CN106817113A - 用于场控开关的过电流保护的系统及方法 - Google Patents

用于场控开关的过电流保护的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明的主题为“用于场控开关的过电流保护的系统和方法”。一种方法包括检测从开关的第一端子到开关的第二端子的电流，其中所述电流超过了开关的线性区的电流极限。所述方法包括将开关的栅极电压从第一电压控制到第二电压。所述第二电压被配置成使得开关能够工作在开关的有源区。所述方法还包括当开关工作在有源区时打开开关。

Description

用于场控开关的过电流保护的系统及方法
技术领域
本文公开的主题涉及保护场控开关或门控开关，更具体地，涉及在过电流的情况下保护开关。
背景技术
功率电子器件常常包括打开和/或闭合电路以及中断和/或允许电流流动的开关。经常在功率电子器件中使用例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等的电子开关来控制可流过开关的电流。这些电子开关中的一些类型经常根据那个开关的栅极端子上的电压(VGE)的施加而被打开或闭合。通常，当开关的栅极电压相对于开关的另一端子(源极或发射极)达到阈值时，开关开始闭合并且允许电流在开关的功率端子之间流动，所述开关的功率端子可被称为集电极和发射极或者漏极和源极。
然而，许多开关被设计成以有限数量的电流工作。虽然开关可以经常被设计成经得起更高的电流，但是开关的组件可能会更大或者具有更高的成本。此外，仍然可能的是未曾预料的短路或故障可能会发生。因为如果超过了开关的电流极限的话可以由于过热和/或应力而导致损害开关，因此保护开关使之避免超过这样的电流极限和/或保护开关以防过电流状况发生可能是有益的。
发明内容
在第一实施例中，一种方法包括：检测从开关的第一端子到所述开关的第二端子的电流，其中所述电流超过了所述开关的线性区的电流极限，将所述开关的栅极电压从第一电压控制到第二电压，其中所述第二电压被配置成使得所述开关能够工作在所述开关的有源区，以及当所述开关工作在所述有源区时打开所述开关。
在第二实施例中，一种系统包括：栅极驱动单元，所述栅极驱动单元被配置成检测从开关的第一端子到所述开关的第二端子的电流，其中所述电流超过了所述开关的线性区的电流极限，将所述开关的栅极电压从第一电压控制到第二电压，其中所述第二电压被配置成使得所述开关能够工作在所述开关的有源区，并且当所述开关工作在有源区时打开所述开关。
在第三实施例中，一种系统包括开关、被配置成将一个或多个驱动信号传送至所述开关的控制器、以及被配置成提供栅极电压、栅极电流或其组合以用于基于所述驱动信号来控制所述开关的栅极驱动单元，其中所述驱动信号被配置成控制所述开关，其中所述栅极驱动单元被配置成检测从所述开关的第一端子到所述开关的第二端子的电流、将所述开关的栅极电压从第一电压控制到第二电压并且当所述开关工作在所述有源区时打开所述开关，其中所述电流超过了所述开关的线性区的电流极限，其中所述第二电压被配置成使得所述开关能够工作在所述开关的有源区。
提供了技术方案1：
一种方法，包括：
检测从开关的第一端子到所述开关的第二端子的电流，其中所述电流超过了所述开关的线性区的电流极限；
将所述开关的栅极电压从第一电压控制到第二电压，其中所述第二电压被配置成使得所述开关能够工作在所述开关的有源区；并且
当所述开关工作在所述有源区时打开所述开关。
提供了技术方案2：根据技术方案1所述的方法，其中所述开关被配置成当所述栅极电压减小到所述第二电压时转换到去饱和。
提供了技术方案3：根据技术方案1所述的的方法，其中当所述电流超过了所述线性区的反向偏压安全工作区域(RBSOA)的所述电流极限时，所述第二电压基于确保所述开关转换以便工作在短路安全工作区域(SCSOA)。
提供了技术方案4：根据技术方案3所述的方法，其中所述RBSOA包括所述开关被设计成容许的电压、电流或其中的任何组合的状况。
提供了技术方案5：根据技术方案1所述的方法，其中所述开关为绝缘栅双极晶体管IGBT。
提供了技术方案6：根据技术方案1所述的方法，其中控制所述栅极电压包括减小所述栅极电压以使所述开关工作在所述有源区。
提供了技术方案7：根据技术方案1所述的方法，其中所述过电流未超过短路安全工作区域(SCSOA)的电流极限。
提供了技术方案8：根据技术方案1所述的方法，其中将所述第二电压用作所述栅极电压来打开所述开关，通过限制从所述第一端子到所述第二端子流过所述开关的所述电流，来减小由所述开关接收到的电压过冲。
提供了技术方案9：
一种系统，包括：
栅极驱动单元，所述栅极驱动单元被配置成：
检测从开关的第一端子到所述开关的第二端子的电流，其中所述电流超过了所述开关的线性区的电流极限；
将所述开关的栅极电压从第一电压控制到第二电压，其中所述第二电压被配置成使得所述开关能够工作在所述开关的有源区；以及
当所述开关工作在有源区时打开所述开关。
提供了技术方案10：根据技术方案9所述的系统，其中所述开关为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
提供了技术方案11：根据技术方案10所述的系统，其中所述栅极驱动单元被配置成基于跨接所述开关的所述第一端子和所述第二端子的电压降来检测所述电流。
提供了技术方案12：根据技术方案9所述的系统，其中打开所述开关包括所述开关的受控的软关断。
提供了技术方案13：根据技术方案12所述的系统，其中所述受控的软关断包括以比当所述电流在所述电流极限内时所述开关打开更慢的速率来打开所述开关。
提供了技术方案14：根据技术方案9所述的系统，其中所述第一电压被配置成使所述开关工作在所述线性区。
提供了技术方案15：根据技术方案14所述的系统，其中减小所述栅极电压被配置成使所述开关从工作在所述线性区去饱和到工作在所述有源区。
提供了技术方案16：根据技术方案9所述的系统，其中所述第二栅极电压被配置成保护所述开关使之避免超过高于换向环路电感的电感的高电感故障。
提供了技术方案17：
一种系统，包括：
开关；
控制器，所述控制器被配置成将一个或多个驱动信号传送至所述开关，其中所述驱动信号被配置成控制所述开关；以及
栅极驱动单元，所述栅极驱动单元被配置成提供栅极电压、栅极电流或其组合以用于基于所述驱动信号来控制所述开关，其中所述栅极驱动单元被配置成：
检测从所述开关的第一端子到所述开关的第二端子的电流，其中所述电流超过了所述开关的线性区的电流极限；
将所述开关的栅极电压从第一电压控制到第二电压，其中所述第二电压被配置成使得所述开关能够工作在所述开关的有源区；并且
当所述开关工作在所述有源区时打开所述开关。
提供了技术方案18：根据技术方案17所述的系统，其中所述栅极驱动单元被配置成基于跨接所述开关的端子的电压降来检测所述电流。
提供了技术方案19：根据技术方案18所述的系统，其中所述栅极驱动单元被配置成利用所述开关的测量或估计温度补偿所述电压降的温度依赖性。
提供了技术方案20；根据技术方案18所述的系统，其中所述栅极驱动单元被配置成通过利用查找表来确定所述电压降，其中所述查找表基于所述电压降和温度输入来提供电流。
附图说明
参照附图提供了本公开的这些和其它特征以及方面，其中在全部附图中相同的标记表示相同的部件，其中：
图1是在一个位置处示出了用于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极驱动单元的功率变换器的实施例的示意图；
图2是说明图1的IGBT的输出特性的实施例的曲线图；
图3是说明图1的IGBT的反向偏压安全工作区域(RBSOA)的实施例的曲线图；
图4是说明图1的IGBT的短路安全工作区域(SCSOA)的实施例的曲线图；
图5是根据本技术的方法的实施例的流程图；
图6A是说明没有过电流保护的IGBT的工作的实施例的曲线图；以及
图6B是说明有过电流保护的IGBT的工作的实施例的曲线图。
具体实施方式
本文公开的主题涉及保护功率开关，更具体地，涉及当电流超过了工作极限时保护开关。
例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的开关被用于各种各样的应用和行业中。例如，诸如牵引变换器的功率变换器可将功率从直流(DC)转换为交流(AC)或者改变电压。功率变换器通常可包括根据由栅极驱动单元提供给开关的栅极的栅极电压而打开或闭合的一个或多个开关。所述栅极驱动单元可以基于从控制所述开关来提供AC功率的控制器接收的信号进行工作。
开关的正常操作可包括开关的打开和闭合以使电流能够或不能流过开关。例如，当开关被闭合时，电流可从开关的一个功率端子(例如集电极)流到另一个端子(例如发射极)。然而，在功率变换器工作期间故障可能会发生，所述故障可导致通过功率变换器的部件(例如一个或多个开关)传导的电流的高电平(例如高于设计的最大值)。不幸的是，如果在传导超过了开关的电流极限的电流的同时开关打开的话，则由于经过开关的过载电流、电压或功率导致开关具有增大的击穿的可能性。过载电流、电压或功率可导致过热或者开关未被设计成经得住的电场的生成。
取决于开关的栅极电压和/或经过开关的电流，开关可工作在线性区或有源区。当工作在线性区时，跨接开关的第一端子和第二端子的电压通常在几百毫伏到几伏的范围内。当工作在有源区时，跨接开关的第一端子和第二端子的电压可增大直到功率变换器的工作电压，其通常在几百伏的范围内，并且开关可限制当处在闭合状态时所传导的电流。在正常工作期间，开关可工作在与电压随着电流增大而线性增大相关联的线性区。当经过开关的电流增大或栅极电压减小时，开关可工作在有源区。
开关可具有用于从开关的一个功率端子到另一个端子的电流和/或跨接开关的一个功率端子到另一个端子的电压的组合的两个或多于两个的工作极限，例如反向偏压安全工作区域(RBSOA)和具有比RBSOA的极限更高的一个或多个极限的短路安全工作区域(SCSOA)。在打开之前(例如在关断之前)，开关可工作在有源区或线性区。开关通常工作在正常工作期间适用的RBSOA极限内，其中开关工作在线性区，同时开关处于闭合状态(例如在打开之前)。当开关工作在有源区同时它处于闭合状态(例如在打开之前)时，SCSOA极限适用。如果在工作在线性区时经过开关的电流超过了RBSOA的电流极限，则存在有由于超过了制造商设计开关所经得住的而导致的增大的损害开关的可能性。
通常，开关是工作在线性区还是工作在有源区取决于开关的栅极电压。如果栅极电压被减小，则开关可转换成工作在有源区。栅极驱动单元可被配置成检测超过了RBSOA的电流极限的过电流。当开关工作在线性区的同时检测到这个过电流状况时，栅极驱动单元可控制栅极电压以使开关在其中SCSOA适用于的命令关断之前工作在有源区。通过控制开关工作在其中更高的工作极限适用的有源区，可以安全地打开开关。
转到附图，图1是在矿用卡车(OHV)和机车中使用的牵引变换器8的示例。虽然本文使用牵引变换器，但是它仅仅是示例，可以使用开关的任何合适的应用。如图1所示，内燃机10和发电机12耦合到二极管14(例如二极管桥式整流器)，二极管14提供DC总线15两端的DC电压VDC输出。牵引变换器8利用DC电压VDC来为牵引电动机18提供三相电力16。也就是，牵引变换器8可包括具有例如为IGBT的一个或多个开关20的逆变器电路，以将DC电压VDC转换成三相AC电压16。作为示例，图1示出了牵引变换器8，其包括耦合到6个IGBT(开关20)的DC链路电容器(CDC)以便提供低环路电感(例如100nH)用于将电流从一个开关换向到另一个开关。换向过程可在相同支线中的两个开关20(例如T1/T6、T3/T2和T5/T4)之间发生。
一个或多个开关20可耦合到一个或多个栅极驱动单元26，所述一个或多个栅极驱动单元26提供驱动电压和/或电流以用于打开或闭合开关20(例如使开关导通或关断)。例如，如图1所示，每个开关20可以被栅极驱动单元26驱动，或者栅极驱动单元26可用来驱动多个开关。一个或多个栅极驱动单元26可以(例如电气地和/或可通信地)耦合到控制器28，控制器28控制开关20的打开或闭合以提供三相AC电压16。控制器28可将驱动信号30(例如打开或闭合信号)传送到一个或多个栅极驱动单元26并且可从栅极驱动单元26接收反馈信号32。同样地，一个或多个栅极驱动单元26可从控制器28接收驱动信号30并且可将反馈信号32(例如OK/故障)传送到控制器28。控制器28可接收和/或传送与DC电压、相电压、相电流或者用于其它栅极驱动单元的其它驱动和反馈信号有关的信号。虽然可将任何数量的栅极驱动单元26耦合到任何数量的开关20，但是为了讨论起见，本公开将涉及耦合到开关20的栅极驱动单元26。
在某些实施例中，栅极驱动单元26可包括用于执行本文描述的方法的各种电路，例如电平移动器和/或放大器。作为示例，栅极驱动单元26和/或控制器28可包括处理器35或多个处理器、存储器37和/或现场可编程门阵列(FPGA)39。处理器可操作耦合到存储器，以执行指令用于执行当前所公开的技术，例如经由栅极驱动单元26控制开关20的操作。这些指令可被编码成程序或代码，所述程序或代码存储在有形的非暂时性计算机可读介质中，例如存储器和/或其它存储装置。处理器可以是通用处理器、片上系统(SoC)设备、或者专用集成电路、或者某些其它处理器配置。
在实施例中，存储器37可包括计算机可读介质，例如但不限于，硬盘驱动器、固态驱动器、软盘、闪存驱动器、光盘、数字视频盘、随机存取存储器(RAM)、固件、只读存储器(ROM、EPROM、闪速存储器等)和/或使处理器能够存储、检索和/或执行指令(例如代码)和/或数据的任何合适的存储设备。存储器37还可包括一个或多个本地和/或远程存储设备。
牵引变换器8中的故障或失灵可因为任何数量的原因而发生，虽然本文描述了一些故障，但是这些仅仅是示例。在许多情况下，故障可分成在功率变换器内发生的低电感故障(例如高达1μH)和在负载/机器(例如电动机18)内发生的高电感故障(例如从1μH以及高达机器电感水平)。作为低电感的示例，集总电感Lσ24被描绘成包括换向环路25的环路电感。相反，牵引电动机18的电动机绕组的电感可以比集总电感Lσ24大大约3到4个数量级。例如，如果控制器28检测到超过了开关20的一个或多个工作极限的高的电流变化，则控制器28可以向栅极驱动单元26发送打开命令以防止发生对开关20的损害。由于高电感故障期间的高电流，当超过了工作极限时，控制器28可以发送打开命令。由于这些高电流可导致对开关的损害，因此期望当电流超过了开关的工作极限时在打开期间保护开关20。
由给定的变换器中的支线看到的换向电感可以是这样的以致于：如果k是高于DC链路值UDC的可允许的p.u.电压过冲并且如果max(dICE/dt_off)是在开关的关断期间从开关的第一端子到开关的第二端子的电流的导数的最大值，则总的换向电感应满足：
作为示例，如果UDC＝800V并且Ublocking＝1200V(单个开关的)，则k＝(1200-800)/800＝0.5。那么如果max(dICE/dt_off)＝12kA/μs，则Ls≤33nH。作为示例，高电感故障可包含大于大约10×Ls或1μH的电感。
牵引变换器8的开关20可由栅极电压34(VGE)来控制。也就是，取决于栅极电压，开关20可允许电流从开关的第一功率端子29(例如集电极)流到第二功率端子31(例如发射极)。例如，如果栅极驱动单元26通过提供适当的栅极电压34使开关20闭合的话，电流27可在电路中流动(例如在开关20的集电极和发射极之间)。同样地，控制器28可以向栅极驱动单元26发送驱动信号以便提供以输出操作牵引电动机18所期望的功率的方式打开和闭合开关20的栅极电压24。
当开关打开时，期望保护开关20使之避免超过开关20的设计极限。例如，图1包括示出了其中安全工作区域(SOA)适用于开关20的工作参数的时期的图示36。如图示36所示，反向偏压安全工作区域(RBSOA)可以在从开关20闭合时到开关打开时的转换时期期间适用。此外，正向偏压安全工作区域(FBSOA)可以在从开关打开时到开关闭合时的转换时期期间适用。
取决于开关的栅极电压和/或经过开关的电流，开关20可工作在线性区或有源区。在线性区，开关可在闭合状态下传导增大的电流。在有源区，开关可限制在闭合状态时传导的电流。图2示出了具有开关20的输出特性的曲线图40。通常，当开关20被闭合并且集电极电流27IC处在正常工作范围内(例如不超过安全工作区域)时，开关20工作在所谓的线性区42(例如当没有故障或短路状况存在时)或者“处于饱和”。线性区42与随着经过开关20的电流增大而增大的电压相关联。如果经过开关20的电流27超过了线性区42，则开关20工作在所谓的有源区44。有源区44与其中电流保持近似恒定并且电压未指定的限流特性相关联。如附图标记46所指示的，曲线图40示出了y轴48上的集电极电流27IC和x轴50上的集电极-发射极电压VCE是如何基于栅极电压34VGE(例如针对VGE3的I3、针对VGE2的I2)而变化的，其中开关20从线性区42转换到有源区44。通常，栅极驱动单元26提供允许IGBT在被闭合(例如处于导通状态)时工作在线性区42的栅极电压34。
从线性区42转换到有源区44被称为去饱和(例如当栅极电压34VGE＝VGE3时由附图标记52所指示的)。基于曲线图，针对开关20上发生的去饱和，可以增大电流27和/或可以减小栅极电压34。在开关20工作在有源区44期间，在故障或短路故障的情况下，可限制电流27并且防止损害。短路状况是其中被认为是理想的流过开关的电流将被寄生性质的外部无源组件限制的事件。由于开关并不是理想的(不具有0电阻)而是具有有源区，因此开关是当短路状况存在时停止限制短路电流的开关。通过减小栅极电压34，电流阈值电平减小以用于转换到有源区44，从而限制电流27。例如，如果栅极驱动单元26使栅极电压34从VGE3减小到VGE2，则用于转换到有源区44的集电极电流阈值从I3减小到I2。
开关20可与识别电流极限以用于控制(例如打开或闭合)开关20的一个或多个安全工作区域相关联。开关20的安全工作区域可以是其中开关20被设计成工作的制造商定义的区。安全工作区域可基于开关20的特性，例如掺杂、材料、组件、尺寸等。此外，不同的安全工作区域可在不同的时间适用，并且不同的安全工作区域可包括不同的极限。例如，开关20可具有反向偏压安全工作区域(RBSOA)以及带有比RBSOA的极限更高的一个或多个极限的短路安全工作区域(SCSOA)。图3和图4示出了详述开关20的电流27、功率和电压(例如在开关的集电极和发射极之间)的极限的安全工作区域。当在打开开关20之前开关20工作在线性区时，RBSOA极限适用。当开关20工作在有源区44同时它处于闭合状态时，SCSOA极限(例如电流极限64)适用于开关20，但是RBSOA极限不适用。
这些极限可在不同的时间适用，因为许多开关20(例如IGBT)工作在有源区44，此时与工作在线性区42时相比在IGBT的基极中存在有更少的载流子。在线性区42中，IGBT的低掺杂基极被载流子充满以减小电阻并且因此减小基极中的电压降。当IGBT从饱和状态被关断时，载流子被清除。载流子清除导致IGBT芯片中增大的应力，这与更低的RBSOA极限一起考虑以避免器件的毁坏。当IGBT从去饱和状态或者有源区被关断时，在IGBT的基极中仅有很少的载流子，与从饱和状态的关断相比较，这导致减小的应力并且因此允许适用来自SCSOA的更高的电流和功率极限。
图3是在开关20(例如IGBT)的正常关断期间适用的RBSOA的曲线图54。图3的RBSOA可以限定其中期望开关20安全工作的电压和电流状况的极限(例如当打开开关20时)。当电流27超过了RBSOA的电流极限时过电流可能会发生。由于超过电流极限，在过电流期间打开开关20时可能会超过功率和电压极限。例如，开关20可具有限定电流极限56(即IX)、功率极限58(即Px)和/或电压极限60(即Vx)的RBSOA。例如，一些IGBT可具有额定为3.3kV/1.5kA的电压和电流极限，其中最大脉冲电流(ICM)为3kA，为额定电流1.5kA的两倍。电流极限56可以等于ICM。如果在打开开关20时经过开关20的电流27超过了电流极限56(例如过电流)，则存在有增大的损害和/或击穿开关20的可能性，例如超过了热极限并且过热或接合线上过大的应力。类似地，如果在打开开关20时超过了功率极限58和/或电压极限60，则开关20可由于过热或过大的场强而击穿。换句话说，开关可由于超过了其中开关被设计成工作的电流和/或电压而击穿。此外，高电流电平还可导致超过电压极限60和功率极限58。同样地，当经过开关20的电流27超过了电流极限56时，开关20无法被安全地关断。如果在RBSOA适用并且开关20应当被打开时过电流发生，则如果可以改变开关20的一个或多个特性使得SCSOA适用而RBSOA不适用可能是期望的。
开关20还可以与短路状况期间(例如当开关20工作在上面的图2中所描述的有源区44时)短时期(例如5-20μs或者大约10μs)适用的SCSOA相关联。图4是开关20的SCSOA的曲线图62，其示出了在短路状况期间短时期的各种特性(例如电流、电压、功率)的极限。与RBSOA类似，SCSOA可限定电流极限64(即IY)、功率极限66(即PY)和/或电压极限68(即VY)。如图4所示，RBSOA电流极限56低于SCSOA电流极限64(例如IY＞IX)。同样地，开关20可具有超过RBSOA的电流极限(例如IX)但不超过SCSOA的电流极限(例如IY)的过电流。例如，图4的用虚线表示的区70与工作在RBSOA电流极限56之上且在SCSOA电流极限64之下的开关20相关联。在这样的时期，如果在RBSOA电流极限56适用时开关20将要打开的话，则如上所述的那样存在有增大的损害的可能性。然而，如果在SCSOA电流极限64适用时开关20打开的话，则开关20可执行受控的打开(例如受控的软关断)以便安全地关断开关20，从而保护开关20使之避免增大的损害的可能性。同样地，将开关20转换(例如去饱和)到有源区44使得SCSOA适用可被用来保护开关20使之避免在RBSOA之外工作时打开。以这种方式，开关不会超过其中开关被设计用来工作的任何制造商定义的极限。
在一个实施例中，栅极驱动单元26可以与控制器28一起使用，以在开关20上存在有超过RBSOA电流极限56的过电流状况时将开关20转换到有源区44，从而保护开关20使之避免打开。图5是由栅极驱动单元26和/或控制器28执行的、用来保护开关20的过程72的流程图。过程72可以存储在控制器28/或栅极驱动单元26的存储器中并且作为指令由一个或多个处理器来执行。在另一个实施例中，过程72可通过现场可编程门阵列(FPGA)和/或逻辑门在栅极驱动器和/或控制器内实现。栅极驱动单元26和/或控制器28可被配置成监视经过开关20的电流(框74)以检测过电流。这里所描述的过电流可以指示集电极电流27IC正在超过RBSOA电流极限56但是未超过(例如低于)短路电流极限64。换句话说，当开关20正工作在线性区42同时超过了RBSOA电流极限56时，过电流可开始发生(例如“处于饱和的”过电流)。
栅极驱动单元26可以各种方式检测过电流。例如，可以测量或估计电流27和/或可以监视热特性。在一个实施例中，通过监视导通状态(VCeSat)下开关20端子两端的电压降(例如图1的集电极-发射极电压88)而在栅极驱动单元26上检测过电流。栅极驱动单元26可包括用于监视电压降的一个或多个传感器。在某些情况下，电压降还可以是与温度相关的。同样地，在检测过电流(例如与电压降一起)时可利用开关20结温的估计或测量。为了检测温度，附加的传感器可包括在栅极驱动单元26中。在这样的情况下，可利用温度补偿测量来消除由于局部温度引起的任何偏置。也可基于指示电压降VCeSat的接收信号来确定电流27。如图2所示，可基于电压降VCE和/或温度来推断电流27。例如，可通过利用将电压降VCE与电流27相关联的查找表或多项式函数来确定电流27。
控制器28和/或栅极驱动单元26可确定(框76)经过开关20的电流27是否超过了RBSOA阈值(例如过电流已经或者可能发生)。如果没有检测到过电流，则过程72可通过继续监视经过开关20的电流27而重新开始(框74)。如果控制器28和/或栅极驱动单元26确定过电流已经或者可能发生(例如经由上述的VCE和/或温度)，则栅极驱动单元26可将栅极电压34从与开关20的闭合(例如允许开关工作在线性区)相关联的第一预设电压(例如图2的VGE3)减小到第二预设电压(例如图2中的VGE2)(框78)。当电流27超过RBSOA电流极限56时，第二电压可基于确保开关20工作在有源区(即短路状态)，从而使得RBSOA不再适用。第二电压可低于第一电压并且允许开关20工作在与RBSOA极限相比不同(更大)的极限相关联的有源区44。在某些实施例中，减小栅极电压34迫使开关20去饱和并且从工作在线性区42转换到工作在有源区44。当栅极电压34被减小到第二电压时，开关20转换到去饱和。也就是，当电流27超过RBSOA电流极限56时，第二电压可确保开关20工作在有源区44。例如，在图2中，如果RBSOA电流极限56大于或等于I2并且第二电压为VGE2，施加第二电压作为栅极电压34将确保开关20的去饱和，这等于短路中的状况。
栅极驱动单元26可接着在适当的时间打开开关20(框80)(例如当开关处于短路状态时执行受控的软关断)。IGBT的基极中存储的载流子可增大从饱和状态的关断时的应力并且还可由栅极驱动单元限制关断的可控性。如果开关20被去饱和并且在有源区，则栅极驱动单元可通过施加定义的下降栅极电压斜率来以受控的方式将电流27减小到零。那样，可防止超过SCSOA的功率和电压极限。对于从饱和状态的过电流关断，由于存储的载流子引起的受限的可控性，可能难以或不能防止超过RBSOA的功率和电压极限。
图6A是没有过电流保护的栅极驱动单元和开关的关断的示例的曲线图96。如曲线图96所示，从第一端子29到第二端子31的电流27被示为信号104。此外，曲线图96包括指示跨接开关20从第一端子29到第二端子31的电压的信号97。信号100指示开关20的栅极电压34。在图6A中，电流信号104超过了RBSOA电流极限56。在这个过电流状况期间，开关20执行受控的软关断102而未经历去饱和。结果，当切断过电流和过电流保护未被使用时，电压信号104示出了在电压尖峰98处超过RBSOA电压极限60的开关20两端的电压。这可能是由于在执行开关20关断102之前在过电流状况104期间未减小VGE 100的事实导致的。
相反，图6B是有过电流保护的栅极驱动单元26和开关20的关断的示例的曲线图106。与图6A的电流和/或电压量值相比，图6B可以用不同的电流和/或电压量值进行缩放。例如，在两个图中示出了相同的RBSOA电流极限56以反映缩放比例的差异。曲线图106包括从开关20的第一端子29到第二端子31的电流信号108和电压信号114。此外，曲线图106包括栅极电压信号110。当电流信号108超过了RBSOA电流极限56时，过电流状况发生。在这种情况下，栅极驱动器被配置成在去饱和阶段112期间减小栅极电压(VGE)信号110。在去饱和阶段112之后，开关20可执行受控的软关断116以保护开关20使之避免超过开关20的电压极限，所述电压极限在RBSOA和SCSOA中通常是相同的。软关断116可包括以比没有过电流时开关20的通常打开更慢的速率来打开开关20。通过使用具有更慢地打开开关20的软关断，开关20两端的电压的更小变化发生，以防止超出开关能力之外的过电压。
在前述的说明书中，已经参考附图描述了各种实施例。然而，将会显而易见的是，在未背离下面的权利要求书所阐述的本公开的更宽范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变并且可以实现附加的实施例。说明书和附图因此被认为是说明意义的而不是限制意义的。
在这一点上，应当注意，本文描述的发电设备和方法可以在固定应用或移动应用中使用。关于固定应用，合适的系统可包括发电。合适的发电系统可包括燃料发动机驱动系统、风力发电系统、太阳能系统、水力发电系统等。合适的移动应用可包括车辆和便携式设备。车辆可包括客车、商用车、机车、非公路和采矿车辆、农用车辆、船舶和飞机。
还应当理解，本文描述的发电设备和方法在某种程度上可涉及输入数据的处理和输出数据的生成。这个输入数据处理和输出数据生成可以在硬件或软件中实现。例如，可以在与提供如上所述的改进的发电相关联的类似的或相关的电路中采用特定的电子部件。如果情况就是这样的话，则这样的指令可被存储在一个或多个处理器可读的存储媒体上或者被传送到一个或多个处理器是在本公开的范围内的。
本书面描述使用示例来披露本公开，包括最佳实施方式，并且还使本领域技术人员能够实施本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本公开的可取得专利权的范围由权利要求来限定并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。这样的其它示例确定在权利要求的范围内，如果它们具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元素或者如果它们包括与权利要求的文字语言并无实质上不同的等效结构元素的话。

Claims (10)

1.一种方法，包括：
检测从开关的第一端子到所述开关的第二端子的电流，其中所述电流超过了所述开关的线性区的电流极限；
将所述开关的栅极电压从第一电压控制到第二电压，其中所述第二电压被配置成使得所述开关能够工作在所述开关的有源区；并且
当所述开关工作在所述有源区时，打开所述开关。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关被配置成当所述栅极电压减小到所述第二电压时转换到去饱和。
3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述电流超过了所述线性区的反向偏压安全工作区域(RBSOA)的所述电流极限时，所述第二电压基于确保所述开关转换以便工作在短路安全工作区域(SCSOA)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述RBSOA包括所述开关被设计成容许的电压、电流或其中的任何组合的状况。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关为绝缘栅双极晶体管IGBT。
6.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述栅极电压包括减小所述栅极电压以使所述开关工作在所述有源区。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述过电流未超过短路安全工作区域(SCSOA)的电流极限。
8.根据权利要求1所述的方法，其中将所述第二电压用作所述栅极电压来打开所述开关，通过限制从所述第一端子到所述第二端子流过所述开关的所述电流，来减小由所述开关接收到的电压过冲。
9.一种系统，包括：
栅极驱动单元，所述栅极驱动单元被配置成：
检测从开关的第一端子到所述开关的第二端子的电流，其中所述电流超过了所述开关的线性区的电流极限；
将所述开关的栅极电压从第一电压控制到第二电压，其中所述第二电压被配置成使得所述开关能够工作在所述开关的有源区；并且
当所述开关工作在有源区时，打开所述开关。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述开关为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
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