СХЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕМ И ОТНОСЯЩЕЙСЯ К НЕМУ СХЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H03K17/82 

Изобретение относится к схемному устройству с полупроводниковым переключателем, который через свой управляющий вход соединен со схемой управления, которая выполнена таким образом, чтобы полупроводниковый переключатель переключать в зависимости от заданного сигнала переключения. Схемное устройство может применяться в преобразователе частоты. Изобретение также относится к способу приведения в действие полупроводникового переключателя с соответствующей схемой управления.

Схемное устройство этого типа известно из WO 2008/032113 А1. Такое схемное устройство может, например, предоставляться в выпрямителе или инверторе управляемого преобразователя постоянного тока в переменный, 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 анти-параллельно 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 металл-оксид-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 непосредственно управлять полупроводниковым силовым переключателем. Поэтому перед управляющим входом 38 полупроводникового силового переключателя 26 предусмотрена схема 40 управления, которая генерирует с помощью (не показанной) усилительной схемы, 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.

Чтобы посредством инвертора 10 иметь возможность предоставлять большую мощность, например, более 50 кВт, для электрической машины 18, без получения при этом больших сил тока для переменных токов I1, I2, I3, может применяться повышенное общее рабочее напряжение, то есть повышенное постоянное напряжение Uzk. Однако эта возможность ограничена максимальной способностью по запирающему напряжению полупроводниковых силовых переключателей Tr1, Tr2. К тому же работа полупроводникового силового переключателя при напряжении, которое лежит близко к максимально допустимому запирающему напряжению, обуславливает больший износ этого компонента, чем работа с заметно более низким напряжением.

В документе DE 103 50 361 А1 описан способ ограничения потенциала на коллекторе отключаемого силового полупроводникового переключателя в течение процесса отключения. Способ, в частности, предусмотрен для ограничения потенциала во время процесса отключения в схеме последовательного соединения нескольких однотипных силовых полупроводниковых переключателей. Непрерывно определяется фактическое значение коллекторного потенциала, и посредством дополнительного измерения времени определяется фактическая крутизна напряжения. Если крутизна напряжения велика, то есть коллекторное напряжение быстро нарастает во времени, то генерируется управляющий сигнал, посредством которого процесс отключения замедляется.

В документе DE 102 45 293 А1 описан способ для управления отключаемым выпрямителем с последовательным соединением нескольких силовых полупроводниковых переключателей. Для каждого силового полупроводникового переключателя определяется напряжение переключателя на силовом полупроводниковом переключателе, и определяется временной интервал между возникновением импульса управления и спаданием ниже предопределенного опорного значения для напряжения переключателя. Затем моменты времени управления силового полупроводникового переключателя на основе определенных временных интервалов сдвигаются противоположно друг другу таким образом, что мощности потерь отдельных силовых полупроводниковых переключателей при общем включении выравниваются.

В статье Greco et al. (“Control of the switching transients of IGBTs series strings by high performance drive units”, Industrial Electronics Society, 1999. IECON'99 Proceedings. The 25^th Annual Conference of the IEEE San Jose, CA, USA 29 Nov. - 3 Dec., Piscataway, NJ, USA, IEEE, US, Vol.1, 29 November 1999, pp 197-203) описано, каким образом при последовательном включении нескольких силовых полупроводниковых переключателей могут быть реализованы симметричные соотношения напряжения посредством аналоговых схем контроля.

Задачей настоящего изобретения является предоставить необслуживаемое устройство переключения, с помощью которого ток может переключаться и при относительно больших мощностях.

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

Соответствующее изобретению схемное устройство имеет последовательное соединение из по меньшей мере двух полупроводниковых переключателей, то есть последовательно соединение из нагрузочных участков этих полупроводниковых переключателей. В зависимости от применяемого типа полупроводникового переключателя, его нагрузочным участком является участок коллектор-эмиттер, участок сток-исток или участок анод-катод. За счет применения по меньшей мере двух полупроводниковых переключателей в последовательном соединении становится возможным переключать ток и при повышенном рабочем напряжении. При этом для прерывания тока все полупроводниковые переключатели схемы последовательного соединения переключаются в запирающее состояние. Общее рабочее напряжение разделяется тогда на отдельные полупроводниковые переключатели, так что их максимальные запирающие напряжения могут быть меньше, чем общее рабочее напряжение. Для того чтобы иметь возможность переключать отдельные полупроводниковые переключатели путем задания сигнала переключения, полупроводниковый переключатель в соответствующем изобретению схемном устройстве соединен посредством своего управляющего входа (базы или затвора) с соответствующей схемой управления. Каждая из этих схем управления переключает ассоциированный с ней полупроводниковый переключатель уже описанным образом. При этом каждая схема управления имеет определенный режим переключения, то есть, например, определенную задержку переключения или режим регулирования, за счет которого напряжение на полупроводниковом переключателе ограничивается до максимального значения.

В соответствующем изобретению схемном устройстве, в по меньшей мере одной из схем управления можно устанавливать ее режим переключения посредством по меньшей мере одного цифрового параметра переключения. Значение параметра переключения является изменяемым, так что режим переключения может устанавливаться в процессе работы, то есть между двумя процессами переключения. За счет этого обеспечивается преимущество, заключающееся в том, что полупроводниковые переключатели могут эксплуатироваться щадящим образом и при последовательном соединении. Без управляемого режима переключения схемы управления, это могло бы привести, вследствие управления параметрами в полупроводниковых переключателях или схемах управления, к неравномерному распределению напряжения, с одной стороны, в течение процессов переключения, а с другой стороны, в статической фазе запирания, когда все полупроводниковые переключатели переключены в запирающее состояние. Эти асимметрии могут привести к недопустимо высокой нагрузке по напряжению отдельных полупроводниковых переключателей и к несимметричному распределению потерь среди силовых переключателей. Тем самым для полупроводниковых переключателей имел бы место разный по скорости износ. За счет установки режима переключения схем управления в процессе работы может обеспечиваться то, что частичные напряжения, падающие на отдельных полупроводниковых переключателях, лучше симметрируются, потери переключения более равномерно распределяются по полупроводниковым переключателям, и отдельные полупроводниковые переключатели защищаются от перенапряжений. Предпочтительным образом режим переключения всех схем управления соответствующего изобретению схемного устройства может устанавливаться в процессе работы.

Эти преимущества также достижимы и посредством способа. Он касается работы схемы последовательного соединения из двух полупроводниковых переключателей, которые могут переключаться посредством соответственно ассоциированной схемы управления. В соответствии со способом сначала определяется текущее общее значение по меньшей мере одного общего рабочего параметра схемы последовательного соединения. Общее значение может определяться для по меньшей мере одного из описываемых далее общих рабочих параметров: может определяться максимальное значение падения напряжения на схеме последовательного соединения в течение процесса переключения. Это значение напряжения может быть больше, чем общее рабочее напряжение, если, например, индуктивности в течение процесса переключения индуцируют дополнительное напряжение. Также может определяться значение напряжения для питающего напряжения, то есть общее рабочее напряжение. Общее рабочее напряжение - это то электрическое напряжение, которое вырабатывается источником напряжения, выходной ток которого должен переключаться с помощью схемы последовательного соединения. Другое значение, с учетом которого могут достигаться вышеописанные преимущества, представляет собой значение дрожания (флуктуаций), посредством которого задается временной сдвиг между началом процессов переключения схем управления. Из-за такого сдвинутого по времени переключения полупроводниковых переключателей, которое обусловлено дрожанием, может иметь место то, что общее рабочее напряжение в течение сдвинутого переключения отдельных полупроводниковых переключателей полностью падает на одном из них, из-за чего он в таком случае испытывает перегрузку.

В качестве основания для определенного общего значения по меньшей мере одного общего рабочего параметра, для отдельных схем управления определяются соответствующие частичные параметры, таким образом, в примере общего рабочего напряжения это могли бы быть примерно одинаковые по величине частичные напряжения, которые должны падать на соответствующем одном из полупроводниковых переключателей. Тогда режим переключения по меньшей мере одной из схем управления конфигурируется в соответствии с определенным для нее частичным параметром. В итоге, полупроводниковые переключатели переключаются посредством формирования сигнала переключения для каждой из схем управления. При этом за счет такой конфигурации по меньшей мере одна из схем управления в отношении своего режима переключения устанавливается таким образом, что определенные частичные параметры фактически реализуются.

Для этой формы задания частичных параметров в соответствующем изобретению схемном устройстве в по меньшей мере одной схеме управления предусмотрено устройство контроля напряжения, которое выполнено с возможностью контроля падения напряжения на управляемом с помощью схемы управления полупроводниковом переключателе (например, напряжение коллектор-эмиттер). Если напряжение больше, чем предельное значение, то устройство контроля напряжения воздействует на процесс переключения таким образом, что напряжение снижается до значения ниже или равного предельному значению. При этом предельное значение может устанавливаться вышеописанным образом как параметр переключения схемы управления. Возможное предельное значение представляет собой частичное напряжение, которое получается посредством разделения максимального напряжения, возникающего в течение процесса переключения за счет индукции. С помощью устройства контроля напряжения с устанавливаемым предельным значением обеспечивается преимущество, состоящее в том, что напряжение всегда может разделяться по отдельным полупроводниковым переключателям.

Дополнительно или альтернативно этому, в по меньшей мере одной из схем управления в качестве параметра переключения может устанавливаться конечное значение напряжения, которое должно иметь напряжение, падающее на управляемом схемой управления полупроводниковом переключателе, в конце процесса переключения. При этом схема управления выполнена таким образом, чтобы для установки конечного значения напряжения для завершения процесса переключения вырабатывать по меньшей мере один симметрирующий импульс на управляющем входе полупроводникового переключателя. С помощью симметрирующего импульса достигается то, что управляемый полупроводниковый переключатель кратковременно изменяет свое состояние переключения (от запирающего на проводящее или наоборот), и за счет этого частичные напряжения, падающие на отдельных полупроводниковых переключателях, выравниваются по своим значениям напряжения.

Тем, что конечное значение напряжения может устанавливаться в качестве параметра переключения, может также при изменяющемся общем рабочем напряжении постоянно достигаться то, что частичные напряжения по меньшей мере приближенно равны, так что полупроводниковые переключатели всегда равномерно нагружены.

Другое предпочтительное выполнение соответствующего изобретению схемного устройства предусматривает, что в по меньшей мере одной из схем управления в качестве параметра переключения может устанавливаться задержка переключения. При этом схема управления выполнена таким образом, чтобы после приема сигнала переключения начинать процесс переключения с задержкой на установленную задержку переключения. За счет этого могут выравниваться допуска схем управления и силовых электронных переключателей.

Другое преимущество обеспечивается, если по меньшей мере одна из схем управления имеет устройство измерения напряжения для измерения падения напряжения на по меньшей мере одном из полупроводниковых переключателей, а также измерительный выход, на котором может считываться измеренное значение. Тогда с помощью схемного устройства может определяться мгновенное общее рабочее напряжение.

Чтобы снизить влияние электромагнитного помехового излучения на режим переключения одной из схем управления, она может быть выполнена с возможностью обмена сигналом с внешним прибором через световодное соединение.

Дополнительная возможность защитить схему управления от помехового излучения обеспечивается тем, что она выполнена с возможностью обмена сигналом с внешним прибором посредством отказоустойчивого протокола передачи.

В особенно предпочтительной форме выполнения схемного устройства одна из схем управления функционирует как задающая схема управления, а по меньшей мере одна другая - как ведомая схема управления. Под термином «ведомая схема управления» понимается то, что эта схема управления обменивается данными с устройством датчика сигнала схемного устройства, которое формирует сигналы переключения для схем управления, через задающую схему управления. За счет того, что только задающая схема управления непосредственно обменивается данными с устройством датчика сигнала, становятся необходимыми только очень малое количество линий связи, чтобы осуществлять обмен данными между устройством датчика сигнала и схемами управления.

Другое преимущество обеспечивается, если схемы управления обмениваются друг с другом данными через кольцевую схему. Тогда должно предоставляться в распоряжение только лишь очень малое количество линий связи, чтобы схемы управления могли обмениваться между собой данными. К тому же для предоставления данных для всех схем управления применяются приборы того же самого типа, за счет чего упрощается и удешевляется изготовление схемного устройства.

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 встроены в одной форме выполнения соответствующего изобретению схемного устройства;

Фиг. 3 - две диаграммы, на которых иллюстрируется, какое влияние на процесс выключения имеют параметры переключения, которые можно регулировать в схеме управления по фиг. 2;

Фиг. 4 - схема двух последовательных соединений полупроводниковых переключателей с соответствующими схемами управления, причем последовательные соединения образуют форму выполнения соответствующего изобретению схемного устройства;

Фиг.5-фиг.7 - схематичное представление другой формы 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. Инвертора соответствует по своему способу функционирования показанному на фиг. 1 инвертору. Схема 42 управления управляет полупроводниковым силовым переключателем 44. Он содержит транзистор 46 (здесь IGBT) и включенный анти-параллельно 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. Посредством полупроводникового силового переключателя 44 управляется ток Ic.

Управляющее напряжение на управляющем входе 50 генерируется в зависимости от сигнала S1 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. Сигнальная линия 54 включает в себя световод. Средство управления инвертора включает в себя устройство датчика сигнала инвертора.

Сигнал S1 переключения оценивается с помощью программируемого устройства 56 управления. Устройство 56 управления может, например, предоставляться посредством FPGA (программируемой пользователем вентильной матрицы) или ASIC (специализированной интегральной схемы). Посредством сигнала S1 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 цифро-аналоговым 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 зависимости от типа усилительной схемы 60 и транзистора 46, схема 42 управления также может эксплуатироваться без сопротивления затвора.

В устройстве 56 управления может быть предусмотрен цифровой фильтр или цифровое средство регулирования, чтобы из сигнала S1 переключения схемы управления инвертора 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 инвертора и полупроводниковым силовым переключателем 44.

Схема 42 управления содержит устройство 64 измерения напряжения, с помощью которого регистрируется диодное напряжение Ud. Диодное напряжение Ud соответствует здесь напряжению коллектор-эмиттер Uce транзистора 46. Посредством аналогово-цифрового преобразователя 66 зарегистрированное значение напряжения преобразуется в цифровое измеренное значение, которое оценивается устройством 56 управления. Диодное напряжение Ud представляет собой напряжение, падающее на управляемом схемой 42 управления полупроводниковом силовом переключателе 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. Сигнальная линия 70 включает в себя световод.

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 электромагнитного 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 S1 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 S1 переключения через управляющую линию 54 от средства управления инвертора к устройству 56 управления.

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

На фиг. 3 показана характеристика силы тока Ic и напряжения коллектор-эмиттер Uce во время процесса выключения в зависимости от времени t. Для прерывания тока Ic его сила тока постепенно уменьшается таким образом, что временная характеристика силы тока имеет конечную крутизну во время процесса переключения (производная Ic по времени в течение выключения). Характеристика напряжения Uce имеет в процессе выключения превышение 72, которое обусловлено напряжением, вырабатываемым (не показанной на фиг.2) индуктивностью при выключении тока Ic.

Максимальное значение K1*Uzk напряжения для напряжения коллектор-эмиттер представляет предельное значение, которое не может превышаться. Максимальное значение K1*Uzk напряжения образовано как частичное значение напряжения из текущего значения постоянного напряжения Uzk. Постоянное напряжение Uzk является рабочим напряжением инвертора. Оно предоставляется в промежуточном контуре преобразователя частоты, к которому подключен инвертор. Постоянное напряжение Uzk далее обозначается как напряжение Uzk промежуточного контура. Значение напряжения для напряжения Uzk промежуточного контура определяется средством управления инвертора как общий рабочий параметр.

Максимальное значение K1*Uzk напряжения может устанавливаться как параметр переключения в устройстве 56 управления. Устройство 64 измерения напряжения, аналого-цифровой преобразователь 66 и устройство 56 управления образуют в этой связи устройство контроля напряжения в форме регулятора для диодного напряжения Ud или Uce. Желательное максимальное значение K1*Uzk напряжения передается средством управления инвертора через линию 54 управления вместе с сигналом S1 переключения на схему 42 управления.

Текущее значение U1max напряжения в течение процесса переключения определяется с помощью устройства 64 измерения напряжения. Если текущее значение U1max напряжения больше, чем максимальное значение K1*Uzk напряжения, то процесс переключения замедляется с помощью устройства 56 управления, так что величина крутизны характеристики силы тока Ic снижается.

В качестве второго параметра переключения может задаваться конечное значение K2*Uzk напряжения, которое напряжение Uce должно иметь в конце процесса выключения. Чтобы достичь конечного значения K2*Uzk напряжения, может быть предусмотрено, что устройство 56 управления переключает полупроводниковый силовой переключатель 44 однократно или многократно кратковременно путем выработки симметрирующего импульса из запирающего в проводящее состояние, так что кратковременно возможно протекание тока и, тем самым, сдвиг напряжения в инверторе. Текущее значение U1 напряжения регистрируется устройством 64 измерения напряжения.

В качестве третьего параметра в качестве параметра переключения в устройстве 56 управления может устанавливаться значение dt1 задержки переключения. Значение dt1 задержки переключения дает временную длительность, после которой устройство 56 управления начинает процесс переключения, после того как он был затребован посредством сигнала S1 переключения средством управления инвертора. Процесс переключения затем вводится тем, что на управляющем входе 50 напряжение затвор-эмиттер Uge изменяется соответственно показанной на фиг. 3 характеристике.

На фиг. 4 показан полумост с двумя ветвями 74, 76 полумоста инвертора, в которые встроены схема 42 управления и полупроводниковый силовой переключатель 44. Ветви 74, 76 полумоста инвертора представляют, соответственно, форму выполнения соответствующего изобретению схемного устройства, причем также (не показанное) средство управления инвертора следует рассматривать как составную часть схемного устройства. Полупроводниковый силовой переключатель 44 соединен вместе с другим полупроводниковым силовым переключателем 78 в схему 80 последовательного соединения. Как показано на фиг. 4 посредством многоточия «…», дополнительно к обоим полупроводниковым силовым переключателям 44, 78 в схеме 80 последовательного соединения могут еще иметься другие полупроводниковые силовые переключатели. Общее число полупроводниковых силовых переключателей, включенных последовательно в схеме 80 последовательного соединения, обозначается далее как n.

Посредством обеих ветвей 74, 76 полумоста в инверторе генерируется переменный ток I1. Переменный ток I1 соответствует переменному току с теми же ссылочными позициями в инверторе по фиг. 1. Схема 80 последовательного соединения соответствует по своей функции отдельному полупроводниковому силовому переключателю 26 показанного на фиг. 1 инвертора. В инверторе, полумост которого показан на фиг. 4, в общем случае за счет последовательного соединения 80 возможно, что инвертор приводится в действие с напряжением Uzk промежуточного контура, которое больше, чем максимальное запирающее напряжение, которое может максимально падать на отдельном из полупроводниковых силовых переключателей 44, 78. Для выработки переменного тока I1, попеременно одна из ветвей 74, 76 полумоста переключается в проводящее состояние, соответствующая другая ветвь 74, 76 полумоста - в запирающее состояние. На одной из обеих ветвей 74, 76 полумоста падает, таким образом, всегда примерно полное напряжение Uzk промежуточного контура.

Полупроводниковый силовой переключатель 78 через управляющий вход соединен с собственной схемой 82 управления, которая по своему способу функционирования соответствует схеме 42 управления. Схема 82 управления принимает сигнал Sn переключения от средства управления инвертора по линии 84 управления.

Ветвь 76 полумоста соответствует по своей структуре ветви 74 полумоста. Поэтому элементы ветви 76 полумоста подробно не поясняются.

На фиг. 5-7 показано, как схемы 42 и 82 управления и, при необходимости, также другие схемы управления, с одной стороны, могут соединяться со средством управления инвертора, а с другой стороны - между собой. В показанных примерах принято, что схема 80 последовательного соединения образована из общего числа n полупроводниковых силовых переключателей, из которых на фиг. 5-7 для наглядности показаны только первый полупроводниковый силовой переключатель 44 с его соответствующей схемой 42 управления, а также последний полупроводниковый силовой переключатель 78 с его соответствующей схемой 82 управления.

В показанном на фиг. 5 варианте средство 86 управления инвертора принимает измеренное значение напряжения Uzk промежуточного контура от (не показанного) устройства измерения напряжения инвертора. В зависимости от общего числа n полупроводниковых силовых переключателей схемы 80 последовательного соединения, определяются коэффициенты от K1(1) до K1(n) для вычисления максимальных значений от K1(1)*Uzk до K1(n)*Uzk напряжения для напряжений коллектор-эмиттер транзисторов отдельных полупроводниковых силовых переключателей. Эти значения образуют предельные значения, как они уже были пояснены в связи с фиг. 3. При этом максимальное значение K1(1) *Uzk напряжения соответствует поясненному со ссылкой на фиг. 3 максимальному значению K1*Uzk напряжения.

В соответствии с коэффициентами от K1(1) до K1(n) также вычисляются коэффициенты от K2(1) до K2(n) для вычисления конечных значений от K2(1)*Uzk до K2(n)*Uzk напряжения, как они также были пояснены со ссылкой на фиг. 3. Конечное значение K2(1)*Uzk напряжения соответствует поясненному со ссылкой на фиг. 3 конечному значению K2*Uzk напряжения.

Коэффициенты от K1(1) до K1(n) и от K2(1) до K2(n) определяются таким образом, что при работе инвертора всегда обеспечивается равномерная нагрузка всего n полупроводниковых силовых переключателей схемы 80 последовательного соединения.

Устройство 88 датчика сигнала средства 86 управления инвертора формирует для каждой из схем управления от 1 до n соответствующих n полупроводниковых силовых переключателей сигнал от S1 до Sn переключения. Схема 42 управления имеет в показанном примере порядковый номер 1, схема 82 управления - порядковый номер n. По линиям 54 и 84 управления и другим обозначенным на фиг. 5 лишь многоточием линиям управления каждый из сигналов от S1 до Sn переключения вместе с соответствующими значениями параметров для параметров переключения, то есть максимальными значениями от K1(1)*Uzk до K1(n)*Uzk напряжения и конечными значениями от K2(1)*Uzk до K2(n)*Uzk напряжения передаются, соответственно, на схемы управления, для которых они предназначены.

Показанный на фиг. 6 вариант основывается на измерении текущих значений U1 и U1max напряжения, как оно выполняется посредством схемы 42 управления, измерении соответствующих текущих значений Un и Un max напряжения, как оно выполняется посредством схемы 82 управления, а также соответствующих измерениях других текущих значений напряжения посредством остальных схем управления ветви 74 полумоста (см. фиг. 4). Схема 42 управления переносит измеренные значения по сигнальной линии 70, схема 82 управления - по соответствующей сигнальной линии 90 и остальные схемы управления - по другим соответствующим сигнальным линиям на средство 86' управления инвертора, показанного на фиг. 6 варианта.

Внутри средства 86' управления инвертора устройство 88' датчика сигнала вычисляет из значений от U1 до Un текущее напряжение Uzk промежуточного контура и (в комбинации с значениями от U1 до Un max напряжения) получаемые отсюда в результате максимальные значения от К1(1)*Uzk до K1(n)*Uzk напряжения, а также конечные значения K2(1)*Uzk до K2(n)*Uzk напряжения.

Эти значения передаются вместе с сигналами от S1 до Sn переключения, как описано со ссылкой на фиг 5, на схемы управления. Дополнительно может быть предусмотрено, что посредством устройства 88' датчика сигнала, на основе принятых текущих значений от U1 до Un и от U1max до Un max напряжения определяются разности времен распространения между отдельными схемами управления, и определяются соответствующие времена от dt1 до dtn задержки и также в качестве значений параметров для соответствующих параметров переключения передаются на схемы управления.

На фиг. 7 показан вариант, в котором производится обмен значениями параметров и текущими значениями напряжения между отдельными схемами управления. Всего n схем 42, 82 управления соединены между собой по схеме «задающий - ведомый». Схема 82 управления сконфигурирована здесь как задающая схема управления, то есть она является единственной схемой управления ветви 74 полумоста, которая соединена со средством управления инвертора посредством своих сигнальных линий 84, 90.

Схема 82 правления принимает сигналы от S1 до Sn переключения для всех схем 42, 82 управления ветви 74 полумоста и передает принятые сигналы переключения (вплоть до сигнала, определенного для нее самой) на остальные, сконфигурированные в качестве ведомых схемы 42 и т.д. управления. Соединения связи между отдельными схемами управления по сигнальным линиям 54, 70 и остальные, не показанные сигнальные линии могут при этом выполняться как кольцевое шинное соединение.

На задающую схему управления (схему 82 управления) от остальных схем 42 управления передаются соответствующие текущие значения U1, U1max и т.д. напряжения, а также другие сигналы обратной связи.

Может быть предусмотрено, что максимальные значения от K1(1)*Uzk до K1(n)*Uzk напряжения и/или конечные значения от K2(1)*Uzk до K2(n)*Uzk напряжения и, при необходимости, также времена от dt1 до dtn задержки вычисляются задающей схемой управления, то есть схемой 82 управления. Необходимое для этого значение для напряжения Uzk промежуточного контура может соответственно определяться посредством суммирования с накоплением отдельных значений U1 до Un напряжения в задающей схеме управления. Этот вариант соответствует представленной на фиг. 7 конфигурации. По сигнальной линии 84 должны тогда передаваться только сигналы S1 до Sn переключения.

В другом варианте конфигурации «задающий-ведомый» текущие значения от U1 до Un и от U1max до Un max напряжения, а также остальные сигналы обратной связи передаются по сигнальной линии 90 от задающей схемы управления на средство управления инвертором. Там посредством устройства датчика сигнала, которое тогда по своей функции соответствует устройству 88' датчика сигнала, могут определяться упомянутые значения параметров и вместе с сигналами от S1 до Sn переключения передаваться на задающую схему управления.

Посредством примеров показано, как с помощью предоставления цифрового устройства управления схема управления может постоянно заново конфигурироваться или параметризироваться в процессе работы. Тем самым возникает возможность передавать на схему управления в процессе работы параметры для воздействия на режим работы. Таким образом, можно активно оказывать влияние на режим переключения схем управления через сигнальные линии, чтобы влиять на симметрирование напряжения в схеме последовательного соединения полупроводниковых переключателей. Более конкретно, с помощью настоящего изобретения обеспечивается следующее:

- цифровое программируемое устройство управления для схемы управления с возможностью нового конфигурирования или изменения рабочих параметров в процессе работы,

- симметрирование схемы последовательного соединения полупроводниковых переключателей посредством цифрового устройства путем регистрации напряжения промежуточного контура и определения соответствующих предельных или заданных значений,

- кодированная передача предельных или заданных значений вместе с информацией переключения на устройства управления отдельных схем управления посредством световодного соединения,

- принятие предельных или заданных значений устройствами управления и ограничение падения напряжения на полупроводниковых переключателях до переданных предельных значений или установка этих напряжений на переданные заданные значения,

- передача предельных или заданных значений и информаций переключения с помощью отказобезопасного протокола передачи для повышения надежности функционирования,

- обратное сообщение фактических значений напряжения помощью отказобезопасного протокола передачи и вычисление предельных или заданных значений из обратно сообщенных фактических значений в центральном средстве управления инвертора,

- онлайновая передача временной задержки, задаваемой на каждую схему управления, для симметрирования распределения напряжения на полупроводниковых переключателях в схеме последовательного соединения.

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в схемном устройстве с полупроводниковым переключателем. Техническим результатом является создание устройства переключения, с помощью которого ток может переключаться и при относительно больших мощностях. Устройство имеет последовательное соединение (80) из по меньшей мере двух полупроводниковых переключателей (44, 78), из которых каждый через свой управляющий вход (50) соединен с соответствующей схемой (42, 82) управления. Режим переключения по меньшей мере одной схемы (42, 82) управления устанавливается посредством по меньшей мере одного цифрового параметра переключения. Значение параметра переключения (K1(1)*Uzk, K2(1)*Uzk, K1(n)*Uzk, K2(n)*Uzk) может изменяться, так что режим переключения может устанавливаться в процессе работы, то есть между двумя процессами переключения. 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Схемное устройство (74, 76) с последовательным соединением (80) по меньшей мере из двух полупроводниковых переключателей (44, 78), из которых каждый через свой управляющий вход (50) соединен с соответствующей схемой (42, 82) управления, которая выполнена таким образом, чтобы полупроводниковый переключатель (44, 78) переключать в зависимости от заданного сигнала (S1, Sn) переключения, причем во время процесса переключения режим переключения по меньшей мере одной из схем (42, 82) управления устанавливается посредством по меньшей мере одного цифрового параметра переключения, значение (K1*Uzk, K2*Uzk, K1(1)*Uzk, K2(1)*Uzk, K1(n)*Uzk, K2(n)*Uzk, dt1, dtn) которого изменяется, так что режим переключения может устанавливаться в процессе работы,
отличающееся тем, что
схемное устройство выполнено таким образом, чтобы для прерывания тока все полупроводниковые переключатели (44, 78) последовательного соединения переключать в запирающее состояние, и
а) по меньшей мере одна из схем (42, 82) управления имеет устройство (64) контроля напряжения, которое выполнено с возможностью контролировать напряжение (Ud, Uce, U1max, Un max), падающее на полупроводниковом переключателе (44, 78), управляемом схемой (42, 82) управления, и если напряжение (Ud, Uce, U1max, Un max) больше, чем предельное значение (K1*Uzk, K1(1)*Uzk, K1(n)*Uzk), снижать напряжение (Ud, Uce, U1max, Un max) путем воздействия на процесс переключения, причем предельное значение (K1*Uzk, K1(1)*Uzk, K1(n)*Uzk) может устанавливаться в качестве параметра переключения схемы (42, 82) управления для ее режима регулирования, причем схема (42, 82) управления выполнена с возможностью ограничения, посредством режима регулирования, напряжения на полупроводниковом переключателе (44, 78) до максимального значения, и/или
b) в по меньшей мере одной из схем (42, 82) управления в качестве параметра переключения может устанавливаться конечное значение (K2*Uzk, K2(1)*Uzk, К2(n)*Uzk) напряжения, которое должно иметь напряжение (Ud, Uce, U1max, Un,max), падающее на полупроводниковом переключателе (44, 78), управляемом схемой (42, 82) управления, в конце процесса переключения, причем схема (42, 82) управления выполнена таким образом, чтобы для установки конечного значения (K2*Uzk, K2(1)*Uzk, K2(n)*Uzk) напряжения для завершения процесса переключения вырабатывать по меньшей мере один симметрирующий импульс на управляющем входе (50) полупроводникового переключателя (44, 78),
причем схемное устройство (74, 76) дополнительно содержит установочное устройство (88, 88′), выполненное с возможностью определять полное напряжение (Uzk), падающее на всех полупроводниковых переключателях (44, 78), и из определенного полного напряжения (Uzk) определять для каждого полупроводникового переключателя (44, 78) частичное значение напряжения, и определенные частичные напряжения передавать в качестве значений (K1*Uzk, K2*Uzk, K1(1)*Uzk, K2(1)*Uzk, K1(n)*Uzk, K2(n)*Uzk) параметров на соответственно ассоциированную схему (42, 82) управления.

2. Схемное устройство (74, 76) по п. 1, в котором в по меньшей мере одной из схем (42, 82) управления в качестве параметра переключения может устанавливаться задержка (dt1, dtn) переключения, и в котором эта схема (42, 82) управления выполнена таким образом, чтобы после приема сигнала (S1, Sn) переключения начинать процесс переключения с установленной задержкой (dt1, dtn) переключения.

3. Схемное устройство (74, 76) по п. 1, в котором по меньшей мере одна из схем (42, 82) управления имеет устройство (64) измерения напряжения для измерения напряжения (Ud, Uce), падающего на по меньшей мере одном из полупроводниковых переключателей (44, 78), а также измерительный выход (68), на котором может считываться измеренное значение (U1, U1max, Un, Un max).

4. Схемное устройство (74, 76) по п. 2, в котором по меньшей мере одна из схем (42, 82) управления имеет устройство (64) измерения напряжения для измерения напряжения (Ud, Uce), падающего на по меньшей мере одном из полупроводниковых переключателей (44, 78), а также измерительный выход (68), на котором может считываться измеренное значение (U1, U1max, Un, Un max).

5. Схемное устройство (74, 76) по пп. 1-4, в котором установочное устройство (88, 88′) выполнено с возможностью определять для по меньшей мере одной схемы (42, 82) управления значение, которое вызывает временной сдвиг между началом процессов переключения схем (42, 82) управления, и из определенного значения определять временную задержку и определенную временную задержку передавать в качестве значения (dt1, dtn) параметра на одну из схем (42, 82) управления.

6. Схемное устройство (74, 76) по любому из пп. 1-4, в котором по меньшей мере одна из схем (42, 82) управления выполнена с возможностью обмениваться сигналом по световодному соединению (54, 70, 84, 90) с внешним прибором (86, 86′).

7. Схемное устройство (74, 76) по п. 5, в котором по меньшей мере одна из схем (42, 82) управления выполнена с возможностью обмениваться сигналом по световодному соединению (54, 70, 84, 90) с внешним прибором (86, 86′).

8. Схемное устройство (74, 76) по любому из пп. 1-4, 7, в котором по меньшей мере одна из схем (42, 82) управления выполнена с возможностью обмениваться сигналом с внешним прибором (86, 86′) посредством отказобезопасного протокола передачи.

9. Схемное устройство (74, 76) по п. 5, в котором по меньшей мере одна из схем (42, 82) управления выполнена с возможностью обмениваться сигналом с внешним прибором (86, 86′) посредством отказобезопасного протокола передачи.

10. Схемное устройство (74, 76) по п. 6, в котором по меньшей мере одна из схем (42, 82) управления выполнена с возможностью обмениваться сигналом с внешним прибором (86, 86′) посредством отказобезопасного протокола передачи.

11. Схемное устройство (74, 76) по любому из пп. 1-4, 7, в котором одна из схем (42, 82) управления выполнена как задающая схема (82) управления, а по меньшей мере одна другая - как ведомая схема (42) управления, причем ведомая схема (42) обменивается данными с устройством (88, 88′) датчика сигнала схемного устройства (74, 76), которое генерирует сигналы (S1, Sn) переключения для схем управления, через задающую схему (82) управления.

12. Схемное устройство (74, 76) по п. 5, в котором одна из схем (42, 82) управления выполнена как задающая схема (82) управления, а по меньшей мере одна другая - как ведомая схема (42) управления, причем ведомая схема (42) обменивается данными с устройством (88, 88′) датчика сигнала схемного устройства (74, 76), которое генерирует сигналы (S1, Sn) переключения для схем управления, через задающую схему (82) управления.

13. Схемное устройство (74, 76) по п. 6, в котором одна из схем (42, 82) управления выполнена как задающая схема (82) управления, а по меньшей мере одна другая - как ведомая схема (42) управления, причем ведомая схема (42) обменивается данными с устройством (88, 88′) датчика сигнала схемного устройства (74, 76), которое генерирует сигналы (S1, Sn) переключения для схем управления, через задающую схему (82) управления.

14. Схемное устройство (74, 76) по любому из пп. 1-4, 7, 9, 10, 12, 13, в котором схемы (42, 82) управления обмениваются данными друг с другом по кольцевой шине.

15. Схемное устройство (74, 76) по п. 5, в котором схемы (42, 82) управления обмениваются данными друг с другом по кольцевой шине.

16. Схемное устройство (74, 76) по п. 6, в котором схемы (42, 82) управления обмениваются данными друг с другом по кольцевой шине.

17. Схемное устройство (74, 76) по п. 8, в котором схемы (42, 82) управления обмениваются данными друг с другом по кольцевой шине.

18. Схемное устройство (74, 76) по п. 11, в котором схемы (42, 82) управления обмениваются данными друг с другом по кольцевой шине.