CN1123952C - 用来阻断半导体开关装置过电流的电路 - Google Patents

用来阻断半导体开关装置过电流的电路 Download PDF

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Abstract

用来阻断半导体开关装置(7)过电流的一种通用的电路，具有至少一个连续驱动的半导体开关(9)的半导体开关装置(7)包括一个为每个半导体开关(9)都设有一个驱动级(12)的驱动电路(11)，用来产生控制脉冲(P1到P6)的控制脉冲发生器(10)，在工作中通过驱动电路(11)将控制脉冲提供给半导体开关装置(7)的控制输入端，以及一个监测装置(34)，用来测量流经半导体开关装置(7)的电流(I)，并且在出现过电流时产生一个故障信号(E)，从而开始阻断半导体开关装置(7)。当半导体开关装置受到阻断时，装置内会产生很高的过电压，有可能造成半导体开关装置的损坏。为了在阻断期间尽可能地降低半导体开关装置内的过电压，本发明所采用的方式是用故障信号将驱动电路(11)的工作电压(U)直接切换到对应着流经半导体开关装置(7)的较低电流(I)的一个较低的中间值，然后，在半导体开关装置(7)允许承载过电流的最大时间范围内使其完全关断。

Description

用来阻断半导体开关装置过电流的电路
本发明涉及到一种用来阻断半导体开关装置过电流的电路，半导体开关装置具有至少一个连续驱动的半导体开关，这种电路包括一个驱动电路，它具有一个用于每个半导体开关的驱动级，用来产生控制脉冲的控制脉冲发生器，在操作中通过驱动电路这些控制脉冲被送入半导体开关装置的控制输入端，以及一个监视装置，用来测量流经半导体开关装置的电流，并且在发生过电流时产生一个故障信号，从而开始阻断半导体开关装置。
半导体开关装置例如是具有若干个半导体开关形式的功率开关晶体管的一个逆变器。
在一种公知的此类电路中(EP0521260B1)，续流二极管被反并联地连接到每个半导体开关上，当半导体开关在正常操作中被关断(阻断)时用来避免由于半导体开关电路中诸如扼流线圈，感性负载或是引线电感等感性阻抗在半导体开关上所造成的过电压。然而，当诸如短路电流这样的过电流流过半导体开关时，还可能出现更高的过电压。公知的电路采用电容器来阻断同时载有过电流的串联连接的半导体开关中的一个，从而降低这种过电压，同时并不增加电路的数量。但是仍然需要续流二极管。即使是有这些续流二极管，当半导体开关承载很高的过电流例如是短路电流时，也要将其阻断，如果在半导体开关所处的电路中具有很高的感性阻抗，在阻断的半导体开关上仍然会产生很高的过电压。
本发明针对上述问题提出了一种如本文开头所述的电路，总而言之，它可以用较少的支出在半导体开关装置由于过电流而被阻断时进一步降低开关装置上的过电压。
本发明的目的是利用这样的事实来实现的，用故障信号将驱动电路的操作电压直接切换到一个较低的中间值，该中间值对应着通过半导体开关装置的较低的电流，然后，在半导体开关装置容许承载过电流的最大时间之内使其完全关断。
按照这种解决方案，可以将过电流逐步降低到零。在每个关断阶段中，流经半导体开关装置的电流量下降得比较慢。因此，电流在每个关断阶段中的变化速度(di/dt)也就比较慢，也就是说，在半导体开关装置的电路中由于电流的变化(Ldi/dt)在感抗中感应的电压就比较小。当半导体开关装置被阻断时，由于感应电压是叠加在操作电压上的，半导体开关装置上总的过电压在发生阻断时也就比较小。因此，半导体开关装置不会不堪负载，并且在阻断时不需要用附加的电路来降低过电压。
最好是从一个操作电压源为若干个半导体开关同时供电，在所有半导体开关公用的电源线路中用一种检测装置来测量流经半导体开关的电流，检测装置中的单个测量器件足以应付所有的半导体开关。
可以从一个公用的工作电压源为若干个半导体开关的驱动级供电，将电压源的电流与这些驱动级电气隔离，并且按照故障信号切换到中间值并且关断。在这种结构中，当半导体开关中发生过电流时不需要确定哪一个半导体开关受到影响。也就是说，检测装置的资源消耗比较小。
此类电路的一种有益的实际结构可以是这样构成的，驱动电路的工作电压源是一个直流电压源，通过一个由脉冲开关信号控制的斩波器和每个驱动级都具有一个副边绕组的变压器以及一个连接到副边绕组上的整流电路连接到(各个)驱动级，并且用来控制斩波器的开关信号是按照故障信号的频率或者是脉冲长度来调制的。在这种结构中是通过将工作电压转换成脉冲电压并且对脉冲电压进行频率或是脉冲长度的调制，从而在发生过电流时降低驱动电路的工作电压的。
可以按照惯用的方式将控制脉冲发生器的控制脉冲提供给驱动电路的控制输入端。
最好是利用所有驱动级公用的一个振荡器的高频载波信号通过同样的电气隔离级来传送每个驱动级的控制脉冲和工作电压。在这种结构中，应该按照高电压工作的开关装置与用来控制驱动级的低压开关电路之间的电流隔离可以利用廉价的隔离级来实现。
为了按照电隔离的方式向驱动级发送控制脉冲和工作电压，可以利用一个AND门将控制脉冲发生器的控制脉冲(在利用斩波器将频率或是脉冲长度调制的驱动电路直流工作电压转换成脉冲中间电路电压的情况下)和用来控制斩波器的开关信号的组合构成一种简单实用的形式。
驱动电路电压源的另一种结构可以是这样构成的，它具有一个高压的正常值输出和一个低压的中间值输出，可以按照故障信号选择其中一个提供一个工作电压。
按照这种结构，可以通过一个OR门来连接这些输出端。
因此可以将一个输出通过二极管连接到可控开关的开关路径的一端，而另一端通过一个二极管连接到开关路径的另一端和驱动电路，并且按照故障信号来切换开关。
以下将要参照最佳实施例的附图详细说明本发明及其结构。
图1表示供逆变器使用的本发明电路的第一实施例；
图2用曲线图形说明了本发明的基本原理；
图3表示图1电路的一种变更形式；以及
图4表示图1电路的另一种变更形式。
按照图1，一个工作电压源1也就是此处的直流电压源包括一个三相桥式整流器2，一个平滑电抗器3和一个平滑电容器4。通过电源线5和6将其连接到用于三相交流电流的一个逆变器形式的半导体开关装置7，用来为诸如三相交流电机的一个交流电流负载8供电。半导体开关装置7包括三个串联电路，它们各自包括并联连接在电源线5和6上的两个连续驱动的半导体开关9，半导体开关9的中间连接点分别连接到交流电流负载8的一相上。半导体开关9是开关式晶体管，特别是场效应晶体管，最好是IGBT(INTEGRAL GATE BIPOLAR TRANSISTORS)，也就是具有一个用于大功率电平的整体栅极的双极晶体管。
通过一个驱动电路11向半导体开关9的控制连接点提供控制脉冲发生器10产生的控制脉冲P1到P6，它们的相位移符合需要的开关顺序，并且具有交流电流负载8所需要的工作频率，每个半导体开关9的驱动电路11各自具有从输出侧连接到一个半导体开关9的控制连接点上的一个驱动级12。驱动级12的控制输入分别被连接到控制脉冲发生器10的控制脉冲输出端，如图中的一个驱动级12的情况所示。
驱动电路11从一个电流源装置接收直流工作电压，电流源装置的构成如下：变压器14的原边线圈13和一个开关晶体管15在电源线5和6之间串联连接到工作电压源1。还具有其它副边线圈17和18的变压器14的副边线圈16的端部被连接到由整流二极管19和平滑电容器20构成的串联电路。在副边线圈16的中间抽头和副边线圈16的一端之间连接着由整流二极管21和平滑电容器22构成的另一个串联电路。平滑电容器20被连接到由开关晶体管2 3和逆变器形式的一个斩波器构成的串联电路，逆变器是由四个桥式连接的开关晶体管24，24’，25，25’和并联连接到开关晶体管24，24’，25，25’上的续流二极管构成的；平滑电容器22仅仅被连接到逆变器。在桥式电路的空闲路径上连接着电容器26和变压器28的原边线圈27构成的串联电路。变压器28为每个驱动级12都设有一个副边线圈29，在图中仅仅表示了两个副边线圈29。每个副边线圈29被连接到整流二极管30和平滑电容器31构成的串联电路，为了便于说明仅仅在图中表示了一个这种串联电路。每个电容器31被连接到一个驱动级12的电流源连接点上。
电压控制器32检测电压源1的输出电压，并且将其与一个设定值相比较，通过一个振荡器33使开关晶体管15(例如是场效应晶体管)按照振荡器33的频率周期性地导通和关断，振荡器33具有的控制频率是由电压控制器32检测到的控制误差来确定的。开关晶体管15的切换频率确定了变压器14原边线圈13的电感，这样就确定了原边线圈13的电压降，而副边线圈16的输出电压的电压降也就确定了。这样就能用电压控制器32保证副边线圈16的输出电压非常稳定，不会受到工作电压源1输出电压波动的影响。因此，出现在平滑电容器20和22上的直流电压很少会受到工作电压源1输出电压波动的影响。副边线圈17和18被用于为电路中的元件例如是电压控制器32和振荡器33提供电流。
监测装置34包括一个电流传感器35，用来在流经半导体开关装置7和所有半导体开关9的电流的中间位置上测量电源线6上的电流，以及一个控制装置36，它的工作电压是从平滑电容器20上取得的，用这一控制装置36将电流传感器35测得的电流与一个参考值相比较，并且在出现诸如短路电流这样的过电流时通过线路38向开关晶体管23的控制连接点发送一个故障信号E，并且在经过一个延迟之后通过线路39向一个振荡器37发送故障信号。在振荡器37的两个输出端上产生反相关系的脉冲，并且一方面将这些脉冲发送给开关晶体管24，25’的控制连接点，在另一方面将这些脉冲发送给开关晶体管24’，25的控制连接点。
以下要参照图2详细地说明图1所示电路结构的工作方式。
图2a表示驱动级12中的工作电压U的波形；图2b表示流经半导体开关装置7的电流I的波形；而图2c表示半导体开关9上的电压Us的波形。
只要是监测装置34没有检测到过电流，就不会向开关晶体管23提供故障信号E，这样就能维持它的驱动，并且使平滑电容20上的直流电压出现在例如场效应晶体管的开关晶体管24，25和24’，25’构成的串联电路上。在检测到过电流之前，振荡器37一直连续地工作，并且通过其输出线路用推-拉方式也就是交变方式切换由开关晶体管24，2 5和24’，25’构成的串联电路。在此时利用包括电容26和原边线圈27的串联电路构成的一个分压器按照振荡器37和方波交流电压的频率对开关晶体管24，25，24’，25’构成的无效桥路中有效的方波交流电压分频，并且按照变压器28的变压比在变压器的副边线圈29中感生电压。利用二极管30对感生的电压整流，并且经过电容31平滑后提供给有关的驱动级12作为工作电压U。这样，驱动级12就能连续工作并且将控制脉冲发生器10馈送给它的脉冲发送给有关半导体开关9的控制连接点。
在图2b的时间点t1上出现过电流，监测装置34经过稍微的延迟(由于其响应延迟)后在时间点t2处检测到这一过电流。由控制装置36产生用来阻断开关晶体管23的故障信号E。驱动级12的工作电压U从时间点t0到时间点t2一直维持其高的额定值，然而，由开关晶体管24，25和24’，25’构成的逆变器上的电压在时间点t2切换到平滑电容22上的低直流电压。因此，在时间点t2上，驱动级12的工作电压U也会下降，如图2a所示，同时，如图2b所示，驱动级12的输出电流也就是流经半导体开关装置7的电流I也会由于半导体开关9的部分阻断而下降。由于变压器14的副边线圈16具有适当的中间抽头，平滑电容20和平滑电容22上刚好有一半有效的电压。因此，在时间点t2处检测到过电流时，驱动级12的工作电压U下降到大约一半。电流I在时间点t2处也会相应地减少一半。在延迟之后的时间点t3，控制装置36通过线路39以阻断信号的形式向振荡器37发送故障信号，其结果使振荡器37的工作中断，因此，开关晶体管24，25和24’，25’不会再交替地导通和关断。原边线圈27上在此时不再有任何电压其结果使变压器28不能再转换电压，如图2a所示，工作电压U就会在时间点t3处被关断。接着，如图2b所示，电流I也会在时间点t3中断。从发生过电流的时间点t1到关断半导体开关装置7的时间点t3的时间值比半导体开关装置7允许承受过电流的最大持续时间要短。当电流I在时间点t3被关断时，承载过电流的半导体开关9仅有轻微的过电压Uso(图2c)。与此相反，如果在检测到过电流的时间点t2处将半导体开关装置7完全关断在有关的半导体开关9上就会出现很高的过电压，如图2c中的虚线所示。其原因在于，如果能按照本发明逐步地阻断承载过电流的半导体开关9，电流I在时间点t2和t3处的变化率di/dt只有其在时间点t2处完全阻断的情况下所达到的大约一半，因此，在诸如平滑线圈3和/或交流负载8中的线圈和/或引线电感等感抗中感应的电压就会由于di的下降按照Ldi/dt的关系而下降(L是感抗的电感)，当半导体开关9被阻断时，这一感应电压是叠加在有关半导体开关9的正常工作直流电压上的。因而在半导体开关9中就不需要用附加的电路在半导体开关9被阻断时用来降低这种过电压。
图3表示按照图1的一部分结构，但是与图1的结构相比有一些修改。与图1所示的结构相比，省掉了变压器14的副边线圈16的中间抽头，二极管21，电容22和开关晶体管23，24’，25，25’。代替这些开关晶体管的只有晶体管24仍然与电容26和原边线圈2 7串联连接。另外，代替振荡器37的是一个可控的振荡器40，振荡器的单一输出被连接到开关晶体管24的控制输入端，在如图2所示的时间点t2上出现故障信号时，晶体管24首先切换到低频的低工作电压U，然后在时间点t3被阻断或是关断。因此开关晶体管24还可以起到象图1中的斩波器那样的作用，用作为故障信号E的函数的脉冲输出信号对它的切换频率进行频率调制，将其作为振荡器40的切换信号。斩波器的低切换频率及其输出脉冲可以使电容26的容抗增大，并且使原边线圈27的感抗降低从而使其电压下降，其结果就会使工作电压U和电流I下降。然而，还可以这样来构成振荡器40，按照故障信号E对其产生的脉冲切换信号进行脉冲长度的调制，也就是说，在时间点t2上减少切换信号的脉冲长度，而在时间点t3上使其最终下降到零。
另外还需要注意到振荡器37和40的频率包括振荡器40的频率低值在内都要比脉冲发生器10的脉冲频率高得多。
图4所示的结构与图3的明显不同之处仅仅在于振荡器40的切换信号被提供给用于每个开关晶体管9的一个AND门41的一个输入端，并且向AND门的另一个输入端提供来自控制脉冲发生器10的有关输出端的控制脉冲P1到P6。AND门41的输出分别被连接到用于每个开关晶体管9的一个开关晶体管24的控制连接点上。振荡器40的高频切换信号主要是作为有关的低频控制脉冲P1到P6的载波信号。在每个变压器28的副边一侧，已经在有关的AND门41中受到有关的控制脉冲P1到P6调幅的载波信号在二极管30和电容51所执行的整流和平滑过程中被解调。在这一过程中，载波信号受到抑制，使工作电压的波形非常接近控制脉冲。同时将工作电压U提供给有关驱动级12的控制连接点(在图4中没有表示)，仍然用驱动级向下游的开关晶体管9提供对应着提供给它的工作电压脉冲和控制脉冲的控制脉冲(点火脉冲)。在这一过程中，有关驱动级12的工作电压U作为故障信号E的函数在振荡器40的协助下通过频率调制或是脉宽调制而逐步减小，并且最终关断，而在完全关断之前利用工作电压脉冲和有关的控制脉冲P1到P6来交变地切换有关的驱动级12导通和关断。元件12，24，26到31和41是为每个半导体开关9单独设置的，以便用独立的电路向高频工作的开关装置7发送振荡脉冲和控制脉冲P1到P6，让用来控制电绝缘级也就是此处的变压器28的原边一侧的其它开关电路能够使用低电压工作，并且不需要用其它的电绝缘级来发送控制脉冲P1到P6。
对上述实施例可以做如下的修改，例如，为了电绝缘的目的，可以没有变压器，或是用诸如光电耦合器等等其它电绝缘级来代替变压器28。另外，可以在变压器或是变压器28的副边一侧设置双路的整流器。按照图3的实施例，还可以省掉电压控制器32，二极管19，电容20，作为斩波器的开关晶体管24，电容26以及变压器28，并且将二极管30和电容31直接连接到变压器14的副边线圈16上，利用振荡器40按照故障信号E直接地控制开关晶体管15，在高压和低压侧之间不需要电路的隔离。与每个斩波器只有一个开关晶体管24的情况不同，按照图3和4的斩波器也可以采用推-拉操作的开关晶体管，例如图1所示的开关晶体管24，25，24’和25’。采用推-拉操作的斩波器(具有如图1所示的开关晶体管24-25’)所具有的优点是变压器或是变压器28的原边线圈27是用交流电流来操作的，这样就减少了在变压器副边一侧的波动或者说是对平滑所要求的范围。最后，本发明不仅可以用于具有若干半导体开关9的半导体开关装置7，例如是逆变器，还可以用于仅有一个半导体开关9的半导体开关装置。

Claims (10)

1.用来阻断半导体开关装置(7)过电流的电路，半导体开关装置(7)具有至少一个连续驱动的半导体开关(9)，该电路包括为每个半导体开关(9)都设有一个驱动级(12)的驱动电路(11)，用来产生控制脉冲(P1到P6)的控制脉冲发生器(10)，在工作中通过驱动电路(11)将控制脉冲提供给半导体开关装置(7)的控制输入端，以及一个监测装置(34)，用来测量流经半导体开关装置(7)的电流(I)，并且在出现过电流时产生一个故障信号(E)，从而开始阻断半导体开关装置(7)，其特征在于用故障信号将驱动电路(11)的工作电压(U)直接切换到对应着流经半导体开关装置(7)的较低电流(I)的一个较低的中间值，然后，在半导体开关装置(7)允许承载过电流的最大时间范围内使其完全关断。
2.按照权利要求1的电路，其特征是，为了从一个工作电压源为若干个半导体开关(9)同时供电，在所有半导体开关(9)共用的电源线路(6)上用监测装置(3 4)测量流经半导体开关(9)的电流(I)。
3.按照权利要求1或是2的电路，其特征是若干个半导体开关(9)的驱动级(12)都是由一个共用的工作电压源供电，该电压源在电路上与驱动级(12)隔离，并且按照故障信号(E)被切换到中间值并且随后关断。
4.按照权利要求1或2的电路，其特征是驱动电路(11)的工作电压源是一个直流电压源，它通过一个由脉冲开关信号控制的斩波器(24，25；24’，25’)，为每个驱动级(12)设有一个副边线圈(29)的一个变压器(28)，以及连接到副边线圈(29)上的一个整流电路(30，31)连接到各个驱动级(12)上，并且按照故障信号(E)用频率或是脉冲长度调制方式来调制用于控制斩波器(24，25；24’，25’)的切换信号。
5.按照权利要求1或2的电路，其特征是控制脉冲发生器(10)的控制脉冲(P1到P6)在工作中被提供给驱动电路(11)的控制输入端。
6.按照权利要求3的电路，其特征是通过同一个电路隔离级(28)利用所有驱动级(12)共用的一个振荡器(40)的高频载波信号来传送用于每个驱动级(12)的控制脉冲(P1到P6)和工作电压(U)。
7.按照权利要求4的电路，其特征是利用一个AND门电路将控制脉冲发生器(10)的控制脉冲(P1到P6)和用来控制斩波器(24，25；24’，25’)的开关信号加以组合。
8.按照权利要求1或2的电路，其特征是驱动电路(11)的工作电压源具有一个高压正常值输出和一个低压中间值输出，可以按照故障信号(E)来选择其中一个输出提供工作电压。
9.按照权利要求8的电路，其特征是用一个OR门电路(19，21)来连接上述的输出。
10.按照权利要求8的电路，其特征是通过一个二极管(19)将一个输出连接到一个可控开关(23)的开关路径的一端，通过一个二极管(21)将另一个输出连接到驱动电路(11)和开关路径的另一端，并且按照故障信号(E)来切换上述开关(23)。
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