CN109525229A - 用于控制串联功率开关器件之电压平衡的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于控制串联功率开关器件电压平衡的方法，包括：基于所述串联功率开关器件之每一开关的实际电压生成参考电压，或者基于所述串联功率开关器件的供电电压设定参考电压；当至少一个开关的实际电压与所述参考电压之间存在差值时，确定该所述至少一个开关的电压失配，其中，所述电压失配基于所述参考电压与所述实际电压之间的差值；计算所述至少一个开关的延迟失配；以及补偿所述至少一个开关的延迟失配。本发明还公开了一种用于控制串联功率开关器件电压平衡的系统和一种功率开关组件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制相互串联的开关器件之电压平衡的系统和方法。
背景技术
在高压应用中，使用低电压装置而非高电压装置的串行化器件是低成本的良好解决方案。然而，使得串行化器件中的每一电开关达到电压平衡是个大问题。串行化器件中的电压的不平衡会引起其中的一些电开关相对于其余电开关承受较高的电压，从而大大增加了器件故障率。电压的不平衡主要是由门驱动信号的传播延迟失配以及各相串联的电开关之性能差异所引起的。这些因素也可能随着器件的制造工艺、温度变化、老化程度等不同而有所变化。为了弱化这些因素带来的影响，通常使用具有多个缓冲器件的缓冲电路来实现串联化器件的电压平衡。然而，这样的缓冲电路结构复杂、功耗大且成本高，而且系统可靠性也低，这将导致工厂消耗大量制造的成本。
由此，期望提供新的和改进的系统和方法，以较低的成本、更为简单的结构和较高的可靠性，来实现串行化的功率半导体器件的电压平衡。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种用于控制串联功率开关器件电压平衡的方法。该方法包括：基于所述串联功率开关器件之每一开关的实际电压生成参考电压，或者基于所述串联功率开关器件的供电电压设定参考电压；当至少一个开关的实际电压与所述参考电压之间存在差值时，确定该所述至少一个开关的电压失配，其中，所述阻断电压失配基于所述参考电压与所述实际电压之间的差值；计算所述至少一个开关的延迟失配；以及补偿所述至少一个开关的延迟失配。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制串联功率开关器件电压平衡的系统。该系统包括：调节装置，用于基于所述串联功率开关器件之每一开关的实际电压生成参考电压，或者用于基于所述串联功率开关器件的供电电压设定参考电压；计算装置，用于当至少一个开关的实际电压与所述参考电压之间存在差值时，确定该所述至少一个开关的电压失配，其中，所述电压失配基于所述参考电压与所述实际阻断电压之间的差值；调整装置，用于计算所述至少一个开关的延迟失配；以及补偿装置，用于补偿所述至少一个开关的延迟失配。
根据本发明的另一方面，提供了一种功率开关组件。该功率开关组件包括：串联功率开关器件，其包括至少两个串联的开关；以及前述的系统，其电连接至所述串联功率开关器件，用于控制所述串联功率开关器件的电压平衡。
附图说明
参考附图阅读下面的详细描述，可以帮助理解本发明的特征、方面及优点，其中：
图1是根据本发明之具体实施方式的功率开关组件的原理框图；以及
图2是根据本发明之具体实施方式的用于控制串联功率开关器件之电压平衡的流程示意图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细表述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或者构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
请参阅图1，图1示出了本发明一具体实施方式的功率开关组件1的原理框图。在该示例中，功率开关组件1可以包括串联功率开关器件10。该串联功率开关器件10可以包括至少两个串联的开关S1,S2,…,Sn。这些开关S1,S2,…,Sn可以包括但不限于绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistors，IGBT)、集成门极换向晶闸管(Integrated GateCommutated Thyristor，IGCT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors，MOSFET)、电子注入增强栅晶体管(InjectionEnhanced Gate Transistors，IEGT)、碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiCMOSFET)或其他可控的功率开关。
在本实施例中，串联功率开关器件10还包括系统100。该系统100位于需要保护的串联功率开关器件10的两端。
如图1所示，在该实施例中，系统100包括门驱动装置20。该门驱动装置20可以包括至少两个门驱动器G1,G2,…,Gn。每一门驱动器G1,G2,…,Gn分别电连接至相对应的开关S1,S2,…,Sn。为示例目的，在图1中示出了一个串联功率开关器件10和一个门驱动装置20，然而，功率开关组件1可以根据不同的应用环境而包括两个或两个以上的串联功率开关器件10和门驱动装置20。
如图1所示，在该实施例中，系统100还包括控制装置30，其电连接至门驱动装置20。在一些实施方式中，控制装置30可以包括子控制器30和主控制器32。
在本实施例中，门驱动装置20内包括有探测装置80。探测装置80可以包括至少两个探测器D1,D2,…,Dn，这些探测器D1,D2,…,Dn分别对应于各门驱动器G1,G2,…,Gn以探测各开关S1,S2,…,Sn在瞬态状态下，或者是在导通或关断过程中的实际电压。为示例性目的，门驱动器G1,G2,…,Gn探测各开关S1,S2,…,Sn在关断状态下的实际阻断电压。通常，阻断电压指功率开关器件在关断状态下的电压，例如：对于MOSFET而言，阻断电压为关断过程中的漏源电压(Vds)，对于IGBT而言，阻断电压为关断状态下的集电极-发射极电压(Vce)。进一步地，每个门驱动器G1,G2,…,Gn收集了各开关S1,S2,…,Sn的实际电压，如阻断电压，等信息。可以理解的是，各开关S1,S2,…,Sn的实际阻断电压可以是不同的，这可能是由于各开关之间的性能差异和各开关所发送的门信号之传递延迟失配所导致的。
在一些实施方式中，门驱动装置20将所收集的信息传递至子控制器31，在子控制器31中，这些信息被用于控制电压之不平衡。子控制器31接收有关开关S1,S2,…,Sn的实际阻断电压的信息，并且，将这些信息继续传递至主控制器32。主控制器32包括调节装置40，该调节装置40用于基于各串联的开关S1,S2,…,Sn的实际阻断电压生成一参考电压或用于基于串联功率开关器件的供电电压设定一参考电压。在一些实施方式中，参考电压可以是的各实际阻断电压平均值，即平均电压。在一些实施方式中，参考电压可以等于串联功率开关器件的供电电压。主控制器32进一步包括计算装置50，该计算装置50用于基于参考电压与实际阻断电压之间的差值计算开关之阻断电压失配。主控制器还包括调整装置60，该调整装置60用于当各开关S1,S2,…,Sn之阻断电压不等于参考电压时，调整各开关S1,S2,…,Sn之阻断电压失配且计算其延迟失配。主控制器32还包括补偿装置70，该补偿装置70用于补偿延迟失配。具体而言，补偿装置70可以使得主控制器32发送门信号和适当的传递延迟补偿值。具有适当的传递延迟补偿值的新的门信号将叠加至由开关S1,S2,…,Sn所发送的门信号。由此，串联器件之间的电压不平衡通过所述之主动补偿的方式可以得到较好的控制。
在一些实施方式中，子控制器31可以在本地进行补偿。在该示例中，调节装置40、计算装置50、调整装置60以及补偿装置70可以位于子控制器中31而非主控制器32中。子控制器31将发送具有适当的传递延迟补偿值得门信号且将其叠加至由开关S1,S2,…,Sn所发送的门信号。
在一些实施方式中，门驱动装置20可以从控制装置30或其他连接至门驱动装置20的单独的装置处接收平均电压，且在本地进行补偿。在一些示例中，调节装置40可以位于主控制器32中，计算装置50、调整装置60以及补偿装置70可以位于门驱动装置20中。在另一些示例中，调节装置40、计算装置50、调整装置60以及补偿装置70可以位于门驱动装置20中。
请参阅图2，其示出了本发明一具体实施方式的用于控制串联功率开关器件之电压平衡的流程。该流程可以由前述之系统100独立实施。
在一些实施方式中，该流程可以包括步骤101，在该步骤101中，全部串联开关的实际阻断电压在在导通或关断过程中被探测。在该示例中，实际阻断电压可以由结合图1所示之前述的门驱动器所测得。
在步骤102中，该流程继续基于所测得的实际阻断电压生成一参考电压。可选择地，在步骤102’中，该流程继续串联功率开关器件的供电电压设定一参考电压。在一些实施方式中，参考电压可以是全部实际阻断电压的的平均值，即平均电压。在一些实施方式中，参考电压可以等于串联功率开关器件的供电电压。作为一个示例，参考电压可以由结合图1所示之前述的控制装置所测得。
在步骤103中，该流程继续基于参考电压与实际阻断电压之间的差值确定开关之阻断电压失配。作为一个示例，参考电压可以由结合图1所示之前述的控制装置所测得。
在步骤104中，该流程继续调整各开关S1,S2,…,Sn之阻断电压失配且计算其延迟失配。具体地，电压失配与门信号传递延迟失配正相关，例如，两者之间可以大致呈线性关系，可以基于两者之间的关系，通过额外地增加或减小门信号延迟时间来使得阻断电压得到调整，进而使得电压之不平衡得到控制。
在步骤105中，该流程继续补偿各串联开关之延迟失配。具体而言，具有适当的传递延迟补偿值的新的门信号将叠加至由各开关所发送的门信号。作为一个示例，结合图1所示之前述的控制装置可以生成和发送具有适当的传递延迟补偿值的新的门信号，进一步地，可以将该信号叠加至由各开关所发送的门信号。
如图2所示，该流程呈一闭环运行。在一些实施方式中，该流程将周期性地于步骤105结束后返回至步骤101，所述周期可以是每隔一分钟、每隔一小时、甚至是每隔一天。在一些实施方式中，该流程将在特定的条件下于步骤105结束后返回至步骤101，该特定的条件可以是延迟失配未充分地补偿电压失配。
如上所述的系统和方法是根据各串联开关之阻断电压的反馈来补偿延迟失配。除了明显与门信号传递时间有关的传递延迟失配之外，各串联开关之性能差异也可能导致电压不平衡，其可等效于传递延迟失配且也可通过调整门信号的传递时间来得到补充。通过各阻断电压的反馈，所述的系统和方法可以通过实际阻断电压与平均电压之间的差异来计算阻断电压失配，接着，通过阻断电压失配来得到延迟失配，然后，将延迟补偿值发送至各门信号。通过这样主动的补偿，串联功率器件之间的电压不平衡可以得到有效地控制。本发明提供的系统和方法有助于减少甚至是去除了现有的串联器件中用于平衡电压的缓冲电路，并且，实现了低成本、低损耗以及高可靠性，另外，还可以自动重新补偿老化效应，并减少工厂调试中的测试工作量。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (10)
1.用于控制串联功率开关器件电压平衡的方法，包括：
基于所述串联功率开关器件之每一开关的实际电压生成参考电压，或者基于所述串联功率开关器件的供电电压设定参考电压；
当至少一个开关的实际电压与所述参考电压之间存在差值时，确定该所述至少一个开关的电压失配，其中，所述电压失配基于所述参考电压与所述实际电压之间的差值；
计算所述至少一个开关的延迟失配；以及
补偿所述至少一个开关的延迟失配。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
探测所述串联功率开关器件之每一开关的实际电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补偿所述至少一个开关的延迟失配包括：
传送门信号至所述至少一个开关以补偿所述延迟失配。
4.用于控制串联功率开关器件电压平衡的系统，包括：
调节装置，用于基于所述串联功率开关器件之每一开关的实际电压生成参考电压，或者用于基于所述串联功率开关器件的供电电压设定参考电压；
计算装置，用于当至少一个开关的实际电压与所述参考电压之间存在差值时，确定该所述至少一个开关的电压失配，其中，所述电压失配基于所述参考电压与所述实际电压之间的差值；
调整装置，用于计算所述至少一个开关的延迟失配；以及
补偿装置，用于补偿所述至少一个开关的延迟失配。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：
探测装置，用于探测所述串联功率开关器件之每一开关的实际电压。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述补偿装置还用于传送门信号至所述至少一个开关以补偿所述延迟失配。
7.一种功率开关组件，包括：
串联功率开关器件，其包括至少两个串联的开关；以及
根据权利要求4至6之一的系统，其电连接至所述串联功率开关器件，用于控制所述串联功率开关器件的电压平衡。
8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述系统包括：
至少两个门驱动器，其分别地电连接至所述至少两个串联的开关，包括所述调节装置，所述计算装置，所述调整装置，所述补偿装置和所述探测装置。
9.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述系统包括：
至少两个门驱动器，其分别地电连接至所述至少两个串联的开关，包括所述计算装置，所述调整装置，所述补偿装置和所述探测装置；以及
控制装置，其电连接至所述至少两个串联的开关，包括所述调节装置。
10.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述系统包括：
至少两个门驱动器，其分别地电连接至所述至少两个串联的开关，包括所述探测装置；以及
控制装置，其电连接至所述至少两个串联的开关，包括所述调节装置，所述计算装置，所述调整装置和所述补偿装置。
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