转换器中短路情况的处理的制作方法

专利名称：转换器中短路情况的处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种操作电子阀，特别是转换器(优选的是高功率转换器)中的电子 阀，的方法，其中所述阀包括电绝缘的控制电极。本发明还涉及一种用于操作这种电子阀的 结构。特别地，本发明涉及具有至少一个相脚的转换器中短路情况的处理。
背景技术：
将相脚理解为是能够被接通和断开的两个电子阀的串联连接。转换器(特别是可 以连接到高于600伏特电压的功率转换器)可以例如是电机逆变器、线路转换器、生成器转 换器、电池充电器或者辅助逆变器。特别地，这些类型的转换器适用于电能量向铁路车辆中 设备的传送，例如铁路车辆的推进单元中的设备。在这种情况下，将电机逆变器理解为是将 直流电流逆变为交流电流的转换器，其中将交流电流直接馈送到电机。电机可以例如是使 铁路车辆在一个或者多个轨道上移动的推进电机。将线路转换器理解为是AC到DC转换器， 其中电功率供应网络的线路承载交流电流。将生成器转换器理解为是用于整流来自由燃烧 电机驱动的发生器的三相AC供应并且形成调节的DC电压的AC到DC转换器。线路转换器 或者生成器转换器的DC侧可以连接到DC链路，该DC链路可以顺次连接到电机逆变器。辅 助转换器可以是例如能够连接到DC链路的逆变器，其中该逆变器的交流电流侧连接到铁 路车辆的辅助设备，例如不直接用于使铁路车辆移动的任何设备。辅助设备的示例是冷却 设备、控制设备以及隔室加热设备。
转换器通常具有一个共有特征，即利用非常高的频率控制(并且从而接通和断 开)转换器的阀，即控制单元和设备以高速操作，优选地具有纳秒范围内的反应时间。
转换器中存在不同类型的短路情况。在所有这些情况中，需要断开相脚中的至少 一个阀以防止进一步损害。特别地，会破坏阀本身和/或到阀和来自阀的电连接。
根据第一种类型的短路情况，在相脚中的其它阀变为传导状况(“接通”状态)时， 该相同相脚中的一个阀或者传导负载电流或者被承载负载电流的非预期传导路径桥接，例 如由于阀的接通信号或者断开信号的不合适时序。结果可能是，通过相脚连接的高电势线 路和低电势线路被短路，并且因此，通过该相脚的电流在非常短的时间内增加到超出阀的 最大允许值的值。然而，在这种类型的情况下，由于控制该接通过程的控制单元通常逐渐地 打开阀，电流每时间单位的增加通常比在其它短路情况中的少。因此，在该打开过程中电流 还没有达到极端高的值的阶段中，会检测到短路。
在第二种类型的短路情况中，在相脚中的其余阀被损坏时该相脚中的一个阀承载 负载电流从而产生到该相脚端部的短路连接。在这种情况下，通过相脚的未损坏阀的电流 增加在每时间单位会比第一种类型的情况更高。
在第三种类型的短路情况中，在相脚中的其余阀被损坏并且产生短路时，与该相 脚中第一阀并联的续流二极管承载负载电流。尽管需要首先使通过该未损坏的阀的电流反 向，但是被反向电流的增加在每时间单位会与第二种类型的情况中的一样高。
处理短路情况的现有方法包括监测电量，诸如阀电流(即，由阀承载的电流)、阀电压(例如，IGBT的集电极发射极电压)、阀电流在每时间单位的增加。而且，可以监测控 制阀的控制电极的阀控制单元的操作状态。如果满足预定义的一个或者一组条件(例如， 阀电流超出预定义阈值)，则阀的控制单元按照这种方式操作阀的控制电极以使得该阀被 断开。尽管不存 在短路情况，也可能会满足预定义的一个或者多个条件。其中的一个可 能原因是外部电磁场在短的时间段内在相脚中感应电流或者在监测设备的电路中感应电 压或者电流。可以将这种事件称为“噪声”。因此，处理短路情况的现有方法包括在具有预 定义长度的时间段上监测是否满足一个或者多个预定义条件的步骤。仅在预定义的时间间 隔上预定义的一个或者多个条件继续时才开始关闭阀的过程。然后，锁住该关闭阀的过程， 即无论预定义的一个或者多个条件是否继续，该过程都进行直到阀被断开。锁住的一个原 因在于，尽管不再满足预定义的一个或者多个条件，但是短路情况可能会继续。例如，阀电 流每时间单位的增加会变得更小，但是电流仍然在增加。近来已经研发了设计用于使用显著较高的外部电压的操作的新型阀，特别是 IGBT (绝缘栅双极晶体管)。例如，相脚两端的DC链路电压会在高于1500伏特的范围内。 另一方面，这种新型阀对于第二和第三种类型的短路情况具有缺陷，其没有(使用处理短 路情况的传统方法)将阀电流限制到安全值。替代地，阀的制造商规定在比规定时间长的 时间内最大电流不能超出规定的最大值。使用上述的短路处理过程，至少在一些短路情况 中不能够满足该规范。

发明内容
本发明的目的在于提供一种操作转换器中的阀的方法，其保护所述阀免受损害并 且不增加该阀被不必要地断开的可能性。这种不必要的断开将妨碍转换器应该尽可能长地 可靠工作的需求。例如，被不必要断开的电机转换器可能会使铁路车辆颠簸或者使电机猛 烈震荡。本发明的另一目的在于提高一种与该方法相对应的结构，特别是执行该方法的结 构。本发明的一个基本理念是监测阀和/或转换器的操作并且在开始最终终止过程 之前在特定的预定义操作条件发生时开始预终止过程。在该上下文中，“终止”是指终止阀 的接通状态(即，传导状态)。注意到，开始预终止过程并不是必然导致开始最终终止过程。 例如，最终终止过程可以是上述处理短路情况的过程。特别地，预终止过程可以包括监测在具有预定义长度的时间间隔上是否满足(或 者实现)预定义的一个或者多个条件的步骤。该预定义长度比最终终止过程的时间段(如 果存在)短，其中用于开始该最终终止过程的一个或者多个条件在该时间段期间必须被继 续满足。可选地，用于预终止的该预定义的一个或者多个条件可以是这种以使得它们比用 于最终终止过程的条件更加容易(例如更加经常和/或更加早地)被满足。更通常地说，可以比最终终止过程更早地开始预终止过程。特别地，预终止过程准 备阀的接通状态的终止，但是不终止该接通状态。另一方面，如果实际上开始了最终终止过 程，则预终止过程加速该接通状态的终止。最终终止过程可以是一旦已经开始最终终止过 程就执行的过程，直到完成了该接通状态的终止。上面描述了这种锁住。如果在预终止过程之后没有开始最终终止过程，则正常的接通状态将重新开始。
根据本发明的预终止过程在阀被按照如下操作时尤其有用典型地，阀的控制电 极处的电势具有定义的电平(例如，11到12V)，该电平足够高以使得该阀能够承载正常操 作所需的规定最大电流。然而，通常使用控制电极的较高电势(例如15V)以降低在接通状 态期间阀两端的电压(例如，IGBT或者MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的集电 极-发射极电压)。该栅极电势的过量与控制电极(例如，IGBT或者MOSFET的栅极)承 载的电荷的过量相对应。在特定实施例中，设计预终止过程以从控制电极去除该过量电荷。 结果可能是，在预终止过程之后的阀操作期间，临时地轻微增加了电损失。然而，阀仍然能 够承载正常操作所需的最大电流。在短路的情况下，通过预终止过程从控制电极去除的过 量电荷将加速可能会在该预终止过程之后开始的最终终止过程。如果由噪声引起预终止， 则不会开始最终终止过程并且正常的接通状态将重新开始，在短时间之后产生正常的栅极 电压和正常的电能量损失。
由于阀是转换器的相脚的一部分，在转换器的正常操作期间，该阀被反复地接通 或者断开。因此，如果在预终止过程之后不开始最终终止过程，则将跟随有正常终止过程 (即，断开阀的过程)并且也将跟随有接通阀的正常过程。如上所述，在被再次断开和接通 之后，阀的控制电极可能再次承载过量电荷。
前面已经提到，阀可以是IGBT或者M0SFET。通常，本发明涉及能够用于转换器中 的任何类型的阀，其中该阀具有电绝缘的控制电极并且其中由控制电极承载的电荷控制阀 的操作状态(例如，接通状态或者断开状态)。如果在该说明书中使用类似“发射极”、“栅 极”和“集电极”的词语，则除非专门声明，否则不限制保护范围。例如，也包括具有通常被 称为漏极和源极的电极的阀。
具有在预终止期间仅去除控制电极的过量电荷的优点的一个实施例包括在具有 预定义长度的时间间隔上以恒定(非时变)电流使控制电极放电的步骤。可以按照这种方 式选择恒定电流的电平以及时间间隔的长度以使得仅去除该过量电荷或者去除不多于该 过量电荷的电荷(包括去除少于过量电荷的情况)。对于特定的操作条件，例如在转换器的 正常操作期间由阀承载的预定义最大值电流和/或对于阀的相脚两端指定的DC链路电压， 可以选择恒定电流和时间间隔的长度的值。
特别地，提出以下内容一种操作转换器中，特别是操作高功率转换器中的电子阀 的方法，其中所述阀包括电绝缘的控制电极并且其中所述方法包括步骤
-在所述阀打开时监测所述转换器和/或所述阀的操作状态，
-如果所述操作状态满足表明存在影响经过所述阀的电流的短路的第一预定义标 准，则执行使所述控制电极放电以关闭所述阀的第一过程，并且
-如果所述操作状态满足表明可能会存在影响经过所述阀的电流的短路的第二预 定义标准，则在满足所述第一标准之前执行使所述控制电极放电的第二过程。
可选地，在开始所述第一过程之前结束其间执行所述第二过程的时间段。
在满足所述第一标准(所述最终终止过程的标准)之前或者在开始所述第一过程 之前执行使所述控制电极放电的第二过程。在后者的情况中，可能已经满足所述第一标准， 但是还没有开始所述第一过程。换句话说预终止可以“越过”(override)最终终止。该 第一和第二过程二者可以是预定义过程。然而，该预定义过程的操作可能取决于阀或者转 换器的操作状态。例如，可以预定义该第一过程以降低取决于阀两端的电压(例如，集电极-发射极电压)而使 控制电极逐渐放电的电流。还能够与阀或者转换器的操作状态无关 地执行第二过程或者在第二过程期间使控制电极放电的电流大小是恒定的并且在第二过 程期间对新操作状态反应的唯一方式是比在第二过程的开始处所预期的更早终止控制电 极的放电。还能够在开始第一过程之前多于一次地中断或者执行第二过程。例如，第二过程 可以包括在使控制电极放电的同时连续监测阀或者转换器的操作状态的步骤。如果该监测 表明应该停止该第二过程(例如，由于阀电流每时间单位的增加已经下降到低于阈值)，则 可以停止该第二过程，即，停止使控制电极放电。然而，在接下来的时间段期间，第二过程的 监测功能能够判断可以重新开始或者可以继续该第二过程，并且结果，在开始第一过程之 前，重新开始或者继续所述控制电极的放电。所述第一预定义标准和所述第二预定义标准可以均包括一个或者多于一个的标 准和/或条件。特别地，所述标准可以包括特征化所述转换器和/或阀的操作状态的电量 位于值的预定义范围内，大于(或者大于或者等于)预定义阈值，或者小于(或者小于或者 等于)预定义阈值的条件。用于第一标准的条件如上所述。用于第二预定义标准的条件可以包括阀电流每时间单位的增加不大于(或者不 大于或者等于)阈值。由于不期望在阀的接通状态(即，已经终止了接通阀的过程)期间 的高增加，该条件是短路的指示器。该条件可以与至少一个其它条件组合，例如上述的控制 电极承载过量电荷的条件。可以通过测量位于阀的控制电极与另一电极之间的电压，例如 位于IGBT的栅极和发射极之间的电压来检测这种过量。由于本发明的优选实施例在预终 止期间去除由控制电极承载的过量电荷是有利的，因此前面描述的条件是有价值的。替代前面描述的条件，也可以使用其它条件用于该第二预定义标准。理论上，还能 够使用不是在阀本身处直接测量而是例如在将相同相脚的两个阀相连接的连接中测量的 电量。然而，在阀处直接测量电量是优选的，由于包含在测量结果中的信息直接特征化该阀 的操作状态并且由于这些测量可以通过被分配给该阀并且也控制该控制电极充电和放电 的控制单元(例如，栅极驱动单元，GDU)来进行。由于预终止的主要优点在于能够保护阀免受损害，所述第二预定义标准是表明可 能会存在影响经过所述阀的电流，即所述阀电流(例如，从IGBT的集电极到发射极的电流) 的短路的标准。由短路产生的谈及的效应(例如，相同相脚中其它阀的损坏)是由所述阀 承载的负载电流快速增加的第二种类型的短路情形(如上所述)。在第三种类型的短路情 况中，所述效应是电流的反向而不是阀电流的快速增加。关闭所述阀不是所述第二过程的目标。关闭的阀被理解为是不承载电流(在该上 下文中，断开状态电流不被考虑为相关电流)的阀，并且特别地是不承载负载电流的阀。假 设满足了所述第一预定义标准，该第二过程的目的仅是准备和/或加速使所述控制电极放 电的第一过程，该第一过程是关闭所述阀的过程。能够在已经终止第二过程时直接开始所述第一过程。换句话说能够在第一过程 和第二过程之间不存在时间间隙。因此，可能发生通过所述第一预定义标准还没有被满足 方式的第二过程不能够被完成的情况。而且，可能发生已经满足所述第一预定义标准但是 第二处理器仍然继续的情况。然而，可以可选地设计所述第二过程(预终止)以在能够满足所述第一预定义标准之前终止。在这种情况下，在满足所述第一预定义标准并且开始第一过程之前，所述第二 过程终止并且伴随有不发生控制电极的有效放电的时间间隔。在第二过程和第一过程之间 具有这种时间间隙的优点在于可以根据预期精确地执行所述第二过程。而且，能够通过监 测所述转换器的操作状态观察所述第二过程的结果并且可能会是这种情况，即第二过程按 照这种方式影响所述操作状态以使得不能满足所述第一预定义条件。这尤其适用于不发生 短路但是满足更加敏感的第二预定义标准的情况。
优选地，设计第二过程以从所述控制电极取回预定义量的电荷。例如，这可以在具 有预定义长度的时间间隔已经过去时通过使用恒定的放电电流或者通过终止所述第二过 程来实现。然而，也可以通过在第二过程期间改变的放电电流满足预定义量的电荷。
此外，优选的是(如上所述)，所述第二过程从所述控制电极取回在所述阀的正常 非短路操作条件期间不降低经过所述阀的电流的量的电荷。这意味着，在已经终止所述第 二过程时，在正常操作条件期间可能发生的最大可能阀电流能够仍然经过所述阀。另一方 面，明显增加的阀电流将受到降低的栅极电荷的影响，即，能够限制由于短路引起的电流增 加。
为了降低不必要的放电操作数量，优选的是，仅在具有预定义长度的时间间隔上 所述操作状态满足所述第二预定义标准时执行使所述控制电极放电的第二过程。可选地， 可以滤波用于确定是否满足所述第二预定义标准的电量以排除由于噪声的瞬间行为导致 开始第二过程的情况。
可能会发生在第二过程的执行期间不存在短路情况的情形。因此，根据另一实施 例，在所述操作状态满足表明不存在影响经过所述阀的电流的短路的第三预定义标准时， 立即终止使所述控制电极放电的第二过程。
可选地，在所述操作状态在具有预定义长度的时间间隔上满足表明不存在影响经 过所述阀的电流的短路的第三预定义标准时，可以终止使所述控制电极放电的第二过程。 代替使用这种具有预定义长度的时间间隔，对相应量进行滤波也是可能的。目的在于避免 第二过程的不必要和错误的中断。例如，阀电流每时间单位的增加的单个测量值可能表明 不存在短路。然而，该单个测量值可能是噪声或者干扰的结果并且阀电流每时间单位的增 加的接下来测量值再次超过用于确定所述第二预定义标准的阈值。
例如，所述第三预定义标准可以是阀电流每时间单位的增加已经下降到低于阈值 的条件，所述阈值可以与用于所述第二预定义标准的阈值相同的阈值，或者是比用于所述 第二预定义标准的阈值低的另一阈值。
优选的是通过固件，特别地通过CPLD或者FPGA来执行是否满足所述第二预定义 标准的判断和/或使所述控制电极放电的第二过程。与软件相比，固件确保了短的反应时 间。而且，与硬连线方案相比，固件可以被重新编程。然而，本发明也可以包括硬连线方案。
关于所述第一过程(关闭所述阀的过程)，优选的是具有锁住功能，即一旦已经开 始所述第一过程或者一旦已经决定开始所述第一过程，所述第一过程与是否仍然满足所述 第一预定义标准无关地关闭所述阀。该安全措施确保了终止所述关闭过程并且不会有干 扰、噪声或者其它情况错误地停止所述第一过程。
所述第二预定义标准可以包括位于所述阀的控制电极与另一电极之间的电压处 于预定义范围内的标准，所述预定义范围包括与所述控制电极的过量电荷相对应的值，其中所述过量电荷与所述阀的操作状态相比较，在所述操作状态下，所述阀完全打开以承载 在正常操作期间最大可能阀电流，但是在不限制所述阀电流的情况下，不从所述控制电 极 取回电荷。上面描述了该实施例的其它方面。区分所述第一过程和所述第二过程的另一方式可以是从所述控制电极取回电荷 的电流大小。优选地，在所述第一过程中与所述第二过程中的所述电流的大小不同。本发明还包括用于操作转换器中，特别是高功率转换器中的电子阀的结构，其中 所述阀包括电绝缘的控制电极并且其中所述结构包括-监测单元，适于在所述阀打开时监测所述转换器和/或所述阀的操作状态，-驱动单元，适于在所述操作状态满足表明存在影响经过所述阀的电流的短路的 第一预定义标准时，执行使所述控制电极放电以关闭所述阀的第一过程，-驱动单元，适于在所述操作状态满足表明可能会存在影响经过所述阀的电流的 短路的第二预定义标准时，在满足所述第一标准或者在开始所述第一过程之前执行使所述 控制电极放电的第二过程。所述结构的优点和其它实施例可以根据所附权利要求以及针对所述方法的上面 描述给出。用于执行在短路时使所述控制电极放电的第一过程和/或第二过程的所述结构 可以是模块(即，单个单元)的一部分，在阀具有栅极的情况下所述模块被称为“栅极驱动 单元”(GDU)。典型地，转换器中的每一个阀具有其自己的由单个CCU (转换器控制单元)或 者多个CCU结构控制的一个或者多个GDU。CCU在转换器的正常操作期间触发阀的接通和 断开处理。CCU典型地包括通过软件控制的计算机。结果，与典型地由硬连线设备构成和/ 或包含在FPGA或者CPLD上运行的固件的⑶U相比较，CXU的操作通常更慢(具有更长的 反应时间)。因此，优选地通过阀的GDU执行根据本发明的短路情况的处理。在优选实施例中，可以按照在WO 00/10243中描述的并且结合该文献的图1_图3 来设计用于控制接通和断开阀的过程的控制单元。在该文献中，将控制单元称为“控制装 置”。可以例如通过这种类型的单独控制单元控制转换器的每一个阀。为了实现本发明，通 过修改该单元的固件，可以容易地满足该控制单元的修改。因此，优选的是，控制单元以其包括可编程恒流源为理论基础进行操作，该可编程 恒流源即为能够被编程以驱动到和来自所述控制电极的电流以使得该电流不随着时间变 化的设备。当然，能够对电流的大小进行重新编程。例如，可以对电流的大小进行编程以在 使控制电极放电的第二过程期间具有第一值并且在使所述控制电极放电的所述第一过程 阶段期间具有至少一个其它值。然而，本发明并不局限于控制到和来自所述控制电极的电流的这种方法。理论上， 存在执行用于控制电流的控制过程的不同方案。所有这些方案可以结合本发明实现。例 如，可以结合位于电压源和阀的控制电极之间的电连接中的一个或者多个电阻器使用具有 可控电压的电压源。根据另一方案，可以使用具有预编程的电压斜坡的电压放大器。在接通所述阀的过程期间(即，在正常操作期间接通所述阀时)可以禁止本发明 的第二过程(预终止过程)。如上所述，在阀接通之前已经存在的短路不会导致与在阀(或 者其续流二极管)已经传导负载电流时发生短路情况时相同极端的阀电流。由于存在更多 的时间对短路做出反应，在接通过程期间可以禁止第二过程。阀还没有完全打开。然而，本发明还覆盖在接通所述阀期间启用所述第二过程的情况。
特别地，在短路的情况下，在所述预终止之后并且在所述最终终止之前，发生不期 望的充电(即，在由所述预终止执行放电之后再次充电)。这是所谓的米勒效应的结果。这 是因为在阀内的集电极和栅极之间(尤其对于IGBT)存在相当量的电容(被称为米勒电 容)，以使得在阀的传导状态中(即，处于低的集电极发射极电压)发生短路条件时，在集 电极电压升高以防止阀电流增加时向所述栅极馈送(特别是直接位于构成所述阀的模块 的芯片内)电容性电流。例如，在放电到11到12V的电平之后，栅极-发射极电压会再次 升高到高于18V。而且，在预终止过程产生放电电流的同时，米勒电容可能导致栅极充电电 流。然而，与不执行预终止过程的情况相比，该预终止过程仍然改善了这种情况。


将参照附图描述本发明的示例和优选实施例。在附图中
图1示出了包括串联连接的两个阀的相脚，其中由于误触发产生短路，
图2示出了图1所示的结构，其中由于在其它阀承载负载电流时一个阀被损坏而 发生短路，
图3示出了用于通过监测相脚的一个阀的操作状态处理短路情况的结构的元件，
图4示出了作为图3所示结构的一部分的控制元件的细节，
图5示出了根据本发明在短路情况期间阀电流、阀两端的电压、阀的控制电极和 另一电极之间的电压的时间依赖行为以及用于使控制电极放电的放电电流的时间依赖行 为，
图6示出了在短路情形下图5所示的阀电流以及其它电量的时间依赖行为，其中 没有执行预终止过程，
图7示意性示出了在相同短路情形下图5所示的四个电量，其中执行预终止过程 之后跟随有(没有时间间隙)断开阀的过程，
图8示意性示出了根据图6的短路情形，其中没有执行预终止过程，
图9示意性示出了与图5和图7所示的情形类似的短路情形，但是具有交流阀电 流以使得停止和重新启动预终止过程，
图10示意性示出了在没有发生短路的情况下图5到图9的四个量，但是由于导致 短路情形的错误检测的干扰而开始预终止过程。
具体实施方式
图1示出了转换器的相脚19，其中相脚19包括彼此串联连接的第一阀18a和第二 阀18b。串联连接的一端连接到DC链路的线路20，例如到铁路车辆的推进单元的线路转换 器的DC链路。相脚19的相对端连接到DC链路的第二线路21。
如在图1的右手侧所示，电容器M连接在DC链路的线路20、21之间。线路20的 电势比线路21的电势高，由+和-符号标记。将阀18a、18b之间的电连接连接到线路23， 线路23是到诸如电机的负载的连接，该电机例如是产生铁路车辆的牵引力的电机。
图1仅示出了转换器的一部分。特别地，没有示出控制阀18a、18b的控制单元25a、 25b的控制设备。而且，转换器可以包括一个或者多于一个的附加相脚。
控制单元25a、25b包括到包含阀18的模块27的不同连接31、32、33。实际上，这 种模块27可以包括彼此并联连接的多个阀。特别地 ，阀18可以是IGBT或者M0SFET。由“Cl”表示从控制单元25到阀18的集电极的连接31。由“G”表示将控制单元 25与例如阀18的栅极的控制电极连接的连接32。由‘ Κ”表示将控制单元25与阀18的 电流路径上的其它电极连接，特别是与发射极(开尔文)连接的连接33。由“EM”表示将 控制单元25与电流路径上的第二电极的外部连接点，例如发射极(主要)连接的位于模块 27外部的外部线路34。在所示的示例中，控制单元经由信号线38连接到转换器的中央控制设备(未示 出)，该信号线38可以是用于传输光学信号的线路。而且，控制单元25经由线路39连接到 DC功率源。续流二极管40反向并联地连接到每一个阀18。图1还示出了具有箭头的虚线。 在两个阀18a、18b同时处于接通状态下，虚线形成表明高短路电流将沿箭头方向形成的闭 合环路。这可能在如上所述的第一种类型的短路情形中发生。图2示出了与图1相同的结构，但是在不同的短路情形下，S卩如上所述的第二种类 型的短路情形。如实线带箭头的线路所表明的，负载电流经过线路23并且经过阀18a流动， 而其它阀18b被损坏，例如由于集电极和发射极之间的绝缘击穿。结果，经过阀18a的短路 电流将快速增加并且将破坏阀18a，除非通过使控制电极快速放电并且从而限制短路电流 的增加来保护阀18a。与图2所示的情形类似，在电流沿实线箭头线路的反向方向流动时，即电流经过 续流二极管40a到线路23流动时，阀18b能够产生短路。这是第三种类型的短路情形并且 略微晚于第二种类型的短路情形，经过相脚19的短路电流将快速形成。然而，如果对于短 路情形监测经过阀18a的阀电流，则剩余用于使控制电极放电的反应时间不长于第二种类 型的情形。图3示出了根据本发明可以用于执行预终止功能的结构。该图仅示出了控制单元 25的元件和/或单元的一部分，该控制单元25可以是根据图1的控制单元25a或者25b。 可以通过固件或者硬件实现的控制单元25包括可以是用于执行逻辑操作的逻辑单元的控 制元件57。将控制元件57的输入端连接到用于从转换器控制设备接收接通/断开命令信 号的信号线38。控制元件57的其它输入端接收第一比较器51和第二比较器53的输出信 号。比较器51连接到栅极G并且适于将栅极G的电势与阈值进行比较。如果栅极G的电 势位于两个阈值之间的范围内，则电压比较器51适于将栅极G的电势与上阈值和下阈值进 行比较并且输出特定信号(例如逻辑“1”)。在单个阈值的情况下，如果栅极G的电势超出 该阈值(或者等于该阈值或者超出该阈值)，则从比较器51向控制元件57输出特定的逻辑 输出信号。第二比较器53连接到模块27的发射极(主要)EM。这示意性地表明，比较器53 监测阀电流和/或阀电流每时间单位的增加(后者的情况是最优选的情况)并且如果监测 的量超出预定义的阈值，则向控制元件57输出预定义的输出信号(例如逻辑“1”)。在图3的右手视图上，示出了可以是根据图1的模块27a或者27b的模块27。模 块27包括可以是根据图1的阀18a或者18b的阀18。
将控制元件57的输出端连接到驱动器55，驱动器55适于驱动充电或者放电电流 以使控制电极充电或或者放电，在这种情况下控制电极是栅极G。将驱动器55连接到栅极 G以及发射极(开尔文)EK。这意味着，充电或者放电电流从发射极流到栅极(充电电流) 或者从栅极流到发射极(放电电流)。通常，在阀处于接通状态下时，栅极承载正电荷。然 而，在阀处于接通状态下栅极承载负电荷也是可能的。从控制元件57传输到驱动器55的 信号包含有信息以根据本发明的预终止方法开始控制电极的放电。也可以包含关于放电电 流大小的信息。然而，在可选方案中，驱动器阳可以获得关于来自另一设备的电流大小的 信息和/或该信息能够被预编程并且驱动器阳可以访问该预编程的信息。根据在预终止 期间阀或者转换器的操作状态，改变和/或调节预终止期间放电电流的大小也是可能的。
图4示出了根据最优选实施例的控制元件57的基本元件。然而，这只是一个实施 例并且本发明并非局限于该实施例。
第一逻辑单元1包括用于经由如图3所示的信号线路58、59从比较器51、53接收 信号的输入端。例如，如果栅极G的电势处于表明在控制电极上存在过量电荷的预定义范 围内，则经由信号线路58接收特定的逻辑信号(例如“1”)。因此，在不影响阀18的正常 操作期间的最大可能阀电流的情况下，从栅极或者控制电极去除所述过量电荷。
经由信号线路59，第一逻辑单元1可以接收表明阀电流每时间单位的增加已经超 过阈值的特定逻辑信号(例如，逻辑高=“1”)。这是用于短路情况的指示器，特别是在阀 处于由第二逻辑单元3经由线路38接收的0N/0FF信号表明的接通状态下时。然而，第一 逻辑单元1可以不具有该信息。
如果单元1的两个输入信号都与预定义的逻辑信号(例如“1”)相对应，则通过该 第一逻辑单元1向滤波器单元2输出预定义的输出信号(例如逻辑“1”)。
如果滤波器单元2的输入信号在具有预定义长度的时间间隔上连续是预定义的 逻辑信号，则滤波器单元2适于输出预定义的逻辑信号(例如“1”)。可以设置该时间间隔 的长度并且如滤波器单元2上方的箭头所表明的，可以将该长度传输到滤波器单元。将滤 波器单元2的输出端连接到第二逻辑单元3和脉冲发生器4。
第二逻辑单元3的目的在于产生表明满足了用于预终止过程的条件的信号，因此 可以执行一种断开过程。使用“接通”标记第二逻辑单元3的输出信号。如果从滤波器单 元2接收的输出信号不是预定义的逻辑信号(例如是“0” )，则该信号是第一逻辑状态，表 明当前不存在预终止。另一方面，如果经由线路38接收的0N/0FF信号表明该“接通”状态 并且如果从滤波器单元12接收的信号是预定义的逻辑信号，则第二逻辑单元3的输出信号 “接通”具有表明可以发生预终止的其它逻辑状态。可以由控制单元25中在图3和图4中 没有示出的其它单元或者设备内部使用该“接通”信号。
图5示出了作为时间t的函数的阀两端的电压VCE、阀电流ICE、栅极-发射极电 压VCE以及栅极充电电流IGE。对于上面的两个图，0位于该图的上半部的底部。对于下面 的两个图，0位于该图的下半部的中部。
图5示出了仿真的短路情形，其中转换器的相脚中的一个阀由多个阀的并联连接 代替，以使得在接通并联连接的阀时仿真短路。四个图示出了相脚中其它阀的相应电量。
在时刻0处，栅极电势VGE处于+15V的电平。这意味着该阀处于其接通状态。选 择该图的时间标度以使得图中的每一个矩形框具有2μ s的宽度。紧接在时刻2μ s之前，发生仿真的短路。结果，阀电流ICE快速升高。由于监测阀电流每时间单位的增加并且在紧 接仿真的短路之后超出相应的阈值电流，满足了用于预终止过程的标准，并且在处于50到 100纳秒，特别是例如70纳秒的60到80纳秒范围内的延迟时间(例如通过根据图4的滤 波器单元2满足)之后，开始预终止。这可以通过栅极充电电流IGE的急剧下降识别，这意 味着栅极被放电。在紧接时刻2μ s之后，充电电流IGE达到-13V的电平。这意味着产生 13V的放电电流。该电平持续大约600纳秒。此时，栅极电势VGE已经下降到大约9到IOV 并且 由于米勒电容而开始再次上升。而且，阀两端的电压VCE已经开始升高，这意味着已经 准备关闭阀(断开阀)的实际过程。然而，从在图的上半部可以看出，在时刻2.7ys处，阀 电流还没有达到其最大值。预终止过程之后伴随有断开阀的过程，在这两个过程之间没有任何时间间隙。通 过在阀两端的电压VCE升高的同时查看逐渐降低(S卩，充电电流逐渐升高到电平0)的栅极 放电电流IGE的形成，能够识别断开阀的过程。这只是断开过程的示例。其它实施例可以 包括控制放电电流的其它方式。在图5所示的特定实施例中，设计预终止过程以通过控制的放电电流从栅极去除 预定义的电荷量。然而，由于米勒电容可能同时导致充电电流，这并不确保在预终止结束时 栅极具有被去除的相应的电荷量。这实际上是由栅极电势VGE所示的情况。然而，在没有 预终止时，这种情况将是有意义的。这将参照图6进行描述。在图5中，在大约三微秒处阀电流达到其最大值。同时，阀两端的电压VCE开始快 速增加并且栅极处的电势VGE朝向0降低。断开过程已经获得了对短路情形的控制并且防 止了阀的损坏。图6示出了与图5类似的图，但是与图6中的时间标度不同(每一个矩形框仅具 有一微秒的宽度)。该图与短路情形相对应，其中不执行预终止。而是仅执行断开阀的标 准过程。而且，与图5的示例中的1800V相比较，图6的示例中DC链路电压是1200V。图6 示出了在由短路产生的阀电流急剧增加之后放电电流仅开始大约0. 5微秒。而且，由于集 电极_发射极电压VCE超出12V的阈值，放电电流再次降低(在时刻3. 15 μ s处)。然而， 这利用断开阀的其它策略可以避免。由于不执行预终止，阀电流达到最大值，该最大值比图5的示例中的最大值高 50%。而且，阀两端的电压VCE达到显著更高的最大值(在4. 5118的时刻处)，在该示例中 超出了阀的额定电压。图7示意性示出了与图5中相同的情形。此外，示出了作为时间t的函数位于该 图的上部和下部之间的两个逻辑信号。上面逻辑信号表明阀电流每时间单位的增加是否超 过了预定义的阈值。如果该逻辑信号是“1”(由阶梯函数的较上电平表示)，则满足用于预 终止过程的标准。下逻辑信号表明是否满足用于执行断开阀的过程的标准。在满足用于预终止过程的标准并且延迟时间间隔已经终止时，开始预终止过程并 且栅极放电电流被保持在恒定值直到预终止结束。在预终止期间，满足用于断开阀的过程 的标准。然而，预终止过程具有优先权并且越过断开阀的过程。因此，首先终止预终止过程 并且然后，在没有时间间隙的情况下，开始断开阀的过程。图8示意性示出了图6的情况。而且，与图7类似，示出了用于图6的短路情形的 两个逻辑信号。然而，由于不存在预终止，上逻辑信号将不触发预终止。
图9示意性示出了进一步的短路情形，其中执行预终止过程。然而，与图5和图 7的情形相比，阀电流的增加不连续。而且在电流的第一增加之后跟随有降低。尽管对阀 电流每时间单位的增加的相应测量信号进行滤波，但是该降低会使预终止过程中断，如图9 中的上逻辑信号所示。只要阀电流再次升高，预终止过程继续或者重新开始。
图10示出了非短路情形，其中激活预终止过程的监测功能。阀电流ICE是恒定的， 处于对于处于接通状态下的阀的正常操作典型的电平处。
由于干扰(例如，电磁感应)，表明满足了用于预终止过程的标准的逻辑信号变为 逻辑高并且开始预终止过程，这可以通过栅极充电电流和栅极电势的降低识别。然而，由于 预终止功能不会导致降低的阀电流，不会影响阀的正常操作。
权利要求
1.一种操作转换器中，特别是高功率转换器中的电子阀(18)的方法，其中所述阀包括 电绝缘的控制电极(G)并且其中所述方法包括步骤-在所述阀(18)打开的同时监测所述转换器和/或所述阀(18)的操作状态，-如果所述操作状态满足表明存在影响经过所述阀(18)的电流的短路的第一预定义 标准，则执行使所述控制电极(G)放电以关闭所述阀(18)的第一过程，其特征在于-如果所述操作状态满足表明可能存在影响经过所述阀(18)的电流的短路的第二预 定义标准，则在满足所述第一标准之前或者在开始所述第一过程之前执行使所述控制电极 (G)放电的第二过程。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第二过程不关闭所述阀(18)。
3.如权利要求1或者2所述的方法，其中所述第二过程从所述控制电极(G)取回预定 义量的电荷。
4.如权利要求1到3之一所述的方法，其中所述第二过程从所述控制电极(G)取回在 所述阀的正常非短路操作条件期间不降低经过所述阀(18)的电流的量的电荷。
5.如前述权利要求之一所述的方法，其中仅在所述操作状态在预定义长度的时间间隔 上满足所述第二预定义标准时执行使所述控制电极(G)放电的所述第二过程。
6.如前述权利要求之一所述的方法，其中如果所述操作状态满足表明不存在影响经过 所述阀(18)的电流的短路的第三预定义标准，则立即终止使所述控制电极(G)放电的所述 第二过程。
7.如权利要求1到5之一所述的方法，其中如果所述操作状态在预定义长度的时间间 隔上满足表明不存在影响经过所述阀(18)的电流的短路的第三预定义标准，则终止使所 述控制电极(G)放电的所述第二过程。
8.如前述权利要求之一所述的方法，其中通过固件，特别是通过复杂可编程逻辑设备 或者现场可编程门阵列来执行是否满足所述第二预定义标准的判断和/或使所述控制电 极(G)放电的所述第二过程。
9.如前述权利要求之一所述的方法，其中一旦已经开始所述第一过程或者一旦已经决 定开始所述第一过程，则所述第一过程是与是否满足所述第一预定义标准无关地关闭所述 阀(18)的过程。
10.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述第二预定义标准包括位于所述阀(18) 的所述控制电极(G)与另一电极(EK)之间的电压处于预定义范围内的标准，所述预定义范 围包括与所述控制电极(G)的过量电荷相对应的值，其中过量电荷与所述阀(18)的操作状 态相比较，在所述操作状态中，所述阀(18)完全打开以承载在正常操作期间最大可能的阀 电流，但是在不限制所述阀电流的情况下不从所述控制电极(G)取回电荷。
11.如前述权利要求之一所述的方法，其中在所述第一过程中与在所述第二过程中从 所述控制电极(G)取回电荷的电流大小不同。
12.一种用于操作转换器中，特别是高功率转换器中的电子阀(18)的结构，其中所述 阀包括电绝缘的控制电极(G)并且其中所述结构包括监测单元(57)，适于在所述阀(18)打开的同时监测所述转换器和/或所述阀的操作状态，-驱动单元(55)，适于在所述操作状态满足表明存在影响经过所述阀(18)的电流的短 路的第一预定义标准时，执行使所述控制电极(G)放电以关闭所述阀(18)的第一过程，-驱动单元(55)，适于在所述操作状态满足表明可能存在影响经过所述阀(18)的电流 的短路的第二预定义标准时，在满足所述第一标准或者在开始所述第一过程之前执行使所 述控制电极(G)放电的第二过程。
13.如前述权利要求所述的结构，其中所述结构适于执行所述第二过程以使得所述阀 (18)不由所述第二处理器关闭。
14.如前述权利要求之一所述的结构，其中所述结构适于以从所述控制电极(G)取回 预定义量的电荷的方式来执行所述第二过程。
15.如前述权利要求之一所述的结构，其中所述结构适于以从所述控制电极(G)取回 在所述阀的正常非短路操作条件期间不降低经过所述阀(18)的所述电流的量的电荷的方 式来执行所述第二过程。
16.如前述权利要求之一所述的结构，其中所述结构适于仅在所述操作状态在预定义 长度的时间间隔上满足所述第二预定义标准时执行使所述控制电极(G)放电的所述第二 过程。
17.如前述权利要求之一所述的结构，其中所述结构适于在所述操作状态满足表明不 存在影响经过所述阀(18)的电流的短路的第三预定义标准时立即终止使所述控制电极 (G)放电的所述第二过程。
18.如权利要求12到16之一所述的结构，其中所述结构适于在所述操作状态在预定义 长度的时间间隔上满足表明不存在影响经过所述阀(18)的电流的短路的第三预定义标准 时，终止使所述控制电极(G)放电的所述第二过程。
19.如前述权利要求之一所述的结构，其中所述结构包括适于决定是否满足所述第二 预定义标准和/或执行使所述控制电极(G)放电的所述第二过程的固件，特别是复杂可编 程逻辑设备或者现场可编程门阵列。
20.如前述权利要求之一所述的结构，其中所述结构适于在一旦已经开始所述第一过 程或者一旦已经决定开始所述第一过程时，与是否仍然满足所述第一预定义标准无关地执 行作为关闭所述阀(18)的过程的所述第一过程。
21.如前述权利要求之一所述的结构，其中所述第二预定义标准包括位于所述阀(18) 的所述控制电极(G)与另一电极(EK)之间的电压处于预定义范围内的标准，所述预定义范 围包括与所述控制电极的过量电荷相对应的值，其中所述过量电荷与所述阀的操作状态相 比较，在所述阀的所述操作状态中，所述阀完全打开用于承载在正常操作期间最大可能的 阀电流，但是在不限制所述阀电流的情况下不从所述控制电极取回电荷。
22.如前述权利要求之一所述的结构，其中在所述第一过程中与在所述第二过程中从 所述控制电极(G)取回电荷的电流大小不同。
全文摘要
本发明涉及一种操作转换器中，特别是高功率转换器中的电子阀的方法，其中所述阀包括电绝缘的控制电极并且其中所述方法包括步骤在所述阀打开(例如，产生逻辑时间依赖信号“高di/dt”和“短路”)的同时监测所述转换器和/或所述阀的操作状态，如果所述操作状态满足表明存在影响经过所述阀(18)的电流的短路的第一预定义标准(由“短路＝1”表示)，则执行使所述控制电极(G)放电的第一过程以关闭所述阀(18)(所述过程在右侧垂直虚线之后开始)，如果所述操作状态实现表明可能存在影响经过所述阀(18)的电流的短路的第二预定义标准(由“高di/dt＝1”表示)，则在满足所述第一标准之前或者开始所述第一过程之前执行使所述控制电极(G)放电的第二过程(所述过程在左侧垂直虚线处开始)。
文档编号H02M1/32GK102037637SQ200980118269
公开日2011年4月27日 申请日期2009年3月23日 优先权日2008年3月28日
发明者K·奥林, P·文纳龙德, W·A.·贝文 申请人:邦巴尔迪尔运输有限公司