CN109032231B - 确定晶体管的输出电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定晶体管(10)的输出电压的方法，所述晶体管(10)包括输入电极(G)、第一输出电极(C)和第二输出电极(E)，所述第一输出电极(C)的电位高于所述第二输出电极(E)的电位，所述输出电压是所述第一输出电极(C)和所述第二输出电极(E)之间的电位差，所述方法包括：测量所述晶体管(10)的控制电压随时间的变化的步骤，所述控制电压是所述输入电极(G)和所述第二输出电极(E)之间的电位差，以及根据测得的控制电压确定所述输出电压。

Description

确定晶体管的输出电压的方法
技术领域
本发明涉及一种确定晶体管的输出电压的方法。本发明还涉及一种相关的确定装置。本发明还涉及一种包括这样的确定装置能量转换系统并且有利地涉及一种包括具有这种能量转换系统的铁路牵引链。
背景技术
已知特别是在铁路车辆的牵引链中使用晶体管。这样的晶体管通常用于开关，即，所述晶体管被命令以便以确定的频率断开和闭合。
通常，晶体管包括也称为“基极”或“栅极”的输入电极、也称为“集电极”或“漏极”的输出电极以及也称为“发射极”或“源极”的第二输出电极。
为了调整晶体管的开关速度并且由此使由于开关引起的损耗最小化，已知测量所述晶体管的第一和第二输出电极之间的输出电压。
然而，牵引链中使用的晶体管的输出电压通常很高。例如，对于绝缘栅双极型晶体管，所述电压可以等于高达4500伏。然后用适当的测量链测量这种高电压。
然而，合适的测量链涉及许多组件操作，这使得它很复杂。而且，这样的测量链对于每个晶体管都是有限制的。
因此需要一种易于实现的能够确定晶体管的输出电压的装置。
发明内容
为此目的，本发明涉及一种用于确定晶体管的输出电压的方法，该晶体管包括输入电极、第一输出电极和第二输出电极，所述第一输出电极的电位高于所述第二输出电极的电位，所述输出电压是所述第一输出电极和所述第二输出电极之间的电位差，所述方法包括用于测量所述晶体管的控制电压随时间的变化的步骤以及确定步骤，所述控制电压是所述输入电极和所述第二输出电极之间的电位差，在该确定步骤期间从测得的控制电压确定所述输出电压。
根据具体实施例，该方法包括单独考虑或根据任何技术上可能的组合考虑的一个或多个以下特征：
在该方法期间仅测量所述控制电压。
所述晶体管包括两个状态：所述晶体管导通的第一状态和所述晶体管截止的第二状态，所述测量步骤在所述晶体管处于所述第二状态时执行。
所述晶体管的电压比大于或等于50，所述电压比是所述晶体管的所述控制电压对所述晶体管的所述输出电压的绝对值。
所述晶体管是绝缘栅双极型或单极型晶体管。
该方法还包括以下步骤：
提供由校准晶体管准备的第一校准表，所述校准晶体管包括输入电极、第一输出电极和第二输出电极，所述校准晶体管的所述第一输出电极的电位高于所述校准晶体管的所述第二输出电极的电位，所述第一校准表针对所述校准晶体管的不同输出电压代表所述校准晶体管的所述控制电压随时间的变化，并且当具有相同第一预定分布的电流被施加在所述校准晶体管的所述输入电极和所述第二输出电极之间时，所述校准晶体管的所述控制电压是所述校准晶体管的所述输入电极和所述第二输出电极之间的电位差，所述校准晶体管的所述输出电压是所述校准晶体管的所述第一输出电极和所述第二输出电极之间的电位差，
提供第二校准表，所述第二校准表代表所述校准晶体管的所述输出电压的变化，作为所述校准晶体管的所述控制电压从具有所述第一预定分布的所述电流施加在所述校准晶体管的所述输入电极和所述第二输出电极之间起达到预定阈值电压值的持续时间的函数，其中，
在所述晶体管的所述输入电极和所述第二输出电极之间施加具有所述第一预定分布的电流，
所述测量步骤与所述施加步骤同时进行，
所述确定步骤包括从所述第一校准表和所测量的所述晶体管的控制电压确定所述校准晶体管的所述控制电压达到所述预定阈值电压值所经历的持续时间，
所述确定步骤还包括从所确定的持续时间和所述第二校准表中确定所述晶体管的所述输出电压。
所述晶体管包括两个状态：所述晶体管导通的第一状态和所述晶体管截止的第二状态，所述方法包括用于借助于基于所确定的所述晶体管的输出电压确定的设定点将所述晶体管置于所述第二状态的步骤。
所述方法包括用于提供第三校准表的步骤，所述第三校准表针对所述校准晶体管的每个输出电压值关联第二控制电流分布，所述置于所述第二状态的步骤还包括根据所确定的所述晶体管的输出电压和所述第三校准表选择所述第二控制电流分布之一，并且用于在所述晶体管的所述输入电极和所述第二输出电极之间施加具有所述第二选定分布的控制电流，所述第二选定电流分布能够将所述晶体管置于所述第二状态。
本发明还涉及一种用于确定晶体管的输出电压的装置，所述晶体管包括输入电极、第一输出电极和第二输出电极，所述第一输出电极的电位高于所述第二输出电极的电位，所述输出电压是所述第一输出电极与所述第二输出电极之间的电位差，所述装置包括用于测量所述晶体管的控制电压随时间的变化的单元，所述控制电压是所述输入电极和所述第二输出电极之间的电位差；以及处理单元，所述处理单元能够根据测量的控制电压确定所述输出电压。
本发明还涉及一种能量转换系统，其包括至少一个晶体管和如前所述与所述晶体管相关的装置。
附图说明
本发明的其它特征和优点将在阅读仅作为示例并且参照附图进行的本发明的实施例的以下描述之后出现，其中：
图1是包括牵引链的铁路车辆的示意图，所述牵引链包括能量转换系统，所述转换系统包括晶体管和根据本发明的确定装置，
图2是晶体管和用于确定所述晶体管的输出电压的装置的示意图，
图3是第一校准表的示意图，
图4是第一控制电流分布和由此产生的晶体管的控制电压的示意图，
图5是第二校准表的示意图，以及
图6是第二控制电流分布和由此产生的晶体管的控制电压的示意图。
具体实施方式
铁路车辆7在图1中示出。铁路车辆7例如是火车或电车。
铁路车辆7包括牵引链8。在图1所示的示例中，牵引链8包括缩放仪8A、能量转换系统8B和电动机8C。
转换系统8B包括在图2中更详细示出的至少一个晶体管10和确定装置12。
如图2所示，晶体管10包括输入电极G、第一输出电极C和第二输出电极E。第一输出电极C的电位高于晶体管10的第二输出电极E的电位。
晶体管10包括被定义为第一输出电极C和第二输出电极E之间的电位差的输出电压VCE。晶体管10还包括控制电压VGE，该控制电压被定义为输入电极G和第二输出电极E之间的电位差。
晶体管10例如是双极型晶体管，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。或者，晶体管10是绝缘栅极单极晶体管。
当晶体管10是绝缘栅双极型或单极型晶体管时，输入电极G对应于晶体管10的基极，第一输出电极C对应于晶体管10的集电极，并且第二输出电极E对应于晶体管10的发射极10。
在一个替代方案中，晶体管10是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
当晶体管10是MOSFET晶体管时，输入电极G对应于晶体管10的栅极，第一输出电极C对应于晶体管10的漏极，并且第二输出电极E对应于晶体管10的源极。
有利的是，晶体管10的电压比大于或等于50。晶体管10的电压比被定义为晶体管10的输出电压VCE与所述晶体管的控制电压VGE之间的比值的绝对值10。
更具体地说，晶体管10的输出电压VCE例如大于或等于1000伏并且晶体管10的控制电压VGE例如被包括在-15伏和+15伏之间。
晶体管10包括两种状态：晶体管10导通的第一状态和晶体管10截止的第二状态。术语“导通”意味着晶体管10表现得像导电材料。术语“截止”意味着晶体管10表现为非导电材料。
当在输入电极G和第二输出电极E之间达到阈值电压时，晶体管10能够从第二状态变为第一状态。阈值电压例如大于或等于5伏特。
在其余的描述中，晶体管10是待表征的晶体管，即，希望确定输出电压VCE的晶体管。
确定装置12能够执行用于确定晶体管10的输出电压VCE的方法，其将在本说明书的其余部分中更详细地描述。
装置12包括测量单元16、电流注入器18和数据处理单元20。
测量单元16能够测量晶体管10的控制电压VGE。
在图2所示的示例中，测量单元16包括两个输入端子16A、16B和输出端子16C。第一输入端子16A连接到晶体管10的输入电极G。第二输入端子16B连接到晶体管10的第二电极E。输出端子16C连接到处理单元20，如稍后将描述的。
测量单元16例如是电压表。
电流注入器18能够在晶体管10的输入电极G和第二输出电极E之间注入电流。
在图2所示的示例中，电流注入器18包括一个输入端子18A和两个输出端子18B、18C。输入端子18A连接到处理单元20，如下文将描述的那样。第一输出端子18B连接到晶体管10的输入电极G。第二输出端子18C连接到晶体管10的第二电极E。
电流注入器18优选为电流源。术语“电流源”是指在一个模块中能够产生恒定电流的装置。
或者，电流注入器18是几个模块中的装置，包括例如连接到电压源的电阻桥。
处理单元20能够确定晶体管10的输出电压VCE。处理单元20还能够命令由电流注入器18注入电流。
在图2所示的示例中，处理单元20包括输入端子20A和输出端子20B。输入端子20A连接到测量单元16的输出端子16C。输出端子20B连接到电流注入器18的输入端子18A。
处理单元20优选地包括存储器和处理器。
处理单元20例如是诸如FPGA(现场可编程门阵列)等可编程逻辑电路。
现在将描述用于从确定装置12确定晶体管10的输出电压VCE的方法。
该确定方法包括用于提供从校准晶体管建立的第一校准表的步骤100。
该校准晶体管包括输入电极、第一输出电极和第二输出电极。该校准晶体管的第一输出电极的电位高于所述校准晶体管的第二输出电极的电位。
第一校准表可以以不同的形式呈现。例如，第一校准表是图表或表格。
图3中示出了第一校准表的示例。图3中所示的第一校准表包括曲线。每条曲线对于所述校准晶体管的给定输出电压VCE代表校准晶体管10的控制电压VGE随着时间的变化。具体而言，对于分别等于1000伏、2500伏、3600伏和4500伏的校准晶体管的输出电压VCE获得图3的曲线CV1、CV2、CV3、CV4中的每一个。
此外，图3的每条曲线与在所述校准晶体管的输入电极和第二输出电极之间施加具有第一预定分布的控制电流同时建立。
第一分布对应于晶体管的导通状态。
具有第一分布的控制电流被选择成使得校准晶体管的控制电压VGE快速增加，以便于测量控制电压VGE，并因此获得第一校准曲线。例如，如图3所示，选择第一分布使得从-15伏开始的校准晶体管的控制电压VGE达到可高达+15伏的值。
第一分布的一个示例如图4所示。如图4所示，第一分布具有不同的平稳期。每个平稳期对应于电流的恒定值。具有最高值的平稳期是第一平稳期，即在注入电流开始时施加的平稳期。
优选地，根据最高平稳期处的第一分布的电流的值大于或等于200毫安。
处理方法还包括用于提供第二校准表的步骤110。
第二校准表可以以不同的形式呈现。例如，第二校准表是图表或表格。
图5中示出了第二校准表的示例。图5的第二校准表示出了校准晶体管的输出电压VCE随持续时间T的变化。持续时间T是校准晶体管的控制电压VGE从具有第一预定分布的电流施加在所述校准晶体管的输入电极和第二输出电极之间的时刻起达到预定阈值电压值VGE_S的持续时间。
预定阈值电压值VGE_S例如通过实验选择。对于图3和5中所示的第一和第二校准表，预定阈值电压值VGE_S被设定为5伏。
在图3和5所示的实施例中，图5的第二校准表是从图3的第一校准表获得的。实际上，第一校准表可以获得持续时间T，每个持续时间与输出电压VCE相关联。根据一个示例，分别针对曲线CV1、CV2、CV3、CV4中的每一个获得的持续时间T1、T2、T3、T4在图3中示意性地示出。
图5的第二校准表包括三条曲线CT1、CT2、CT3，每条曲线针对温度分别等于25摄氏度(℃)、80℃和125℃获得。
根据这三条曲线CT1、CT2、CT3，在校准晶体管的输出电压VCE和持续时间T之间观察到线性关系。因此，知道持续时间T，第二校准曲线可以直接上升到输出电压VCE。
此外，叠加三条曲线CT1、CT2、CT3，由此可以推断输出电压VCE和持续时间T之间的关系与感兴趣的晶体管的温度无关。
该方法还包括用于提供第三校准表的步骤120。
第三校准表可以以不同的形式呈现。例如，第三校准表是表格。
第三校准表针对校准晶体管的输出电压VCE的每个值关联第二相应控制电流分布。
该方法还包括用于由电流注入器18在晶体管10的输入电极G和第二输出电极E之间施加具有第一预定分布的电流的步骤130，以便使晶体管10进入第一状态。
并行地，该方法包括用于由测量单元16测量晶体管10的控制电压VGE随时间的变化的步骤140。然后测量结果通过测量单元16传送到处理单元20。
测量步骤140在晶体管10通电之前(即在所施加的电压大于或等于先前定义的阈值电压之前)实施或执行。
“测量”是指直接通过测量仪器(如电压表)获取数值。“确定”是指例如通过计算或使用校准表而不是直接通过测量仪器来推断值。
该方法接下来包括确定步骤150，在该步骤期间从测量的控制电压VGE确定晶体管10的输出电压VCE。
根据一个特定实施例，确定步骤150包括从第一校准表和测量的控制电压VGE确定所述晶体管10的控制电压VGE达到预定阈值电压值VGE_S的持续时间T。实际上，知道晶体管10的控制电压VGE，图3的第一校准表可以直接上升到期望的持续时间T。
确定步骤150还包括从确定的持续时间T和第二校准表确定晶体管10的输出电压VCE。实际上，图5中所示的第二校准表使得有可能直接上升到晶体管10的输出电压VCE，知道确定的持续时间T。
根据一个特定实施例，该方法还包括用于根据所确定的输出电压VCE以确定的设定点使晶体管10断电的步骤160，即，使晶体管10处于截止状态。这使得可以基于所确定的输出电压VCE来调整晶体管10的开关速度。
更具体而言，断电步骤160包括基于所确定的输出电压VCE和第三校准表来选择要在晶体管10的输入电极G和第二输出电极E之间施加的第二控制电流分布。
示例性的第二控制电流分布表在图6中示出。如图6所示，第二控制电流分布具有不同的平稳期。每个平稳期对应于电流的恒定值。具有最低值的平稳期是第一平稳期，即在注入电流开始时施加的平稳期。这样的第二控制电流分布使得可以尽可能快地使晶体管10的控制电压VGE达到开关电压。接下来，平稳期具有稍高的值，这可以限制电压升高并因此避免损坏晶体管10。
断电步骤160下一步包括在晶体管10的输入电极G和第二输出电极E之间的施加具有第二确定分布的电流形式的设定点。然后晶体管10断电。
因此，该确定方法使得可以利用简单且低电压的测量链如电压计来确定晶体管10的高电压输出电压VCE。
晶体管10的控制电压VGE相对于所述晶体管10的输出电压VCE是低的，所以相对于利用专用于高电压的测量链的测量，此电压测量是快速且容易的。事实上，在这种确定方法中，仅完成晶体管10的控制电压的测量，并且接下来不进行其他测量。
确定装置也更紧凑并且更易于使用。例如，它适用于能量转换系统的所有晶体管。
此外，因为所述装置12仅包括测量单元16、电流注入器18和处理单元20，所以确定装置12是简单的。因此涉及获得晶体管10的输出电压VCE的部件的数量相对于专用于高电压的现有技术的测量链得到减少。
电流源形式的电流注入器18的使用使得可以在用于测量晶体管10的控制电压VGE的阶段期间施加恒定的电流。这使得可以限制电流变化并且因此使得输出电压VCE与晶体管10的控制电压VGE达到预定阈值电压值VGE_S所使用的持续时间T之间的线性关系。
因此，电压测量非常容易执行，与现有技术的解决方案不同，后者包含相对完整和复杂的输出电压VCE的直接测量链。
这样确定的输出电压VCE然后可以用于降低开关损耗，并且用在断电步骤160期间描述的将减少开关损耗的参数来开关晶体管10。
或者，晶体管10的输出电压VCE可用于不同的应用，特别是用于监测晶体管10的故障或晶体管10用于传感器的应用。
在本申请中，本领域技术人员将理解，术语“适于”和“被配置为”是同义的。

Claims (9)

1.一种用于确定晶体管(10)的输出电压(VCE)的方法，所述晶体管(10)包括输入电极(G)、第一输出电极(C)和第二输出电极(E)，所述第一输出电极(C)的电位高于所述第二输出电极(E)的电位，所述输出电压(VCE)是所述第一输出电极(C)和所述第二输出电极(E)之间的电位差，所述方法包括：
测量所述晶体管(10)的控制电压(VGE)随时间的变化的步骤，所述控制电压(VGE)是所述输入电极(G)和所述第二输出电极(E)之间的电位差，以及
确定步骤，在所述确定步骤期间从所测量的控制电压(VGE)确定所述输出电压(VCE)；
其中，所述晶体管(10)包括两个状态：所述晶体管(10)导通的第一状态和所述晶体管(10)关闭的第二状态，当所述晶体管(10)处于所述第二状态时执行所述测量步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述方法期间仅测量所述控制电压(VGE)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述晶体管(10)的电压比大于或等于50，所述电压比是所述晶体管(10)的所述输出电压(VCE)与所述晶体管(10)的所述控制电压(VGE)的比值的绝对值。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述晶体管(10)是绝缘栅双极型或单极型晶体管。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
提供由校准晶体管准备的第一校准表，所述校准晶体管包括输入电极、第一输出电极和第二输出电极，所述校准晶体管的所述第一输出电极的电位高于所述校准晶体管的所述第二输出电极的电位，所述第一校准表表示所述校准晶体管的所述控制电压(VGE)针对所述校准晶体管的不同输出电压(VCE)而随时间的变化，并且当具有相同的第一预定曲线的电流在所述校准晶体管的所述输入电极和所述第二输出电极之间施加时，所述校准晶体管的所述控制电压(VGE)是所述校准晶体管的所述输入电极(G)和所述第二输出电极(E)之间的电位差，所述校准晶体管的所述输出电压(VCE)是所述校准晶体管的所述第一输出电极(C)和所述第二输出电极(E)之间的电位差，
根据所述校准晶体管的所述控制电压(VGE)从具有所述第一预定曲线的所述电流施加在所述校准晶体管的所述输入电极和所述第二输出电极之间的时刻达到预定阈值电压值(VGE_S)的持续时间(T)来提供表示所述校准晶体管的所述输出电压(VCE)的变化的第二校准表，
在所述晶体管(10)的所述输入电极(G)和所述第二输出电极(E)之间施加具有所述第一预定曲线的电流，
所述测量步骤与所述施加步骤同时进行，
所述确定步骤包括：从所述第一校准表和所述晶体管(10)的所测量的控制电压(VGE)确定所述晶体管(10)的所述控制电压(VGE)达到所述预定阈值电压值(VGE_S)的持续时间(T)，
所述确定步骤还包括从所确定的持续时间(T)和所述第二校准表中确定所述晶体管(10)的所述输出电压(VCE)。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述晶体管(10)包括两个状态：所述晶体管(10)导通的第一状态和所述晶体管(10)关闭的第二状态，所述方法包括借助基于所述晶体管(10)的所确定的输出电压(VCE)确定的设定点将所述晶体管(10)置于所述第二状态的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法包括提供第三校准表的步骤，所述第三校准表关联校准晶体管的每个输出电压(VCE)值的第二控制电流曲线，所述置于所述第二状态的步骤还包括根据所述晶体管(10)的所确定的输出电压(VCE)和所述第三校准表来选择所述第二控制电流曲线之一，并且在所述晶体管(10)的所述输入电极(G)和所述第二输出电极(E)之间施加具有第二选定曲线的控制电流，第二选定电流曲线能够将所述晶体管(10)置于所述第二状态。
8.一种用于确定晶体管(10)的输出电压(VCE)的装置(12)，所述晶体管(10)包括输入电极(G)、第一输出电极(C)和第二输出电极(E)，所述第一输出电极(C)的电位高于所述第二输出电极(E)的电位，所述输出电压(VCE)是所述第一输出电极(C)和所述第二输出电极(E)之间的电位差，所述装置(12)包括：
用于测量所述晶体管(10)的控制电压(VGE)随时间的变化的测量单元(16)，所述控制电压(VGE)是所述输入电极(G)和所述第二输出电极(E)之间的电位差，以及
能够从所测量的控制电压(VGE)确定所述输出电压(VCE)的处理单元(20)；
其中，所述晶体管(10)包括两个状态：所述晶体管(10)导通的第一状态和所述晶体管(10)关闭的第二状态，当所述晶体管(10)处于所述第二状态时执行所述测量步骤。
9.一种能量转换系统(8B)，包括至少一个晶体管(10)和与所述晶体管(10)相关联的根据权利要求8所述的装置(12)。
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