Rgoff表示)和“接收”的总电阻(例如，由控制电压之一经过其中传导的电阻器304a、c、e、g所提供的电阻，由Rgon表示)的15个可能值，其中不包括所有开关关断的不重要配置。
在一个方面，从多电阻驱动装置214传导到电力开关108的控制电极212的控制电压(Vge)能够通过下列关系来表示：
　　(等式1)
其中，Vge表示输出到控制电极的控制电压，Von表示由装置214从门极驱动器电源224所接收的控制电压的正分量(例如在线路218上传导的+15伏特或另一个值)，Voff表示由装置214从门极驱动器电源224所接收的控制电压的负分量(例如在线路220上传导的-15伏特或另一个值)，Rgoff表示由被激活电阻器304b、d、f、h所提供的并联电阻，以及Rgon表示由被激活的电阻器304a、c、e、g所提供的并联电阻。
在所示示例中，通过四个并联级302，存在225个可能配置，以用于将控制电压(Vge)设置成电源电压218与220之间的中间电平，其允许对控制电压(Vge)的比较细微调整。多电阻驱动装置214的配置表示哪些电阻器304接通或关断。例如，不同配置可具有接收的不同电阻器304和关断的不同电阻器。
图4示出按照本文所述的发明主题的一个示例、图1所示电力开关108和图2所示门极驱动单元200的操作的电压和电流。图4所示的电压示范检测第一类型的短路事件(SC1)的一个示例以及由门极驱动单元200(图2所示)所实现的、防止SC1事件损坏电力开关108(图1所示)的响应过程。图4所示的电压包括跨电力开关主端子的电压400、控制电压(Vge)402和短路电流(Isc)404。信号400、402、404沿着表示时间的水平轴406以及表示信号的幅值的垂直轴408示出。垂直轴408的标度对于不同信号可以是不同的。例如，垂直轴408的标度对于短路电流404可以比对于跨电力开关主端子的电压要小10倍，以及垂直轴408的标度对于控制电压402可以比跨电力开关主端子的电压400要大100倍。因此，短路电流404的幅值可比实际所示的要小10倍，以及相对于跨电力开关主端子的电压400，控制电压402的幅值可比实际所示的要大100倍。
在操作中，电力开关108在激活时间410通过将从装置214(图2所示)输出的控制电压402从较低停用电平412(例如-15伏特或另一个电压)增加到较高激活电平414来接通。跨电力开关主端子的电压400预计在电力开关108接通时降低(例如降低到零伏特或者接近零伏特)。但是，如图4所示，跨电力开关主端子的电压400在增加到前一幅值之前仅少许降低。
测量单元204监测跨电力开关主端子的电压400，并且向处理单元210(图2所示)报告跨电力开关主端子的电压400。处理单元210确定跨电力开关主端子的电压400在所指定时间期间418(其在激活时间410开始)到期之后是否处于或高于短路(SC)检测阈值416。时间期间418可以是较短时间期间，例如8微秒或另一个时间期间。可选地，处理单元210能够确定跨电力开关主端子的电压400是否处于或高于SC检测阈值416并且在时间期间418期间保持处于或高于SC检测阈值416。如果跨电力开关主端子的电压400在时间期间418之后处于或高于SC检测阈值416，则处理单元210确定SC1事件已经发生。可选地，测量单元204确定跨电力开关主端子的电压400是否指示SC1事件已经发生。
SC检测阈值416和时间期间418可基于发电机102和/或由发电机102供电的负载104的类型和/或电力开关的类型。
如图4所示，SC1事件使短路电流404增加，以及对于这里所考虑的开关达到基本上恒定但较高的短路电流电平。这能够说明电流404具有平台的原因。这些短路电流404能够表示流经电力开关108的电流，并且能够损坏开关108。当SC1事件基于跨电力开关主端子的电压400来识别时，处理单元210能够实现软关断过程，以停止SC1事件(例如，通过消除或显著降低短路电流404)。在一个方面，这个过程包括以可控的速率来降低控制电压402。例如，切断或消除控制电压402产生控制电压402，其在时间期间418或者就在时间期间418之后具有垂直或接近垂直的斜率或下降沿。这能够引起跨电力开关主端子的电压400的尖峰或过冲，其可能损坏电力开关108。
在所示示例中，处理单元210而是控制相对时间的控制电压402的降低，使得控制电压402的降低部分420在时间期间418之后正降低的斜率或降低速率424具有非零斜率(例如，斜率不是垂直或接近垂直的)。处理单元210能够控制对降低部分420的控制电压402的斜率，使得控制电压402降低的速率424比应用正常关断过程时的速率要慢。
处理单元210能够通过改变多电阻驱动装置214(图2所示)中的电阻元件304(图3所示)中的哪些在不同时间接通或关断(如上所述)，来控制该控制电压402的降低。例如，在第一时间，电阻元件304的第一子集可接通，而在稍后的第二时间，电阻元件的不同的第二子集接通，依此类推。改变哪些电阻元件304至少部分传导并且在不同时间分配输入控制电压402使从装置214输出的门极电压402相对时间而改变。传导电压的电阻元件304的集合能够按照开关模式(其支配在不同时间哪些电阻元件304接通而哪些关断)随时间而改变。电力开关108的输入电容能够与电阻元件304一起起作用，以作为低通滤波器进行操作，其帮助平滑由装置214输出的控制电压402的离散阶跃。开关模式能够基于负载104的类型和/或电力开关的类型而改变。开关模式能够存储在处理单元210中、例如处理单元210的非易失性存储器中或者另一个位置中。
控制电压402通过改变哪些电阻元件304相对时间接通比较缓慢地降低。控制电压402以不会快于所指定速率的速率来降低。不久，短路电流404被抑制。控制电压402能够继续缓慢降低，直到电力开关108完全关断。使用多电阻驱动装置214中的哪些电阻元件304接通或关断的许多不同可能配置能够允许降低控制电压402的增加可能性(例如自由度)。例如，与没有包括电阻元件304的多个并联级的驱动单元相对照，驱动装置214具有电阻元件304的许多不同布置，以允许实现控制电压402的较小和离散降低。
在一个方面，控制电压402降低的速率424比控制电压402在电阻元件304的较少布置用来降低控制电压402时原本降低的速率要慢。例如，与仅具有电阻器的单一集合(其全部同时接通或关断)的门极驱动单元相对照，控制电压402降低的速率424可比控制电压402在仅激活电阻器的一个集合时原本降低的速率要慢。在不同时间激活多电阻驱动装置214中的电阻元件304的多个不同集合能够使控制电压402以比只接通电阻元件304的一个静态集合(例如，相对时间不变的)要慢的速率降低。
如图4所示，短路电流404的降低能够使跨电力开关主端子的电压400对时间上对应增加周期422增加。跨电力开关主端子的电压400响应软关断过程的这种增加能够称作跨电力开关主端子的电压400的第二过冲。跨电力开关主端子的电压400的第二过冲的幅值取决于控制电压402降低的速率。例如，随着控制电压402降低的速率变得更快(例如，降低部分420的斜率变得更为垂直)，跨电力开关主端子的电压400的第二过冲的幅值增加。相反，随着控制电压402降低的速率变得更慢(例如，降低部分420的斜率变得更为水平)，跨电力开关主端子的电压400的第二过冲的幅值降低。能够创建多电阻驱动装置214的开关模式，以便确保控制电压402的降低速率充分低、以防止跨电力开关主端子的电压400的第二过冲的幅值变得过大(例如超过电压上限426)并且损坏开关108，但是足够快以防止电力开关108在短路条件下停留过长时间。
电阻元件304能够随时间推移继续按照不同配置来激活或停用，直到控制电压420降低到低于阈值(例如零伏特)、降低到停用开关108的较低电平412或者至少所指定时间期间以可控速率降低。然后停用电力开关108，并且SC1事件终止，而没有允许短路电流404和/或集电极电压400损坏电力开关108。
能够由门极驱动单元200来检测的另一种类型的短路事件是第二短路事件、即SC2。SC2事件能够在电力开关108成功接通之后发生。例如，如果在电力开关108接通之后没有检测到SC1事件(例如，在时间期间418期间激活电力开关108之后，跨电力开关主端子的电压低于SC检测阈值416)，则电力开关108可成功接通，而没有任何短路事件。
但是，在电力开关108以经过电力开关108所传导的电能来成功激活之后，另一个第二类型的短路事件(SC2)能够发生。例如，外部短接可在负载104中发生，电力开关108的转换器的内部短接、电力开关108的汇流条的短接等能够在激活电力开关108之后发生。这种类型的短路事件能够更为严重。
为了检测SC2事件，跨电力开关主端子的电压由测量单元204和/或处理单元210在时间期间418之后检查。如果跨电力开关主端子的电压在时间期间418之后超过SC检测阈值416，则测量单元204和/或处理单元210确定SC2事件正在发生。
图5示出按照本文所述的发明主题的一个示例、图1所示电力开关108和图2所示门极驱动单元200的操作变量。图5所示的电压示范第二类型的短路事件(SC2)的检测以及可由门极驱动单元200(图2所示)响应识别SC2而实现的、以防止对电力开关108的损坏的响应过程的一个示例。
图5所示的电压包括跨电力开关主端子的电压500、控制电压(Vge)502以及经过遭遇短路的电流(Ice)504。这些信号500、502、504可表示图4的SC1事件的图示所示的相似命名的信号400、402、404。信号500、502、504沿着表示时间的水平轴506以及表示电压的幅值的垂直轴408示出。如以上结合图4所述，垂直轴408的标度对于不同信号500、502、504可以是不同的。
在图5的所示示例中，集电极电压500保持低于SC检测阈值416，而电力开关108在发电机102与负载104之间传导电能。跨电力开关主端子的电压500至少对时间期间418小于这个SC检测阈值416。然后，在时间期间418到期之后，跨电力开关主端子的电压500在装置接通的同时增加到高于SC检测阈值416。
当跨电力开关主端子的电压500增加时，这个电压能够使电流因密勒效应而馈入电力开关108的控制电极212(图2所示)，其然后能够使电力开关108的控制电压502增加到高于电压源218所提供的电压。这能够使传导到集电极端子230中的电流(例如，集电极电流Ice)增加并且潜在地损坏电力开关108，例如通过图5中的电流尖峰520所示。一旦跨电力开关主端子的电压500增加到发电机102和DC链路电容器提供的DC链路电压，则经过电力开关主端子的电流(Ice)将经过电力开关108回退(例如降低)到较低短路电流电平526。这个无控制回退能够使跨电力开关主端子的电压500显著增加到高于DC链路电压，这能够损坏或破坏电力开关108。
为了防止这个损坏或破坏，由门极驱动单元200用来消除经过电力开关108所传导的短路电流504的过程能够涉及将降低或消除短路电流504的时间延迟到这个短路电流504达到稳态(即，不是以比所指定速率要快的速率增加或降低)之后。
这个过程能够涉及测量单元204和/或处理单元210监测跨电力开关主端子的电压500，并且确定跨电力开关主端子的电压500增加到高于SC检测阈值416(例如在短路检测时间508)的时间。处理单元210然后可开始延迟定时器或者跟踪检测时间508之后的时间的推移。在接着检测时间508的所指定延迟时间期间510之后，处理单元210能够开始控制多电阻驱动装置214，以便以可控速率较慢地降低控制电压502。在一个实施例中，延迟时间期间510能够为4微秒，但是能够使用另一个时间期间，这取决于所使用的电力开关108、发电机102和/或负载104。
处理单元210能够以可控降低速率524来降低控制电压502，其中可控降低速率524与响应SC1事件的检测而降低控制电压402(图4所示)的速率是相同或者不同的。如上所述，处理单元210能够通过改变哪些电阻元件304(图3所示)在不同时间被激活或停用以传导或者不传导控制电压502，以可控速率来降低控制电压502。如图5所示，控制电压502以较慢速率(例如比只关断控制电压502要慢)降低。控制电压502能够继续降低，直到电力开关108关断(例如，控制电压502达到零或者降低到较低电平412)。控制电压502的逐渐降低使短路电流504以与控制电压502大致相同或者相同的速率降低，直到抑制短路电流504。
延迟降低控制电压502的开始能够确保控制电压502(例如以可控速率)的保护关断在短路电流504处于稳态时执行。例如，如图5所示，当短路电流504改变不超过所指定量和/或短路电流504的变化以较慢速率(例如比所指定速率要慢)发生时，短路电流504对稳态时间期间512达到稳态。一旦短路电流504达到这种稳态，控制电压502能够缓慢降低，以便避免跨电力开关主端子的电压500增加过多并且损坏或破坏电力开关108。如图5所示，跨电力开关主端子的电压500可在控制电压502的保护关断过程的发起时少许增加(例如通过增加部分514所表示)，但是这个增加显著地比控制电压502以较快速率降低、突然关断和/或在短路电流504达到稳态之前降低时要小。
可选地，控制电压502的保护关断过程能够基于跨电力开关主端子的电压500的幅值来发起。例如，测量单元204和/或处理单元210能够监测跨电力开关主端子的电压500，以确定跨电力开关主端子的电压500达到或超过DC链路电压(例如，由发电机102所生成或输出的电压)的所指定分数或百分比的时间。在一个方面，这个分数或百分比可以是75%或者另一个分数或百分比。一旦跨电力开关主端子的电压500达到DC链路电压的这个分数或百分比，控制电压502以可控速率524降低，如上所述。
在一个实施例中，控制电压502可响应跨电力开关主端子的电压500达到或超过DC链路电压的所指定分数或百分比而以可控速率降低，而与这在检测时间508之后发生多长时间无关。例如，处理单元210可在开始降低控制电压502之前不等待延迟时间期间510到期。备选地，处理单元210可以不发起控制电压502的可控降低，直至延迟时间期间510已经到期并且跨电力开关主端子的电压500达到或超过DC链路电压的所指定分数或百分比。
作为监测跨电力开关主端子的电压500以识别SC2事件和/或确定发起控制电压502的保护关断的时间的补充或替代，测量单元204和/或处理单元210能够监测经过电力开关主端子的电流(Ice)和/或经过电力开关主端子的电流的变化速率()。经过电力开关主端子的电流(Ice)能够包括传导到电力开关108的集电极230的电流，如上所述。测量单元204能够感测经过电力开关主端子的电流(Ice)，以及处理单元210能够确定经过电力开关主端子的电流(Ice)超过所指定电流检测阈值的时间和/或经过电力开关主端子的电流的变化速率比所指定检测速率要快的时间。经过电力开关主端子的电流(Ice)的增加以及经过电力开关主端子的电流的变化速率能够指示跨电力开关主端子500的电压因SC2事件引起的快速增加。
另一个测量单元226(图2中的“Vkepe电平检测”)能够感测经过电力开关主端子的电流(Ice)和/或经过电力开关主端子的电流相对时间的变化速率(例如)。测量单元226能够包括硬件电路或者包括一个或多个组件和/或处理器(例如计算机微处理器)和/或与其连接的电路。在所示实施例中，测量单元226感测开尔文(或辅助)发射极与功率发射极(或者主发射极端子)连接之间的电压(例如图2中的232)。这些连接之间可存在杂散电感，通过其，经过电力开关的主电流流动。
在检测到经过电力开关主端子的电流(Ice)增加到高于电流检测阈值和/或经过电力开关主端子的电流(Ice)的变化速率比所指定速率要快时，处理单元210能够激活多电阻驱动装置214中的电阻元件304的第一所指定集合。这使控制电压502降低到所指定的第一电压、例如13伏特或者另一个值。第二电压502可以较快地降低到这个所指定电压，使得控制电压502和/或经过电力开关主端子的电流(Ice)不会增多地增加或过冲并且引起对电力开关108的损坏。处理单元210能够在将控制电压502降低到所指定电压时发起定时器，以及当达到所指定延迟时间期间时，处理单元210则能够激活多电阻驱动装置214中的电阻元件304的不同的第二所指定集合。这个所指定延迟时间期间可以与时间期间510是不同或相同的。
激活第二集合中的电阻元件304，以将控制电压502增加到所指定的第二电压、例如14.5伏特或者另一个值。控制电压502的降低以及然后的增加能够防止经过电力开关主端子的电流(Ice)的无控制回退或降低，这帮助防止跨电力开关主端子的电压500充分大地过冲或增加而引起对电力开关108的损坏。
处理单元210则可在控制电压502的所指定增加之后等待第二所指定延迟时间期间。这个第二延迟时间期间可以与时间期间510是相同或不同的。在这个第二延迟时间期间之后，处理单元210则能够实现上述保护关断过程。例如，处理单元210能够改变多电阻驱动装置210中的哪些电阻装置304在不同时间传导控制电压，以便以可控速率524逐渐降低控制电压502。控制电压502可继续降低，直到停用电力开关108。如图5所示，控制电压502的这种控制能够根除短路电流504，同时避免跨电力开关端子的电压500的显著过冲(其可能损坏或破坏电力开关108)。
回到图2所示的门极驱动单元200的描述，在本文所述的发明主题的另一方面，施加到电力开关108以激活电力开关108的控制电压(Vge)能够增加。电力开关108、例如IGBT的饱和电压(VceSat)能够取决于施加到电力开关108的控制电压(Vge)。对于一些电力开关108，15伏特(或者另一个值)的控制电压(Vge)能够用于接通电力开关108。但是，一些电力开关108具有对能够施加到电力开关108的控制电压(Vge)的较大极限，例如20伏特(或者另一个值)。增加电力开关108的控制电压(Vge)能够降低经过电力开关108所传导的电压或电流的损耗，但是也能够在短路事件期间因增加控制电压(Vge)所引起的增加短路电流而增加对电力开关108的应力。例如，在较大电流，当控制电压(Vge)例如通过将控制电压(Vge)增加33%或者另一个值(例如从15伏特增加到20伏特)来增加时，通过经过电力开关108的电压或电流的传导所引起的传导损耗能够降低大约10%(或者另一个量)。
为了安全地增加控制电压(Vge)，门极驱动单元200能够在电力开关108的激活期间使用多电阻驱动装置214来可控地增加控制电压(Vge)。图6示出按照本文所述的发明主题的一个示例、施加到电力开关108(图1所示)的控制电极(图2所示)的控制电压600。控制电压600沿着表示时间的水平轴602以及表示控制电压600的幅值的垂直轴604示出。
在接通电力开关108之前，控制电压600处于以上所述表示电源电压220的较低电平412。当电力开关108在激活时间610接通时，处理单元210改变多电阻驱动装置214中的哪些电阻元件304(图3所示)在不同时间接通或关断，以便控制该控制电压(Vge)增加的速率。不同电阻元件304相对时间来接通或关断，直到控制电压(Vge)达到电力开关108的所指定阈值电压(Vth)606。处理单元210能够继续改变哪些电阻元件304传导控制电压(Vge)，直至控制电压(Vge)达到较高电平414(例如，激活或接通电力开关108的电压，例如15伏特或者另一个值)。
处理单元210则可停止改变被激活的电阻元件304，以便将控制电压(Vge)保持处于或接近较高电平414。如上所述，处理单元210能够等待所指定时间期间418，以确定是否检测到短路事件(例如SC1事件)。如果在时间期间418期间没有检测到短路事件，则处理单元210可改变哪些电阻元件304被激活或停用，以将控制电压(Vge)再次增加到表示另一电源电压218的上阈值608(例如20伏特或者另一个值)。因此，控制驱动单元200能够将控制电压(Vge)增加到较大幅值，以降低电力开关108的损耗，同时提供针对短路事件的增加保护，如上所述。
如上所述，多电阻驱动装置214能够用来控制该控制电压(Vge)和/或控制电压(Vge)发生变化的速率。备选地，一个或多个其他装置可用来控制该控制电压(Vge)和/或控制电压(Vge)发生变化的速率。作为一个示例，可使用PetarJ.Grbovic的“AnIGBTGateDriverForFeed-ForwardControlOfTurn-OnLossesAndReverseRecoveryCurrent”(IEEETransactionsOnPowerElectronics，Vol.23，No.2，2008年3月)中所述的门极驱动器。Grbovic中的门极驱动器生成电压参考，其被馈入升压级中。升压级输出跟随(例如按照与其相同或相似的方式发生变化)参考电压的电压，并且能够提供电流以用于对电力开关108、例如IGBT的输入电容进行充电。电压参考可采用数模转换器(DAC)(其由处理装置、例如处理单元210或者另一个装置来控制)来生成。门极电压以及门极电压的变化速率则可通过处理单元210控制电压参考来控制。例如，处理单元210可按照可控速率来改变电压参考，以使驱动级输出的控制电压也以可控速率发生变化。
备选地，控制电压能够通过驱动单元200以恒定或接近恒定电流对电力开关的输入电容进行充电来控制。这可使控制电压以可控速率(例如具有恒定或者接近恒定压摆率)发生变化。作为实现对控制电压的这种控制的一个示例，大电感器可采用电能来充电，并且然后对电力开关108的控制电极212进行放电。作为一个示例，可使用美国专利申请发表No.2010/019807中所述的电感器。
在本文所述和所示的门极驱动单元的另一方面，门极驱动单元的处理单元能够基于转换器的DC链路电压来可控地降低控制电压被降低的速率。例如，随着转换器的DC链路电压增加，处理单元可降低控制电压被降低的速率(例如，控制电压可较慢地降低)，而随着转换器的DC链路电压降低，处理单元可增加控制电压被降低的速率(例如，控制电压可较快地降低)。控制电压可对较大电源电压以较慢速率来降低，以便防止跨电力开关的主端子所施加的电流的大过冲。在一个示例中，处理单元能够响应跨电力开关的主端子的第一电压小于所指定幅值而增加控制电压被降低的速率，并且能够响应跨电力开关的主端子的第一电压至少与所指定幅值同样大而降低控制电压被增加的速率。
处理单元能够通过改变多电阻驱动装置中的电阻元件中的哪些集合在一个或多个不同时间被激活或停用，来控制该控制电压的降低速率。例如，在第一时间期间，可激活电阻元件的第一集合，并且可停用电阻元件的不同的第二集合。在后续第二时间期间，可激活电阻元件的不同的第三集合，并且可停用电阻元件的不同的第四集合，依此类推。这些集合的一个或多个中包含的电阻元件可由处理单元基于电源电压来改变。例如，可对电源电压的不同范围来指定电阻元件的不同集合。取决于电源电压落入这些范围的哪一个中，处理单元能够改变哪些元件包含在第一、第二、第三、第四等集合中。
可选地，处理单元能够通过改变激活或停用多电阻驱动装置中的电阻元件的不同集合的时间期间，来控制该控制电压的降低速率。例如，激活电阻元件的第一集合而停用电阻元件的第二集合的第一时间期间、激活电阻元件的第三集合而停用电阻元件的第四集合的第二时间期间等可基于电源电压的变化来改变。
图7示出能够包含在图2所示门极驱动单元200中的多电流源装置700的另一个实施例。装置700通过线路218、220从门极驱动电源224接收控制电压。虽然从线路218、220所接收的控制电压示为+/-15伏特，但是能够提供另一个电压。装置700包括电阻元件702和开关704，其可分别与图3所示的电阻元件304和开关306相似或相同。
与图3所示的多电阻驱动装置214相对照，电阻元件和开关的位置在图7所示的装置700中交换。例如，来自电压源218和220的控制电压在经过开关704传导之前经过电阻元件702来传导。在这些位置中，电阻元件702充当旁路电阻器，其向开关704的控制电压提供负反馈。开关704能够工作在作用区中，并且像可变电阻器那样起作用。当激活电力开关108时，开关704具有随时间降低的较大电阻。这些电阻能够降低，直到对开关704的门极端子充电(例如接收15伏特或者另一个值的门极电压)。因此，开关704逐渐增加经由线路222、经过开关704输出到电力开关108的控制电极212的控制电压。相反，控制电压能够降低，以使开关704的电阻随时间而增加，并且因此逐渐降低输出到电力开关108的控制电极212的控制电压。在一个方面，对开关704的门极端子进行充电所需要的电阻能够通过电阻元件702所提供的电阻和/或开关704的导通电阻(Rdson)的幅值来限定。
图8示出按照本文所述的发明主题的一个示例、用于提供电力开关的短路保护的方法800的流程图。方法800可使用图2所示门极驱动单元200的一个或多个实施例来实现。
在802，激活电力开关。可通过发起闭合电力开关的过程，使得电力开关开始将电能从电源传导到负载，来激活电力开关。在一个示例中，电力开关的激活开始于增加施加到电力开关的电极的控制电压。
在804，控制电压增加到电力开关的起动电平。例如，控制电压能够增加(例如以可控或延迟速率)到电力开关闭合并且开始将电能从电源传导到负载的幅值。
在806，监测跨电力开关的主端子的电压。例如，施加到电力开关的主端子的电压可周期地或者以其他方式来测量。在808，检查跨电力开关的主端子的电压，以确定跨电力开关的主端子的电压是否超过短路检测阈值。在一个方面，检查在接着电力开关的激活的所指定时弊周期之后所测量的、跨电力开关的主端子的电压，以确定跨电力开关的主端子的电压是否超过检测阈值。如果电源电压超过检测阈值，则这可指示第一类型的短路事件(SC1)的发生。因此，方法800的流程能够继续进行到810。如果跨电力开关的主端子的电压没有超过检测阈值，则跨电力开关的主端子的电压可指示电力开关成功闭合或激活，以将电能从电源传导到负载，而没有SC1事件发生。因此，方法800的流程能够继续进行到812或814。
在810，执行以可控速率的控制电压的保护软关断。如上所述，控制电压能够以比简单地切断控制电压的供应要慢的速率来降低。能够通过相对时间调制若干电阻元件的哪一个被激活以经过多电阻驱动装置传导控制电压并且分配或者以其他方式降低控制电压，来控制降低控制电压的速率。可选地，其他技术可用来控制该控制电压的降低，如本文所述。控制电压可继续降低，直到电力开关断开或者停用并且不再将电能从电源传导到负载。
在812，控制电压可以可选地增加到高于电力开关的激活电平。如上所述，一旦电力开关闭合并且传导电流而没有检测到SC1事件，控制电压可更进一步增加，以降低电力开关的传导损耗。
在814，跨电力开关的主端子的电压继续被监测。例如，跨电力开关的主端子的电压可在电力开关闭合以将电流从电源传导到负载的同时周期地或者以其他方式来测量。
在816，检查跨电力开关的主端子的电压，以确定在电力开关闭合以传导电流的同时、跨电力开关的主端子的电压是否超过短路检测阈值电压。如果跨电力开关的主端子的电压超过阈值(例如检测阈值或者另一个阈值)，则第二类型的短路事件(SC2)识别为发生。因此，方法800的流程能够继续进行到818。另一方面，如果集电极电压没有超过检测阈值，则没有识别到SC2事件，以及方法800能够返回到814，以用于继续监测和检查跨电力开关的主端子的电压。
在818，对至少所指定延迟时间期间来延迟控制电压的保护软关断过程。如上所述，能够修改该过程，以确保短路电流或电压已经达到稳态。在820，在该延迟之后执行控制电压的保护软关断。控制电压能够以比简单关断方法要慢的速率来降低。能够通过相对时间调制若干电阻元件的哪一个被激活以经过多电阻驱动装置传导控制电压并且分配或者以其他方式降低控制电压，来控制降低控制电压的速率。可选地，其他技术可用来控制该控制电压的降低，如本文所述。控制电压可继续降低，直到电力开关断开或停用并且不再传导电流。
在本文所述的发明主题的一个示例中，提供一种用于转换器的操作的门极驱动单元。门极驱动单元包括测量单元、多电阻驱动装置和处理单元。测量单元配置成测量跨电力开关的主端子的第一电压。多电阻驱动装置与电力开关的电隔离控制电极传导地耦合。多电阻驱动装置包括多个单独可控电阻元件，其传导地耦合在电压源与电力开关的控制电极之间。处理单元配置成控制由电压源施加到电力开关的控制电极的电压，以激活电力开关。处理单元还配置成单独激活或停用多电阻驱动装置的电阻元件，以改变电阻元件的哪一个响应跨电力开关的主端子的第一电压表示第一类型的短路事件而在不同时间至少部分将控制电压从电压源传导到电力开关的控制电极。处理单元还配置成改变电阻元件的哪一个被激活或停用，以控制该控制电压在电力开关的停用期间响应第一类型的短路事件发生而降低的速率。
在一个方面，多电阻驱动装置包括电阻元件，其在电压源与电力开关的控制电极之间的多个并联级中相互并联。多电阻驱动装置还能够包括与电阻元件耦合的多个开关。处理单元能够配置成单独激活或停用开关，以分别将控制电压或者阻止将控制电压经由电阻元件传导到电力开关的控制电极，以分配和降低控制电压。
在一个方面，处理单元配置成改变开关中的哪些在不同时间来激活，以在不同时间将施加到电力开关的控制电极的控制电压以不同量分配并且降低。
在一个方面，处理单元配置成开始单独激活或停用电阻元件，以便在接着电力开关的激活的所指定时间期间到期之后、跨电力开关主端子的第一电压超过短路检测阈值时控制施加到电力开关的控制电极的控制电压降低的速率。
在一个方面，处理单元还配置成开始单独激活或停用电阻元件，以便响应跨电力开关的主端子的第一电压表示不同的第二类型的短路事件而控制施加到电力开关的控制电极的控制电压降低的速率。当跨电力开关的主端子的控制电压在电力开关闭合时下降到低于短路检测阈值并且然后在电力开关的控制电极处的控制电压仍然配置成闭合电力开关的同时增加到高于短路检测阈值时，跨电力开关的主端子的第一电压表示第二类型的短路事件。
在一个方面，响应跨电力开关的主端子的第一电压表示第二类型的短路事件，处理单元配置成通过等待所指定延迟时间期间，并且在延迟时间期间到期时，通过单独激活或停用多电阻驱动装置的电阻元件以控制该控制电压降低的速率，来降低施加到电力开关的控制电极的控制电压。
在一个方面，处理单元配置成控制多电阻驱动装置，以将施加到电力开关的控制电极的控制电压增加到初始激活电平。处理单元还能够配置成响应跨电力开关的主端子的第一电压在所指定时间期间之后不表示第一类型的短路事件，而将控制电压增加到高于初始激活电平。
在本文所述的发明主题的另一个示例中，一种用于提供短路保护的方法包括监测经过电力开关的主端子所传导的电流的变化速率，确定电流的变化速率比所指定检测速率要快的时间，并且响应电流的变化速率超过所指定检测速率而改变多电阻驱动装置中的多个单独可控电阻元件中的哪些是活动的、以在不同时间至少部分传导提供给电力开关的控制电极的控制电压。改变电阻元件的哪一个在不同时间是活动的操作控制提供给电力开关的控制电极的控制电压降低的速率。
在一个方面，跨电力开关的主端子的电流的变化速率响应第二类型的短路事件发生而超过所指定检测速率。
在一个方面，改变电阻元件中的哪些在不同时间是活动的操作包括由电阻元件的不同集合在不同时间来分配控制电压。
在本文所述的发明主题的另一个示例中，门极驱动单元包括测量单元、具有多个单独可控电阻元件的多电阻驱动装置和处理单元。测量单元配置成监测跨电力开关的主端子所传导的电流的变化速率。处理单元配置成确定电流的变化速率比所指定检测速率要快的时间。处理单元还配置成响应电流的变化速率超过所指定检测速率而改变多电阻驱动装置中的电阻元件中的哪些是活动的，以在不同时间至少部分传导施加到电力开关的控制电极的控制电压。处理单元能够改变电阻元件中的哪些在不同时间是活动的，以控制提供给电力开关的控制电极的控制电压降低的速率。
在一个方面，跨电力开关的主端子的电流的变化速率响应第二类型的短路事件发生而超过所指定检测速率。
在一个方面，处理单元配置成改变电阻元件中的哪些在不同时间是活动的，以便由电阻元件的不同集合在不同时间来分配控制电压。
在发明主题的另一个示例中，一种(例如用于提供短路保护的)方法包括响应跨电力开关的主端子的第一电压表示第一类型的短路事件而测量跨电力开关的主端子的第一电压，单独激活或停用耦合在电压源与电力开关的控制电极之间的多电阻驱动装置的电阻元件。单独激活或停用电阻元件，以改变电阻元件的哪一个在不同时间至少部分将控制电压从电压源传导到电力开关的控制电极。单独激活或停用电阻元件以可控速率来降低控制电压。
在发明主题的另一个示例中，一种方法包括监测经过电力开关的主端子所传导的电流的变化速率，确定电流的变化速率比所指定检测速率要快的时间，并且响应电流的变化速率超过所指定检测速率而在缩短的第一时间期间之内将控制电压降低到中间电平，之后接着在控制电压降低到中间电平后的第二时间期间到期、电流的变化速率降低到低于第一所指定阈值或者电力开关两端的电压增加到高于第二所指定阈值中的至少一个之后将控制电压增加到增加的电平。通过改变多电阻驱动装置中的多个单独可控电阻元件中的哪些是活动的、以在不同时间至少部分传导提供给电力开关的控制电极的控制电压，来降低控制电压。该方法还能够包括在电力开关两端的电压高于第三指定阈值时的第三指定时间期间之后通过控制该控制电压的下降斜率来关断短路电流。
在一个方面，单独激活或停用电阻元件包括单独激活或停用与电阻元件连接的开关。开关能够激活或停用，以分别将施加到电力开关的控制电极的控制电压或者阻止将其经由电阻元件来传导，以分配和降低施加到电力开关的控制电极的控制电压。
在一个方面，该方法还包括改变开关中的哪些在不同时间来激活，以在不同时间将施加到电力开关的控制电极的控制电压以不同量分配并且降低。
在一个方面，单独开始激活或停用电阻元件，以便在接着电力开关的激活的所指定时间期间到期之后、跨电力开关的主端子的第一电压超过短路检测阈值时控制施加到电力开关的控制电极的控制电压降低的速率。
在一个方面，该方法还包括单独激活或停用电阻元件，以便响应表示不同的第二类型的短路事件、跨电力开关的主端子的第一电压而控制施加到电力开关的控制电极的控制电压降低的速率。当跨电力开关的主端子的第一电压在电力开关闭合时下降到低于短路检测阈值并且然后在电力开关的控制电极处的控制电压仍然配置成闭合电力开关的同时增加到高于短路检测阈值时，跨电力开关的主端子的第一电压能够表示第二类型的短路事件。
在一个方面，响应跨电力开关的主端子的第一电压表示第二类型的短路事件，通过等待所指定延迟时间期间，并且在延迟时间期间到期时，通过单独激活或停用多电阻驱动装置的电阻元件以控制施加到控制电极的控制电压降低的速率，来降低施加到电力开关的控制电极的控制电压。
在一个方面，该方法还包括在对至少所指定时间期间激活电力开关时将施加到电力开关的控制电极的控制电压增加到初始激活电平，以及响应跨电力开关的主端子的第一电压在所指定时间期间之后不表示第一类型的短路事件而将施加到电力开关的控制电极的控制电压增加到高于激活电平。
在本文所述的发明主题的另一个示例中，一种用于转换器的操作的门极驱动单元包括测量单元、多电阻驱动装置和处理单元。测量单元配置成测量跨电力开关的主端子的第一电压。多电阻驱动装置配置成与接收控制电压的电力开关的控制电极传导地耦合，以激活电力开关。多电阻驱动装置包括多个单独可控电阻元件，其传导地耦合在电压源(其提供控制电压)与电力开关的控制电极之间。处理单元配置成单元激活或停用多电阻驱动装置的电阻元件，以便在不同时间在电阻元件的不同集合之间分配施加到电力开关的控制电极的控制电压以降低控制电压，并且响应跨电力开关的主端子的第一电压指示第一类型的短路事件而停用电力开关。处理单元配置成基于跨电力开关的主端子的第一电压的幅值来控制该控制电压在电力开关的停用期间降低的速率。
在一个方面，处理单元配置成响应跨电力开关的主端子的第一电压小于所指定幅值而增加控制电压被降低的速率，并且响应跨电力开关的主端子的第一电压至少与所指定幅值同样大而降低控制电压被增加的速率。
在一个方面，处理单元配置成基于跨电力开关的主端子的第一电压的幅值来改变电阻元件集合中的哪些是在不同时间被激活或停用的至少一个。
在一个方面，处理单元配置成基于跨电力开关的主端子的第一电压的幅值来改变电阻元件集合的一个或多个是被激活或停用的至少一个的时间长度。
在一个方面，多电阻驱动装置包括电阻元件，其在电压源与电力开关的控制电极之间的多个并联级中相互并联。多电阻驱动装置还能够包括与电阻元件耦合的多个开关。处理单元能够配置成单独激活或停用开关，以分别将控制电压或者阻止将控制电压经由电阻元件传导到电力开关的控制电极，以分配和降低控制电压。
在一个方面，处理单元配置成开始单独激活或停用电阻元件，以便在接着电力开关的激活的所指定时间期间到期之后、跨电力开关主端子的第一电压超过短路检测阈值时控制施加到电力开关的控制电极的控制电压降低的速率。
在一个方面，处理单元还配置成开始单独激活或停用电阻元件，以便响应跨电力开关的主端子的第一电压表示不同的第二类型的短路事件而控制施加到电力开关的控制电极的控制电压降低的速率。当跨电力开关的主端子的控制电压在电力开关闭合时下降到低于短路检测阈值并且然后在电力开关的控制电极处的控制电压仍然配置成闭合电力开关的同时增加到高于短路检测阈值时，跨电力开关的主端子的第一电压表示第二类型的短路事件。
在一个方面，响应跨电力开关的主端子的第一电压表示第二类型的短路事件，处理单元配置成通过等待所指定延迟时间期间，并且在延迟时间期间到期时，通过单独激活或停用多电阻驱动装置的电阻元件以控制该控制电压降低的速率，来降低施加到电力开关的控制电极的控制电压。
在一个方面，处理单元配置成控制多电阻驱动装置，以将施加到电力开关的控制电极的控制电压增加到初始激活电平，处理单元还配置成响应跨电力开关的主端子的第一电压在所指定时间期间之后不表示第一类型的短路事件而将控制电压增加到高于初始激活电平。
在另一个实施例中，一种方法包括在电力开关接通之后检测短路事件，短路事件检测下列至少一个：确定跨电力开关的主端子的电压在时间期间(其在电力开关接通时开始)到期之后超过阈值的时间，确定控制端子电流回流到门极驱动单元或者电力开关的控制电压超过参考电压的时间，确定经过主端子的电流超过阈值电流的时间，或者确定经过主端子的电流的变化速率超过阈值速率的时间。该方法还包括在短路事件的检测之后等待所指定时间期间，并且以控制电压的可控降低斜率来触发控制电压的保护关断。保护关断包括将控制电压降低到至少两个不同级。例如，控制电压可按照可控速率降低到第一降低值，然后按照相同或不同可控速率降低到更低的第二降低值，依此类推。
在另一个实施例中，一种方法包括检测涉及电力开关的短路事件，并且响应短路事件而控制提供给电力开关的控制电压的降低变化速率。
在一个方面，该方法还包括识别短路事件的类型。控制电压降低时的定时能够基于短路事件的类型。
要理解，预计以上描述是说明性而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可相互结合使用。另外，可进行多种修改以使具体情况或材料适合发明主题的理论，而没有背离其范围。虽然本文所述材料的尺寸和类型预计定义发明主题的参数，但是它们完全不是限制性的，而只是示范实施例。通过阅读以上描述，本领域的技术人员将会非常清楚其他许多实施例。因此，发明主题的范围应当参照所附权利要求连同这类权利要求涵盖的完整等效范围共同确定。在所附权利要求书中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“其中”的普通语言等效体。此外，在以下权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等只用作标记，而不是意在对其对象施加数字要求。此外，以下权利要求书的限制并不是按照部件加功能格式编写的，并且不是意在基于35U.S.C.§112(f)来解释，除非这类权利要求限制明确使用词语“用于…的部件”加上没有其他结构的功能的陈述。
本书面描述使用示例来公开发明主题的若干实施例，并且还使本领域的技术人员能够实施发明主题的实施例，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。发明主题的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。
通过结合附图进行阅读，将会更好地理解发明主题的某些实施例的以上描述。在附图示出各个实施例的功能块的简图的意义上，功能块不一定表示硬件电路之间的分配。因此，例如，功能块的一个或多个(例如处理器或存储器)可在单个硬件(例如，通用信号处理器、微控制器、随机存取存储器、硬盘等)中实现。类似地，程序可以是独立程序，可结合为操作系统中的子例程，可以是已安装软件包中的功能，等等。各个实施例并不局限于附图所示的布置和工具。
如本文所使用的、以单数形式所述并且具有数量词“一”或“一个”的元件或步骤应当被理解为并不排除多个所述元件或步骤的情况，除非明确说明了这种排除情况。此外，提到发明主题的“一个实施例”并不是要被理解为排除也结合了所述特征的其他实施例的存在。此外，除非相反的明确说明，否则，“包括”或“具有”带特定性质的元件或者多个元件的实施例可包括没有那种性质的附加的这类元件。

Claims (10)

1.一种用于转换器中的电力开关的操作的门极驱动单元，其中，所述门极驱动单元包括：
测量单元，配置成测量跨电力开关的主端子的第一电压；
多电阻驱动装置，与所述电力开关的控制电极传导地耦合，所述多电阻驱动装置包括传导地耦合在至少一个电压源与所述电力开关的所述控制电极之间的多个单独可控电阻元件；以及
处理单元，配置成控制由所述电压源施加到所述电力开关的所述控制电极的控制电压以激活所述电力开关，所述处理单元配置成单独激活或停用所述多电阻驱动装置的所述电阻元件，以改变所述电阻元件中的哪些响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示第一类型的短路事件而在不同时间至少部分将所述控制电压从所述电压源传导到所述电力开关的所述控制电极，所述处理单元配置成改变所述电阻元件中的哪些被激活或停用，以控制所述控制电压在所述电力开关的停用期间响应第一类型的短路事件发生而降低的速率。
2.如权利要求1所述的门极驱动单元，其中，所述多电阻驱动装置包括在各电压源与所述电力开关的所述控制电极之间的多个并联级中相互连接的所述电阻元件，所述多电阻驱动装置还包括与所述电阻元件耦合的多个开关，所述处理单元配置成单独激活或停用所述开关，以分别将所述控制电压或者阻止将所述控制电压经过所述电阻元件传导到所述电力开关的所述控制电极，以分配和降低所述控制电压。
3.如权利要求2所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元配置成改变所述开关中的哪些在不同时间来激活，以在不同时间将施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压以不同量分配并且降低。
4.如权利要求1所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元配置成开始单独激活或停用所述电阻元件，以在接着电力开关的激活的所指定时间期间到期之后、跨电力开关主端子的第一电压超过短路检测阈值时控制施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压降低的所述速率。
5.如权利要求1所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元还配置成开始单独激活或停用所述电阻元件，以控制施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示不同的第二类型的短路事件而降低的所述速率，当跨所述电力开关的所述主端子的所述电压在所述电力开关闭合时降低到低于短路检测阈值并且然后在所述电力开关的所述控制电极处的所述控制电压仍然配置成闭合所述电力开关的同时增加到高于所述短路检测阈值时，跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示所述第二类型的短路事件。
6.如权利要求5所述的门极驱动单元，其中，响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压表示所述第二类型的短路事件，所述处理单元配置成通过等待所指定延迟时间期间，并且在所述延迟时间期间到期时，通过单独激活或停用所述多电阻驱动装置的所述电阻元件以控制所述控制电压降低的所述速率，来降低施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压。
7.如权利要求1所述的门极驱动单元，其中，所述处理单元配置成控制所述多电阻驱动装置，以将施加到所述电力开关的所述控制电极的所述控制电压增加到初始激活电平，所述处理单元还配置成响应跨所述电力开关的所述主端子的所述第一电压在所述所指定时间期间之后不表示所述第一类型的短路事件而将所述控制电压增加到高于所述初始激活电平。
8.一种方法，包括：
监测经过电力开关的主端子所传导的电流的变化速率；
确定所述电流的所述变化速率是否比所指定检测速率要快；以及
响应所述电流的所述变化速率超过所述所指定检测速率，在缩短的第一时间期间之内将控制电压降低到中间电平，之后接着在所述控制电压降低到所述中间电平后的第二时间期间到期、所述电流的所述变化速率降低到低于第一所指定阈值或者跨所述电力开关的电压增加到高于第二所指定阈值中的至少一个之后，将所述控制电压增加到增加的电平；以及
在所述电力开关两端的所述电压高于第三指定阈值时的第三指定时间期间之后通过控制所述控制电压的下降斜率来关断短路电流。
9.如权利要求8所述的方法，经过所述电力开关的所述主端子的所述电流的所述变化速率响应第二类型的短路事件发生而超过所述所指定检测速率。
10.如权利要求8所述的方法，其中，通过改变多电阻驱动装置中的多个单独可控电阻元件中的哪些是活动的、以在不同时间至少部分传导提供给所述电力开关的所述控制电极的控制电压，来降低所述控制电压。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106817113A (zh) * 2015-12-01 2017-06-09 通用电气公司 用于场控开关的过电流保护的系统及方法
CN109314508A (zh) * 2016-06-16 2019-02-05 株式会社自动网络技术研究所 供电控制装置
CN109861504A (zh) * 2019-03-29 2019-06-07 广东美的制冷设备有限公司 空调器、智能功率模块及其控制方法
CN111443277A (zh) * 2019-01-16 2020-07-24 三星电机株式会社 用于检测基板中的布线短路的设备和方法
CN114844492A (zh) * 2022-07-05 2022-08-02 深圳芯能半导体技术有限公司 一种两级关断的栅极驱动电路

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6439597B2 (ja) * 2015-06-09 2018-12-19 株式会社デンソー 電力変換装置
EP3179632B1 (en) * 2015-12-11 2022-11-02 ABB Schweiz AG Driver circuit
JP6740657B2 (ja) * 2016-03-23 2020-08-19 アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 インバータ装置
JP2018037723A (ja) * 2016-08-29 2018-03-08 公立大学法人首都大学東京 ゲート駆動装置
US10525841B2 (en) 2016-10-12 2020-01-07 Ford Global Technologies, Llc Gate driver with short circuit protection
DE102018107146B4 (de) * 2018-03-26 2020-04-16 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Steuereinrichtung für einen Leistungshalbleiterschalter
US10897250B2 (en) * 2018-11-16 2021-01-19 Transportation Ip Holdings, Llc Systems and methods for controlling dynamic avalanche in switching devices
US11050418B2 (en) * 2019-01-11 2021-06-29 Infineon Technologies Ag Gate level triggered desaturation blanking
US11831249B2 (en) * 2019-11-06 2023-11-28 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation Power conversion apparatus
KR20220035728A (ko) * 2020-09-14 2022-03-22 주식회사 현대케피코 Igbt 제어 장치 및 방법
CN115149397B (zh) * 2021-03-31 2023-08-04 上海禾赛科技有限公司 激光器驱动电路及激光雷达
JP2023042412A (ja) 2021-09-14 2023-03-27 株式会社東芝 電子回路、方法、電子システム及びコンピュータプログラム

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6097582A (en) * 1999-02-12 2000-08-01 Wisconsin Alumni Research Foundation Short circuit protection of IGBTs and other power switching devices
US8503146B1 (en) * 2007-10-16 2013-08-06 Fairchild Semiconductor Corporation Gate driver with short-circuit protection

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1042546A (ja) * 1996-07-18 1998-02-13 Fuji Electric Co Ltd 並列半導体スイッチ素子の過電流検出装置
US6396721B1 (en) 2000-02-03 2002-05-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Power converter control device and power converter thereof
US7777370B2 (en) 2007-05-03 2010-08-17 Honeywell International Inc. Integrated gate drive for use in control and protection of power modules
JP2009081777A (ja) * 2007-09-27 2009-04-16 Toshiba Corp パワートランジスタドライブ回路
CA2655013A1 (en) 2008-02-22 2009-08-22 Queen's University At Kingston Current-source gate driver
GB2458704A (en) 2008-03-28 2009-09-30 Bombardier Transp Gmbh An improved overcurrent protection circuit for an IGBT in an inverter
AU2010348910B2 (en) 2010-03-18 2015-12-03 Abb Research Ltd Converter cell for cascaded converters, control system and method for bypassing a faulty converter cell
EP2424112B1 (en) 2010-08-23 2015-07-01 ABB Research Ltd Current balancing of parallel connected semiconductor components
US9391604B2 (en) 2012-01-23 2016-07-12 Infineon Technologies Austria Ag Methods for monitoring functionality of a switch and driver units for switches
CN104871417B (zh) * 2012-12-21 2018-03-06 三菱电机株式会社 开关元件驱动电路、功率模块以及汽车

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6097582A (en) * 1999-02-12 2000-08-01 Wisconsin Alumni Research Foundation Short circuit protection of IGBTs and other power switching devices
US8503146B1 (en) * 2007-10-16 2013-08-06 Fairchild Semiconductor Corporation Gate driver with short-circuit protection

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PETAR J.GRBOVIC: "An IGBT Gate Driver for Feed-Forword Control of Turn-on Losses and Reverse Recovery Current", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106817113A (zh) * 2015-12-01 2017-06-09 通用电气公司 用于场控开关的过电流保护的系统及方法
CN106817113B (zh) * 2015-12-01 2021-04-02 通用电气公司 用于场控开关的过电流保护的系统及方法
CN113193860A (zh) * 2015-12-01 2021-07-30 西屋气动刹车技术公司 用于场控开关的过电流保护的系统及方法
CN109314508A (zh) * 2016-06-16 2019-02-05 株式会社自动网络技术研究所 供电控制装置
CN109314508B (zh) * 2016-06-16 2022-06-07 株式会社自动网络技术研究所 供电控制装置
CN111443277A (zh) * 2019-01-16 2020-07-24 三星电机株式会社 用于检测基板中的布线短路的设备和方法
CN111443277B (zh) * 2019-01-16 2022-01-28 三星电机株式会社 用于检测基板中的布线短路的设备和方法
CN109861504A (zh) * 2019-03-29 2019-06-07 广东美的制冷设备有限公司 空调器、智能功率模块及其控制方法
CN114844492A (zh) * 2022-07-05 2022-08-02 深圳芯能半导体技术有限公司 一种两级关断的栅极驱动电路

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Publication number Publication date
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JP6579790B2 (ja) 2019-09-25
DE102015106998A1 (de) 2015-11-12

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