同步并行電源開關的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明一般涉及用于控制（例如在功率轉換器中使用的）并行耦接功率半導體開 關設備的切換的方法和電路。
【背景技術】
[0002] 功率轉換器（諸如AC至DC轉換器或DC至AC逆變器）可以包括并聯和/或串聯 電源開關設備（諸如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT))的網絡。這種轉換器可以用于從低電壓 芯片到計算機、機車以及高電壓傳送線的范圍的應用。更具體的示例應用是可以例如從海 上風電設施運送功率的類型的高壓DC傳送線中的開關，以及用于電機等（例如機車電機） 的中壓（例如大于1KV)開關。
[0003] 轉換器可以包括一個或多個控制器，例如，確定電源開關設備的集合的所需的狀 態的智能設備。此外，轉換器可以包括開關單元，諸如控制單個電源開關設備的狀態的智 能"柵極驅動器"。還可以提供傳感器（諸如溫度或電流傳感器）和/或致動器（諸如冷卻 系統栗）。電源開關設備的示例包括雙極型設備（諸如IGBT)、場效應晶體管（FET)(諸如 M0SFETS(垂直的或橫向的）和JFET)、以及潛在設備（諸如LILET(橫向反型層發射極晶體 管）、SCR等）。然而，這里所描述的技術不限于任何特定類型的通用轉換器架構或任何特 定類型的電源開關設備。
[0004] 這種并聯設備的使用可以期望來提供所需的輸出功率。這種布置可以容許模塊化 解決方案，借以功率輸出可以按比例縮放到通用平臺周圍。附加地或選擇性地，益處可以包 括通過降低在給定拓撲結構中的寄生效應、較低的成本和/或特別在高電壓處非常高的功 率輸出的增強性能。
[0005] 然而，考慮到這種并行布置的操作，設備與驅動參數（例如，IGBT和相應的柵極驅 動參數；柵極驅動器包括驅動IGBT柵極端子的電路）之間的差異可以意味著僅僅響應于 輸入信號（例如，來自中央控制器的PWM信號）切換每個設備是不夠的。這種簡單的切換 控制可以導致并行設備之間不好的電流共享/平衡，例如如果定時差異大于幾十納秒，則 其可以影響可靠性。就這一點而言，要注意通過在到柵極驅動器的常規命令接口上的偏離 (skew)可以引入一些定時不確定性，特別是在中央控制器與柵極驅動器之間需要高電壓隔 離的情況下，并且其可以類似地降低設備切換的同步性。類似地，在電感在并聯設備中的每 個之間沒有完全平衡的情況下，在每個設備上電壓可以不同步變化。當設備（諸如IGBT模 塊）的間隔（由于它們的物理尺寸）較大時，這是極有可能的。
[0006] 在常規簡單的切換控制實現的情況下，電流不平衡的預期通常使得設計者下調設 備的估值，例如，10-20% ;然而，對于更快的切換設備，降額幅度可以更高。因此，IGBT模塊 用戶可以采用比給定應用所需的更多的模塊。
[0007] 因此，電源開關設備控制領域仍然需要提供優勢（諸如，尤其是，提高并聯電源開 關設備之間的電流共享、成本、尺寸、物料清單（例如，電源開關設備模塊的數目）、可靠度、 和/或用于給定應用的功率消耗等）的方法。
[0008] 為了用來理解本發明，下面的公開內容被參考：
[0009] DecentralizedActiveGateControlforCurrentBalancingofParallel ConnectedIGBTModules-論文；Y.Lobsiger，等-2011 ;在http://www.pes.ee.ethz.ch/uploads/tx_ethpublications/15_Decentralized_Active_Gate_EPE2011.pdf可以找到； 以及
[0010] ActiveGateControlforCurrentBalancingofParallel-ConnectedIGBT ModulesinSolid-StateModulators-論文；JohannW.Kolar，等-2008 ;http://www.pes. ee.ethz.ch/uploads/tx_ethpublications/bortis_IEEETrans_ActiveGate.pdf〇
【發明內容】
toon] 根據本發明的第一方面，提供了一種用于控制并行耦接功率半導體開關設備的切 換的電路，所述電路包括：多個驅動模塊，每個所述模塊用于控制所述功率半導體開關設 備；控制電路，用于將切換命令信號傳送到模塊，每個所述切換命令信號觸發所述驅動模塊 以控制所述功率半導體開關設備切換狀態；以及驅動模塊與控制電路之間的電壓隔離，其 中用于控制所述設備的每個所述驅動包括：定時電路，用于比較設備的切換延遲與參考延 遲的，其中所述切換延遲是在驅動模塊處檢測到所述切換命令信號與根據所檢測到的切換 命令信號的設備的切換之間的時間間隔；以及延遲電路，用于通過繼所檢測到的切換命令 信號后在模塊處接收的所述切換命令信號提供可控制的延遲以延遲所述觸發，該延遲電路 被配置為根據設備的所述切換延遲的所述比較的結果控制可控制的延遲，從而較少參考延 遲與根據隨后的切換命令信號切換的設備的所述切換延遲之間的時間差。
[0012] 因此，實施例可以調節電源開關設備（一個或多個）相對于它們各自的命令信號 的切換延遲（一個或多個），以降低多個設備的切換延遲中的差異和/或降低隨時間設備的 切換延遲的變化。由于諸如每個設備和/或電路中（例如，驅動模塊（一個或多個）中） 的其它設備的溫度、供電電壓、壽命等因素，這種變化/差異可以產生。
[0013] 通常，實施例可以有利地容許耦接到模塊的每個切換設備的切換延遲被控制，使 得該延遲已知和/或相對于切換命令恒定。這可以容許由于產生切換命令信號或從控制電 路向設備的相關開關輸出切換命令信號造成的全時間延遲是更加可預測的和/或非常短 的，例如可以使用用于切換命令信號的專用傳送線/信道獲得。容許所有設備的切換次數 已知和/或相對于各自的命令信號的檢測恒定可以有利于這種并聯設備中的電流共享，因 為這種設備的切換的更大的定時變化可以導致設備中的不相等的電流分布。優選地，因此 各自的設備的時間差均降低至基本（例如，精確地）為零，使得切換設備被控制為等于參考 延遲。在模塊的這種參考延遲相等的情況下，多個設備的接通（斷開）可以是同時的，例如 在從控制電路到模塊的命令信號傳送中存在非常低或基本為零的傾斜的情況下。
[0014] 要注意，兩個或更多個電源開關設備可以被相同的驅動模塊控制，和/或驅動模 塊的子組可以被提供在更大的模塊中。不管如何，實施例可以被提供以基于上述比較調整 用于設備中的任何一個或多個的可控制的延遲。
[0015] 還要注意，控制電路可以是用于將命令信號發送給全部模塊的控制器。切換命令 信號可以包括過渡，例如，低到高或數字"〇"到"1"（或反之亦然），以命令驅動模塊（例如， 分別在集電極與發射極之間，或雙極型和場效應設備的源極與漏極之間）將設備接通（斷 開），即，以變為導通，以及相反地用于將設備切斷，即，以變為基本非導通。
[0016] 相對于模塊的控制電路的電壓隔離件可以包括，例如，變壓器（一個或多個）和/ 或光耦合器（一個或多個），其可以適用于容許數據和/或功率的傳送。該隔離件可以包括 一個或多個隔離器，例如，具有一個或多個模塊的每個模塊或每個位置。
[0017] 為了執行比較，定時電路可以包括用于測量設備的切換延遲的計時器，定時電路 被配置為通過比較所測量的切換延遲與參考延遲的存儲值來執行比較，其中所述隨后的時 間差下降是相對于所述測量的時間差而言的。如上述類似地，測量可以包含測量切換延遲 的持續時間，例如，測量從觸發驅動模塊切換設備開始到設備的切換結束的時間間隔，從而 指示切換延遲。針對設備，優選地所有設備的隨后的時間差的下降一般理想地基本（例如， 精確地）為零。因此，任何相應的隨后的設備的切換延遲將基本等于用于與該設備相關的 比較的參考延遲。這一參考延遲可以是，例如，在驅動設備的模塊處接收的或局部存儲的參 數，和/或（例如，通過計時器/計數器的暫停或通過具有與參考延遲對應的長度的串行緩 沖器的比特的移位）可以在硬件中實現。
[0018] 為了容許時間差逐步降低，電路可以被配置為，響應于模塊的一系列所述測量的 時間差中的每一個，控制模塊的所述可控制的延遲從而使跟隨的模塊的所述時間差降低小 于所測量的時間差的量，使得連續的該系列的所述時間差向著零收斂。降低較少的量可以 容許控制到模塊的一連串的命令信號隨著設備的若干切換循環（連貫的接通周期+斷開周 期）逐步降低時間差。例如，在將要同時在兩個或更多個模塊中進行相對大的可控制的延 遲調整的情況下，這可以是有利的。
[0019] 可選擇地，通過使用包括用于指示等于參考延遲以及從命令信號檢測開始的持 續時間的結束的計時器的定時電路該比較可以被可執行，定時電路被配置為執行該比較， 包括檢測設備的切換發生在所指示的結束之前、所指示的結束之時和/或所指示的結束之 后。
[0020] 為了比較切換和參考延遲，計時器因此可以用于從定時觸發（例如，（例如，一旦 在模塊處收到）切換命令信號的檢測）到參考延遲的結束計時，和/或切換設備的端子（例 如，源極、漏極、集電極或發射極）可以被監控以檢測設備狀態的切換的時刻。然后，實施例 可以檢測設備切換發生在參考延遲結束之前或之后，并且優選地之前多久或之后多久（例 如，之前/之后多少時鐘循環）。然而，要注意比較可以包含比較測量切換時間與存儲參考 延遲值，或可以包含指示參考延遲結束的定時，從而能夠檢測狀態切換發生在參考延遲之 前、之時或之后，即，切換延遲比參考延遲短、與參考延遲相等或比參考延遲長。
[0021] 為了改善的同步，每個驅動模塊可以被配置為基于模塊的參考延遲執行所述比 較，模塊的參考延遲具有當模炔基本同時接收到觸發設備的控制以切換狀態的切換命令信 號時，使所述電源開關設備的切換基本同步的值。如果值是相等的并且在不同的模塊處命 令信號的到達之間存在非常低或基本零傾斜時，其可以導致高度同步的設備切換。有利地， 這可以提供設備中的良好的電流共享。
[0022] 當每個所述驅動模塊被配置為實現所述可控制的延遲的所述控制時，當設備同時 切換時由設備傳導的電流中的差異可以被降低。例如，當設備同時切換時，由設備傳導的源 極-漏極或發射極-集電極電流中的差異可以被降低。就這一點而言，要注意切換期間同 步切換一般降低電流差異，其又可以有助于靜態電流共享，但可能不有助于完全接通模塊 之間的自身平衡電流。這可以從圖6a中看出，其中每個模塊中的電流趨向自然收斂。
[0023] 還可以提供電路，其中控制電路被配置為當每個所述驅動模塊執行所述可控制的 延遲控制時進行控制。然后，例如，通過基本同時調整在各自的驅動模塊處的可控制的延遲 元件，控制電路可以能夠確保對于所有模塊和/或設備，可控制的延遲是同時更新的。這可 以降低驅動模塊/設備脫離同步性的可能性。附加地或可選擇地，如果基于驅動模塊的時 間差的誤差信號被傳送到控制電路，控制電路可以基于各自的模塊和/或設備的時間差應 用取平均值或其它功能并且相應地將可控制的延遲調整值返回到每個驅動模塊，以確定對 一個或多個可控制的延遲的改變。進一步附加地或可選擇地，例如通過控制電路，每個驅動 模塊的參考延遲可以是可編程的。