СХЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ТОКА И СПОСОБ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СИЛОВОГО ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ Российский патент 2016 года по МПК H03K17/82 

Изобретение относится к схемному устройству для переключения тока в зависимости от заданного сигнала переключения. Схемное устройство содержит полупроводниковый силовой переключатель для переключения тока и устройство управления для полупроводникового силового переключателя. Устройство управления выполнено с возможностью приема сигнала переключения и генерации управляющего напряжения в зависимости от принятого сигнала переключения на управляющем входе полупроводникового силового переключателя.

Схемное устройство этого типа известно из WO 2008/032113 А1. Такое схемное устройство может, например, предоставляться в управляемом преобразователе переменного тока (инверторе), который может применяться для работы машины трехфазного тока.

Способ работы управляемого инвертора объясняется более подробно ниже со ссылкой на фиг. 1. Посредством инвертора 10 с помощью постоянного напряжения Uzk в фазных проводах 12, 14, 16 могут вырабатываться переменные токи I1, I2, I3, которые вместе образуют трехфазный ток, с помощью которого может работать электрическая машина 18. Постоянное напряжение Uzk может, например, обеспечиваться между двумя токовыми шинами ZK+, ZK- промежуточного контура преобразователя частоты. Для генерации переменных токов I1, I2, I3 фазные проводники 12, 14, 16 соответственно через полумост 20, 22, 24 соединены с токовыми шинами ZK+, ZK-, как показано на фиг. 1. То, как генерируются переменные токи I1, I2, I3, обсуждается ниже в связи с полумостом 20. То же самое относится также к переменным токам I2 и I3 в сочетании с полумостами 22 и 24.

Полумост 20 содержит два полупроводниковых силовых переключателя 26, 28, каждый из которых содержит транзистор Tr1 или Tr2 и включенный антипараллельно ему диод VI или V2. Через полупроводниковые силовые переключатели 26, 28 фазный провод 12 соединен с положительной токовой шиной ZK+ и с отрицательной токовой шиной ZK-. Транзисторы Tr1, Tr2 могут представлять собой, например, IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или MOSFET (полевой транзистор со структурой металлоксид-полупроводник). Полупроводниковые силовые переключатели 26, 28 соединены соответственно через управляющую линию 30, 32 с блоком 34 управления. Блок 34 управления генерирует тактовый сигнал 36, который передается через управляющую линию 30 к полупроводниковому силовому переключателю 26. Посредством тактового сигнала 36 транзистор Tr1 полупроводникового силового переключателя 26 поочередно переключается в проводящее и запертое состояние. По другой управляющей линии 32 блок 34 управления передает противоположный тактовый сигнал к полупроводниковому силовому переключателю 26, так что транзистор Tr2 полупроводникового силового переключателя 28 переключается в противотакте к транзистору Tr1. Поочередное переключение транзисторов Tr1 и Tr2 генерирует в фазном проводе 12 переменное напряжение и, таким образом, переменный ток I1. Для генерации трехфазного тока посредством блока 34 управления соответственно сдвинутые по фазе тактовые сигналы чрез другие управляющие линии передаются на силовые переключатели остальных полумостов 22 и 24. С помощью диодов полупроводниковых силовых переключателей напряжение переменного тока, генерируемое электрической машиной 18, может выпрямляться.

Тактовые сигналы, генерируемые блоком 34 управления, такие как тактовый сигнал 36, как правило, имеются не в такой форме, чтобы с их помощью переключать полупроводниковый силовой переключатель. Поэтому перед управляющим входом 38 полупроводникового силового переключателя 26 предусмотрена схема 40 управления, которая генерирует с помощью (не показанной) схемы возбудителя, в зависимости от тактового сигнала 36, управляющее напряжение на управляющем входе 38. Управляющим входом 38 в случае транзистора является его затвор или база. Таким же образом перед полупроводниковым силовым переключателем 28 включена соответствующая схема управления, а также перед силовыми переключателями мостов 22 и 24 включены соответствующие схемы управления.

При переключении тока с помощью, например, полупроводникового силового переключателя 26 следует учитывать, что в зависимости от того, как быстро полупроводниковые силовые переключатели 26 переводятся, например, из проводящего в запирающее состояние, посредством (не показанных на фиг. 1) индуктивностей переключающей схемы может индуцироваться напряжение. Это индукционное напряжение затем накладывается на рабочее напряжение, так что на полупроводниковом силовом переключателе 26 может образоваться значение падающего на нем напряжения, которое находится выше максимально допустимого значения. Из-за этого компоненты полупроводникового силового переключателя 26 могут быть повреждены. Поэтому может быть предусмотрено, что посредством схемы 40 управления по меньшей мере во время переключающих фронтов сигнала 36 переключения, посредством которых осуществляется запирание полупроводникового силового переключателя 26, на управляющем входе 38 генерируется управляющее напряжение, которое, по сравнению с характеристикой сигнала 36 переключения, имеет более плоскую характеристику.

Для получения управляющего напряжения с более плоской характеристикой публикация WO 2008/032113 A1 раскрывает решение, в котором измеряется ток, протекающий через силовой полупроводник, и определяется точка экстремума (максимума или минимума) во временной характеристике силы тока. До достижения точки экстремума управляющее напряжение на управляющем входе силового полупроводника изменяется медленно, так что получается пилообразная характеристика управляющего напряжения, и проводимость силового полупроводника изменяется лишь относительно медленно. После достижения точки экстремума управляющее напряжение затем резко переключается на его конечное значение.

Недостатком такого решения является то, что для периода времени, в течение которого управляющее напряжение лишь медленно снижается согласно пилообразной характеристике, потери переключения в силовом полупроводнике очень высоки.

В документе US 2005/0099751 А1 описана схема возбуждения для переключения полупроводникового силового переключателя в зависимости от сигнала управления. Схема возбуждения имеет температурный контроль, посредством которого максимальный ток через полупроводниковый силовой переключатель всегда ограничивается в том случае, если переключатель является слишком горячим. Кроме того, обеспечена схема защиты, посредством которой измеряется сила тока через переключатель, и при распознавании тока перегрузки проводимость переключателя снижается.

В документе US 2008/0232144 А1 описана схема предварительного заряда для контролируемого подзаряда сглаживающего конденсатора для промежуточного контура постоянного напряжения. С помощью этой схемы определяется крутизна временной характеристики напряжения в промежуточном контуре. Если напряжение возрастает слишком быстро, то ток, протекающий в промежуточном контуре, ограничивается.

В документе ЕР 0600751 А2 описана схема возбуждения для силового полупроводникового переключателя, посредством которой переключатель продолжительно переключается в запирающее состояние, если переключатель является слишком горячим или подвергается перегрузке иным образом. В схеме возбуждения может быть запрограммирована характеристика, которая устанавливает время реакции в зависимости от значения, на которое превышается соответствующее предельное значение.

В документе DE 102004020273 А1 описано управление режимом работы полупроводникового переключателя. Временной интервал, в течение которого полупроводниковый переключатель удерживается в переходном состоянии, ограничивается до максимального значения в зависимости от того, насколько велико падение напряжения на полупроводниковом переключателе.

Задачей настоящего изобретения является снизить потери переключения в полупроводниковом силовом переключателе.

Эта задача решается с помощью схемного устройства согласно пункту 1 формулы изобретения и с помощью способа согласно пункту 8 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления схемного устройства согласно изобретению и способа согласно изобретению изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

С помощью схемного устройства согласно изобретению ток может переключаться в зависимости от заданного сигнала переключения. Схемное устройство для этой цели имеет устройство управления, которое выполнено с возможностью приема сигнала переключения и управления полупроводниковым силовым переключателем в зависимости от принятого сигнала переключения. В связи с инвертором, описанным выше, устройство управления могло бы, например, формировать схему управления для полупроводникового силового переключателя, которая принимает сигнал от микроконтроллера.

С помощью полупроводникового силового переключателя ток может переключаться контролируемым образом. Для изменения силы тока в соответствии с сигналом переключения устройство управления генерирует, в зависимости от принятого сигнала переключения, управляющее напряжение на управляющем входе полупроводникового силового переключателя. Временная характеристика управляющего напряжения при этом задается таким образом, что во время процесса переключения по меньшей мере один предопределенный рабочий параметр полупроводникового силового переключателя, то есть, например, напряжение коллектор-эмиттер IGBT, выполняет предопределенный критерий. Таким образом, не просто выполняется резко и продолжительно переключение между проводящим и непроводящим состоянием полупроводникового силового переключателя. Вместо этого учитывается временная характеристика рабочего параметра при переходе между обоими состояниями переключения (проводящим и запертым), и процесс переключения за счет соответствующей характеристики управляющего напряжения, например, удлиняется, чтобы поддерживать индукционное напряжение малым.

Рабочим параметром может, например, быть напряжение, падающее на транзисторе и/или диоде полупроводникового силового переключателя или крутизна временной характеристики этого напряжения. Кроме того, при переключении в качестве рабочего параметра может учитываться крутизна временной характеристики переключаемого тока.

В качестве критерия для рабочего параметра может, например, задаваться, что рабочий параметр во время переключения должен принимать определенное номинальное значение. Кроме того, может задаваться, что рабочий параметр не должен превышать определенное предельное значение или спадать ниже него.

В схемном устройстве в соответствии с изобретением, таким образом, устанавливается критерий, например, определенное номинальное значение или определенное предельное значение посредством параметра переключения устройства управления. При этом конкретное значение параметра переключения может изменяться во время работы схемного устройства. Ссылаясь на примеры, можно также изменять номинальное значение или предельное значение во время работы. Режим переключения схемного устройства в соответствии с изобретением может, таким образом, целенаправленно изменяться посредством изменения определенного значения параметра во время работы и адаптироваться к текущему рабочему состоянию полупроводникового силового переключателя. Режим переключения, таким образом, больше не нужно непрерывно регулировать так, чтобы предотвращать индукцию недопустимо высокого напряжения из-за индуктивностей всегда для условия наихудшего случая. Это основывается на знании того, что время переключения должно увеличиваться только в том случае, если также фактически следует ожидать высокого индукционного напряжения. Во всех остальных случаях переключаемый ток может быстро прерываться. Это позволяет избежать потерь переключения, которые возникают при замедленном переходе, например, с пилообразной характеристикой управляющего напряжения.

Другое знание заключается в том, что максимально допустимое напряжение на полупроводниковом силовом переключателе зависит от его температуры. Определенный тип полупроводникового силового переключателя может быть особенно устойчивым к напряжению, если он является относительно теплым. В этом случае тогда возможно более короткое время переключения путем задания соответствующих значений параметров.

Разумеется, указанное выше для прерывания тока также справедливо и для включения.

Соответствующий изобретению способ предусматривает, что полупроводниковый силовой переключатель может управляться посредством устройства датчика сигнала, с помощью которого может генерироваться сигнал переключения, а также посредством устройства управления, причем последнее генерирует управляющее напряжение для полупроводникового силового переключателя в зависимости от сигнала переключения. Для переключения полупроводникового силового переключателя посредством устройства датчика сигнала генерируется сигнал переключения и передается на устройство управления. Оно принимает сигнал переключения и генерирует управляющее напряжение на управляющем входе полупроводникового силового переключателя в зависимости от сигнала переключения. Но сначала определяется рабочее состояние полупроводникового силового переключателя, и в зависимости от определенного рабочего состояния устанавливается по меньшей мере одно значение параметра для параметра переключения устройства управления. Посредством этого значения параметра для параметра переключения затем во время процесса переключения полупроводникового силового переключателя устанавливается критерий для рабочего параметра полупроводникового силового переключателя. Затем во время процесса переключения генерируется управляющее напряжение с временной характеристикой значения напряжения таким образом, что рабочий параметр выполняет критерий, заданный посредством упомянутого значения параметра.

Соответствующее изобретению схемное устройство в предпочтительной форме выполнения содержит измерительное устройство для определения по меньшей мере одного рабочего параметра. Этот измеренный рабочий параметр не обязательно должен быть тем же самым, который впоследствии учитывается при переключении. Так может, например, быть измерена температура транзистора полупроводникового силового переключателя или температура включенного антипараллельно транзистору диода полупроводникового силового переключателя. В полупроводниковых компонентах запирающая способность и режим переключения часто зависят от температуры. С известной температурой может, таким образом, задаваться предельное значение для падения напряжения на полупроводниковом силовом переключателе. Посредством измерения рабочего параметра становится известным текущее рабочее состояние полупроводникового силового переключателя, и может устанавливаться подходящее значение для параметра переключения.

В другом варианте осуществления схемного устройства согласно изобретению измеряется сила тока для тока, протекающего через полупроводниковый силовой переключатель. При этом обеспечивается преимущество, состоящее в том, что из измеренного значения может быть определено, существует ли вообще риск того, что при быстром запирании (или открытии) полупроводникового силового переключателя возникает недопустимо высокое напряжение.

Также может быть предусмотрено, что падение напряжения на полупроводниковом силовом переключателе, например напряжение коллектор-эмиттер транзистора, измеряется с помощью измерительного устройства. На основе этого рабочего параметра можно тогда определить, например, насколько полупроводниковый силовой переключатель близок к максимально допустимому значению запирающего напряжения и насколько большим вследствие этого может быть максимально индуцированное напряжение. Соответственно быстро (или медленно) может тогда переключаться полупроводниковый силовой переключатель.

Также может быть предусмотрено, что посредством измерительного устройства определяется временное среднее значение для одного из предшествующих параметров. Тем самым можно снизить помеховое воздействие кратковременных пиков нагрузки на измерение.

Вместо измерения может также предусматриваться определение рабочего параметра полупроводникового силового переключателя, в частности его температуры, на основе численной модели в зависимости от по меньшей мере одного другого рабочего параметра. Тогда никакой дополнительный датчик не должен предоставляться для измерения вышеназванного рабочего параметра.

В одной форме выполнения схемного устройства согласно изобретению устройство управления выполнено с возможностью самостоятельно устанавливать значение параметра в зависимости от рабочего состояния полупроводникового силового переключателя, в особенности на основе некоторой характеристики. Это имеет то преимущество, что устройство, в котором должно применяться схемное устройство согласно изобретению, не должно адаптироваться в том смысле, что оно может определять значение параметра для устройства управления. Устройство управления тогда само способно к этому. Применение характеристики (или нескольких характеристик) имеет то преимущество, что в схемном устройстве тип полупроводникового силового переключателя при определении значения параметра может приниматься во внимание просто за счет того, что подходящая характеристика сохраняется в устройстве управления.

В другом варианте осуществления устройство управления выполнено с возможностью приема значения параметра для предопределенного параметра переключения вместе с сигналом переключения по управляющей линии. Тем самым обеспечивается преимущество, состоящее в том, что режим переключения может быть адаптирован заранее к будущей последовательности команд переключения.

Две описанные выше возможности определения значения параметра могут также быть объединены. Таким образом, для одного из параметров переключения значение параметра можно определить посредством устройства управления, а таковое для другого из параметров переключения может приниматься вместе с сигналом переключения извне посредством устройства управления.

В другом предпочтительном варианте осуществления соответствующего изобретению схемного устройства устройство управления выполнено с возможностью приема через вход переключения цифрового сигнала на основе отказоустойчивого протокола передачи и/или передачи через выход измерения цифрового сигнала на основе отказоустойчивого протокола передачи. Тем самым может предотвращаться нежелательное влияние помехового излучения на режим переключения устройства переключения.

Изобретение поясняется более подробно ниже на основе примеров осуществления. На чертежах показано следующее:

фиг. 1 - схематичное представление принципиальной структуры инвертора;

фиг. 2 - схематичное представление устройства управления и полупроводникового силового переключателя, которые совместно образуют форму выполнения соответствующего изобретению схемного устройства;

фиг. 3 - диаграмма, на которой иллюстрируется, какое влияние на процесс выключения имеют параметры переключения, которые можно регулировать в схеме управления по фиг. 2;

фиг. 4 - диаграмма, на которой иллюстрируется, какое влияние на процесс включения имеют параметры переключения, которые можно регулировать в схеме управления по фиг. 2;

фиг. 5 - диаграмма, на которой представлена взаимосвязь между температурой полупроводникового силового переключателя по фиг. 2 и его максимально допустимым напряжением запирания;

фиг. 6 - фиг. 11 - схематичное представление устройства управления с полупроводниковым силовым переключателем, которые совместно образуют другую форму выполнения соответствующего изобретению схемного устройства.

Примеры представляют предпочтительные формы выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 2 показана схема 42 управления, которая встроена в (на фиг. 2 подробно не показанный) управляемый инвертор преобразователя частоты. Конструкция инвертора может, например, соответствовать конструкции инвертора 10. Схема 42 управления управляет полупроводниковым силовым переключателем 44. Он содержит транзистор 46 (здесь IGBT) и включенный антипараллельно ему диод 48. Вместо IGBT может также предусматриваться, например, MOSFET. Для управления полупроводниковым силовым переключателем 44 схема 42 управления генерирует управляющее напряжение на управляющем входе 50 полупроводникового силового переключателя 44. Управляющий вход 50 здесь соответствует затвору IGBT 46. Схема 42 управления и полупроводниковый силовой переключатель 44 представляют совместно форму выполнения соответствующего изобретению схемного устройства. Посредством полупроводникового силового переключателя 44 управляется ток Ic.

Управляющее напряжение генерируется в зависимости от сигнала переключения, который схема 42 управления принимает через оптический приемник или входной оптрон 52, посредством которого схема 42 управления соединена с сигнальной линией 54 (не показанного) средства управления инвертора. Средство управления инвертора является устройством датчика сигнала инвертора аналогично ранее описанному блоку 34 управления.

Сигнал переключения оценивается с помощью программируемого устройства 56 управления. Устройство управления может, например, предоставляться посредством FPGA (программируемой пользователем вентильной матрицы) или ASIC (специализированной интегральной схемы). Посредством сигнала переключения средство управления инвертора устанавливает, должен ли полупроводниковый силовой переключатель 44 находиться в проводящем или запертом состоянии. Устройство 56 управления генерирует соответствующий цифровой сигнал, из которого цифроаналоговым преобразователем 58 генерируется аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал усиливается усилительной схемой 60 и передается в качестве управляющего напряжения через сопротивление 62 затвора на управляющий вход 50.

В устройстве 56 управления может быть предусмотрен цифровой фильтр или цифровое средство регулирования, чтобы из сигнала переключения преобразовательной схемы генерировать цифровой сигнал, подходящий для управления полупроводниковым силовым переключателем 44. Кроме того, можно предусмотреть защитные функции, например, для полупроводникового силового переключателя 44. Устройство 56 управления представляет собой цифровой интерфейс между средством управления инвертором и полупроводниковым силовым переключателем 44.

Схема 42 управления содержит устройство 64 измерения напряжения, с помощью которого регистрируется напряжение коллектор-эмиттер Uce транзистора 46. Оно соответствует здесь диодному напряжению Ud. Посредством аналогово-цифрового преобразователя 66 зарегистрированное значение напряжения преобразуется в цифровое измеренное значение, которое оценивается устройством 56 управления. Диодное напряжение Ud представляет собой рабочий параметр полупроводникового силового переключателя 44.

С использованием схемы 42 управления данные, такие как цифровые измеренные значения или информации о состоянии, могут передаваться на средство управления инвертора посредством оптического передатчика или выходного оптрона 68 и сигнальной линии 70.

В схеме 42 управления может быть предусмотрено, что для обмена данными между средством управления инвертора и устройством 56 управления применяется отказоустойчивый протокол передачи, так что даже при искажении данных, например, за счет помехового излучения, первоначально переданная информация может быть восстановлена (до определенной степени искажения) вновь из искаженных данных. Примерами такого протокола передачи являются код Баркера и циклический код.

Когда с помощью сигнала переключения управляющей линии 54 средством управления инвертора задается смена состояния переключения полупроводникового силового переключателя 44, например от проводящего к запертому или наоборот, то схемой 42 управления осуществляется соответствующий процесс переключения путем изменения управляющего напряжения на управляющем входе 50. При этом режим переключения схемы 42 управления определяется посредством параметров переключения устройства 56 управления, значения которых могут быть изменены в процессе работы схемы 42 управления. Значения параметров управления передаются при использовании схемы 42 управления вместе с сигналом переключения через управляющую линию 54 от средства управления инвертора к устройству 56 управления.

Далее со ссылкой на фиг. 3 и фиг. 4 поясняется, какое влияние установка параметров переключения на конкретное значение оказывает на процесс переключения.

На фиг. 3 показана характеристика силы тока Ic и напряжения Ud во время процесса выключения. Для прерывания тока Ic его сила тока постепенно уменьшается таким образом, что временная характеристика силы тока имеет конечную крутизну наклон во время процесса переключения. Крутизна dIoff/dt (производная Ic по времени в течение выключения) представляет собой параметр переключения. Эта крутизна соответствует скорости переключения, с которой выполняется процесс переключения.

Посредством установки определенного значения параметра переключения для крутизны dIoff/dt в устройстве 56 управления в показанном примере задается, что во время выключения сила тока Ic удовлетворяет условию, что крутизна dIoff/dt по величине должна быть не больше, чем установленное значение параметра. Это условие, таким образом, представляет собой критерий, который должен выполняться в процессе переключения. При использовании устройства 56 управления для выполнения этого условия может предусматриваться соответствующий алгоритм управления или алгоритм регулирования с замкнутым контуром регулирования.

Второй параметр переключения представляет собой максимальное значение напряжения Uce,max для напряжения коллектор-эмиттер Uce, которое не должно превышаться. В качестве третьего параметра переключения может задаваться крутизна dUoff/dt диодного напряжения Ud. Характеристика напряжения Ud имеет в процессе выключения превышение 72, которое обусловлено напряжением, вырабатываемым (не показанной на фиг. 2) индуктивностью при выключении тока Ic. На максимальное значение превышения 72, то есть максимальное значение напряжения Uce,max, можно оказывать влияние путем установки значений параметров переключения для Uce,макс и/или dUoff/dt.

На фиг. 4 приведены соответствующие данные, как на фиг. 3, для процесса включения. Снова показана временная характеристика диодного напряжения Ud и силы тока для тока Ic. При этом может предусматриваться то, что посредством параметров переключения можно задавать крутизну dIon/dt силы тока для тока Ic и/или крутизну dUon/dt в устройстве 56 управления. Характеристика диодного тока Ic имеет пик 74, который вызван режимом обратного тока коммутируемого безынерционного диода. На максимальное значение пика 74 тока можно оказывать влияние путем установки значения параметров переключения.

Максимальное значение напряжения Uce,max и значения крутизны dIon/dt, dUon/dt, dIoff/dt и dUoff/dt представляют собой рабочие параметры полупроводникового силового переключателя 44. Далее для параметров переключения устройства 56 управления применяются те же обозначения, что и используемые для рабочих параметров, которые влияют на них. Таким образом, могут также предусматриваться параметры переключения Uce,max, dIon/dt, dUon/dt, dIoff/dt и/или dUoff/dt. Но в устройстве 56 управления параметры переключения должны предусматриваться не для всех описанных рабочих параметров.

На фиг. 5 показана характеристика 76, которая описывает зависимость максимально допустимого запирающего напряжения Uce,max(T) от температуры Т транзистора 46. Запирающая способность транзистора 46 снижается согласно характеристике 76 в зависимости от температуры Т. Характеристика 76 может, например, предоставляться как определенная измерениями таблица значений или как математическая функция.

Посредством введения цифрового устройства 56 управления является возможным оказывать влияние на переключение транзистора 44 через его температуру Т, а также его свойства переключения онлайн, то есть во время работы. Расчет IGBT управления на особенно неблагоприятное условие (наихудший случай) может, таким образом, отсутствовать. Условие наихудшего случая может возникать, например, тогда, когда ток Ic должен переключаться при очень низкой температуре. Полупроводниковый силовой переключатель 44 демонстрирует при низкой температуре, наряду с более низким допустимым максимальным напряжением (см. фиг. 5), еще измененный режим переключения, что в соединении с индуктивностями рассеяния может привести к повышенной нагрузке напряжения. За счет согласования параметров переключения с фактическим рабочим состоянием полупроводникового силового переключателя 44 могут снижаться потери переключения и повышаться использование полупроводникового силового переключателя 44 (например, его срок службы).

На фиг. 6 по фиг. 11 показаны другие схемные устройства с соответствующими схемой управления и полупроводниковым силовым переключателем. На чертежах элементы, способ функционирования которых соответствует таковому для элементов на фиг. 2, снабжены теми же ссылочными позициями, что и на фиг. 2. Эти элементы далее повторно не обсуждаются.

На фиг. 6 показана схема 78 управления, которая соединена с датчиком 80 температуры. Датчик 80 температуры измеряет температуру Т полупроводникового силового переключателя 44. В показанном примере речь может идти о температуре транзистора 46 или диода 48 полупроводникового силового переключателя 44. Датчик 80 температуры может быть расположен, например, на теплоотводе полупроводникового силового переключателя 44 или внутри полупроводникового силового переключателя 44. Измеренное значение датчика 80 температуры преобразуется аналого-цифровым преобразователем 82 в цифровое измеренное значение, которое учитывается устройством 56 управления при генерации управляющего напряжения для управления полупроводниковым силовым переключателем 44 в качестве его рабочего параметра.

В устройстве 56 управления сохранена характеристика 76, как она показана на фиг. 5. На основании характеристики 76 в зависимости от температуры Т определяется значение максимально допустимого запирающего напряжения Uce,мах(Т). Определенное значение устанавливается в качестве значения параметра для параметра переключения Uce,мах устройства 56 управления.

На фиг. 7 показано средство управления 84 инвертора, которое передает по управляющей линии 54 сигнал переключения на схему управления, которая соответствует уже показанной на фиг. 2 схеме 42 управления. Средство управления 84 инвертора представляет собой устройство датчика сигнала. Оно посылает сигнал переключения вместе со значением параметра для параметра переключения Uce,мах. Значение параметра определяется на основе численной модели 86. С помощью модели 86 может вычисляться мгновенная температура T полупроводникового силового переключателя 44. С использованием вычисленной температуры Т значения параметра средством управления 84 инвертора с помощью характеристики 76 (см. фиг. 5) определяется значение параметра. Характеристика 76 хранится в памяти 88 характеристик.

Численная модель 86 требует в качестве входных параметров начальную температуру Та полупроводникового силового переключателя 44, которую он имел в начале работы инвертора. Другой входной параметр представляет собой мощность Р, которая была преобразована в полупроводниковом силовом переключателе 44 с начала работы. Мощность Р определяется в вычислительном блоке 90 из временных характеристик рабочего напряжения u(t) и рабочего тока i(t), которые были предоставлены инвертором с помощью полупроводникового силового переключателя 44 с начала его работы на (не показанном) выводе.

Коммуникационный блок 92 передает определенное значение параметра вместе с генерирующим собственно сигнал переключения устройством 94 тактового генератора через управляющую линию 54. Через другие на фиг. 7 не показанные управляющие линии значения параметров также передаются к другим (не показанным) схемам управления инвертора. Значения для параметров управления могут быть переданы с использованием отказоустойчивого протокола передачи на отдельные схемы управления инвертора и там принимаются в качестве значений параметров в программируемых устройствах управления.

Вместо температурной модели также может осуществляться измерение температуры внутри инвертора.

На фиг. 8 показана схема 98 управления, к которой подключен преобразователь 98 тока. Преобразователь 98 тока измеряет силу тока для переключаемого тока Ic. Измеренное значение преобразователя 98 тока здесь преобразуется аналого-цифровым преобразователем 100 схемы 96 управления в цифровое значение, которое учитывается устройством 56 управления при генерации управляющего напряжения для управления полупроводниковым силовым переключателем 44 в качестве его рабочего параметра. В полупроводниковом силовом переключателе 44 возникают, при типе встроенного в него транзистора 46 и встроенного диода 48 при определенных рабочих условиях, резкие подъемы, такие как превышение 72 (фиг. 3) при запирании или пик 74 (фиг. 4) при запирании полупроводникового силового переключателя 44. Причиной этого может быть, например, разрыв тока или напряжения, то есть резкое изменение величин этих параметров. Такое поведение, однако, ограничено очень малым количеством рабочих точек. На основе измерения тока Ic посредством преобразователя тока 98 и измерения диодного напряжения Vd посредством устройства 64 измерения напряжения уже перед собственно процессом переключения может заранее определяться, имеет ли место такая рабочая точка. Другими словами, путем измерения рабочих параметров Ic и Vd может быть определено рабочее состояние полупроводникового силового переключателя 44, и параметры переключения устройства 56 управления могут быть установлены соответственно заранее. В примере, показанном на фиг. 8, на основе измеренных значений для диодного напряжения Ud и силы тока переключаемого тока Ic могут быть определены значения параметров для параметров переключения Uce,max, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dt и dUon/dt. Наиболее благоприятные для соответствующего рабочего состояния значения параметров сохранены здесь в таблице 102 в устройстве 56 управления.

На фиг. 9 представлено средство управления 104 инвертора (не показан), которое имеет таблицу 102′, с помощью которой, аналогично тому, как с таблицей 102, могут определяться значения параметров для параметров переключения схемы 42 управления. Определенные значения параметров передаются от коммуникационного блока 92 вместе с сигналом переключения устройства 94 тактового датчика, как описано со ссылкой на фиг. 7, в схему 42 управления (и другие не показаны схемы управления). С помощью таблицы 102′ определение значений параметров может осуществляться на основе текущего рабочего состояния, которое определяется на основе измерений временных характеристик рабочего напряжения u(t) и рабочего тока i(t).

На фиг. 10 показана схема 106 управления, в которой параметры переключения Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt устройства 56 управления определяются в зависимости от трех рабочих параметров полупроводникового силового переключателя 44, а именно тока Ic, диодного напряжения Ud и температуры Т полупроводникового силового переключателя 44. Температура Т полупроводникового силового переключателя 44 регистрируется, и допустимая зависимая от температуры скорость переключения dIoff/dt, dIon/dt определяется в зависимости от тока Ic и напряжения Ud из ранее определенной измерениями таблицы 108 и устанавливается в качестве значения параметра параметров переключения dIoff/dt, dIon/dt. Значения других параметров переключения Uce, max, dUoff/dt и dUon/dt определяются в соответствии с таблицей и в зависимости от текущего рабочего состояния.

На фиг. 11 показано средство управления 110 инвертора, которое определяет параметры переключения Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt таким способом, как это также возможно посредством устройства 56 управления схемы 106 управления. Вместо измерения температуры, здесь может предусматриваться применение численной модели 86. На основе определенного рабочего состояния полупроводникового силового переключателя 44 с помощью таблицы 108′ определяются значения параметров для параметров переключения Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt и передаются на схему 42 управления.

Посредством примеров показано, как с помощью цифровой программируемой схемы управления создается возможность заново конфигурировать или изменять параметры переключения во время работы инвертора. Может обеспечиваться возможность температурно-зависимого оперативного влияния на допустимое максимальное напряжение в режиме переключения для снижения потерь переключения. Также может обеспечиваться возможность зависимого от тока и напряжения влияния на параметры включения и выключения. Передача значений параметров в целях влияния на режим переключения может осуществляться кодированным способом вместе с сигналом переключения. При этом передача значений параметров может осуществляться с использованием отказоустойчивого протокола передачи.

Таким образом, может достигаться то, что потери переключения полупроводникового силового переключателя 44 могут поддерживаться постоянными в широком диапазоне возможных рабочих температур полупроводникового силового переключателя 44. Поскольку скорость переключения больше не требуется согласовывать с самым низким значением температуры (наихудшего случая) для ограничения возникающих перенапряжений (см. фиг. 5), то при более высоких температурах может достигаться значительно более высокая скорость переключения и тем самым снижаться мощность потерь.

Изобретение относится к устройствам электронной коммутации, а именно схемному устройству для переключения тока в зависимости от заданного сигнала переключения. Достигаемый технический результат - снижение потерь переключения в полупроводниковом силовом переключателе. При переключении тока (Ic) с помощью схемы (42) управления генерируется управляющее напряжение на управляющем входе (50) полупроводникового силового переключателя (44). Программируемое устройство (56) схемы (42) управления задает значение параметра переключения, при этом конкретное значение параметра переключения может изменяться во время работы схемы (42) управления. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Схемное устройство для переключения тока (Ic) в зависимости от задаваемого сигнала переключения, содержащее
- полупроводниковый силовой переключатель (44) для переключения тока (Ic) и
- устройство (42, 78, 96, 106) управления, которое выполнено с возможностью приема сигнала переключения и генерации в зависимости от принятого сигнала на управляющем входе (50) полупроводникового силового переключателя (44) управляющего напряжения с временной характеристикой, посредством которой осуществляется то, что во время процесса переключения переключение между проводящим и запертым состоянием полупроводникового силового переключателя (44) выполняется не резко и продолжительно, а вместо этого по меньшей мере один предопределенный рабочий параметр (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt) полупроводникового силового переключателя (44) выполняет предопределенный критерий, причем критерий задан через параметр переключения (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt) устройства (42, 78, 96, 106) управления, и значение параметра для параметра переключения (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt) может изменяться в течение работы схемного устройства,
отличающееся измерительным устройством (64, 66, 80, 82, 98, 100) для определения по меньшей мере одного из следующих рабочих параметров (Ic, T, Ud), с помощью которых описывается рабочее состояние полупроводникового силового переключателя (44):
- температура (Т) транзистора (46) полупроводникового силового переключателя (44) или температура включенного антипараллельно транзистору (46) диода (48) полупроводникового силового переключателя (44), причем в полупроводниковом силовом переключателе запирающая способность и режим переключения зависят от температуры, и схемное устройство выполнено таким образом, чтобы при известной температуре задавать предельное значение для падения напряжения на полупроводниковом силовом переключателе;
- сила тока для протекающего через полупроводниковый силовой переключатель (44) тока (Ic), причем схемное устройство выполнено с возможностью определения из измеренного значения, существует ли риск того, что при быстром запирании или отпирании полупроводникового силового переключателя возникает недопустимо высокое напряжение;
- напряжение (Ud), падающее на полупроводниковом силовом переключателе (44), причем схемное устройство выполнено с возможностью установления, насколько близко к максимально допустимому значению запирающего напряжения уже находится полупроводниковый силовой переключатель и насколько большим вследствие этого может быть индуцированное напряжение.

2. Схемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что для по меньшей мере одного из следующих рабочих параметров посредством установки значения параметра может задаваться критерий:
- напряжение (Uce,max), падающее на транзисторе и/или диоде полупроводникового силового переключателя (44),
- крутизна (dUoff/dt, dUon/dt) временной характеристики этого напряжения,
- крутизна (dIoff/dt, dIon/dT) временной характеристики переключаемого тока (Ic) и/или
- временное среднее значение для одного из предшествующих параметров.

3. Схемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что посредством значения параметра в качестве критерия может задаваться предельное значение или номинальное значение для рабочего параметра (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt).

4. Схемное устройство по п. 2, отличающееся тем, что посредством значения параметра в качестве критерия может задаваться предельное значение или номинальное значение для рабочего параметра (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt).

5. Схемное устройство по любому из пп. 1-4, причем измерительное устройство (64, 66, 80, 82, 98, 100) выполнено с возможностью определения временного среднего значения для одного из упомянутых параметров.

6. Схемное устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что устройство (78, 96, 106) управления выполнено с возможностью самостоятельно устанавливать значение параметра в зависимости от рабочего состояния полупроводникового силового переключателя (44), в частности, на основе характеристики (76).

7. Схемное устройство по п. 5, отличающееся тем, что устройство (78, 96, 106) управления выполнено с возможностью самостоятельно устанавливать значение параметра в зависимости от рабочего состояния полупроводникового силового переключателя (44), в частности, на основе характеристики (76).

8. Схемное устройство по любому из пп. 1-4, 7, отличающееся тем, что устройство (42) управления выполнено с возможностью принимать значение параметра для предопределенного параметра переключения (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt) вместе с сигналом переключения по управляющей линии (54).

9. Схемное устройство по п. 5, отличающееся тем, что устройство (42) управления выполнено с возможностью принимать значение параметра для предопределенного параметра переключения (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt) вместе с сигналом переключения по управляющей линии (54).

10. Схемное устройство по п. 6, отличающееся тем, что устройство (42) управления выполнено с возможностью принимать значение параметра для предопределенного параметра переключения (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt) вместе с сигналом переключения по управляющей линии (54).

11. Схемное устройство по любому из пп. 1-4, 7, 9, 10, отличающееся тем, что устройство (42, 78, 96, 106) управления выполнено с возможностью принимать через вход (52) переключения цифровой сигнал на основе отказоустойчивого протокола передачи и/или передавать через выход (68) измерения цифровой сигнал на основе отказоустойчивого протокола передачи.

12. Схемное устройство по п. 5, отличающееся тем, что устройство (42, 78, 96, 106) управления выполнено с возможностью принимать через вход (52) переключения цифровой сигнал на основе отказоустойчивого протокола передачи и/или передавать через выход (68) измерения цифровой сигнал на основе отказоустойчивого протокола передачи.

13. Схемное устройство по п. 6, отличающееся тем, что устройство (42, 78, 96, 106) управления выполнено с возможностью принимать через вход (52) переключения цифровой сигнал на основе отказоустойчивого протокола передачи и/или передавать через выход (68) измерения цифровой сигнал на основе отказоустойчивого протокола передачи.

14. Схемное устройство по п. 8, отличающееся тем, что устройство (42, 78, 96, 106) управления выполнено с возможностью принимать через вход (52) переключения цифровой сигнал на основе отказоустойчивого протокола передачи и/или передавать через выход (68) измерения цифровой сигнал на основе отказоустойчивого протокола передачи.

15. Способ управления полупроводниковым силовым переключателем (44) посредством устройства (84, 104) датчика сигнала для генерации сигнала переключения и посредством устройства (42, 78, 96, 106) управления для генерации управляющего напряжения для полупроводникового силового переключателя (44), содержащий этапы:
- определения рабочего состояния (Ic, T, Ud) полупроводникового силового переключателя (44) и установки по меньшей мере одного значения параметра для параметра переключения (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt) устройства (42, 78, 96, 106) управления, посредством которого во время процесса переключения полупроводникового силового переключателя (44) устанавливается критерий для по меньшей мере одного рабочего параметра (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt) полупроводникового силового переключателя (44);
- генерации сигнала переключения посредством устройства (84, 104) датчика сигнала и передачи сигнала переключения на устройство (42, 78, 96, 106) управления;
- приема сигнала переключения посредством устройства (42, 78, 96, 106) управления и генерации управляющего напряжения на управляющем входе (50) полупроводникового силового переключателя (44) в зависимости от сигнала переключения, причем временная характеристика значения напряжения управляющего напряжения устанавливается таким образом, что во время процесса переключения рабочий параметр (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt) удовлетворяет критерию, заданному посредством значения параметра,
отличающийся тем, что
по меньшей мере один из следующих рабочих параметров полупроводникового силового переключателя (44) измеряется для определения рабочего состояния или определяется на основе численной модели (86) в зависимости от по меньшей мере одного другого рабочего параметра (Ta, i(t), u(t)):
- температура (Т) транзистора (46) полупроводникового силового переключателя (44) или температура включенного антипараллельно транзистору (46) диода (48) полупроводникового силового переключателя (44), причем при известной температуре задается предельное значение для падения напряжения на полупроводниковом силовом переключателе;
- сила тока для протекающего через полупроводниковый силовой переключатель (44) тока (Ic), причем из силы тока определяется, существует ли риск того, что при быстром запирании или отпирании полупроводникового силового переключателя возникает недопустимо высокое напряжение;
- падение напряжения (Ud) на полупроводниковом силовом переключателе (44), причем устанавливается, насколько близко к максимально допустимому значению запирающего напряжения уже находится полупроводниковый силовой переключатель и насколько большим вследствие этого может быть индуцированное напряжение.

16. Способ по п. 15, в котором определяется временное среднее значение для одного из упомянутых параметров.

17. Способ по п. 15 или 16, в котором посредством установки значения параметра для параметра переключения (Uce,мах, dIoff/dt, dUoff/dt, dIon/dT, dUon/dt) задается номинальное значение или предельное значение для одного из следующих рабочих параметров для процесса переключения:
- напряжения (Ud), падающее на транзисторе (46) и/или диоде (48) полупроводникового силового переключателя (44),
- крутизна (dUoff/dt, dUon/dt) временной характеристики этого напряжения (Ud),
- крутизна (dIoff/dt, dIon/dT) временной характеристики переключаемого тока (Ic) или
- временное среднее значение для одного из предшествующих параметров.

18. Способ по любому из пп. 15-16, в котором температура (Т) полупроводникового силового переключателя (44) определяется на основе численной модели (86) в зависимости от по меньшей мере одного другого рабочего параметра (Ta, i(t), u(t)).

19. Способ по п. 17, в котором температура (Т) полупроводникового силового переключателя (44) определяется на основе численной модели (86) в зависимости от по меньшей мере одного другого рабочего параметра (Ta, i(t), u(t)).