栅极信号的制作方法

本发明涉及栅极信号传输，且确切地说，但不排除其它涉及提供栅极信号用于控制至少一个半导体切换组件的切换状态。

背景技术：

存在关于在相对高电压环境中操作开关的特定问题。举例来说，在机械开关中，断开时可能发生电弧，其中分离的接触件之间空气的电离允许空气充当导体。这本身可能是危险的，并且还致使对设备的磨损，因此需要定期的检查和更新。

固态开关，即半导体开关，例如绝缘栅双极晶体管(igbt)、金属-氧化物半导体场效晶体管(mosfet)等并不遭受电弧，但当前可用的固态开关通常不能支持相对高电压环境的完整电压，且/或可支持较高电压的开关较昂贵。这意味着，在其在高电压环境中使用的情况下，通常提供若干(在一些实例中，达一百个或更多)串联连接以提供开关的固态切换组件。在此串联连接中，常常需要控制切换组件以大体上同时操作来确保所支持的电压在串联连接上共享，且不由组件或首先切换的组件子集的完全支持。

为了切换半导体切换组件，通常由栅极控制器电路提供栅极驱动信号。在相对高电压环境中，为了实现保护，此类栅极控制器可与其它电路且与接地电位电流隔离。可经由变压器向栅极控制器提供电力，这允许维持隔离。控制何时驱动半导体切换组件的栅极的切换信号可例如经由光纤以光学方式供应，再次确保维持隔离。在一些实例中，例如st6phanebrehaut等人的“经由双电流绝缘变压器对高电力igbt的栅极驱动(gatedrivingofhighpowerigbtthroughadoublegalvanicinsulatedtransformer)”中陈述，由第一变压器在线环中感生切换信号和电力传递信号两者，这继而在能够向栅极驱动电路供电的变压器绕组中感生信号。切换信号和电力传递信号处于相异的良好分离的频率(例如分别为8mhz和20khz)，且由栅极驱动电路使用高通滤波器分离。

然而，使用电力传递信号作为载波发射此类高频率切换信号需要使用高频率调制器和高阶滤波器，其可能难以实施和/或致使电磁发射，电磁发射可能干扰附近设备或引起顺应性问题。使用相对低频率电力传递信号和高频率传信命令还使变压器部件的优化变复杂，因为变压器应经设计以在低和高频率两者下具有良好性能特性。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供一种为到半导体切换组件的栅极信号提供电力的方法，其包括：

在初级导体上提供交变电流；

在次级导体中使用初级导体上的交变电流感生电流；

从次级导体上感生的电流产生用以提供栅极信号的电力；

其中所述方法进一步包括：

将调频施加到初级导体上的交变电流；以及

在次级导体中的感生电流中检测调频。

在此方法中，初级导体上的交变电流不仅提供电力，而且允许可检测的调频，其可用于与栅极控制器通信，且其可不需要用于包括栅极驱动电路的栅极控制器的单独的电力和通信系统。

举例来说，施加到初级导体上的交变电流的调频可指示数据信号，且所述方法可包括从所检测的调频产生数据信号。

在一特定实例中，所述数据信号可以是控制信号。在此些实例中，所述方法可进一步包括根据所检测的调频控制栅极信号。这是提供例如控制栅极信号的定时或指示一或多个切换模式的栅极控制信号的方便的方式。在一些实例中，数据信号可包括用于设定或更改栅极电压的指令，其在一些实例中可改进开-状态性能。如技术人员将熟知的，从“标准”栅极电压(例如，对于一些igbt，此可为约15v)增加栅极电压可减小开-状态电压降且因此改进传导损耗。减小栅极电压但不完全切断切换组件在特定故障条件中可能是合意的，因为其致使切换组件自限制电流电平。

在其它实例中，数据信号可包括针对来自与半导体切换组件相关联的电路的响应的请求。所请求的响应可包括例如切换组件开关状态(例如开或关)、切换组件正常状态、切换组件温度等状态的一或多个指示。

在一些实例中，所述方法可进一步包括在所检测的调频中检测预定识别符。如技术人员将熟知，在栅极驱动方法的一些实例中，多个栅极控制器从共同初级导体回路产生电力。包括识别符允许特定地寻址栅极控制器的一个或子集，使得可由仅所寻址的栅极控制器处理和/或作用于任何进一步数据。由此，所述方法可包括一种寻址栅极控制器的方法，包括将预定栅极控制器识别符编码为调频。

调频可以是频移键控(frequencyshiftkeying，fsk)。如技术人员将了解，fsk是其中数字信息经由载波的离散频率改变而发射的调频的实例。fsk可以是二进制的，使得相异频率分别表示0或1。此调频可在感生电流中容易地检测到。

在一些实例中，检测调频的步骤可包括监测感生电流持续至少两个周期。这在增加频率移位已发生的确定性方面可能是有利的。在一些实例中，检测调频可包括以下中的至少一个：监测电流波形的过零点，监测电压峰值之间的时间，和/或对次级导体中的感生电流进行高通滤波。在一些实例中，电流波形可进行取样，且样本与先前确定的值比较。为给出特定实例，在20khz处，电压的每一正峰值每隔50微秒呈现，但在25khz处，每一峰值将每隔40微秒发生。如技术人员将了解，此检测可由容易实施的定时电路或频率检测器实行。如果实行高通滤波，那么可实施对调制中使用的频率敏感的高通滤波器。

根据本发明的第二方面，提供经布置以控制半导体切换组件的切换状态的控制电路，所述控制电路包括：

电流源，其经布置以供应交变电流；

调制器，其经布置以调制交变电流的频率；

初级导体，其经布置以携载交变电流；以及

至少一个栅极控制器，其包括：

电力单元，其经布置以经由电磁感应从初级导体产生电力；

解调器，其经布置以识别交变电流中的调频且自其确定数据信号；以及

栅极驱动电路，其经布置以使用由电力单元产生的电力驱动半导体切换组件的栅极。

此控制电路是有利的，因为数据信号和电力两者可自初级导体上携载的电流产生且由栅极控制器使用。数据信号可由由调制器施加到电流的调制表示。

在一些实例中，数据信号可用于产生控制信号，例如半导体切换组件控制信号、信息请求信号和/或栅极驱动控制信号。

栅极驱动电路可经布置以根据半导体切换组件控制信号(其可控制栅极信号的定时)或栅极驱动控制信号(其可控制例如栅极驱动信号的量值等参数)驱动半导体切换组件的栅极。此布置可不需要将单独切换信号提供到栅极控制器。

在一些实例中，初级导体是电流环，且/或每一电力单元包括环芯变压器绕组。在一些实例中，芯可包括铁氧体环，例如经供电的铁氧体环。此布置将是技术人员熟知的，用于提供变压器的初级和次级绕组，这因此允许栅极控制器与电流源电流隔离。在一些实例中，芯的设计可基于预期为感生信号的频率的范围而优化。

调制器可经布置以使用频移键控(在一些实例中，包括二进制移位键控)控制交变电流的频率。此频率移位可容易地检测到。

调制器可经布置以在由以下中的至少一个确定的范围内控制交变电流的频率：电力单元的频率范围、半导体组件的所要切换速度、解调器性能限制、电流源的预期频移、控制电路中的噪声等。控制电路可例如具有某一频率范围，在该频率范围中有效地传递电力，且在该范围外损耗可能变得高得不可接受。虽然大频率改变可容易地检测到，但其可产生损耗，且此些因素可由技术人员平衡。

在一些实例中，控制电路可包括多个栅极控制器。此布置将是技术人员熟知的，且确切地说在需要若干半导体切换组件彼此紧密接近的情况下可能是有利的。本文中所描述的方法和设备在其中切换组件将大体上同时操作的布置中可能尤其方便，因为所述多个栅极控制器可大体上同时接收相同频率调制信号。然而，在特定实例中，调制器可作为替代或另外经布置以调制交变电流来施加指示栅极控制器中的一或多个的识别符的信号，且每一栅极控制器的解调器经布置以从数据信号确定所述数据信号是否包括对应于所述栅极控制器的识别符。此允许将信号寻址到切换组件的特定一个或子集，因此允许个别地或作为子集来控制切换组件。

根据本发明的第三方面，提供一种栅极控制器，包括：电力单元，其经布置以经由电磁感应从交变电流产生电力；解调器，其经布置以识别交变电流中的频率移位且自其确定数据信号；以及栅极驱动电路，其经布置以使用由电力单元产生的电力驱动半导体切换组件的栅极。

此栅极控制器能够从自其导出电力的相同信号接收数据信号，且因此可不需要单独数据输入。在一些实例中，数据信号可用于产生控制信号，且栅极驱动电路可经布置以根据控制信号驱动半导体切换组件的栅极。

电力单元可包括环芯和/或经布置以对感生电流整流的电力调节模块。此电力调节模块可进一步经布置以平滑和/或调节电流，例如以提供适合用作栅极驱动信号的直流电。

相对于本发明的一个方面描述的特征可与本发明的另一方面的特征组合。确切地说，栅极控制器和/或控制电路可经布置以实行本发明的第一方面的方法至少一些步骤。本发明的第三方面的栅极控制器可经布置以提供本发明的第二方面的控制电路的栅极控制器。

所述方法、栅极控制器和/或控制电路可经布置用于在相对高电压环境中操作，例如在例如交替臂转换器(alternatearmconverter，aac)(在特定实例中，其导向器开关)等转换器中的开关的控制中，或串联桥转换器(sbc)或模块化多层级转换器(mmc)的相位中操作。

本发明进一步包括使用上文描述的栅极控制器和/或控制电路的方法。

现仅借助于实例参看以下图式描述本发明的实施例。

附图说明

图1为示例性示出现有技术中用于为多个栅极控制器供电的电路的示意图；

图2为示例性示出用于根据本发明的任何实施例控制切换组件的控制电路的示意图；

图3为图2中控制电路内的信号和电流形式的示意图；

图4为交替臂转换器(aac)的实例的示意图；以及

图5为图4的aac中的导向器开关的示意图。

具体实施方式

图1为示例性示出现有技术中能够为栅极信号提供电力以控制多个半导体切换装置电路100的示意图。

电路100包括多个栅极控制器，所述多个栅极控制器能够控制半导体切换组件的栅极，例如绝缘栅双极晶体管(igbt)、mosfet或类似栅极控制的装置。在所说明的实例中，栅极控制器提供为栅极板102a、b、c，各自能够充当用于切换组件的栅极控制器。每一栅极板102包括次级导体，其提供变压器的次级绕组104a、b、c且在此实例中包括环芯。共同初级导体106(在此实例中，线环)穿过所述多个栅极板102，且具体地说穿过每一板102上的次级绕组104的中心区。初级导体106和次级绕组104彼此电流隔离，且次级绕组104(且实际上，栅极板102)与接地电流隔离。

电流源108经布置以在初级导体106中提供ac电流(例如，约2安培下的20khz正弦或三角波)。借此在次级绕组104中感生电流。每一栅极板102进一步包括电力调节模块110a、b、c，以及栅极驱动电路112a、b、c。电力调节模块110经布置以整流、平滑和调节感生电流以提供用于栅极驱动电路112的dc电源，其包括能够根据输入控制信号致能和控制栅极驱动信号以控制或改变例如绝缘栅双极晶体管(igbt)、mosfet或类似的栅极控制的装置等半导体切换组件的切换状态的逻辑。因此，每一板102的次级绕组104和电力调节模块110包括能够经由电磁感应从初级导体106上的电流产生电力的电力单元，且所述电力用于驱动半导体切换装置的栅极。

此布置的一个益处是，多个栅极板102可从一个共同初级导体106供电，且不需要到电流源108的直接电流连接。电压隔离可取决于初级导体106的绝缘额定值、初级导体106和次级绕组104之间的气隙，以及栅极板102上的次级绕组104的绝缘额定值(其可根据电压差确定)。

初级导体106可携载相对高频率ac电流，例如15khz到20khz的范围内，因为这导致次级绕组104的芯中的较低滞后损耗和/或允许较小芯，同时还在可听范围以上的切换频率下操作(其防止变压器发射可被听见的声音)。可考虑到任何磁性损耗，根据次级绕组104上的电力的要求来确定初级导体106的电流量值。

与提供电力一样，每一栅极板102可与信号源相关联以提供输入控制信号，以致使栅极板控制切换组件的切换状态。为维持隔离，且如技术人员将熟知，此控制信号可由光纤系统提供。光纤系统通常是可靠的，但容易降级。光纤端部可需要抛光和精确端接，且可接受的光纤弯曲半径可具有局限性，从而提供设备布局的额外复杂化。

图2为示意性示出根据本发明的实施例的控制电路200的示意图，其操作以控制至少一个切换组件201(在此实例中，igbt)的切换状态。

控制电路200包括至少一个栅极板202(图2中所示为两个，但应了解，可存在一个或多于两个栅极板202)。每一栅极板202再包括变压器的次级绕组204，在此实例中各自包括环芯，环芯可以是例如经供电的铁氧体环(ferritering)，但可使用其它材料。初级导体206，其在此实例中包括用于两个栅极板202的共同初级导体，在此实例中为线环，穿过次级绕组204，如图1中相关的描述。

电流源208经布置以在初级导体206中提供ac电流，且借此在次级绕组204中感生电流。

每一栅极板202进一步包括电力调节模块210和栅极驱动电路212。在此实例中，每一栅极板202进一步包括解调器214。栅极驱动电路212进一步包括输出(其在此实例中为光纤数据电缆216)，其经布置以将数据供应到控制器218。此电缆216可经布置以发射例如操作状态数据等数据。此数据可包括以下中的任一个：例如，igbt开/关状态确认、与控制器218的“握手”过程(例如，宣告状态为“o”或指示故障状态/不可用性)、指示过电流或过电压的检测的数据、栅极板逻辑中的故障等。在其它实例中，可不存在“数据后背(data-back)”设施，或其可由除光纤电缆以外的构件提供。

在包括多个栅极板202的实例中，所有栅极板202可经布置以将数据供应到共同控制器218，或供应到单独控制器。

在此实例中，控制器218进一步经布置以控制调制器220，调制器220继而控制电流源208。在此实例中，电流源208是h桥电流源产生器，其可经控制以产生携载编码为调频的数据信号的电流。在其它实例中，电流源208可具有另一拓扑，例如半桥拓扑。

在此实例中，数据信号通过编码初级导体206上提供的电流而发送到栅极板202。此经由由调制器220施加的ac电流的调制来实现。确切地说，例如频移键控(fsk)等调频(fm)技术可用于编码一或多个数字数据信号，所述数字数据信号可随后由栅极板202的解调器214内提供的频率检测器电路检测到。

在一个实例中，参见图3，需要多个栅极板202周期根据开/关选通信号302以占空比为50％接通和切断其相关联切换组件201。电流源208可经控制以利用例如20khz的频率产生电流i(线304)。此可视为载波，且由调制器220进一步控制，使得频率在本实例中根据由控制器218(线306)生成和发送的控制信号在20khz到25khz临时移位。在此实例中，调制器220是fsk调制器，其经布置以更改h桥反相器的频率，从而提供电流源208和驱动初级导体206。

在此实例中，20khz可指示逻辑“1”，且25khz指示逻辑“0”。因此，线306表示包括多个1和多个0的数据，表示选通信号302(例如1表示切换组件201的所要“开”状态，且0表示所要“关”状态，但相反情况可成立)。应注意，电流的流动不停止以表示0，实际上此由频率的改变表示，且因此电力供应并不中断。

在此实例中，解调器214使用滤波器检测频率的移位，滤波器可以是例如无源滤波部件或现场可编程门阵列(fpga)以产生带通滤波等。在此实例中，为确保可靠地检测到20khz到25khz的频率移位，取样至少两个全波周期由解调器214进行频率移位。在其它实例中，确定频率移位可例如由以下中的任一个实现：波形的过零点的定时、测量电压峰值定时和/或高级带通滤波，且可包括过取样。

次级绕组204的设计(例如，形成次级绕组204的芯材料或者芯或绕组204的大小、形状和/或构造的选择)可针对经施加以限制滞后损耗(其可以其它方式导致到栅极板202的较差电力递送和/或形成次级绕组204的芯中的自热)的频率(或频率范围)的特定改变而优化。

在一些实例中，可在了解部件的性能的情况下选择所使用的频率范围。举例来说，如果选择使用在20khz下表现良好的特定铁氧体芯使用，那么考虑表示数据的频率的范围可限于性能不会不恰当地受损的频率。在以上实例中，可基于其不会不恰当地影响铁氧体芯的效率而选择5khz的差。

用于选择频率范围/差的另一考虑因素是切换速度。在以上实例中，频率的改变为5khz。可通过施加小于5khz的fsk移位来增加切换速度，但这将继而需要来自解调器214的更大准确性。此外，例如达到或大于10khz的较大移位将允许容易地鉴别“开”和“关”信号，但最大切换速度将较低。约20-25％的频率差可允许在电流源208的噪声或频移外部容易地检测到频率的改变(h桥电流源208，例如将展现随温度的频移)，而不需要很大程度上指定的解调器214，但当然这些因素可由技术人员针对特定实施方案平衡，且相应地确定频率差。

在一个实例中，初级导体206携载量值为很小安培的电流，且可经布置以向一个或多个栅极板202供应平均约5瓦的电力。

在包括多个栅极板202或栅极板202的堆叠的一些实施例中，数据信号可发送到个别板202，而非整个堆叠的共同体。

在这些实例中，一些切换组件可经控制以改变状态，而其它切换组件可保持不切换。举例来说，每一栅极板202可具有相关联识别符，其可以是如canbus、rs232或i2c串行通信中使用的识别符。可使用任何其它串行通信协议。识别符可作为调频编码到由初级导体206携载的交变电流中且由板202检测到。一旦已辨识识别符，也编码为初级导体206携载的ac上的数据信号的命令(例如，紧跟在识别符之后)可由仅所寻址的栅极板202上的栅极驱动电路212解调和施加。

在一些实例中，数据信号可以是切换信号，或状态请求，例如请求操作状态指示的任一个或任何组合。此指示可涉及切换状态(即，igbt201为开还是关)、一般“状态ok”或故障状态的存在的指示。故障状态可包括过电流检测、过电压检测、栅极板逻辑中故障的指示、指示igbt201可能过热的温度警示等。

在一个实例中，控制电路200可经布置以供在例如如图4中所展示的交替臂转换器400(aac)等转换器中使用。在aac中，转换器400的每一相位具有一对臂402a、402b(仅相对于其中一个标记以避免数字过度复杂)。每一臂402a、402b包括经布置以合成所要电压的单元堆叠404、臂感应器406和导向器开关408。

图4为此实例中组成单元堆叠404的两个示范性单元410的放大图示意图。可以看出，单元410中的每一个包括能量储存构件，其在此实例中为电容器412，所述能量储存构件可根据若干切换组件414的切换状态插入到电路中、被阻挡或旁路以便接近ac电压。堆叠404可由许多此类单元410组成。在此实例中，单元410具有半桥设计，但其可具有其它设计，例如全桥设计。

导向器开关408控制哪一臂402用于传导ac电流，每一对的一个臂402在每一半周期中使用以近似ac电压。

在此实例中，转换器400进一步包括控制器418，其经布置以控制转换器400的功能，且确切地说其中的开关中的任一个的切换状态。在一些实例中，此控制器418可提供图2的控制器218。

如技术人员将熟知，一对的第一臂402a用于构成ac正弦波的正半周期，且一对的另一臂402b用于构成负半周期。

因为半导体开关可支持的电压(即，其额定电压)受到限制，且因为额定值增加，因此成本增加，所以导向器开关408的功能通常不由单一切换组件执行。

适合在aac400(或另一多层级转换器)内使用的开关408的实例在图5中展示。开关408包括半导体切换组件502(在此情况下，绝缘栅双极晶体管(igbt))的串联组合。在典型的实例中，开关408中可存在几十个乃至一百个或更多切换组件502。

通常确保由任何单一切换组件支持的个别电压不会超出其最大建议工作电压，所述最大建议工作电压可依据通常指定为vces的集极-发射极电压界定。因此，串联连接的切换组件502基本上同时操作，如同一个高电压开关一样起作用。

使用控制电路200不需要用于栅极控制器的光纤接收器链路等，从而简化转换器400、栅极控制器和/或控制电路200的设计。如果所有组件502将被控制以同时切换以实现安全操作，那么用以接通或切断半导体组件502的单一命令协议可在ac电流内实施，ac电流沿环路穿过所有栅极板202(其可与导向器开关408的切换组件502的全部、任一个或子集相关联)。

虽然附图和以上说明书的描述中已说明和详细地说明了本发明，但此说明和描述应视为说明性或示范性的而不是限定性的；本发明不限于所公开的实施例。一个实施例中的特征可与另一实施例中的特征组合。

尽管已在aac的导向器开关的上下文中提供实例，但在其它实例中，此控制电路200可在其它设备中发现。举例来说，例如wo2010/088969中描述的其它多层级转换器拓扑，可包括开关以将ac网络的相位连接到转换器(在上述应用中被称为相位组件40)，且此类开关可包括如本说明书所描述的控制电路200。如本说明书所描述的控制电路200还可在例如归于abb名下的wo2014/154265中描述的模块化多层级转换器(常常被称为mmc或/和m2lc)中使用。这些文献的内容在最大可能程度上以引用的方式并入本说明书中。

控制电路200还可在例如柔性交流输电系统(facts)或静态同步补偿器(statcoms)等中使用，因为此设备还可能包括需要同时和/或个别地控制的切换组件。

已相对于各种实施例描述本发明。除非另外明确地陈述，否则所描述的各种特征可组合在一起，且来自一个实施例的特征可在其它实施例中采用。

应注意，上面提及的实施例说明而非限制本发明，并且所属领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计许多替代实施例。

词语“包括”不排除存在除权利要求中列出的组件或步骤以外的组件或步骤，“一”不排除多个，且单一特征或其它单元可满足权利要求书中陈述的若干单元的功能。权利要求书中的任何参考标号或标签不应解释为限制其范围。