用于功率变换器的栅极驱动器的制造方法

用于功率变换器的栅极驱动器的制造方法
【专利摘要】提供了一种用于功率变换器的栅极驱动器，其中所述栅极驱动器包括低侧电路以及耦合到低侧电路的高侧电路，其中所述高侧电路包括检测电路，所述检测电路被适配成提供指示低侧电路的故障条件的误差信号。
【专利说明】用于功率变换器的栅极驱动器

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于功率变换器的栅极驱动器的领域，具体地涉及用于具有多个功率 变换器模块的功率变换器的栅极驱动器。此外，本发明涉及包括栅极驱动器的功率变换器。 此外，本发明涉及操作栅极驱动器的方法。

【背景技术】
[0002] 多兆瓦功率的电子变换器通常采用使用以软并联相连接的多个逆变器模块的模 块化方法。在这样的系统中，每个模块的输出经由平衡电抗器（reactor)而连接到共同的 负载。平衡电抗器的主要目的是适应不可避免的定时和逆变器模块之间的电压差，并且然 后提供通过其而在逆变器模块之间实现有功电流平衡的设施的重要部分。
[0003] 图1示意性地示出风力涡轮机100的电气系统。风力涡轮机的叶片101耦合到发 电机102,所述发电机102经由发电机电路断路器（GCB) 103而耦合到电气系统。所述电气 系统包括多个平衡电抗器104,其耦合到GCB并且被用于将发电机所生成的功率转向到并 联连接的多个逆变器或功率变换器模块105中以便例如在若干兆瓦的范围中的高功率输 出可以由风力涡轮机的电气系统进行处理。只在图1中示意性地描绘了功率变换器并且每 一个包括发电机桥106、电压钳107和网络桥108。逆变器或功率变换器的输出耦合到另外 的平衡电抗器109,所述平衡电抗器109用于执行不可避免的定时并处理逆变器模块之间 的电压差。所述另外的平衡电抗器的输出经由感应性装置（LN)lll而连接到网络电路断路 器（NCB) 110和脉冲宽度调制滤波器（PWM) 112。NCB的输出继而耦合到风力涡轮机变压器 113并且经由用于网络的自保护的另外的电路断路器（MVCN) 114而耦合到用于传导风力场 的生成的电功率的风力场收集器网络115。
[0004] 此外，所述电气系统包括风力涡轮机控制器116和控制器117,这二者用于控制逆 变器或功率变换器模块。
[0005] 在典型的LV功率变换器中，以接地电位而操作的控制器生成开启和关断命令信 号以用于平衡电抗器的每个绝缘栅双极型晶体管（IGBT)栅极。IGBT栅极以自接地电位数 百伏特的电位而操作并且因此低电压命令信号必须从IGBT栅极电位电流隔离。该信号调 节和隔离由栅极驱动电路或栅极驱动器执行。栅极驱动电路板具有"低侧"电路，其通过使 用脉冲变压器而向和自"高侧"电路传输信号。
[0006] 对于某些内部组件故障条件，来自控制器的IGBT关断信号不能经由脉冲变压器 传输到高侧以便关断平衡电抗器的IGBT。这表示IGBT的导通状态的控制的暂时失去，这可 能导致功率变换器或逆变器的故障。
[0007] 因而，可能存在以下需要：提供一种方法，其可以避免或至少降低这样的控制失去 的概率。


【发明内容】

[0008] 该需要可以由根据独立权利要求的主题来满足。由从属权利要求来描述有利实施 例。
[0009] 根据示例性方面，提供了用于功率变换器的栅极驱动器，其中所述栅极驱动器包 括低侧电路和耦合到低侧电路的高侧电路，其中所述高侧电路包括检测电路，所述检测电 路被适配成提供指示低侧电路的故障条件的误差信号。
[0010] 特别地，低侧电路和高侧电路可以通过耦合元件而耦合到彼此，所述耦合元件被 适配成传输例如电信号或光学信号这样的信号，和/或传输AC电流但是阻断DC电流。
[0011] 因而，低侧电路和高侧电路可以关于DC电流而与彼此隔离。例如，所述耦合元件 可以是变压器或电容器。然而，所述耦合元件可以是光纤或光耦合器，这二者都适合于传输 信号但是阻断电流。
[0012] 应当注意的是，术语"栅极驱动器"不受限于被适配成驱动晶体管的栅极的设备而 是必须在更广的意义上来理解。特别地，被适配成或适合于通过将驱动、控制或切换信号提 供到切换元件的输入端子来驱动或控制切换元件的任何设备可以被视为栅极驱动器。
[0013] 术语"检测电路"可以特别指代适合于和/或被适配成检测低侧电路的故障条件 并且基于该检测而提供和/或生成指示故障条件的检测和/或误差信号的任何电子电路装 置。
[0014] 根据示例性方面，提供了电子变换器，其包括根据示例性方面的栅极驱动器以及 切换元件，所述切换元件具有被耦合到栅极驱动器的输出端子的输入端子。
[0015] 根据示例性方面，提供了对根据任何示例性方面的栅极驱动器进行操作的方法， 其中所述方法包括在高侧电路处检测低侧电路的误差条件，所述高侧电路在检测到误差条 件时生成误差信号，并且将所述误差信号提供给切换元件。
[0016] 根据示例性方面，提供了计算机程序，其当由处理器执行时，被适配用于控制根据 示例性方面的方法。
[0017] 如本文使用的，对计算机程序的提及旨在等同于对程序元件和/或对包含指令的 计算机可读介质的提及，所述指令用于控制处理器或计算机系统以协调对栅极驱动器进行 操作的方法的执行。计算机程序元件可以以任何适合的编程语言(诸如，例如JAVA、C++)而 实现为计算机可读指令代码并且可以存储在计算机可读介质(可移动盘、易失性或非易失 性存储器、嵌入式存储器/处理器等等)上。指令代码可操作以对计算机或任何其它可编程 设备进行编程以实施所意图的功能。计算机程序可以是从网络(诸如万维网）可得到的，从 所述网络可以下载所述计算机程序。
[0018] 特别地，切换元件可以是电子变换器的晶体管。特别地，电子变换器可以包括多个 变换器级或模块，其各自包括至少一个栅极驱动器并且并联地耦合以便增加通过电子变换 器可提供的电流和/或功率量。电子变换器(其可以是多兆瓦功率电子变换器)可以包括平 衡电抗器，所述平衡电抗器被适配成提供针对电子变换器的不同变换器级的定时和/或电 压适配或匹配。
[0019] 通过提供被适配成提供指示栅极驱动器的低侧电路的故障或故障条件的误差信 号的栅极驱动器，可以有可能降低逆变器或功率变换器故障的可能性。这对于某些内部组 件故障条件可能尤其成立，例如，由于短路组件和/或栅极驱动时钟信号的失去所引起的 "低侧"电路上功率的突然失去。在这样的情况下，用于切换元件(例如晶体管(如同IGBT)) 的关断信号可以足够快地从控制器被传输以便能够关断切换元件。因而，可以避免切换元 件的导通状态的控制的暂时失去。特别地，可以有可能避免以下情形：如果切换元件在故障 时刻处于开启状态并且传导电流，其将保持开启并且传导电流直到"高侧"电子器件的功率 供应失效（由高侧本地贮存器电容器所支撑）崩溃至其欠电压锁定阈值为止。
[0020] 接下来描述栅极驱动器的另外的实施例。然而，相应的特征也可以与电子变换器、 操作栅极驱动器的方法以及计算机程序相组合。
[0021] 根据栅极驱动器的示例性实施例，低侧电路和高侧电路与彼此电流分离。特别地， 可以通过提供变压器、通过光纤或光耦合器来执行分离或隔离。
[0022] 根据示例性实施例，栅极驱动器此外包括脉冲变压器，其中所述脉冲变压器被适 配成将低侧电路耦合到高侧电路。
[0023] 相比于光纤或光耦合器，将脉冲变压器用作耦合或隔离的手段可以提供信号等待 时间（以及等待时间的变化)、歪斜（以及歪斜的变化)、电压隔离能力、寿命/性能降级以及 成本的优化。脉冲变压器可以使用由高侧锁存的用以开启的电压脉冲以及用以关断的脉冲 的形式。
[0024] 根据示例性实施例，所述栅极驱动器此外包括输出端子，所述输出端子被适配成 以使得在切换元件的切换输入端子处提供误差信号的方式耦合到切换元件。
[0025] 特别地，切换元件可以是晶体管，优选地是功率晶体管，并且可以是IGBT、M0SFET、 BPT、GT0 或IGCT。
[0026] 根据栅极驱动器的示例性实施例，故障条件是低侧功率供应的失去和/或低侧电 路的时钟信号的失去。
[0027] 例如，低侧功率供应的失去可以是由短路组件引起的。
[0028] 根据栅极驱动器的示例性实施例，检测电路被适配成在低于预定限制的时间跨度 中提供误差信号。
[0029] 特别地，预定限制可以被定义为短得足以当切换元件耦合到栅极驱动器时保护所 述切换元件的时间跨度。预定限制的示例可以是1毫秒、100微秒、50微秒或甚至10微秒。
[0030] 根据栅极驱动器的示例性实施例，高侧电路包括顶部部分和底部部分。
[0031] 根据栅极驱动器的示例性实施例，高侧电路包括功率供应电路和逻辑电路，其中 高侧功率供应电路耦合到低侧功率供应电路。
[0032] 特别地，检测电路可以是逻辑电路的部分或者检测电路的至少一些部分或组件可 以是逻辑电路的部分。然而，检测电路或者检测电路的至少一些部分或组件可以是功率供 应电路的部分。
[0033] 根据栅极驱动器的示例性实施例，检测电路包括以使得检测信号是可生成的方式 耦合到彼此的一对二极管和RC滤波器。
[0034] 特别地，检测电路可以是高侧功率供应电路的部分并且该对二极管和RC滤波器 以使得检测信号被供应到逻辑电路的方式耦合到彼此。检测信号可以用于生成误差信号或 可以本身是误差信号，这取决于检测电路的特定实现方式。
[0035] 对于供给一对二极管和RC滤波器而言可替换地或附加地，有可能使用被适配成 提供适合于提供误差信号的快速(例如，比1毫秒更快或者甚至比100微秒更快的）逻辑信 号的任何其它配置。例如，另一数目的二极管可以被使用并且可以因而形成检测电路的至 少一部分。同样地，可以使用检测电路或逻辑电路，其被适配成检测被调制到功率供应上的 方波载波或方波信号。在这样的情况下，边沿触发的定时器/单稳态或锁相环路可以用于 基于检测到方波载波的存在而提供高速信号作为检测信号和/或误差信号，所述误差信号 然后可以用于关断对应的平衡电抗器的切换元件。
[0036] 根据栅极驱动器的示例性实施例，逻辑信号被供应到具有输出端子的与（AND)和 /或与非（NAND)元件，其中所述与和/或与非元件被适配成在输出端子处提供误差信号。 [0037] 概括示例性实施例的要点可以见于提供或生成检测或误差信号中，所述检测或误 差信号指示故障条件并且在高侧（即，栅极驱动器的高侧电路）处生成。这必须与在低侧电 路上所执行的相电流测量(用于闭环电流控制、电流平衡和过电流保护通行区别。然而，低 侧上的检测在特定情况下可能具有一些缺点，当在高侧处生成误差信号时，所述缺点可以 被避免。例如，由于已经在高侧上生成误差信号，可以避免以下缺点：在某些内部组件故障 条件(例如，由于短路组件或栅极驱动时钟信号的失去所引起的"低侧"电路上功率的突然 失去）下，来自控制器的晶体管(例如IGBT)关断信号不能经由脉冲变压器而传输到高侧以 便关断相应晶体管。
[0038] 在高侧上生成误差信号可以避免晶体管的导通状态的控制的暂时失去，如果IGBT 在故障的时刻处于开启状态并且传导电流，则所述控制的失去将会导致以下事实：所述 IGBT将保持开启并且传导电流直到"高侧"电子器件的功率供应失效（由高侧本地贮存器电 容器所支持）崩溃至其欠电压锁定阈值为止。在该点处，及时地(可能地在所发生的故障之 后若干毫秒）晶体管栅极将被关断。然而，晶体管关断的该延迟(其可能引起对晶体管的损 害）在高侧电路上已经生成误差信号的情况下可以被避免。
[0039] 使用根据示例性实施例的栅极驱动器对于以下情形可以是特别有用的，其中： a) 逆变器模块或功率变换器模块并联地操作(例如，在多兆瓦逆变器中）和/或 b) 逆变器模块连接到在延长的时段内是电压源的负载(例如，大型电感/PM发动机/ 发电机或供应网络)，因为然后可能发生附加的更严重的后果，其需要在毫秒以下的短得多 的时间(例如几微秒）内关断晶体管，否则可能发生晶体管破坏。
[0040] 因而，根据示例性实施例，可以提供栅极驱动器或栅极驱动电子器件的高侧上的 简单设施，其监控栅极驱动器电子器件的低侧的健康状况，并且有可能自主地在非常短的 时间（几微秒而不是毫秒）内关断晶体管，所述非常短的时间短得足以在特定于并联逆变器 和针对连接到AC电压源的一些故障条件期间防止电流累积到破坏性水平。
[0041] 此外，创造性想法可以见于将对现有高频(大约500kHz)功率供应（由低侧电路所 生成）的高速监控用作对低侧电路故障的足够迅速的检测手段，从而不需要附加的复杂电 路或者要跨隔离屏障而传输的附加信号。
[0042] 必须注意到，已经参照不同主题描述了实施例。特别地，已经参照方法类型权利要 求描述了一些实施例而已经参照装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术 人员将从以上和以下描述中得出，除非另行告知，否则除了属于一种类型的主题的特征的 任何组合之外，在有关不同主题的特征之间、特别是在方法类型权利要求的特征以及装置 类型权利要求的特征之间的任何组合也被视为将与本申请一起公开。
[0043] 以上定义的方面和另外的方面从下文中要描述的实施例的示例中显而易见并且 参照实施例的示例来被解释。本发明将在下文参照实施例的示例而被更详细地描述但是本 发明不限于所述实施例的示例。

【专利附图】

【附图说明】
[0044] 图1示意性地示出风力润轮机。
[0045] 图2示意性地示出栅极驱动器的原理布局。
[0046] 图3示意性地示出根据示例性实施例的栅极驱动器的布局。
[0047] 图4示意性地示出被用于解释故障条件的电路。
[0048] 图5示意性地示出特定故障的示例。

【具体实施方式】
[0049] 附图中的图示是示意性的。注意到，在不同的图中，类似或等同的元件可以被提供 有相同的附图标记或者仅仅在第一数位不同于对应附图标记的附图标记。
[0050] 图2示意性地示出栅极驱动器200的原理布局。特别地，图2示出低侧电路201和 高侧电路202,所述高侧电路202包括顶部部分203和对称的底部部分204。低侧电路和高 侧电路经由为高侧电路提供功率供应的相位变压器或功率供应变压器205而耦合到彼此。 此外，提供了附加变压器206和207,其分别将低侧电路与高侧电路的顶部部分和底部部分 相奉禹合。
[0051] 此外，高侧电路包括功率供应电路208,其耦合到功率供应变压器205并且向高侧 电路提供功率。特别地，功率供应电路208包括分别形成用于高侧电路的顶部部分和底部 部分的功率供应的两个部分209和210。功率供应电路208的两部分中的每一个包括二极 管和电容器(例如，本地贮存器电容器)，并且分别连接到高侧电路的顶部部分211和高侧电 路的底部部分212的逻辑部分。
[0052] 高侧电路的顶部部分211的逻辑部分包括在一侧上耦合到信号调节单元214的控 制逻辑213,所述信号调节单元214然后耦合到栅极驱动器的第一端子215。在另一侧上， 控制逻辑213耦合到附加变压器中的一个206。类似地，高侧电路的底部部分212的逻辑部 分包括在一侧上耦合到信号调节单元217的控制逻辑216,所述信号调节单元217然后耦合 到栅极驱动器的第二端子218。在另一侧上，控制逻辑216耦合到附加变压器中的另一个 207。经由附加变压器，顶部命令信号或顶部控制信号以及底部命令信号或底部控制信号分 别被提供到高侧电路的顶部部分和底部部分。
[0053] 第一端子215和第二端子218耦合到相连接元件219,所述相连接元件219包括与 二极管221并联耦合的第一晶体管220,其中第一端子215连接到第一晶体管220的栅极。 相连接元件219的第二晶体管222耦合到第二端子218并且并联连接到第二二极管223。 晶体管220的源极耦合到电压DC+而晶体管222的源极耦合到电压DC-。晶体管的漏极均 耦合到相连接，所述相连接然后耦合到平衡电抗器224。
[0054] 图3示意性地示出根据示例性实施例的栅极驱动器的布局。图3的栅极驱动器与 图2中描绘的栅极驱动器大体上等同，以使得在以下仅仅描述差异。特别地，根据图3的栅 极驱动器的功率供应电路包括检测电路或元件，其中一个检测电路330被提供用于功率供 应电路的顶部部分并且第二检测电路331被提供用于功率供应电路的底部部分。特别地， 第一和第二检测电路330和331中的每一个分别包括一对二极管332和333以及334和 335,以及RC滤波器336和337,其具有在微秒范围内的时间常数，例如小于100微秒，例如 大约2微秒。与非常短时间常数的RC滤波器相组合以用于在经整流的500kHz方波）中出 现的小间断的附加二极管提供在低侧功率供应失去的情况下或者在时钟信号失去的情况 下迅速下降的信号(其将会导致命令信号冻结在当前状态中）。因而，检测电路提供有效地 作为"IGBT开启使能"信号的功能。分别由与或者与非元件338和339将相应的信号与由 控制逻辑提供的现有"高侧"栅极命令信号相与。所得到的经与化的信号被提供到信号调 节单元并且在低侧上发生的故障的几微秒内关断IGBT，从而防止破坏性的电流演进。
[0055] 可替换的解决方案包括迅速检测（< 10微秒）电压失去以及功率供应的切换的不 存在而同时在充足的时间内保持高侧功率供应(在贮存器电容中所存储的能量）来以受控 的方式关断IGBT的任何方法。
[0056] 这些可替换解决方案包括： 可替换的二极管布置，其致使生成相同的有效(快速）误差信号； 通过使用边沿触发的定时器/单稳态或锁相环路来检测方波载波的存在，来自其中的 高速信号可以用于关断IGBT。
[0057] 下文中，更详细地描述了可能发生的一些特定故障条件。
[0058] 首先将解释当逆变器模块并联地操作时可能发生的故障条件的后果。在任何给定 时刻，特定相上的总负载电流在"η"个软并联的逆变器模块之间被均等地共享，以使得不超 过每个逆变器模块的额定电流。然而，如果在并联的逆变器模块中之一上发生故障条件(例 如，功率供应失去或时钟信号失去)，使得单个IGBT在延长的时段内错误地保持在开启状态 中，并且所得到的命令被发布以关断IGBT，则η-1个IGBT将立即关断，随后是在其栅极驱动 上具有故障的IGBT在数毫秒以后关断。
[0059] 这样的后果是：n个并联逆变器模块的占优势的（prevailing)相电流(在故障的 时亥IJ)将被转向已保持开启的单个IGBT中，这以仅由平衡电抗器的电感所确定的速率。在 几微秒内，总的占优势的相电流被传递到单个IGBT。如果占优势的相电流(对于η个并联逆 变器模块)大于单个IGBT的电流换向限制，则这将导致IGBT超过其最大的换向限制并且导 致破坏。在该故障条件之后安全关断的最大可接受的延迟时间因此为：

【权利要求】
1. 用于功率变换器的栅极驱动器（200)，所述栅极驱动器包括： 低侧电路（201)， 耦合到低侧电路（201)的高侧电路（202 )， 其中所述高侧电路（202)包括检测电路（330、331)，所述检测电路被适配成提供指示 低侧电路（201)的故障条件的误差信号。
2. 根据权利要求1所述的栅极驱动器（200)，其中低侧电路（201)和高侧电路（202)与 彼此电流分离。
3. 根据权利要求1或2所述的栅极驱动器（200)，其中所述栅极驱动器（200)还包括 脉冲变压器（205)，其中所述脉冲变压器（205)被适配成将低侧电路（201)耦合到高侧电路 (202)。
4. 根据权利要求1到3中任一项所述的栅极驱动器（200)，其中所述栅极驱动器（200) 还包括输出端子（215、218)，所述输出端子被适配成以使得在切换元件（220、222)的切换 输入端子处提供误差信号的方式耦合到切换元件（220、222 )。
5. 根据权利要求1到4中任一项所述的栅极驱动器（200)，其中所述故障条件是低侧 功率供应的失去和/或低侧电路的时钟信号的失去。
6. 根据权利要求1到5中任一项所述的栅极驱动器（200)，其中所述检测电路（330、 331)被适配成在低于预定限制的时间跨度中提供误差信号。
7. 根据权利要求1到6中任一项所述的栅极驱动器（200)，其中所述高侧电路（202)包 括顶部部分（203)和底部部分（204)。
8. 根据权利要求1到7中任一项所述的栅极驱动器（200)，其中所述高侧电路（202)包 括功率供应电路（209 )以及逻辑电路（211 )，其中所述高侧功率供应电路（209 )耦合到低侧 功率供应电路。
9. 根据权利要求1到8中任一项所述的栅极驱动器（200)，其中所述检测电路（330、 331)包括以使得检测信号是可生成的方式而耦合到彼此的一对二极管（332、333、334、335) 以及RC滤波器（336、337)。
10. 根据权利要求1到8中任一项所述的栅极驱动器（200)，其中所述逻辑信号被供应 到具有输出端子的与和/或与非兀件（338、339)，其中所述与和/或与非兀件被适配成在输 出端子处提供误差信号。
11. 一种电子变换器，其包括： 根据权利要求1到10中任一项所述的栅极驱动器（200)， 具有输入端子的切换元件（220、221)，所述输入端子耦合到栅极驱动器（200)的输出 端子（215、218)。
12. -种对根据权利要求1到10中任一项所述的栅极驱动器（200)进行操作的方法， 包括以下步骤： 在高侧电路（202)处检测低侧电路（201)的误差条件； 在检测到误差条件时生成误差信号；以及 将误差信号提供到切换元件（220、222 )。
13. -种用于对驱动电路进行操作的计算机程序，所述计算机程序当由处理器执行时 被适配用于控制如在权利要求12中所阐述的方法。
【文档编号】H02H7/122GK104303405SQ201380026963
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年2月13日 优先权日:2012年5月24日
【发明者】P.P.韦特 申请人:西门子公司