用于保護可控電源開關的電路和方法技術

描述了一種用于保護可控電源開關的電路，該電路包括：可控電源開關（101），其具有被連接到第一端子（109）的第一電源開關端子（103）、被連接到第二端子（111）的第二電源開關端子（105）以及電源開關控制端子（107）；二極管（113），其具有第一二極管端子（115）和第二二極管端子（117）；以及可控控制開關（119），其具有被連接到第一二極管端子的第一控制開關端子（121）、第二控制開關端子（123）、以及控制開關控制端子（125），其中，施加于電源開關控制端子（107）的信號基于第二控制開關端子（123）處的信號。此外，描述了一種用于保護可控電源開關的方法。?

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于保護可控電源開關的電路和方法
本專利技術涉及用于保護可控電源開關、并且特別是包括在用于將DC電壓轉換成AC電壓的轉換器模塊部中的電源開關的電路和方法。此外，本專利技術涉及一種用于將DC電壓轉換成AC電壓、特別是將在諸如風力渦輪機場的發電廠中使用的轉換器模塊。
技術介紹
為了向公用電力網提供電能，發電廠可以包括用于將可變頻率功率信號（或電壓或電流）轉換成固定頻率（例如50Hz或60Hz）AC信號（或電壓或電流）的一個或多個轉換器模塊（也稱為逆變器模塊）。在典型轉換器模塊中，可以首先使用許多功率晶體管將可變頻率AC功率信號轉換成DC信號（或電壓或電流）。此外，可以隨后使用一個或多個（特別地，針對兩級三相逆變器為六個）功率晶體管將DC信號（或電壓或電流）轉換成固定頻率AC信號（或電壓或電流）—基本示例參見圖6。可以由相應的控制電路關于其傳導性來控制被連接到DC信號（或電壓或電流）（也稱為DC鏈路）的功率晶體管，以便在轉換器模塊的三個輸出端子處遞送三相AC信號（或電壓或電流）。特別地，可以將轉換器模塊實現為電半導體功率轉換單元。可以知道功率轉換單元中的功率半導體在關斷過渡（transition）期間被暴露于感應過電壓。請注意，由于開關功率電路中的不可避免的阻抗，這種現象可以不限于圖6所示的逆變器拓撲結構，而是其可能是開關轉換器領域中普遍認識到的問題。該問題的本質可以是：關斷功率半導體器件可以通過逆變器功率電路的漏電感生成在微秒至亞微秒時域內的瞬時過電壓。如果不加控制，此過電壓可能導致功率半導體器件的擊穿，其隨后可能導致功率半導體器件的災難性故障。控制此功率半導體關斷相關過電壓的技術包括連接在（例如）IGBT器件（作為功率半導體器件的示例）的（比如說）集電極和柵極之間的齊納或transil型二極管的使用。然后注意逆變器模塊中的功率半導體器件的應用條件（或者特別是逆變器模塊的有源（active）整流器操作模式），如果來自感應饋送ac端子的功率流和關聯電流被終止，則為了使在被連接到逆變器（在有源整流器模式下操作）的ac端子的饋送電感器中電流為零（例如直接驅動風力渦輪機的示例中的永磁發電機的漏電感），則必須向漏電感施加足夠的伏秒（按照文本描述，重置伏秒）。在重置發生的所有時間，正在從漏電感向在有源整流模式下操作的逆變器的DC鏈路電路傳遞能量。還進一步從發電機的軸接收能量（并且在從渦輪機的葉片和風接收能量之前），其是重置時段期間的發電機的反電動勢（電磁力）和重置時段期間的發電機電流波形的函數。在典型方案中，使發電機的漏電感中的電流重置至零的時間將約為10ms－20ms，并且在此事件期間大量的能量被從發電機傳遞至DC鏈路。如果，在典型的風力渦輪機功率轉換器中，DC鏈路被連接到網絡逆變器以進一步處理從永磁發電機接收到的功率并將其傳遞至供電網或電力網，則DC鏈路電壓不會顯著地上升，除與功率半導體器件的關閉相關聯的最初比如說1μs電壓尖峰之外。然而，如果關斷發電機橋接器的功率半導體器件的原因是由于作為此能量的接收機的網絡的不可用性，則在關斷事件（在發電機中使漏電感電流重置至零）期間從發電機接收到的能量可以對DC鏈路電容充電。根據DC鏈路電容的大小標注，最終的DC鏈路電壓可以顯著地超過在功率半導體器件的關斷期間控制過電壓所需的齊納或transil鉗位（clamp）網絡的操作閾值。如果未包括對策，則齊納或transil鉗位網絡將導致對整個逆變器系統造成災難性損壞，因為齊納或transil鉗位網絡將迫使功率半導體進入導通狀態并使功率半導體器件暴露于遠遠超過其耗散能力的能量。特別地，直接驅動永磁發電機與相同額定值的感應機器相比一般可以以高漏電感為特征。在某些故障場景期間，存儲在該漏電感中的能量的量可能由于非常高的電流而變得非常高。當此能量隨后被傳遞至DC鏈路電容器（其可以表示儲能元件）時，DC鏈路電壓可以上升至高電平。在某些最壞情況場景中，DC鏈路電壓可以顯著地上升至鉗位電平之上，并且最后鉗位方案變成威脅而不是保護機制，因為半導體隨后將耗散超過其能力的能量且可能被損壞。因此，特別是在轉換器模塊的DC鏈路處發生的過電壓可能對包括在轉換器模塊中的部件、特別是功率晶體管是有損害的。從而，功率晶體管或者一般地可控開關可能由于過電壓而被毀壞。為了管理此問題，描述了本專利技術的有條件有源鉗位電路。可能存在對用于保護被連接在可向其施加電壓的端子之間的可控電源開關、特別是功率晶體管的電路和方法的需要。此外，可能存在對用于保護可控電源開關的電路和方法的需要，該可控電源開關使得能夠實現可控電源開關的保護和電源開關的端子之間的電壓鉗位。此外，可能存在對用于保護可控電源開關的電路和方法的需要，其中，可以更有效地執行電壓鉗位。
技術實現思路
可以由根據獨立權利要求的主題來滿足此需要。由從屬權利要求來描述本專利技術的有利實施例。根據一個實施例，一種用于保護連接在電路的第一端子與電路的第二端子之間的可控電源開關（特別是晶體管，特別是功率晶體管，例如雙極型隔離柵晶體管（IGBT）或等效功率半導體開關、雙極結晶體管或MOSFET）免于遭受過電壓（特別是DC過電壓，諸如可施加在電路的第一端子與電路的第二端子之間的過電壓，其根據應用可能達到幾kV）的電路。該電路包括：可控電源開關（例如半導體電源開關、功率晶體管、IGBT、雙極結晶體管或MOSFET），其具有被連接到電路的第一端子的第一電源開關端子（諸如漏極或集電極）、被連接到電路的第二端子的第二電源開關端子（諸如源極或發射極）以及電源開關控制端子（諸如柵極端子），其中，第一電源開關端子與第二電源開關端子之間的導通狀態（特別地用通過可控電源開關從第一電源開關端子流至第二電源開關端子的電流的可能性來表示）基于施加于電源開關控制端子與第二電源開關端子之間的電壓；二極管（例如半導體電部件，特別是齊納二極管或transil二極管），其具有第一二極管端子（諸如陽極）和第二二極管端子（諸如陰極），該二極管允許電流在第一二極管端子與第二二極管端子之間沿正向流動并允許電流沿著與正向相反的反向流動，當在第二二極管端子與第一二極管端子之間施加的電壓在二極管閾值電壓（當二極管是齊納二極管時，也稱為擊穿電壓）之上時，第二二極管端子被連接到第一端子。此外，該電路包括具有被連接到第一二極管端子的第一控制開關端子（諸如漏極或集電極）、具有第二控制開關端子（諸如源極或發射極）以及控制開關控制端子（諸如控制開關的柵極端子）的可控控制開關（例如半導體器件，諸如晶體管，例如雙極結晶體管、MOSFET、IGBT等），其中，第一控制開關端子與第二控制開關端子之間的導通狀態基于在控制開關控制端子與第二控制開關端子之間施加的電壓，其中，施加于電源開關控制端子的信號基于第二控制開關端子處的信號。齊納二極管一般是以齊納效應為特征的低壓器件。transil晶體管與齊納二極管類似地操作，在被反向偏置時具有很好地定義的“拐”點。但是鉗位機制是不同的—稱為雪崩效應。transil由于其耗散高峰值功率的能力而通常是用于高壓應用的選擇。保護電路還可以與一個或多個雙向transil一起工作，其具有與背對背串聯連接的齊納二極管（等同于端子一被連接到每個齊納二極管的端子一）類似的特性。諸如S本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.04.08 EP 10159370.51.一種用于保護連接在電路的第一端子與第二端子之間的可控電源開關免于遭受可在第一端子與第二端子之間施加的過電壓的電路，該電路包括：?可控電源開關（101），其具有被連接到第一端子（109）的第一電源開關端子（103）、被連接到第二端子（111）的第二電源開關端子（105）、以及電源開關控制端子（107），其中，第一電源開關端子與第二電源開關端子之間的導通狀態基于在電源開關控制端子與第二電源開關端子之間施加的電壓；?二極管（113），其具有第一二極管端子（115）和第二二極管端子（117），該二極管允許電流在第一二極管端子與第二二極管端子之間沿正向流動并允許電流沿與正向相反的反向流動，當在第二二極管端子與第一二極管端子之間施加的電壓在二極管閾值電壓之上時，第二二極管端子被連接到第一端子；?可控控制開關（119），其具有被連接到第一二極管端子的第一控制開關端子（121）、第二控制開關端子（123）、以及控制開關控制端子（125），其中，第一控制開關端子與第二控制開關端子之間的導通狀態基于在控制開關控制端子與第二控制開關端子之間施加的電壓，其中，施加于電源開關控制端子（107）的信號基于第二控制開關端子（123）處的信號，?柵極驅動器電路（127），其具有被連接到第二電源開關端子的柵極驅動器參考端子（131）、具有柵極驅動器輸入端子（128）并且具有被連接到電源開關控制端子的柵極驅動器輸出端子（129），其中，在柵極驅動器輸出端子處生成的信號基于施加于柵極驅動器輸入端子（128）的信號；以及?控制開關驅動器電路（135），其具有被連接到控制開關控制端子的控制開關驅動器輸出端子（137）并具有被連接到柵極驅動器輸出端子的控制開關驅動器輸入端子（139），其中，所述控制開關驅動器電路被適配成基于在控制開關驅動器輸入端子處接收到的信號在控制開關驅動器輸出端子處生成信號；其中，所述第二控制開關端子被連接至電源開關控制端子；在控制開關驅動器輸出端子處生成的信號使得所述控制開關在可控電源開關已從導通狀態切換至非導通狀態之后處于延長的導通狀態達在500ns和30μs之間的時間間隔（Δt），以及當所述可控電源開關處于非導通狀態時，所述控制開關在該時間間隔之后處于非導通狀態。2.根據權利要求1所述的用于保護連接在電路的第一端子與第二端子之間的可控電源開關免于遭受可在第一端子與第二端子之間施加的過電壓的電路，其中，所述柵極驅動器電路具有另外的柵極驅動器輸入端子（357,457,557），其中，在柵極驅動器輸出端子處生成的信號還基于施加于所述另外的柵極驅動器輸入端子的信號，其中，所述另外的柵極驅動器輸入端子（357,457,557）被連接到第二控制開關端子（423）。3.根據權利要求1所述的用于保護連接在電路的第一端子與第二端子之間的可控電源開關免于遭受可在第一端子與第二端子之間施加的過電壓的電路，還包括；?另外的可控控制開關（359），其具有第一另外的控制開關端子（361）、第二另外的控制開關端子（363）和另外的控制開關控制端子（365），其中，第一另外的控制開關端子與第二另外的控制開關端子之間的導通狀態基于在所述另外的控制開關控制端子與所述第二另外的控制開關端子之間施加的電壓，其中，所述柵極驅動器電路具有另外的柵極驅動器輸入端子（357），其中，所述第二另外的控制開關端子（363）被連接到所述另外的柵極驅動器輸入端子（357），并且其中，所述另外的控制開關控制端子（365）被連接到控制開關...

【專利技術屬性】
技術研發人員：R瓊斯，J孫德瓦爾，
申請(專利權)人：西門子公司，
類型：
國別省市：