СПОСОБ КОММУТАЦИИ ФАЗЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТОКА С БИПОЛЯРНЫМИ ТРАНЗИСТОРАМИ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (IGBT) С ОБРАТНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ Российский патент 2015 года по МПК H03K17/82 

Изобретение относится к способу коммутации работающего в диодном режиме биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) с обратной проводимостью на работающий в IGBT-режиме IGBT с обратной проводимостью, которые образуют фазу выпрямителя тока и включены электрически параллельно источнику постоянного напряжения с этапами способа согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к устройству для выполнения соответствующего изобретению способа.

IGBT с обратной проводимостью известны также как обратно проводящие IGBT (RC-IGBT). Эти RC-IGBT являются дальнейшим развитием известных IGBT с обратным запиранием. RC-IGBT отличается от обычного IGBT тем, что диодная функция и IGBT- функция объединены в одной микросхеме. В результате возникает мощный полупроводниковый прибор, в котором эффективность анода в диодном режиме зависит от напряжения на затворе. Это требует изменения в управлении по сравнению с обычными IGBT.

В случае IGBT с обратной проводимостью можно управлять эффективностью анода в диодном режиме с помощью затвора. Если затвор включен, то эффективность анода снижается, напряжение пропускания возрастает и накопленный заряд уменьшается. Если же затвор отключен, то эффективность анода остается высокой, из-за чего напряжение пропускания является низким, а накопленный заряд является высоким.

Это поведение IGBT с обратной проводимостью можно использовать, чтобы снизить потери обратного восстановления работающего в диодном режиме IGBT с обратной проводимостью и потери включения второго IGBT с обратной проводимостью фазы выпрямителя тока.

В публикации “A High Current 3300V Module Employing Reverse Conducting IGBTs Setting a New Benchmark in Output Power Capability”, M. Rahimo, U. Schlapbach, A. Kopta, J. Vobecky, D. Schneider, A. Bauschnagel, ISPSD 2008 описан способ коммутации работающего в диодном режиме IGBT с обратной проводимостью на работающий в IGBT-режиме IGBT с обратной проводимостью. Согласно этому известному способу работающий в диодном режиме IGBT по прошествии предопределенного первого времени задержки включается начиная с момента времени управляющего сигнала требуемого выключения. IGBT, работающий в IGBT-режиме, из обоих последовательно включенных RC-IGBT по прошествии предопределенного второго времени задержки включается начиная с момента времени управляющего сигнала требуемого включения. Непосредственно перед включением RC-IGBT, работающего в IGBT-режиме, RC-IGBT, работающий в диодном режиме, снова выключается. Для этого задается временной интервал для RC-IGBT, работающего в диодном режиме, в течение которого этот IGBT с обратной проводимостью остается включенным.

Недостаток этого известного способа заключается в чувствительности по отношению к временам распространения (запаздывания) с плохо определенными допусками. С одной стороны, напряжение затвора IGBT с обратной проводимостью, работающего в диодном режиме, должно быть снижено ниже порогового напряжения, прежде чем будет достигнут пик обратного тока IGBT с обратной проводимостью, работающего в диодном режиме. С другой стороны, IGBT с обратной проводимостью, работающий в диодном режиме, при включении IGBT с обратной проводимостью, работающего в IGBT-режиме, не должен еще долго оставаться выключенным, потому что иначе эффект понижения эффективности анода не будет более действовать. Пути прохождения сигнала от управляющего устройства более высокого уровня, например управляющего устройства выпрямителя тока, к управляющим схемам, также называемым схемами возбудителя, обоих электрически последовательно включенных RC-IGBT обнаруживают, однако, разделение потенциала. Это приводит к относительно большим допускам во временах включения, из-за которых допуска в управляющих цепях электрически последовательно включенных RC-IGBT еще больше увеличиваются. Тем самым включение согласованных друг с другом времен задержки обуславливает большие затраты.

Поэтому задачей изобретения является усовершенствовать известный способ таким образом, чтобы он стал менее чувствительным к временам запаздывания с плохо установленными допусками.

Эта задача решается признаками отличительной части пункта 1 формулы в комбинации с признаками ограничительной части пункта 1 формулы.

Таким образом, отключение затвора IGBT с обратной проводимостью, работающего в диодном режиме, осуществляется не с управлением по времени, а с управлением событиями. Согласно соответствующему изобретению способу в качестве события выбрано начало протекания тока через IGBT с обратной проводимостью, работающий в IGBT режиме.

Этот момент времени протекания тока через IGBT с обратной проводимостью, работающий в IGBT режиме, в первой форме выполнения определяется посредством напряжения, падающего на индуктивности, причем эта индуктивность находится в контуре коммутации. Крутизна тока в контуре коммутации по меньшей мере на десятичный порядок больше, чем в подчиненном нагрузочном контуре. Тем самым начало коммутации при индуктивном падении напряжения может определяться однозначно без больших затрат. Коммутация приводит, таким образом, к высокому положительному изменению тока (di_c/dt) и тем самым к сравнительно высокому отрицательному значению напряжения на индуктивности, которое применяется в качестве измерительного напряжения. Ход изменения этого измерительного напряжения оценивается в отношении предопределенного предельного значения, причем подключенная схема возбудителя управляется, как только это предельное значение будет достигнуто или превышено.

Предпочтительной формой выполнения устройства для определения момента времени протекания тока в IGBT с обратной проводимостью, работающем в IGBT-режиме, является паразитная индуктивность внутри RC-IGBT-модуля, которая находится между вспомогательным эмиттером и мощным эмиттером. Эта паразитная индуктивность включена электрически параллельно к обоим входам устройства оценки.

Другая возможность определения момента времени протекания тока через RC-IGBT, работающий в IGBT режиме, состоит в том, что измеряется коллекторный ток RC-IGBT, работающего в диодном режиме. Особенно благоприятная реализация измерения тока состоит в том, что используется преобразователь тока, который выполнен по принципу катушек Роговского. Выходной сигнал преобразователя тока, выполненного по принципу катушек Роговского, пропорционален изменению тока di_c/dt и тем самым, как при применении индуктивности в контуре коммутации, может простым способом оцениваться.

При дополнительной возможности определения моментов времени протекания тока в RC-IGBT, работающем в IGBT режиме, регистрация тока выполняется посредством насыщаемого трансформатора. Посредством такого трансформатора определяется переход через нуль коллекторного тока через IGBT, работающий в диодном режиме. Насыщаемый трансформатор только тогда вырабатывает выходной сигнал, когда магнитная напряженность поля находится в узком линейном диапазоне характеристики намагничивания. Тем самым разряд затвора IGBT с обратной проводимостью, работающего в диодном режиме, осуществляется не в начале процесса коммутации, а только при переходе через нуль коллекторного тока, то есть в начале тока обратного восстановления.

Для дальнейшего объяснения изобретения будут даваться ссылки на чертежи, на которых схематично иллюстрируется несколько форм выполнения соответствующего изобретению способа.

Фиг.1 - блок-схема мостовой ветви двух RC-IGBT с источником постоянного напряжения;

Фиг.2 и 3 - временные характеристики заданных управляющих сигналов обоих RC-IGBT мостовой ветви согласно фиг.1, соответственно, на диаграмме по времени t;

Фиг.4 и 5 - временные характеристики действительных управляющих сигналов обоих RC-IGBT мостовой ветви согласно фиг.1, соответственно, на диаграмме по времени t;

Фиг.6 - блок-схема первой формы выполнения устройства для осуществления способа коммутации согласно изобретению;

Фиг.7 - блок-схема второй формы выполнения устройства для осуществления способа коммутации согласно изобретению;

Фиг.8 - коллекторный ток и соответствующее измеренное напряжение, представленные на диаграмме по времени t;

Фиг.9 - блок-схема третьей формы выполнения устройства для осуществления способа коммутации согласно изобретению;

Фиг.10 - характеристика намагничивания насыщаемого трансформатора; и

Фиг.11 - коллекторный ток с соответствующим измеренным напряжением, представленный на диаграмме по времени t.

На фиг.1 показаны мостовая ветвь 2, источник 4 постоянного напряжения, положительная токовая шина 6, отрицательная токовая шина 8. Посредством этих обеих токовых шин 6 и 8 мостовая ветвь 2 и источник 4 постоянного напряжения включены электрически параллельно. Мостовая ветвь имеет два IGBT Т1 и Т2 с обратной проводимостью, которые включены электрически последовательно. Точка соединения этих обоих RC-IGBT Т1 и Т2 образует выход А на стороне переменного напряжения, к которому может подключаться нагрузка. Источник 4 постоянного напряжения имеет два конденсатора 10 и 12, которые также электрически соединены последовательно. Точка соединения этих обоих конденсаторов 10 и 12 образует вывод М средней точки. В качестве альтернативы, вместо обоих конденсаторов 10 и 12 также может применяться только один конденсатор, который размещен между токовыми шинами 6 и 8. При этом средняя точка М является недоступной. На выходе А мостовой ветви 2 существует, по отношению к выводу М средней точки источника 4 постоянного напряжения, импульсно-модулированное прямоугольное напряжение u_AM. Представленная на фиг.1 блок-схема соответствует части блок-схемы многофазного выпрямителя тока, в частности преобразователя постоянного тока в переменный.

Так как диодная функция и IGBT-функция объединены в одной микросхеме, в случае IGBT Т1 и Т2 с обратной проводимостью не требуется ни безынерционных диодов, ни инверсных диодов. Эти IGBT также обозначаются из-за их обратной проводимости как RC-IGBT. Так как в одной микросхеме объединены функциональности диода и IGBT, этот RC-IGBT может работать в диодном режиме (отрицательный коллекторно-эмиттерный ток) и в IGBT-режиме (положительный коллекторно-эмиттерный ток). В диодном режиме можно управлять эффективностью анода с помощью затвора. Если затвор включен, то эффективность анода снижается и тем самым напряжение пропускания повышается, из-за чего накопленный заряд снижается. Если затвор выключен, то эффективность анода остается высокой. Следствием этого является то, что потери пропускания являются низкими, а накопленный заряд - высоким.

В сигнальных характеристиках на фиг.2-5 предполагается, что IGBT Т1 с обратной проводимостью работает в диодном режиме, а IGBT Т2 с обратной проводимостью - в IGBT-режиме. На диаграмме на фиг.2 в зависимости от времени t представлен заданный управляющий сигнал S*_T1 для работающего в диодном режиме RC-IGBT Т1, а заданный управляющий сигнал S*_T2 для работающего в IGBT-режиме RC-IGBT Т2 показан на диаграмме на фиг.3 в зависимости от времени t. Эти оба заданных управляющих сигнала S*_T1 и S*_T2 характеризуют процесс коммутации к моменту времени t1. Исходя от этого момента времени t1 по прошествии временного интервала ΔТ1 включается работающий в диодном режиме RC-IGBT Т1 с обратной проводимостью (фиг.4). Работающий в IGBT-режиме IGBT Т2 с обратной проводимостью согласно временной характеристике состояния переключения T2_Sch согласно фиг.5 по истечении временного интервала ΔТ3 исходя от момента t1 времени включается (момент t4 времени). К моменту времени t4 работающий в диодном режиме IGBT Т2 с обратной проводимостью должен согласно временной характеристике состояния переключения T2_Sch согласно фиг.4 выключаться. С другой стороны, работающий в диодном режиме IGBT Т1 с обратной проводимостью не может еще долго быть отключенным, потому что иначе эффект снижения эффективности анода больше не действует. То есть временной интервал ΔT_R между выключением работающего в диодном режиме RC-IGBT Т1 и включением работающего в IGBT-режиме RC-IGBT Т2 должен быть по возможности малым. В зависимости от временного интервала ΔТ₁ и временного интервала ΔT_R по отношению к временному интервалу ΔТ₃ получается временной интервал ΔТ₂, во время которого работающий в диодном режиме IGBT Т1 включен.

Согласно вышеупомянутой публикации эта коммутация двух IGBT Т1 и Т2 с обратной проводимостью фазы выпрямителя тока является управляемой по времени. Эта управляемая по времени коммутация требует высокой точности по времени. Чтобы при этой управляемой по времени коммутации находиться на точно определенной стороне, временной интервал ΔT_R выбирается настолько большим, что к моменту t4 времени включения работающего в IGBT-режиме IGBT Т2 с обратной проводимостью работающий в диодном режиме IGBT Т1 с обратной проводимостью двух электрически последовательно включенных RC-IGBT Т1 и Т2 надежно выключается. Так как в пути прохождения сигнала от управляющего устройства к управляющей схеме RC-IGBT Т1 или Т2 имеются компоненты, которые должны соответствовать большим допускам, временной интервал ΔT_R должен выбираться еще большим.

Согласно соответствующему изобретению способу изображенная на фиг.2-5 коммутация осуществляется больше не с управлением по времени, а с управлением событиями. В качестве события выбирается начало протекания тока через работающий в IGBT-режиме RC-IGBT Т2. Но это событие определяется в работающем в диодном режиме RC-IGBT Т1.

На фиг.6 схематично представлена первая форма выполнения устройства для осуществления способа коммутации согласно изобретению. Это устройство содержит устройство 14 оценки, которое на стороне выхода связано с входом управляющей схемы 16, которая обозначается также как возбуждающая схема. Это устройство также содержит устройство для определения производной по времени коллекторного тока i_c через работающий в диодном режиме RC-IGBT Т1. То есть определяется изменение тока для коллекторного тока i_c. В форме выполнения согласно фиг.6 в качестве устройства предусмотрена индуктивность 18, в частности внутримодульная паразитная индуктивность. Если устройством является внутримодульная паразитная индуктивность 18, то эта индуктивность 18 находится в IGBT-модуле между вспомогательным эмиттером Е1 и эмиттерным выводом Е. Если речь идет об индуктивности 18, то она, с одной стороны, связана с эмиттерным выводом Е. В представленной на фиг.6 форме выполнения эмиттер Е1 образует опорный потенциал для устройства 14 оценки и для возбуждающей схемы 16. Эмиттерный вывод Е работающего в диодном режиме RC-IGBT Т1 двух электрически последовательно включенных RC-IGBT Т1 и Т2 электропроводно соединен с входом 20 устройства 14 оценки. На устройство 14 оценки также подается заданный управляющий сигнал S*_T1.

Так как крутизна тока в контуре коммутации по меньшей мере на порядок больше, чем крутизна тока в контуре тока нагрузки, начало протекания тока через работающий в IGBT-режиме RC-IGBT Т2 явно распознается по падению напряжения на индуктивности 18 работающего в диодном режиме RC-IGBT Т1.

Коммутация коллекторного тока i_c с работающего в диодном режиме RC-IGBT Т1 на работающий в IGBT-режиме RC-IGBT Т2 приводит к высокому положительному изменению тока di_c/dt и тем самым к сравнительно высокому отрицательному значению измеренного напряжения u_M. Это значение измеренного напряжения u_M сравнивается в устройстве 14 оценки с предопределенным пороговым значением. Если это пороговое значение достигается или превышается, то работающий в диодном режиме RC-IGBT Т1 выключается, то есть разряд затвора G работающего в диодном режиме RC-IGBT Т1 начинается, таким образом, с началом процесса коммутации.

На фиг.7 более подробно показана вторая форма выполнения устройства для осуществления соответствующего изобретению способа коммутации двух электрически последовательно включенных RC-IGBT Т1 и Т2 с обратной проводимостью. Эта вторая форма выполнения отличается от первой формы выполнения тем, что вместо индуктивности 18 применяется преобразователь 22 тока, который выполнен по принципу катушек Роговского. Выходное напряжение такого преобразователя 22 тока пропорционально изменению тока di/dt для коллекторного тока i_c, который протекает через работающий в диодном режиме IGBT Т12 с обратной проводимостью. На диаграмме согласно фиг.8 нанесена временная характеристика коллекторного тока i_c, протекающего через работающий в диодном режиме IGBT Т1 с обратной проводимостью, и временная характеристика определенного измеренного напряжения u_M по времени t. Кривая тока i_c(t) соответствует характеристике отключения диода. К моменту времени t_M, в который амплитуда коллекторного тока i_c начинает снижаться, характеристика измеренного напряжения u_M(t) имеет положительный фронт. Момент времени t_M этого фронта оценивается как момент времени начала протекания тока в работающем в IGBT-режиме IGBT Т2 с обратной проводимостью. Момент времени t_M является по возможности ранним моментом времени, к которому работающий в диодном режиме IGBT Т1 с обратной проводимостью может отключаться.

На фиг.9 более подробно показана третья форма выполнения для осуществления соответствующего изобретению способа коммутации двух электрически последовательно включенных RC-IGBT Т1 и Т2 с обратной проводимостью. Эта третья форма выполнения отличается от первой формы выполнения согласно фиг.6 тем, что вместо индуктивности 18 предусмотрен насыщаемый трансформатор 24. На фиг.10 представлена характеристика намагничивания этого насыщаемого трансформатора 24. Эта характеристика намагничивания имеет лишь узкую линейную область. Посредством этого насыщаемого трансформатора 24 определяется только переход через нуль коллекторного тока i_c работающего в диодном режиме IGBT Т1 с обратной проводимостью. Распознавание этого перехода через нуль осуществляется с насыщаемым трансформатором 24 только тогда, когда магнитная напряженность поля находится в узкой области характеристики намагничивания. Точно тогда этот насыщаемый трансформатор 24 выдает выходной сигнал, а именно измеренное напряжение u_M. Характеристика этого измеренного напряжения u_M вместе с временной характеристикой коллекторного тока i_c работающего в диодном режиме RC-IGBT Т1 представлена на диаграмме на фиг.11 в зависимости от времени t. Тем самым с помощью насыщаемого трансформатора 24 определяется момент времени коммутации при коммутации от работающего в диодном режиме RC-IGBT Т1 на работающий в IGBT-режиме RC-IGBT Т2. Этот момент времени t_N лежит относительно момента времени t_M позже по времени. За счет этого работающий в диодном режиме RC-IGBT Т1 может отключаться позднее. Тем самым эффективность анода может снижаться дольше, из-за чего снижается накопленный заряд.

С помощью этого соответствующего изобретению способа момент времени для отключения работающего в диодном режиме RC-IGBT Т1 двух электрически последовательно включенных RC-IGBT Т1 и Т2 может устанавливаться очень близко к моменту времени t_M, в который включается работающий в IGBT-режиме IGBT Т2 с обратной проводимостью этих последовательно включенных RC-IGBT Т1 и Т2, за счет чего снижение эффективности анода является длительно действующим. Так как этот соответствующий изобретению способ является управляемым событиями, он не требует высокой точности по времени, как это имеет место при известном способе коммутации с управлением по времени.

Изобретение относится к способу коммутации от работающего в диодном режиме биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) (Т1) с обратной проводимостью на работающий в IGBT-режиме IGBT (Т2) с обратной проводимостью. Технический результат заключается в обеспечении наименьшей чувствительности к временам запаздывания с плохо установленными допусками за счет того, что работающий в диодном режиме первый IGBT (Т1) отключается, как только начинает протекать ток во втором IGBT (Т2), работающем в определенном режиме. Технический результат достигается за счет включения работающего в диодном режиме IGBT (Т1) по прошествии предопределенного временного интервала (ΔT1) после смены управляющего сигнала (S*T1) этого IGBT (Т1) на состояние выключения, после чего происходит включение работающего в IGBT-режиме IGBT (Т2) по прошествии предопределенного временного интервала (ΔТ3) после смены управляющего сигнала (S*T2) этого IGBT (Т2) на состояние включения, причем этот временной интервал (ΔТ3) существенно больше, чем временной интервал (ΔT1) работающего в диодном режиме IGBT (Т1), после чего происходит отключение работающего в диодном режиме IGBT (Т1), как только начинает протекать ток в работающем в IGBT-режиме IGBT (Т2) с обратной проводимостью. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ коммутации от работающего в диодном режиме биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) (Т1) с обратной проводимостью на работающий в IGBT-режиме IGBT (Т2) с обратной проводимостью, которые образуют фазу выпрямителя тока и включены электрически параллельно источнику (4) постоянного напряжения, содержащий следующие этапы:
a) включение работающего в диодном режиме IGBT (Т1) по прошествии предопределенного временного интервала (ΔT₁) после смены управляющего сигнала (S*_T1) этого IGBT (Т1) на состояние выключения,
b) включение работающего в IGBT-режиме IGBT (Т2) по прошествии предопределенного временного интервала (ΔТ₃) после смены управляющего сигнала (S*_T2) этого IGBT (Т2) на состояние включения, причем этот временной интервал (ΔТ₃) существенно больше, чем временной интервал (ΔT₁) работающего в диодном режиме IGBT (Т1),
c) отключение работающего в диодном режиме IGBT (Т1), как только начинает протекать ток в работающем в IGBT-режиме IGBT (Т2) с обратной проводимостью.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что начало протекания тока в работающем в IGBT-режиме IGBT (Т2) с обратной проводимостью определяется изменением тока для коллекторного тока (i_c), протекающего в работающем в диодном режиме IGBT (Т1) с обратной проводимостью.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что изменение тока в работающем в диодном режиме IGBT (Т1) с обратной проводимостью определяется посредством напряжения (u_м), падающего на индуктивности (18), находящейся в контуре коммутации.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряется и оценивается коллекторный ток (i_c), протекающий через работающий в диодном режиме IGBT (Tl) с обратной проводимостью.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что измеряемый коллекторный ток (i_c) через работающий в диодном режиме IGBT (Tl) с обратной проводимостью оценивается на переходе тока через нуль.

6. Устройство для осуществления способа по любому из пп. 1-5 с IGBT (Tl, Т2) с обратной проводимостью фазы выпрямителя тока, которые включены электрически параллельно источнику (4) постоянного напряжения, и причем каждый IGBT (Tl, Т2) с обратной проводимостью снабжен схемой возбудителя (16), которые, соответственно, на стороне выхода связаны с затвором и эмиттерным выводом (G, Е) IGBT (Tl, Т2), отличающееся тем, что предусмотрены устройство (14) оценки, предназначенное для сравнения значения измеренного напряжения с предопределенным пороговым значением, и устройство определения коллекторного тока (i_c), причем устройство (14) оценки со стороны выхода связано с входом схемы возбудителя (16), а со стороны входа - с выходными выводами (20, Е) упомянутого устройства определения, и причем каждое устройство (14) оценки снабжается управляющим сигналом (S*_T1, S*_T2), соответствующим соответствующему IGBT (Tl, T2) с обратной проводимостью.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что устройство определения коллекторного тока (i_c) представляет собой индуктивность (18).

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что устройство определения коллекторного тока (i_c) представляет собой преобразователь (22) тока, выполненный по принципу катушек Роговского.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что устройство определения коллекторного тока (i_c) представляет собой насыщаемый трансформатор (24).