СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ВЕНТИЛЯ Российский патент 2010 года по МПК H02H7/122 H03K17/16 

Изобретение относится к способу функционирования (приведения в действие) электронного вентиля, в частности, вентиля, приспособленного для использования в силовых преобразователях высокой мощности, такого как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), где процесс изменения зарядового состояния управляющего электрода вентиля многократно повторяется аналогичным образом. Более конкретно, изобретение относится к преобразователям, включающим в себя такие вентили, например, для доставки электрической энергии к приводному двигателю железнодорожного тягового транспорта. Кроме того, изобретение относится к соответствующему устройству для функционирования электронного вентиля.

Управление вентилями, используя импульсные сигналы, сформированные управляющим устройством, хорошо известно в данной области техники. В частности, первый фронт импульсного сигнала инициирует процесс включения, по меньшей мере, одного из вентилей, а второй фронт импульсного сигнала инициирует процесс выключения вентиля или вентилей. Первый фронт может быть задан ступенчатым увеличением напряжения с низкого потенциала к высокому потенциалу на входе управляющего сигнала схемы формирователя, или, в случае со световым импульсом, посредством перехода от темноты к свету на входе управляющего сигнала. Второй фронт может быть задан ступенчатым уменьшением напряжения с высокого потенциала к низкому потенциалу на входе управляющего сигнала или посредством перехода от света к темноте на входе управляющего сигнала. В частности, инициация процесса переключения вызовет протекание тока к или от управляющего электрода (например, затвора) вентиля, посредством чего управляющий электрод зарядится или разрядится, и, как результат, протекание тока через вентиль будет разрешено или блокировано. Тем не менее, изобретение, которое будет описано ниже, может быть также применено в соединении с другими вариантами осуществления инициации и/или управления процессом переключения.

В настоящее время напряжения коллектор-эмиттер IGBT-транзисторов растет в большой степени. Например, стали возможными напряжения переключения в несколько тысяч вольт, например, напряжения находятся в диапазоне от 3300 до 6500 вольт. Как результат, значительно возросла актуальность задачи снижения потерь при переключении, в частности, там, где используются IGBT-транзисторы, которые используются в преобразователях. Скорость переключения является важным фактором, который должен быть принят во внимание при любых стратегиях снижения потерь при переключениях. К сожалению, скорость переключения зависит от некоторых качеств, таких как индивидуальные свойства IGBT-транзистора, температура функционирования, уровень напряжения, которое переключается, уровень тока, протекающего через вентиль, и любые неточности задающего устройства для задания электрического тока к или от управляющего электрода. Если вентиль, присоединенный в последовательности с другим вентилем, переключается слишком быстро, может произойти короткое замыкание. Если скорость переключения не может быть точно управляемой, то, следовательно, необходимо замедлить процесс переключения.

CA 2456681 A1 раскрывает процесс управления открытием и/или закрытием электронного силового компонента, причем процесс управления содержит множество этапов для управления приложением последовательности различных коммутационных напряжений к управляющему электроду упомянутого компонента между моментом начала процесса управления и моментом завершения открытием и/или закрытием электронного силового компонента, при этом переход от одного этапа процесса управления к последующему этапу выполняется автоматически после выполнения соответствующих условий перехода. Процесс управления содержит следующие этапы: (a) считывания значения по меньшей мере одной характеристики рабочего параметра реакции электронного силового компонента в ответ на последовательное приложение указанных коммутационных напряжений, (б) проверки на основе считанных значений имеется ли упомянутая реакция электронного силового компонента в заданный период времени, (в) если это так, процесс управления продолжается в нормальном режиме, (г) если это не так, процесс управления прерывают и немедленно запускают процесс сохранения целостности электронного силового компонента.

Существует несколько подходов выполнения процесса управления для переключения вентиля во включенное или выключенное состояние. Все эти подходы могут быть реализованы в соединении с изобретением, которое будет описано ниже. Например, источник напряжения с управляемым напряжением может быть использован в комбинации с резистором, размещенным в электрическом соединении между источником напряжения и управляющим электродом вентиля. В соответствии с другим подходом может быть использован усилитель напряжения с предварительно запрограммированными кривыми напряжения. Более того, могут быть предоставлены усилитель источника тока с предварительно запрограммированными уровнями тока к или от управляющего электрода. В любом случае процесс переключения вентиля во включенное состояние или переключение его в выключенное состояние может быть разделен на множество временных зон, в которых напряжение источника напряжения, кривая напряжения усилителя напряжения или уровень тока усилителя источника тока отличаются от временной зоны к временной зоне. Соответствующая временная зона завершается событием, таким как событие, когда напряжение затвор-эмиттер IGBT-транзистора достигает предварительно определенного значения.

Целью настоящего изобретения является предоставить способ и прибор типа, указанного выше, посредством чего было бы возможно с точностью управлять многократным выполнением процесса переключения вентиля для ускоренного выполнения процесса переключения.

Предлагается определить определенное рабочее состояние вентиля, это рабочее состояние вентиля может достигаться посредством изменения зарядового состояния управляющего электрода вентиля и отслеживать, достигнуто ли определенное состояние в предварительно определенный момент времени. Например, предварительно определенный момент времени может быть предварительно определен посредством временного интервала длины множества. Начальный момент такого временного интервала может быть задан посредством получения управляющего сигнала на блоке управления для управления процессом изменения зарядового состояния управляющего электрода, причем процесс инициируется при получении управляющего сигнала или в течение периода времени предварительно определенной продолжительности после получения.

В альтернативном варианте временной интервал может начинаться во время, когда вентиль достигает второго определенного рабочего состояния. Например, второе определенное рабочее состояние может быть задано посредством первого определенного (низкого) напряжения коллектор-эмиттер и первое определенное рабочее состояние (которое достигается после второго определенного рабочего состояния) может быть задано посредством второго определенного напряжения коллектор-эмиттер, которое выше, чем первое определенное напряжение коллектор-эмиттер. Возможны другие способы задания первого и второго определенного рабочего состояния. Например, второе определенное рабочее состояние (или соответствующее событие) может быть задано за счет достижения отрицательного порога для напряжения эмиттер (Основной) - эмиттер (Кельвин), указывающее на начало уменьшения тока.

Предпочтительно, чтобы длина временного интервала могла быть фиксированной для всех подобных процессов изменения зарядового состояния вентиля, причем каждый из подобных процессов являлся выполнимым в одной из множества последовательных процедур переключения во включенное состояние или переключения в выключенное состояние вентиля.

Кроме того, достигается следующее: способ функционирования электронного вентиля, в частности вентиля, приспособленного для использования в силовых преобразователях высокой мощности, причем процесс изменения зарядового состояния управляющего электрода, в частности изолированного затвора вентиля, многократно повторялся, для предшествующего выполнения упомянутого процесса определяется, было ли достигнуто определенное рабочее состояние в предварительно определенный момент времени, и получается соответствующий результат определения, и процесс изменения зарядового состояния адаптируется для последующего выполнения упомянутого процесса используя результат определения.

Прибор для приведения в действие электронного вентиля может содержать:

- задающее устройство, приспособленное для того, чтобы задавать уровень электрического тока к и/или от управляющего электрода вентиля,

- устройство определения, приспособленное для того, чтобы определять достигнуто ли определенное рабочее состояние вентиля в предварительно определенный момент времени, и приспособленное получать соответствующий результат определения и

- блок управления, для многократно повторяющегося управления процессом изменения зарядового состояния управляющего электрода вентиля для включения или выключения вентиля, причем блок управления соединен с устройством определения или где он содержит устройство определения, и где блок управления приспособлен для того, чтобы выполнять последующее исполнение процесса изменения зарядового состояния управляющего электрода посредством управления управляющим устройством соответствующим образом, принимая во внимание результаты определения.

Электронный вентиль может быть любым вентилем, процесс переключения которого может быть управляем посредством прямой или косвенной регулировки тока к или от управляющего электрода. Примерами являются: IGBT-транзисторы и канальные полевые униполярные МОП-транзисторы (MOSFET), или, говоря в общем смысле, вентили, которые имеют изолированный управляющий электрод (затвор). Однако IGBT-транзисторы являются более предпочтительными для применений высокой мощности, например, преобразователей, используемых для того, чтобы обеспечивать электрической энергией потребителей мощности, подобных приводным двигателям или индустриальным машинам.

Определенное рабочее состояние следует понимать как состояние, в котором, по меньшей мере, один параметр, в частности электрический параметр (такой как напряжение коллектор-эмиттер, напряжение затвор-эмиттер, ток коллектора или производный), удовлетворяет заданному условию, например, состояние, в котором параметр равен заданному значению.

Стратегии оптимизации процесса переключения обсуждались в деталях во многих публикациях до изобретения. С помощью изобретения теперь возможно оптимизировать процедуру переключения простым, но высокоэффективным способом. Скорость переключения вентиля может точно контролироваться посредством наблюдения за тем, было ли достигнуто определенное рабочее состояние в предварительно определенный момент времени или нет.

С помощью изобретения повторяющиеся процессы заряда и/или разряда могут контролироваться особенно устойчивым образом, так как определение того, достигнуто ли определенное рабочее состояние в предварительно определенный момент времени, и/или адаптация процесса изменения зарядового состояния могут выполняться посредством цифровой обработки данных (которая реализована в наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения). По сравнению с аналоговой обработкой данных присутствует гораздо меньшая чувствительность к шуму или интерференции.

Кроме того, процесс изменения зарядового состояния корректируется, принимая во внимание результат определения. Например, ток к или от управляющего электрода (например, ток затвора) увеличивается, если определенное рабочее состояние (которое зависит от уровня или амплитуды тока) достигнуто слишком поздно.

С помощью изобретения может быть выполнена очень надежная автокорректировка процесса: этот процесс непосредственно не зависит от результата определения, как будет в случае, когда отклонение между фактическим рабочим состоянием и (желаемым) определенным рабочим состоянием (например, отклонение напряжения) направлено в обратную сторону в традиционном контуре регулирования для того, чтобы регулировать процесс в зависимости от степени отклонения. В частности, если используется соответствующий аналоговый сигнал (который является типичным для традиционных целей управления), процесс становится зависимым от рабочего состояния и физических свойств любого устройства, которое используется, чтобы определить и/или направить в обратную сторону аналоговый сигнал. В результате процесс сам становится зависимым от свойств устройства и изменяющихся условий. Кроме того, процесс управления является чувствительным к шуму и интерференции. В противоположность этому возможно регулировать процесс способом, который будет описан более детально и который использует результат определения просто в качестве результата “да или нет”: достигнуто ли определенное рабочее состояние или нет. Однако модификации этого подхода также находятся в рамках цели изобретения. Следовательно, процесс может управляться более тесно по отношению к дозволенным ограничениям, и, как выгода, потери при переключении могут быть уменьшены. Другими словами: вентиль может безопасно работать в пределах допустимых ограничений (например, максимального напряжения, производной по времени напряжения, производной по времени тока, переносимого вентилем), несмотря на то что потери при переключении являются низкими. Кроме того, безопасная работа предохраняет вентиль (и, например, преобразователь, который включает в себя вентиль) от разрушения.

Согласно предпочтительному варианту осуществления процесс (и, таким образом, временная зона, если применимо) завершается в или перед предварительно определенным моментом времени. В результате возможно оценить результат определения и приспособить процесс для будущего выполнения, например, для последовательного выполнения. Во всех случаях синхронизация процесса и предварительно определенный момент времени предпочтительно находятся в фиксированном отношении, так что результат определения содержит достоверную информацию о том, как приспособить процесс. В наиболее предпочтительном варианте осуществления процесс имеет фиксированную продолжительность, и есть фиксированная разница по времени (которая может быть нулевой) между временем окончания процесса и предварительно определенным моментом времени.

Так как адаптация процесса основана на предварительно определенном моменте времени, процесс может быть выполнен почти независимо от условий работы. Это применяется, в частности, к условиям работы, которые оказывают влияние на скорость переключения (как упомянуто выше) до тех пор, пока предварительно определенный момент времени может быть точно определен. В частности, может использоваться синхрогенератор, так же как и генератор тактового сигнала для логического устройства, который приспособлен управлять работой вентиля и, необязательно, управлять дополнительными рабочими задачами, такими как работа дополнительных вентилей преобразователя и/или работа целого преобразователя или, по меньшей мере, подсистем преобразователя. Например, современные логические устройства, такие как CPLD (сложные устройства с программируемой логикой) и/или FPGA (программируемые пользователем матричные БИС), могут использоваться в качестве логического устройства. Эти логические устройства требуют генератора тактового сигнала, который работает с высокой точностью, например с точностью, по меньшей мере, 100 ппм (=0,01%). Такая высокая точность обычно является достаточной для определения предварительно определенного момента времени.

Кроме того, нет необходимости использовать синхрогенератор реального времени для определения предварительно определенного момента времени. Скорее, возможно, например, считать тактовые сигналы генератора тактового сигнала, запускаемого запускающим сигналом. Например, запускающий сигнал может быть сигналом, который инициирует включение или выключение вентиля.

Предпочтительно процесс является одним из множества последовательных процессов, которые должны быть выполнены для того, чтобы изменить зарядовое состояние управляющего электрода, в частности, для того, чтобы включить вентиль или выключить его. Например, возможно определить определенное рабочее состояние для более чем одного из процессов и последовательно выполнить способ изобретения для этих процессов. Таким образом, эти процессы могут быть адаптированы отдельно. Например, ток к или от управляющего электрода может регулироваться отдельно для этих разных процессов (временных зон). Кроме того, результат определения может быть получен для каждой из разнообразия последовательных процедур включения и/или выключения вентиля.

В частности, когда результат определения получен посредством цифровой обработки данных, предпочтительно определить допустимый интервал времени, где предварительно определенный момент времени находится в допустимом интервале времени. В этом случае, определяется, что определенное рабочее состояние достигнуто в предварительно определенный момент времени, если определенное рабочее состояние достигнуто в допустимом интервале времени. Другими словами, решается, что нет необходимости приспосабливать процесс изменения зарядового состояния, если определенное рабочее состояние достигнуто в пределах ограничений допустимого интервала времени.

В качестве примера в последующем адаптация процесса изменения зарядового состояния описывается более детально. Предпочтительно, по меньшей мере, один параметр (в частности, электрический ток к или от управляющего электрода или кривая напряжения источника напряжения используется, чтобы возбуждать электрический ток) может регулироваться для того, чтобы приспособить процесс, где, по меньшей мере, один параметр регулируется в соответствии с результатом определения.

Для того чтобы начать работу вентиля (в частности, когда он включается в первый раз после нерабочего периода) с заданным значением, по меньшей мере, одного параметра и для того, чтобы избежать интерференции, выбирается первоначальное значение, по меньшей мере, одного параметра, так, что изменяется частота электрического напряжения в вентиле, или в схеме формирователя для управления работой вентиля, в частности, напряжение затвор-эмиттер, это электрическое напряжение и/или изменение частоты электрического тока, текущего через вентиль, находится/находятся в рамках конкретных ограничений, в частности, не больше, чем ограничение. Предпочтительно первоначальное значение может быть выбрано так, что ограничения не превышаются, по меньшей мере, для подходящих условий работы вентиля (например, самая низкая возможная температура работы, самый высокий возможный уровень напряжения, чтобы переключиться, самый низкий уровень тока, текущего через вентиль).

В частности, регулировка параметра выполняется, если определенное рабочее состояние не достигнуто в допустимом интервале времени, по меньшей мере, для одного выполнения процесса.

Предпочтительно регулировать, по меньшей мере, один параметр на небольшую величину, в частности, на величину настолько небольшую, что одна регулировка не может иметь отрицательное воздействие на работу вентиля в течение последующего процесса переключения, даже если регулировка выполняется по ошибке (например, из-за интерференции или шума). В частности, величина настолько небольшая, что вентиль может безопасно работать в пределах допустимых ограничений (например, пикового напряжения, производной по времени напряжения, производной по времени тока, переносимого вентилем) в течение последующей операции переключения вентиля. Идея этого варианта осуществления в том, чтобы сделать адаптацию процесса очень устойчивой. Одна небольшая регулировка не может привести в результате к рабочему состоянию, которое существенно отличается от рабочего состояния перед регулировкой.

Небольшие регулировки могут привести к замедленной адаптации процесса. Может быть необходимо выполнить множество регулировок (например, между последовательными процессами переключения) на небольшую величину для того, чтобы достигнуть определенного рабочего состояния вовремя. Однако, так как вентиль типично включается и выключается с частотами переключения около 100 Гц или около кГц для многих применений и так как условия работы, такие как температура и напряжение для переключения (например, напряжение коллектор-эмиттер), не изменяется быстро, медленная адаптация является достаточной и не ведет к высоким общим потерям при переключении. Скорее, благодаря устойчивой и точной адаптации возможно управлять вентилем близко к оптимальному рабочему состоянию, т.е. состоянию с наименьшими потерями при переключении.

В частности, по меньшей мере, один параметр может регулироваться на предварительно определенную величину или на предварительно определенную долю мгновенного значения параметра (например, долю, которая находится в диапазоне от 0,1 до 1% мгновенного значения, и/или долю, которая находится в диапазоне от 0,1 до 1% максимального значения, по меньшей мере, одного параметра), если определенное рабочее состояние не достигнуто в предварительно определенный момент времени. Например, параметр может быть током заряда или разряда, который остается постоянным в течение части процесса заряда или разряда. Если (в качестве примера) максимальный ток заряда равен 12 А, шаги регулировки, равные 50 мА, предпочтительно выполняются для того, чтобы установить ток, и для того, чтобы достигнуть определенного рабочего состояния в предварительно определенный момент времени.

В дополнение или альтернативно, по меньшей мере, один параметр может изменяться до значения, выбранного из предварительно определенного набора значений, где значение выбирается согласно результату определения.

Во всех случаях, которые описаны в двух предшествующих параграфах, адаптация процесса показывает “цифровой” режим поведения, так как набор возможных новых значений ограничивается ограниченным числом значений.

Кроме того, согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления новое значение, по меньшей мере, одного параметра, которое используется, чтобы выполнить последующий процесс изменения зарядового состояния управляющего электрода, непосредственно зависит только от двух факторов: предыдущее значение параметра и результат определения. Таким образом, на новое значение не оказывает влияние какая-либо аналоговая обратная связь рабочего состояния вентиля. В частности, для каждого процесса изменения зарядового состояния управляющий сигнал, подаваемый на управляющий электрод, является "предварительно определенным", за исключением воздействий окружающей среды вентиля, которые могут рассматриваться как постоянные.

Как правило, совершенно нет необходимости использовать допустимый интервал времени, когда выполняются небольшие шаги регулировки. Однако согласно варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один параметр может регулироваться на величину настолько небольшую, что после его регулировки определенное рабочее состояние не достигается после допустимого интервала времени в последующем выполнении процесса. Другими словами, определенное рабочее состояние не будет достигнуто после допустимого интервала времени в последующем выполнении, если оно было достигнуто прежде допустимого интервала времени в настоящем выполнении и наоборот.

Кроме того, предпочтительно, чтобы решение, приспосабливать ли процесс изменения зарядового состояния, не зависело только от одного результата определения. Скорее, результат определения может быть получен для множества выполнений (например, пяти) процесса, и все эти результаты определения принимаются во внимание. Например, группа с фиксированным числом последовательных выполнений процесса оценивается для решения после каждого выполнения. Более детально, решение отрегулировать процесс может быть получено, только если каждый из результатов определения, который был принят во внимание, предлагает регулировку (например, определенное рабочее состояние было достигнуто слишком поздно для всех соответствующих выполнений процесса).

В частности, процесс завершается в предварительно определенный момент времени, изменяя значение, по меньшей мере, одного параметра, например, изменяя ток к или от управляющего электрода.

Существуют разные варианты, чтобы определить, достигнуто ли определенное рабочее состояние в предварительно определенный момент времени. Например, параметр, который является характеристикой рабочего состояния вентиля, может оцениваться в предварительно определенный момент времени и может сравниваться со значением сравнения для того, чтобы определить, достигнуто ли определенное рабочее состояние в предварительно определенный момент времени.

Однако предпочтительно определить событие, которое может произойти во время или после процесса изменения зарядового состояния. Каждый раз, когда происходит событие, достигается определенное рабочее состояние. Поэтому предлагается определить второй момент времени, когда происходит событие, и оценить, находится ли второй момент времени перед или после предварительно определенного момента времени. Адаптация процесса не требует определения значения разницы во времени между вторым моментом времени и предварительно определенным моментом времени (однако возможно использовать эту информацию для адаптации). В частности, если адаптация выполняется посредством регулирования параметра на предварительно определенные величину или долю (как описано выше), будет известно только условие, происходит/произошел ли второй момент времени перед или после предварительно определенного момента времени. В результате процесс может быть приспособлен так, что определенное событие произойдет в желаемый (предварительно определенный) момент времени, когда процесс будет выполняться снова.

Соответствующий вариант осуществления устройства, предложенного выше, содержит устройство определения события, которое соединено с блоком управления, где устройство определения события приспособлено определять происшествие предварительно определенного события во время заряда или разряда управляющего электрода.

Кроме того, настоящее изобретение включает в себя преобразователь для преобразования тока, в частности для применений высокой мощности, такого как обеспечение электрической энергией приводного двигателя железнодорожного тягового транспорта. Преобразователь содержит устройство, предложенное выше, где преобразователь может работать посредством многократно включаемого и выключаемого вентиля и где устройство и управляющий электрод соединены друг с другом через соединение для разряда и/или заряда управляющего электрода.

Кроме того, настоящее изобретение включает в себя устройство с программируемой логикой, содержащее блок управления устройством, предложенным выше, где устройство с программируемой логикой приспособлено управлять процессом изменения зарядового состояния управляющего электрода согласно одному из вариантов осуществления способа, предложенного выше.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения будут описаны более детально со ссылкой к сопровождающим схематическим чертежам в качестве примера. Однако последующее описание не предназначено ограничивать рамки защиты изобретения. На чертежах одинаковые цифры ссылок используются для идентичных частей или блоков и для частей или блоков с похожей функцией. Изображения чертежей показывают:

Фиг.1 - устройство согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения;

Фиг.2 - устройство с преобразователем и нагрузкой;

Фиг.3 - ток затвора в качестве функции времени во время процесса включения IGBT; и

Фиг.4 - ток затвора в качестве функции времени во время процесса выключения IGBT.

Фиг.1 показывает IGBT 18. Изолированный затвор IGBT 18 обозначается ссылочным номером 17, коллектор ссылочным номером 20, а эмиттер ссылочным номером 19. Устройство 16 обнаружения события для обнаружения случаев предварительно определенных событий соединено с эмиттером 19 и коллектором 20 и с затвором 17. Рассматривая IGBT более детально, IGBT содержит эмиттер (Основной) и эмиттер (Кельвин). Таким образом, также возможно определить определенное рабочее состояние, наблюдая напряжение между эмиттером (Основной) и эмиттером (Кельвин).

Предусмотрен блок 10 управления для управления процессами включения и выключения IGBT 18 (и необязательно, по меньшей мере, одного дополнительного IGBT). Устройство 16 обнаружения события, усилитель 12 тока затвора для возбуждения тока к и/или от затвора 17 и преобразователь 14 сигнала для преобразования оптического управляющего сигнала в электрический управляющий сигнал соединены с блоком 10 управления. Усилитель 12 тока затвора соединен с затвором 17. Кроме того, высокоточный электронный генератор 11 тактовых сигналов соединен с блоком 10 управления.

Блок 10 управления может быть устройством с программируемой логикой. IGBT 18 - и дополнительные электронные вентили - могут быть частью преобразователя, такого как преобразователь 21, показанный на Фиг.2, где преобразователь 21 соединен со схемой электропитания (например, промежуточной схемой постоянного тока) или с сетью 27 электропитания (например, однофазной сетью переменного тока железнодорожной сети). Кроме того, преобразователь 21 соединен с нагрузкой 25 (например, приводным двигателем железнодорожного тягового транспорта), и его работа управляется устройством 23 управления, которое управляет работой с использованием PWM-сигналов, например. В частности, оптические сигналы переключения, которые соответствуют PWM-сигналам, могут передаваться от устройства 23 управления к преобразователю 14 сигнала для того, чтобы запустить процесс переключения, который должен быть выполнен блоком 10 управления.

Работа устройства, показанного на Фиг.1, будет описана в последующем со ссылкой на Фиг.3 и Фиг.4. Когда соответствующий оптический управляющий сигнал принимается на сигнальном входе 13 преобразователя 14 сигнала, оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал, например, повышая напряжение с низкого уровня до высокого уровня. Электрический сигнал передается на сигнальный вход 15 блока 10 управления. При приеме управляющего сигнала (например, когда напряжение повышается до высокого уровня) блок 10 управления инициирует процедуру включения IGBT 18.

Процедура делится на множество временных зон (первая зона: с момента времени t1 до момента времени t2, вторая зона: с момента времени t2 до момента времени t3, третья зона: с момента времени t3 до момента времени t4, четвертая зона: с момента времени t4 до момента времени t5), где блок 10 управления заставляет усилитель 12 тока затвора возбуждать ток I_G затвора данной постоянной амплитуды в каждой из временных зон. Амплитуда или уровень тока I_G затвора, по меньшей мере, в некоторых из временных зон зависит от процедуры коррекции, описанной в последующем, где процедура коррекции соответствует предпочтительному варианту осуществления изобретения.

С другой стороны, продолжительности временных зон не зависят от процедуры коррекции. Скорее, продолжительности являются фиксированными для данного рабочего состояния устройства, показанного на Фиг.2. Например, продолжительности могут быть адаптированы, если нагрузка 25 работает другим образом. В отдельном примере на Фиг.3 продолжительность первой зоны равна 1 µс плюс/минус 20 нс, продолжительность второй временной зоны равна 0,5 µс плюс/минус 20 нс, продолжительность третьей временной зоны равна 0,3 µс плюс/минус 20 нс, а продолжительность четвертой зоны равна 1 µс плюс/минус 20 нс.

В альтернативном варианте осуществления продолжительность, по меньшей мере, одной из временных зон может регулироваться, например, для того, чтобы приспособить работу к модифицированным условиям работы, и/или для того, чтобы увеличить безопасность и/или точность процесса переключения, таким образом уменьшая потери переключения.

Для того чтобы выполнить процедуру коррекции, и для того, чтобы решить, должен ли быть отрегулирован уровень тока I_G затвора, время происходящего предварительно определенного события наблюдается и/или регистрируется. Например, соответствующий сигнал передается от устройства 16 обнаружения события блоку 10 управления, когда событие происходит. Блок 10 управления определяет, произошло ли событие перед или после предварительно определенного или заданного момента времени. Если событие не произошло в момент времени (или, необязательно, в допустимый период определенной продолжительности, включающий в себя момент времени), блок 10 управления либо регулирует уровень тока I_G затвора для будущего использования в той же временной зоне последующего процесса переключения вентиля, либо он использует полученную информацию, чтобы решить позже, должна ли быть выполнена такая коррекция.

Например, коррекция может быть выполнена, если событие неоднократно происходит слишком рано для соответствующих временных зон последовательных процессов переключения. Например, коррекция может быть выполнена, только если событие происходит слишком поздно при предварительно определенном числе (например, пяти) последовательных процессов переключения. Это может устранять влияние шума и/или какой-либо интерференции.

Тактовые сигналы, которые многократно передаются от высокоточного синхрогенератора 11 блоку 10 управления, используются блоком 10 управления для того, чтобы точно определить установленный момент времени. Например, управляющий сигнал инициирует процесс переключения вентиля 18, запускает начало процедуры подсчета для подсчета тактовых сигналов, где предварительно определенный момент времени соответствует конкретному числу подсчитанных сигналов. Когда число подсчитанных тактовых сигналов равно конкретному числу, наступает установленный момент времени, и блок 10 управления оценивает, произошло ли определенное событие перед или после конца временной зоны (необязательно, плюс или минус допустимое время). Если событие еще не произошло (необязательно, включающее в себя допустимый период времени), решается, что событие происходит слишком поздно (невовремя).

Если блок 10 управления решает, что процесс заряда или разряда затвора 17 должен быть адаптирован, по меньшей мере, в одной из временных зон, он выводит соответствующий управляющий сигнал усилителю 12 тока затвора, где управляющий сигнал заставляет усилитель 12 тока затвора возбуждать ток затвора на соответствующем измененном уровне во время соответствующей временной зоны.

Кроме того, предпочтительно корректировать амплитуду тока I_G затвора только небольшими шагами, например, шагами, меньшими или равными 1% от значения тока по умолчанию. Значение по умолчанию может использоваться в качестве первоначального значения в начале работы вентиля, когда процесс коррекции еще не был выполнен. После каждого этапа коррекции проверяется, является ли ток все еще слишком высоким (или слишком низким), перед тем, как выполняется дальнейший этап коррекции.

Описание процедуры коррекции применяется ко всем временным зонам процесса переключения, для которых определено событие. В первой временной зоне процесса включения IGBT 18 затвор 17 предварительно заряжается. Соответствующее определенное событие является событием, когда напряжение V_GE между затвором 17 и эмиттером 19 достигает определенного уровня напряжения, например, уровня напряжения в 3 вольта. Во второй зоне подготавливается фактическое начало течения тока (тока коллектор-эмиттер) через IGBT 18. Определенное событие - это событие, когда происходит увеличение тока коллектор-эмиттер в первый раз после первой временной зоны (или обнаруживается увеличение). Для третьей временной зоны событие не определено. В третьей временной зоне может выполняться обратное восстановление свободного диода (не показан на Фиг.1). Диод соединен параллельно со вторым IGBT, где второй IGBT и IGBT 18 могут быть соединены последовательно друг с другом. Например, IGBT и IGBT 18 могут быть частью преобразователя 21 и могут использоваться, чтобы управлять одной фазой трехфазного переменного тока. В четвертой временной зоне напряжение V_CE между коллектором 20 и эмиттером 19 уменьшается. Определенное событие - это событие, когда напряжение V_CE достигает определенного уровня напряжения.

Фиг.3 показывает эти зависимые от времени сигналы S1, S2, S3, которые передаются от устройства 16 обнаружения события блоку 10 управления и которые указывают происшествие соответствующего события.

Ступенчатое увеличение сигнала S1 указывает происшествие события, определенного для первой временной зоны. Как показано на Фиг.3, после момента времени t2 происходит событие, которое советует увеличению уровня (плато) тока затвора. Решение о том, действительно ли увеличивается уровень или нет, может зависеть от сигнала S1, полученного для дополнительных выполнений процесса заряда первой временной зоны. Соответствующая операция, которая способна принять решение, выполняется в блоке 10 управления.

Ступенчатое увеличение сигнала S2 указывает происшествие события, определенного для второй временной зоны. Как показано на Фиг.3, событие происходит раньше, чем момент времени t3. Оно необязательно предлагает регулировку (в этом случае уменьшение) уровня тока затвора в течение второй временной зоны, так как событие, определенное для первой временной зоны, не произошло вовремя. Существуют разные пути управления этой ситуацией. Согласно первому подходу момент происшествия события сравнивается с моментом времени t3, временем окончания второй временной зоны. Согласно второму подходу момент времени происшествия события сравнивается с моментом времени происшествия события, определенного для первой временной зоны (когда сигнал S1 повышается до более высокого уровня сигнала), плюс продолжительность второй временной зоны.

Предпочтительно выбирать начальные значения токов затвора во всех временных зонах таким образом, чтобы все события происходили слишком поздно в начале работы вентиля.

Ступенчатое уменьшение сигнала S3 указывает происшествие события, определенного для четвертой временной зоны. Как показано на Фиг.3, событие происходит немного позже момента времени t5.

Фиг.4 показывает соответствующую процедуру выключения IGBT 18. Как в случае на Фиг.3, существует четыре временных зоны с постоянным уровнем тока затвора, где событие определено, а уровень тока I_G затвора может регулироваться (как указано короткими вертикальными линиями, указывающими вверх и вниз) в соответствующей процедуре коррекции для трех из временных зон. Три зависимых по времени сигнала S4, S5 и S6, которые передаются от устройства 16 обнаружения события блоку 10 управления, указывают случаи соответствующих событий.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в силовых преобразователях высокой мощности, таких как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). Техническим результатом является повышение точности управления процессом переключения вентиля. В способе функционирования электронного вентиля процесс изменения зарядового состояния управляющего электрода (17) (в частности, изолированного затвора) вентиля (18) многократно выполняется похожим образом (управляется блоками 10 управления, задающим устройством 12). Определяется, достигнуто ли определенное рабочее состояние в предварительно определенный момент времени, и с помощью результата определения (блок 10 использует информацию, полученную устройством 16 определения события) осуществляют, если необходимо, процесс изменения зарядового состояния. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ функционирования электронного вентиля (18), в частности вентиля, приспособленного для использования в преобразователе высокой мощности, в котором многократно повторно выполняется процесс изменения зарядового состояния управляющего электрода (17), в частности, изолированного затвора вентиля (18), для предшествующего выполнения упомянутого процесса определяется, достигнуто ли конкретное рабочее состояние в предварительно определенный момент времени, и получается соответствующий результат определения, и процесс изменения зарядового состояния адаптируется для последующего выполнения упомянутого процесса, используя результат определения.

2. Способ по п.1, в котором в зависимости от результата определения, по меньшей мере, один параметр регулируется для того, чтобы адаптировать процесс изменения зарядового состояния для последующего применения и, если рабочее состояние не достигнуто в предварительно определенный момент времени, по меньшей мере, один параметр регулируется на предварительно определенную величину или на предварительно определенную долю мгновенного значения параметра и/или на предварительно определенную долю максимального значения параметра.

3. Способ по п.1, в котором в зависимости от результата определения, по меньшей мере, один параметр регулируется для того, чтобы адаптировать процесс изменения зарядового состояния для последующего применения, если рабочее состояние не достигнуто в предварительно определенный момент определенного набора значений, и значение выбирается согласно результату определения.

4. Способ по п.1, в котором вычисляется новое значение, по меньшей мере, одного параметра, в котором новое значение является действительным для последующего выполнения упомянутого процесса изменения зарядового состояния управляющего электрода, и в котором новое значение определяется предыдущим значением параметра и результатом определения.

5. Способ по любому одному из пп.2-4, в котором, по меньшей мере, один параметр - это электрический ток к или от управляющего электрода (17).

6. Способ по п.1, в котором процесс изменения зарядового состояния должен быть выполнен во множестве временных зон установленных продолжительностей.

7. Способ по п.1, в котором вентиль (18) содержит коллектор, эмиттер (Основной) и эмиттер (Кельвин), и в котором конкретное рабочее состояние определяется посредством наблюдения напряжения между коллектором и одним из эмиттеров, также как и наблюдения напряжения между эмиттером (Основной) и эмиттером (Кельвин).

8. Способ по п.1, в котором процесс изменения зарядового состояния адаптируется для последующего применения, используя результат определения, так что продолжительность изменения зарядового состояния сохраняется во временном окне предварительно определенной продолжительности.

9. Способ по п.1, в котором предварительно определенный момент времени предопределяется интервалом времени установленной продолжительности.

10. Способ по п.9, в котором процесс инициируется при приеме управляющего сигнала в блоке (10) управления для управления процессом изменения зарядового состояния управляющего электрода (17), и в котором интервал времени начинается в момент времени приема управляющего сигнала в блоке (10) управления.

11. Способ по п.9, в котором конкретное рабочее состояние является первым конкретным рабочим состоянием, и в котором интервал времени начинается в момент времени, когда вентиль достигает второго конкретного рабочего состояния.

12. Способ по п.1, в котором предварительно определенный момент времени задан с использованием синхрогенератора (11), и в котором синхрогенератор (11) используется также, как и генератор тактового сигнала для логического устройства, которое адаптировано управлять работой вентиля.

13. Способ по п.1, в котором процесс является одним из множества последовательных процессов, которые должны быть выполнены для того, чтобы изменить зарядовое состояние управляющего электрода (17), в частности для того, чтобы включить, или для того, чтобы выключить вентиль (18).

14. Способ по п.1, в котором задан допустимый интервал времени, в котором предварительно определенный момент времени находится в допустимом интервале времени, и в котором определяется, что конкретное рабочее состояние достигнуто в предварительно определенный момент времени, если конкретное рабочее состояние достигнуто в допустимом интервале времени.

15. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, один параметр, в частности электрический ток к или от управляющего электрода (17), может регулироваться для того, чтобы адаптировать процесс для последующего применения, и в котором, по меньшей мере, один параметр регулируется согласно результату определения.

16. Способ по п.15, в котором первоначальное значение, по меньшей мере, одного параметра выбирается так, чтобы удовлетворялось одно или все из следующих условий: скорость изменения электрического напряжения вентиля (18), или на задающем устройстве (12) для управления работой вентиля (18), в частности, напряжения затвор-эмиттер, электрическое напряжение, скорость изменения электрического тока, протекающего через вентиль (18), находится/находятся в рамках заданных пределов, в частности не превышают предела.

17. Способ по п.15, в котором, если конкретное рабочее состояние не достигнуто в предварительно определенный момент времени, по меньшей мере, один параметр регулируется на предварительно определенную величину или на предварительно определенную долю мгновенного значения параметра.

18. Способ по п.17, в котором, по меньшей мере, один параметр регулируется на долю, которая находится в диапазоне от 0,1 до 1% от максимального значения, по меньшей мере, одного параметра, если конкретное рабочее состояние не достигнуто в предварительно определенный момент времени.

19. Способ по одному из пп.15-18, в котором процесс завершается в предварительно определенный момент времени, изменяя значение, по меньшей мере, одного параметра, в частности изменяя ток к или от управляющего электрода (17).

20. Способ по п.1, в котором задано событие, при этом определяется второй момент во времени, когда это событие происходит, и в связи с этим достигается конкретное рабочее состояние, и при этом оценивается, находится ли второй момент времени раньше или позже, чем предварительно определенный момент времени.

21. Способ по п.20, в котором упомянутую оценку, находится ли второй момент времени раньше или позже, чем предварительно определенный момент времени, используют для адаптации процесса, если необходимо, для будущего выполнения упомянутого процесса.

22. Способ по п.1, в котором параметр, который является характеристикой рабочего состояния вентиля (18), оценивается в предварительно определенный момент времени и сравнивается со значением сравнения для того, чтобы определить, достигнуто ли конкретное рабочее состояние в предварительно определенный момент времени.

23. Устройство для приведения в действие электронного вентиля (18), в частности вентиля, адаптированного для использования в преобразователе высокой мощности, в котором устройство содержит: задающее устройство (12), адаптированное возбуждать электрический ток к и/или от управляющего электрода (17), в частности, изолированного затвора вентиля (18), устройство (16) определения рабочего состояния, адаптированное определять, достигнуто ли конкретное рабочее состояние вентиля (18) в предварительно определенный момент времени, и адаптированное получать соответствующий результат определения, и блок (10) управления для многократно повторяющегося управления процессом изменения зарядового состояния управляющего электрода (17) вентиля (18) для включения или выключения вентиля (18), в котором блок (10) управления соединен с устройством определения или содержит устройство (16) определения, и в котором блок (10) управления адаптирован выполнять последующее выполнение процесса изменения зарядового состояния управляющего электрода (17), управляя задающим устройством (12) соответствующим образом, принимая во внимание результат определения.

24. Устройство по п.23, в котором блок (10) управления соединен с синхрогенератором (11) высокой точности, который способен передавать тактовые сигналы блоку (10) управления с точностью, по меньшей мере, в 100 ппм, предпочтительно, по меньшей мере, в 70 ппм.

25. Устройство по п.23 или 24, в котором устройство (16) определения события соединено с блоком (10) управления, и в котором устройство (16) определения события адаптировано определять достижение предварительно заданного события во время заряда или разряда управляющего электрода (17).

26. Преобразователь (21) для преобразования тока, в частности для приложений высокой мощности, таких как обеспечение электроэнергией приводного двигателя (25) железнодорожного тягового транспорта, в котором преобразователь (21) содержит устройство по одному из пп.23-25, в котором преобразователь (21) может работать, многократно включая и выключая преобразователь (21), может работать многократно включая и выключая вентиль (18), и в котором устройство и управляющий электрод (17) соединяются друг с другом через соединение для разряда и/или заряда управляющего электрода.

27. Устройство с программируемой логикой для управления процессом изменения зарядового состояния управляющего электрода (17), причем устройство с программируемой логикой содержит блок (10) управления по одному из пп.23-25, в котором устройство с программируемой логикой приспособлено управлять процессом изменения зарядового состояния управляющего электрода (17) согласно способу по одному из пп.1-22.