CN1144024A - 用于使串联的门极控制半导体上电压分配均衡方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使串联的、门极控制半导体(2)的电压分配均衡的方法和设备(14)。按照发明，在导通状态期间根据负载电流(i_L)的电流测量值调用预先确定的关断延迟时间并在进行关断后根据求得的电压错误分配使这些关断延迟时间得到更新。据此，人们得到一种用于使串联的、门极控制半导体(2)的电压分配均衡的方法和设备(14)，该方法自动地总是与最当前的工作状态相适配。

Description

用于使串联的门极控制半导体上 电压分配均衡方法和设备

本发明涉及一种用于使具有不等长关断时间的、门极控制的半导体的串联电路上的电压分配均衡的方法和设备。

在此，应把门极控制的半导体理解为所有的、可通过其控制极(门极)进行通、断的半导体。

为了提高整流器的功率，增加工作电压是一关键措施；在此，功率半导体的串联连接是一可能性。其中，特别是把可关断晶闸管(GTO)用作半导体是很有意义的，因为可关断晶闸管具有可关断半导体整流管的最高反向耐压能力。

串联电路中的主要问题在于半导体整流管的不等同的关断特性，据此，使半导体整流管承受的反向电压不均衡。主要以不同的关断时间表现的、不同的关断特性既是通过半导体的同型元件的参数差异造成的，又是通过外部参数，如关断电流和温度造成的。如果不采取其它措施，这种情况会导致半导体整流管及其电路的规格过大，从而使电路变得不经济并使电路中串联的半导体整流管的数量受到限制。

相对而言，通过一直对电流的上升率有所限定的整流器电路的给定参数、通过半导体整流管在导通瞬间的反向耐压能力并且也通过功率半导体的关断特性的极小差别，串联半导体整流管的导通过程是不困难的。用消极的措施可控制静态的反向电压负荷。因此，在这里不详细探讨通导特性和静态阻塞。

因此，必须找到一个途径，在导通过程期间使半导体整流管具有均衡的动态电压负荷。作为给定的边界条件，必须注意的是，整流器在满电压时须马上工作，并且须避免对半导体整流管的选择或其它手控措施。此外，还须注意的是，除半导体的同型元件的参数差异之外，关断电流和温度也影响半导体整流管的关断特性，特别是影响关断时间的差别。因此，既须补偿突变的关断电流的影响，以须补偿缓慢变化的温度的影响。对这种用于使在串联的功率半导体上的电压分配均衡的方法的另一要求是电路在所有的状态(包括出错状态)下的运行安全性。

现已公开了不同的方法，用以使可关断的半导体整流管串联连接并确保可靠地关断。其中，解决方案既包括纯消极的方法，又包括须手控介入的措施，还包括以调整为工作基础的方法。

应把纯消极的方法理解为如下措施，如超量规定电路容量、超量规定半导体整流管的反向电压、根据同样的关断对半导体整流管进行选择以及对操纵装置和电路进行选择。这样做的目的在于尽可能得到均衡的动态反向电压分配。

应把手控介入电路理解为如下方法，这些方法通过对关断时间点的手动调整(通过操纵中的延迟或不同的门极电感可实现上述调整)力图在半导体整流管上达到均衡的反向电压分配。

这些解决方案显然不能满足对上述用于串联半导体整流管的方法提出的要求。这些方案首先会使半导体整流管的串联电路变得不经济。

EPO 288 422 B1公开了一种用于在可控半导体的串联电路关断时使电压分配均衡的方法，该方法建立在对半导体整流管的反向电压的调整上，即在操纵上使各个半导体整流管的关断时间点相应延迟，在该方法中，串联的半导体整流管的阳极电压的实际幅度被测量并与串联的半导体整流管的总电压的幅度进行比较，从该对比中形成一个用以确定各个半导体整流管的关断延迟的修正量。据此，各半导体之间的电压差在理想的情况下被补偿到零。功率半导体的关断是在起始为小电流至最后为满工作电流间进行的，其中，两个相互衔接的关断过程的关断电流之间的差修正用于各个半导体整流管的规定延迟时间。为了对每一个半导体整流管产生一个延迟时间，规定一个差组分。据此，应产生一个与测出的、实际的电压分配和理想的电压分配之间的电压差成比例的信号，该信号同时是用于具体的半导体整流管的关断延迟值。因此，所述的这种调整器具有一纯比例的特性。为了补偿变化的电流的影响，相互衔接的关断过程的不同的关断电流应通过一个电流差组分造成关断信号的一个附加的延迟，用于对变化电流的影响进行补偿，对其关断时间与关断电流的关系很小并且在总体上具有耐用特性的半导体整流管，如功率晶体管和绝缘双栅极晶体管(IGBT)而言，该调节系统是很有意义的。但在这些半导体整流管中，好象也可实现一种更简单的、纯粹的、跟踪的调整装置，该调整装置在超过相关的半导体整流管的从外部给定的或调定的电压的情况下，在关断中延迟。

本发明的任务在于提供一种用于在串联的、门极控制的半导体中使电压分配均衡的方法和设备，用以在每一关断瞬间足够精确地知晓用于串联的、门极控制的半导体整流管的正确延迟时间，以便保证可靠地关断。

按照本发明，解决以上任务的技术方案在于权利要求1的方法特征1)至7)和权利4的特征部分中的特征。

本发明的方法的基点在于把串联的、门极控制的半导体的允许关断电流范围划分成若干范围，其中，预先确定的延迟时间供每个范围和串联的半导体整流管中的每个半导体整流管支配。据此，在导通状态期间，延迟时间已供一个瞬时的电流支配，在每个关断瞬间，足够精确的延迟时间也就供半导体整流管支配。因为此外，预先确定的延迟时间总是在关断进行过后被修正，所以从换向作业到换向作业，延迟时间总是与其整流器分别由串联的、门极控制的半导体构成的整流器装置的作业相适配。在该方法中，变化的影响因素，如关断电流和温度也受到考虑。因此，人们得到一种用于使串联的、门极控制的半导体的电压分配均衡化的方法，该方法总是按当前的工作状态进行的自动调整，据此，人们得到一种系统能自学习的方法。

在本发明方法的一个优选的实施形式中，借助一个学习价段自动求得预先确定的关断延迟时间。该系统的学习阶段与权利要求1所述的方法的区别在于，给出了对调整系统的关断电流的给定和限定，在最简单的情况下，学习阶段的过程如下：整流器首先多次在最小的电流范围内被关断，通过对于各个整流管的延迟时间的调整使电压的不均衡分配被修正到近似于零。如果在第一电流范围内做到这一点，则在下一电流范围内把该延迟时间转做初始值。现在为该较高的电流进行相同的调整过程，直至也为此使电压的不均衡分配得到补偿为止。在规格设计正确的情况下，一个调整过程的持续时间不多于两个开关过程。以上描述的过程被反复进行到最高的电流范围。在此，电压的错误分配总能被保持在一定限度内这一点建立在半导体整流管的关断电流和关断时间之间的稳定关系上。学习阶段期间的最大的电压错误分配可通过对电流范围的规定来确定。

在一个用于实施本发明的方法的、有利的设备中，为了实施方法，设有一个微处理机，由一个脉冲调制器把一个电流测量值、测出反向电压分配的电压测量值和通、断信号输往该微处理机。在脉冲调制器已应用一个微处理机的条件下，采纳软件觖决方案。在脉中调制器和实施发明的方法的设备构成一个结构单元的条件下，该解决方案甚至更为有利。

也可借助分立的调整器建立实施本发明的方法的设备。在此，为每个电流范围和为每个串联的、门极控制的半导体设置一个分立的积分调整器。这种类型的调整器既保证对缓慢变化的参数(如温度)进行补偿，又有能力记忆用于各个半导体整流器的正确延迟时间。在每次关断整流管时，延迟时间均在调整器的输出端供支配，延迟时间由前一开关过程的时间的修正构成，其中，修正值为一与在上次关断时存在的电压错误分配成比例的值。

通过为每一电流范围配设一个专有的调整器，可保证在每个关断过程中有一与具体的关断电流相适应的延迟时间供支配。该也在软件解决方案中得以实现的方案可允许在延迟时间和关断电流之间存在任意的、也包括非线性的关系。此外，该方案还保证在关断时马上有正确的延迟时间供支配。

检测关断电流最好是通过对整流器的输出电流的测量来进行，因为该输出电流在电流的相应方向上等同于整流电流。该方法的优点在于，负载电流可轻易测量或者在大多情况下已作为测量值零电位地存在。

对电压错误分配的测量一方面是通过针对一个半导体整流管测量阳极电压来进行，然后把阳极电压针对整流管和半导体的数量与由整个电压构成的比率进行比较。测量电压的第二可能性在于只测量各个阴极电位和一个并联设置的分压器网络之间的电压差。这些小的电压差被相互联结并被一个装置补偿到零。这些方法的共同特点是，总是对静态的反向电压进行检测，就是说，毋须采用用于动态过程的昂贵的测值传感器。

下面借助附图详细说明本发明，在附图中示意地示出了一个实施本发明的用于使串联的、门极控制半导体整流管的电压分配均衡的方法的设备。附图所示为：

图1本发明的、用于串联的、门极控制的半导体的操纵时间的设备的一个优越的实施例的原理电路图，

图2对串联的、门极控制半导体关断延迟时间进行调整的、能学习的调整系统的调整流程图，

图3简化检测电压的原理电路图，

图4在没有补偿的情况下，两个串联的、门极控制的、具有关断时间差间t变化的曲线。

图5在对操纵侧的关断时间有补偿的情况下，上述信号曲线分别与时间t的关系线图。

图1示出了一个用以使在具有不等长关断时间的、门极控制的半导体2的串联电路上的电压分配均衡化的、能学习的调整系统的原理电路图。在此，可关断晶闸管(GTO)被用作门极控制的半导体2。这些可关断晶闸管2构成一个图中来详细示出的整流电路的一个电桥支路的一半，该整流电路，譬如一个6脉冲的逆变器，由一个直流电压源供电，图中只示出了以上直流电压源的一条正向级间耦合电路母线4。电桥支路中被示出的部分除n个可关断晶体闸管2外还具有一个用以限定电源的扼流圈6。在电桥支路中点连接一个负载接口8，该负载接口8具有一个用于检测负载电流i_L的电流互感器10。每个半导体整流管2设有一个与整流管电并联的装置12。

该装置12包括一个公知的卸载网络，譬如一个RCD电路，一般又称为缓冲电路，分压器网络的一个电阻和一个用以能分别测量电压错误分配的一个值的测试电压装置。公开的RCD电路由一个包括一个电容和一个与一个欧姆电阻电并联的二极管的串联电路构成。在固定状态下，在n个半导体整流管2的串联电路上的电压分配通过与每个半导体2并联的电阻来保证。该固定的、其电压分配只能缓慢地通过较高欧姆的、并联的电阻建立的状态只有在整流管2处于持续关断状态时才具有实在的意义。而在关断过程后跟着存在的电压错误分配在一个正常的脉冲持续时间期间几乎保持不变，据此，该错误分配在关断期间是准固定地可达的。此外，每个装置12还具有一个用于所属的半导体整流管2的自振荡二极管。输出信号，即电压错误分配的值ΔU₁、ΔU₂……ΔU_n－2、ΔU_n－1经过n－1个导线被电位分离地输往设备14。

操纵n个半导体整流管2导通和关断是分别借助一个公开的驱动电路16进行的，这些驱动电路16分别接在相关的、门极控制的半导体2的控制极G和阴极K上。驱动电路的16的输入端分别电位分离地与设备14的输出端相连。

为了进行电位分离，可采用具有光电耦合器和光电导体的电压频率转换装置或具有数字信号光电传输装置的、在测量电位上的测值数字化装置。为了进行简化的信号传输，看来也可对电压错误分配只进行很粗略的测量。

用于使在串联的、门极控制的半导体2上的电压分配均衡化的设备14

用于使在串联的、门极控制的半导体2上的电压分配均衡化的设备14的输入端与整流器装置的一个脉冲调制器18相连，整流器装置从脉冲调制器18处得到一个控制信号E/A(导通信号或者关断信号)和一个启动信号StA。该调制器18从设备14处分别得到一个涉及半导体整流管2和学习阶段的开关状态的回答信号RS和RL。设备14由一个不平衡临视器20、一个控制装置22、一个计算装置24、一个中间存储装置26和一个输出装置28组成。控制装置22设在设备14中的输出侧并接收来自脉冲调制器18的启动信号St或控制信号E/A。此外，尚有一个关断信号SG和负载电流i_L的一个电流测量信号被输往该控制装置22。控制装置22一方面为调制器18生成回答信号RS和RL，另一方面为计算装置24生成状态信号SL、SEA并为输出装置28生成一个启动信号St。此外，尚有电压错误分配的值ΔU₁……ΔU_n－1和负载电流i_L的一个电流测量信号被输往计算装置24。

下面借助该原理电路图和图2所示的流程图详细说明发明的方法，其中，首先详细说明权利要求1所述的方法，然后详细说明学习程序：

在计算装置24中具有一张其上有用于K个电流范围和n个半导体整流管2的延迟时间的表，其中，这些延迟时间可譬如借助为发明的方法的一个子程序的学习程序得以建立。在正常工作期间，设备14的控制装置22得到来自脉冲调制器18的一个控制信号E或A。随后，控制装置22触发状态信号SEA，据此，计算装置24被置入转换模式。根据一个图中未详细示出的时钟信号，负载电流i_L的测量值连续地被读入计算装置24，其中，对于该电流测量范围，在下一时钟脉冲时从表中有n个所属的延迟时间被读出，这些延迟时间在下一时钟脉冲时被存储在中间存储装置26内。如果调制器18的控制信号由E转换成A关断状态，则控制装置22生成启动信号st，据此，存储在中间存储装置26内的n个延迟时间被转入输出装置28中，使n个半导体整流管2分别以其专有的延迟时间被关断。此外，状态信号SEA的电平也发生变换，使上次被调用的延迟时间被标记。

在n个串联的、门极控制的半导体2完成关断之后，为关断电流范围所标记的延迟时间被更新。发生该更新的根据在于，在一个待给定的周期之后，根据电压值为每个整流管2形成电压错误分配的一个值ΔU₁……ΔU_n－1并且该值被输往不平衡监视器20和计算装置24。计算装置24从电压错误分配的这些值ΔU₁……U_n－1中为该关断电流范围求得新的延迟时间，即分别有一个与由电压错误分配的值ΔU₁……ΔU_n－1构成的结合成比例的量被加在被标记的延迟时间上。

电压错误分配的值ΔU₁……ΔU_n－1可譬如按下列方程式相互结合：

U_unsym.vi＝ΔU_n－1＋ΔU_i－ΔU_i－1其中，n为串联的整流管2的个数，i为第1、2……i个整流管2。

这些被更新了的延迟时间为该关断电流范围被寄存在表中，就是说，现实的延迟时间对用于该电流范围的相应的、被存储了的延迟时间进行重写。据此，设备14不断地适应可变的参数。如果电压错误分配的一个值超过一个预先确定的限定值，则设备14被关断并通过一个光电信号被识别。通过关断，防止在下一开关过程中因过大的电压错误分配使串联的、门极控制的整流管2遭到损害或破坏。

这是设备14在正常工作中的典型调整过程，因此变得清楚的一点是，设备14具有积分的特性，据此，调整误差，即电压的不均衡分布可被补偿到零。设备14的时钟频率或者扫描时间相当于整流管2的开关时间。

也可为每个表值采用一个分立的积分调整器，用以替代计算装置24中的表，因为这种调整器既可保证补偿缓慢变化的参数(如温度)，又有能力，“标记记忆”用于各个半导体整流管2的正确的延迟时间。

因为在整流器第一次导通时用于半导体整流管2的延迟时间是未知的，而在第一次关断时过电压会导致半导体2受破坏，所以借助发明的方法在一个所谓的学习阶段中求得延迟时间。学习阶段中的方法与已经述及的方法的区别在于，在学习阶段中由调整器对关断电流作出了给定或者限定。

根据图2所示的流程图，初始时电压等于额定电压，电流值近似于零并且GTO的参数是未知的。因为用作整流管2的可关断晶闸管(GTO)的参数是未知的，所以在设备14中也储有关断延迟时间。串联的、门极控制半导体2在最小的电流范围K＝1内被关断。借助计算装置24把求得的电压错误分配值ΔU₁……ΔU_n－1换算成延迟时间。用于最小的电流范围K＝1的该过程可多次反复进行，以便把电压的错误分配补偿到近似于零。该调整过程的持续时间最好不多于两个开关过程。这些为第一电流范围求得的n个延迟时间被存储在计算装置24的表内并作为各电流范围K＝2选定的延迟时间被记忆。在关断进行过后，电流范围K＝2这些被记忆了的延迟时间借助电压错误分配的求得值ΔU₁……ΔU_n－1得以更新并且为第二电流范围被存储在表中。同时，这些延迟时间再形用于下一电流范围K＝3的延迟时间。这些过程一直被反复进行，直至达到最大的电流范围K＝K为止。

在每个电流范围K中可进行多次关断，以便在求得关断延迟时间时达到很高的精确度。在设备14的该学习阶段中，由一个图中未详细示出的调整装置把电流由零提高到最大关断电流。如果为K个电流范围分别求得了n个关断延迟时间，则切换到正常运作。

对电压错误分配的测量一方面可针对一个半导体整流管2通过测量阳极电压U_V1……U_Vn来进行，然后把阳极电压针对半导体整流管2的数量与由整个电压Uges构成的比率Uges/n进行比较。测量电压的第二可能性在于只测量各个阳极电位U_V1……U_Vn和一个并联设置的分压器网络之间的电压差ΔU₁……U_n－1(图3)。这两个测量方式的共有特点是，总是对关断后存在的、静态的反向电压进行检测，而毋须应用昂贵的、用于动态过程的测值传感器。在这两种情况下，需要对电压测量值进行电位分离地传输，其中，在检测阳极电压时所需的分辨率比检测电压差时所需的高四倍。电位分离地传输相宜地通过对测量信号的数字化来进行并且看来原则上可在反正存在的驱动器回答信号的范畴内以适中的费用实现。

在图3中示出了在应用一个用于测量半导体整流管2上的电压错误分配的电阻分压器网络情况下检测电压的原理电路图。从该图中可以清楚看出，在此，只需驱动器16的一个附加的回答信号RSZ，即ΔU_max是否被超过。-ΔU_max是否被低过。据此省去了模拟/数字转换并且可想而知，电位分离也变得简单了。

通过该发明的方法，参数的缓慢变化，即经历多个开关过程的参数变化，如温度变化，通过一个纯粹的、跟踪的调整装置得以补偿，而快速变化的影响因素关断电源，作为调整参数马上地并从而在实在的关断过程中作用到延迟时间上，通过调整装置的跟踪和直接调整之间的这种结合使本文开头状所述的问题得到很有利的解决。

为了清楚说明发明的，用于使串联的、门极控制半导体整流管2的电压分配均衡化的方法的作用，在图4和5中分别在与时间t的关系线图中分别示出了两个串联的、具有不同的关断时间的半导体2的关断随时间变化的曲线。在线图中示出了控制信号S的、控制电流I_GV1、I_GV2的以及阳极电流I_AV1、I_AV2的和阳极电压U_V1、U_V2的随时间变化的曲线。在图4中，关断时间差Δt_off不等于零，而在图5中，该关断时间差Δt_off借助发明的方法被补偿至零。通过对更快的半导体整流管的相应延迟，使整流管2上的电压变化变得均衡。

本发明方法的另一优点在于，系统有能力在毋须进行费工的校准的情况下能自动启动并在启动时能保证整流器的安全运行。在首次投入运行的情况下，在更换部件之后或在较长时间停机后，用于半导体整流管2的未知的延迟时间问题可通过学习阶段中的方法解决。

Claims (7)

1、用于使具有不等长关断时间的、门极控制半导体(2)的串联电路上的电压分配均衡的方法，其特征在于，具有如下方法步骤：

1)在串联的、门极控制的半导体(2)的导通状态期间，测量流经这些半导体(2)的电流(i_L)，

2)根据测得的电流值，为串联的、门极控制半导体(2)分别调用一个预确定的关断延迟时间，

3)随着关断信号(A)的抵达，串联的、门极控制的半导体(2)以求得的关断延迟时间被关断，

4)在这些半导体(2)被关断过后，在一个待给定的周期后检测半导体(2)上的反向电压分配，

5)根据该检测出的反向电压分配，求得电压错误分配的值，

6)被调用了的关断延迟时间被更新，即分别加上一个与电压错误分配的求得的值(ΔU₁.....ΔU_n－1)构成的结合成比例的量，

7)这些被更新了的关断延迟时间被存储。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在投入运行时自行借助一个学习阶段求得并存储预先确定的关断延迟时间。

3、按照权利要求2所述的方法，其特征在于，具有如下方法步骤：

1)流经串联的、门极控制半导体(2)的电流(i_L)的测量范围被分成K个电流测量范围，

2)为每个电流范围进行权利要求1所述的方法步骤1)至7)，其中，分别把待存储的、更新了的关断延迟时间同时作为用于下一电流测量范围的预先确定的关断延迟时间，

3)在为所有的K个电流测量范围分别求得更新了的关断延迟时间之后，切换到正常工作。

4、实施权利要求1所述的方法的，用于具有不等长关断时间的、门极控制半导体12)的串联电路的设备(14)，在其控制极(G、K)上分别连接一个驱动电路(16)，该驱动电路(16)借助一个电位分离装置与一个脉冲调制器(18)电气连接，其特征在于，该设备(14)包括一个控制装置(22)、一个计算装置(24)、一个中间存储装置(26)和一个输出装置(28)，并且接在脉冲调制器(18)和电位分离装置之间，其中，控制装置(22)根据脉冲调制器(18)的信号(StA)、E/A)控制计算装置(24)和输出装置(28)，其中，负载电流(i_L)的一个测量值被输往控制装置(22)和计算装置(24)，还有电压测量值(U_V1……U_Vn，ΔU₁……ΔU_n－1)被输往计算装置(24)。

5、按照权利要求4所述的设备(14)，其特征在于，设备(14)包括一个不平衡监视装置(20)，电压测量值(ΔU₁……ΔU_n－1)被输往该监视装置(20)的输入端，该监视装置(20)的输出端一方面与控制装置(22)相连，另一方面与中间存储装置(26)相连。

6、按照权利要求4所述的设备(14)，其特征在于，该设备(14)是一个微处理机。

7、按照权利要求4所述的设备(14)，其特征在于，设备(14)是脉冲调制器(18)的组成部分。

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