转换器开关设备及方法
【专利摘要】一种开关设备，包括：半导体功率开关(220)，半导体功率开关被连接为在被栅极驱动电压驱动时传送电流；以及连接至功率开关的栅极(225)的自适应栅极驱动单元(602)。所述栅极驱动单元配置成为栅极驱动电压选择多个预定时间函数中的一个，以及根据所选择的时间函数向功率开关的栅极传送栅极驱动电压，从而驱动功率开关在预定转换速率范围内传送电流。
【专利说明】转换器开关设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例总体上涉及功率转换器。其他实施例涉及用于功率转换器的开关设备。
【背景技术】
[0002]在铁路行业中，铁路车辆用于在轨道上将乘客和/或货物从一个位置运输到另一个位置。典型的，机车为火车提供牵引动力。机车被连接以拉动或推动火车的其余部分，且具有与轨道接合的牵引轮。在现代设计中，牵引轮由电动车轮马达驱动，电动车轮马达通过配电供电，配电来自于安置在机车内的一个或多个发动机驱动的发电机。牵引轮和车轮马达能够可逆配置，也作为用于减缓机车的制动器。
[0003]类似的，在采矿行业中，大型非公路车辆(OHV)通常采用电动车轮来推进或减速车辆。特别的，OHV —般采用大马力柴油发动机结合交流发电机、主牵引逆变器以及安置在车辆后轮胎内的一对车轮驱动组件。柴油发动机与交流发电机直接关联，使得柴油发动机驱动交流发电机。交流发电机为主牵引逆变器供电，其中半导体功率开关对交流发电机输出的电流进行换向，以向车轮驱动组件的电驱动马达提供电功率。
[0004]在机车和OHV应用中，使用固态功率转换器将高压电流从发电机或交流发电机提供至车轮马达。这样的功率转换器包括用于降低电压的感应线圈以及用于对电流进行换向的半导体功率开关。虽然上述应用是典型的，但是应理解功率转换器可用于其他场景中。
[0005]通常，功率转换器的操作以如下方式实现:通过相应的栅极驱动单元向单个半导体功率开关的栅极交替地施加两个不同的栅极驱动电压水平。每个功率开关的栅极是用于通过改变半导体区域内电荷载流子的浓度来接通或断开开关的低功率端子。电荷载流子浓度可通过耗尽或通过电场改变，即通过场效应和耗尽效应开关。但是，根据半导体所连接的电路的电气参数，场效应和耗尽效应半导体功率开关对于任何恒定值的栅极驱动电压做出不同的响应。这样，功率转换器效率在影响半导体功率开关响应的电气参数的整个操作范围上是变化的。
[0006]相应地，希望通过调节开关电流转换速率维持最优的功率转换器效率。
【发明内容】
[0007]根据本发明的实施例，一种开关设备包括半导体功率开关，所述半导体功率开关被连接为在被栅极驱动电压驱动时传送电流，还包括连接至功率开关的栅极的栅极驱动单元。栅极驱动单元配置成为栅极驱动电压选择多个预定时间函数(pre-determined timefunct1n)中的一个，以及根据所选择的时间函数向功率开关的栅极传送栅极驱动电压，从而驱动功率开关在预定转换速率范围(slew rate envelope)内传送电流。
[0008]根据本发明的另一个实施例，一种栅极驱动单元包括:控制端子；逻辑电路；以及配置为提供用于驱动半导体功率开关的栅极驱动电压的输出级。逻辑电路配置为基于通过控制端子接收的控制信号选择时间函数。逻辑电路还配置为控制输出级以根据所选择的时间函数提供栅极驱动电压。
[0009]根据本发明的另一个实施例，一种开关设备包括:连接至DC链路的半导体功率开关；以及连接至半导体功率开关的栅极的栅极驱动单元。对于DC链路的至少一些不同的DC链路电压，栅极驱动单元配置为向半导体功率开关的栅极传送不同的栅极驱动电压。通过传送不同的栅极驱动电压，栅极驱动单元驱动半导体功率开关从DC链路向负载传送电流。
[0010]在另一方面中，本发明涉及一种方法，用于将半导体功率开关的电流转换速率维持在预定转换速率范围内，而不直接测量电流转换速率。基于在栅极驱动单元接收的控制信号，通过调节由栅极驱动单元提供至半导体功率开关的栅极驱动电压维持电流转换速率。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]参考附图，通过阅读以下非限制性实施例的描述将更好地理解本发明，其中:
[0012]图1是包括三相功率转换器的柴油机电力推进系统的示意图，其可由根据本发明的实施例的开关设备控制。
[0013]图2是根据本发明的实施例的包括半导体功率开关和续流二极管的开关设备的示意图。
[0014]图3是图2的开关设备的透视图。
[0015]图4显示当由传统的栅极驱动单元控制时，对于图2的半导体功率开关两端的不同电压值的接通特征。
[0016]图5A和5B的曲线图显示根据本发明的实施例，在单一设定栅极驱动电压或在自适应栅极驱动电压控制下，图2的半导体功率开关的接通特征。
[0017]图6是根据本发明的实施例的自适应栅极驱动单元的示意图，其与图2中显示的开关设备连接。
[0018]图7-9的曲线图描绘根据本发明的实施例，在不同半导体功率开关参数的操作范围内的比较开关特征。
【具体实施方式】
[0019]以下将详细参考本发明的示例性实施例，其示例显示在附图中。只要可能，各幅图中使用的相同的附图标记指代相同或类似的部件。虽然参考功率转换器描述本发明的示例性实施例，但是本发明的实施例也适用于小型半导体功率开关。
[0020]本发明的实施例涉及自适应栅极驱动单元，其调节半导体功率开关栅极驱动电压以在DC链路电压的整个操作范围上维持与预定参数一致的电流转换功能。
[0021]图1显示柴油机电力推进系统100的示意图，其中内燃机102(例如柴油机或其他发动机)驱动三相发电机104。发电机104产生的AC电压由三相二极管阵列106 (在此也称为整流器106)进行整流，其将电压Vdc传送至连接在电容器108和功率逆变器110或其他转换器(“转换器”指将一种电压形式转换为另一种电压形式的装置，例如将DC转换为三相AC)两端的DC链路107。功率逆变器包括开关设备或“模块”111、112、113、114、115、116，其一起被控制以对Vdc进行换向(commutate),从而通过输出端子120将三相电功率传送至牵引马达130或其他负载(虽然显示三相负载作为示例，但是本发明的实施例也适用于其他负载。)。在本发明的实施例中，每个开关设备由相应的自适应栅极驱动单元(ADGU)601、602、603、604、605、606控制，以下参考图6进一步讨论。
[0022]图2显示开关设备112的实施例的示意图。如图所示,开关设备112包括在其壳体320内(图3)的半导体功率开关220和续流二极管221。半导体功率开关220具有通过结224结合的集电极222和发射极223。在结224处，栅极225被连接以从相关联的栅极驱动单元602接收栅极驱动电压Vg和栅极电流Ige。这样，栅极驱动单元602作用在半导体功率开关的开放管脚栅极端子上。
[0023]应理解，栅极驱动单元602可以通过提供适当水平的电压和/或电流“驱动”栅极225。当栅极被驱动时，功率开关220处于“导通”状态，从集电极222到发射极223具有相对较小的电压降。当栅极不被驱动时，功率开关一般处于“非导通”或高电压降状态，从集电极到发射极仅有最小的泄露电流。功率转换器还可以使用可控硅(SCR)来实现，SCR保持导通直到被反向偏压。续流二极管221反向并联连接至半导体功率开关220。换言之，续流二极管的阳极连接至半导体功率开关发射极223，而续流二极管的阴极连接至半导体集电极222。相应地，续流二极管221通过电流以防止在功率开关220被反向偏压的情况下在功率开关两端强加击穿电压。
[0024]在开关设备112外部，集电极222通过包含在开关设备壳体320中的集电极端子322连接至输出导线120之一以及连接至电气相邻的开关设备113。发射极223通过包含在开关设备壳体320中的发射极端子323连接至电容器108和整流器106底侧的DC链路107。自适应栅极驱动单元602通过感应端子324和325以及控制端子326分别连接至半导体功率开关集电极222、发射极223和栅极225，如以下参考图6进一步讨论。自适应栅极驱动单元602还连接至实际或虚拟温度传感器。在所述实施例中，存在如热敏电阻327的实际温度传感器，其可安装至图3的开关设备壳体320以测量开关设备壳体温度。
[0025]虽然图2特别显示了半导体功率开关为绝缘栅双极晶体管(IGBT)的示例性实施例，但是本发明也适用于其他固态半导体器件，包括作为非限制性示例的双模绝缘栅晶体管(BiGT)、M0SFET和其他电压受控器件。此外，虽然通常开关设备111、112……116将是同类的，但是本发明的方面可在包括异类功率开关的功率转换器中实施。本发明的其他实施例适用于单个功率开关。
[0026]图4显示当由传统的栅极驱动单元控制时，对于图2的开关设备112两端的DC链路电压的不同值，在接通时的电压和电流瞬态的时序图。特别地，图4显示对于Vdc = 1800V和对于Vdc = 800V，开关设备电压降Vce、开关设备功率电流Ice、开关设备功率损耗Eon、电流转换速率dlce/dt的瞬态。当比较两个不同的Vdc水平时，电压的增大提高了开关瞬态过程中开关设备功率损耗的大小，且趋向于驱动较大的电流转换速率和较大的Ice峰值。例如，如图4所示，较大值Vdc = 1800V产生较大的转换速率和Ice峰值，如实线所示，而较小值Vdc = 800V产生较小的转换速率和Ice峰值，如虚线所示。
[0027]应理解，功率转换器操作条件，例如DC链路电压、输出电流和半导体功率开关结温可影响功率电流Ice的接通和断开转换速率。例如，在DC链路电压Vdc具有较低值时，功率电流Ice的接通转换速率降低。在半导体结温具有较低值时，功率电流Ice绝对值中的断开转换速率显著增大，具有潜在的负面影响(例如过压)。因此，在本发明的实施例中，为了半导体功率开关的最佳利用和安全操作，在操作参数的整个预定范围上功率电流接通转换速率被保持在预定转换速率范围内。
[0028]例如，在整个开关瞬态中，开关电流转换速率可以保持在最小值-最大值范围内。在整个开关瞬态中使开关电流转换速率保持在最小值-最大值范围内是控制功率开关在预定转换速率范围内传送电流的一个示例。替代性的，开关电流转换速率可以保持在理想瞬态时间函数附近的特定误差范围内。使开关电流转换速率保持在理想瞬态时间函数附近的特定误差范围内是控制功率开关在预定转换速率范围内传送电流的另一个示例。
[0029]在接通或断开过程中，栅极驱动电压Vg是最容易调节的影响电流转换速率dice/dt的参数。但是，由于Ice所要求的极高的采样率，已认为在闭环模式中通过调节Vg来控制半导体功率电流转换速率dlce/dt是不可行的。相应的，按照惯例以单一目标值的栅极驱动电压Vg预先设定栅极驱动单元，以保证在DC链路电压Vdc的最高设计值下的安全操作。
[0030]在Vdc具有较低值时，单一设定的栅极驱动单元将提供不足的栅极驱动电压Vg，导致半导体功率开关的接通慢于期望，引起高于期望的开关损耗。在Vdc具有较低值时的高输出电流导致出现Ice的最大值，较高的开关损耗与该Ice的最大值组合会导致半导体结处的不期望的或最坏情况下的高温条件。因此，传统的栅极驱动单元要求半导体功率开关的热和电的超裕度设计，从而为单一值的栅极驱动电压Vg提供全量程的适当操作。超裕度设计导致除了在所设计的最坏情况条件下操作时，半导体功率开关的利用差。在例如柴油机电力牵引系统100的应用中，DC链路电压可能剧烈变化以在从全速前进到再生制动的各种负载下优化功率传输效率，在这样的应用中半导体功率开关的利用差是值得关注的。
[0031]考虑到上述问题，在本发明的实施例中，功率电流Ice的开关转换速率被控制以使包括结温Tj在内的半导体功率开关参数可以维持在可接受的设计极限内。根据本发明的一个实施例，自适应栅极驱动单元配置为调节栅极驱动电压以将功率电流转换速率维持在预定的转换速率范围内，而不直接测量功率电流转换速率。通过调节栅极驱动电压Vg，在Vdc的整个操作范围上可以维持一致的电流转换速率dlce/dt。
[0032]例如，图5A显示在800Vdc下由针对1800Vdc进行优化的单一设定栅极驱动电压Vg正向偏压的示例性半导体功率开关的接通瞬态。作为对比，图5B显示在800Vdc下由针对SOOVdc进行优化的栅极驱动电压Vg正向偏压的相同半导体功率开关的接通瞬态。显而易见，使用适当优化的栅极驱动电压设定导致较高的栅极电流Ig、增大的栅极驱动电压Vg和功率电流Ice的转换速率，因此，导致半导体功率开关的增强性能和较低开关损耗。相应地，在实施例中，提供栅极驱动电压Vg的多个设定，所述多个设定在DC链路电压Vdc的预期操作范围内针对Vdc的多个值进行优化或者选择/预先选择。
[0033]相应地，图6显示根据本发明的实施例的与开关设备112连接的自适应栅极驱动单元602的示意图。自适应栅极驱动单元602包括可编程逻辑控制器(PLC)620，在一个实施例中其可以是FPGA (现场可编程门阵列)。栅极驱动单元602还包括DC电源621、光学转换器或其他控制端子622、ADC (模拟数字信号转换器624 ( “ADCMUX”)、栅极驱动单元存储器626和多个信号连接。特别地，与控制端子622连接的命令链路628接收和发送包括操作者控制信号OCl、0C2等的数据，同时PLC 620通过ADC 624直接从传感器连接630、632和634接收Vce、Tj和Ice的测量值。
[0034]基于测量值和接收的数据，PLC 620控制输出级640以传送栅极驱动电压Vg，栅极驱动电压Vg选自存储在栅极驱动单元存储器626内的查找表642中的多个预定值641。在本发明的一方面中，Vg的存储值是根据Tj和Vce的线性函数进行预定的。在本发明的另一方面中，Vg的存储值是根据通过命令链路628和控制端子622在PLC 620接收的一个或多个操作者控制信号OCl、OC2等进行预定的。在本发明的又一方面中，Vg的存储值可以是按时间排序的数组或时间函数，每一个对应于例如Tj、Vce、Vdc和/或OCl、OC2等一个或多个操作参数的多个预定范围中的一个或多个。可变Vg的实现可通过连接至单一栅极驱动单元电压源的电阻阵列来实现(如图所示)，或者通过连接至单一电阻的多个电压源来实现，或者通过其他方式实现。在特定实施例中，Vg以数字形式变化，即在离散值之间变化。
[0035]根据本发明的一方面，栅极驱动单元602根据由PLC 620从栅极驱动单元存储器626中选择的时间函数Vg(t)控制栅极驱动电压Vg的转换速率，从而控制开关瞬态过程中集电极-发射极电流Ice的转换速率。例如，在一些方面中，Vg(t)可以是时间的函数，设定时间范围(例如0，10us)和目标范围(例如_15，15V)内栅极驱动电压Vg的目标值。
[0036]栅极驱动电压Vg的目标值的实现可通过连接至单一栅极驱动单元电压源的电阻阵列来实现(如图所示)，或者通过连接至单一电阻的多个电压源来实现，或者通过其他方式实现。例如，在图6显示的实施例中，在栅极驱动单元602测量功率开关两端的电压Vce，输出级640包括包含多个电阻的可编程分压器，每个电阻可由PLC 620通过受控MOSFET或类似器件进行开关。然后根据测量电压，输出级640由PLC 620进行开关，以获得独立于DC链路电压的接通电流转换速率。这样，对于DC链路电压Vdc的较低值，输出级640被切换以提供较高目标值的栅极驱动电压Vg。如图6所示，输出级640还包括可变电压源(例如“自耦变压器”类器件)。在其他实施例中，输出级可包括一个或多个自耦变压器、可变电流源或可编程分压器。
[0037]仍然参考图6，对应于DC链路电压Vdc的预定范围的目标值641存储在栅极驱动单元存储器626中的查找表642中。PLC 620 (在一个实施例中可以是FPGA)读取功率开关电压Vce的测量结果，在查找表中搜索相应的Vdc范围，选择适当的Vg值，并发送命令信号至输出级640从而为下一次开关事件取得优化的驱动强度Vg。“相应的Vdc范围”表示在开关试运行过程中或者在其他非故障基准操作过程中已经被识别的Vdc值的范围，其与Vce的测量值对应。
[0038]在未显示的另一个实施例中，可以在每个自适应栅极驱动单元601......606测量或估计从功率转换器110供给到牵引马达130的三相输出电流，而且每个PLC能够以时间为函数调节或改变栅极驱动电压Vg，以获得独立于目标输出电流Ice的接通电流转换速率dlce/dt。在其他实施例中，可以测量或估计半导体功率开关的结温Tj，以及可以调节驱动强度以获得独立于温度的接通电流转换速率。在又一个实施例中，可以在中央控制单元(未显示)测量例如负载电流或操作者控制输入的操作条件，中央控制单元可以选择并向自适应栅极驱动单元传输用于选择栅极驱动电压Vg的适当值的控制信号。
[0039]图7显示在电源电压Vdc的整个操作范围上，接通电流转换速率dlce/dt的平均值的配对曲线。上部曲线显示使用根据本发明的一方面的自适应栅极驱动单元提供预先选择的Vg值的结果。下部曲线显示使用传统栅极驱动单元的结果。应注意，随着Vdc减小而增大Vg起到加速电流转换速率dlce/dt的作用，导致dlce/dt相对于Vdc的基本上平坦的函数。这与传统的非自适应(单一设定)栅极驱动单元的明显向上的斜率形成对比。
[0040]在图8中可见类似效果，图8显示在DC链路电压Vdc的整个相同的操作范围上，续流二极管处的峰值功率ro的配对曲线。带有明显向上斜率的下部线条是对于Vg保持在单一值的基准情况，而上部基本上平坦的线条显示本发明的方面，其中Vg根据Vdc进行调节。
[0041]这样，通过调节Vg，根据本发明的实施例的自适应栅极驱动单元可以在DC链路电压的整个操作范围上消除热和电应力，从而减小由所发明的栅极驱动单元控制的半导体功率开关的热疲劳。例如，图9显示对于具有单一设定栅极驱动电压Vg的基准情况以及对于根据本发明的方面调节栅极驱动电压的情况，在接通电流的整个操作范围中，整个半导体功率开关/续流二极管模块的开关损耗能量Eon的变化。可以看出，根据本发明的一方面，通过调节栅极驱动电压Vg，可以减小开关损耗，从而减轻半导体功率开关上的热负载和热应力。此外，通过调节栅极驱动电压Vg，半导体功率开关结温Tj可以被控制在设计极限内。
[0042]这样，根据本发明的方面，自适应栅极驱动单元可以减轻用在功率逆变器或功率转换器中的半导体功率开关的超裕度设计，例如在图1中显示的柴油机电力牵引系统100中使用的。
[0043]在一个实施例中，开关设备包括:半导体功率开关，所述半导体功率开关被连接为在半导体功率开关被栅极驱动电压驱动时传送电流；以及连接至半导体功率开关的栅极的自适应栅极驱动单元。栅极驱动单元配置成为栅极驱动电压选择多个预定时间函数之一，以及根据所选择的时间函数向功率半导体的栅极传送栅极驱动电压。这样，栅极驱动单元驱动半导体功率开关在预定转换速率范围内传送电流。
[0044]在另一个实施例中，自适应栅极驱动单元包括:控制端子；逻辑电路；以及配置为向半导体功率开关提供栅极驱动电压的输出级。逻辑电路配置为基于通过控制端子接收的控制信号选择时间函数。逻辑电路还配置为控制输出级以根据所选择的时间函数提供栅极驱动电压。
[0045]在特定方面和实施例中，时间函数可以在半导体功率开关处于非导通状态时基于半导体功率开关的集电极和发射极之间的电压的测量结果进行选择。在其他方面或实施例中，时间函数可基于开关设备壳体温度的测量结果或基于半导体功率开关结温的估计进行选择。功率开关结温可至少基于功率开关电气参数的测量值进行估计。此外，功率开关结温可至少基于开关设备壳体温度进行估计。在特定实施例中，时间函数可基于功率转换器输出电流的值进行选择。例如，功率转换器输出电流可以在半导体功率开关处于非导通状态时进行测量或估计。此外，可以基于在栅极驱动单元接收的操作者控制信号估计功率转换器输出电流。在一些实施例中，时间函数可以在半导体功率开关处于非导通状态时基于切换之后功率开关电流的估计进行选择。
[0046]在本发明的实施例中，栅极驱动单元接收控制信号，并基于控制信号调节栅极驱动单元提供至半导体功率开关的栅极驱动电压，从而将半导体功率开关的电流转换速率维持在预定转换速率范围内，而不直接测量电流转换速率。例如，控制信号可以基于非导通状态下半导体功率开关的集电极和发射极之间的电压的测量值。调节栅极驱动电压可包括基于控制信号选择时间函数，以及基于所选择的时间函数调节栅极驱动电压。在所选实施例中，控制信号可以替代性的或者还可以基于功率开关结温的测量结果或估计。例如，功率开关结温可以基于开关设备壳体温度和功率开关电气参数的测量值进行估计。在特定实施例中，控制信号可以替代性的基于或者还基于在半导体功率开关处于非导通状态时测量或估计的功率转换器输出电流的值。
[0047]开关设备的另一个实施例包括连接至DC链路的半导体功率开关和栅极驱动单元。栅极驱动单元连接至半导体功率开关的栅极。对于DC链路的至少一些不同的DC链路电压，栅极驱动单元配置为向半导体功率开关的栅极传送不同的栅极驱动电压，以驱动半导体功率开关从DC链路向负载传送电流。在一个实施例中，开关设备还包括存储多个DC链路电压的信息的存储器单元，多个DC链路电压在指定的DC链路操作范围内彼此不同(例如从第一非零DC链路电压到不同的第二非零DC链路电压的范围内的多个非零电压值)。分别与存储器单元中的多个DC链路电压关联的是多个栅极驱动电压，多个栅极驱动电压中的至少一些是彼此不同的。即对于给定的第一和第二 DC链路电压，与存储器单元中的第一和第二 DC链路电压关联的栅极驱动电压可以是相同的，但是在所有的DC链路电压中，至少一些栅极驱动电压是不同的。栅极驱动电压可以是绝对电压水平(例如用于将半导体功率开关转换到接通状态，在半导体功率开关将被通电的指定操作时间期间，栅极驱动电压处于水平V)，或者是时变电压水平(例如在半导体功率开关将被通电的指定操作时间期间，栅极驱动电压被驱动为多个不同的指定电压水平)。在操作中，栅极驱动单元接收当前/目前的DC链路电压的第一值的信息。基于该当前的DC链路电压的第一值，栅极驱动单元在存储器单元中识别与该当前的DC链路电压的第一值关联/相关的第一栅极驱动电压。栅极驱动单元将第一栅极驱动电压传送至半导体功率开关的栅极。如果DC链路电压改变至第二值(任何改变量，或者替代性地改变量超过阈值)，那么栅极驱动单元在存储器单元中识别与DC链路电压的第二值关联/相关的第二栅极驱动电压，且控制驱动栅极至第二栅极驱动电压。至少在一些情况下，第二栅极驱动电压与第一栅极驱动电压不同。在实施例中，栅极驱动电压的选择还基于电压(例如Vce)或与半导体功率开关关联的其他操作参数，例如Vce可以与DC链路电压相关。
[0048]在另一个实施例中，栅极驱动单元配置为向半导体功率开关传送选择的栅极驱动电压，以驱动半导体功率开关在预定转换速率范围内传送电流。
[0049]在另一个实施例中，开关设备包括:连接至DC链路的半导体功率开关和栅极驱动单元。栅极驱动单元连接至半导体功率开关的栅极。栅极驱动单元配置为向半导体功率开关的栅极传送多个栅极驱动电压中选定的一个。多个栅极驱动电压(i)彼此不同，以及(?)当多个栅极驱动电压中的任意一个被施加到栅极时，其驱动半导体功率开关向负载传送电流。栅极驱动单元配置为基于当前/目前的DC链路的DC链路电压选择多个栅极驱动电压中被选择的一个。多个栅极驱动电压分别与DC链路的指定操作范围内的多个DC链路电压关联(例如在存储器单元中)。
[0050]这样，本发明的方面涉及一种方法，包括:在栅极驱动单元接收控制信号；以及基于控制信号调节栅极驱动电压。栅极驱动电压由栅极驱动单元提供至半导体功率开关，以将半导体功率开关的开关电流转换速率维持在预定转换速率范围内。栅极驱动单元基于控制信号被调节，而不直接测量开关电流转换速率。在特定方面中，控制信号基于非导通状态下半导体功率开关的集电极和发射极之间的电压的测量值，以及调节栅极驱动电压包括基于控制信号选择时间函数以及根据所选择的时间函数调节栅极驱动电压。
[0051]在一些方面中，控制信号基于半导体功率开关的功率开关结温的测量结果或估计的至少其中之一。例如，功率开关结温基于容纳半导体功率开关的壳体的壳体温度的测量值以及半导体功率开关的功率开关电气参数的测量值进行估计。
[0052]在一些方面中，控制信号基于包括半导体功率开关的功率转换器的功率转换器输出电流的测量或估计值的至少其中之一。功率转换器输出电流的值可以在半导体功率开关处于非导通状态时进行测量。替代性的或者额外的，功率转换器输出电流的值在半导体功率开关处于非导通状态时基于在与栅极驱动单元分离的控制器接收的操作者控制信号进行估计。
[0053]容易理解，本发明的实施例和方面能够在操作条件的整个范围上实现半导体功率开关的增强性能。特别的，通过根据半导体功率开关的操作参数调节栅极驱动电压，能够将开关电流转换速率维持在预定转换速率范围内。因此，换向损耗减小，热应力减轻。相应的，可以增强功率转换器的耐久性和功率效率。
[0054]应理解，以上描述旨在是说明性的，而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此组合使用。此外，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应于本发明的教导，而不背离本发明的范围。虽然本文描述的尺寸和材料类型旨在限定本发明的参数，但是它们绝不是限制性的，而是示例性实施例。通过阅读以上描述，许多其他实施例将对本领域技术人员是显而易见的。因此，本发明的范围应参考权利要求连同权利要求所赋予的等效物的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”分别用作术语“包含”和“其中”的简明英语等效词。此外，在以下权利要求中，术语如“第一”、“第二”、“第三”、“上部”、“下部”、“底部”、“顶部”等仅用作符号，并不旨在对其对象强加数字或位置要求。此外，以下权利要求的限制不是以装置加功能的格式撰写的，也不旨在基于35U.S.C.§ 122第6款进行解释，除非且只有权利要求限制明确使用了短语“用于……的装置”然后是缺少其他结构的功能陈述。
[0055]本书面描述使用示例来公开本发明的几个实施例，包括最佳实施方式，并使任何本领域技术人员能实施本发明的实施例，包括利用和使用任何装置或系统以及执行任何所含方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。这样的其它示例旨在属于权利要求书的范围内，只要它们具有与该权利要求书的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与该权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。
[0056]如本文所用，以单数形式列举且前面带有单词“一”的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确声明了这种排除。此外，引用本发明的“一个实施例”不应解释为排除也包含了所述特征的其他实施例的存在。此外，除非明确做出相反的声明，实施例“包含”、“包括”或“具有”具有特定特征的一个元件或多个元件可以包括不具有该特征的其他此类元件。
[0057]在不背离本文涉及的发明的精神和范围的前提下，可以在上述自适应栅极驱动单元中进行特定改变，因此以上描述或附图中显示的全部主题旨在被理解为仅仅作为显示本文的创造性概念的示例，不应被解释为限制本发明。
【权利要求】
1.一种开关设备，包括: 半导体功率开关，所述半导体功率开关被连接为在被栅极驱动电压驱动时传送电流；以及 连接至所述功率开关的栅极的栅极驱动单元，所述栅极驱动单元配置成为所述栅极驱动电压选择多个预定时间函数中的一个，以及根据所选择的时间函数向所述功率开关的栅极传送所述栅极驱动电压，从而驱动所述功率开关在预定转换速率范围内传送电流。
2.根据权利要求1所述的开关设备，其特征在于，所选择的时间函数在接通所述半导体功率开关之前是基于所述功率开关的集电极和发射极之间的电压测量进行选择的。
3.根据权利要求1所述的开关设备，其特征在于，所选择的时间函数是基于对所述功率开关的功率开关结温的测量或估计中的至少一个进行选择的。
4.根据权利要求3所述的开关设备，其特征在于，所述功率开关结温是基于所述功率开关的功率开关电气参数的测量值进行估计的。
5.根据权利要求3所述的开关设备，其特征在于，所述半导体功率开关结温是基于容纳所述功率开关的开关设备壳体的开关设备壳体温度进行估计的。
6.根据权利要求1所述的开关设备，其特征在于，所选择的时间函数是基于包括所述功率开关的功率转换器的输出电流的测量值或估计值中的至少一个进行选择的。
7.根据权利要求6所述的开关设备，其特征在于，所述功率转换器的所述输出电流是在所述半导体功率开关处于非导通状态时进行测量或进行估计中的至少一个。
8.根据权利要求6所述的开关设备，其特征在于，所述功率转换器的输出电流的值是基于在所述栅极驱动单元接收的操作者控制信号进行估计的。
9.根据权利要求1所述的开关设备，其特征在于，所选择的时间函数是在所述半导体功率开关处于非导通状态时基于接通之后对功率开关电流的估计进行选择的。
10.一种栅极驱动单元，包括: 用于接收控制信号的控制端子； 逻辑电路，所述逻辑电路被连接为从所述控制端子接收所述控制信号，并且配置为基于所述控制信号选择时间函数；以及 配置为向半导体功率开关提供栅极驱动电压的输出级； 其中所述逻辑电路配置为控制所述输出级以根据所选择的时间函数提供所述栅极驱动电压。
11.根据权利要求10所述的栅极驱动单元，其特征在于，所选择的时间函数在所述功率开关处于非导通状态时是基于所述功率开关的电压测量进行选择。
12.根据权利要求10所述的栅极驱动单元，其特征在于，所选择的时间函数是基于对所述半导体功率开关的半导体功率开关温度的测量或估计中的至少一个进行选择。
13.根据权利要求12所述的栅极驱动单元，其特征在于，所述半导体功率开关温度是在相关散热器处直接测量的。
14.根据权利要求12所述的栅极驱动单元，其特征在于，所述半导体功率开关温度是基于容纳所述半导体功率开关的壳体的壳体温度的测量值进行估计的结温。
15.根据权利要求10所述的栅极驱动单元，其特征在于，所选择的时间函数是基于包括所述半导体功率开关的功率转换器的功率转换器输出电流的测量值或估计值中的至少一个进行选择的。
16.根据权利要求15所述的栅极驱动单元，其特征在于，所述功率转换器输出电流的值是在所述半导体功率开关处于非导通状态时进行测量或估计的。
17.根据权利要求15所述的栅极驱动单元，其特征在于，所述功率转换器输出电流的值是基于在所述栅极驱动单元接收的操作者控制信号进行估计的。
18.根据权利要求10所述的栅极驱动单元，其特征在于，所选择的时间函数是从存储在所述逻辑电路可访问的存储器中的多个预定栅极驱动电压时间函数中进行选择的，且其中每个预定栅极驱动电压时间函数包括至少一栅极驱动电压电平，用于将所述半导体功率开关控制为接通状态以向负载传送电流。
19.根据权利要求10所述的栅极驱动单元，其特征在于，所述逻辑电路配置为控制所述半导体功率开关的输出级以在预定转换速率范围内传送电流。
20.—种开关设备,包括: 连接至DC链路的半导体功率开关；以及 连接至所述半导体功率开关的栅极的栅极驱动单元，其中对于所述DC链路的至少一些不同的DC链路电压，所述栅极驱动单元配置为向所述半导体功率开关的栅极传送不同的栅极驱动电压，以驱动所述半导体功率开关从所述DC链路向负载传送电流。
21.根据权利要求20所述的开关设备，还包括存储器单元，所述存储器单元存储: 多个DC链路电压值，所述多个DC链路电压值在预先指定的DC链路操作范围内彼此不同；以及 多个栅极驱动电压值，每个栅极驱动电压值对应于一个或多个不同的DC链路电压值。
22.根据权利要求21所述的开关设备，其特征在于，至少两个不同的DC链路电压值对应于相同的栅极驱动电压值。
23.—种方法,包括: 在栅极驱动单元接收控制信号；以及 基于所述控制信号调节由所述栅极驱动单元提供至半导体功率开关的栅极驱动电压，以将所述半导体功率开关的开关电流转换速率维持在预定转换速率范围内，而不直接测量开关电流转换速率。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述控制信号基于在非导通状态下的所述半导体功率开关的集电极和发射极之间的电压测量值，以及其中调节所述栅极驱动电压包括基于所述控制信号选择时间函数以及根据所选择的时间函数调节所述栅极驱动电压。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述控制信号是基于对所述半导体功率开关的功率开关结温的测量或估计中的至少一个的。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述功率开关结温是基于容纳所述半导体功率开关的壳体的壳体温度的测量值以及所述半导体功率开关的功率开关电气参数的测量值进行估计的。
27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述控制信号是基于包括所述半导体功率开关的功率转换器的功率转换器输出电流的测量值或估计值中的至少一个的。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述功率转换器输出电流的值是在所述半导体功率开关处于非导通状态时进行测量的。
29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述功率转换器输出电流的值是在所述半导体功率开关处于非导通状态时基于在与所述栅极驱动单元分离的控制器接收的操作者控制信号进行估计的。
【文档编号】H03K17/08GK104247264SQ201380021789
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年3月21日 优先权日:2012年4月24日
【发明者】J. 马里库尔韦洛 A., A. 策尔斯 T., 加西亚克莱门特 M., 罗伊纳 P. 申请人:通用电气公司