专利名称：用于保护可控电源开关的电路和方法
技术领域：
本发明涉及用于保护可控电源开关、并且特别是包括在用于将DC电压转换成AC电压的转换器模块部中的电源开关的电路和方法。此外，本发明涉及一种用于将DC电压转换成AC电压、特别是将在诸如风力涡轮机场的发电厂中使用的转换器模块。
背景技术：
为了向公用电力网提供电能，发电厂可以包括用于将可变频率功率信号(或电压或电流)转换成固定频率(例如50 Hz或60 Hz)AC信号(或电压或电流)的一个或多个转换器模块(也称为逆变器模块)。在典型转换器模块中，可以首先使用许多功率晶体管将可变频率AC功率信号转换成DC信号(或电压或电流)。此外，可以随后使用一个或多个(特别地，针对两级三相逆变器为六个)功率晶体管将DC信号(或电压或电流)转换成固定频率AC信 号(或电压或电流)一基本示例参见图6。可以由相应的控制电路关于其传导性来控制被连接到DC信号(或电压或电流)(也称为DC链路)的功率晶体管，以便在转换器模块的三个输出端子处递送三相AC信号(或电压或电流)。特别地，可以将转换器模块实现为电半导体功率转换单元。可以知道功率转换单元中的功率半导体在关断过渡(transition)期间被暴露于感应过电压。请注意，由于开关功率电路中的不可避免的阻抗，这种现象可以不限于图6所示的逆变器拓扑结构，而是其可能是开关转换器领域中普遍认识到的问题。该问题的本质可以是关断功率半导体器件可以通过逆变器功率电路的漏电感生成在微秒至亚微秒时域内的瞬时过电压。如果不加控制，此过电压可能导致功率半导体器件的击穿，其随后可能导致功率半导体器件的灾难性故障。控制此功率半导体关断相关过电压的技术包括连接在(例如)IGBT器件(作为功率半导体器件的示例)的(比如说)集电极和栅极之间的齐纳或transil型二极管的使用。然后注意逆变器模块中的功率半导体器件的应用条件(或者特别是逆变器模块的有源(active)整流器操作模式)，如果来自感应馈送ac端子的功率流和关联电流被终止，则为了使在被连接到逆变器(在有源整流器模式下操作)的ac端子的馈送电感器中电流为零(例如直接驱动风力涡轮机的示例中的永磁发电机的漏电感)，则必须向漏电感施加足够的伏秒(按照文本描述，重置伏秒)。在重置发生的所有时间，正在从漏电感向在有源整流模式下操作的逆变器的DC链路电路传递能量。还进一步从发电机的轴接收能量(并且在从涡轮机的叶片和风接收能量之前)，其是重置时段期间的发电机的反电动势(电磁力)和重置时段期间的发电机电流波形的函数。在典型方案中，使发电机的漏电感中的电流重置至零的时间将约为10 ms - 20 ms，并且在此事件期间大量的能量被从发电机传递至DC链路。如果，在典型的风力涡轮机功率转换器中，DC链路被连接到网络逆变器以进一步处理从永磁发电机接收到的功率并将其传递至供电网或电力网，则DC链路电压不会显著地上升，除与功率半导体器件的关闭相关联的最初比如说I μ s电压尖峰之外。然而，如果关断发电机桥接器的功率半导体器件的原因是由于作为此能量的接收机的网络的不可用性，则在关断事件(在发电机中使漏电感电流重置至零)期间从发电机接收到的能量可以对DC链路电容充电。根据DC链路电容的大小标注，最终的DC链路电压可以显著地超过在功率半导体器件的关断期间控制过电压所需的齐纳或transil钳位(clamp)网络的操作阈值。如果未包括对策，则齐纳或transil钳位网络将导致对整个逆变器系统造成灾难性损坏，因为齐纳或transil钳位网络将迫使功率半导体进入导通状态并使功率半导体器件暴露于远远超过其耗散能力的能量。特别地，直接驱动永磁发电机与相同额定值的感应机器相比一般可以以高漏电感为特征。在某些故障场景期间，存储在该漏电感中的能量的量可能由于非常高的电流而变得非常高。当此能量随后被传递至DC链路电容器(其可以表示储能元件)时，DC链路电压可以上升至高电平。在某些最坏情况场景中，DC链路电压可以显著地上升至钳位电平之上，并且最后钳位方案变成威胁而不是保护机制，因为半导体随后将耗散超过其能力的能量且可能被损坏。 因此，特别是在转换器模块的DC链路处发生的过电压可能对包括在转换器模块中的部件、特别是功率晶体管是有损害的。从而，功率晶体管或者一般地可控开关可能由于过电压而被毁坏。为了管理此问题，描述了本发明的有条件有源钳位电路。可能存在对用于保护被连接在可向其施加电压的端子之间的可控电源开关、特别是功率晶体管的电路和方法的需要。此外，可能存在对用于保护可控电源开关的电路和方法的需要，该可控电源开关使得能够实现可控电源开关的保护和电源开关的端子之间的电压钳位。此外，可能存在对用于保护可控电源开关的电路和方法的需要，其中，可以更有效地执行电压钳位。
发明内容
可以由根据独立权利要求的主题来满足此需要。由从属权利要求来描述本发明的有利实施例。根据一个实施例，一种用于保护连接在电路的第一端子与电路的第二端子之间的可控电源开关(特别是晶体管，特别是功率晶体管，例如双极型隔离栅晶体管(IGBT)或等效功率半导体开关、双极结晶体管或M0SFET)免于遭受过电压(特别是DC过电压，诸如可施加在电路的第一端子与电路的第二端子之间的过电压，其根据应用可能达到几kV)的电路。该电路包括可控电源开关(例如半导体电源开关、功率晶体管、IGBT、双极结晶体管或M0SFET)，其具有被连接到电路的第一端子的第一电源开关端子(诸如漏极或集电极)、被连接到电路的第二端子的第二电源开关端子(诸如源极或发射极)以及电源开关控制端子(诸如栅极端子)，其中，第一电源开关端子与第二电源开关端子之间的导通状态(特别地用通过可控电源开关从第一电源开关端子流至第二电源开关端子的电流的可能性来表示)基于施加于电源开关控制端子与第二电源开关端子之间的电压；二极管(例如半导体电部件，特别是齐纳二极管或transil 二极管)，其具有第一二极管端子(诸如阳极)和第二二极管端子(诸如阴极)，该二极管允许电流在第一二极管端子与第二二极管端子之间沿正向流动并允许电流沿着与正向相反的反向流动，当在第二二极管端子与第一二极管端子之间施加的电压在二极管阈值电压(当二极管是齐纳二极管时，也称为击穿电压)之上时，第二二极管端子被连接到第一端子。此外，该电路包括具有被连接到第一二极管端子的第一控制开关端子(诸如漏极或集电极)、具有第二控制开关端子(诸如源极或发射极)以及控制开关控制端子(诸如控制开关的栅极端子)的可控控制开关(例如半导体器件，诸如晶体管，例如双极结晶体管、MOSFET、IGBT等)，其中，第一控制开关端子与第二控制开关端子之间的导通状态基于在控制开关控制端子与第二控制开关端子之间施加的电压，其中，施加于电源开关控制端子的信号基于第二控制开关端子处的信号。齐纳二极管一般是以齐纳效应为特征的低压器件。transil晶体管与齐纳二极管类似地操作，在被反向偏置时具有很好地定义的“拐”点。但是钳位机制是不同的一称为雪崩效应。transil由于其耗散高峰值功率的能力而通常是用于高压应用的选择。保护电路还可以与一个或多个双向transil —起工作，其具有与背对背串联连接的齐纳二极管(等同于端子一被连接到每个齐纳二极管的端子一)类似的特性。诸如ST型SMCJxxCA-TR的双向transil是代表类型。
意图针对施加于第一电源开关端子与第二电源开关端子之间的过电压对可控电源开关进行保护。可控电源开关可以是例如转换器模块(的一部分)的部件，特别是用于将DC信号(或电压或电流)转换成固定频率AC信号(或电压或电流)。可控电源开关特别地可以是IGBT、M0SFET或双极结晶体管等。特别地，在电源开关控制端子(诸如栅极)与第二电源开关端子(诸如发射极)之间施加的电压可以确定可控电源开关是处于导通状态(将电流从第一电源开关端子传导至第二电源开关端子)还是处于非导通状态(其中不允许电流从第一电源开关端子流到第二电源开关端子)。如果在二极管端子处施加的电压大于也称为“齐纳拐点电压”或“齐纳电压”的击穿电压(其可以被用作用于术语“二极管阈值电压”的同义词)，则二极管特别地可以是允许电流不仅沿正向(类似于正常二极管)而且允许电流沿反向的齐纳二极管。当在电路的第一端子与第二端子之间施加正电压时(在第一端子处施加的电位高于在第二端子处施加的电位)，连接二极管，使得当在第一端子与第二端子之间施加的电压在二极管阈值电压之上时，其允许电流沿反向流动。从而，可以调整二极管阈值电压，使得其在不毁坏可控电源开关的情况下略低于可控电源开关处可施加(或可容忍)的最大电压。当在第一端子与第二端子之间施加的电压在二极管阈值电压之上时，二极管变成沿反向导通。然而，即使在这种情况下，由可控控制开关(特别是与二极管串联连接)来控制沿反向流过二极管的电流。从而，钳位功能(由二极管执行)是可控的和/或有条件的。特别地，在某些转换单元中，可能要求有源钳位功能管理紧接着在IGBT (可控电源开关)或等效功率半导体开关的关断点处的过电压，但同时如果存在后续的DC链路过电压，则仍处于风险中。为了避免半导体(特别是可控电源开关)的毁坏，将有源钳位提供成是可控和/或有条件的。特别地，用可以使用另外的控制电路来方便地接通和关断的串联模式开关(可控控制开关)来扩展常规有源钳位(以齐纳二极管为代表)，从而启用或禁用开关和钳位功能(其在常规电路中是单独地由二极管提供的)。为了控制二极管的功能，第一二极管端子(其特别地未被连接到电路的第一电源开关控制端子)被连接到第一控制开关端子。从而，只有在可控控制开关处于导通状态的情况下，电流才将沿着反向流过二极管。此外，如下文所解释的，可以由控制开关驱动器电路来控制可控控制开关的导通状态。
施加于电源开关控制端子(其控制可控电源开关的状态(导通或非导通)的信号主要基于由栅极驱动输入引脚定义的状态一参见附图。然而，当栅极驱动器切换至关断状态(由于输入信号切换至关断状态)时，IGBT的状态仍可能被由transil和控制开关传导至栅极中的电流支配并被短暂地设置成接通状态，直至钳位控制将控制开关关断。如果如图2的波形所示Vce短暂地上升并且当Vce短暂地上升时，则发生此现象，如下文所解释的。主控制是到电源开关控制端子，并且可以从主控制信号导出用于第二开关(与齐纳或transil 二极管串联的开关)的有条件有源钳位控制，但是被延长(或延迟)足够的时间，使得有源钳位电路仍在运行直至主电源开关关断(由钳位控制电路)之 后比如说10 μ s为止。特别地，可能并不是连续地需要有源钳位，而是可以仅在有限的持续时间需要，SP在(可控电源开关的)正常通态至断态过渡中以及在整个通态中。在可控电源开关的断态的最大部分中，可以不需要有源钳位。因此，使用可控控制开关，在这些持续时间期间可以通过相应地控制可控控制开关来关断有源钳位。特别地，在可控电源开关的通态期间(其中，可控电源开关是导通的或处于导通状态)，可以将包括可控控制开关和二极管的钳位电路设计成在这些状态下操作并保持活动。在(可控电源开关的)剩余的断态中，然后可能需要钳位电路以忽视增加至钳位电平之上的任何集电极发射极电压。根据一个实施例，该电路还包括栅极驱动器电路，其具有被连接到第二电源开关端子的一个参考端子(本地接地=对于IGBT而言，发射极)且具有被连接到电源开关控制端子的栅极驱动器输出端子，其中，在栅极驱动器输出端子处生成的信号基于施加于栅极驱动器输入端子的信号。此外，栅极驱动器输出端子处的信号还可以基于外部控制信号，诸如栅极驱动器输入信号或感测输入信号。特别地，栅极驱动器电路可以被适配成基于外部信号并基于第二电源开关端子(第二电源开关端子与栅极驱动器之间的连接不是信号路径一其是用于整个电路的参考=本地接地)处的信号来生成输出信号，以基于该外部信号在栅极驱动器输出端子与第二控制开关端子之间生成电压。从而，使得能够控制可控电源开关以采取导通状态或非导通状态，使得电路最后可以在转换器模块内用于将可变频率信号转换成固定频率信号。根据一个实施例，该电路还包括控制开关驱动器电路，其具有被连接到控制开关控制端子的控制开关驱动器输出端子，并且具有被连接到栅极驱动器输出端子的控制开关驱动器输入端子，其中，控制开关驱动器电路被适配成基于在控制开关驱动器输入端子处接收到的信号来在控制开关驱动器输出端子处生成信号。从而，使得能够控制可控控制开关的状态(导通或非导通)。特别地，可以由栅极驱动器电路、特别是在栅极驱动器输出端子处施加的信号来控制所述控制开关驱动器电路。因此，可以使可控控制开关的行为(导通状态或非导通状态)同步，或者至少部分地基于可控电源开关的行为(其至少部分地由栅极驱动器电路输出来控制)。因此，使得能够接通和关断由二极管和可控控制开关提供的钳位功能。从而，可以更高效地执行保护可控电源开关。可以由控制开关驱动器电路来获得可控控制开关的正确控制(也称为钳位控制)。事实上，可能要求定时器电路以确保在器件(可控电源开关)被关断之后比如说 ο μ s之后钳位电路(包括二极管和可控控制开关)被禁用，从而确保任何短持续时间的过电压尖峰被钳位。根据一个实施例，所述第二控制开关端子被连接(特别是直接电连接)至电源开关控制端子。从而，当在电路的第一端子与第二端子之间施加的电压在二极管阈值电压之上时且当可控控制开关处于导通状态时，在电源开关控制端子处施加过电压信号，以将电源开关切换至导通状态，以便放出或耗散与过电压有关的能量。在其他实施例中，第二控制开关端子未被(直接地)连接至电源开关控制端子。根据一个实施例，栅极驱动器电路具有另外的栅极驱动器输入端子(也称为可选感测输入端)，其中，在栅极驱动器输出端子处生成的信号还基于施加于所述另外的栅极驱动器输入端子的信号，其中，所述另外的栅极驱动器输入端子被连接至第二控制开关端子。存在提供此功能以具有另外的输入端子的许多现代商用集成栅极驱动器电路。这可以与基本有源钳位电路相结合地使用，并且可以提供直接链路以控制栅极驱动输出级并在钳位操 作期间使其进入高阻抗状态或进入通态。因此，当可控控制开关处于导通状态时，将向所述另外的栅极驱动器输入端子施加信号，其允许将第二控制开关端子处的信号考虑在内以便控制可控电源开关的栅极。特别地，在常规钳位方法期间，栅极驱动器输出信号可以处于断态且这实际上可以与有源钳位相反，以尝试接通可控电源开关，因为栅极驱动器电路在常规电路中尝试维持断态。然而，使用所述另外的栅极驱动器输入端子，可以响应于针对钳位或进入高阻抗状态以获得改善的钳位性能的需要而接通栅极驱动器输出信号。幸运的是，栅极驱动器电路和IGBT被低欧姆电阻分离(解耦)，因此仅仅使用被连接到栅极的transil(二极管)网络的钳位作用仍是可能的，即使钳位电流的重要一部分流入栅极驱动器，从而减小了有源钳位效果，这是不期望的。当使得能够实现栅极驱动器输出信号促使可控电源开关响应于对钳位的需要而切换至导通状态时，可以改善有源钳位作用，因为随后二极管和栅极驱动器输出信号二者寻求相同的状态(电源开关的导通状态)而不是彼此相反(如在常规情况下那样)。替换地，使输出端进入高阻抗状态也获得甚至更好的性能，因为随后栅极发射极电压将不会变得受限制，并且可能上升至由栅极驱动器电路定义的栅极发射极通态电压以上。另一优点可以是当栅极驱动器输出级通过直线路线来迫使功率半导体(可控电源开关)接通时，可以减少transil (二极管)功率耗散。通常，齐纳二极管中的峰值耗散在kW范围内(在μ s域中)达到峰值，并且在连续的长期有源钳位期间，二极管可能遭受热效应且必须被相应地减少。通过在栅极驱动器输出电路中使用放大级，有效地作为有源钳位功能的一部分，或者通过将其断开连接，可以在transil (二极管)的尺寸和成本的相应缩减的情况下实现其减少的耗散。根据一个实施例，该电路还包括另外的可控控制开关(诸如半导体器件，诸如晶体管，例如双极结晶体管、MOSFET, IGBT等)，其具有第一另外的控制开关端子(诸如漏极或集电极)、第二另外的控制开关端子(诸如源极或发射极)和另外的控制开关控制端子(诸如栅极)，其中，第一另外的控制开关端子与第二另外的控制开关端子之间的导通状态基于在所述另外的控制开关控制端子与所述第二另外的控制开关端子之间施加的电压，其中，所述栅极驱动器电路具有另外的栅极驱动器(感测)输入端子，其中，所述第二另外的控制开关端子被连接到所述另外的栅极驱动器(感测)输入端子，并且其中，所述另外的控制开关控制端子被连接到控制开关驱动器电路的另外的控制开关驱动器输出端子。
所述另外的可控控制开关可以提供将与供应给电源开关控制端子的信号同步地提供给所述另外的栅极驱动器(感测)输入端子的信号。从而，使得能够实现更高的灵活性。特别地，电路复杂性可以高度地取决于所述另外的栅极驱动器(感测)输入端子从外面看是低阻抗还是高阻抗。在感测引脚是低阻抗的情况下，可以将第二另外的控制开关端子永久地连接到感测引脚。当向电流源而不是电压测量电路中看时，输入阻抗正常地是相当低的。替换地，所述另外的栅极驱动器输入端子可以是高阻抗，其中，控制开关驱动器电路(也称为钳位控制)可以是浮置电路(其具有本地接地，独立于发射极参考本地接地)，其将栅极源极电压保持在正确的电平，无论周围电路在钳位活动期间关于电位可能如何移动。特别地，当不需要钳位时，控制开关处于非导通状态。可控有源钳位的总体优点是在电源开关断态期间，DC链路电压可能在不使有源钳位尝试限制电压的情况下上升至正常钳位电平以上。可以允许钳位在永久性断态期间保持关断，因为在断态中，不会发生将要求有源钳位的条件。在这方面，断态指的是(示例)IGBT中的条件，其中，IGBT中的电流是零。
根据一个实施例，在控制开关驱动器输出端子处生成的信号使得控制开关处于导通状态持续整个通态加上进入断态的在例如500 ns和30μ8之间的附加时间间隔，这取决于应用和电特性。重要的是附加时间间隔在所有情况足够大以便允许主开关完全关断集电极电流，并且足够短，使得控制开关和因此的其正在控制的有源钳位功能在DC链路由于来自发电机的电流而可以上升至用于齐纳二极管或transil网络的导通阈值之上之前断开。根据一个实施例，所述电路被适配成在栅极驱动器输出端子处生成信号，使得当在第二二极管端子与第一二极管端子之间施加的电压在二极管阈值电压之上时，电源开关处于导通状态。从而，可以使用二极管和可控电源开关二者对过电压放电以改善钳位功能。根据一个实施例，所述电路还包括连接在栅极驱动器输出端子与第二控制开关端子之间的限流电阻器，以限制电流从栅极驱动器输出端子流入IGBT栅极。可以确信其还限制电流向后流入驱动器中，但是这并不是主要目的。基本上任何反向电流都是不期望的，因为其降低钳位性能。特别地，在其中第一端子与第二端子之间的电压在二极管阈值端子之上且同时在可控控制开关处于导通状态时的情况下，该电流可能受到限制。从而，可以实现的是大部分电流流入电源开关控制端子中而不是流入栅极驱动器电路中。根据一个实施例，该电路还包括连接在第一二极管端子与第二电源开关端子(特别是直接连接)之间以便在非常高的DC链路电压条件期间保护可控控制开关免于遭受过电压的电阻器，其中，所述控制开关处于非导通状态。根据一个实施例，提供用于将DC电压转换成AC电压(或用于将可变频率AC电压转换成固定频率AC电压)的转换器模块(或转换器模块的至少一个部分)(特别是将在例如风力涡轮机场的能量产生工厂内使用)，其包括用于如上所述地保护可控电源开关的至少一个电路。在本文中，特别地，所述可控电源开关可以是包括在DC链路下游的转换器模块中的电源开关中的一个。特别地，可以在电路的第一端子与第二端子之间施加在DC链路处施加的电压。特别地，该电路可以保护可控电源开关免于遭受在DC链路处发生的过电压。特别地，可以使用转换器模块来转换从风力涡轮机场提供的功率信号，其通常是可变频率AC功率信号。
根据一个实施例，提供了一种用于保护连接在第一端子与第二端子之间的可控电源开关免于遭受在第一端子与第二端子之间施加的过电压的方法，其中，所述方法包括在控制端子与第二端子之间施加电压；基于电源开关控制端子与第二电源开关端子之间的电压来控制电源开关的第一电源开关端子与电源开关的第二电源开关端子之间的导通状态，其中，所述可控电源开关的第一电源开关端子被连接到第一端子且可控开关的第二电源开关端子被连接到第二端子；允许电流在二极管的第一二极管端子与二极管的第二二极管端子之间沿正向流动；允许电流在二极管的第一二极管端子与二极管的第二二极管端子之间沿与正向相反的反向流动，当在第二二极管端子与第一二极管端子之间施加的电压在二极管阈值电压之上时，第二二极管端子被连接到第一端子；基于在可控开关的控制开关控制端子与第二控制开关端子之间施加的电压来控制可控控制开关的第一控制开关端子与可控控制开关的第二控制开关端子之间的导通状态，第一控制开关端子被连接到第一二极管端子，其中，施加于电源开关控制端子的信号基于第二控制开关端子处的信号。应理解的是还可以将关于用于保护可控电源开关的电路所描述、公开或解释的特 征(单独地或以任何组合的方式)应用、提供或用于一种用于保护可控电源开关的方法。必须注意的是已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已参考方法类型权利要求描述了某些实施例，而参考装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述推断，除非另外通知，除属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，认为将用本文档来公开与不同主题有关的特征之间、特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征之间的任何组合。本发明的上文定义的方面和其它方面从下文将描述的实施例的示例是显而易见的，并将参考实施例的示例来进行解释。下面将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明不限于所述实施例的示例。该技术可应用于包括功率半导体器件的任何功率转换设备，其中，必须由例如有源钳位电路来管理功率半导体的关断过电压，同时仍允许在后续时段中存在处于有源钳位电路的阈值之上的系统导出的过电压。示例包括船舶推进、工业驱动、燃料电池转换器、汽车驱动等。
现在将参考附图来描述本发明的实施例。图I图示根据实施例的用于保护可控电源开关的电路的电路 图2图示示出可控电源开关的状态和有条件有源钳位的状态的时间过程的图示；
图3图示根据另一实施例的用于保护可控电源开关的电路的电路 图4图示根据另一实施例的用于保护可控电源开关的电路的电路图；以及 图5图示根据另一实施例的用于保护可控电源开关的电路的电路图。图6图示从永磁发电机馈送的基本三相背对背转换器配置的示例。
具体实施例方式图中的图示是示意性的。应注意的是在不同的图中，为类似或相同的元件提供相同的附图标记或提供附图标记，其仅在第一数位内不同于相应的附图标记。
图I图示根据实施例的用于保护可控电源开关的电路100的电路驱动器。电路100包括可控电源开关101，其在这里被实现为具有第一电源开关端子103 (在这里被实现为集电极C)、第二电源开关端子105 (在这里被实现为发射极E)和电源开关控制端子107(在这里被实现为栅极G)的IGBT。可控电源开关101 (也称SS1)的导通状态取决于可控电源开关101的栅极107与发射极105之间的电压Vge。电路100还包括第一端子109和第二端子111，在其之间可施加电压(通常为DC电压，诸如转换器模块的DC链路的DC电压)。特别地，在第一端子109处，可以施加比在端子111处更高的电位。电路100还包括在本情况中被实现为齐纳二极管的二极管113(也称为Z1X齐纳二极管113具有第一二极管端子115 (阳极)和第二二极管端子117 (阴极)。二极管117的正向流动方向是从阳极115至阴极117，其在施加于阳极115处的电位高于施加于阴极117处的电位的情况下实现。然而，在于第一端子109与第二端子111之间施加正电压(施加于第一端子109处的电位高于施加于第二端子11 1处的电位)的情况下，二极管113不允许电流沿正向、即从阳极115至阴极117流动。然而，如果施加于第一端子109与第二段子111之间的电压(也称为DC电压)上升至齐纳二极管113的二极管阈值电压(或击穿电压)之上，则二极管113允许电流沿从阴极117至阳极115的反向流动。特别是如果DC电压在电源开关101可容忍的电压最大值之上，则可能发生此现象。在这种情况下，二极管113是用于减小施加于第一端子109与第二端子111之间的过电压的电压钳位电路的一部分，以便保护可控电源开关101。为了提供有条件和/或可控钳位功能，电路100还包括具有第一控制开关端子121(在这里被实现为漏极D)、第二控制开关端子123 (在这里被实现为源极S)和控制开关控制端子125 (在这里被实现为栅极G)的可控控制开关119 (也称为&)。在所示示例中被实现为MOSFET的可控控制开关119的导通状态取决于可控控制开关119的栅极125与源极123之间的电压Vgs。为了控制可控电源开关101的状态，提供了栅极驱动器电路127，其具有被连接到电源开关控制端子107的栅极驱动器输出端子129。栅极驱动器参考端子131被连接到第二电源开关端子105，栅极驱动器输入端子128允许栅极驱动器127的外部控制。此外，电源开关控制端子107被连接到第二控制开关端子123。为了减少从第二控制开关端子123流到栅极驱动器输出端子129中的电流，在第二控制开关端子123与栅极驱动器输出端子129之间连接限流电阻器133。为了控制可控控制开关119的导通状态，提供了具有被连接到控制开关控制端子125的控制开关驱动器输出端子137的控制开关驱动器电路135。此外，控制开关驱动器输入端子139被连接到栅极驱动器输出端子129。此外，正常二极管141(也称为D1)被连接在第一二极管端子115与第一控制开关端子121之间以便抑制电流从第一控制开关端子121流至第一端子109。此外，为了控制施加于可控控制开关119处的过电压，在第一二极管端子115与第二端子111之间连接电阻器143。图2图示正常操作期间的接通和关断过渡、后面是由于(多个)发电机电流被重置至零而引起的DC链路电压的增加的图示。在全部四个图中，在横坐标上指示了时间t，在第一图中的纵坐标上，图示DC链路电压(VD。，第一电源开关端子103与第二电源开关端子105之间的电压)，在第二图中图示负载电流(^，在第三图中图示集电极发射极电压(Vce)，并且在第四图中图示有源钳位状态。Vce关断过渡的点线部分图示未施加有源钳位的情况下的超过开关器件的击穿电平的潜在电压过冲。在6中还示出了 VDC和VCE的节点。可控电源开关101的状态被示为曲线245和其中可控控制开关119处于导通状态、从而激活钳位的时间间隔247。时间段249指示其中可控电源开关101处于非导通状态使得第一电源开关端子103与第二电源开关端子105之间的电压相对高的时间段。表示可控电源开关101的通态的时间段251位于两个断态249之间。可控电源开关101在可控电源开关已从导通状态切换至非导通状态之后处于延长的导通状态达时间间隔At。在此时间间隔之后，可控电源开关101切换至非导通状态。可以由栅极驱动器电路127以及由在第二控制开关端子123处施加的信号来控制可控电源开关101的通态和断态(分别为导通状态和非导通状态)。在其他实施例中，可以 在不使第二控制开关端子123直接连接到可控控制开关控制端子107的情况下控制可控电源开关的导通状态和非导通状态。如从图2可以看到的，钳位有源状态247(表示图I所示的可控控制开关119的导通状态)完全覆盖并扩展可控电源开关101的通态251。因此，当在第一端子109与第二端子111之间存在过电压时，可以用从第一端子109、经由齐纳二极管113、正常二极管141、可控控制开关119流至电源开关控制端子107且部分地还流至栅极驱动器输出端子129 (事实上不期望)的电流来放电或减少此过电压。此外，在可控电源开关101的断态253期间的一部分中，可控控制开关119仍处于导通状态，因为尤其是在从可控电源开关101的通态至断态的过渡区中，可能发生电压尖峰，诸如尖峰255。由于钳位电路在尖峰255的发生期间处于有源状态(可控控制开关119处于导通状态)，所以可以用从第一端子109流至电源开关控制端子107的电流来有效地使尖峰255降级或减小。图3图示用于保护可控电源开关的电路的另一实施例300。电路300与图I所示的电路100具有相似性，因为其还包括具有与图I所示的相应部件类似的端子并以与在图I所示的实施例中类似的方式连接的可控电源开关301、第一端子309、第二端子311、齐纳二极管313、可控控制开关310、栅极驱动器电路327、控制开关驱动器电路335、电阻器333、正常二极管341以及电阻器343。不同于图I的实施例100，图3所示的栅极驱动电路327具有另外的栅极驱动器输入端子357。此外，电路300还包括具有第一另外的控制开关端子361、第二另外的控制开关端子363和另外的控制开关控制端子365的另外的可控控制开关359 (也称SS3)。在本文中，第二另外的控制开关端子363被连接到另外的栅极驱动器输入端子357。此外，控制开关驱动器电路335包括被连接到另外的控制开关控制端子365的另外的控制开关驱动器输出端子367。特别地，另外的栅极驱动器输入端子357可以是低阻抗输入端子。图4图示用于保护可控电源开关的电路的另一实施例400的方框图。图4所示的实施例示出了与图I和3所示的实施例的相似性，其包括用仅在第一数位上不同的相同参考标号标记的部件。为了理解这些部件的功能和结构，参考关于图I或/和3的描述。在电路400中，栅极驱动器另外的输入端子457可以是高阻抗输入端子，并且控制开关驱动器电路435可以是“浮置电路”，其将控制开关控制端子425的栅极源极电压保持在正确的电平，无论周围电路在钳位活动期间关于电位如何移动。图4所示的实施例看起来比图I或3所示的实施例更简单得多，但是浮置钳位控制器可能要求磁部件获得用于此电路的独立电源。因此，与图I或3所示的实施例相比，可能增加总体复杂性。图5图示用于保护可控电源开关的电路的另一实施例500，其示出了与图1、3和4所示的实施例的相似性。然而，可控控制开关519的第二控制开关端子523未被直接连接到可控电源开关501的电源开关控制端子507。替代地，将第二控制开关端子523连接到另外的栅极驱动器输入端子557。只有栅极驱动器输出端子529经由电阻器533被连接到电源开关控制端子507。并且，当另外的栅极驱动器输入端子557是高阻抗输入端子时，可以使用图5所示的实施例500。利用此配置，要求栅极驱动器感测输入机制在有源钳位期间将栅极驱动器输出级变成通态，因为不存在到电源开关控制端子中的直接钳位路径。图6图不从永磁发电机651馈送的基本三相背对背转换器配置650的不例。永 磁三相发电机(PMG)是作为示例示出的，并且同样地可以是三相感应发电机(IG)或滑环式感应发电机(DFIG)。并且可以用电动机来代替该发电机。转换器配置650包括许多IGBT601，使用根据图I、图3、图4或图5的电路可以对其全部进行保护以免遭受过电压。应注意的是术语“包括”不排除其它元素或步骤且“一”或“一个”不排除复数。还可以将结合不同实施例所述的元素组合。还应注意的是不应将权利要求中的参考符号理解为限制权利要求的范围。附图标记列表
101，301，401，501可控电源开关
103，302, 402, 502第一电源开关端子
105, 305,405, 505第二电源开关端子
107，307, 407, 507电源开关控制端子
109，309, 409, 509第一端子
111,311,411,511第二端子
113，313，413，513齐纳二极管
115，315，415，515第一二极管端子
117，317，417，517第二二极管端子
119，319，419，519可控控制开关
121，321，421，521第一控制开关端子
123，323，423，523， 第二控制开关端子
125，325，425，525， 控制开关控制端子
127，327，427，527， 栅极驱动器电路
129，329，429，529， 栅极驱动器输出端子
131，331，431，531栅极驱动器参考端子(本地GND)
133，333，433，533， 电阻器 135，335，435，535， 控制开关驱动器电路 137，337，437，537， 控制开关驱动器输出端子 139，339，439，539， 控制开关驱动器输入端子141,341,正常二极管143，343，443，543， 电阻器
245可控电源开关的集电极与发射极之间的电压
249可控电源开关的断态
251可控电源开关的通态
255电压峰值
357，457，557另外的栅极驱动器输入端子
359另外的可控控制开关
367另外的控制开关驱动器输出端子
权利要求
1.一种用于保护连接在电路的第一端子与第二端子之间的可控电源开关免于遭受可在第一端子与第二端子之间施加的过电压的电路，该电路包括 可控电源开关(101)，其具有被连接到第一端子(109)的第一电源开关端子(103)、被连接到第二端子(111)的第二电源开关端子(105)、以及电源开关控制端子(107)，其中，第一电源开关端子与第二电源开关端子之间的导通状态基于在电源开关控制端子与第二电源开关端子之间施加的电压； 二极管(113)，其具有第一二极管端子(115)和第二二极管端子(117)，该二极管允许电流在第一二极管端子与第二二极管端子之间沿正向流动并允许电流沿与正向相反的反向流动，当在第二二极管端子与第一二极管端子之间施加的电压在二极管阈值电压之上时，第二二极管端子被连接到第一端子； 可控控制开关(119)，其具有被连接到第一二极管端子的第一控制开关端子(121)、第二控制开关端子(123)、以及控制开关控制端子(125)，其中，第一控制开关端子与第二控制开关端子之间的导通状态基于在控制开关控制端子与第二控制开关端子之间施加的电压， 其中，施加于电源开关控制端子(107)的信号基于第二控制开关端子(123)处的信号。
2.根据权利要求I所述的电路，还包括； 栅极驱动器电路(127)，其具有被连接到第二电源开关端子的栅极驱动器参考端子(131 )、具有栅极驱动器输入端子(128)并且具有被连接到电源开关控制端子的栅极驱动器输出端子(129)，其中，在栅极驱动器输出端子处生成的信号基于施加于栅极驱动器输入端子(128)的信号。
3.根据权利要求2所述的电路，还包括 控制开关驱动器电路(135)，其具有被连接到控制开关控制端子的控制开关驱动器输出端子(137)并具有被连接到栅极驱动器输出端子的控制开关驱动器输入端子(139)， 其中，所述控制开关驱动器电路被适配成基于在控制开关驱动器输入端子处接收到的信号在控制开关驱动器输出端子处生成信号。
4.根据权利要求I至3中的一项所述的电路，其中，所述第二控制开关端子被连接至、特别是直接电连接至电源开关控制端子。
5.根据权利要求2至4中的一项所述的电路，其中，所述栅极驱动器电路具有另外的栅极驱动器输入端子(357，457，557)，其中，在栅极驱动器输出端子处生成的信号还基于施加于所述另外的栅极驱动器输入端子的信号，其中，所述另外的栅极驱动器输入端子(357，457，557)被连接到第二控制开关端子(423)。
6.根据权利要求3或4中的一项所述的电路，还包括； 另外的可控控制开关(359)，其具有第一另外的控制开关端子(361)、第二另外的控制开关端子(363)和另外的控制开关控制端子(365)，其中，第一另外的控制开关端子与第二另外的控制开关端子之间的导通状态基于在所述另外的控制开关控制端子与所述第二另外的控制开关端子之间施加的电压， 其中，所述栅极驱动器电路具有另外的栅极驱动器输入端子(357)， 其中，所述第二另外的控制开关端子(363)被连接到所述另外的栅极驱动器输入端子(357)，并且其中，所述另外的控制开关控制端子(365)被连接到控制开关驱动器电路的另外的控制开关驱动器输出端子(367 )。
7.根据权利要求2至6中的一项所述的电路，还包括； 另外的二极管(141)，其被连接在栅极驱动器输出端子与第一端子(109)之间，其中，特别地，所述另外的二极管(141)被以若干种不同的组合与可控控制开关串联地连接在被连接至栅极驱动器输出端子(137)的电阻器(133)与二极管(113)的端子(115)之间。
8.根据权利要求3至7中的一项所述的电路，其中，在控制开关驱动器输出端子处生成的信号使得 所述控制开关在可控电源开关已从导通状态切换至非导通状态之后处于延长的导通状态达在500 ns和30 μ s之间的时间间隔(Λ t)，以及 当所述可控电源开关处于非导通状态时，所述控制开关在该时间间隔之后处于非导通状态。
9.根据前述权利要求中的一项所述的电路，其中，所述二极管是双向二极管，当在第一二极管端子与第二二极管端子之间施加的电压在另外的二极管阈值电压之上时，该双向二极管允许电流在第一二极管端子与第二二极管端子之间沿正向流动。
10.根据权利要求2至9中的一项所述的电路，其中，所述电路被适配成在栅极驱动器输出端子处生成信号，使得当在第二二极管端子与第一二极管端子之间施加的电压在二极管阈值电压之上时，所述电源开关处于导通状态。
11.根据权利要求2至10中的一项所述的电路，还包括； 限流电阻器(133)，其被连接在栅极驱动器输出端子与第二控制开关端子之间，以限制从栅极驱动器输出端子流出的电流。
12.根据前述权利要求中的一项所述的电路，还包括 电阻器(143)，其被连接在第一二极管端子与第二端子之间以便保护可控控制开关免于遭受过电压。
13.一种用于将DC电压转换成AC电压的转换器模块，包括根据权利要求I至12中的一项所述的至少一个电路。
14.一种用于保护连接在第一端子与第二端子之间的可控电源开关免于遭受在第一端子与第二端子之间施加的过电压的方法，该方法包括 在第一端子与第二端子之间施加电压； 基于电源开关控制端子与第二电源开关端子之间的电压控制电源开关的第一电源开关端子与电源开关的第二电源开关端子之间的导通状态，其中，可控电源开关的第一电源开关端子被连接到第一端子且可控开关的第二电源开关端子被连接到第二端子； 允许电流在二极管的第一二极管端子与二极管的第二二极管端子之间沿正向流动； 允许电流在二极管的第一二极管端子与二极管的第二二极管端子之间沿与正向相反的反向流动，当在第二二极管端子与第一二极管端子之间施加的电压在二极管阈值电压之上时，第二二极管端子被连接到第一端子； 基于在可控开关的控制开关控制端子与第二控制开关端子之间施加的电压来控制可控控制开关的第一控制开关端子与可控控制开关的第二控制开关端子之间的导通状态，第一控制开关端子被连接到第一二极管端子，其中，施加于电源开关控制 端子的信号基于第二控制开关端子处的信号。
全文摘要
描述了一种用于保护可控电源开关的电路，该电路包括可控电源开关(101)，其具有被连接到第一端子(109)的第一电源开关端子(103)、被连接到第二端子(111)的第二电源开关端子(105)以及电源开关控制端子(107)；二极管(113)，其具有第一二极管端子(115)和第二二极管端子(117)；以及可控控制开关(119)，其具有被连接到第一二极管端子的第一控制开关端子(121)、第二控制开关端子(123)、以及控制开关控制端子(125)，其中，施加于电源开关控制端子(107)的信号基于第二控制开关端子(123)处的信号。此外，描述了一种用于保护可控电源开关的方法。
文档编号H03K17/0812GK102823134SQ201080066053
公开日2012年12月12日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年4月8日
发明者R.琼斯, J.孙德瓦尔 申请人:西门子公司