智能柵極驅(qū)動(dòng)單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于控制包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的功率模塊的智能柵極驅(qū)動(dòng)單
J L ο
【背景技術(shù)】
[0002]功率模塊是本領(lǐng)域已知的，并且其在用于控制從可再生發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)到電網(wǎng)的功率流的功率電子電路中用作開(kāi)關(guān)或整流器。
[0003]使用功率模塊的應(yīng)用可以產(chǎn)生功率，并且越接近設(shè)計(jì)極限，越可以產(chǎn)生更多功率。
[0004]可以通過(guò)控制這種功率模塊的方式對(duì)功率模塊進(jìn)行保護(hù)，即，已經(jīng)被控制為接近其設(shè)計(jì)極限的功率模塊的壽命很可能短于已經(jīng)根據(jù)低于設(shè)計(jì)極限的操作裕度或安全裕度進(jìn)行控制的功率模塊的壽命。換句話說(shuō)，由表示過(guò)載的大操作裕度的預(yù)定的電流-時(shí)間模式對(duì)過(guò)載能力進(jìn)行限制。
[0005]國(guó)際專利申請(qǐng)W099/19974 A2描述了一種功率應(yīng)用電路，其利用微機(jī)電(MEM)開(kāi)關(guān)來(lái)減少具有控制MEM開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備中的功率損耗。
[0006]另外，現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)包括以下專利申請(qǐng)。美國(guó)專利申請(qǐng)US2010/0066337 Al描述了一種功率轉(zhuǎn)換器，其包括被配置為估計(jì)功率轉(zhuǎn)換器的端電壓的控制器。歐洲專利申請(qǐng)EP2469710 Al描述了一種在柵極驅(qū)動(dòng)器處的功率開(kāi)關(guān)電流估計(jì)器。美國(guó)專利申請(qǐng)US2011/0058296 Al描述了一種檢測(cè)用于控制傳遞到電力負(fù)載的功率量的負(fù)載裝置的故障狀況的方法。國(guó)際專利申請(qǐng)W02006/102930 Al描述了一種連接到控制裝置的電子開(kāi)關(guān)電路、感測(cè)電子開(kāi)關(guān)的端子處的電流的檢測(cè)器和用于監(jiān)測(cè)檢測(cè)器的偏移誤差的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的例如可以是:當(dāng)控制功率模塊時(shí)提供便于減少不必要的安全裕度的測(cè)量。這通過(guò)用于控制一個(gè)或多個(gè)功率模塊的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述智能柵極驅(qū)動(dòng)單元至少包括柵極驅(qū)動(dòng)器和模擬測(cè)量電路，其中，所述柵極驅(qū)動(dòng)器被配置為控制所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，并且其中，所述模擬測(cè)量電路被配置為當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通模式時(shí)，測(cè)量開(kāi)關(guān)電壓。
[0008]半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)能夠關(guān)閉電子電路，從而導(dǎo)通從半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的第一管腳(例如，集電器)到第二管腳(例如，發(fā)射器)的電流(處于導(dǎo)通模式或打開(kāi)模式)。同樣地，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)能夠關(guān)閉電子電路，從而防止電流在電子電路中流動(dòng)(處于不導(dǎo)通模式或關(guān)閉模式)。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)通常為IGBT開(kāi)關(guān)，但是也可以為M0SFET、GT0、IGCT、晶閘管、碳化硅開(kāi)關(guān)等。
[0009]半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的模式由柵極驅(qū)動(dòng)器控制。智能柵極驅(qū)動(dòng)單元的柵極驅(qū)動(dòng)器與上級(jí)控制系統(tǒng)通信以獲得期望的切換模式，并從而從功率模塊獲得輸出。柵極驅(qū)動(dòng)單元是智能的，因?yàn)槠浔阌跍y(cè)量和數(shù)據(jù)處理。因此，智能柵極驅(qū)動(dòng)器便于/被配置為進(jìn)行控制，例如，如下文所述的，產(chǎn)生用于半導(dǎo)體的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)、直接在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)啟動(dòng)并執(zhí)行測(cè)量。
[0010]模擬測(cè)量電路可以包括用于模擬信號(hào)測(cè)量的濾波器、差分放大器等。另外，模擬測(cè)量電路可以包括用于在關(guān)閉狀態(tài)阻斷通過(guò)IGBT的高電壓的半導(dǎo)體，從而便于直接在各個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)上的測(cè)量。因此，測(cè)量半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)上的電壓降變得可能，即，也稱為Vce的集電器和發(fā)射器(在開(kāi)關(guān)為IGBT類(lèi)型的情況下)上的開(kāi)關(guān)電壓。
[0011]直接在單個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)或功率模塊上執(zhí)行測(cè)量是非常有利的，因?yàn)楂@得了實(shí)際的實(shí)時(shí)值，其可用于對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、功率模塊、負(fù)載電阻器進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷(健康狀況、疲勞程度、壽命終止等)、估計(jì)處于導(dǎo)通模式的溫度、估計(jì)損耗、測(cè)量過(guò)電壓、測(cè)量泄露電流等。
[0012]智能柵極驅(qū)動(dòng)單元接收(例如，來(lái)自上級(jí)控制系統(tǒng)的某些測(cè)量)和/或通過(guò)模擬測(cè)量電路獲得(大多數(shù))測(cè)量是非常有利的。對(duì)這些測(cè)量進(jìn)行處理，并且處理的一個(gè)結(jié)果可以是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的狀況、如何最好地控制半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、預(yù)測(cè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的不久的將來(lái)(以納秒或毫秒測(cè)量)的情況。
[0013]在本發(fā)明的實(shí)施例中，測(cè)量電路還便于在切換模式測(cè)量開(kāi)關(guān)電壓。這優(yōu)選地包括在切換期間(即，在切換模式)的瞬時(shí)關(guān)閉電壓峰值。
[0014]在本發(fā)明的實(shí)施例中，測(cè)量電路還便于在不導(dǎo)通模式測(cè)量開(kāi)關(guān)電壓。能夠測(cè)量關(guān)閉狀體(不導(dǎo)通模式)下的開(kāi)關(guān)電壓可能是有利的。關(guān)閉狀態(tài)電壓可以給出高泄露電流的信息。瞬時(shí)關(guān)閉電壓可以指示半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(包括二極管)的高應(yīng)力或健康狀況。
[0015]在本發(fā)明的實(shí)施例中，模擬測(cè)量電路包括用于在不導(dǎo)通模式期間阻斷通過(guò)所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的高電壓的裝置，例如，半導(dǎo)體設(shè)備。因?yàn)檫@便于直接在各個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)上進(jìn)行測(cè)量從而使得可以測(cè)量半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)上的電壓降，所以這是有利的。
[0016]在本發(fā)明的實(shí)施例中，來(lái)自模擬測(cè)量電路的測(cè)量包括測(cè)量功率模塊輸出電流和/或直流鏈路電壓。
[0017]例如，能夠在智能柵極驅(qū)動(dòng)單元測(cè)量直流鏈路電壓是有利的，這是因?yàn)槠浔阌诶缰苿?dòng)斬波器電阻器電阻和偏離的電阻器溫度的計(jì)算。另外，直流鏈路電壓可用于處理柵極驅(qū)動(dòng)電阻器、有源鉗位電路等。
[0018]在本發(fā)明的實(shí)施例中，智能柵極驅(qū)動(dòng)單元還包括數(shù)據(jù)處理器，其便于在智能柵極驅(qū)動(dòng)單元計(jì)算半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)結(jié)溫。
[0019]在智能柵極驅(qū)動(dòng)單元中包括數(shù)據(jù)處理器可以是有利的，這是因?yàn)槠淇梢员阌讵?dú)立于上級(jí)控制系統(tǒng)而控制功率模塊、進(jìn)行計(jì)算等。因此，可以釋放上級(jí)控制系統(tǒng)的資源以用于其他目的，在智能柵極驅(qū)動(dòng)單元和上級(jí)控制系統(tǒng)之間需要較少的的數(shù)據(jù)通信，在智能柵極驅(qū)動(dòng)單元和上級(jí)控制系統(tǒng)之間的同步需要較少需求等。
[0020]另外，同步可以是有利的，這是因?yàn)槠淅绫阌趯?duì)在時(shí)域中的電壓和電流測(cè)量進(jìn)行比較/聚合。
[0021]數(shù)據(jù)處理器可以是傳統(tǒng)的微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器等。
[0022]另外，應(yīng)當(dāng)指出的是，智能柵極驅(qū)動(dòng)單元還可以包括用于將模擬測(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字表不的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0023]在本發(fā)明的實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)功率模塊是逆變器的一部分或者是制動(dòng)斬波器的一部分。
[0024]應(yīng)當(dāng)將逆變器理解為轉(zhuǎn)換器的一部分，所述轉(zhuǎn)換器用于轉(zhuǎn)換可再生發(fā)電單元的電能，以便可將電能饋送到公用電網(wǎng)。該轉(zhuǎn)換器可以包括一個(gè)或多個(gè)逆變器，每個(gè)逆變器都包括一個(gè)或多個(gè)功率模塊。通常，該逆變器具有多于一個(gè)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。
[0025]應(yīng)當(dāng)將制動(dòng)斬波器理解為能夠在例如電網(wǎng)擾動(dòng)導(dǎo)致可再生發(fā)電單元失去電網(wǎng)連接的情況下吸收電能的模塊或電子電路。制動(dòng)斬波器模塊可以包括一個(gè)或多個(gè)功率模塊、電阻器、傳感器等。在本領(lǐng)域，制動(dòng)斬波器有時(shí)也稱為L(zhǎng)VRT斬波器、短路器、卸荷負(fù)載等。制動(dòng)斬波器優(yōu)選地連接到轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器(轉(zhuǎn)換器的逆變器)之間的直流鏈路，但是也可以例如連接在轉(zhuǎn)子(可再生發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子)和轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器之間。通常，該斬波器僅具有一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，但是也可以具有兩個(gè)或更多個(gè)。
[0026]在本發(fā)明的實(shí)施例中，智能柵極驅(qū)動(dòng)單元被配置為控制各個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的負(fù)載。該負(fù)載控制包括電流控制，例如，各個(gè)開(kāi)關(guān)/功率模塊之間(即，三相系統(tǒng)的三個(gè)相位之間)的負(fù)載共享。
[0027]在本發(fā)明的實(shí)施例中，數(shù)據(jù)處理器便于開(kāi)關(guān)電壓和所述功率模塊的輸出電流的測(cè)量之間的時(shí)間同步，和/或所述直流鏈路電壓和所述功率模塊的輸出電流的測(cè)量之間的時(shí)間同步。
[0028]應(yīng)當(dāng)將上級(jí)控制系統(tǒng)理解為可再生發(fā)電單元的主控制系統(tǒng)。在可再生發(fā)電單元是風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，上級(jí)控制系統(tǒng)將被稱為風(fēng)力渦輪機(jī)控制器(或簡(jiǎn)稱為WTC)。風(fēng)力渦輪機(jī)控制器優(yōu)選地負(fù)責(zé)風(fēng)力渦輪機(jī)的包括例如所有子元素的操作，例如，風(fēng)力渦輪機(jī)的俯仰、轉(zhuǎn)換、偏航等。
[0029]時(shí)間的共同理解可以是有利的，特別是在轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，這是因?yàn)楣β誓K的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間非?？欤?，通常以u(píng)s (微秒)測(cè)量。
[0030]另外，當(dāng)測(cè)量用在例如溫度的相同的計(jì)算中，并且測(cè)量部分由智能柵極驅(qū)動(dòng)單元執(zhí)行，部分由上級(jí)控制系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)，測(cè)量的時(shí)間的共同理解(即，智能柵極單元和上級(jí)控制系統(tǒng)之間的時(shí)間同步)對(duì)于計(jì)算正確的溫度來(lái)說(shuō)是重要的。
[0031]在本發(fā)明的實(shí)施例中，模擬測(cè)量電路還被配置為測(cè)量包括以下參數(shù)的列表中的一個(gè)或多個(gè):Vdc、所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的輸出電流、柵極電流、柵極電荷和/或柵極電壓。Vdc是直流鏈路上的電壓。
[0032]在本發(fā)明的實(shí)施例中，來(lái)自模擬測(cè)量電路的測(cè)量便于估計(jì)包括以下參數(shù)的列表中的一個(gè)或多個(gè):半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)結(jié)溫、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)基板溫度、制動(dòng)斬波器電阻器溫度、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的疲勞程度、制動(dòng)斬波器電阻器的疲勞程度、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的壽命終止和/或制動(dòng)斬波器電阻器的壽命終止。
[0033]本發(fā)明例如是非常有利的，這是因?yàn)槠浔阌谥苯釉诎雽?dǎo)體開(kāi)關(guān)或者功率模塊上進(jìn)行所述的測(cè)量。直接在單個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)或功率模塊上進(jìn)行測(cè)量可以是有利的，這是因?yàn)楂@得了實(shí)際的實(shí)時(shí)值，與基于估計(jì)值的現(xiàn)有方法相比，實(shí)際的實(shí)時(shí)值可用于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、功率模塊、負(fù)載電阻器等的實(shí)時(shí)診斷(健康狀況、疲勞等級(jí)、壽命終止等)。
[0034]在本發(fā)明的實(shí)施例中，數(shù)據(jù)處理器便于產(chǎn)生用于控制所述一個(gè)或多個(gè)功率模塊的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，和/或便于控制通過(guò)所述功率模塊的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的電流。
[0035]這例如可以是有利的，這是因?yàn)槠湓试S上級(jí)控制系統(tǒng)將對(duì)功率模塊的控制完全留給智能柵極驅(qū)動(dòng)單元，即，上級(jí)控制系統(tǒng)只需要向智能柵極驅(qū)動(dòng)單元請(qǐng)求來(lái)自功率模塊的期望的輸出電壓。智能柵極驅(qū)動(dòng)單元隨后產(chǎn)生用于控制功率模塊的脈沖寬度調(diào)制，以使其符合來(lái)自上級(jí)控制系統(tǒng)的請(qǐng)求。應(yīng)當(dāng)指出的是，用于時(shí)間同步和脈沖寬度調(diào)制的數(shù)據(jù)處理器不需要必須為同一個(gè)數(shù)據(jù)處理器，例如，可以在兩個(gè)或更多個(gè)數(shù)據(jù)處理器之間劃分該任務(wù)。
[0036]另外，能夠使智能柵極驅(qū)動(dòng)單元管理各個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的負(fù)載可以是有利的。該電流控制還包括各個(gè)開(kāi)關(guān)/功率模塊之間(即，三相系統(tǒng)的三個(gè)相位之間)的負(fù)載共享。
[0037]在本發(fā)明的實(shí)施例中，智能柵極驅(qū)動(dòng)單元便于對(duì)一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)和/或過(guò)溫保護(hù)。
[0038]因?yàn)樵摫Ｗo(hù)基于直接在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)或者功率模塊上執(zhí)行的測(cè)量，從而可以在無(wú)需轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)那闆r下實(shí)時(shí)地使用這種測(cè)量結(jié)果(即，一旦進(jìn)行了測(cè)量就使用測(cè)量結(jié)果)，所以這可以是有利的。
[0039]在本發(fā)明的實(shí)施例中，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的切換行為被配置為由一個(gè)或多個(gè)柵極電阻器控制，其中，所述一個(gè)或多個(gè)柵極電阻器的值基于測(cè)量的用于控制一個(gè)或多個(gè)柵極電阻器開(kāi)關(guān)的操作參數(shù)而變化。
[0040]操作參數(shù)可以是:直流電壓、半導(dǎo)體(開(kāi)關(guān)或二極管)結(jié)溫、開(kāi)關(guān)電流(Icollector)等，當(dāng)這些參數(shù)達(dá)到預(yù)定的閾值時(shí)，便于將柵極電阻器連接到柵極信號(hào)。可以由智能柵極驅(qū)動(dòng)單元或上級(jí)控制系統(tǒng)執(zhí)行操作參數(shù)。
[0041]開(kāi)關(guān)的操縱/控制可以