用于通斷電流的電路裝置以及用于運行半導(dǎo)體斷路器的方法
【專利摘要】在借助半導(dǎo)體斷路器（44）通斷電流（Ic）時可以設(shè)置，即通過控制電路（42）在通斷信號的通斷邊沿產(chǎn)生在半導(dǎo)體斷路器（44）的控制輸入端（50）處的控制電壓，該控制電壓具有與通斷信號的特性變化曲線相比平緩的曲線。這種解決方案的缺點是，在持續(xù)時間內(nèi)控制電壓僅僅緩慢地以平緩的曲線下降，在這段持續(xù)時間內(nèi)半導(dǎo)體斷路器（44）的通斷損耗是非常高的。本發(fā)明的目的在于，在半導(dǎo)體斷路器（44）中降低通斷損耗。在根據(jù)本發(fā)明的電路裝置中可以預(yù)定用于控制電路（42）的控制裝置（56）的通斷參數(shù)的數(shù)值，通過該數(shù)值能夠影響控制電路（42）的開關(guān)特性。在此在運行控制電路（42）期間能夠改變開關(guān)參數(shù)的具體的參數(shù)值。
【專利說明】用于通斷電流的電路裝置以及用于運行半導(dǎo)體斷路器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于根據(jù)能預(yù)定的通斷信號來通斷電流的電路裝置。電路裝置包括用于通斷電流的半導(dǎo)體斷路器以及用于半導(dǎo)體斷路器的控制裝置?？刂蒲b置設(shè)計用于接收通斷信號并且根據(jù)接收到的通斷信號在半導(dǎo)體斷路器的控制輸入端處產(chǎn)生控制電壓。
【背景技術(shù)】
[0002]由W02008/032113A1已知了一種這樣類型的電路裝置。當(dāng)變流器能夠用于運行三相交流電機(jī)時，可以例如在可控的變流器中提供這種電路裝置。
[0003]下面根據(jù)圖1詳細(xì)說明可控的變流器的工作原理?？梢酝ㄟ^變流器10借助相位導(dǎo)線12，14，16上的直流電壓Uzk產(chǎn)生交流電流II，12，13，該交流電流共同形成三相電流，可以借助該三相電流運行電機(jī)18。例如在變頻器的中間電路的兩個匯流排ZK +，ZK -之間提供直流電壓Uzk。為了產(chǎn)生交流電流II，12，13相位導(dǎo)線12，14，16以在圖1中的方式分別通過半橋20，22，24與匯流排ZK +，ZK -連接。如何產(chǎn)生交流電流II，12，13下面結(jié)合半橋20來說明。相應(yīng)地也適用于結(jié)合半橋22和24的交流電流12，13。
[0004]半橋20具有兩個半導(dǎo)體斷路器26，28，這兩個半導(dǎo)體斷路器中的每一個具有一個晶體管Trl或Tr2以及一個與這個晶體管反并聯(lián)的二極管Vl或V2。相位導(dǎo)線12通過半導(dǎo)體斷路器26，28 —次與正匯流排ZK +連接并且一次與負(fù)匯流排ZK -連接。晶體管Trl，Tr2例如可以是IGBT (Insulated gate bipolar transistor絕緣柵雙極型晶體管)或者M(jìn)OSFET (Metal oxide semiconductor field effect transistor 金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管)。半導(dǎo)體斷路器26，28分別通過控制線路30，32與控制單元34連接?？刂茊卧?4產(chǎn)生時鐘信號36，該時鐘信號通過控制線路30傳輸至半導(dǎo)體斷路器26。半導(dǎo)體斷路器26的晶體管Trl通過時鐘信號36交替地在導(dǎo)通和斷開狀態(tài)上通斷?？刂茊卧?4通過其他的控制線路32將推挽信號傳輸至半導(dǎo)體斷路器26，以便半導(dǎo)體斷路器28的晶體管Tr2相對于晶體管Trl推挽地通斷。晶體管Trl和Tr2的交替的通斷在相位導(dǎo)線12上產(chǎn)生交流電壓并且由此產(chǎn)生交流電流II。為了產(chǎn)生三相電流將由控制單元34相應(yīng)地相位錯開的時鐘信號通過其他的控制線路傳輸?shù)狡溆嗟陌霕?2和24的斷路器上。借助半導(dǎo)體斷路器的二極管能夠?qū)τ呻姍C(jī)18產(chǎn)生的交流電壓整流。
[0005]由控制單元34產(chǎn)生的時鐘信號、例如時鐘信號36通常不以一種形式存在，以便由此能通斷半導(dǎo)體斷路器。為此控制電路40連接在半導(dǎo)體斷路器26的控制輸入端38的上游，該控制電路借助(未詳細(xì)示出的)驅(qū)動電路根據(jù)時鐘信號36產(chǎn)生在控制輸入端38處的控制電壓。在晶體管的情況下控制輸入端38是其柵極或基極。以相同的方式相應(yīng)的控制電路連接在半導(dǎo)體斷路器28的上游并且相應(yīng)的控制電路也連接在電橋22和24的斷路器的上游。
[0006]在借助例如半導(dǎo)體斷路器26來通斷電流時必須考慮，即根據(jù)半導(dǎo)體斷路器26例如從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)有多快，通過(在圖1中未示出的)電路的電感可以引起電壓。接著這個感應(yīng)電壓與運行電壓疊加，從而可以在半導(dǎo)體斷路器26上得出經(jīng)過其下降的電壓值，該電壓值處于最高允許值之上。由此則損壞了半導(dǎo)體斷路器26的組件。因此可以設(shè)置，通過控制電路40至少在通斷信號36的通斷邊沿中產(chǎn)生在控制輸入端38處的控制電壓，通過該通斷邊沿起到斷開半導(dǎo)體斷路器26的作用，該控制電壓具有與通斷信號36的變化曲線相比的平緩的變化曲線。
[0007]為了獲得具有平緩的變化曲線的控制電壓，出版物W02008/032113A1表明，測量流過功率半導(dǎo)體件的電流并且在通斷過程中在電流強(qiáng)度的時間變化曲線上測定極限值(最大值和最小值)。直到達(dá)到極限值時在功率半導(dǎo)體件的控制輸入端處的控制電壓才慢慢地改變，從而得出控制電壓的斜坡形變化曲線并且功率半導(dǎo)體件的導(dǎo)電性只相對緩慢地改變。在達(dá)到極限值之后控制電壓接著突然切換至其終值。
[0008]這種解決方案的缺點是，在持續(xù)時間內(nèi)控制電壓只緩慢地隨著斜坡形的變化曲線下降，在這段持續(xù)時間內(nèi)功率半導(dǎo)體件上的開關(guān)損耗是非常高的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明目的在于，在半導(dǎo)體斷路器中降低開關(guān)損耗。
[0010]該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路裝置以及通過根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的以及根據(jù)本發(fā)明的方法的有利的改進(jìn)方案通過從屬權(quán)利要求來給出。
[0011]利用根據(jù)本發(fā)明的電路裝置可以根據(jù)能預(yù)定的通斷信號來通斷電流。為此電路裝置具有控制裝置，該控制裝置設(shè)計用于接收通斷信號并且根據(jù)接收的通斷信號控制半導(dǎo)體斷路器。與上述變流器相關(guān)地控制裝置例如可以構(gòu)成用于半導(dǎo)體斷路器的控制電路，該控制電路接收微型控制器的通斷信號。
[0012]利用半導(dǎo)體斷路器可以受控制地通斷電流。為了根據(jù)通斷信號改變電流強(qiáng)度，控制裝置根據(jù)接收的通斷信號在半導(dǎo)體斷路器的輸入端上產(chǎn)生控制電壓。在此這樣設(shè)置控制電壓的時間變化曲線，即在通斷過程期間半導(dǎo)體斷路器的至少一個預(yù)定的運行參數(shù)、也就是例如IGBT的集電極發(fā)射極電壓，滿足預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)。也就是說該標(biāo)準(zhǔn)不是簡單突然地以及持續(xù)地在半導(dǎo)體斷路器的導(dǎo)電狀態(tài)與斷開狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。取而代之考慮在兩個通斷狀態(tài)(導(dǎo)電和斷開)之間的轉(zhuǎn)變中的、運行參數(shù)的時間變化曲線并且例如通過控制電壓的相應(yīng)的變化曲線來延長通斷過程，從而保持低的感應(yīng)電壓。
[0013]運行參數(shù)例如可以是經(jīng)過半導(dǎo)體斷路器的晶體管和/或二極管下降的電壓或這個電壓的時間變化曲線的斜率。同樣可以考慮在通斷時將待通斷的電流的時間變化曲線的斜率作為運行參數(shù)。
[0014]作為用于運行參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)例如可以設(shè)置，即在通斷期間運行參數(shù)應(yīng)該采用確定的額定值。同樣可以設(shè)置，即運行參數(shù)不應(yīng)該超出或低于確定的極限值。
[0015]在根據(jù)本發(fā)明的電路裝置中，這個標(biāo)準(zhǔn)、例如確定的額定值或確定的極限值通過控制裝置的通斷參數(shù)來確定。在此可以在運行電路裝置期間改變通斷參數(shù)的具體的參數(shù)值。涉及這些實例即可以在運行中改變額定值或極限值。由此運行期間可以通過改變確定的參數(shù)值來有針對性地改變根據(jù)發(fā)明的電路裝置的開關(guān)特性并且該開關(guān)特性與半導(dǎo)體斷路器的當(dāng)前的運行狀態(tài)相匹配。這個開關(guān)特性即不必連續(xù)地這樣調(diào)整，即通過始終用于最差情況條件的電感來防止感應(yīng)出不允許的高電壓。其中存在一種認(rèn)識是，當(dāng)實際也期望高的感應(yīng)電壓時，則只有必須延長通斷持續(xù)時間。在所有其余的情況中可以快速中斷待通斷的電流。當(dāng)開關(guān)損耗例如隨著控制電壓的斜坡形的變化曲線出現(xiàn)在延遲的轉(zhuǎn)變中時，這避免了開關(guān)損耗。
[0016]另一種認(rèn)識是，即經(jīng)過半導(dǎo)體斷路器的最大允許電壓取決于溫度。如果該半導(dǎo)體斷路器是相對熱的，則半導(dǎo)體斷路器的一種確定類型例如可以特別是抗電壓的。在這種情況下則可以通過預(yù)定相應(yīng)的參數(shù)值來縮短通斷持續(xù)時間。
[0017]當(dāng)然這也同樣適用于電流的中斷也適用于相同電流的接通。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的方法提出，借助信號發(fā)生裝置以及借助控制裝置來控制半導(dǎo)體斷路器，利用該信號發(fā)生裝置可以產(chǎn)生通斷信號，其中后者的控制裝置根據(jù)通斷信號產(chǎn)生用于半導(dǎo)體斷路器的控制電壓。為了通斷半導(dǎo)體斷路器借助信號發(fā)生裝置產(chǎn)生通斷信號并且傳輸?shù)娇刂蒲b置上。這個控制裝置接收這個通斷信號并且根據(jù)通斷信號產(chǎn)生在半導(dǎo)體斷路器的控制輸入端處的控制電壓。然而首先測定半導(dǎo)體斷路器的運行狀態(tài)并且根據(jù)測定的運行狀態(tài)確定控制裝置的通斷參數(shù)的至少一個參數(shù)值。接著在半導(dǎo)體斷路器的通斷過程期間通過通斷參數(shù)的參數(shù)值來確定用于半導(dǎo)體斷路器的運行參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。在通斷過程期間則利用電壓值的時間變化曲線以如下方式產(chǎn)生控制電壓，即運行參數(shù)滿足通過參數(shù)值預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)。
[0019]在一個有利的實施方式中根據(jù)本發(fā)明的電路裝置具有用于檢測至少一個運行參數(shù)的測量裝置。這個測量出的運行參數(shù)不必強(qiáng)制地是相同的，其之后在通斷時被考慮。因此例如測量半導(dǎo)體斷路器的晶體管的溫度或半導(dǎo)體斷路器的與晶體管反并聯(lián)的二極管的溫度。在半導(dǎo)體元件中關(guān)斷能力和開關(guān)特性通常取決于溫度。因此利用已知的溫度可以設(shè)置用于經(jīng)過半導(dǎo)體斷路器下降的電壓的極限值。通過測量運行參數(shù)則半導(dǎo)體斷路器的當(dāng)前的運行狀態(tài)是已知的，并且可以確定用于通斷參數(shù)的適當(dāng)?shù)臄?shù)值。
[0020]在根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的另一個改進(jìn)方案中測量流過半導(dǎo)體斷路器的電流的電流強(qiáng)度。在此得出的優(yōu)點是，可以由測量值確定到底是否存在風(fēng)險，即在迅速斷開(或接通)半導(dǎo)體斷路器時出現(xiàn)不允許的高電壓。
[0021]也可以這樣設(shè)置，即借助測量裝置來測量經(jīng)過半導(dǎo)體斷路器下降的電壓、也就是例如晶體管的集電極發(fā)射極電壓。根據(jù)這個運行參數(shù)則例如可以確定，半導(dǎo)體斷路器已經(jīng)處于最高允許的反向電壓值多近的程度并且因此最高允許多大的感應(yīng)電壓。則可以相應(yīng)地快速地(或緩慢地)通斷半導(dǎo)體斷路器。
[0022]也可以這樣設(shè)置，即通過測量裝置對于前述參數(shù)測定時間上的平均值。由此可以減少在測量上瞬時的負(fù)荷峰值的干擾性的影響。
[0023]替代測量也可以這樣設(shè)置，在數(shù)字模塊的基礎(chǔ)上根據(jù)至少一個其他的運行參數(shù)測定半導(dǎo)體斷路器的運行參數(shù)、特別是半導(dǎo)體斷路器的溫度。則不必提供附加的用于測量剛才所述的運行參數(shù)的傳感器。
[0024]在根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的一個實施方式中控制裝置設(shè)計用于根據(jù)半導(dǎo)體斷路器的運行狀態(tài)特別是在特征變化曲線的基礎(chǔ)上獨立地確定參數(shù)值。由此得出的優(yōu)點是，在儀器中應(yīng)該使用根據(jù)本發(fā)明的電路裝置，不必如下調(diào)整該儀器，即該儀器能測定用于控制裝置的參數(shù)值。為此控制裝置本身則在這種情況下。在此使用特征變化曲線(或其中的多個)具有的優(yōu)點是，即在這種類型的半導(dǎo)體斷路器的電路裝置中在測定參數(shù)值時可以簡單地這樣考慮，即在控制裝置中存儲適合的特征變化曲線。
[0025]在另一個改進(jìn)方案中控制裝置設(shè)計用于通過控制線路接收預(yù)定的通斷參數(shù)的參數(shù)值以及一起接收通斷信號。由此得出的優(yōu)點是，開關(guān)特性可以預(yù)先與通斷指令的將來的結(jié)果相匹配。
[0026]也可以將測定參數(shù)值的、這兩種在前文所述的可能性組合。因此通過控制裝置可以確定通斷參數(shù)中的一個參數(shù)值并且可以由外面通過控制裝置接收通斷參數(shù)的另一個參數(shù)值以及一起接收通斷信號。
[0027]在根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的另一個有利改進(jìn)方案中，控制裝置設(shè)計用于通過通斷輸入端在具有容錯的傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上接收數(shù)字信號和/或通過測量輸出端在具有容錯的傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)送數(shù)字信號。由此可以防止，即干擾射線導(dǎo)致以不期望的形式影響電路裝置的開關(guān)特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]下面根據(jù)實施例詳細(xì)說明本發(fā)明。為此附圖示出:
[0029]圖1是變流器的原則上的構(gòu)造的示意圖；
[0030]圖2是控制裝置和半導(dǎo)體斷路器的示意圖，其共同構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的實施方式；
[0031]圖3是一個變化曲線圖，在該變化曲線圖中示出通斷參數(shù)對斷開過程具有哪種影響，該通斷參數(shù)在圖2的控制電路中可以是可調(diào)節(jié)的；
[0032]圖4是一個變化曲線圖，在該變化曲線圖中示出通斷參數(shù)對接通過程具有哪種影響，該通斷參數(shù)在圖2的控制電路中可以是可調(diào)節(jié)的；
[0033]圖5是一個變化曲線圖，在該變化曲線圖中示出在圖2的半導(dǎo)體斷路器的溫度與其最聞允許的反向電壓之間的關(guān)系；
[0034]圖6至圖11分別是具有半導(dǎo)體斷路器的控制電路的示意圖，其共同構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的各一個其他的實施方式。
[0035]這些示出示出本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式。
【具體實施方式】
[0036]在圖2中示出控制電路42，該控制電路安裝在(在圖2未詳細(xì)示出的)變頻器的可控的變流器中。變流器的構(gòu)造方式例如可以相應(yīng)于那種變流器10?？刂齐娐?2控制半導(dǎo)體斷路器44。這種半導(dǎo)體斷路器具有晶體管46 (在此是IGBT)以及與其反并聯(lián)的二極管48。替代IGBT例如也可以設(shè)置MOSFET。為了控制半導(dǎo)體斷路器44，控制電路42在半導(dǎo)體斷路器44的控制輸入端50處產(chǎn)生控制電壓。在此控制輸入端50相應(yīng)于IGBT的柵極?？刂齐娐?2和半導(dǎo)體斷路器44共同示出根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的一個實施方式。借助半導(dǎo)體斷路器44來控制電流Ic。
[0037]根據(jù)通斷信號產(chǎn)生控制電壓，控制電路42通過光接收器或者輸入光電耦合器52接收該通斷信號，控制電路42通過該光接收器或者輸入光電耦合器與(未示出的)變流器控制器的信號線路54連接。變流器控制器類似于已經(jīng)描述的控制單元34是變流器的信號發(fā)生裝置。
[0038]通斷信號由可編程的控制裝置56來分析。這個控制裝置例如可以通過FPGA(field programmable gate array 現(xiàn)場可編程門陣列)或 ASIC (application-specificintegrated circuit專用集成電路)來提供。變流器控制器通過通斷信號預(yù)定出，半導(dǎo)體斷路器44是否應(yīng)該處于導(dǎo)通狀態(tài)或者斷開狀態(tài)?？刂蒲b置56產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號，該數(shù)字信號由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器58產(chǎn)生為模擬信號。模擬信號由放大器電路60放大并且作為控制電壓通過柵極電阻62傳輸?shù)娇刂戚斎攵?0。
[0039]在控制裝置56中可以設(shè)置數(shù)字濾波器或者數(shù)字調(diào)節(jié)器，以便從換向電路的通斷信號產(chǎn)生適合于控制半導(dǎo)體斷路器44的數(shù)字信號。此外可能的是，例如設(shè)置用于半導(dǎo)體斷路器44的保護(hù)功能?？刂蒲b置56構(gòu)成在變流器控制器與半導(dǎo)體斷路器44之間的數(shù)字接□。
[0040]控制電路42具有電壓測量裝置64，利用該電壓測量裝置檢測晶體管46的集電極發(fā)射極電壓Uce。在此該集電極發(fā)射極電壓同時相應(yīng)于二極管電壓Ud。通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器66檢測的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字測量值，該數(shù)字測量值由控制裝置56來分析。二極管電壓Ud是半導(dǎo)體斷路器44的運行參量。
[0041]在控制電路42中可以通過光發(fā)射器或輸出光電耦合器68以及信號線路70將數(shù)據(jù)、例如數(shù)字測量值或狀態(tài)信息傳輸至變流器控制器。
[0042]在控制電路42中可以設(shè)置，為了在變流器控制器與控制裝置56之間交換數(shù)據(jù)使用具有容錯的傳輸協(xié)議，以便在例如由于干擾射線使數(shù)據(jù)失真時，可以再次從失真的數(shù)據(jù)復(fù)原原始發(fā)射的信息(直到確定失真的級別)。用于這種傳輸協(xié)議的實例是巴克碼(Barker-Code)以及循環(huán)碼。
[0043]當(dāng)通過控制線路54的通斷信號由變流器控制器來預(yù)定轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體斷路器44的通斷狀態(tài)、即從導(dǎo)通到斷開或者相反的情況，則相應(yīng)的通斷過程由控制電路42通過改變在控制輸入端50處的控制電壓而引起。在此控制電路42的開關(guān)特性通過控制裝置56的通斷參數(shù)來確定，在運行控制電路42期間可以改變該通斷參數(shù)的數(shù)值。在控制電路42中通過控制線路54可以將通斷參數(shù)值與通斷信號一起從變流器控制器傳輸至控制裝置56。
[0044]下面根據(jù)圖3和圖4來示出，在通斷過程中以確定的值調(diào)節(jié)通斷參數(shù)具有哪種影響。
[0045]在圖3中示出在斷開過程期間電流Ic的電流強(qiáng)度的和電壓Ud的變化曲線。為了斷開電流Ic，它的電流強(qiáng)度逐漸減小，從而在通斷過程中電流強(qiáng)度的時間變化曲線具有有限的斜率。在此斜率dloff/dt (在斷開期間Ic對時間求導(dǎo))是通斷參數(shù)。這個斜率相應(yīng)于通斷速度，以該通斷速度進(jìn)行通斷過程。
[0046]通過確定在控制裝置56中的斜率dloff/dt的通斷參數(shù)的確定的參數(shù)值在示出的實例中來預(yù)定，即在斷開期間電流Ic的電流強(qiáng)度滿足下列條件，即斜率dloff/dt從數(shù)值上不允許大于設(shè)定的參數(shù)值。由此這個條件是一個標(biāo)準(zhǔn)，在通斷過程期間必須滿足該標(biāo)準(zhǔn)。在控制裝置56中為了遵循這個條件提供了相應(yīng)的控制算法或者具有閉合的調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)算法。
[0047]第二通斷參數(shù)是集電極發(fā)射極電壓Uce的電壓最大值Uce，max，其部允許被超過。作為第三通斷參數(shù)的二極管電壓Ud的斜率dUoff/dt可以是可預(yù)定的。電壓Ud的變化曲線在斷開過程中具有升高部72，該升高部由電壓引起，該電壓由在斷開電流Ic時的(在圖2中未示出的)電感而產(chǎn)生。升高部72的最高值、即電壓最大值Uce, max可以通過設(shè)定對于Uce, max和/或dUoff/dt的通斷參數(shù)的數(shù)值來影響。
[0048]在圖4中給出如圖3中的對于接通過程的相應(yīng)的說明。又示出二極管電壓Ud的和電流Ic的電流強(qiáng)度的時間變化曲線。為此可以設(shè)置，通過通斷參數(shù)可以在控制裝置56中預(yù)定電流Ic的電流強(qiáng)度的斜率dlon/dt和/或斜率dUon/dt。二級管電流Ic的變化曲線具有尖峰部74，該尖峰部由整流的蓄流二極管的反向電流特性引起。電流尖峰部74的最高值可以通過設(shè)定通斷參數(shù)的數(shù)值來影響。
[0049]電壓最大值Uce, max 和斜率 dlon/dt, dUon/dt, dloff/dt 和 dUoff/dt 是半導(dǎo)體斷路器44的運行參數(shù)。下面如同用于運行參數(shù)地使用相同的標(biāo)號用于控制裝置56的通斷參數(shù)，該運行參數(shù)影響該通斷參數(shù)。由此即可以設(shè)置通斷參數(shù)Uce, max, dlon/dt, dUon/dt,dloff/dt和/或dUoff/dt。然而在控制裝置56中不必為所有的所述運行參數(shù)設(shè)置通斷參數(shù)。
[0050]在圖5示出特征曲線76,通過該特征曲線描述了最高允許斷開電壓Uce, max (T)與晶體管46的溫度T的相關(guān)性。晶體管46的通斷能力根據(jù)特征曲線76隨著溫度T而下降。特征曲線76可以例如作為測量技術(shù)上測定的數(shù)值表或者也作為數(shù)學(xué)函數(shù)被提供。
[0051]通過引入數(shù)字控制裝置56可能的是，晶體管44的通斷由其溫度以及其通斷特性在線、即在運行期間來影響。由此可以取消在特別是最差條件(worst case)下IGBT控制裝置的設(shè)計方案。例如當(dāng)必須在非常低的溫度下通斷電流Ic時，可以得出最差條件。半導(dǎo)體斷路器44在較低的溫度下在允許的較低的最大電壓(見圖5)附近還具有改變的開關(guān)特性，這結(jié)合寄生電感可以導(dǎo)致升高的電壓負(fù)荷。通過使通斷參數(shù)與半導(dǎo)體斷路器44的實際的運行狀態(tài)相匹配可以降低通斷損耗并且可以提高半導(dǎo)體斷路器44的充分使用性(例如使用壽命)。
[0052]在圖6至圖11中示出分別具有控制電路和半導(dǎo)體斷路器的其他的電路裝置。在這些附圖中這些元件以如在圖2中相同的參考標(biāo)號標(biāo)出，這些元件的工作原理對于于圖2的元件。下面不再說明這些元件。
[0053]在圖6中示出控制裝置78，其與溫度傳感器80連接。溫度傳感器80測量半導(dǎo)體斷路器44的溫度。在示出的例子中可以涉及晶體管46的溫度或者半導(dǎo)體斷路器44的二極管48。溫度傳感器80例如可以布置在半導(dǎo)體斷路器44的散熱體上或者布置在半導(dǎo)體斷路器44的內(nèi)部。溫度傳感器80的測量值通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器82轉(zhuǎn)換為數(shù)字測量值，在產(chǎn)生用于控制半導(dǎo)體斷路器44的控制電壓時，考慮將控制裝置56的數(shù)字測量值作為其運行參數(shù)。
[0054]在控制裝置56中存儲了特征曲線76，如圖5所示。借助特征曲線76根據(jù)溫度T測定最高允許斷開電壓Uce，max (T)的數(shù)值。設(shè)定測定的數(shù)值作為用于控制裝置56的通斷參數(shù)Uce, max的參數(shù)值。
[0055]在圖7中示出變流器的變流器控制器84，該變流器控制器通過控制線路54將通斷信號發(fā)送到控制電路上，該控制電路相應(yīng)于已經(jīng)在圖2中示出的控制電路42。變流器控制器84是信號發(fā)生裝置。其發(fā)送通斷信號以及一起發(fā)送通斷參數(shù)Uce，max的參數(shù)值。基于數(shù)字模塊86測定這個參數(shù)值。借助模塊86可以計算半導(dǎo)體斷路器44的當(dāng)前溫度T。根據(jù)計算的溫度T，這個參數(shù)值由變流器控制器84借助特征曲線76 (見圖5)來確定。特征曲線76儲存在特征曲線存儲器88中。
[0056]數(shù)字模塊86需要作為輸入?yún)?shù)的半導(dǎo)體斷路器44的初始溫度Ta，該初始溫度示出用于開始運行變流器的輸入?yún)?shù)。另一個輸入?yún)?shù)是功率P，從開始運行起在半導(dǎo)體斷路器44中轉(zhuǎn)換該功率。功率P在計算單元中由運行電壓u (t)和運行電流i (t)的時間變化曲線來測定，該運行電壓和運行電流由變流器借助半導(dǎo)體斷路器44從開始運行起被提供在(未示出的)接口上。
[0057]通訊模塊92通過控制線路54傳輸測定的參數(shù)值以及一起傳輸由時鐘發(fā)生裝置94產(chǎn)生的實際的通斷信號。通過其他的、在圖7中未示出的控制線路將參數(shù)值也傳輸?shù)阶兞髌鞯钠渌?未示出的)控制電路。通斷參數(shù)的數(shù)值可以在使用具有容錯的傳輸協(xié)議下傳輸?shù)阶兞髌鞯母鱾€控制電路上并且在該處在可編程的控制裝置中作為參數(shù)值來接收。
[0058]替代溫度模塊也可以實現(xiàn)變流器內(nèi)部溫度的測量。
[0059]在圖8中示出控制電路96，電流轉(zhuǎn)換器98與該控制電路連接。電流轉(zhuǎn)換器98測量待通斷的電流Ic的電流強(qiáng)度。在此電流轉(zhuǎn)換器98的測量值通過控制電路96的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器100轉(zhuǎn)換成數(shù)字測量值，在產(chǎn)生用于控制半導(dǎo)體斷路器44的控制電壓時，考慮將控制裝置56的數(shù)字測量值作為其運行參數(shù)。在半導(dǎo)體斷路器44中在確定的運行條件下由嵌入其中的晶體管46的類型以及嵌入的二極管48的類型引起了升高、例如在斷開時的升高部72 (圖3)或者在閉合半導(dǎo)體斷路器44時的尖峰部74 (圖4)?；诖死缈梢允请娏髀詧D或電壓略圖，即這些參數(shù)的數(shù)值的突然的變化。然而這種特性被限制在非常少的工作點上。根據(jù)借助電流轉(zhuǎn)換器98對電流Ic的測量并且根據(jù)借助電壓測量裝置64對二極管電壓Ud的測量在實際的通斷過程之前已經(jīng)可以預(yù)先測定出，是否存在這個工作點。換句話說可以通過測量運行參數(shù)Ic和Ud來測定半導(dǎo)體斷路器44的運行狀態(tài)并且預(yù)先相應(yīng)地確定控制裝置56的通斷參數(shù)。在圖8中示出的實例中可以根據(jù)二極管電壓Ud的測量值和待通斷的電流Ic的電流強(qiáng)度測定通斷參數(shù)Uce, max, dloff/dt, dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt的參數(shù)值。在此對于相應(yīng)的運行狀態(tài)最有利的參數(shù)值存儲在控制裝置56內(nèi)部的表格102中。
[0060]在圖9中示出(未進(jìn)一步示出的)變流器的變流器控制器104，其具有表格102'，借助該表格類似于表格102可以測定控制電路42的通斷參數(shù)的參數(shù)值。測定的參數(shù)值由通訊單元92與時鐘發(fā)生裝置94的通斷信號一起以結(jié)合圖7所述的方式傳輸?shù)娇刂齐娐?2(和其他的、未示出的控制電路)上。借助表格102'可以基于當(dāng)前的運行狀態(tài)實現(xiàn)參數(shù)值的確定，該運行狀態(tài)根據(jù)運行電壓u (t)和運行電流i (t)的時間變化曲線的測量來測定。
[0061]在圖10中示出控制電路106，其中根據(jù)半導(dǎo)體斷路器44的三個運行參量測定控制裝置56的通斷參數(shù)Uce, max, dloff/dt, dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt,該三個運行參量是電流Ic、二極管電壓Ud和半導(dǎo)體斷路器44的溫度T。檢測半導(dǎo)體斷路器44的溫度T并且根據(jù)電流Ic和電壓Ud從之前測量技術(shù)上測定的表格108來確定允許的取決于溫度的通斷速度dloff/dt, dlon/dt并且確定作為通斷參數(shù)dloff/dt, dlon/dt的參數(shù)值。其余的通斷參數(shù)Uce, max, dUoff/dt和dUon/dt也可以結(jié)合表格以及根據(jù)當(dāng)前運行狀態(tài)來確定。
[0062]在圖11中示出變流器控制器110，其以一種方式測定通斷參數(shù)Uce，maX，dloff/dt, dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt,同樣該方式也能夠通過控制電路106的控制裝置56來實現(xiàn)。在此替代溫度測量可以設(shè)置使用數(shù)字模塊86?；诎雽?dǎo)體斷路器44的測定的運行狀態(tài)根據(jù)表格108'測定通斷參數(shù)Uce, max, dloff/dt, dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt的參數(shù)值并且傳輸?shù)娇刂齐娐?2。
[0063]通過這個實例示出，如何借助數(shù)字可編程控制電路實現(xiàn)這種可能，在變流器運行期間重新配置或改變通斷參數(shù)。這可以在用于降低通斷損耗的通斷運行中實現(xiàn)取決于溫度地在線影響允許的最大電壓。同樣可以實現(xiàn)取決于電流地或取決于電壓地在線影響接通參數(shù)和斷開參數(shù)。可以與通斷信號一起編碼地實現(xiàn)傳輸用于影響開關(guān)特性的參數(shù)值。在此借助于容錯的傳輸協(xié)議能實現(xiàn)參數(shù)值的傳輸。
[0064]由此可以實現(xiàn)，半導(dǎo)體斷路器44的通斷損耗在半導(dǎo)體斷路器44的可能運行溫度的較大區(qū)域上保持恒定。因為此時不必再為了限制出現(xiàn)的超電壓在最低溫度下(worstcase)調(diào)整通斷速度(見圖5)，因此在較高溫度下實現(xiàn)明顯較高通斷速度并且由此降低了功率損耗。
【權(quán)利要求】
1.一種用于根據(jù)能預(yù)定的通斷信號來通斷電流(Ic)的電路裝置，所述電路裝置包括: -用于通斷所述電流(Ic)的半導(dǎo)體斷路器(44)以及 -控制裝置(42，78，96，106)，所述控制裝置設(shè)計用于接收所述通斷信號并且根據(jù)接收到的所述通斷信號在所述半導(dǎo)體斷路器(44)的控制輸入端(50)處產(chǎn)生具有時間變化曲線的控制電壓，通過所述時間變化曲線引起，即在通斷過程期間所述半導(dǎo)體斷路器(44)的、至少一個預(yù)確定的運行參數(shù)(Uce, max, dloff/dt, dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt)滿足預(yù)確定的標(biāo)準(zhǔn),其中所述標(biāo)準(zhǔn)通過所述控制裝置(42, 78,96,106)的通斷參數(shù)(Uce, max, dloff/dt,dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt)來預(yù)定并且在運行所述電路裝置期間能夠改變所述通斷參數(shù)(Uce, max, dloff/dt, dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt)的參數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路裝置，其特征在于，通過確定參數(shù)值能夠為下列運行參數(shù)中的至少一個預(yù)定標(biāo)準(zhǔn): -經(jīng)過所述半導(dǎo)體斷路器(44)的晶體管和/或二極管下降的電壓(Uce，max)， -所述電壓的時間變化曲線的斜率(dUoff/dt，dUon/dt)， -待通斷的所述電流(Ic)的時間變化曲線的斜率(dloff/dt, dlon/dt)和/或 -對于前述的參數(shù)的時間上的平均值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電路裝置，其特征在于，通過所述參數(shù)值，用于所述運行參數(shù)(Uce, max, dloff /dt, dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt)的極限值或額定值能夠預(yù)定作為標(biāo)準(zhǔn)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電路裝置，其特征在于，測量裝置(64，66，80，82，98，100)用于檢測至少一個運行參數(shù)(Ic，T，Ud)，特別是用于檢測 -所述半導(dǎo)體斷路器(44)的晶體管(46)的溫度(T)， -所述半導(dǎo)體斷路器(44)的與所述晶體管(46)反并聯(lián)的二極管(48)的溫度， -流過所述半導(dǎo)體斷路器(44)的電流(Ic)的電流強(qiáng)度， -經(jīng)過所述半導(dǎo)體斷路器(44)下降的電壓(Ud)和/或 -對于前述參數(shù)的時間上的平均值， 通過所述運行參數(shù)描述了所述半導(dǎo)體斷路器(44 )的運行狀態(tài)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電路裝置，其特征在于，所述控制裝置(78，96，106)設(shè)計用于根據(jù)所述半導(dǎo)體斷路器(44)的運行狀態(tài)特別是在特征變化曲線(76)的基礎(chǔ)上獨立地確定所述參數(shù)值。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電路裝置，其特征在于，所述控制裝置(42)設(shè)計用于通過控制線路(54)接收預(yù)確定的通斷參數(shù)(Uce, max, dloff/dt, dUoff/dt, dlon/dt,dUon/dt)的所述參數(shù)值以及一起接收所述通斷信號。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電路裝置，其特征在于，所述控制裝置(42，78，96，106)設(shè)計用于通過通斷輸入端(52)在具有容錯的傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上接收數(shù)字信號和/或通過測量輸出端(68)在具有容錯的所述傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)送數(shù)字信號。
8.一種借助用于產(chǎn)生通斷信號的信號發(fā)生裝置(84，104)以及借助用于產(chǎn)生所述半導(dǎo)體斷路器(44)的控制電壓的控制裝置(42，78，96，106)控制所述半導(dǎo)體斷路器(44)的方法，所述方法具有這些步驟: -測定所述半導(dǎo)體斷路器(44)的運行狀態(tài)(Ic，T，Ud)以及確定所述控制裝置(42，78，.96,106)的通斷參數(shù)(Uce, max, dloff/dt, dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt)的至少一個參數(shù)值，通過所述參數(shù)值在所述半導(dǎo)體斷路器(44)的通斷過程期間確定用于所述半導(dǎo)體斷路器(44)的至少一個運行參數(shù)(Uce, max, dloff/dt, dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt)的標(biāo)準(zhǔn)； -借助所述信號發(fā)生裝置(84，104)產(chǎn)生通斷信號并且將所述通斷信號傳輸給所述控制裝置(42，78，96，106)； -通過所述控制裝置(42，78，96，106)接收所述通斷信號以及根據(jù)所述通斷信號產(chǎn)生在所述半導(dǎo)體斷路器(44)的控制輸入端(50)處的控制電壓，其中確定所述控制電壓的電壓值的時間變化曲線，以使得在通斷過程期間所述運行參數(shù)(Uce, max, dloff/dt, dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt)滿足通過所述參數(shù)值預(yù)定的所述標(biāo)準(zhǔn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中為了測定所述運行狀態(tài)測量所述半導(dǎo)體斷路器(44)的下列運行參數(shù)中的至少一個: -所述半導(dǎo)體斷路器(44)的晶體管(46)的溫度(T)， -所述半導(dǎo)體斷路器(44)的與所述晶體管(46)反并聯(lián)的二極管(48)的溫度， -流過所述半導(dǎo)體斷路器(44)的電流(Ic)的電流強(qiáng)度， -經(jīng)過所述半導(dǎo)體斷路器(44)下降的電壓(Ud)， -對于前述參數(shù)的時間上的平均值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法,其中通過確定通斷參數(shù)(Uce,max, dloff/dt,dUoff/dt, dlon/dt, dUon/dt)的所述參數(shù)值,下列這些所述運行參數(shù)中的一個的極限值或額定值被預(yù)定，以用于通斷過程: -經(jīng)過所述半導(dǎo)體斷路器(44 )的晶體管(46 )和/或二極管(48 )下降的電壓(Ud )， -所述電壓(Ud)的時間變化曲線的斜率(dUoff/dt，dUon/dt)， -待通斷的所述電流(Ic)的時間變化曲線的斜率(dloff/dt, dlon/dt)或 -對于前述的參數(shù)的時間上的平均值。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10所述的方法，其中在數(shù)字模塊(86)的基礎(chǔ)上根據(jù)至少一個其他的運行參數(shù)(Ta，i (t)，u (t))測定所述半導(dǎo)體斷路器(44)的運行參數(shù)、特別是所述半導(dǎo)體斷路器的溫度(T)。
【文檔編號】H03K17/082GK103718462SQ201280035970
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月21日
【發(fā)明者】斯文·格迪加, 卡斯滕·漢特, 賴納·佐默 申請人:西門子公司