CN108141209A - 低损耗及快速作用的固态断路器 - Google Patents

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Abstract

一种电路，包括源极、负载以及用于可控制地将负载与源极隔离的隔离电路。隔离电路被设置在源极和负载之间。该隔离电路包括至少一个绝缘栅极双极晶体管(IGBT)和至少一个与该绝缘栅极双极晶体管并联的门极可关断晶闸管(GTO)。当不存在故障状况时，GTO被配置成“导通”，以将负载耦合到源极。当存在故障状况时，至少一个IGBT被配置成“导通”。在至少一个IGBT导通之后，至少一个GTO被配置成“关断”。在预定时间量之后，将制造后变化反映到GTO的少数载流子寿命(例如，电子辐照)中，在至少一个GTO关断之后，至少一个IGBT被配置成关断。

Description

低损耗及快速作用的固态断路器
对相关申请的交叉引用
本申请是2016年1月8日提交的申请No.14/991,259的部份接续申请案，其要求2015年11月13提交的标题为“Low-Loss and Fast Acting Solid State AC and DCBreaker”(低损耗及快速作用的固态AC和DC断路器)的申请号为No.62/255,104的美国临时申请的权益。这些申请的内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及用作断路器、故障电流限制器或静态转换开关的固态电路/开关，更具体而言，涉及包括与一个或多个GTO并联的一个或多个IGBT的电路，其用作断路器、故障电流限制器、静态转换开关或将负载与能量源连接和/或关断连接的任何应用。
背景技术
越来越大的发电能力和在电网中应用智能电网技术的需要产生了对替换旧式机械断路器的固态技术的兴趣。固态技术替换机械断路器提供了若干数量级的响应时间的改善，同时通过消除电极腐蚀，显著地延长了开关的寿命。令人遗憾的是，固态断路器与机械断路器相比，在正常的传导情况下会产生较高的损耗，并常常需要笨重的冷却系统。
需要在正常的传导情况下有较低损耗的固态断路器。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了用于将负载与源极隔离的电路。该电路包括至少一个绝缘栅极双极晶体管和至少一个与绝缘栅极双极晶体管并联的门极可关断晶闸管。
根据本发明的另一方面，提供了包括与一个或多个与绝缘栅极双极晶体管(IGBT)并联的一个或多个门极可关断晶闸管(GTO)的电路。在这样的电路中，一个或多个GTO的阳极彼此耦合；一个或多个IGBT的集电极彼此耦合；以及，一个或多个GTO的已耦合的阳极耦合到一个或多个IGBT的已耦合的集电极。一个或多个GTO的阴极彼此耦合；一个或多个IGBT的发射极彼此耦合；以及，一个或多个GTO的已耦合的阴极耦合到一个或多个IGBT的已耦合的发射极。一个或多个GTO的栅极彼此耦合，且一个或多个IGBT的栅极彼此耦合。已耦合的一个或多个GTO的栅极不耦合到一个或多个IGBT的已耦合的栅极。
根据本发明的再一个示例性的方面，提供了一种包括源极、负载以及用于可控制地将负载与源极隔离的隔离电路。隔离电路被设置在所述源极和所述负载之间。所述隔离电路包括至少一个绝缘栅极双极晶体管(IGBT)和至少一个与所述绝缘栅极双极晶体管并联的门极可关断晶闸管(GTO)。当不存在故障状况时，GTO被配置成“导通”，以将所述负载耦合到所述源极。当存在故障状况时，至少一个IGBT被配置成“导通”。在至少一个IGBT导通之后，至少一个GTO被配置成“关断”。在至少一个GTO关断之后的预定时间量之后，至少一个IGBT被配置成关断。
附图说明
为了说明的目的，附图中示出了本发明的某些实施例。在附图中，使用相同参考编号来表示相同元件。应该理解，本发明不仅限于所示出的精确的布局、尺寸以及装置。在附图中：
图1A示出了根据本发明的示例性实施例的包括源极、负载、用于将负载与源极隔离的电路，以及用于控制隔离电路的控制器的电路的图示；
图1B示出了根据本发明的示例性实施例的包括多个源极、负载以及多个开关电路的电路的图示，每一个开关电路都被配置成响应于从控制器接收到的控制信号，有选择地将所述多个源极中的相应的源极耦合到负载；
图1C示出了根据本发明的示例性实施例的包括源极、负载、用于将负载与源极隔离的电路、用于控制隔离电路的控制器，以及与隔离电路串联的电抗的电路的图示；
图2示出了根据本发明的示例性实施例的用作图1A和1C的隔离电路或图1B的开关电路中的每一个的电路的第一个示例性实施例，图2的电路包括与两个门极可关断晶闸管(GTO)并联的绝缘栅极双极晶体管(IGBT)；
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用作图1A和1C的隔离电路或图1B的开关电路中的每一个的电路的第二个示例性实施例，图3的电路包括与多个GTO并联的多个IGBT；
图4示出了根据本发明的示例性实施例的示例性超级门极可关断晶闸管(SGTO)对比示例性IGBT的功率损耗；
图5A示出了根据本发明的示例性实施例的应用在图2的电路的模拟中的栅信号，其中，两个GTO模拟为SGTO；
图5B示出了根据本发明的示例性实施例的跨图2的模拟电路的电压；
图5C示出了根据本发明的示例性实施例的流过图2的模拟电路的IGBT以及其中一个SGTO的电流；
图6示出了根据本发明的示例性实施例的来自图2的电路的实验演示的各种波形。
图7示出了典型的反相电路的框图；
图8示出了对于一个或多个IGBT和SGTO的导通以及关断的输入信号和时间延迟的信号图示；
图9示出了一个或多个IGBT和一个或多个SGTO之间的导通信号中的延迟的详细信息的信号图示；以及
图10示出了反相电路的开关波形的信号图示。
具体实施方式
现在参考示出了本发明的示例性实施例的各种视图的附图。在附图以及此处的对附图的描述中，某些术语只是了方便而使用，不应该被当作限制本发明的各实施例。此外，在附图以及下面的描述中，相同编号表示相同元件。
晶闸管被栅信号导通。一旦栅信号被去除，晶闸管保持在导通状态，直到流过晶闸管的阳极的电流降到某一阈值之下。门极可关断晶闸管(GTO)可以被栅极端子和阴极端子之间的正电流脉冲的栅信号导通，并被栅极端子和阴极端子之间的负极性的栅信号关断。
晶闸管和GTO存在断开时间长的问题。在晶闸管的阳极中的关断电流终止或GTO的栅极中的关断电流终止之后，有长的拖尾时间，此时剩余电流继续流动，直到设备中的全部剩余电荷消散。此现象限制了在不失败的情况下晶闸管能够中断的最大电流量。
与绝缘栅极双极晶体管(IGBT)相比，晶闸管和GTO支持较高的电流密度，具有较低的正向电压降，VF。然而，在操作电压下，IGBT具有比GTO高得多的最大可控制电流密度。当在700V切换时，6kV GTO表现出了3kA/cm2的关断能力。
当在GTO中在700V切换时，要接近3kA/cm2的关断能力，可以使用缓冲电路以在关断过程中延迟跨GTO的重新施加的电压。缓冲电路给其中使用GTO的系统增加了体积和重量，并且对GTO的关断电流密度的影响有限。提供AC或DC断路器、限流器或利用GTO的较低的VF同时提供比GTO更大的最大可控制电流密度的任何固态切换应用是有利的。
现在参考图1A，所示是根据本发明的示例性实施例的一般性地表示为100的电路的图示。电路100包括源极110、负载120、控制器130，以及用于有选择地将负载120与源极110隔离的电路200或300。控制器130连接到电路200、300，并通过经由信号线135发送打开和闭合的信号来控制电路200、300，由此，分别将源极110与负载120解耦和耦合。
电路200、300可以被控制以充当AC或DC断路器以防止负载120过电压或过电流。在这样的实施例中，控制器130感应跨负载120的电压或流过负载120的电流。当控制器130检测到过电压/过电流时，它命令电路200、300关断，由此，将源极110与负载120解耦。当控制器130判断过电压/过电流已经被去除时，它可以命令电路200、300导通，由此，将源极110与负载120耦合。
电路200、300可以被控制以充当限流器以防止负载120过电流。在这样的实施例中，控制器130感应流过负载120的电流。当控制器130检测到过电流时，它命令电路200、300关断，由此，将源极110与负载120解耦。然后，电流转向在电路100的示例性可替换实施例中与电路200、300并联的外电抗140，由此，将输送到负载120的电流限制到预定值。当控制器130确定过电流已经被去除时，它可以命令电路200、300导通，由此，将源极110与负载120耦合。
现在参考图1B，所示是根据本发明的示例性实施例的一般性地表示为100′的电路的图示。电路100′包括电路100的所有组件以及额外的组件。电路100′包括源极110、负载120、源极115、电路200、300、电路200A、300A，以及控制器130的示例性实施例，在图1B中一般性地表示为130′。电路200、300被配置成将源极110切换到负载120，而电路200A、300A被配置成将源极115切换到负载120。
控制器130′连接到电路200、300以及200A、300A，并经由相应的信号线135A′和135B′上的相应的信号，控制电路200、300以及200A、300A。控制器130′控制电路200、300打开和闭合，由此，将源极110与负载120解耦和耦合。控制器130′控制电路200A、300A打开和闭合，由此，将源极115与负载120解耦和耦合。控制器130′一起控制电路200、300和200A、300A以在源极110和115之间切换负载120。如此，电路200和200A共同地形成转换开关150，以将耦合到负载120的源极从源极110转换到源极115或从源极115转换到源极110。同样，电路300和300A共同地形成转换开关150，以将耦合到负载120的源极从源极110转换到源极115或从源极115转换到源极110。
电路200、300中每一个都能够具有耦合到一个或多个IGBT的一个或多个SGTO。例如，现在参考图2，所示是根据本发明的示例性实施例的电路200和200A的示例性实施例。电路200和200A中的每一个都包括与两个GTO 220.1和220.2并联的IGBT210.1。IGBT 210.1包括集电极210.1-C、栅极210.1-G以及发射极210.1-E。GTO 220.1包括阳极220.1-A、栅极220.1-G以及阴极220.1-K。GTO 220.2包括阳极220.2-A、栅极220.2-G以及阴极220.2-K。在示例性实施例中，GTO 220.1和220.2是超级GTO，诸如在2010年4月6日颁发的授予Temple等人的，并与本申请具有相同受让人的美国专利No.7,692,211中所描述的那些，该专利的内容通过引用包括在本文中。在另一个示例性实施例中，GTO 220.1和220.2可以是MOS控制的晶闸管(MCT)，诸如1985年10月30发布的EP159663A2中所描述的那些，该申请的内容通过引用包括在本文中。
相应的GTO 220.1和220.2的阳极220.1-A和220.2-A连接到一起。相应的GTO220.1和220.2的阴极220.1-K和220.2-K连接到一起。相应的GTO 220.1和220.2的栅极220.1-G和220.2-G连接到一起。如此，GTO 220.1和220.2并联连接，由于相应的GTO 220.1和220.2的栅极220.1-G和220.2-G连接到一起，因此，GTO 220.1和220.2由在信号线135、135A′、135B′上存在的相同栅信号控制。
IGBT 210.1的集电极210.1-C连接到相应的GTO 220.1和220.2的已连接的阳极220.1-A和220.2-A。IGBT 210.1的发射极210.1-E连接到相应的GTO 220.1和220.2的已连接的阴极220.1-K和220.2-K。如此，IGBT 210.1与GTO 220.1和220.2并联连接。IGBT 210.1的栅极210.1-G不连接到相应的GTO 220.1和220.2的已连接的栅极220.1-G和220.2-G。如此，由于下面所讨论的原因，可以与GTO 220.1和220.2分开地控制IGBT 210.1。IGBT 210.1由在信号线135、135A′、135B′上存在的栅信号来控制。
现在参考图3，所示是根据本发明的示例性实施例的电路300和300A的示例性实施例。电路300和300A中的每一个电路都包括与多个GTO 320.1，320.2,…,320.N并联的多个IGBT 310.1，310.2,…,310.M。每一IGBT 310.1,310.2,…,310.M都包括相应的集电极310.1-C,310.2-C,…,310.M-C,相应的栅极310.1-G,310.2-G,…,310.M-G以及相应的发射极310.1-E,310.2-E,…,310.M-E。每一GTO 320.1，320.2,…,320.N都包括相应的阳极320.1-A,320.2-A,…,320.N-A，相应的栅极320.1-G,320.2-G,…,320.N-G，以及相应的阴极320.1-K,320.2-K,…,320.N-K。在示例性实施例中，GTO 320.1，320.2,…,320.N是超级GTO，诸如在2010年4月6日颁发的授予Temple等人的，并与本申请具有相同受让人的美国专利No.7,692,211中所描述的那些，该专利的内容通过引用包括在本文中。在另一个示例性实施例中，GTO 320.1和320.2,…,320.N可以是MCT，诸如1985年10月30公布的EP159663A2中所描述的那些，该申请的内容通过引用包括在本文中。
相应的IGBT 310.1，310.2,…,310.M的集电极310.1-C,310.2-C,…,310.M-C连接到一起。相应的IGBT 310.1，310.2,…,310.M的发射极310.1-E,310.2-E,…,310.M-E连接到一起。相应的IGBT 310.1，310.2,…,310.M的栅极310.1-G,310.2-G,…,310.M-G连接到一起。如此，IGBT 310.1，310.2,…,310.M并联连接，并由于相应的IGBT 310.1，310.2,…,310.M的栅极310.1-G，310.2-G,…,310.M-G连接到一起，因此，IGBT 310.1，310.2,…,310.M由在信号线135，135A′，135B′上存在的栅信号来控制。
相应的GTO 320.1,320.2,…,320.N的阳极320.1-A,320.2-A,…,320.N-A连接到一起。相应的GTO 320.1,320.2,…,320.N的阴极320.1-K,320.2-K,…,320.N-K连接到一起。相应的GTO 320.1,320.2,…,320.N的栅极320.1-G,320.2-G,…,320.N-G连接到一起。如此，GTO 320.1,320.2,…,320.N并联连接，并由于相应的GTO 320.1,320.2,…,320.N的栅极320.1-G,320.2-G,…,320.N-G连接到一起，因此，GTOs 320.1,320.2,…,320.N由在信号线135，135A，135B上存在的栅信号来控制。
IGBT 310.1,310.2,…,310.M的已连接的集电极310.1-C,310.2-C,…,310.M-C连接到GTO 320.1,320.2,…,320.N的已连接的阳极320.1-A,320.2-A,…,320.N-A。IGBT310.1,310.2,…,310.M的已连接的发射极310.1-E,310.2-E,…,310.M-E连接到GTO320.1,320.2,…,320.N的已连接的阴极320.1-K,320.2-K,…,320.N-K。如此，IGBT 310.1,310.2,…,310.M与GTO 320.1,320.2,…,320.N并联连接。IGBT 310.1,310.2,…,310.M的已连接的栅极310.1-G,310.2-G,…,310.M-G不连接到GTO 320.1,320.2,…,320.N的已连接的栅极320.1-G,320.2-G,…,320.N-G。如此，可以与GTO 320.1,320.2,…,320.N分开地控制IGBT 310.1,310.2,…,310.M。
参考图1A、2以及3，在低频关断令人满意的应用中，相应的电路200、300的GTO220、320被用来在IGBT 210、310关断的情况下传输额定负载120电流。因此，IGBT 210、310的结温比GTO 220、320的结温低得多。由此，如果IGBT 210、310用于传输负载120电流的一部分或全部，与它们将能够控制的最大电流相比，IGBT 210、310的最大可控制电流增大。在类似于反相器的应用中，当模块被命令导通时，使SGTO和IGBT两者都保持导通状态是有利的。
执行断路器或限制器300的模拟，其中，有两个IGBT 310.1和310.2和两个GTO320.1和320.2。模拟热量在GTO 320.1和320.2已导通并且IGBT 310.1和310.2关断的情况下通过8密耳的Cu、40密耳的AIN、4密耳的热油脂以及300密耳的AlSiC来传导。模拟表明，GTO 320.1和320.2中的最高温度梯度是39℃，IGBT 310.1和310.2中的最高温度梯度是8.8℃。因此表明，跨IGBT 310.1和310.2的温度梯度显著地低于跨GTO 320.1和320.2的温度梯度。
继续参考图1A、2和3，由于与IGBT 210、310相比，在相同电流密度时，GTO 220、320的正向压降低，与只使用IGBT来传输额定电流的电路相比，在电路100中传输额定电流需要的电路200、300中的GTO 220、320较少，有源区域也较小。进一步地，在电路200、300中使用GTO 220、320来传输额定电流与只使用IGBT来传输额定电流的电路提供类似的或者甚至较低的损耗。如此，电路100可以省略用于电路200、300的冷却系统。另外，电路100还可以省略缓冲电路，在一些实施例中，或包括与常规断路器或限流器相比其尺寸大大地缩小的缓冲电路。
参考图4，所示是由Silicon Power，Inc.制造的6kV超级GTO(SGTO)(部件号CCSTA14N40)和由IXYS Corporation制造的商品化的IGBT(部件号IXEL40N400)的电流密度对比功率密度的曲线图。SGTO是带有非常高的单元密度的GTO和匹配陶瓷封装的金属镀层的组合。描绘了SGTO和IGBT的VF的特征，在断路器配置中比较了它们的损耗，诸如在只有VF对系统损耗具有实质性影响的电路100中。如图4所示，在所有电流密度下，与只有IGBT的配置相比，SGTO提供两个数量级的以传导损耗/cm2表示的改善。
继续参考图1A、2和3，电路200、300可以由控制器130控制以充当电路100中的断路器或限流器。在常规使用过程中，电路200、300向负载120传导电流。当控制器130检测到故障(无论是跨负载120的过电压还是流向负载120的过电流)时，控制器130经由信号线135向IGBT 210、310的栅极发送导通命令，然后，经由信号线135向GTO 220、320的栅极发送关断命令。由于IGBT 210、310充当在它们的VF操作的非常低的电压钳，因此，GTO 220、320能够中断故障电流或过电压，并将它转换到IGBT 210、310。在预定或可编程的延迟之后，控制器130命令IGBT 210、310关断。因此，电路200、300关断，由此，将负载120与源极110和/或故障状况隔离。
GTO 220、320的关断和IGBT 210、310的关断之间的时间延迟是可变的，并取决于GTO 220、320的特征，诸如GTO的少数载流子寿命有意的缩短以及它们的操作温度的有意的降低。随着GTO 220、320的操作温度上升，要求在GTO 220、320的关断和IGBT 210、310的关断之间有比较长的延迟，因为少数载流子寿命随着GTO 220、320的温度上升而延长。然而，在设备制造之后有意缩短少数载流子寿命的情况下(例如，电子辐照)，GTO和IGBT的关断之间的延迟可以被缩短。有效地，预定的时间延迟可以具有在电路的最小操作温度下设置的最小值，提供了控制器随着电路的温度上升向上调整该延迟的能力。此延迟的下限是GTO的低温度少数载流子寿命的函数，上限是在电路的最高工作温度时GTO的少数载流子寿命的函数。电路所需的延迟的变化使控制器基于由电路所提供的温度反馈，诸如由温度传感器等等提供的，实时地调整IGBT和SGTO的关断之间的延迟。如此，延迟可以是固定值，或控制器可以是动态的，并实时地提供延迟。与必须适应在高温操作下存在的最长的延迟的固定延迟相比，此函数能在较低温度下实现较低的切换损耗。在示例性实施例中，GTO 220、320的最高额定操作温度在阻断结处是125℃，在安装了GTO 220、320的散热器处是85℃。
在示例性实施例中，取决于为GTO选择的少数载流子寿命，GTO 220、320的关断和IGBT 210、310的关断之间的时间延迟可以在10μs和150μs之间。在此实施例中，假设电路的温度没有重大变化，因此，时间延迟可以是固定的。机械断路器的中断时间通常大于1ms，并可以大于10ms。如此，电路200和300是“快速作用的”，因为GTO 220、320的关断和IGBT 210、310的关断之间的时间延迟比机械断路器的中断时间小1/6(并可能小得更多)。
由于故障电流一般具有di/dt值，因此，它们随着的推移而增大。GTO 220、320的关断和IGBT 210、310的关断之间的比较长的延迟会导致IGBT 210、310必须关断的较高的总电流。如此，当确定预定的或可编程的延迟时，应该考虑预期的di/dt。延迟时段内电流的预期的增大可以表达为：
ΔI＝t延迟·di/dt (1)
其中，di/dt是与源极和故障相关的函数。可以基于寄生系统电感，计算预期的di/dt，如此：
di/dt＝V源极/L系统 (2)
图5A，5B，以及5C中所示分别是根据本发明的示例性实施例的示例性栅信号，跨IGBT 210、310和GTO 220、320的ΔV的值，以及流过IGBT 210、310和GTO 220、320的电流值。一般而言，图5A到5C示出了电路200、300的示例性操作。在正常操作过程中，GTO 220、320是导通的，因为它们的VF和功率损耗比IGBT 210、310较低。当发生故障时，诸如系统负载120中的导致其电抗降低的故障或由线路短路产生的故障，例如，公用事业供电线故障，目标是关断GTO 220、320以将负载与故障隔离。然而，由于GTO 220、320为获得低传导损失而优化，因此，它们的存储电荷在关断过程中比典型的IGBT高得多，由此，降低了它们的最大关断电流能力。应该提供一种路径，以使GTO 220、320的低电压钳在低电压时中断电流。进一步地，由于故障电流可能会在故障过程中持续上升，因此，应该协助GTO 220、320处理故障电流。如此，在GTO 220、320的关断开始之前，IGBT 210、310被导通以允许GTO 220、320中的存储电荷放电，并处理故障电流的一部分。为确保当GTO 220、320被关断时IGBT 210、310是完全导通的，在GTO 220、320被关断之前，IGBT 210、310被导通。然后，GTO 220、320关断，并且当IGBT 210、310传输故障电流时，它们的存储电荷与时间常数按指数规律地重新组合，该时间常数与GTO的少数载流子寿命直接相关。当IGBT 210、310传导故障电流时，GTO 220、320的关断为GTO 220、320提供超低电压钳，迅速地提高了它们的最大可控制电流密度。在确保存储电荷的全部或大多数(例如，90％)放电的预定时间量之后，IGBT 210、310被关断。
图5A示出了在操作过程中由控制器130通过信号线135分别地向IGBT 210、310的栅极和GTO 220、320的栅极提供的栅信号。参考图5A，在时间t0到t1，例如，0μs到100μs的正常操作期间，控制器130向GTO 220、320的栅极施加栅信号(例如，1.0V)。如此，负载120耦合到源极110。如在图5B和5C最佳地看到，在时间t1，例如，100μs，发生故障。控制器130持续向GTO 220、320的栅极施加栅信号(例如，1.0V)。在时间t2，例如，200μs，控制器130到达其跳变点，即，它判断存在故障状况(例如，由控制器130的电流传感器感应到的过电流)。在图5A中所示出的示例性实施例中，跳变点是经过电路200、300的300A。
一旦在时间t2到达跳变点，控制器130向全部IGBT 210、310的栅极施加栅信号(例如，1.5V)，以将它们同时导通。到时间t3，例如，210μs，IGBT 210、310已导通并传导。在时间t3，例如，210μs，控制器130从GTO 220、320的栅极去除信号，由此将它们关断。由于GTO220、320中的存储电荷，它们不会即刻关断。到时间t4，例如，300μs，GTO 220、320中的大多数电荷已经消散。如此，在该时间，控制器从全部IGBT 210、310的栅极去除信号，由此同时将它们关断。因此，电路200、300在时间t4被关断，由此，将负载120与故障状况隔离。分别基于IGBT 210、310的导通时间和GTO 220、320的关断时间，选择时间t3和t4，以便IGBT 210、310到时间t3时完全导通，GTO 220、320到时间t4时完全关断。
图5B示出了在时间t0到t4，例如，0μs到400μs之间，跨IGBT 210、310和GTO 220、320的ΔV的值。由于IGBT 210、310和GTO 220、320并联，跨IGBT 210、310的ΔV等于跨GTO 220、320的ΔV。如图5B所示，跨IGBT 210、310和GTO 220、320的ΔV大约是0.02kV，这是在时间t0到t1之间，即发生故障的时间，GTO 220、320的VF。ΔV在时间t1和t2之间增大，在该时间，控制器130到达跳变点，并同时导通所有IGBT 210、310。跨IGBT 210、310和GTO 220、320的ΔV在t2微降，因为电流在IGBT 210、310和GTO 220、320之间共享，但是持续逐步上升，直到t3，在该时间，控制器130同时关断所有GTO 220、320。
由于在时间t3，GTO 220、320关断，因此，跨IGBT 210、310和GTO 220、320的ΔV从大约0.03V跳到大约0.12V，在时间t3，IGBT 210、310的VF。在时间t4，ΔV持续往上爬到大约0.16V，在该时间，控制器130关断IGBT 210、310。由于IGBT 210、310和GTO 220、320都在时间t4关断，因此，跨IGBT 210、310和GTO 220、320的ΔV返回到系统电压(源极110的电压)。
图5C示出了在时间t0到t4，例如，0μs到400μs之间，流过IGBT 210、310和GTO 220、320的电流。如图5C所示，在时间t0到t1之间，流过GTO 220、320的电流大约是200A，在该时间，发生故障。在此时间内，流过IGBT 210、310的电流是0A，因为它们被关断。在时间t1和t2之间，流过GTO 220、320的电流增大到300A。在时间t2，控制器130到达跳变点，并导通IGBT210、310。在时间t2和t3之间，电流在IGBT 210、310和GTO 220、320之间分配，但是，由于故障状况，流过IGBT 210、310和GTO 220、320的电流持续上升。
由于GTO 220、320在时间t3关断，因此，流过电路200、300的电流完全变换为流过IGBT 210、310。由于故障状况持续，在时间t4，电流从大约305A增大到大约380A，在该时间，控制器130关断IGBT 210、310。由于IGBT 210、310和GTO 220、320在时间t4关断，因此，流过IGBT 210、310和GTO 220、320的电流停止。由此，负载120与故障状况隔离。
现在参考图6，所示是根据本发明的示例性实施例在电路100中测试电路300的实验结果，电路300具有一个IGBT 310.1(来自IXYS Corporation的IXEL40N400)和一个SGTO320.1(来自Silicon Power,Inc.的CCSTA14N40)。图6具体地示出了SGTO 320.1的低电压关断(4V)，电流转移到IGBT 310.1，在SGTO 320.1中的剩余的存储电荷对系统电流的影响。IGBT 310.1和SGTO 320.1两者都加热到125℃。另外，IGBT 310.1的栅极驱动器在SGTO320.1之前不久大约20μs被导通，SGTO 320.1在IGBT 310.1之后大约20μs也导通。IGBT310.1保持导通，直至70μs，在该时间，它被关断。如此，图6示出了IGBT 310.1首先被导通，紧接着SGTO 320.1被导通，这说明为什么IGBT 310.1首先传输大部分负载电流，直至快要到28μs。同样如在图6中所示的，当IGBT 310.1和SGTO 320.1被关断时，在0μs和20μs之间，系统电流是0A。此附图更像是反相器应用实施例的示例，然而，也表现出了电路用于断路器应用中的能力。
如图6所示，在IGBT 310.1和SGTO 320.1被导通之后，跨这些设备的正向电压降减小，系统电流增大到60A。首先，紧随20μs之后，系统电流的大部分由IGBT 310.1传输。到60μs，系统电流的大部分都由SGTO 320.1传导，设备的正向电压降减小到SGTO 320.1的VF＝1.7V。
在70μs，SGTO 320.1被关断，设备的正向电压降增大到IGBT 310.1的VF＝4.0V，大约是SGTO 320.1的VF的两倍。随着SGTO 320在70μs之后关断，系统电流转移到IGBT 310.1。到140μs，IGBT 310.1传导大部分系统电流，此时，控制器130通过去除栅信号来命令它关断。很明显，并非所有SGTO 320.1电荷都会在70μs和140μs之间重新组合，导致SGTO 320.1电流在140μs增大。
如预期的，在IGBT 310.1在70μs关断之后，系统100电流按指数规律地衰减。衰减持续到200μs，这是从SGTO 320.1中完全提取存储的电荷所花费的时间。在实验中，70μs是预定的跳变点，但是，可以理解，跳变点可以设置在其他时间或基于诸如过电流或过电压之类的其他因素。
参考图1A、2以及3，流过负载120的故障电流的增大应该仅限于IGBT 210、310的安全操作区域内的某一值。IGBT 210、310本身将能够通过去饱和来限制故障电流。然而，在此事件过程中耗散的功率可能会升高IGBT 210、310的结温足够高而将安全操作区域降低到应该控制的电流水平之下。
可以在系统水平实现将故障电流限制到IGBT 310的安全操作区域内的某一值的其他方法。现在参考图1C，所示是根据本发明的示例性实施例的在图1C中一般性地表示为100″的系统100的示例性替换实施例。系统100″包括系统100的所有组件，但是进一步包括与电路200、300串联的电抗140′。电抗140′将故障电流的di/dt限制到预定水平，这能实现可预测的并可重复的故障中断。
在示例性实施例中，源极110是AC源极。在这样的实施例中，SGTO 220、320可以具有非常高的I2t定额，意味着电路200、300可以承受电涌，并在下一零交叉处中断故障电流，仍利用IGBT 210、310来提供低钳位电压。
在图7-10中示出了本发明的一个替换实施例。参考图7，示出了反相电路400。此电路400表示H桥路反相器，其中，DC电压源极402，通过使用第一电路、第二电路、第三电路，以及第四电路407、414、415、409，被允许穿过负载410。第一控制器、第二控制器、第三控制器，以及第四控制器404，412，411，403中的每一个控制器都与第一电路、第二电路、第三电路，以及第四电路407，414，415，409中的相应的那一个电路耦合。控制器404、412、411、403通过导通和关断相应的电路407、414、415、409，定向流过负载410的电流方向。第一二极管、第二二极管、第三二极管，以及第四二极管406、413、416、408中的每一个二极管都与第一电路、第二电路、第三电路，以及第四电路407，414，415，409中的相应的那一个电路并联地耦合。
相应地，第一控制器404连接到第一电路407，而第一电路407与第一二极管406并联连接。第一电路407和第一二极管406的一端连接到负载410的第一端410a。第一电路407和第一二极管406的相反的一端连接到源极402的一端。第二控制器412连接到第二电路414，该第二电路414与第二二极管413并联连接。第二电路414和第二二极管413的一端连接到负载410的第二端410b。第二电路414和第二二极管413的相反的一端连接到源极402的第二端。第三控制器411连接到第三电路415，该第三电路415与第三二极管416并联连接。第三电路415和第三二极管416的一端连接到负载410的第一端410a(并连接到第一电路407和第一二极管406的对应的端)。第三电路415和第三二极管416的相反的一端连接到源极402的第二端(并连接到第二电路414和第二二极管413的对应的一端)。第四控制器403连接到第四电路409，该第四电路409与第四二极管408并联连接。第四电路409和第四二极管408的一端连接到负载410的第二端410b(并连接到第二电路414和第二二极管413的对应的一端)。第四电路409和第四二极管408的相反的一端连接到源极402的第一端(并连接到第一电路407和第一二极管406的对应的一端)。
电路407、414、415、409被相应的控制器404、412、411、403导通和关断。当第二电路和第一电路414、407两者同时都导通时，电流从源极402，流过第二电路414，流过负载410，流过第一电路407，并返回到源极402。如此，当第一电路和第二电路407、414被导通时，电流在第一方向，即，从第二端410b流到第一端410a，流过负载410。负载410是电感器，如此，电流希望在相同方向继续流过负载410。如此，当第一电路和第二电路(开关)407、414被关断时，电流可以采取并使电流保持到负载的相同第一方向的唯一路径是经过第三二极管和第四二极管416、408。第三二极管和第四二极管416、408是在第一电路和第二电路407、414关断之后提供返回到DC源极402的电流路径的续流二极管(FWD)。
类似地，当第三电路和第四电路415、409两者都在相同时间导通时，电流从源极402，流过第三电路415，流过负载410，流过第四电路409，并返回到源极402。如此，电流直接在与第一方向相反的第二方向，即，从负载410的第一端410a到负载的第二端410b，流过负载。当第三电路和第四电路415、409被关断时，电流持续在该第二方向流过第一二极管和第二二极管406、413。
如此，有三种操作状态：(a)所有电路407、414、415、409都被关断，其中，无电流流过负载410；(b)第一电路和第二电路407、414已导通，以便电流在第一方向从第二端410b到第一端410a流过负载410；以及(c)第三电路和第四电路415、409已导通，以便电流在第二方向从第一端410a到第二端410b流过负载410。值得注意的是，第一电路和第三电路407、415不同时导通，因为这将会使源极402短路。可任选地，电路414和415或409和407可以同时导通以使负载短路。并且，电路407、414、415、409中没有哪个电路被分别地导通，因为那将不会导致电流流过负载410。
图8的时序图详述了控制器404、412、411、403的操作序列。图8的顶部，V(输入_信号)(V(input_signal))表示由用户提供的输入命令450。控制器404、412、411、403中的每一个控制器都对在图7中分别标记为450a、450b、450c、450c的不同的命令信号450作出响应。控制器404、412、411、403将这样的输入信号450转换为第一控制信号452或第二控制信号454。第一控制信号和第二控制信号452、454导致IGBT和/或SGTO导通，如V(gd_igbt_输出)(V(gd_igbt_output))信号456和V(gd_sgto_输出)(V(gd_sgto_output))信号458所示。控制信号452、454分别控制IGBT和SGTO的栅极，以管理IGBT和SGTO的导通和关断以及所需的时间延迟。当信号456变高时，电流被允许流过IGBT。当信号458变高时，电流被允许流过SGTO。控制器404、412自主地将输入信号450转换为预定的时序，以允许IGBT控制导通di/dt，并包括合适的延迟，如所指定的，以在SGTO关断和IGBT关断之间反映为成分SGTO选择的少数载流子寿命。
这里，电路407、414、415、409可以各自都是GTO(或SGTO)或IGBT模块，诸如图2-3所示出的并参考它们所描述的那些。即，电路407、414、415、409各自都接收来自相应的控制器404、412、411、403的导通/关断命令。在输入信号450的上升沿450a，电路407、414、415和/或409的IGBT被相应的控制信号452、454的上升沿命令导通。即，输入信号450的上升沿450a导致控制器404、412、411和/或403生成控制信号452、454。控制信号452、454被发送到相应的电路407、414、415、409。控制信号452、454的上升沿导通电路407、414、415和/或409的IGBT。作为响应，IGBT输出的上升沿456a变高。
另外，在短的预定的延迟之后，命令SGTO导通。IGBT首先被导通，这使得电流的变化速率可控制。延迟存储在控制器404、412、411、403中，后者接收输入信号，然后向电路407、412、411、403发送预定的被延迟的信号。图9示出了信号450、456、458的分解图，示出了一个或多个IGBT和一个或多个SGTO之间的导通信号中的延迟。如图所示，IGBT输出456具有基本上垂直的前导边456，而SGTO输出458具有倾斜的前导边458，这意味着，从IGBT导通时起到SGTO导通有轻微的延迟。这可使电路407、412、415、403的IGBT控制导通速度和SGTO以降低传导损耗。
在输入信号450的下降沿450b，命令SGTO关断。如此，输入信号450的下降沿450b导致控制器404、412发送控制信号452、454，关断电路406、414中的SGTO。结果，SGTO在SGTO输出458的后沿458b关断。
在预定的延迟之后，电路的IGBT也被控制器命令关断，流过电路的负载电流终止。集成到控制器中的是信号处理，以提供图8中详述的所需的延时。第一延迟是从IGBT导通时到SGTO导通时。该延迟由二极管413、416、408和406的性能确定。第二延迟是从SGTO关断时到IGBT关断时。该延迟由电路414、415、409和407内的SGTO的性能确定。SGTO关断和IGBT关断之间的延迟直接与为给定操作温度选择的成分SGTO的少数载流子寿命相关。少数载流子寿命以及其相应的延迟确保电路的硬关断能力，消除了常规GTO所要求的需要等待0-电流交叉关断的情况。所有延迟都存储在控制器404、403、411以及412内。集成的信号处理通过只要求一个输入信号450来控制电路的两个分别地选通的部分(即，IGBT和SGTO)，简化了要由终端用户提供的所需输入450。此配置提供了SGTO卓越的传导效率，如图4所示，由IGBT提供的稳健的关断，以及在切换过程中控制电流和/或电压的变化速率的能力。图4表现出了SGTO相对于IGBT卓越的传导损耗，因此，当电路处于导通状态时，使用SGTO来传输电流。当电路(开关)从导通状态过渡到关断状态或从关断状态过渡到导通状态时，由于IGBT在那些过渡中控制电流的变化速率的能力，因此，使用IGBT来传输电流。SGTO没有此能力。如此，图8表现出了替代的输入信号450和一个或多个IGBT和SGTO的导通和关断的时间延迟对比原始实施例中所使用的定时。
图10表示出了反相器测试-电路的双脉冲开关波形。图10示出了输入信号450，当450变为高时，电路导通，跨开关的电压(上边第二个图)下降。当输入信号是高时当开关导通时跨开关的电压较低，因为当输入信号是高时电路的SGTO已导通。第三图和第四图分别示出了流过IGBT和SGTO的电流。在过渡时(例如，在275μs)，大部分电流流过SGTO，当输入信号变低时，所有电流都转移到IGBT(在290μs)。允许电流单独流过电路的IGBT提供了IGBT的稳健的、可控的切换速度，而同时允许电流流过电路的IGBT和SGTO两者提供了SGTO卓越的传导效率。
除非以别的方式示出或陈述，连接和耦合是指一个组件直接电连接到另一组件。
通过前面的说明书，本发明的这些优点及其他优点将对所属领域的技术人员显而易见。相应地，所属领域的技术人员应认识到，在不偏离本发明的广泛的发明构思的情况下，可以对上文所描述的各实施例进行更改或修改。可以理解，本发明不仅限于此处所描述的特定实施例，而是旨在包括在本发明的范围和精神内的所有更改和修改。

Claims (27)

1.一种用于将负载与源极隔离的电路，所述电路包括：
至少一个绝缘栅极双极晶体管(IGBT)；以及
与所述绝缘栅极双极晶体管并联的至少一个门极可关断晶闸管(GTO)。
2.如权利要求1所述的电路，其中
所述至少一个IGBT包括集电极、栅极和发射极，以及
所述至少一个GTO包括阳极、栅极和阴极，
其中，所述至少一个IGBT的所述集电极连接到所述至少一个GTO的所述阳极，以及
其中，所述至少一个IGBT的所述发射极连接到所述至少一个GTO的所述阴极。
3.如权利要求1或2所述的电路，其中，所述至少一个GTO是超级GTO。
4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的电路，
其中，当不存在故障状况时，所述至少一个GTO被配置成“导通”，以将所述负载耦合到所述源极，以及
其中，当存在故障状况时：
所述至少一个IGBT被配置成导通；
所述至少一个GTO被配置成在所述至少一个IGBT导通之后关断；以及
所述至少一个IGBT被配置成在所述至少一个GTO关断的预定时间量之后关断。
5.一种电路，包括：
源极；
负载；以及
设置在所述源极和所述负载之间的隔离电路，所述隔离电路包括：
至少一个绝缘栅极双极晶体管(IGBT)；以及
与所述绝缘栅极双极晶体管并联的至少一个门极可关断晶闸管(GTO)。
6.如权利要求5所述的电路，
其中，当不存在故障状况时，所述至少一个GTO被配置成“导通”，以将所述负载耦合到所述源极，以及
其中，当存在故障状况时：
所述至少一个IGBT被配置成导通；
所述至少一个GTO被配置成在所述至少一个IGBT导通之后关断；以及
所述至少一个IGBT被配置成在所述至少一个GTO关断的预定时间量之后关断。
7.如权利要求6所述的电路，其中，所述预定时间量是基于所述至少一个GTO的操作温度。
8.如权利要求6所述的电路，其中，所述预定时间量是进一步基于通过所述至少一个IGBT的预期故障电流的变化速率。
9.如权利要求6所述的电路，其中，所述预定时间量是基于通过所述至少一个IGBT的预期故障电流的变化速率。
10.如权利要求5-9中任一权利要求所述的电路，进一步包括控制器，所述控制器被配置成检测何时存在故障状况，以及当存在故障状况时：
导通所述至少一个IGBT；
在导通所述IGBT之后，关断所述至少一个GTO；以及
在关断所述至少一个GTO的预定时间量之后关断所述至少一个IGBT。
11.如权利要求5-10中任一权利要求所述的电路，其中
所述至少一个IGBT包括集电极、栅极和发射极，以及
所述至少一个GTO包括阳极、栅极和阴极，
其中，所述至少一个IGBT的所述集电极连接到所述至少一个GTO的所述阳极，以及
其中，所述至少一个IGBT的所述发射极连接到所述至少一个GTO的所述阴极。
12.如权利要求11所述的电路，进一步包括控制器，所述控制器连接到所述至少一个IGBT的所述栅极以及所述至少一个GTO的所述栅极。
13.如权利要求12所述的电路，其中，所述控制器被配置为当不存在故障状况时向所述至少一个GTO的所述栅极提供信号，以及当存在故障状况时：
向所述至少一个IGBT的所述栅极提供信号以导通所述至少一个IGBT；
在导通所述IGBT之后从所述至少一个GTO的所述栅极去除所述信号，以关断所述至少一个GTO，以及
在关断所述至少一个GTO的预定时间量之后，从所述至少一个IGBT的所述栅极去除所述信号，以关断所述至少一个IGBT。
14.如权利要求13所述的电路，其中，所述预定时间量是基于所述至少一个GTO的所述操作温度。
15.如权利要求14所述的电路，其中，所述预定时间量是进一步基于通过所述至少一个IGBT的预期故障电流的变化速率。
16.如权利要求13所述的电路，其中，所述预定时间量是基于通过所述至少一个IGBT的预期故障电流的变化速率。
17.如权利要求5-16中任一权利要求所述的电路，进一步包括与所述隔离电路串联的电抗。
18.一种电路组合件，包括：
具有第一端和第二端的源极；
具有第一端和与所述第一端相对的第二端的负载；
第一电路，所述第一电路耦合到所述源极的所述第一端和所述负载的所述第一端；以及
第二电路，所述第二电路耦合到所述源极的所述第二端和所述负载的所述第二端，从而，当所述第一电路和所述第二电路导通时，第一电流流过所述负载。
19.如权利要求18所述的电路组合件，进一步包括第三电路，所述第三电路耦合到所述源极的所述第一端和所述负载的所述第二端，以及第四电路，所述第四电路耦合到所述源极的所述第二端和所述负载的所述第一端，从而，当所述第三电路和所述第四电路导通时，第二电流流过所述负载。
20.如权利要求19所述的电路组合件，其中，所述第一电流在第一方向流过所述负载，所述第二电流在与所述第一方向相反的第二方向流过所述负载。
21.如权利要求18所述的电路组合件，其中，所述第一电路、第二电路、第三电路以及第四电路包括H桥路组合件。
22.如权利要求18-21中任一权利要求所述的电路组合件，进一步包括与所述第一电路并联地耦合的第一二极管以及与所述第二电路并联地耦合的第二二极管。
23.如权利要求22所述的电路组合件，进一步包括与所述第三电路并联地耦合的第三二极管以及与所述第四电路并联地耦合的第四二极管。
24.如权利要求18-23中任一权利要求所述的电路组合件，进一步包括连接到所述第一电路以导通和关断所述第一电路的第一控制器，以及连接到所述第二电路以导通和关断所述第二电路的第二控制器。
25.如权利要求24所述的电路组合件，进一步包括连接到所述第三电路以导通和关断所述第三电路的第三控制器，以及连接到所述第四电路以导通和关断所述第四电路的第四控制器。
26.如权利要求18-25中任一权利要求所述的电路组合件，其中，所述第一电路、第二电路，第三电路和/或第四电路包括绝缘栅极双极晶体管(IGBT)或门极可关断晶闸管(GTO)。
27.如权利要求26所述的电路组合件，其中，所述第一电路、第二电路、第三电路和/或第四电路包括至少一个IGBT以及与所述IGBT并联的至少一个GTO。
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