專利名稱：設有逆導型igbt的變流器的換向方法
技術領域：
本發明涉及一種從一以二極管模式工作的逆導型IGBT到一以IGBT模式工作的逆導型IGBT的換向方法，所述IGBT構成一換流相且與一直流電壓源并聯，該方法包括如權利要求I前序部分所述的處理步驟。本發明還涉及一種用于實施本發明方法的裝置。
背景技術：
能夠導通相反方向電流的IGBT 又稱 RC-IGBT (Reverse-Conducting IGBT)。RC-IGBT是已知的逆阻型IGBT的一種改進。RC-IGBT與傳統IGBT之間的區別在于，二極管功能和IGBT功能集中在一個芯片上。這導致一功率半導體， 其中二極管模式下的陽極效率與門電壓有關。與傳統IGBT相比，這一點要求驅動該類裝置的方式有所變化。逆導型IGBT可以通過門極來控制二極管模式下的陽極效率。門極導通時，陽極效率下降，而正向電壓上升，存儲電荷下降。門極關斷時，陽極效率較高，導通電壓較低，存儲電荷較高。可以利用逆導型IGBT的這種性能來減小換流相上以二極管模式工作的逆導型IGBT的反向恢復損耗和第二逆導型IGBT的導通損耗。M. Rahimo> U. Schlapbach、A. Kopta、J. Vobecky> D. Schneider 以及 A. Baschnagel在其刊登于 ISPSD 2008 的 “A High Current 3300V Module Employing ReverseConducting IGBTs S etting a New B enchmark in Output Power Capability(使用逆導型IGBT的強電3300V模塊設立功率輸出能力的新基準)”一文中描述了一種從以二極管模式工作的逆導型IGBT到以IGBT模式工作的逆導型IGBT的換向方法。根據這種已知方法，以二極管模式工作的IGBT在經過一段預定的第一延遲時間(從產生設定值關斷控制信號時開始計算)后導通。兩個串聯RC-IGBT中以IGBT模式工作的IGBT在經過一段預定的第二延遲時間(從產生設定值導通控制信號時開始計算)后導通。以二極管模式工作的RC-IGBT在以IGBT模式工作的RC-IGBT即將導通前再度關斷。為此，為以二極管模式工作的RC-IGBT設置了一個時間跨度，在該時間跨度內，這個逆導型IGBT保持導通狀態。這種已知方法的缺點是延時性能較差。一方面，以二極管模式工作的逆導型IGBT在達到反向電流峰值之前，其門電壓必須下降至閾值電壓(即閾值電壓)以下。另一方面，以二極管模式工作的逆導型IGBT在以IGBT模式工作的逆導型IGBT導通時不能已關斷較長時間，否則就無法產生陽極效率下降這一效果。然而，從上級控制單元(例如換流器的控制單元)到這兩個電性串聯RC-IGBT的控制電路(又稱驅動電路)的信號路徑相互間又電位分離。這會使開關時間產生較大偏差，而這樣的偏差將進一步加大電性串聯RC-IGBT的控制路徑偏差。因此，相互協調的延遲時間的激活必然要求投入大量時間和資源。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的是對上述已知方法進行改進以改善其延時性能。權利要求I前序部分所述的特征與區別特征相結合即為本發明用以達成上述目的的解決方案。據此，以二極管模式工作的逆導型IGBT的門極關斷不再受時間控制，而是受事件控制。根據本發明的方法，將以IGBT模式工作的逆導型IGBT開始通流作為事件。根據第一實施方式，借助一電感上的一下降電壓測定所述以IGBT模式工作的逆導型IGBT的通流時間點，其中，所述電感布置在換向電路中。換向電路中的電流上升率比相應負載電路中的電流上升率至少大十倍。因此，通過電感電壓降可方便而明確地測定換向的開始。據此，換向會引起較大的正電流變化(dic/dt),進而使所述電感上形成絕對值較大的負電壓值，在此用作測量電壓。借助預定的極限值對該測量電壓的分布進行分析，其中，一旦達到或超過這個極限值，就對連接在下游的驅動電路進行控制。根據一種有利實施方式，用于檢測所述以IGBT模式工作的逆導型IGBT的通流時間點的單元是所述RC-IGBT模塊內部的一漏感，該漏感布置在輔助發射極和功率發射極之間。這個漏感與一分析單元的兩個輸入端電性并聯。 另一種檢測所述以IGBT模式工作的RC-IGBT的通流時間點的方法是測量所述以二極管模式工作的RC-IGBT的集電極電流。一種可以實現電流測量的特別有利的方案是使用按羅氏線圈原理構建的電流互感器。按羅氏線圈原理構建的電流互感器的輸出信號與電流變化(dic/dt)成比例，因此像在換向電路中使用電感那樣非常便于分析。另一種檢測所述以IGBT模式工作的RC-IGBT的通流時間點的方法是借助飽和變壓器進行電流檢測。用這種變壓器測定流過以二極管模式工作的IGBT的集電極電流的過零。只有當磁場強度處于磁化特性曲線較窄的線性區域時，飽和變壓器才提供輸出信號。在此情況下，以二極管模式工作的逆導型IGBT的門極不是在換向過程開始時放電，而是在集電極電流過零(即反向恢復電流開始)時才放電。
下文將參照附圖及其所示的用于實施本發明方法的裝置的多個實施方式對本發明作進一步說明，其中圖I為具有直流電壓源的兩個RC-IGBT的橋接旁路的電路圖；圖2和圖3為圖I所示橋接旁路的兩個RC-IGBT的設定值控制信號分別以時間t為橫坐標的時間特性曲線圖；圖4和圖5為圖I所示橋接旁路的兩個RC-IGBT的實際控制信號分別以時間t為橫坐標的時間特性曲線圖；圖6為用于實施本發明換向方法的裝置的第一實施方式的電路圖；圖7為用于實施本發明換向方法的裝置的第二實施方式的電路圖；圖8為集電極電流及相應測量電壓以時間t為橫坐標的曲線圖；圖9為用于實施本發明換向方法的裝置的第三實施方式的電路圖；圖10為飽和變壓器的磁化特性曲線；以及圖11為集電極電流及相應測量電壓以時間t為橫坐標的曲線圖。
具體實施例方式在圖I中，附圖標記2表示橋接旁路，4表示直流電壓源，6表示正向電流母線，8表示負母線。橋接旁路2和直流電壓源4借助這兩個母線6和8電性并聯。所述橋接旁路具有兩個電性串聯的逆導型IGBT Tl和T2。這兩個RC-IGBT Tl和T2的連接點構成交流電壓側輸出端A，該輸出端上可接一負載。直流電壓源4具有兩個同樣電性串聯的電容器10和12。這兩個電容器10和12的連接點構成中點端子M。作為設置兩個電容器10和12的替代方案，也可以在母線6和8之間只布置一個電容器。在此情況下，中點M為不可及。相對于直流電壓源4的中點端子M，橋接旁路2的輸出端A上存在一個脈寬調制方波電壓UAM。圖I所示的電路圖相當于多相換流器(特別是交流電逆變器)的電路圖的一部分。由于二極管功能和IGBT功能集中在一個芯片上，逆導型IGBT Tl和T2不需要使用續流二極管或反向二極管。這些IGBT由于具有反向導通能力而又被稱作RC-IGBT (ReverseConducting-Insulated Gate Bipolar Transistor,逆導型絕緣柵雙極晶體管)。由于二極管功能和IGBT功能集中在一個芯片上，這種RC-IGBT可以二極管模式(負的集電極-發射極電流)和IGBT模式(正的集電極-發射極電流)工作。二極管模式 下可通過門極來控制陽極效率。門極導通時，陽極效率下降，導通電壓上升，而存儲電荷下降。門極關斷時，陽極效率較高。其結果是導通損耗較低，存儲電荷較高。圖2至圖5是逆導型IGBT Tl以二極管模式工作、逆導型IGBT T2以IGBT模式工作時的信號分布。圖2是以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的設定值控制信號S*T1以時間t為橫坐標的曲線圖，圖3是以IGBT模式工作的RC-IGBT T2的設定值控制信號S*T2以時間t為橫坐標的曲線圖。這兩個設定值控制信號S*T1和S*T2表征了時間點tl上的換向過程。從這個時間點tl出發，以二極管模式工作的逆導型IGBT Tl在經過一個時間跨度Λ Tl后導通(圖4)。根據如圖5所示的開關狀態T2Sc;h的時間特性曲線圖，以IGBT模式工作的逆導型IGBT T2從時間點tl出發在經過一個時間跨度ΛΤ3后導通(時間點t4)。根據如圖4所示的開關狀態Tlsdl的時間特性曲線圖，以二極管模式工作的逆導型IGBT T2在時間點t4上必須關斷。而且，以二極管模式工作的逆導型IGBT Tl不能已關斷較長時間，否則就無法產生陽極效率下降這一效果。也就是說，以二極管模式工作的RC-IGBT Tl關斷與以IGBT模式工作的RC-IGBT T2導通之間的時間跨度Λ TkS盡可能地短。根據時間跨度Λ T1和相對于時間跨度AT3的時間跨度Λ Tk的函數得出時間跨度Λ T2，其中在時間跨度AT2內，以二極管模式工作的IGBT Tl處于導通狀態。根據前述公開文獻，換流相的兩個逆導型IGBT Tl和Τ2的這種換向過程是受時間控制的。這種時控換向對時間有很高的精度要求。為了能可靠實現這種時控換向，所選擇的時間跨度Λ Tk的長度應確保當兩個電性串聯的RC-IGBT Tl和Τ2中以IGBT模式工作的逆導型IGBT Τ2導通時(導通時間點t4)，以二極管模式工作的逆導型IGBT Tl肯定處于關斷狀態。由于從控制單元到RC-IGBT Tl和T2的控制電路的信號路徑上設有會產生較大偏差的元件，因此時間跨度ΛΤΚ的長度必須再大些。根據本發明的方法，如圖2至圖5中的曲線圖所示的這種換向不再受時間控制，而是受事件控制。將以IGBT模式工作的RC-IGBT T2開始通電流作為事件。但這一事件是在以二極管模式工作的RC-IGBT Tl上測定的。圖6為用于實施本發明換向方法的裝置的第一實施方式的示意圖。這個裝置具有分析單元14，該分析單元的輸出端與又稱驅動開關的控制電路16的輸入端連接。該裝置還具有用于為流過以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的集電極電流i。檢測時間導數的單元。即測定集電極電流L的電流變化。在如圖6所示的實施方式中，該單元是一電感18，尤其是模塊內部漏感。如果所述單元是模塊內部漏感18，則該電感18在IGBT模塊內是布置在輔助發射極El和發射極端子E之間。如果是電感18，則該電感一端與發射極端子E連接。在圖6所示的實施方式中，發射極El構成分析單元14和驅動電路16的基準電位。兩個電性串聯的RC-IGBT Tl和T2中以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的發射極端子E與分析單元14的輸入端20導電連接。設定值控制信號S*T1同樣傳輸給分析單元14。由于換向電路中的電流上升率比負載電路中的電流上升率至少大十倍，通過以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的電感18上的電壓降可清楚識別到以IGBT模式工作的RC-IGBT T2的開始通流。集電極電流、從以二極管模式 工作的RC-IGBT Tl到以IGBT模式工作的RC-IGBT T2的換向會引起較大的正電流變化die/dt，進而使測量電壓uM達到絕對值較大的負值。在分析單元14中將測量電壓uM的這個值與預定的閾值進行比較。如果達到或者超過這個閾值，就將以二極管模式工作的RC-IGBT Tl關斷，亦即，以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的門極G在換向過程開始時開始放電。圖7為用于實施本發明適用于兩個電性串聯逆導型IGBT Tl和T2的換向方法的裝置的第二實施方式的示意圖。該第二實施方式與第一實施方式之間的區別在于，電感18被換成了按羅氏線圈原理構建的電流互感器22。這種電流互感器(current transformer) 22的輸出電壓與流過以二極管模式工作的逆導型IGBT T12的集電極電流的電流變化di/dt成比例。圖8為在以二極管模式工作的逆導型IGBT Tl中流動的集電極電流i。及一測定的測量電壓uM分別以時間t為橫坐標的時間特性曲線圖。電流曲線、(0相當于一個二極管的關斷特性曲線。在集電極電流L的振幅開始減小的時間點tM上，測量電壓曲線uM(t)具有正沿。將這個邊沿的時間點tM作為以IGBT模式工作的逆導型IGBTT2開始通流的時間點。時間點tM是可以關斷以二極管模式工作的逆導型IGBT Tl的最早時間點。圖9為用于實施本發明適用于兩個逆導型IGBT Tl和T2的換向方法的第三實施方式的不意圖。該第三實施方式與圖6所不的第一實施方式之間的區別在于，電感18被換成了飽和變壓器24。圖10為該飽和變壓器24的磁化特性曲線。這條磁化特性曲線只有一個較窄的線性區域。這個飽和變壓器24僅測定以二極管模式工作的逆導型IGBT Tl的集電極電流的過零。只有當磁場強度處于磁化特性曲線的上述較窄區域時，飽和變壓器24才識別到電流過零。飽和變壓器24精確地在這個時候提供輸出信號，即測量電壓uM。圖11為該測量電壓uM以及以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的集電極電流分別以時間t為橫坐標的時間特性曲線圖。由此借助飽和變壓器24測定從以二極管模式工作的RC-IGBT Tl到以IGBT模式工作的RC-IGBT T2的換向時間點。這個時間點tN在時間上晚于時間點tM。借此達到稍晚關斷以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的目的。借此可延長陽極效率的下降時間，從而達到降低存儲電荷的目的。通過本發明的方法可使得兩個電性串聯的RC-IGBT Tl和T2中以二極管模式工作的RC-IGBT Tl的關斷時間點非常接近這兩個串聯RC-IGBT Tl和T2中以IGBT模式工作的逆導型IGBT T2的導通時間點t4，從而長時間取得陽極效率下降這一效果。本發明的方法受事件控制，因而不像已知的時控換向方法那樣對時間有很高的精度要求。
權利要求
1.一種從一以二極管模式工作的逆導型IGBT(Tl)到一以IGBT模式工作的逆導型IGBT (T2)的換向方法，所述IGBT構成一換流相且與一直流電壓源(4)電性并聯，所述方法包括下列步驟 a)在所述以二極管模式工作的IGBT(Tl)的一控制信號(S*T1)轉換為關斷狀態后經過一預定的時間跨度(AT1),所述以二極管模式工作的IGBT(Tl)導通， b)在所述以IGBT模式工作的IGBT(T2)的一控制信號(S*T2)轉換為導通狀態后，所述以IGBT模式工作的IGBT(T2)在經過一預定的時間跨度(AT3)后導通，其中，所述這個時間跨度(AT3)遠大于所述以二極管模式工作的IGBT(Tl)的時間跨度(AT1), c)所述以二極管模式工作的IGBT(Tl)在所述以IGBT模式工作的IGBT(T2)導通之前關斷， 其特征在于， 只有當所述以IGBT模式工作的逆導型IGBT(T2)中開始流過一電流時，所述以二極管模式工作的IGBT(Tl)才關斷。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于， 通過在所述以二極管模式工作的逆導型IGBT(Tl)中流動的一集電極電流(ic)的一電流變化測定所述以IGBT模式工作的逆導型IGBT(T2)的開始通流。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于， 借助布置在所述換向電路中的一電感(18)上的一下降電壓(uM)測定在所述以二極管模式工作的逆導型IGBT(Tl)中流動的一集電極電流的電流變化。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于， 測量并分析一流過所述以二極管模式工作的逆導型IGBT(Tl)的集電極電流(Ic)。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于， 測量到流過所述以二極管模式工作的逆導型IGBT(Tl)的集電極電流(i。)后對其進行電流過零分析。
6.一種用于實施如權利要求I至5中任一項權利要求所述的方法的裝置，包含一換流相的多個逆導型IGBT(T1，T2)，所述換流相與一直流電壓源(4)電性并聯，其中，每個逆導型IGBT(T1，T2)均配有一驅動電路(16)，所述驅動電路的輸出端各與一 IGBT(T1，T2)的一門極及一發射極端子(G，E)連接， 其特征在于， 設有一控制單元(14)和一用于檢測一集電極電流(i。)的單元，其中，所述分析單元(14)的輸出端與所述驅動電路(16)的一輸入端連接，輸入端與所述單元的多個輸出端子(20，E)連接，每個分析單元(14)各配有一與相應逆導型IGBT (Tl，T2)相對應的控制信號(S*T1，S*T2)。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于， 所述用于檢測一集電極電流(ic)的單元是一電感(18)。
8.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于， 所述用于檢測一集電極電流(ic)的單元是一按羅氏線圈原理構建的電流互感器(22)。
9.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于， 所述用于檢測一集電極電流(ic)的單元是一飽和變壓器(24)。
全文摘要
本發明涉及一種從一以二極管模式工作的逆導型IGBT(T1)到一以IGBT模式工作的逆導型IGBT(T2)的換向方法。根據本發明，只有當所述以IGBT模式工作的逆導型IGBT(T2)中開始流過一電流時，所述以二極管模式工作的逆導型IGBT(T1)才再度關斷。因此，所述換向方法受事件控制，這能改善其延時性能。
文檔編號H03K17/082GK102804605SQ201080028199
公開日2012年11月28日 申請日期2010年5月17日 優先權日2009年6月26日
發明者漢斯－京特·埃克 申請人:西門子公司