栅极控制电路、功率模块和关联方法
【专利摘要】提出一种栅极控制电路，包括：栅极输入，被布置用于接收输入栅极馈送信号；栅极输出，被布置用于在正常工作期间连接到至少一个开关模块用于控制经过主电路的电流，栅极输出连接到栅极输入；电源；以及开关，连接于电源与栅极输出之间，开关被布置用于闭合作为对故障的响应。也提出一种对应的功率模块和方法。
【专利说明】栅极控制电路、功率模块和关联方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于在故障出现时控制主电路的电流的开关模块的控制。
【背景技术】
[0002]功率模块可以用于控制在例如，在诸如逆变器或整流器的功率转换器中的主电流。在效果上，它们表现如同晶体管，其中控制信号能够在导通与截止状态之间更改功率模块的状态。功率模块又可以包括被并联布置以依据所提供的控制信号而动作的诸如IGBT (绝缘栅双极晶体管)的多个功率开关。也可以提供栅极单元，以基于提供至功率模块的控制信号将适当信号提供至实际功率开关。
[0003]如果诸如包括功率模块的功率开关或者栅极单元的芯片的部件出故障，则出现问题。这可能造成功率模块变得不可控制，借此功率模块安装于其中的电路功能可能停止工作。在一些情况下，次级故障可能出现，从而造成对财产或者人身的进一步损坏，例如损坏来自产生的火灾。
[0004]因此希望更好地管理这样的功率模块的故障。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是改进如何管理功率模块故障的方式。
[0006]第一方面为一种栅极控制电路，包括:栅极输入，被布置用于接收输入栅极馈送信号；栅极输出，被布置用于在正常工作期间连接到至少一个开关模块用于控制经过主电路的电流，栅极输出连接到栅极输入；电源；以及开关，连接于电源与栅极输出之间，开关被布置用于闭合，作为对故障的响应。
[0007]这里正常工作解释为在尚未中断栅极输出与开关模块之间的连接时的状态。对照而言，在故障状态中，栅极输出与一个或者多个开关模块之间的连接可能已经中断。
[0008]通过闭合开关作为对故障的响应，栅极输出向任何连接的开关模块馈送用于将开关模块设置在导通状态的信号。这实现短路故障模式，提供连接的开关模块的可预测和最经常可管理的行为。故障可以例如是连接的开关模块的(芯片的)栅极单元或者功率开关的故障。
[0009]栅极控制电路可以进一步包括:多个开关模块输出，每个开关模块输出被布置用于连接到相应开关模块用于控制经过主电路的电流；以及多个电流切断器，每个电流切断器连接于相应开关模块输出与栅极输出之间，其中电流切断器中的每个电流切断器被布置用于在故障出现于对应开关模块中时处于截止状态。每个电流切断器在对应开关模块未在故障状态中时处于导通状态。
[0010]通过断开故障开关模块，故障在至少某种程度上仅被隔离到故障的开关模块。另夕卜，通过电源被连接到其余工作的开关模块的栅极，开关模块被设置在导通状态，借此包括栅极控制电路和开关模块的完整功率模块的行为在可预测和可管理的短路状态中，直至修复或者更换故障部件。[0011]开关可以被布置用于闭合，作为对如通过在开关模块的集电极和发射极之上的下降的电压而检测到的开关模块中的任意一个开关模块故障的响应。
[0012]电流切断器中的每个电流切断器可以被布置用于在经过电流切断器的电流超过阈值电流时处于截止状态。在故障出现在开关模块中时，开关模块的栅极电流经常增加。这一现象能够用于实现一种断开故障开关模块并且仅断开故障开关模块的鲁棒方式。
[0013]电流切断器可以是熔断器或者电路断路器。
[0014]电源可以包括连接到主电路的功率转换器，或者电源可以包括电池。这些是向其余工作的开关模块的栅极提供连续电压而没有逻辑或者主动控制的安全方式。栅极控制电路可以进一步包括连接到栅极输出与主电路之间的齐纳二极管。齐纳二极管能够将栅极电压保持在适当水平以便将工作的开关模块保持在导通状态中。
[0015]栅极控制电路可以进一步被布置用于在故障出现时通知外部系统。通过通知外部系统，可以采取进一步措施以补偿故障或者修复/替换故障部件。
[0016]第二方面为一种功率模块，包括:根据第一方面的栅极控制电路；以及多个开关模块，连接到栅极控制电路的开关模块输出。
[0017]开关模块可以与主电路并联连接。这允许在断开故障开关模块时继续将其余工作的开关模块控制在导通状态中。
[0018]开关模块中的每个开关模块可以包括并联连接到主电路的多个功率开关。这允许开关模块通过在功率开关之间划分电流来处理经过主电路的更大电流。
[0019]功率开关中的每个功率开关可以是绝缘栅双极晶体管。
[0020]第三方面为一种在栅极控制电路中执行的方法，栅极控制电路包括:栅极输入；电源；栅极输出，在正常工作期间连接到至少一个开关模块用于控制经过主电路的电流，栅极输出连接到栅极输入。该方法包括以下步骤:闭合布置于电源与栅极输出之间的开关，作为对故障的响应。
[0021]该方法可以进一步包括以下步骤:作为对开关模块故障的响应，将对应于已经故障的开关模块的电流切断器设置在截止状态。
[0022]该方法可以进一步包括以下步骤:作为对开关模块故障的响应，向控制设备通知栅极控制电路的非可控状态。
[0023]将注意第一、第二或者第三方面的任何特征可以在适合时应用于这些方面中的任何其它方面。
[0024]一般而言，除非这里另有明确地定义，在本申请中使用的所有术语将根据它们在【技术领域】中的普通含义来解释。除非另有明确地陈述，将开放地解释对“一个/该元件、装置、部件、设备、步骤等”的所有引用为指代元件、装置、部件、设备、步骤等的至少一个实例。除非明确地陈述，无需以公开的确切顺序执行这里公开的任何方法的步骤。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]现在参照附图通过示例描述本发明，在附图中:
[0026]图1A-B是图示能够应用本发明的实施例的环境的示意图；
[0027]图2A是图示图1A和IB的功率模块的部件和接口的示意图；
[0028]图2B是图示图2A的功率模块的部件和接口的示意图，其中功率从主电路汲取；[0029]图2C是图示图2B的功率模块的部件和接口的示意图，该功率模块进一步包括电池；
[0030]图3是图示图2A-C的开关模块之一的示意图；
[0031]图4是图示使用图2A-C的栅极控制电路来执行的方法的流程图；并且
[0032]图5是图示没有电流切断器的一个实施例中的图2A的功率模块的示意图。
【具体实施方式】
[0033]现在下文将参照附图更完全描述本发明，在附图中示出本发明的某些实施例。
[0034]然而，本发明可以用许多不同形式来体现而不应解释为限于这里阐述的实施例；实际上，通过示例提供这些实施例，从而本公开内容将透彻和完整并且将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。相似标号贯穿说明书指代相似元件。
[0035]图1A-B是图示能够应用本发明的实施例的环境的示意图。针对一相示出逆变器中的桥支路。附加相(比如针对三相系统)以相同方式配置。DC功率使用正DC母线DC+和负DC母线DC-来供应。阀控制单元(VCU) 11连接到多个功率模块9a-h。桥支路的上部分包括第一组功率模块9a_9d，并且桥支路的下部分包括第二组功率模块9e_h。第一组功率模块9a-9d由来自VCUll的第一控制信号控制，并且第二组功率模块9e-9h由来自VCUll的第二控制信号控制。这允许V⑶例如产生脉宽调制(PWM)以向输出40供应交变电流。通过将若干功率模块9a-d、9e-h串联放置，能够支持高电压应用。将注意这里所示的功率模块数目仅为示例并且能够使用任何适当数目的功率模块。
[0036]如果现在一个功率模块故障，例如图1B的功率模块9c，那么如果出故障的功率模块被设置为在短路模式中导通，则电路仍然能够如希望的那样工作。如以下将进一步具体说明的那样，当在功率模块中检测到故障时，确保它被设置在短路故障模式，在该短路故障模式中它连续地导通。换而言之，无论来自VCUll的信号如何，故障功率模块9c将导通。只要在这一配置中有一些裕度，其余功率模块9a-b、9d-h照常工作并且提供所需功能，直至故障功率模块9c得以更换或者修复。
[0037]故障功率模块的另一风险为如果故障功率模块断开电路，则放电可能出现，这能够造成额外的故障部件甚至火灾。
[0038]因此即使在其中故障功率模块在多数情况下默认为短路状态的情况下，提供附加措施以将故障功率模块设置在短路故障模式中是有价值的。
[0039]有许多其它诸如H桥、半桥等的拓扑，其中相同思想是有用的，即在功率模块出故障时它应当被设置成导通状态。然而，根据拓扑，剩余工作功率模块的控制方案可能需要更改。
[0040]图2A是图不图1A和IB的功率模块9的部件和接口的不意图。例如可以是图1A-B的功率模块9a-h中的任意一个功率模块的功率模块9从VCUll接收栅极控制信号以控制经过主电路12的电流。
[0041]栅极单元4充当如本身已知的驱动器以向并联布置的多个开关模块2a_f递送适当栅极驱动信号。开关模块中的每个开关模块，如以下参照图3具体公开的那样，包括一个或者多个诸如IGBT的功率开关。因此我们能够定义集电极点C、发射极点E和栅极点G。尽管这里示出一组六个开关模块5，能够使用任何数目的开关模块，只要在这一实施例中有至少两个开关模块，。
[0042]这里提供栅极控制电路I以便一旦检测到故障，则将功率模块9设置在导通模式，从而实现短路故障模式。栅极控制电路I包括电源7、开关6、电容器16、齐纳二极管15和经由相应开关模块输出8a_f连接到相应开关模块2a_f的多个电流切断器3a_f。栅极输出G是用于向任何连接的开关模块2a-f供应公共栅极信号的点。开关6连接于电源7与栅极输出G之间并且可以是在导通与截止状态之间可控制的诸如晶体管等的任何适当开关。齐纳二极管15连接于栅极输出G与开关模块2a-f的发射极侧E，即主电路12之间。开关模块输出8a-f仅为抽象构造而无需具有除了在电流切断器与开关模块的栅极之间的任何点之外的任何物理对应。也提供栅极输入13，该栅极输入是在栅极单元4的输出与栅极输出G之间的任何点。电源7可以包括使用转换器与主电路的连接和/或它可以包括电池。可替换地或者附加地，电源可以包括诸如电感性功率传送的可替换功率传送装置。电容器将电压基本上保持恒定在由齐纳二极管15所支配的水平上。
[0043]电流切断器3a_f具有断开经过它们的任何电流，即从导通状态变成截止状态的能力。电流切断器可以是诸如熔断器或者电路断路器的无源器件，或者它们可以是诸如晶体管的有源器件，例如M0SFET。在任何情况下，有用于断开去往故障开关模块的信号的独立控制，因为若非如此，其它开关模块的控制电压难以或者不可能维持。因此，如果电流切断器3a-f是晶体管，那么将切断器设置在截止状态的控制信号可以由去往特定故障开关模块的过量电流(比阈值更大的电流)引起。
[0044]在正常工作期间，栅极控制电路I不活动并且通过它的结构简单地将栅极输入13上从栅极单元4接收到的输入栅极馈送信号分配至用于控制开关模块2a_f的开关模块输出 8a_f
[0045]然而，当故障出现在开关模块2a_f之一中，并且未以其它方式来处理时，两个事件在这一实施例中出现。第一事件是连接到故障开关模块的电流切断器采用截止状态。这也断开故障开关模块的栅极，这另外可以防止将其余开关模块控制在导通状态中。第二事件是开关6变成导通状态，借此电源7连接到其余工作的开关模块的栅极。使用齐纳二极管15，电压水平被调节成适当水平，以便开关模块的栅极超出开关模块的功率开关的线性区域。例如，电压水平可以是例如在3至25伏特范围中的若干伏特，或者当IGBT用作功率开关时，电压水平可以在8至10伏特区域中。
[0046]换而言之，通过开关模块的这一独立控制，无论从栅极单元4接收的输入馈送信号如何，其余工作的开关模块的栅极都被驱动成导通状态。栅极单元4仍然可以工作或者它可能已经故障。提供栅极G上的连续电压而没有逻辑或者主动控制，提供鲁棒的和可预测的故障处理。在这一情形中，因此将整个功率模块9设置在导通状态，即短路故障模式，是有益的。如以上参照图1A-B说明的那样，功率模块的应用因此仍然能够正常工作，直至能够更换或者修复功率模块9。
[0047]图2B是图示图2A的功率模块的部件和接口的示意图，其中功率从主电路12汲取。功率转换器18连接到主电路，即该组5开关模块2a-f的集电极侧C。功率转换器18将电压转换成适当电压水平并且也可以可选地限制从主电路12汲取的功率。换而言之，具有与主电路12的连接的功率转换器18对应于图2A的电源7。功率转换器18可以例如是DC / DC转换器、分压器或者大型电阻器。[0048]功率转换器18也提供一种保持工作的开关模块的栅极被供应足够电压的鲁棒方式。如果栅极电压开始在工作的SCFM(短路故障模式)开关模块上下降，则在集电极C与发射极E之间的电压将开始上升。这将允许功率再次流过功率转换器18以对电容器16充电。换而言之，功率转换器18在栅极G上提供连续电压而没有逻辑或者主动控制，以由此将工作的开关模块设置在短路故障模式。
[0049]图2C是图示图2B的功率模块的部件和接口的示意图，该功率模块进一步包括电池。电池19能够可选地从功率转换器18充电。以这一方式，栅极G能够被供应功率，而不管该组5开关模块2a-f的集电极侧C上的电压如何。可选地，提供二极管17以防止电流从栅极侧G流向集电极侧C。
[0050]图3是图示图2A-C的开关模块2a_f中的一个开关模块2的示意图。可以用相同方式配置所有开关模块2a_f。
[0051]开关模块2包括被并联连接以控制经过主电路12的电流的一个或者多个功率开关20a_f。以这一方式，在栅极G上提供的单个信号将所有功率开关20a_f控制在其中主电路12的任何电流可以流过开关模块2的导通状态，或者控制在其中主电路12被截止的截止状态中。功率开关20a-f可以是如下芯片，这些芯片包括IGBT或者功率MOSFET或者任何其它能够在导通与截止状态之间控制的可控功率开关。
[0052]续流二极管21a_f反并联连接到每个功率开关20a_f。
[0053]尽管这里示出开关模块2带有六个功率开关20a_f，但是可以如认为适合的那样提供任何数目的开关。另外，开关模块的功率开关20a_f的数目独立于功率模块的开关模块数目并且无需与功率模块的开关模块数目相同。
[0054]图4是图示使用图2A-C的栅极控制电路来执行的方法的流程图。在开关模块故障并且需要被处理时开始该方法。
[0055]在可选的断开开关模块输出步骤31中，作为对开关模块故障的响应，将已经故障的开关模块对应的电流切断器设置在截止状态。这可以是被动动作，其中电流切断器是熔断器或者电路断路器。在该情况下，去往故障开关模块的栅极的电流增加至烧断熔断器或者使电路断路器跳闸的水平。可替换地，这可以使用被设置成截止状态的晶体管来实现。在任一情况下，在执行这一步骤时，故障开关模块的栅极与任何控制信号断开。
[0056]在闭合开关步骤32中，闭合在电源与栅极输出G之间布置的开关，作为对功率模块的一个或者多个部件故障的响应。这能够通过在连接的开关模块的集电极与发射极之间的下降的电压和/或在栅极与发射极之间的下降的电压来检测。下降的电压能够例如通过将相应电压与参考值进行比较来检测。附加地或者可替换地，指示栅极单元故障的信号能够控制开关以闭合。这一信号可以是明确的故障信号或者是心搏信号的不存在。
[0057]在可选的非可控状态通知步骤33中，栅极控制电路向外部控制设备通知栅极控制电路的非可控状态。通过通知外部控制设备，使故障在例如操作和维护系统中获知。另夕卜，针对未受故障影响的功率模块可以变更开关方案。可以通过向接收器通知故障所发送的信号来实现这一步骤。可替换地或者附加地，在一切正常时所发送心搏信号的不存在可以指示故障。这一信号能够与如在闭合开关步骤32中说明的用来检测栅极单元的故障的信号重合。
[0058]图5是图示没有电流切断器的一个实施例的图2A的功率模块的示意图。开关6这里也被布置用于在检测到故障时，例如栅极单元4故障时闭合，在该情形中，功率模块9的行为不可预测。与以上公开的内容类似，通过闭合开关6将功率模块设置成短路故障模式。电源7因此向所有开关模块2a-f提供栅极信号以将它们设置在饱和导通状态。
[0059]可以使用以上公开的选项中的任何选项来实施电源7。这一实施例因此未被布置用于断开任何故障的开关模块，而是在栅极单元出故障时管理该情况。
[0060]尽管有这里示出的六个开关模块2a_f，但是可以提供任何数目的开关模块，包括单个开关模块。
[0061]以上主要参照少数实施例已经描述了本发明。然而如本领域技术人员容易理解的那样，除了以上公开的实施例之外的其它实施例在如所附专利权利要求所限定的本发明的范围内同样是可能的。
【权利要求】
1.一种栅极控制电路(1)，包括: 栅极输入(13)，被布置用于接收输入栅极馈送信号； 栅极输出(G)，被布置用于在正常工作期间连接到至少一个开关模块(2，2a-f)，用以控制经过主电路(12)的电流，所述栅极输出(G)连接到所述栅极输入(13)； 电源(7);以及 开关(6)，连接于所述电源(7)与所述栅极输出之间，所述开关(6)被布置用于闭合，作为对故障的响应。
2.根据权利要求1所述的栅极控制电路，进一步包括: 多个开关模块输出(8a_f),每个开关模块输出被布置用于连接到相应开关模块(2,2a_f)，用以控制经过主电路(12)的电流；以及 多个电流切断器(3a_f)，每个电流切断器连接于相应开关模块输出(8a_f)与所述栅极输出(G)之间，其中所述电流切断器(3a_f)中的每个电流切断器被布置用于在故障出现于对应开关模块中时采用截止状态。
3.根据权利要求2所述的栅极控制电路(1)，其中所述开关(6)被布置用于闭合，作为对所述开关模块中任何一个开关模块故障的响应，所述开关模块故障通过在开关模块的集电极(C)和发射极(E)上的下降的电压检测。
4.根据权利要求2或者3所述的栅极控制电路(I)，其中所述电流切断器(3a-f)中的每个电流切断器被布置用于在经过所述电流切断器(3a-f)的电流超过阈值电流时采用截止状态。
5.根据权利要求2至4中的任一项权利要求所述的栅极控制电路(I)，其中所述电流切断器是熔断器。
6.根据权利要求2至4中的任一项权利要求所述的栅极控制电路(I)，其中所述电流切断器是电路断路器。
7.根据权利要求1至6中的任一项权利要求所述的栅极控制电路(I)，其中所述电源(7)包括连接到所述主电路(12)的功率转换器(18)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的栅极控制电路(I)，其中所述电源(7)包括电池(19)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的栅极控制电路(I)，进一步包括连接于所述栅极输出(G)与所述主电路(12)之间的齐纳二极管(15)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的栅极控制电路(I)，其中所述栅极控制电路(I)进一步被布置用于在故障出现时通知外部系统。
11.一种功率模块(9)，包括: 根据权利要求2至10中的任一项权利要求所述的栅极控制电路⑴；以及 多个开关模块(2，2a_f)，连接到所述栅极控制电路(I)的所述开关模块输出(8a_f)。
12.—种功率模块(9)，包括: 根据权利要求1或者7至10中的任一项权利要求所述的栅极控制电路⑴；以及 多个开关模块(2，2a-f)，连接到所述栅极控制电路(I)的所述栅极输出(G)。
13.根据权利要求11或者12所述的功率模块(9)，其中所述开关模块(2，2a-f)并联连接到所述主电路(12)。
14.根据权利要求11至13中的任一项权利要求所述的功率模块(9)，其中所述开关模块(2)中的每个开关模块包括并联连接到所述主电路(12)的多个功率开关(20a-f)。
15.根据权利要求14所述的功率模块(9)，其中所述功率开关(20a-f)中的每个功率开关是绝缘栅双极晶体管。
16.一种在栅极控制电路(I)中执行的方法，所述栅极控制电路(I)包括栅极输入(13)、电源(7)、栅极输出(G)，所述栅极输出在正常工作期间连接到至少一个开关模块(2，2a-f)，用以控制经过主电路(12)的电流，所述栅极输出(G)连接到所述栅极输入(13)，所述方法包括以下步骤:闭合布置于所述电源(7)与所述栅极输出(G)之间的所述开关(6)，作为对故障的响应。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤: 作为对开关模块故障的响应，将与已经故障的所述开关模块对应的电流切断器设置在截止状态。
18.根据权利要求16或者17所述的方法，进一步包括以下步骤: 作为对所述开关模块故障的响应，向控制设备通知关于所述栅极控制电路的非可控状态。
【文档编号】H03K17/082GK103430437SQ201180069312
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2011年3月16日 优先权日:2011年3月16日
【发明者】F·奇门托, W·赫曼森, S·诺尔加 申请人:Abb研究有限公司