CN107735949B - 对半导体开关的控制 - Google Patents

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Abstract

一种装置，所述装置用于控制如IGBT晶体管等开关型功率半导体部件的栅极端子与发射极端子(G‑E)之间的电压信号，使得至少部分地借助于串联连接在栅极控制器的辅助电压(+UG4，‑UG4)与所述IGBT的所述栅极端子(G)之间的电阻和开关(RGON1‑SGON1，RGOFF1‑SGOFF1)来形成所述电压信号。所述装置被适配用于以至少1MHz的高频并且以一定占空比来控制所述开关(SGON1，SGOFF1)，所述占空比被调整成使得根据从所述设备的控制单元接收到的参考值来设置受控制的所述IGBT的集电极电压的所测量变化率。

Description

对半导体开关的控制
技术领域
本发明涉及对功率半导体开关的控制，具体地，涉及一种用于优化在功率电子设备(比如，频率转换器)中使用的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的功率损耗和连接速度的装置。
背景技术
用于控制功率电子设备(比如，频率转换器)的系统的核心目标是为了控制外部负载(例如，为了调节电机的转速)而适当地并且同时以在电流通路上使用的功率部件不经受过大张力的方式来控制输出电流。
IGBT是在处理功率电子设备的负载电流的主电路解决方案中被广泛使用的开关型功率半导体部件。IGBT是栅极控制的部件，意味着可以通过输入至栅极端子的电压信号将IGBT切换至导通/非导通状态。IGBT是用于功率电子设备的有利部件，因为其对控制信号的快速响应时间使得设备的控制系统能够以足够的精度控制负载电流。
控制IGBT的栅极电压指的是栅极端子与发射极端子之间的电压。进行快速控制以便使IGBT导通意味着将IGBT的内部栅极电容快速充电至足够的正电压电平，并且相应地，进行快速控制以便使IGBT非导通需要将电容电荷快速释放至接近零电平。通常，栅极电压在待机状态下被控制为负；从部件控制的角度来看，这是不必要的，但是这又增大了针对外部干扰的确定性裕量。
已知的是，与IGBT连接事件相关联的快速电压变化可能引起通过传导和辐射从设备移动到环境的干扰发射。在长电缆的背景下，已知的是，根据传输线理论，由于阻抗差异，具有陡峭边沿的输出电压脉冲在电缆的另一端处反映出来，从而引起使电机绝缘体经受张力的过电压尖峰。快速电压变化还引起使电机轴承经受张力的电容电流脉冲。
IGBT的连接速度以及因此干扰问题的严重性和所谓的连接损耗可能受栅极电容充电和放电得有多快的影响。IGBT的直接控制电路(被称为栅极控制器)通常包含至少一个正DC电压电路和至少一个负DC电压电路，所述电路中的任一者根据由设备的控制单元下发的控制命令经由电阻连接至栅极。这些所谓的栅极电阻的欧姆值可能影响IGBT的连接速度，并且由此进而影响设备的干扰电平和内部损耗。
专利公开US 8,558,491呈现了一种解决方案，其中，可以根据逆变器的工作状态改变使用中的栅极电阻的欧姆值。工作状态是在中间电路的经测量输出电流和经测量DC电压的基础上定义的，并且所有IGBT的栅极电阻被同时改变。借助于所述解决方案，可以在某些工作点处优化栅极电阻值，但是根据相同的原理，在许多点处进行的优化由于大量电阻选择开关等而导致了不利的解决方案。
发明内容
本发明的目标是实现一种新颖装置，借助于所述装置避免上述缺陷并且实现栅极控制器解决方案，根据所述解决方案，栅极电容可以以期望的速度进行充电和放电。在所述解决方案中，尽管事实是物理电阻及其选择开关的数量很小，但是可以以无级方式来调整有效栅极电阻值。
本发明可以应用于例如以基于IGBT的主电路为基础的频率转换器，为此，这在本发明的说明书和权利要求中被用作示例。然而，本发明不仅仅局限于频率转换器或局限于对IGBT的控制，而可以应用于对其他类型的功率半导体开关(比如，功率MOSFET)的控制。
本发明的特征在于：IGBT特定栅极控制器包括至少一个电阻、以及与所述至少一个电阻串联连接的开关，所述开关可以将所述电阻连接在IGBT的栅极端子与栅极控制器的辅助电压之间，并且所述开关以至少1MHz的高频被控制。
根据本发明的一个实施例，上述开关的占空比(＝开关导通的时间长度/整个工作周期)取决于被控制的IGBT的集电极电压的所测量变化率。
根据本发明的一个实施例，在IGBT被控制成处于导通状态的全部时间内，上述开关以及与其串联连接的所述电阻与连接在所述IGBT的栅极端子与所述栅极控制器的辅助电压之间的栅极电阻并联连接。
根据本发明的一个实施例，在所述IGBT被控制成处于非导通状态的全部时间内，上述开关和电阻与连接在所述IGBT的栅极端子与所述栅极控制器的辅助电压之间的栅极电阻并联连接。
根据本发明的一个实施例，所述栅极控制器包括调节单元，所述调节单元调整上述开关的占空比，使得根据从所述设备的控制单元接收到的参考值来设置受控制的所述IGBT的所述集电极电压的所测量变化速率。
借助于根据本发明的栅极控制器解决方案，栅极电阻的有效值可以通过与栅极电阻串联连接的开关的占空比被无级地调整。由于栅极电阻是可无级调整的，所以对被控制的IGBT的栅极电容进行充电/放电的栅极电流也可以被无级地调整。在平衡状态下，由栅极控制器输入的此电流对应于通过变化的集电极电压经由所谓的密勒电容输入至栅极的电流，由本发明提供的在控制IGBT进入导通和非导通状态两者的背景下无级地调整IGBT的集电极电压的变化率的能力基于这种情况。因为根据本发明的连接所需的部件的数量很小，所以其就成本而言也是有利的。
附图说明
在下文中借助示例、参照附图更详细地解释本发明，在附图中：
图1示出了频率转换器的主电路，
图2示出了IGBT的栅极控制装置，
图3示出了与控制IGBT进入导通状态相关联的曲线；
图4示出了根据本发明的栅极控制器解决方案，并且
图5示出了根据本发明的对栅极控制器的操作。
具体实施方式
图1示出了常规PWM(脉冲宽度调制)频率转换器FC的主电路的示例，其中，由二极管组成的三相网桥REC将连接至输入端子L1、L2和L3的输入网络的三相AC电压整流成由充当能量存储设备的滤波电容器CDC滤波的中间电路DC电压。通过功率半导体部件V1至V6和D1至D6实现的逆变器桥INU从中间电路DC电压中形成用于控制电机M的三相输出电压U、V、W。如所述图中的示例中的，现代频率转换器中的受控功率半导体开关V1…V6通常是IGBT晶体管，其中，所谓的零二极管D1…D6与所述受控功率半导体开关并联连接。控制单元CU控制对设备的操作。通常，电感部件被连接至网桥的任一侧，以便对网络电流的由频率转换器所采用的谐波进行滤波，但是在本发明的背景下，电感部件无关紧要并且因此在所述图中未示出所述电感部件。
图2示出了频率转换器的一个转换开关，所述转换开关由上部支路中的功率部件V1和D1以及下部支路中的功率部件V4和D4组成。转换开关可以将DC电压中间电路的任一极连接至输出端子U，而不论输出电流iU的方向如何。
所述图还示出了在IGBT V4的情况下的IGBT及其典型的控制电路原理的一些细节。CGC是IGBT的内部的所谓密勒电容，所述密勒电容对IGBT的连接事件具有根本影响。+UG4和-UG4是栅极控制器的辅助电压，相对于IGBT的发射极端子E，所述辅助电压的大小通常约为+15Vdc和-15Vdc。通过经由栅极电阻RGON将栅极端子G连接至正辅助电压+UG4的开关SGON来控制IGBT进入导通状态(集电极端子与发射极端子之间的电流通路)。相应地，通过断开的开关SGON以及经由栅极电阻RGOFF将栅极端子G连接至负辅助电压-UG4的开关SGOFF来控制IGBT进入非导通状态。
图3示出了与控制IGBT进入导通状态相关联的特性曲线。在时间t31之前，IGBT处于非导通状态，其中，中间电路的全部电压UDC连接于IGBT两端(uCE)，IGBT的电流(iC)为0，并且栅极电压uGE处于负辅助电压-UG电平。控制IGBT进入导通状态的动作开始于时间t31，在所述时间点处，栅极电压uGE开始升高(＝在图2中的装置中，开关SGON闭合并且开关SGOFF断开)。当栅极电压在时间t32处达到阈值电压电平uGE(th)时，IGBT切换至导通状态，从而初始地在所谓的线性操作区域中运行，在所述线性操作区域中，电流与栅极电压成比例。当电流在时间t33处达到负载电流电平(对应于所述负载电流电平的栅极电压为uGE(p1))时，IGBT的电压uCE开始以梯度duCE/dt下降，所述梯度由控制电路向栅极输入电流的能力确定。在平衡状态下，当控制电路像图2中那样连接时，根据公式[1]，由控制电路输入的电流对应于流过密勒电容CGC的电流：
CGC×duCE/dt＝(+UG-uGE(pl))/RGON [1]
在时间t34处，IGBT的电压达到低导通状态电平，在所述时间点处，被输入通过密勒电容的电流停止，并且栅极电压被使得能够朝着正辅助电压+UG电平上升。
图4示出了根据本发明的栅极控制电路的连接装置的示例，所述栅极控制电路包括：第一开关(SGON1和SGOFF1)和第一栅极电阻(RGON1和RGOFF1)，以及第二开关(SGON2和SGOFF2)和第二栅极电阻(RGON2和RGOFF2)。第一开关(SGON1和SGOFF1)和第一栅极电阻(RGON1和RGOFF1)在此示例中与第二栅极电阻(RGON2和RGOFF2)并联连接，这对应于图2中的连接装置。根据本发明，以至少1MHz的高频、通过根据在被控制的IGBT两端测量的电压的变化率来调节第一开关(SGON1和SGOFF1)的占空比(＝开关导通的时间长度/整个工作周期)从而控制所述开关。在所述图的示例中，集电极电压uC4在测量块UCM中被测量，所述测量块从测量结果中形成与集电极电压的变化率(即，时间导数)成比例的信号duC4/dt，其中，信号duC4/dt进而经由调节块PWM影响控制上述第一开关(SGON1和SGOFF1)的信号PWMON和PWMOFF的占空比。因此，借助于第一开关(SGON1和SGOFF1)的占空比，使用中的栅极电阻的值可以在并联连接的电阻(例如，并联的RGON2和RGON1)的欧姆值与一个电阻(例如，RGON2)的欧姆值之间加以调整。因为电阻值直接影响栅极电流，所以由于以高频(比如高于1MHz)控制开关，根据本发明的电路对栅极电路的影响在实践中与对借助于占空比对栅极电阻RGON的有效值进行的无级调整相对应(根据公式[1])并且同时还与集电极电压的变化率duCE/dt相对应。
如本领域技术人员将清楚的，第一开关(SGON1和SGOFF1)和第一栅极电阻(RGON1和RGOFF1)还可以与由第二开关(SGON2和SGOFF2)和第二栅极电阻(RGON2和RGOFF2)形成的串联连接直接并联连接(不像图4的示例中那样)。还可能使第二开关(SGON2和SGOFF2)与栅极电路短接并完全省略第二电阻(RGON2和RGOFF2)，在此情况下，可以借助于第一开关(SGON1和SGOFF1)的占空比以无级方式向上(不限于从最小值(＝第一栅极电阻的欧姆值RGON1和RGOFF1)开始)调整栅极电阻的有效值。
图5示出了根据本发明的当IGBT被控制从非导通状态切换至导通状态时的栅极电路的特性影响。对本领域技术人员来说，在相反方向(即，从导通状态到非导通状态)的控制情况是类似且清楚的，并因此未分别进行处理。
所述图的下部部分示出了第二开关(图4中的SGON2)的占空比SON1，所述占空比在时间t51处从零变化到100％(即，整个开关从非导通状态变化到导通状态)。相应地，PWMON21和PWMON22描绘了对第一开关(图4中的SGON1)的控制，而uGE21和uGE22描绘了对应于这些控制模式的栅极电压。
在控制情况的初始阶段，在时间段t51…t52中，IGBT的栅极电压升高，直到集电极电压开始下降。为了加速连接事件，第一开关(SGON1)在此阶段期间持续导通(即，以100％占空比工作，直到集电极电压变化的时间t52)是有利的。当集电极电压在时间t52处开始下降时，根据本发明将占空比控制至某个值，在所述值下，集电极电压的变化率被设置为期望值。在所述图示的示例中，在较高占空比A％下的有效栅极电阻比在较低占空比B％下更小，在此情况下，相比于对应于占空比B％的集电极电压uCE22(在时刻t54处)，对应于占空比A％的集电极电压uCE21更快下降至导通状态值(在时刻t53处)。当集电极电压已经达到导通状态值时，栅极电压被使得能够朝着控制电路的辅助电压的最终电平升高。在这之后，对第一开关的控制无关紧要；第一开关可以被控制回到持续导通状态，或者如所述图中的示例中的，其控制占空比可以被降低至零。
本领域技术人员将清楚的是，本发明的实施例并不仅仅局限于以上所阐述的示例，而是可以在以下阐述的权利要求书的框架内变化。IGBT晶体管在本发明的说明书中被用作受控功率部件的示例，但这并不暗示对本发明的应用的限制；相反，本发明可以被应用于对其他类型的功率半导体开关(比如，功率MOSFET晶体管)的控制。

Claims (7)

1.一种用于借助于在栅极端子与发射极端子(G-E)之间输入的电压信号来控制IGBT晶体管形式的开关型功率半导体部件的装置，所述装置包括：
串联连接在栅极控制器的辅助电压(+UG4，-UG4)与所述IGBT的所述栅极端子(G)之间的第一电阻和第一开关(RGON1-SGON1，RGOFF1-SGOFF1)；
测量电路，所述测量电路被适配用于测量所述IGBT的集电极端子与发射极端子之间的集电极电压，并且用于根据所述集电极电压形成与所述集电极电压的变化率成比例的信号(duC4/dt)，以及
信号修改电路，所述信号修改电路被适配用于借助于所述集电极电压的变化率(duC4/dt)对所述第一开关的控制信号(PWMON，PWMOFF，PWMON21，PWMON22)的占空比的影响以至少1MHz的高频来控制与所述第一电阻串联连接的所述第一开关(SGON1，SGOFF1)，
其中在所述IGBT被控制成处于导通状态的全部时间内并且在所述IGBT被控制成处于非导通状态的全部时间内，所述第一开关(SGON1，SGOFF1)以及与其串联连接的所述第一电阻(RGOFF1，RGON1)与连接在所述IGBT的栅极端子与所述栅极控制器的所述辅助电压之间的栅极电阻并联连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：调节单元，所述调节单元被适配用于调整所述第一开关(SGON1，SGOFF1)的控制信号的占空比，使得根据从控制单元接收到的参考值来设置受控制的所述IGBT的所述集电极电压的所测量变化速率。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置被适配用于借助于所述第一开关(SGON1，SGOFF1)的控制信号(PWMON，PWMOFF，PWMON21，PWMON22)的占空比来将所述栅极电阻的有效值基本上无级地调整为大于所述第一电阻(RGON1，RGOFF1)的欧姆值。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括串联连接的第二开关(SGON2，SGOFF2)和第二电阻(RGON2，RGOFF2)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，串联连接的所述第一开关(SGON1，SGOFF1)和所述第一电阻(RGON1，RGOFF1)与所述第二电阻(RGON2，RGOFF2)并联连接。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，串联连接的所述第一开关(SGON1，SGOFF1)和所述第一电阻(RGON1，RGOFF1)与由所述第二开关(SGON2，SGOFF2)和所述第二电阻(RGON2，RGOFF2)形成的串联连接并联连接。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被适配用于借助于所述第一开关(SGON1，SGOFF1)的控制信号(PWMON，PWMOFF，PWMON21，PWMON22)的占空比在并联连接的电阻的欧姆值与一个电阻的欧姆值之间基本上无级地调整所述栅极电阻的有效值。
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