DE112012003534T5

DE112012003534T5 - Gate-Treiber mit Selbstabschaltung im Rückswärtsleitungsmodus

Info

Publication number: DE112012003534T5
Application number: DE112012003534.8T
Authority: DE
Inventors: Alvaro Jorge Mari Curbelo; Thomas Zoels
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Transportation IP Holdings LLC
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-06-05
Also published as: US20130049843A1; JP2014529239A; WO2013032666A1

Abstract

Es ist ein Leistungselektronikmodul geschaffen, das ein Leistungsschaltermodul und eine Treiberschaltung enthält, die mit dem Leistungsschaltermodul betriebsmäßig verbunden ist. Die Treiberschaltung ist konfiguriert, um einen Betrieb des Schaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus freizugeben und zu sperren. Die Treiberschaltung sperrt einen Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus, wenn das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein ein System und Verfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Effizienz einer elektronischen Vorrichtung, wie beispielsweise eines Wechselrichters. Außerdem können derartige beispielhafte Ausführungsformen eine verbesserte Treiberschaltung für spannungsgesteuerte Leistungsschalter betreffen.
Beschreibung der Technik
Leistungselektronische Geräte können in sehr vielfältigen Systemen und Vorrichtungen zur Lieferung von Leistung zu einer Last verwendet werden. Zum Beispiel verwenden Triebfahrzeuge, wie beispielsweise Lokomotiven, elektrische Fahrmotoren zum Antreiben von Rädern der Fahrzeuge. In einigen diesen Fahrzeugen sind die Motoren Wechselstrom(AC)-Motoren, deren Drehzahl und Leistung gesteuert werden, indem die Frequenz und die Spannung der elektrischen AC-Leistung, die den Feldwicklungen der Motoren zugeführt wird, variiert werden. Üblicherweise wird die elektrische Leistung an einer Stelle in dem Fahrzeugsystem als DC-Leistung zugeführt und anschließend in AC-Leistung mit gesteuerter Frequenz und Spannungsamplitude durch ein leistungselektronisches Gerät, wie beispielsweise einen Wechselrichter, umgewandelt. Leistungselektronische Geräte können ferner in vielfältigen weiteren Anwendungen, wie beispielsweise unter anderem in industrieller Leistungselektronik und zur stationären Leistungsumwandlung, verwendet werden. Das leistungselektronische Gerät kann einen Satz von halbleiterbasierten spannungsgesteuerten Leistungsschaltern (VCPSs), wie beispielsweise rückwärtssperrenden Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs), rückwärtsleitenden Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (RC-IGBTs), bimodalen Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (BIGTs) und dergleichen, enthalten. RC-IGBTs und BIGTs sind rückwärtsleitende Leistungsschalter (RCPSs), die eine Untergruppe innerhalb der VCPSs bilden.
KURZBESCHREIBUNG
Kurz zusammengefasst, ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein Leistungselektronikmodul geschaffen, das ein Leistungsschaltermodul und eine Treiberschaltung enthält, die mit dem Leistungsschaltermodul betriebsmäßig verbunden ist. Die beispielhafte Treiberschaltung ist konfiguriert, um einen Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus des Schaltermoduls freizugeben und zu sperren. Die Treiberschaltung sperrt einen Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus des Leistungsschaltermoduls, wenn das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Energiesystem für ein Fahrzeug geschaffen. Das beispielhafte Energiesystem enthält ein erstes Leistungsschaltermodul, das mit einer DC-Spannungsschiene verbunden und konfiguriert ist, um abwechselnd mit einem zweiten Schaltermodul ein- und auszuschalten, um eine AC-Ausgangssignalform zu erzeugen. Das beispielhafte Energiesystem enthält ferner eine Treiberschaltung, die mit dem ersten Schaltermodul betriebsmäßig verbunden und konfiguriert ist, um einen Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus des ersten Schaltermoduls freizugeben und zu sperren. Die Treiberschaltung sperrt einen Betrieb des ersten Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus, wenn das erste Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren geschaffen, das ein Empfangen eines Befehls von einer Steuerschaltung zur Aktivierung eines Betriebs im Vorwärtsleitungsmodus eines Leistungsschaltermoduls aufweist. Das beispielhafte Verfahren enthält ferner ein Bestimmen, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet. Falls das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, wird ein Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus gesperrt. Wenn das Leistungsschaltermodul nicht im Rückwärtsleistungsmodus arbeitet, wird ein Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus freigegeben.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile kennzeichnen, worin zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer diesel-elektrischen Lokomotive, die einen Wechselrichter gemäß Ausführungsformen verwenden kann;
2 ein Blockdiagramm eines Energiesystems gemäß Ausführungsformen;
3 ein Blockdiagramm eines Zweigs eines IGBT-Wechselrichters gemäß Ausführungsformen;
4 ein Blockdiagramm eines Zweigs eines BIGT-Wechselrichters gemäß Ausführungsformen;
5 eine graphische Darstellung eines Schaltschemas für einen Zwei-Stufen(2L)-Wechselrichter mit spannungsgesteuerten Leistungsschaltern (VCPSs);
6 eine graphische Darstellung eines beispielhaften Schaltschemas, das in einem 2L-Wechselrichter verwendet werden kann, gemäß Ausführungsformen;
7 ein Blockdiagramm eines Beispiels für eine Treiberschaltung gemäß Ausführungsformen;
8 ein Blockdiagramm eines Beispiels für eine Treiberschaltung gemäß Ausführungsformen;
9 ein Blockdiagramm eines Beispiels für eine Treiberschaltung gemäß Ausführungsformen und
10 ein Prozessablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichtermoduls gemäß Ausführungsformen zusammenfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Blockdiagramm einer diesel-elektrischen Lokomotive, die einen Wechselrichter gemäß Ausführungsformen verwenden kann. Die Lokomotive, die in einer vereinfachten, ausschnittsweisen, quergeschnittenen Ansicht dargestellt ist, ist allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Mehrere Fahrmotoren, die in 1 nicht sichtbar sind, befinden sich hinter Antriebsrädern 102 und sind in einer Antriebsbeziehung mit Achsen 104 verbunden. Mehrere Hilfsmotoren, die in 1 nicht sichtbar sind, befinden sich an verschiedenen Stellen an der Lokomotive und sind mit verschiedenen Hilfslasten, wie Gebläsen oder Kühlerlüftern, verbunden. Die Motoren können Wechselstrom(AC)-Elektromotoren sein. Wie im Einzelnen nachstehend erläutert, kann die Lokomotive 100 mehrere elektrische Wechselrichterschaltungen zur Steuerung der elektrischen Leistung für die Motoren enthalten.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Energiesystems gemäß Ausführungsformen. Das Energiesystem, das allgemein mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet ist, kann verwendet werden, um AC-Leistung für eine Last zu steuern. Das Energiesystem 200 kann einen Wechselstromgenerator 202 enthalten, der durch einen bordeigenen Verbrennungsmotor, wie beispielsweise einen (nicht veranschaulichten) Diesel-Motor, angetrieben ist. Die Leistungsausgabe des Generators 202 wird durch eine Feldanregungssteuerung geregelt, die durch eine Feldsteuerung 204 angezeigt ist. Elektrischer Strom von dem Generator 202 wird durch einen Gleichrichter 206 gleichgerichtet und an einen oder mehrere Wechselrichter 208 angekoppelt. Die Wechselrichter 208 können halbleiterbasierte spannungsgesteuerte Leistungsschalter (VCPSs) für Hochleistung verwenden, um die DC-Leistung in AC-Leistung mit variabler Frequenz und variabler Spannungsamplitude zur Anwendung für einen oder mehrere AC-Motoren 210 umzuwandeln. Obwohl zwei Motoren veranschaulicht sind, kann die Lokomotive vier bis sechs AC-Elektromotoren enthalten, die verwendet werden können, wobei jeder durch einen einzelnen Wechselrichter gesteuert ist.
Erneut bezugnehmend auf 1 befinden sich die elektrischen Leistungsschaltungen wenigstens teilweise in einem Anlagenraum 106. Die Steuerelektronik für die Wechselrichter 206 und die Feldsteuerung 204 sowie andere elektronische Komponenten können an Leiterplatten angeordnet sein, die in Gestellen in dem Anlagenraum 106 gehalten sind. Innerhalb des Anlageraums 106 können die bei der Leistungsumwandlung verwendeten VCPSs an luftgekühlten Kühlkörpern 108 montiert sein. Die Wechselrichterschaltungen in dem Energiesystem nach 2 stellen nur ein einzelnes Beispiel für eine leistungselektronische Vorrichtung gemäß den hierin offenbarten Techniken dar. Es wird erkannt, dass Ausführungsformen der vorliegenden Techniken in einer beliebigen geeigneten leistungselektronischen Vorrichtung, die elektrische Leistung zu einer Last liefert, verwendet werden können, wozu unter anderem industrielle Leistungselektronik und stationäre Leistungsumwandlung gehören.
Wie vorstehend erwähnt, können die Wechselrichter 208, die zur Erzeugung der AC-Signalform verwendet werden, VCPSs enthalten. Ein VCPS verwendet wenigstens zwei Leistungsanschlüsse sowie einen oder zwei Steueranschlüsse. Es gibt unterschiedliche Namensgebungen für die Leistungsanschlüsse in Abhängigkeit von der VCPS-Bauart, wobei Beispiele Anode und Kathode oder Kollektor und Emitter sind. Wenn ein positiver Strom durch diese Leistungsanschlüsse von der Anode zu der Kathode oder von dem Kollektor zu dem Emitter geleitet wird, wird dies als Vorwärtsleitung bezeichnet. Wenn ein positiver Strom durch die Leistungsanschlüsse von der Kathode zu der Anode oder von dem Emitter zu dem Kollektor geleitet wird, wird dies als Rückwärtsleitung bezeichnet. Das gleiche gilt für die Spannung über den Leistungsanschlüssen, wobei eine positive Spannung von der Anode zu der Kathode oder von dem Kollektor zu dem Emitter als Vorwärtspolarisation bezeichnet wird, während eine positive Spannung von der Kathode zu der Anode oder von dem Emitter zu dem Kollektor als Rückwärtspolarisation bezeichnet wird. Gemäß Ausführungsformen kann die Treiberschaltungsanordnung, die zur Ansteuerung der Schalter verwendet wird, konfiguriert sein, um die Polarität der Spannung über den Leistungsanschlüssen des Schalters oder den Strom durch die Leistungsanschlüsse des Schalters zu bestimmen. Das durch die Treiberschaltungsanordnung erzeugte Treibersignal kann wenigstens zum Teil von der erfassten Polarität abhängen. In Abhängigkeit von der Bauart des Schalters, der in dem Wechselrichter verwendet wird, können verschiedene Vorteile realisiert werden, indem das Treibersignal auf der Basis der erfassten Polarität gesteuert wird. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Zweigs eines IGBT-Wechselrichters gemäß Ausführungsformen. Wie in 3 veranschaulicht, enthält der Wechselrichterzweig 300 ein Paar von IGBTs, die hierin als ein oberer IGBT 302 und ein unterer IGBT 304 bezeichnet sind. Eine Diode, die hierin als eine obere Diode 306 bezeichnet ist, ist über dem Kollektor und dem Emitter des oberen IGBTs 302 antiparallel angeordnet. Eine Diode, die hierin als eine untere Diode 308 bezeichnet ist, ist antiparallel über dem Kollektor und dem Emitter des unteren IGBTs 304 angeordnet. Jeder IGBT und jede zugehörige antiparallele Diode (z. B. der obere IGBT 302 und die obere Diode 306) bilden eine Einheit, die hierin als ein IGBT-Modul 320 und 322 bezeichnet ist und die ein Beispiel für ein Leistungsschaltermodul mit einem rückwärtssperrenden Leistungsschalter (RBPS-Modul) darstellt. Die Dioden 306 und 308 stellen einen leitfähigen Pfad für einen Freilaufstrom bereit, der der Strom ist, der aufgrund der Induktivität des Stromkreises und der Last erzeugt wird, wenn ein stromleitender Schalter abgeschaltet wird. Die obere Diode 306 stellt einen leitenden Pfad für einen Freilaufstrom bereit, der sich ergeben kann, wenn der untere IGBT 304 abgeschaltet wird. Die untere Diode 308 stellt einen leitenden Pfad für einen Freilaufstrom bereit, der sich ergeben kann, wenn der obere IGBT 302 abgeschaltet wird. Der obere IGBT 302 und der untere IGBT 304 sind in Reihe zwischen einer oberen Spannungsschiene 310 und einer unteren Spannungsschiene 312 angeordnet.
Jeder IGBT 302 und 304 ist durch einen Gate-Treiber 314 angesteuert, der mit der Gate-Elektrode des entsprechenden IGBTs 302 und 304 betriebsmäßig verbunden ist. Eine Steuerschaltung 316 kann mit den Gate-Treibern 314 betriebsmäßig verbunden sein, um das Schalten der IGBTs 302 und 304 zu koordinieren. Die Steuerschaltung 316 kann die IGBTs 302 und 304 veranlassen, in einer abwechselnden Weise pulsartig ein- und auszuschalten, um eine AC-Signalform an dem Phasenausgang 318 zu erzeugen. Um einen Kurzschluss zwischen der oberen Spannungsschiene 310 und der unteren Spannungsschiene 312 zu verhindern, werden die Ansteuerungssignale für die IGBTs 302 und 304 derart koordiniert, dass die IGBTs nicht beide zur gleichen Zeit eingeschaltet sind. Zum Beispiel kann eine Zeitverzögerung zwischen dem Zeitpunkt, in dem ein IGBT ausgeschaltet wird, und dem Zeitpunkt, in dem der andere IGBT eingeschaltet wird, erzwungen sein. Diese Zeitverzögerung wird hierin als Sperrzeit bezeichnet und kann z. B. ungefähr 20 bis 30 Mikrosekunden betragen. Obwohl lediglich ein einzelner Zweig 300 veranschaulicht ist, wird erkannt, dass das Wechselrichtermodul zwei, drei oder mehrere Zweige enthalten kann, die jeweils eine AC-Ausgangssignalform für eine bestimmte Phase liefern. Zum Beispiel können drei Zweige verwendet werden, um eine dreiphasige AC-Ausgangssignalform zu erzeugen. Ein standardgemäßes Schaltschema ist in Bezug auf 5 weiter beschrieben.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Zweigs eines BIGT-Wechselrichters gemäß Ausführungsformen. Wie in 4 veranschaulicht, enthält der Wechselrichterzweig 400 ein Paar von BIGTs, die hierin als ein oberer BIGT 402 und ein unterer BIGT 404 bezeichnet sind. Jeder BIGT 402 und 404 bildet eine Einheit, die hierin als ein BIGT-Modul bezeichnet sein kann und die in einem Vorwärtsleitungsmodus oder einem Rückwärtsleitungsmodus arbeiten kann. Jeder BIGT 402 und 404 stellt ein Beispiel für ein Leistungsschaltermodul mit einem rückwärtsleitenden Leistungsschalter (RCPS-Modul) dar. Wie in dem IGBT-Wechselrichter nach 3 wird jeder BIGT 402 und 404 durch einen Gate-Treiber 314 angesteuert, der mit der Gate-Elektrode des entsprechenden BIGTs 402 und 404 betriebsmäßig verbunden ist. Der Gate-Treiber 314 kann einen Spannungspegel bereitstellen um den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus der BIGTs 402 und 404 freizugeben, und einen anderen Spannungspegel, um den Betrieb der BIGTs 402 und 404 in dem Vorwärtsleitungsmodus zu sperren. In Ausführungsformen gibt eine Gate-Spannung von +15 Volt den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus frei, während eine Gate-Spannung von –15 Volt den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus sperrt.
Der Betrieb der BIGTs 402 und 404 im Rückwärtsleitungsmodus ist durch die Polarität der Spannung über dem Emitter und Kollektor des BIGTs 402 oder 404 bestimmt. Zum Beispiel arbeitet der untere BIGT 404 im Rückwärtsleitungsmodus, falls die Spannung an dem Phasenausgang 318 kleiner ist als die Spannung an der unteren Schiene 312. In dem Rückwärtsleitungsmodus stellen die BIGTs 402 und 404 einen leitfähigen Pfad für einen Freilaufstrom bereit, der sich ergeben kann, wenn der andere BIGT in dem Zweig 400 ausgeschaltet wird. Die BIGTs 402 und 404 können unabhängig davon, ob die Gate-Spannung positiv oder negativ ist, in dem Rückwärtsleitungsmodus arbeiten. Während des Betriebs im Rückwärtsleitungsmodus des unteren BIGTs 404 wird Strom von der unteren Schiene 312 zu dem Phasenausgang 318 geleitet.
Die Steuerschaltung 316 kann mit dem Gate-Treiber 314 betriebsmäßig verbunden sein, um das Schalten der BIGTs 402 und 404 zu koordinieren. Die Steuerschaltung 316 kann die BIGTs 402 und 404 veranlassen, den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus der BIGTs 402 und 404 in einer abwechselnden Weise pulsartig ein- und auszuschalten, um eine AC-Signalform an dem Phasenausgang 318 zu erzeugen. Wie vorstehend in Bezug auf 3 beschrieben, wird eine Zeitverzögerung, die als die Sperrzeit bezeichnet wird, zwischen dem Zeitpunkt, in dem ein BIGT ausgeschaltet wird, und dem Zeitpunkt, in dem der andere BIGT in dem Zweig 400 eingeschaltet wird, erzwungen. Es wird erkannt, dass der BIGT-Wechselrichter auch zwei, drei oder mehrere Zweige enthalten kann, die jeweils eine AC-Ausgangssignalform für eine bestimmte Phase liefern.
5 zeigt eine graphische Darstellung eines Schaltschemas für einen Wechselrichter mit spannungsgesteuerten Leistungsschaltern (VCPSs). In dem Fall eines IGBT-Leistungsschaltermoduls, wie in 3 veranschaulicht, zeichnet 5 ein Gate-Ansteuerungssignal, Vge, auf, wie es an den oberen IGBT 302 nach 3 angelegt wird und den resultierenden Strömen überlagert ist, die in dem oberen IGBT 302 (und) einer oberen Diode 306 erzeugt werden, die zu dem oberen IGBT 302 antiparallel angeordnet ist. Das Gate-Ansteuerungssignal, Vge, ist durch die punktierte Linie 504 dargestellt. Der IGBT-Strom ist durch die gestrichelte Linie 506 dargestellt. Der Diodenstrom ist durch die durchgezogene Linie 508 dargestellt. Die X-Achse repräsentiert die Zeit. Die Y-Achse repräsentiert die Spannung in Bezug auf das Gate-Ansteuerungssignal sowie den Strom in Bezug auf den IGBT- und Diodenstrom.
Wie in 5 veranschaulicht, veranlasst das Gate-Ansteuerungssignal 504 den oberen IGBT 302, pulsartig ein- und ausgeschaltet zu werden, um eine Ausgangssignalform mit einer ungefähr sinusförmigen Wellenform zu erzeugen. Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, kann der obere IGBT 302 mit dem unteren IGBT 304 abwechselnd pulsartig ein- und ausgeschaltet werden, um eine komplementäre AC-Signalform zu erzeugen, die zu der Phasenausgabe beiträgt. Die resultierende Ausgangssignalform wird erzeugt, indem die Pulsweite 510 des Ansteuersignals 504 gesteuert wird. 5 zeigt ungefähr eine einzige Periode der resultierenden Ausgangssignalform.
Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird, wenn ein Strom durch ein Leistungsschaltermodul positiv ist, das entsprechende Leistungsschaltermodul als in einem Vorwärtsleitungsmodus arbeitend bezeichnet. Wenn die Spannung über den Leistungsanschlüssen des Leistungsschalters in der Vorwärtsrichtung polarisiert ist und der Strom durch das Leistungsschaltermodul ungefähr Null ist, wird das Leistungsschaltermodul als in einem Sperrmodus arbeitend bezeichnet. Wenn die Spannung über den Leistungsanschlüssen des Leistungsschaltermoduls in der Vorwärtsrichtung polarisiert ist, bestimmt die Spannung über den Steueranschlüssen, ob sich das Leistungsschaltermodul in dem Vorwärtsleitungs- oder dem Sperrmodus befindet. Das Steuerspannungsniveau zur Freigabe des Vorwärtsleitungsmodus wird als eine Einschaltschwelle bezeichnet. Das Steuerspannungsniveau zur Sperrung des Vorwärtsleitungsmodus wird als eine Ausschaltschwelle bezeichnet. Es wird erkannt, dass die Polarität des Stroms durch das Leistungsschaltermodul bestimmt, ob das Schaltermodul sich in dem Vorwärtsleitungsmodus oder dem Rückwärtsleitungsmodus befindet. Falls zum Beispiel in dem Fall des unteren IGBT-Moduls 322 der Strom von dem Phasenausgang 318 zu der unteren Schiene 312 fließt (positiver Strom), arbeitet das untere IGBT-Modul 322 in einem Vorwärtsleitungsmodus. Falls ein Strom von der unteren Schiene 312 zu dem Phasenausgang 318 fließt (negativer Strom), arbeitet das untere IGBT-Modul 322 in einem Rückwärtsleitungsmodus. Es sollte beachtet werden, dass abhängig von der Spannung über dem Kollektor und Emitter des Schaltermoduls das IGBT-Modul in dem Rückwärtsleitungsmodus arbeiten kann, selbst wenn ein Betrieb in dem Vorwärtsleitungsmodus durch die Gate-Spannung, die an den IGBT angelegt ist, freigegeben ist.
Während der ersten Hälfte der Periode ist die Spannung über den Leistungsanschlüssen den Leistungsschaltermoduls in der Vorwärtsrichtung polarisiert, und dieses arbeitet abwechselnd in dem Vorwärtsleitungsmodus und dem Sperrmodus in Abhängigkeit von dem Steuerspannungspegel. Zum Beispiel ist der Strom durch den unteren IGBT 304 positiv, wenn die Gate-Spannung bei +15 V liegt, und er fällt auf Null ab, wenn die Gate-Spannung zu –15 V wechselt. Die obere Diode 306 leitet den resultierenden Freilaufstrom (nicht veranschaulicht). Während der ersten Hälfte der Periode bleibt der Strom in dem unteren Leistungsschaltermodul bei Null. Während der zweiten Hälfte der Periode arbeitet das untere Leistungsschaltermodul abwechselnd in dem Rückwärtsleitungsmodus und dem Sperrmodus. Wenn das obere Leistungsschaltermodul während der zweiten Hälfte der Periode ausgeschaltet wird, geht das untere Leistungsschaltermodul in den Rückwärtsleitungsmodus über, und es leitet den Strom von dem oberen Leistungsschaltermodul, der ausgeschaltet worden ist. Die Steuerspannung in dem standardgemäßen Schaltschema nach 5 liegt auf dem Einschaltschwellenniveau, selbst wenn sich das Leistungsschaltermodul in dem Rückwärtsleitungsmodus befindet.
Es können Probleme in der zweiten Hälfte der Periode auftreten, wenn das untere Leistungsschaltermodul den Freilaufstrom leitet. Zum Beispiel kann unter einigen Umständen das obere Leistungsschaltermodul aufgrund einer falschen Triggerung oder kosmischer Teilchen unkorrekterweise einschalten. Falls dies auftritt, wird ein Kurzschluss zwischen dem Phasenausgang 318 und der oberen Spannungsschiene 310 verursacht, wodurch eine Intra-Modul-Kommutierung herbeigeführt wird, was bedeutet, dass der Strom durch das Leistungsschaltermodul die Polarität wechselt. Zum Beispiel kommutiert der Strom in Bezug auf das untere IGBT-Modul in 3 von der unteren Diode 308 auf den unteren IGBT 304. Dieser Polaritätswechsel bewirkt eine Schalterentsättigung, was bedeutet, dass die Spannung über den Leistungsanschlüssen des unteren Leistungsschaltermoduls ansteigt und eine ungewöhnlich hohe Spannungsbelastung an der unteren Diode während des Übergangs zwischen dem Leistungsmodus und dem Sperrmodus der Diode hervorrufen kann, wenn für eine kurze Zeit ein Strom in einer Richtung von der Kathode zu der Anode fließt. Diese Spannungsbeanspruchung kann zu einem Ausfall der unteren Diode 308 und einem Defekt des unteren Schaltermoduls führen. Die gleiche Situation könnte in Bezug auf das obere Leistungsschaltermodul eintreten, falls das untere Leistungsschaltermodul unkorrekterweise eingeschaltet wird.
Um einen Kurzschluss zu vermeiden, können die Treiberschaltungen konfiguriert sein, um die zugehörige Steuerspannung abhängig von der Polarität des Stroms durch das Leistungsschaltermodul auf dem Abschaltschwellenniveau zu halten. Bezugnehmend auf das untere Leistungsschaltermodul gemäß den 3 und 4 als ein Beispiel kann eine Treiberschaltung, die den Gate-Treiber 314 enthält, konfiguriert sein, um die Polarität des Stroms in dem unteren Leistungsschaltermodul zu bestimmen. Falls die Strompolarität anzeigt, dass das Leistungsschaltermodul sich in einem Rückwärtsleitungsmodus befindet, kann dem unteren Leistungsschaltermodul durch den Gate-Treiber 314 befohlen werden, ausgeschaltet zu bleiben, selbst wenn der externe Träger von der Steuerschaltung 316 dem unteren Leistungsschaltermodul befiehlt einzuschalten. Auf diese Weise würde eine falsche Triggerung des oberen Leistungsschaltermoduls keinen Kurzschluss herbeiführen, weil das untere Leistungsschaltermodul ausgeschaltet sein würde. Die Treiberschaltung für das obere Leistungsschaltermodul kann auf die gleiche Weise konfiguriert sein. Ein beispielhaftes Schaltschema ist in Bezug auf 6 näher beschrieben. Beispielhafte Treiberschaltungskonfigurationen sind nachstehend unter Bezugnahme auf die 7–9 näher beschrieben.
Im Falle eines rückwärtsleitenden Leistungsschaltermoduls (RCPS-Moduls), wie beispielsweise der BIGT-Schaltermodule nach 4, zeigt 5 ein Gate-Ansteuerungssignal, Vge, wie es an den unteren BIGT 404 in 4 angelegt wird und das den resultierenden Strömen überlagert ist, die in dem unteren IGBT 404 erzeugt werden. Leistungsschaltermodule können im Allgemeinen in einem Rückwärtsleitungsmodus unabhängig davon arbeiten, ob die Steuerspannung auf dem Einschaltschwellenniveau oder dem Abschaltschwellenniveau liegt. In einigen Ausführungsformen des RCPS-Moduls, wie beispielsweise des BIGT-Moduls, wird der RCPS jedoch, wenn das RCPS-Modul in einem Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, größere Leistungsverluste aufweisen, wenn die Steuerspannung des gleichen Moduls auf dem Einschaltschwellenniveau liegt. Falls zum Beispiel bei einem BIGT-Modul der untere BIGT 504 in dem Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, sind die BIGT-Leitungsverluste in dem Fall höher, wenn die Gate-Spannung, die an den unteren BIGT angelegt ist, +15 Volt (Einschaltschwellenniveau) beträgt, und sie sind verglichen mit –15 Volt (Abschaltschwellenniveau) in einigen Fällen bis zu 30 Prozent höher.
Um den Wirkungsgrad des RCPS-Wechselrichters zu verbessern, kann eine Treiberschaltung, die den Gate-Treiber 314 enthält, konfiguriert sein, um den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus des RCPS-Moduls in Abhängigkeit von der Polarität des Stroms durch das Modul zu sperren. Bezugnehmend auf den unteren BIGT 404 als ein Beispiel kann eine Treiberschaltung, die den Gate-Treiber 314 enthält, konfiguriert sein, um die Polarität des Stroms in dem unteren BIGT zu bestimmen. Wenn die Strompolarität anzeigt, dass der untere BIGT im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, kann dem unteren BIGT durch die Treiberschaltung befohlen werden, den Vorwärtsleitungsmodus zu sperren, selbst wenn der externe Trigger von der Steuerschaltung 316 dem unteren BIGT 404 befiehlt, den Vorwärtsleitungsmodus freizugeben. Auf diese Weise wird die an den unteren BIGT 404 angelegte Gate-Spannung anders, z. B. niedriger als der stationäre Ein-Wert in einem Betrieb im Rückwärtsleitungsmodus, was einen effizienteren Betrieb des Wechselrichters zur Folge hat. Der Gate-Treiber 314 für den oberen BIGT 402 kann auf die gleiche Weise konfiguriert sein.
6 zeigt eine graphische Darstellung eines beispielhaften Schaltschemas, das in einem Wechselrichter gemäß Ausführungsformen verwendet werden kann. Das Schaltschema kann in einem Wechselrichter verwendet werden, der eine beliebige geeignete Leistungsschalterart, einschließlich IGBTs, BIGTs und rückwärtsleitender IGBTs sowie anderer, verwendet. Die Darstellung nach 6 zeigt das Gate-Ansteuersignal und resultierende Ströme, die in dem Leistungsschaltermodul hervorgerufen werden, wobei das Leistungsschaltermodul z. B. der obere oder der untere BIGT 402 oder 404 oder der obere oder untere IGBT 302 oder 304 in Kombination mit der zugehörigen antiparallelen Diode 306 oder 308 sein kann.
Das Steuerspannungssignal, Vctrl, ist durch die punktierte Linie 604 dargestellt. Die gestrichelte Linie 606 repräsentiert den Strom in dem Schaltermodul in einem Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus. Die durchgezogene Linie 608 repräsentiert den Strom in dem Leistungsschaltermodul in einem Betrieb im Rückwärtsleitungsmodus. Wie in Bezug auf die 3 und 4 erläutert, schaltet das Gate-Ansteuersignal das Schaltermodul pulsartig zwischen dem Einschaltspannungsniveau und dem Ausschaltspannungsniveau um, um die AC-Ausgangssignalform zu erzeugen. Zum Beispiel veranlasst das Einschaltspannungsniveau im Falle eines IGBTs 302 oder 304 den IGBT 302 oder 304 einzuschalten, während das Ausschaltspannungsniveau den IGBT 302 oder 304 zum Ausschalten veranlasst. In ähnlicher Weise gibt das Einschaltspannungsniveau in dem Fall eines BIGTs 402 oder 404 den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus des BIGTs 402 oder 404 frei, während das Ausschaltspannungsniveau den Betrieb des BIGTs 402 oder 404 im Vorwärtsleitungsmodus sperrt.
Wie vorstehend in Bezug auf 5 erläutert, kann die Treiberschaltung ferner konfiguriert sein, um einen Betrieb in dem des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus in Abhängigkeit von der Polarität des Stroms in dem Schaltermodul zu sperren. Zum Beispiel kann der Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus gesperrt werden, wenn die Polarität des Stroms anzeigt, dass das Schaltermodul in dem Rückwärtsleitungsmodus arbeitet. Für das untere Leistungsschaltermodul entspricht eine negative Strompolarität einem Strom in der Richtung von der unteren Schiene 312 zu dem Phasenausgang 318. Für das obere Leistungsschaltermodul entspricht eine negative Strompolarität einem Strom in der Richtung von dem Phasenausgang 318 zu der oberen Schiene 310. In beiden Fällen zeigt eine negative Strompolarität an, dass das Schaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet. Wie in 6 veranschaulicht, wird, wenn die Polarität des Stroms in dem Schaltermodul anzeigt, dass das Schaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, die Gate-Spannung auf dem Ausschaltschwellenniveau gehalten, womit ein Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus des Leistungsschaltermoduls gesperrt wird. In dem Fall eines IGBT-Moduls wird durch das Halten der Gate-Spannung auf dem Ausschaltschwellenniveau der IGBT ausgeschaltet gehalten, wodurch eine Intra-Modul-Kommutierung z. B. zwischen dem unteren IGBT 302 und der unteren Diode 308 aufgrund einer falschen Triggerung des oberen IGBTs 302 vermieden wird. In dem Fall eines BIGT-Schaltermoduls 402 oder 404 wird durch das Halten der Gate-Spannung auf dem Ausschaltschwellenniveau ein Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus des BIGT-Moduls gesperrt und dem BIGT-Modul ermöglicht, in dem Rückwärtsleitungsmodus effizienter zu arbeiten.
6 zeigt ferner eine Übergangsphase 610, in der das Leistungsschaltermodul zwischen einem Betrieb im Rückwärtsleitungsmodus und einem Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus innerhalb eines einzigen Steuerimpulses von der Steuerschaltung 316 wechselt. Wenn das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, wenn die Steuerschaltung 316 der Treiberschaltung befiehlt, den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus freizugeben, hält der Gate-Treiber 314 die Gate-Spannung dennoch auf dem Ausschaltschwellenniveau, um einen Betrieb des Schaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus zu sperren. Wenn die Treiberschaltung anschließend erkennt, dass das Schaltermodul nicht mehr im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, kann die Treiberschaltung anschließend einen Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus des Leistungsschaltermoduls gemäß dem Signal von der Steuerschaltung 316 freigeben. In Ausführungsformen kann die Treiberschaltung konfiguriert sein, um den Betrieb des Schaltermoduls im Rückwärtsleitungsmodus innerhalb der Sperrzeit, die durch die Steuerschaltung 316 angewandt wird, zu detektieren. Beispielhafte Treiberschaltungen zur Implementierung des Schaltschemas nach 6 sind nachstehend unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben.
7 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels einer Treiberschaltung gemäß Ausführungsformen. Die beispielhafte Treiberschaltung, wie sie in 7 veranschaulicht ist, kann verwendet werden, um das in 5 veranschaulichte Schaltschema zu implementieren. Obwohl 7 eine Treiberschaltung 700 für ein BIGT-Modul veranschaulicht, wird erkannt, dass die in 7 veranschaulichte Treiberschaltung auch bei einer beliebigen sonstigen Art eines Leistungsschaltermoduls, wie beispielsweise einem IGBT, einem rückwärtsleitenden IGBT und dergleichen, verwendet werden kann. Ferner wird erkannt, dass, obwohl eine einzige Treiberschaltung 700 veranschaulicht ist, jedes Schaltermodul eines Wechselrichters seine eigene fest zugeordnete Treiberschaltung 700 enthalten kann.
Wie in 7 veranschaulicht, kann die Treiberschaltung 700 eine Stromerfassungsschaltung 702, einen Komparator 704, ein UND-Gatter 706 und einen Gate-Treiber 314 enthalten. Die Stromerfassungsschaltung 702 ist konfiguriert, um den Kollektor-Emitter-Strom, Ice, durch den BIGT 402 oder 404 zu schätzen. Der BIGT 402 oder 404 kann mit einem Satz Anschlüsse, einschließlich eines Kollektor-Anschlusses 710, eines Gate-Anschlusses 712 und Emitter-Anschlüsse 714 und 716, verbunden sein. Der erste Emitter-Anschluss 714 wird als ein Steueranschluss bezeichnet und ermöglicht dem Gate-Treiber 314, über den Gate-Anschluss und den Emitter-Anschluss des BIGT angeschlossen zu werden. Der zweite Emitter-Anschluss 716 wird als ein Leistungsanschluss bezeichnet und ermöglicht dem BIGT-Emitter-Anschluss, mit dem Rest der Schaltungsanordnung in dem Wechselrichter, z. B. entweder mit der unteren Schiene 312 oder mit dem Phasenausgang 318 (4), verbunden zu werden. Zwischen dem ersten Emitter-Anschluss 714 und dem zweiten Emitter-Anschluss 716 befindet sich ein Leiter mit einer parasitären Induktivität, wie sie durch eine Spule 718 angezeigt ist.
In einer Ausführungsform enthält die Stromerfassungsschaltung 702 einen Spannungssensor 720 zur Messung der Spannung zwischen dem ersten Emitter-Anschluss 714 und dem zweiten Emitter-Anschluss 716 sowie einen Integrierer 722, um eine Schätzung des Kollektor-Emitter-Stroms auf der Basis der gemessenen Spannung zu bestimmen. Aufgrund der parasitären Induktivität 718 kann die Spannung zwischen dem ersten Emitter-Anschluss 714 und dem zweiten Emitter-Anschluss 716 ungefähr gleich der momentanen Änderungsrate des Emitter-Kollektor-Stroms, dIce/dt, sein. Somit kann der Emitter-Kollektor-Strom durch Integration der gemessenen Spannung unter Verwendung des Integrators 722 geschätzt werden.
Die Ausgabe des Integrators 722 ist ein Schätzwert des Kollektor-Emitter-Stroms in dem BIGT 402 oder 404. Die Ausgabe des Integrators 722 kann an den Komparator 704 angekoppelt werden, der feststellen kann, ob der geschätzte Strom größer als ein Referenzstrom, Iref, ist. In einer Ausführungsform kann der Referenzstrom, Iref, Null sein, so dass die Ausgabe des Komparators 704 mit der Polarität des geschätzten Kollektor-Emitter-Stroms unmittelbar in Beziehung steht. Zum Beispiel kann in dem Fall, dass der geschätzte Kollektor-Emitter-Strom positiv ist, was bedeutet, dass der BIGT 402 oder 404 im Vorwärtsleitungsmodus arbeitet, die Ausgabe des Komparators 704 gleich einer logischen Eins gesetzt werden. Falls der geschätzte Kollektor-Emitter-Strom negativ ist, was bedeutet, dass der BIGT 402 oder 404 im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, kann die Ausgabe des Komparators 704 gleich einer logischen Null gesetzt werden.
Der Ausgang des Komparators 704 und der Ausgang der Steuerschaltung 316 können an den Eingang des UND-Gatters 706 angeschlossen sein. Der Ausgang des UND-Gatters ist mit dem Eingang des Gate-Treibers 314 verbunden. Demgemäß empfängt der Gate-Treiber 314 einen Befehl zur Freigabe eines Vorwärtsleitungsbetriebs des BIGTs 402 oder 404, falls die Steuerschaltung 316 dem BIGT 402 oder 404 befiehlt einzuschalten und der geschätzte Kollektor-Emitter-Strom in dem BIGT 402 oder 404 anzeigt, dass der BIGT 402 oder 404 nicht im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet.
Wie vorstehend erwähnt, könnte die gleiche Treiberschaltung z. B. in einem IGBT-Wechselrichter verwendet werden, wobei in diesem Fall der BIGT 402 oder 404 durch ein Leistungsschaltermodul ersetzt werden würde, das einen IGBT 302 oder 304 und eine antiparallele Diode 306 oder 308 enthält. Ähnlich dem BIGT-Wechselrichter empfängt der Gate-Treiber 314 einen Befehl zum Einschalten des IGBTs 302 oder 304, falls die Steuerschaltung 316 dem IGBT 302 oder 304 befiehlt einzuschalten und der geschätzte Kollektor-Emitter-Strom in dem IGBT-Schaltermodul anzeigt, dass die Diode 306 oder 308 des Schaltermoduls nicht leitet.
8 zeigt ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung gemäß Ausführungsformen. Die in 8 veranschaulichte beispielhafte Treiberschaltung kann verwendet werden, um das in 5 veranschaulichte Schaltschema zu implementieren.
Obwohl ein BIGT 402 oder 404 veranschaulicht ist, wird ferner erkannt, dass die Treiberschaltung, wie sie in 8 veranschaulicht ist, auch bei einer beliebigen Schaltermodulbauart, wie beispielweise einem IGBT, einem rückwärtsleitenden IGBT und dergleichen, verwendet werden kann. Ferner wird erkannt, dass, obwohl eine einzige Treiberschaltung 800 veranschaulicht ist, jedes Schaltermodul eines Wechselrichters seine eigene, fest zugeordnete Treiberschaltung 800 enthalten kann.
Wie in 8 veranschaulicht, kann die Treiberschaltung 800 eine Spannungserfassungsschaltung 802, einen Komparator 804, ein UND-Gatter 806 und einen Gate-Treiber 314 enthalten. Die Spannungserfassungsschaltung 802 ist konfiguriert, um den Spannungspegel über den Leistungsanschlüssen, Vce, an dem BIGT 402 oder 404 zu erfassen. Es können wenigstens zwei unterschiedliche Spannungspegel erfasst werden. In einigen Ausführungsformen kann der Spannungssensor eine Stromquelle 808 enthalten. Der Ausgang der Stromquelle 808 kann mit einem Kollektor-Anschluss 710 des BIGTs 402 oder 404 über eine Diode 810 und auch mit dem Eingang des Komparators 804 verbunden sein. Der Eingang des Stromsensors kann mit einer Referenzspannung, Vref, die ungefähr 0 Volt betragen kann, verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann der Spannungssensor einen Spannungsteiler mit einer nachfolgenden Komparator- oder analogen digitalen Wandlerstufe enthalten.
In Abhängigkeit von der Spannung an dem Kollektor-Anschluss 710 in Bezug auf den Emitter, folgt der Strom von der Stromquelle 808 einem Weg durch die Diode 810 zu dem Kollektor-Anschluss 710 oder zu dem Komparator 804. Der dem Komparator zugeführte Strom wird als der Erfassungsstrom, Isense, bezeichnet. Wenn der BIGT 402 oder 404 im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, ist die Spannung an dem Kollektor-Anschluss 710, Vc, negativ. Die negative Spannung an dem Kollektor-Anschluss 710 spannt die Diode 810 in Durchlassrichtung vor, so dass der Quellenstrom, Is, einem Weg durch die Diode 810 zu dem Kollektor-Anschluss 710 folgt und Isense bei oder nahe an null liegt. Wenn der BIGT 402 oder 404 im Vorwärtsleitungsmodus oder Sperrmodus arbeitet, ist die Spannung an dem Kollektor-Anschluss 710, Vc, positiv. Die positive Spannung an dem Kollektor-Anschluss 710 spannt die Diode 810 derart in Sperrrichtung vor, dass der Quellenstrom, Is, zu dem Komparator 804 geleitet wird und Isense einer Zahl ungleich null, ungefähr gleich dem Quellenstrom entspricht. Zusammenfassend ist der Eingangsstrom zu dem Komparator kleiner als der Quellenstrom, Is, wenn ein Betrieb im Rückwärtsleitungsmodus vorliegt, und ungefähr gleich dem Quellenstrom, wenn ein Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus oder im Sperrmodus vorliegt.
Der Komparator 804 kann den Eingangsstrom mit dem Quellenstrom, Is, vergleichen, der ein bekannter Wert sein kann, der auf der Basis der Konstruktionsgesichtspunkte für eine bestimmte Schaltung bestimmt werden kann. Falls der Eingangsstrom gleich dem Quellenstrom ist (Vorwärtsleitungsmodus), kann der Komparator 804 den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus z. B. durch Senden einer logischen Eins zu dem UND-Gatter freigeben. Falls der Eingangsstrom kleiner ist als der Quellenstrom (Rückwärtsleitungsmodus), kann der Komparator 804 den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus z. B. durch Senden einer logischen Null zu dem UND-Gatter sperren. Der Ausgang der Steuerschaltung 316 ist ferner mit dem Eingang des UND-Gatters 706 oder 806 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters ist mit dem Eingang des Gate-Treibers 314 verbunden. Demgemäß empfängt der Gate-Treiber 314 einen Befehl zur Aktivierung eines Betriebs im Vorwärtsleitungsmodus des BIGTs 402 oder 404, wenn die Steuerschaltung 316 dem BIGT 402 oder 404 befiehlt einzuschalten und die erfasste Kollektor-Emitter-Spannung über dem BIGT 402 oder 404 anzeigt, dass der BIGT 402 oder 404 nicht im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet.
9 zeigt ein Blockdiagramm einer Treiberschaltung gemäß Ausführungsformen. Die beispielhafte Treiberschaltung, wie sie in 9 veranschaulicht ist, kann verwendet werden, um das in 5 veranschaulichte Schaltschema zu implementieren. Ferner wird erkannt, dass, obwohl ein BIGT 402 oder 404 veranschaulicht ist, die in 9 veranschaulichte Treiberschaltung auch bei einer beliebigen Schaltermodulbauart, wie beispielsweise einem IGBT, einem rückwärtsleitendem IGBT und dergleichen, verwendet werden kann. Ferner wird erkannt, dass, obwohl eine einzige Treiberschaltung 900 veranschaulicht ist, jedes Schaltermodul eines Wechselrichters seine eigene, fest zugeordnete Treiberschaltung 900 enthalten kann.
Wie in 9 veranschaulicht, kann die Treiberschaltung 900 einen Spannungsteiler 902, einen Komparator 904, ein UND-Gatter 906 und einen Gate-Treiber 314 enthalten. Der Spannungsteiler 902 ist konfiguriert, um das Spannungsniveau über den Leistungsanschlüssen, Vce, an dem BIGT 402 oder 404 zu erfassen. Es können wenigstens zwei unterschiedliche Spannungspegel erfasst werden. In einigen Ausführungsformen enthält der Spannungsteiler 902 ein Paar von Widerständen R1 908 und R2 910, die in Reihe miteinander verbunden sind. In einer Ausführungsform können Kondensatoren 912 parallel zu den Widerständen 908 und 910 angeordnet sein, um die dynamische Reaktion des Spannungsteilers 902 zu optimieren. Der Ausgang des Spannungsteilers 902 kann mit dem Eingang eines Komparators 904 verbunden sein, der den Spannungspegel über dem unteren Widerstand R2 910 mit einer Spannungsreferenz vergleicht, die ungefähr 0 Volt betragen kann. Wenn der BIGT 402 oder 404 im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, ist die Spannung an dem Kollektor-Anschluss 710, Vc, negativ, und der Spannungspegel über dem unteren Widerstand R2 910 ist kleiner als die Spannungsreferenz. Wenn der BIGT 402 oder 404 im Vorwärtsleitungsmodus oder Sperrmodus arbeitet, ist die Spannung an dem Kollektor-Anschluss 710, Vc, positiv, und der Spannungspegel über dem unteren Widerstand R2 910 ist größer als die Spannungsreferenz.
Wenn der Spannungspegel über dem unteren Widerstand R2 910 größer als die Spannungsreferenz ist, kann der Komparator 804 den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus z. B. durch Senden einer logischen Eins zu dem UND-Gatter freigeben. Wenn der Spannungspegel über dem unteren Widerstand R2 910 kleiner als die Spannungsreferenz ist (Rückwärtsleitungsmodus), kann der Komparator 804 den Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus z. B. durch Senden einer logischen Null zu dem UND-Gatter sperren. Der Ausgang der Steuerschaltung 316 ist ferner mit dem Eingang des UND-Gatters 906 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 906 ist mit dem Eingang des Gate-Treibers 314 verbunden. Demgemäß empfängt der Gate-Treiber 314 einen Befehl zur Aktivierung des Betriebs im Vorwärtsleitungsmodus des BIGTs 402 oder 404, wenn die Steuerschaltung 316 dem BIGT 402 oder 404 befiehlt einzuschalten und die erfasste Kollektor-Emitter-Spannung über dem BIGT 402 oder 404 anzeigt, dass der BIGT 402 oder 404 nicht im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet.
10 zeigt ein Prozessablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichtermoduls gemäß Ausführungsformen zusammenfasst. Das Verfahren 1000 kann durch eine Treiberschaltung, die mit einem Leistungsschaltermodul gekoppelt ist, wie beispielsweise den Treiberschaltungen 700 und 800 gemäß den 7 und 8, implementiert sein. Im Block 1002 kann ein Befehl zur Freigabe eines Betriebs eines Schaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus von einer Steuerschaltung empfangen werden.
Im Block 1004 kann eine Bestimmung in Bezug darauf vorgenommen werden, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet. In Ausführungsformen enthält die Bestimmung, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, eine Bestimmung einer Polarität des Stroms durch die Leistungsanschlüsse des Leistungsschaltermoduls. Zum Beispiel kann die Bestimmung, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, ein Messen einer Spannung über einer parasitären Induktivität zwischen einem ersten Emitter-Anschluss und einem zweiten Emitter-Anschluss und ein Integrieren der Spannung, um den Strom durch den Emitter-Anschluss zu schätzen, enthalten. In einem anderen Beispiel enthält die Bestimmung, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, ein Erfassen des Spannungspegels über den Leistungsanschlüssen des Leistungsschaltermoduls.
Wenn das Schaltermodul im Block 1004 im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, kann der Prozessablauf zum Block 1006 vorschreiten, und der Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus kann gesperrt werden. Demgemäß wird der Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus des Schaltermoduls gesperrt, wenn die Polarität des Stroms in einer Richtung von dem Kollektor-Anschluss zu dem Emitter-Anschluss negativ ist.
Wenn im Block 1004 das Schaltermodul nicht im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, kann der Prozessablauf zum Block 1008 vorschreiten, und der Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus kann freigegeben werden. Demgemäß wird der Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus des Leistungsschaltermoduls nur dann aktiviert, wenn die Steuerschaltung die Aktivierung des Betriebs im Vorwärtsleitungsmodus befiehlt und der Betrieb im Vorwärtsleitungsmodus nicht gesperrt ist.
Es sollte verstanden werden, dass die obige Beschreibung veranschaulichend und nicht beschränkend sein soll. Zum Beispiel könnten anderen Mittel zur Stromerfassung in dem Schalter, wie beispielsweise ein Shunt oder eine riesen-magnetoresistive Vorrichtung, verwendet werden. Zum Beispiel können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen (und/oder deren Aspekte) in Kombination miteinander verwendet werden. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren Umfang abzuweichen. Während die Dimensionen und Arten von Materialien, die hierin beschrieben sind, dazu bestimmt sind, Ausführungsformen der Erfindung zu veranschaulichen, sind sie keineswegs beschränkend, sondern beispielhafter Natur. Es können andere Ausführungsformen bei einer Durchsicht der vorstehenden Beschreibung offenkundig werden. Der Umfang der Erfindung sollte folglich unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche gemeinsam mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen derartige Ansprüche berechtigt sind, bestimmt werden.
In den beigefügten Ansprüchen werden die Ausdrücke „enthalten” und „in dem/der” als die sprachlichen Äquivalente für die jeweiligen Ausdrücke „aufweisen” und „worin” verwendet. Außerdem werden in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „erste”, „zweite”, „dritte”, „obere”, „untere”, „Unterseite”, „Oberseite”, „oben”, „unten”, etc. lediglich als Bezeichnungen verwendet, und sie sollen keine numerischen oder positionsbezogenen Anforderungen an ihre Objekte stellen. Ferner sind die Beschränkungsmerkmale der folgenden Ansprüche nicht in dem Format Mittel-plus-Funktion beschrieben, und sie sollen nicht basierend auf 35 U.S.C. § 112, sechster Absatz, interpretiert werden, sofern und bis derartige Anspruchsbeschränkungen nicht explizit den Ausdruck „Mittel zur”, gefolgt von einer Angabe der Funktion ohne eine weitere Struktur verwenden.
In dem hierin verwendeten Sinne sollte ein Element oder Schritt, das bzw. der in der Einzahl angegeben und dem das Wort „ein” oder „eine” vorangestellt ist, derart verstanden werden, dass es mehrere derartige Elemente oder Schritte nicht ausschließt, sofern ein derartiger Ausschluss nicht explizit angegeben ist. Außerdem sollen Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform” der Erfindung nicht derart interpretiert werden, als würden sie die Existenz weiterer Ausführungsformen ausschließen, die ebenfalls die angegebenen Merkmale enthalten. Darüber hinaus können, sofern nicht explizit was anderes angegeben ist, Ausführungsformen, die ein Element oder mehrere Elemente mit einer bestimmten Eigenschaft „aufweisen”, „enthalten” oder „haben”, zusätzlich solche Elemente enthalten, die diese Eigenschaft nicht haben.
Da bestimmte Veränderungen an dem vorstehend beschriebenen Steuerverfahren vorgenommen werden können, ohne dass von dem Rahmen und Umfang der hierin umfassten Erfindung abgewichen wird, ist es beabsichtigt, dass der gesamte Gegenstand der vorstehenden Beschreibung, oder wie er in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist, lediglich als Beispiele, die das erfindungsgemäße Konzept hierin veranschaulichen, interpretiert werden sollte und nicht so ausgelegt werden sollte, dass er die Erfindung beschränkt.

Claims

Leistungselektronikmodul, das aufweist: ein Leistungsschaltermodul; und eine Treiberschaltung, die mit dem Leistungsschaltermodul betriebsmäßig verbunden und konfiguriert ist, um einen Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus freizugeben und zu sperren; wobei die Treiberschaltung einen Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus sperrt, wenn das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungsschaltermodul einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und eine zu dem IGBT antiparallel angeordnete Diode aufweist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungsschaltermodul einen rückwärtsleitenden Leistungsschalter aufweist, der die Funktionalität eines IGBTs und einer zu dem IGBT antiparallel angeordneten Diode bietet.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei die Treiberschaltung konfiguriert ist, um innerhalb einer Sperrzeit festzustellen, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei die Treiberschaltung eine Stromerfassungsschaltungsanordnung aufweist, die konfiguriert ist, um eine Polarität des durch die Leistungsanschlüsse des Leistungsschaltermoduls fließenden Stroms zu bestimmen, wobei die Bestimmung, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, eine Bestimmung der Polarität des Leistungsschaltermodulstroms aufweist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 5, wobei die Stromerfassungsschaltungsanordnung eine Stromschätzung durch Messung einer Spannung über einer parasitären Induktivität, die zwischen einem Steuer- oder Erfassungsanschluss und einem Leistungsanschluss angeordnet ist, liefert.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 5, wobei die Treiberschaltung ein UND-Gatter aufweist, das konfiguriert ist, um: ein erstes Eingangssignal von einer Steuerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus zu aktivieren; und ein zweites Eingangssignal zu empfangen, das konfiguriert ist, um einen Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus basierend auf einem Ausgangssignal der Stromerfassungsschaltung freizugeben oder zu sperren, wobei ein Ausgang des UND-Gatters mit einem Eingang eines Gate-Treibers des Leistungsschaltermoduls verbunden ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 5, wobei die Spannungserfassungsschaltungsanordnung eine Stromquelle aufweist, die mit einem Kollektor-Anschluss des Leistungsschaltermoduls über eine Diode verbunden ist, wobei eine Ausgabe der Spannungserfassungsschaltung auf eine Spannung des Kollektor-Anschlusses anspricht.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, wobei die Treiberschaltung eine Spannungserfassungsschaltungsanordnung aufweist, die konfiguriert ist, um die Spannungspolarität über den Leistungsanschlüssen des Leistungsschaltermoduls zu bestimmen, wobei die Bestimmung, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, eine Bestimmung der Polarität der Spannung über den Leistungsanschlüssen des Leistungsschaltermoduls aufweist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 9, wobei die Spannungserfassungsschaltungsanordnung eine Spannungsteilerschaltung mit einem nachfolgenden Komparator oder analogen digitalen Wandler aufweist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 9, wobei die Treiberschaltung ein UND-Gatter aufweist, das konfiguriert ist, um: ein erstes Eingangssignal von einer Steuerschaltung, die konfiguriert ist, um einen Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus zu aktivieren; und ein zweites Eingangssignal zu empfangen, das konfiguriert ist, um einen Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus basierend auf einem Ausgangssignal der Spannungserfassungsschaltungsanordnung freizugeben oder zu sperren, wobei ein Ausgang des UND-Gatters mit einem Eingang eines Gate-Treibers des Leistungsschaltermoduls verbunden ist.
Energiesystem für ein Fahrzeug, das aufweist: ein erstes Leistungsschaltermodul, das mit einer DC-Spannungsschiene verbunden und konfiguriert ist, um abwechselnd mit einem zweiten Schaltermodul ein- und auszuschalten, um eine AC-Ausgangssignalform zu erzeugen; eine Treiberschaltung, die mit dem ersten Schaltermodul betriebsmäßig verbunden und konfiguriert ist, um einen Betrieb des ersten Schaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus freizugeben und zu sperren; wobei die Treiberschaltung einen Betrieb des ersten Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus sperrt, wenn das erste Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet.
Energiesystem nach Anspruch 12, wobei das erste Schaltermodul einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und eine zu dem IGBT antiparallel angeordnete Diode aufweist.
Energiesystem nach Anspruch 12, wobei das erste Leistungsschaltermodul einen rückwärtsleitenden Leistungsschalter aufweist, der die Funktionalität eines IGBTs und einer zu dem IGBT antiparallel angeordneten Diode bietet.
Energiesystem nach Anspruch 12, wobei eine Steuerschaltung, die mit der Treiberschaltung verbunden ist, eine Sperrzeit zwischen dem Ausschalten des zweiten Leistungsschaltermoduls und dem Einschalten des ersten Leistungsschaltermoduls erzwingt und die Treiberschaltung innerhalb der Sperrzeit feststellt, ob das erste Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet.
Energiesystem nach Anspruch 12, wobei die Treiberschaltung eine Stromerfassungsschaltungsanordnung aufweist, die konfiguriert ist, um eine Polarität des Stroms, der durch das erste Leistungsschaltermodul fließt, zu bestimmen, wobei die Bestimmung, ob das erste Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, eine Bestimmung der Polarität des Leistungsschaltermodulstroms aufweist.
Energiesystem nach Anspruch 16, wobei die Stromerfassungsschaltungsanordnung eine Stromschätzung durch Messen einer Spannung über einer parasitären Induktivität, die zwischen einem Steueranschluss und einem Leistungsanschluss des Leistungselektronikmoduls angeordnet ist, liefert.
Energiesystem nach Anspruch 16, wobei die Treiberschaltung eine Spannungserfassungsschaltungsanordnung aufweist, die konfiguriert ist, um die Spannungspolarität über den Leistungsanschlüssen des Leistungsschaltermoduls zu bestimmen, wobei die Bestimmung, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, eine Bestimmung der Polarität der Spannung über den Leistungsanschlüssen des Leistungsschaltermoduls aufweist.
Energiesystem nach Anspruch 18, wobei die Spannungserfassungsschaltungsanordnung eine Stromquelle aufweist, die mit einem Kollektor-Anschluss des ersten Leistungsschaltermoduls über eine Diode verbunden ist, wobei eine Ausgabe der Spannungserfassungsschaltungsanordnung auf eine Spannung des Kollektor-Anschlusses anspricht.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 18, wobei die Spannungserfassungsschaltungsanordnung eine Spannungsteilerschaltung mit einem nachfolgenden Komparator oder analogen digitalen Wandler aufweist.
Verfahren, das aufweist: Empfangen eines Befehls von einer Steuerschaltung, einen Betrieb eines Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus zu aktivieren; Bestimmen, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet; falls das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, Sperren eines Betriebs des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus; und falls das Leistungsschaltermodul nicht im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, Freigeben eines Betriebs des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Bestimmen, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, eine Bestimmung einer Polarität des Stroms durch die Leistungsanschlüsse des Leistungsschaltermoduls aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei ein Betrieb des Leistungsschaltermoduls im Vorwärtsleitungsmodus gesperrt wird, wenn der Strom durch das Leistungsschaltermodul in einer Rückwärtsrichtung geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Bestimmung, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, eine Bestimmung einer Polarität einer Spannung über den Leistungsanschlüssen des Leistungsschaltermoduls aufweist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Bestimmung, ob das Leistungsschaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, aufweist: Messen einer Spannung über einer parasitären Induktivität zwischen einem ersten Emitter-Anschluss und einem zweiten Emitter-Anschluss; und Integrieren der Spannung, um den Strom durch den Kollektor-Anschluss und den Emitter-Anschluss des Leistungsschaltermoduls zu schätzen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Bestimmung, ob das Schaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, ein Empfangen eines Messstroms von einer Stromquelle aufweist, die in Reihe zu einem Kollektor-Anschluss des Schaltermoduls angeschlossen ist, wobei der Messstrom auf eine Spannung des Kollektor-Anschlusses anspricht.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Bestimmung, ob das Schaltermodul im Rückwärtsleitungsmodus arbeitet, eine Spannungsteilerschaltung mit einem nachfolgenden Komparator oder analogen digitalen Wandler aufweist.