智能栅极驱动单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于控制包括一个或多个半导体开关的功率模块的智能栅极驱动单
J L ο
【背景技术】
[0002]功率模块是本领域已知的，并且其在用于控制从可再生发电单元的发电机到电网的功率流的功率电子电路中用作开关或整流器。
[0003]使用功率模块的应用可以产生功率，并且越接近设计极限，越可以产生更多功率。
[0004]可以通过控制这种功率模块的方式对功率模块进行保护，即，已经被控制为接近其设计极限的功率模块的寿命很可能短于已经根据低于设计极限的操作裕度或安全裕度进行控制的功率模块的寿命。换句话说，由表示过载的大操作裕度的预定的电流-时间模式对过载能力进行限制。
[0005]国际专利申请W099/19974 A2描述了一种功率应用电路，其利用微机电(MEM)开关来减少具有控制MEM开关的栅极驱动器的能量转换设备中的功率损耗。
[0006]另外，现有技术的状态包括以下专利申请。美国专利申请US2010/0066337 Al描述了一种功率转换器，其包括被配置为估计功率转换器的端电压的控制器。欧洲专利申请EP2469710 Al描述了一种在栅极驱动器处的功率开关电流估计器。美国专利申请US2011/0058296 Al描述了一种检测用于控制传递到电力负载的功率量的负载装置的故障状况的方法。国际专利申请W02006/102930 Al描述了一种连接到控制装置的电子开关电路、感测电子开关的端子处的电流的检测器和用于监测检测器的偏移误差的装置。
【发明内容】
[0007]本发明的目的例如可以是:当控制功率模块时提供便于减少不必要的安全裕度的测量。这通过用于控制一个或多个功率模块的一个或多个半导体开关来实现，所述智能栅极驱动单元至少包括栅极驱动器和模拟测量电路，其中，所述栅极驱动器被配置为控制所述一个或多个半导体开关，并且其中，所述模拟测量电路被配置为当所述一个或多个半导体开关处于导通模式时，测量开关电压。
[0008]半导体开关能够关闭电子电路，从而导通从半导体开关的第一管脚(例如，集电器)到第二管脚(例如，发射器)的电流(处于导通模式或打开模式)。同样地，半导体开关能够关闭电子电路，从而防止电流在电子电路中流动(处于不导通模式或关闭模式)。半导体开关通常为IGBT开关，但是也可以为M0SFET、GT0、IGCT、晶闸管、碳化硅开关等。
[0009]半导体开关的模式由栅极驱动器控制。智能栅极驱动单元的栅极驱动器与上级控制系统通信以获得期望的切换模式，并从而从功率模块获得输出。栅极驱动单元是智能的，因为其便于测量和数据处理。因此，智能栅极驱动器便于/被配置为进行控制，例如，如下文所述的，产生用于半导体的脉冲宽度调制信号、直接在半导体开关启动并执行测量。
[0010]模拟测量电路可以包括用于模拟信号测量的滤波器、差分放大器等。另外，模拟测量电路可以包括用于在关闭状态阻断通过IGBT的高电压的半导体，从而便于直接在各个半导体开关上的测量。因此，测量半导体开关上的电压降变得可能，即，也称为Vce的集电器和发射器(在开关为IGBT类型的情况下)上的开关电压。
[0011]直接在单个半导体开关或功率模块上执行测量是非常有利的，因为获得了实际的实时值，其可用于对半导体开关、功率模块、负载电阻器进行实时诊断(健康状况、疲劳程度、寿命终止等)、估计处于导通模式的温度、估计损耗、测量过电压、测量泄露电流等。
[0012]智能栅极驱动单元接收(例如，来自上级控制系统的某些测量)和/或通过模拟测量电路获得(大多数)测量是非常有利的。对这些测量进行处理，并且处理的一个结果可以是半导体开关的状况、如何最好地控制半导体开关、预测半导体开关的不久的将来(以纳秒或毫秒测量)的情况。
[0013]在本发明的实施例中，测量电路还便于在切换模式测量开关电压。这优选地包括在切换期间(即，在切换模式)的瞬时关闭电压峰值。
[0014]在本发明的实施例中，测量电路还便于在不导通模式测量开关电压。能够测量关闭状体(不导通模式)下的开关电压可能是有利的。关闭状态电压可以给出高泄露电流的信息。瞬时关闭电压可以指示半导体开关(包括二极管)的高应力或健康状况。
[0015]在本发明的实施例中，模拟测量电路包括用于在不导通模式期间阻断通过所述半导体开关的高电压的装置，例如，半导体设备。因为这便于直接在各个半导体开关上进行测量从而使得可以测量半导体开关上的电压降，所以这是有利的。
[0016]在本发明的实施例中，来自模拟测量电路的测量包括测量功率模块输出电流和/或直流链路电压。
[0017]例如，能够在智能栅极驱动单元测量直流链路电压是有利的，这是因为其便于例如制动斩波器电阻器电阻和偏离的电阻器温度的计算。另外，直流链路电压可用于处理栅极驱动电阻器、有源钳位电路等。
[0018]在本发明的实施例中，智能栅极驱动单元还包括数据处理器，其便于在智能栅极驱动单元计算半导体开关结温。
[0019]在智能栅极驱动单元中包括数据处理器可以是有利的，这是因为其可以便于独立于上级控制系统而控制功率模块、进行计算等。因此，可以释放上级控制系统的资源以用于其他目的，在智能栅极驱动单元和上级控制系统之间需要较少的的数据通信，在智能栅极驱动单元和上级控制系统之间的同步需要较少需求等。
[0020]另外，同步可以是有利的，这是因为其例如便于对在时域中的电压和电流测量进行比较/聚合。
[0021]数据处理器可以是传统的微处理器、数字信号处理器等。
[0022]另外，应当指出的是，智能栅极驱动单元还可以包括用于将模拟测量转换为数字表不的模数转换器。
[0023]在本发明的实施例中，一个或多个功率模块是逆变器的一部分或者是制动斩波器的一部分。
[0024]应当将逆变器理解为转换器的一部分，所述转换器用于转换可再生发电单元的电能，以便可将电能馈送到公用电网。该转换器可以包括一个或多个逆变器，每个逆变器都包括一个或多个功率模块。通常，该逆变器具有多于一个的半导体开关。
[0025]应当将制动斩波器理解为能够在例如电网扰动导致可再生发电单元失去电网连接的情况下吸收电能的模块或电子电路。制动斩波器模块可以包括一个或多个功率模块、电阻器、传感器等。在本领域，制动斩波器有时也称为LVRT斩波器、短路器、卸荷负载等。制动斩波器优选地连接到转子侧逆变器和电网侧逆变器(转换器的逆变器)之间的直流链路，但是也可以例如连接在转子(可再生发电单元的发电机的转子)和转子侧逆变器之间。通常，该斩波器仅具有一个半导体开关，但是也可以具有两个或更多个。
[0026]在本发明的实施例中，智能栅极驱动单元被配置为控制各个半导体开关导通的负载。该负载控制包括电流控制，例如，各个开关/功率模块之间(即，三相系统的三个相位之间)的负载共享。
[0027]在本发明的实施例中，数据处理器便于开关电压和所述功率模块的输出电流的测量之间的时间同步，和/或所述直流链路电压和所述功率模块的输出电流的测量之间的时间同步。
[0028]应当将上级控制系统理解为可再生发电单元的主控制系统。在可再生发电单元是风力涡轮机的情况下，上级控制系统将被称为风力涡轮机控制器(或简称为WTC)。风力涡轮机控制器优选地负责风力涡轮机的包括例如所有子元素的操作，例如，风力涡轮机的俯仰、转换、偏航等。
[0029]时间的共同理解可以是有利的，特别是在转换器应用中，这是因为功率模块的半导体开关的切换时间非常快，即，通常以us (微秒)测量。
[0030]另外，当测量用在例如温度的相同的计算中，并且测量部分由智能栅极驱动单元执行，部分由上级控制系统执行时，测量的时间的共同理解(即，智能栅极单元和上级控制系统之间的时间同步)对于计算正确的温度来说是重要的。
[0031]在本发明的实施例中，模拟测量电路还被配置为测量包括以下参数的列表中的一个或多个:Vdc、所述半导体开关的输出电流、栅极电流、栅极电荷和/或栅极电压。Vdc是直流链路上的电压。
[0032]在本发明的实施例中，来自模拟测量电路的测量便于估计包括以下参数的列表中的一个或多个:半导体开关结温、半导体开关基板温度、制动斩波器电阻器温度、半导体开关的疲劳程度、制动斩波器电阻器的疲劳程度、半导体开关的寿命终止和/或制动斩波器电阻器的寿命终止。
[0033]本发明例如是非常有利的，这是因为其便于直接在半导体开关或者功率模块上进行所述的测量。直接在单个半导体开关或功率模块上进行测量可以是有利的，这是因为获得了实际的实时值，与基于估计值的现有方法相比，实际的实时值可用于半导体开关、功率模块、负载电阻器等的实时诊断(健康状况、疲劳等级、寿命终止等)。
[0034]在本发明的实施例中，数据处理器便于产生用于控制所述一个或多个功率模块的一个或多个半导体开关的脉冲宽度调制信号，和/或便于控制通过所述功率模块的一个或多个半导体开关的电流。
[0035]这例如可以是有利的，这是因为其允许上级控制系统将对功率模块的控制完全留给智能栅极驱动单元，即，上级控制系统只需要向智能栅极驱动单元请求来自功率模块的期望的输出电压。智能栅极驱动单元随后产生用于控制功率模块的脉冲宽度调制，以使其符合来自上级控制系统的请求。应当指出的是，用于时间同步和脉冲宽度调制的数据处理器不需要必须为同一个数据处理器，例如，可以在两个或更多个数据处理器之间划分该任务。
[0036]另外，能够使智能栅极驱动单元管理各个开关导通的负载可以是有利的。该电流控制还包括各个开关/功率模块之间(即，三相系统的三个相位之间)的负载共享。
[0037]在本发明的实施例中，智能栅极驱动单元便于对一个或多个半导体开关进行过电流保护和/或过温保护。
[0038]因为该保护基于直接在半导体开关或者功率模块上执行的测量，从而可以在无需转换和传输的情况下实时地使用这种测量结果(即，一旦进行了测量就使用测量结果)，所以这可以是有利的。
[0039]在本发明的实施例中，半导体开关的切换行为被配置为由一个或多个栅极电阻器控制，其中，所述一个或多个栅极电阻器的值基于测量的用于控制一个或多个栅极电阻器开关的操作参数而变化。
[0040]操作参数可以是:直流电压、半导体(开关或二极管)结温、开关电流(Icollector)等，当这些参数达到预定的阈值时，便于将栅极电阻器连接到栅极信号。可以由智能栅极驱动单元或上级控制系统执行操作参数。
[0041]开关的操纵/控制可以