СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВКЛЮЧЕННЫМИ ПАРАЛЛЕЛЬНО ОБРАТНОПРОВОДЯЩИМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯМИ
METHOD OF CONTROLLING CONNECTED IN PARALLEL INVERSE SEMICONDUCTOR SWITCHES

Изобретение касается способа управления по меньшей мере двумя обратнопроводящими полупроводниковыми переключающими элементами, причем эти по меньшей мере два обратнопроводящих полупроводниковых переключателя подключены в параллельной схеме. Изобретение касается также переключающего элемента с по меньшей мере двумя подключенными в параллельной схеме обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями. Кроме того, изобретение касается преобразователя тока с последовательной схемой по меньшей мере из двух таких переключающих элементов.
В случае обратнопроводящих полупроводниковых переключателей в одной микросхеме объединены функция переключающего элемента и функция диода. В частности, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT - Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren) известны также как обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором. Они обозначаются также как RC-IGBT. В противоположность обычным биполярным транзисторам с изолированным затвором путем управления через контакт затвора можно оказывать воздействие не только на поведение переключающего элемента, в данном случае это функция биполярного транзистора с изолированным затвором, но и на поведение в диодном режиме.
Способ управления двумя включенными последовательно обратнопроводящими биполярными транзисторами с изолированным затвором раскрыт в DE 10 2011 003 938 A1. В этом документе описан способ управления двумя включенными последовательно биполярными транзисторами с изолированным затвором полумостовой схемы, на которой существует рабочее постоянное напряжение, причем эти обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором имеют три состояния переключения.
Чтобы повысить пропускную мощность, например, преобразователя тока, могут параллельно подключаться несколько полупроводниковых переключателей. Такая параллельная схема позволяет повысить коммутируемый ток, поскольку ток распределяется по различным ветвям этой параллельной схемы. Тем самым может быть повышена пропускная мощность переключающего элемента, например, в преобразователе тока, поскольку получается соответственно более высокий переключаемый суммарный ток. При этом полупроводниковые переключатели служат для того, чтобы соединять вывод для нагрузки, называемый также фазным выводом преобразователя тока, с одним из потенциалов промежуточного контура напряжения. Поскольку расположенные параллельно полупроводниковые переключатели включают один и тот же фазный вывод, то хорошо зарекомендовало себя управление полупроводниковыми переключателями, включенными параллельно, с помощью соответствующего одного и того же управляющего сигнала. Это происходит как при обычных биполярных транзисторах с изолированным затвором, так и при обратнопроводящих биполярных транзисторов с изолированным затвором.
Обратнопроводящий биполярный транзистор с изолированным затвором в зависимости от направления тока может работать либо в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором, либо в диодном режиме. Если ток течет от коллектора к эмиттеру, то обратнопроводящий биполярный транзистор с изолированным затвором находится в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором. Если же, напротив, ток течет от эмиттера к коллектору, то обратнопроводящий биполярный транзистор с изолированным затвором находится в диодном режиме. Если направление тока нагрузки меняется, то режим работы обратнопроводящего биполярного транзистора с изолированным затвором меняется с диодного режима на режим биполярного транзистора с изолированным затвором или, соответственно, с режима биполярного транзистора с изолированным затвором на диодный режим. Таким образом, изменение направления тока через биполярный транзистор с изолированным затвором вызывает изменение соответствующего режима. Для эксплуатации в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором требуется положительное напряжение затвор-эмиттер (открытый канал для электрического тока), тогда как для диодного режима необходимо отрицательное напряжение затвор-эмиттер (закрытый канал, чтобы препятствовать истечению электронов). Поэтому прохождение тока нагрузки через нуль, а тем самым и прохождение через нуль соответствующего тока через этот полупроводниковый переключатель должно определяться с высокой точностью, так как это представляет собой момент перехода между вышеописанными режимами. Слишком раннее или слишком позднее изменение напряжения на выводе затвора может вызвать повреждения на обратнопроводящих биполярных транзисторх с изолированным затвором или искажать состояние переключения, заданное посредством управления верхнего уровня, при котором создается неправильная площадь под кривой мгновенных значений напряжения на выходе вентильного преобразователя.
Диоды при малых токах нагрузки склонны к резкому восстановлению обратного сопротивления. Это резкое восстановление обратного сопротивления обозначается также как жесткое переключение (snappiges-Verhalten=отсутствие мягкого восстановления soft-recovery). За счет очень высокого di/dt диодного тока в конце прохождения электрического тока диоды склонны также к индуцированию высокого напряжения, которое само может подвергать опасности конструктивный элемент и создавать проблемы с электромагнитной совместимостью.
В случае биполярных транзисторов с изолированным затвором, которые являются не обратнопроводящими, но параллельно с биполярным транзистором с изолированным затвором имеют диод, этот диод не имеет управляющего электрода. Таким образом, у не обратнопроводящего биполярного транзистора с изолированным затвором отсутствует возможность управлять накопленным зарядом этого диода. Тем самым, невозможно оказывать влияние на поведение таких диодов.
Если ток нагрузки, который течет через полупроводниковый переключатель, передается от этого полупроводникового переключателя на другой полупроводниковый переключатель, то этот процесс обозначается как коммутация. Исчезновение тока нагрузки через такой полупроводниковый переключатель обозначается как размыкание (Abkommutierung). Как только ток через этот полупроводниковый переключатель прекратился, он разомкнут.
В основу изобретения положена задача, улучшить поведение при переключении параллельных полупроводниковых переключателей.
Эта задача решается посредством способа управления по меньшей мере двумя обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями, причем эти по меньшей мере два обратнопроводящих полупроводниковых переключателя подключены в параллельной схеме, причем по меньшей мере два из этих обратнопроводящих полупроводниковых переключателей по меньшей мере время от времени управляются различным напряжением. Далее, эта задача решается задача посредством переключающего элемента с по меньшей мере двумя подключенными в параллельной схеме обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями и с одним управляющим блоком или с по меньшей мере частью управляющего блока для управления этими обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями, причем датчик тока для определения тока нагрузки, текущего в этой параллельной схеме, может быть соединен с блоком регулирования для анализа результатов измерений датчика тока, причем с помощью этого управляющего блока или с помощью указанной части управляющего блока отдельные обратнопроводящие полупроводниковые переключатели могут управляться соответственно различными напряжениями. Далее, эта задача решается посредством преобразователя тока, содержащего по меньшей мере одну последовательную схему из по меньшей мере двух таких переключающих элементов, блок регулирования для анализа результатов измерений датчика тока и фазный вывод для подключения нагрузки, причем место подключения этих двух переключающих элементов электрически соединено с фазным выводом, причем датчик тока расположен между фазным выводом и местом подключения, причем для передачи измерительных сигналов датчик тока соединен с блоком регулирования.
Предпочтительные варианты выполнения данного изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основу изобретения положено понимание того, что параллельная схема из обратнопроводящих биполярных транзисторов с изолированным затвором (RC-IGBT) может быть улучшена за счет того, что эти отдельные параллельные полупроводниковые переключатели по меньшей мере время от времени управляются с различным напряжением на затворе, т.е. различным напряжением затвор-эмиттер, чтобы воздействовать на распределение тока через эти отдельные полупроводниковые переключатели, в частности, через находящиеся в диодном режиме полупроводниковые переключатели. Предлагаемое изобретением решение основано, во-первых, на том, что при параллельно включенных обратнопроводящих биполярных транзисторах с изолированным затвором участки затвор-эмиттер параллельных обратнопроводящих полупроводниковых переключателей управляют разными напряжениями на затворах. Таким образом, в отдельных RC-IGBT, например, в диодном режиме, устанавливаются разные токи коллектор-эмиттер, а тем самым и разные накопленные заряды. Тем самым, при работе могут быть значительно снижены потери, например, потери при переключении.
Особенно предпочтительно управлять параллельными обратнопроводящими биполярными транзисторами с изолированным затвором, например, в диодном режиме, так, чтобы по меньшей мере для перехода тока через нуль часть этих RC-IGBT управлялась отрицательным напряжением на затворе, а остальная часть этих параллельных полупроводниковых переключателей управлялась положительным напряжением на затворе. Тем самым, определение направления тока может осуществляться значительно проще, так как требование к точности определения перехода тока через нуль существенно снижается. Таким образом, можно упростить определение направления тока или, соответственно, сэкономить на определении направления тока, и проводить измерение тока, уже и так осуществляемые для целей регулирования. Оказалось, что точность измерения тока нагрузки, которое и так уже осуществляется для целей регулирования, достаточна для определения перехода тока через нуль. Можно отказаться от дополнительного точного измерения тока с очень точным определением направления тока непосредственно в указанных отдельных параллельных схемах этих полупроводниковых переключателей, например, внутри преобразователя тока. Поскольку преобразователи тока с высокой точностью очень дороги, то благодаря этому обеспечивается явное экономическое преимущество.
Предлагаемый способ основывается на понимании того, что близко по времени при изменении направления тока нагрузки der величина тока нагрузки незначительна, что не все RC-IBGT (обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором) указанной параллельной схемы необходимы для проведения этого тока нагрузки. Тем самым, в переключающем устройстве, построенном из по меньшей мере двух RC-IGBT, в диодном режиме только первая часть этих полупроводниковых переключателей, которые обозначены как первые полупроводниковые переключатели, или по меньшей мере один первый полупроводниковый переключатель, управляется отрицательным напряжением на затворе, а (оставшаяся) вторая часть этих параллельных полупроводниковых переключателей, которые обозначены как вторые полупроводниковые переключатели, или по меньшей мере один второй полупроводниковый переключатель управляется положительным напряжением на затворе. Тем самым, перед прохождением через нуль ток течет предпочтительно, т.е. в первую очередь, через указанный первый или указанные первые полупроводниковые переключатели, а после прохождения через нуль этот ток течет через указанный второй или указанные вторые полупроводниковые переключатели, причем нет необходимости в изменении управления на затворе этих полупроводниковых переключателей. Таким образом, больше не требуется точно определять этот момент прохождения через нуль. Среди прочего, это возможно и потому, что вблизи прохождения через нуль тока нагрузки величина этого тока нагрузки настолько незначительна, что не все полупроводниковые переключатели этой параллельной схемы необходимы для проведения тока нагрузки.
С помощью отдельных управляющих каналов параллельные обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором в диодном режиме могут управляться разными напряжениями затвор-эмиттер. Это управление выбирается так, что в зависимости от желаемого накопленного количества носителей заряда (т.е. в общем в зависимости от проводимого ток нагрузки) в диодном режиме отрицательное управляющее напряжение подается на такое количество RC-IGBT (или, иначе говоря, канал МОП-транзистора закрывается), сколько необходимо. На остальные параллельные обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором в диодном режиме подается положительное напряжение затвор-эмиттер, что ведет к тому, что они участвуют в проведении тока лишь в очень-очень незначительной мере. Тем самым уменьшаются потери при включении коммутирующего RC-IGBT в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором в одной и той же фазе, а также потери при отключении этого RC-IGBT в диодном режиме. К тому же ток нагрузки предпочтительно в диодном режиме распределяется максимально на то количество RC-IGBT, сколько действительно необходимо, что предотвращает «резкое восстановление обратного сопротивления» тока с высокими индуцированными напряжениями.
Управление с различным знаком управляющего напряжения, прикладываемого к затвору, возможно, если вблизи прохождения через нуль величина этого тока настолько мала, что для проведения тока требуются не все параллельные обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором вследствие максимально допустимой нагрузки по току. Другими словами, область вблизи прохождения через нуль, среди прочего, определяется тем, что только часть параллельных полупроводниковых переключателей вблизи этого времени необходима для проведения тока. В частности, при синусоидальном характере тока или почти синусоидальном характере тока этот способ оказался особенно предпочтительным, поскольку имеется область вблизи нулевой точки, в которой значения тока настолько малы, что не все параллельные полупроводниковые переключатели требуются для проведения тока, и одновременно возрастание в области нулевой точки настолько велико, что нужно очень точно определять эту нулевую точку, если хотят управлять сразу всеми параллельными полупроводниковыми переключателями, чтобы предотвратить повреждения полупроводникового переключателя из-за быстрого возрастающего тока и некорректного управления.
В частности, в том случае, если эта параллельная схема содержит два полупроводниковых переключателя, то при токе, значение которого меньше половины максимального значения, в частности, амплитуды при синусоидальном характере, соответственно один полупроводниковый переключатель может управляться положительным, а второй полупроводниковый прибор может управляться отрицательным напряжением на затворе.
Эти выкладки могут быть просто перенесены на режим биполярного транзистора с изолированным затвором. И здесь тоже перед прохождением через нуль, т.е. перед переходом RC-IGBT с режима биполярного транзистора с изолированным затвором в диодный режим первая часть этих параллельных полупроводниковых приборов может управляться отрицательным напряжением на затворе, а вторая (оставшаяся) часть может управляться положительным напряжением на затворе. Такое управление приводит также к тому, что точное определение перехода тока через нуль больше не требуется. Перед прохождением через нуль ток нагрузки течет через вторые полупроводниковые переключатели, а после прохождения через нуль ток течет через первые полупроводниковые переключатели, причем для прохождения через нуль не требуются манипуляции по переключению, т.е. изменения в напряжениях на затворе этих полупроводниковых переключателей. Таким образом, соответственно перед прохождением и после прохождения тока нагрузки через нуль указанная, каждый раз другая часть проводит ток через эту параллельную схему. Из-за сравнительно небольшого di/dt тока нагрузки (несколько ампер в микросекунду) остается достаточно времени, чтобы электроника верхнего уровня, которая обычно используется для задач регулирования, тоже могла принять на себя определение направления тока. Тем самым, несколько обратнопроводящих биполярных транзисторов с изолированным затвором в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором или обычные биполярные транзисторы с изолированным затвором, включенные параллельно, тоже могут управляться раздельно. Благодаря этому и в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором можно устанавливать количество носителей заряда параллельного биполярного транзистора с изолированным затвором и снижать потери при выключении. Также слишком высокое di/dt при малых токах нагрузки может предотвращаться за счет этого раздельного управления. Для этого положительным напряжением затвор-эмиттер всегда управляется лишь столько RC-IGBT в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором или стандартных биполярных транзисторов с изолированным затвором при малых токах нагрузки, сколько требуется для этого электрического тока. Это повышает плотность тока в проводящих ток биполярных транзисторах с изолированным затвором.
Наряду с управлением первыми полупроводниковыми переключателями и вторыми полупроводниковыми переключателями посредством напряжений, имеющих различный знак, можно также управлять первыми полупроводниковыми переключателями и вторыми полупроводниковыми переключателями посредством напряжений с одинаковым знаком, но различных по величине. Тем самым может оптимизироваться распределение тока по отдельным полупроводниковым переключателям этой параллельной схемы. Например, на полупроводниковые переключатели, имеющие лучшее охлаждение, может подаваться больший ток, а на другие полупроводниковые переключатели, с более слабым охлаждением - меньший ток.
Особенно предпочтительным является использование такого переключающего элемента, если два таких переключающих элемента включены последовательно и, тем самым, получается преобразователь тока с одной фазой. При этом место подключения этой последовательной схемы является выводом для нагрузки, через который течет ток нагрузки. Этот вывод для нагрузки может электрически соединяться с одним концом или с другом концом фазового модуля. На обоих концах этой последовательной схемы расположен конденсатор промежуточного контура. Таким образом, на обоих концах обычно, т.е. как только конденсатор зарядится до некоторого напряжения, получаются различные электрические потенциалы. Эти потенциалы называются также потенциалами промежуточного контура. Например, с помощью широтно-импульсной модуляции на выводе для нагрузки за среднее время (im zeitlichen Mittel) может генерироваться любой электрический потенциал, лежащий между обоими потенциалами промежуточного контура. Так что, просто и экономично может быть реализована одна фаза преобразователя тока или, при использовании нескольких фаз, может быть реализован многофазный преобразователь тока.
В одном предпочтительном варианте выполнения данного изобретения по меньшей мере время от времени по меньшей мере один первый полупроводниковый переключатель из по меньшей мере двух обратнопроводящих полупроводниковых переключателей управляется отрицательным напряжением, и по меньшей мере один второй полупроводниковый переключатель из по меньшей мере двух обратнопроводящих полупроводниковых переключателей управляется положительным напряжением. Тем самым, могут быть реализованы все вышеназванные преимущества. За счет этих различных знаков однозначно устанавливается, какие полупроводниковые переключатели в этой параллельной схеме проводят ток, а какие нет. Так что распределение токов по отдельным параллельным полупроводниковым переключателям может определяться простым образом. Еще одно преимущество использования перед предстоящей сменой направления, называемой также сменой знака, тока нагрузки только части этих полупроводниковых переключателей для проведения тока, заключается в том, что в таком случае ток в отдельных используемых полупроводниковых переключателях выше, чем когда ток течет через все параллельные полупроводниковые переключатели. Тем самым можно одновременно предотвращать ситуацию, когда ток через один полупроводниковый переключатель будет ниже минимального значения и исчезнет. Путем управления область возможного резкого восстановления обратного сопротивления диодного тока может сдвигаться к меньшим токам нагрузки, и за счет этого имеет существенно меньшее значение.
В другом предпочтительном варианте выполнения данного изобретения параллельная схема содержит множество обратнопроводящих полупроводниковых переключателей, причем количество первых полупроводниковых переключателей и/или количество вторых полупроводниковых переключателей определяется в зависимости от тока нагрузки. При этом в каждый момент времени количество участвующих в проведении тока полупроводниковых переключателей может согласовываться таким образом, что они не перегружаются вследствие слишком большого тока. Одновременно гарантируется такой ток (минимальный ток), что это не приведет к резкому восстановлению обратного сопротивления току вследствие отсутствия мягкого восстановления. Такой RC-IGBT, поскольку он должен пропускать ток, в зависимости от направления тока всегда должен управляться соответствующим управляющим напряжением на участке затвор-эмиттер. В противном случае либо этот RC-IGBT в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором при отрицательном напряжении затвор-эмиттер не включается, либо в диодном режиме при положительном напряжении затвор-эмиттер он повреждается из-за концентрации тока на отдельных микросхемах или областях микросхем. Путем определения направления тока очень близко к естественному переходу через нуль тока нагрузки/тока RC-IGBT должно устанавливаться корректное напряжение затвор-эмиттер. В параллельном режиме двух или более обратнопроводящих биполярных транзисторов с изолированным затвором вблизи перехода тока через нуль один или несколько RC-IGBT могут управляться положительным напряжением, а один или несколько RC-IGBT могут управляться отрицательным напряжением затвор-эмиттер. Если теперь ток течет в диодном направлении, то этот RC-IGBT с отрицательным напряжением затвор-эмиттер принимает на себя этот ток. RC-IGBT с положительным напряжением затвор-эмиттер из-за своего гораздо более высокого напряжения в открытом состоянии не участвует в проведении электрического тока. И наоборот, при электрическом токе в направлении биполярного транзистора с изолированным затвором (от C к E) ток проводит только RC-IGBT с положительным напряжением затвор-эмиттер. Только когда ток нагрузки вырастет настолько, что для проведения тока потребуются оба или, соответственно, все обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором, напряжение затвор-эмиттер всех требуемых RC-IGBT должно устанавливаться одинаково, соответственно направлению тока. Тем самым, определение направления тока может существенно упроститься, так как требование к точности может сильно снизиться. Оказалось, что эту задачу может взять на себя токоизмерительное устройство, уже имеющееся для целей регулирования.
1
1
2
1
2
2
1
2
1
2
В другом предпочтительном варианте выполнения данного изобретения обратнопроводящие полупроводниковые переключатели этой параллельной схемы находятся в диодном режиме, причем вплоть до первого момента времени t все включенные в этой параллельной схемы обратнопроводящие полупроводниковые переключатели управляются отрицательным напряжением, причем после первого момента времени t и перед вторым моментом времени t первые полупроводниковые переключатели из включенных в этой параллельной схеме обратнопроводящих полупроводниковых переключателей управляются отрицательным напряжением, а вторые полупроводниковые переключатели из включенных в этой параллельной схеме обратнопроводящих полупроводниковых переключателей управляются положительным напряжением, причем первый момент времени t наступает перед вторым моментом времени t, причем этот второй момент времени t соответствует моменту времени, в который ток нагрузки отключен от этих обратнопроводящих полупроводниковых переключателей. Благодаря раздельным управляющим каналам параллельные обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором в диодном режиме могут управляться разными напряжениями затвор-эмиттер. Это управление выбирается так, что при малых токах нагрузки к допустимой части из параллельных обратнопроводящих биполярных транзисторов с изолированным затвором с определенного момента времени t перед предстоящей коммутацией подается положительное напряжение затвор-эмиттер (импульс устранения насыщения), а к остальной части RC-IGBT в диодном режиме только с момента времени t. В промежутке между t и t ток нагрузки перекладывается на обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором в диодном режиме, которые еще не имеют положительного напряжения затвор-эмиттер. Таким образом, часть параллельных RC-IGBT в диодном режиме разгружается, и к этому моменту времени их накопленный заряд уже рассасывается. При коммутации должен рассасываться еще только существенно меньший накопленный заряд. И опять же, так может предотвращаться «размыкание» тока.
В другом предпочтительном варианте выполнения данного изобретения параллельная схема имеет по меньшей мере три обратнопроводящих полупроводниковых переключателя, которые находятся в диодном режиме, причем при понижающейся величине тока нагрузки управление по меньшей мере одним третьим полупроводниковым переключателем из обратнопроводящих полупроводниковых переключателей переходит с отрицательного напряжения на положительное напряжение. Благодаря переключению при понижающейся величине тока может гарантироваться, что, в частности, при синусоидальных токах, предотвращается перегрузка из-за кратковременного и неожиданного возрастания тока. Кроме того, благодаря этой понижающейся величине может гарантироваться, что в проводящих полупроводниковых переключателях ток устанавливается в диапазоне, при котором надежно исключено повреждение одного из проводящих полупроводниковых переключателей.
В другом предпочтительном варианте выполнения данного изобретения при предстоящем переходе обратнопроводящих полупроводниковых переключателей с диодного режима в режим биполярного транзистора с изолированным затвором, в частности, в момент прохождения через нуль тока нагрузки, только один обратнопроводящий полупроводниковый переключатель управляется с отрицательным напряжением, а остальные полупроводниковые переключатели из включенных в эту параллельную схему полупроводниковых переключателей управляются положительным напряжением. За счет уменьшающегося тока нагрузки и, тем самым, уменьшающегося тока в параллельной схеме в один момент времени достигается значение тока, при котором один отдельный полупроводниковый переключатель в состоянии проводить этот ток. Остальные полупроводниковые переключатели могут с помощью положительного напряжения уже готовиться к состоянию режима биполярного транзистора с изолированным затвором. Таким образом, точное знание этого перехода между режимами больше не требуется.
В другом предпочтительном варианте выполнения данного изобретения такое управление различными обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями происходит по меньшей мере время от времени со смещением по времени относительно друг друга. Одна простая возможность производить манипуляции по переключению не одновременно, а последовательно заключается в том, чтобы предусматривать жесткое временнόе смещение между управляющими напряжениями отдельных параллельных обратнопроводящих полупроводниковых переключателей. Альтернативно временнόе смещение также может включаться в зависимости от значения тока нагрузки, в частности, от величины, частоты или фазовой длины тока нагрузки. За счет временнόго смещения может надежно предотвращаться резкое восстановление обратного сопротивления тока, в частности, в диодном режиме. При этом зависимость может быть обусловлена измеренным или расчетным значением тока. Именно при синусоидальном характере токовая характеристика может быть достаточно хорошо рассчитана, например, для следующего полупериода или для всего периода, так что можно отказаться от обработки точных результатов измерений.
Благодаря такому управлению с временным смещением потери при переключении возникают со смещением во времени, так что выделяющееся тепло может лучше отводиться. Кроме того, можно оказывать влияние на возникновение потерь. При этом оказалось предпочтительным отключать большой ток посредством одного полупроводникового переключателя вместо того, чтобы отключать средний ток посредством двух полупроводниковых переключателей. Таким образом, благодаря переключению со смещением по времени в сумме могут уменьшаться потери при переключении.
В дальнейшем изобретение описывается и поясняется подробнее на представленных на чертежах примерах выполнения. На этих чертежах показано следующее.
Фиг. 1 обратнопроводящий биполярный транзистор с изолированным затвором (RC-IGBT),
Фиг. 2 переключающий элемент,
Фиг. 3 временнáя характеристика управления параллельными RC-IGBT,
Фиг. 4 преобразователь тока, и
Фиг. 5 временнáя характеристика управления при коммутации.
На Фиг. 1 в верхней части показано функциональное представление обратнопроводящего полупроводникового переключателя 1, выполненного как RC-IGBT. Между коллектором C и эмиттером E находится параллельная схема из биполярного транзистора с изолированным затвором и диода. Эта параллельная схема расположена на чипе. Вследствие этого через вывод затвора, в частности, приложенным напряжением между затвором G и эмиттером E можно оказывать влияние не только на поведение переключателя на биполярном транзисторе с изолированным затвором, но и на поведение диода. В зависимости от того, управляют ли этими полупроводниковыми переключателями 1 положительным или отрицательным напряжением между затвором G и эмиттером E, они принадлежат к группе первых полупроводниковых переключателей 11 (отрицательное управление) или к группе вторых полупроводниковых переключателей 12 (положительное управление). Ток i через RC-IGBT определяется так, что электрический ток от коллектора C к эмиттеру E имеет положительный знак. Таким образом, один RC-IGBT с положительным током i находится в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором, и один RC-IGBT с отрицательным током i находится в диодном режиме. В нижней части показано условное обозначение одного RC-IGBT, имеющего вышеописанные функции.
L
L
На Фиг. 2 показан переключающий элемент 3 с параллельной схемой 2 из трех полупроводниковых переключателей 1. Полупроводниковые переключатели 1, выполненные как обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором (RC-IGBT), через свои выводы затвора G управляются управляющим блоком 4 или, соответственно, частями 5 управляющего блока 4. Управляющий блок 4 или, соответственно, части 5 управляющего блока 4 генерируют свои управляющие сигналы на основе сигналов от блока 7 регулирования. В этот блок 7 регулирования, в свою очередь, поступают результаты измерений датчика 6 тока, который измеряет ток нагрузки i. Ток нагрузки i получается из суммы токов i через отдельные параллельные полупроводниковые переключатели 1.
GE
L
L
L
GE,pos
L
L
L
L
L
L
На Фиг. 3 показана временнáя характеристика управляющего напряжения U и тока нагрузки i в зависимости от времени t для параллельной схемы 2 из трех полупроводниковых переключателей 1. Эти временные характеристики могут, например, соответствовать одному режиму показанного на Фиг. 2 переключающего элемента 3. При отрицательном токе нагрузки i, как показано на левой стороне Фиг. 3, представленные там полупроводниковые переключатели 1 находятся в диодном режиме, поскольку диод внутри этого RC-IGBT берет на себя проведение тока i. С уменьшением величины этого тока i больше не требуются все три полупроводниковых переключателя 1 для проведения тока. В этом случае возможно, что два этих 1 проводят ток без наступления перегрузки. Оба этих полупроводниковых переключателя 1 обозначаются тогда как первые полупроводниковые переключатели 11. Еще один имеющийся в этой параллельной схеме 2 дополнительный полупроводниковый переключатель 1 не требуется для проведения тока и может управляться положительным управляющим напряжением U, так что он не будет проводить ток или будет проводить лишь незначительный ток. За счет положительного управления этого полупроводникового переключателя 1 он обозначается как относящийся к группе вторых полупроводниковых переключателей 12. Если величина этого тока i продолжает падать, то один из первых полупроводниковых переключателей тоже может принимать положительное управляющее напряжение, так что он больше не проводит ток нагрузки. В этом случае только еще один полупроводниковый переключатель 1 представлен в группе первых полупроводниковых переключателей 11. Величина тока нагрузки i в этом случае так мала, что достаточно только этого полупроводникового переключателя 1 для проведения всего тока нагрузки i. Оба остальных полупроводниковых переключателя 1 тогда находятся в группе вторых полупроводниковых переключателей 12 и подвергаются положительному управлению на затворе G. Таким образом, они в диодном режиме ток не проводят. Если ток нагрузки i достигает нулевого значения, т.е. на диаграмме он пересекает временную ось t, то полупроводниковые переключатели 1 переходят с диодного режима в режим биполярного транзистора с изолированным затвором. Уже имеющиеся полупроводниковые переключатели 1 группы вторых полупроводниковых переключателей 12 с положительным управляющим напряжением теперь принимают на себя ток нагрузки i. Тем самым, переключение последнего оставшегося первого полупроводникового переключателя 11 в момент прохождения через нуль не требуется и может происходить позднее, так как полупроводниковые переключатели 1 группы вторых полупроводниковых переключателей 12 без проблем и без риска повреждения могут брать на себя ток в момент перехода через нуль. Управление полупроводниковым переключателем 1 посредством отрицательного управляющего напряжения может происходить после смены знака тока нагрузки i, т.е. после того, как ток нагрузки принял положительные значения.
L
GE,neg
L
L
L
L
На правой части Фиг. 3 показан переход с режима биполярного транзистора с изолированным затвором в диодный режим. С уменьшением величины этого тока i здесь тоже больше не требуются все три полупроводниковых переключателя 1 для проведения тока. В этом случае возможно, что два из этих полупроводниковых переключателей 1 проводят ток без возникновения перегрузки. Имеющийся в этой параллельной схеме 2 дополнительный полупроводниковый переключатель 1 не требуется для проведения тока и может управляться отрицательным управляющим напряжением U, так что он совсем не пропускает ток или пропускает лишь незначительный ток. Если величина этого тока i падает дальше, то еще один полупроводниковый переключатель тоже может получать отрицательное управляющее напряжение, так что он больше не будет проводить ток нагрузки. В этом случае лишь еще один полупроводниковый переключатель 1 проводит ток. Если же теперь ток нагрузки i достигнет нулевого значения, т.е. на диаграмме он пересечет временную ось t, то полупроводниковые переключатели 1 перейдут с режима биполярного транзистора с изолированным затвором на диодный режим. Уже управляемые отрицательным управляющим напряжением полупроводниковые переключатели 1 теперь принимают на себя ток нагрузки i. Таким образом, больше не требуется переключение в точный момент времени смены знака указанного тока нагрузки i и, тем самым, точное знание момента прохождения через нуль.
Чтобы поддерживать затраты на управление на небольшом уровне, могут также два из представленных здесь трех полупроводников в один момент времени переключаться на положительное напряжение на затворе, как только ток нагрузки сможет проводиться одним оставшимся полупроводником с отрицательным напряжением на затворе. По этой причине на Фиг. 3 соответственно пунктиром показана средняя манипуляция по переключению, так как она в данном случае, если величина этого тока уже достаточно мала, может осуществляться одновременно с предыдущей манипуляцией по переключению.
L
L
L
GE,pos
GE,neg
За счет переключения со смещением по времени точное знание прохождения через нуль тока нагрузки i больше не требуется. Как перед прохождением через нуль, так и после прохождения через нуль ток нагрузки i может проводиться полупроводниковыми переключателями 1 последовательной схемы 2. Тем самым отпадает обычно требующееся для RC-IGBT точное определение прохождения тока через нуль, при котором все обратнопроводящие биполярные транзисторы с изолированным затвором изменяют управляющее напряжение на затворе. Кроме того, за счет распределения тока нагрузки i лишь на небольшое количество или, соответственно, только не один полупроводниковый переключатель 1 гарантируется, что ток через этот полупроводниковый переключатель 1 достаточно велик, чтобы предотвратить резкое восстановление обратного сопротивления току. Можно также этот способ, т.е. управление со смещением по времени отдельными полупроводниковыми переключателями 1 одной параллельной схемы 2 предусмотреть и для перехода с режима биполярного транзистора с изолированным затвором на диодный режим. При этом напряжения для управления последовательно меняются с положительного управляющего U на отрицательное управляющее напряжение U.
L
На Фиг. 4 показан пример выполнения преобразователя тока с последовательной схемой 16 из двух параллельных схем 2, причем эти отдельные параллельные схемы 2 содержат по два полупроводниковых переключателя 1 каждая. Место 18 подключения этой последовательной схемы образует фазный вывод 17. На фазном выводе 17 установлен датчик 6 тока для измерения тока нагрузки i. Этот датчик 6 тока передает результаты своих измерений на блок 7 регулирования. Блок 7 регулирования соединен с управляющим блоком 4. Управляющий блок 4 в этом примере выполнения образован посредством двух частей 5 одного управляющего блока 4. Первая часть 5 управляющего блока 4 управляет полупроводниковыми переключателями 1, которые соединены с положительным потенциалом P+ промежуточного контура. Другая часть 5 управляющего блока 4 управляет полупроводниковыми переключателями 1, которые соединены с отрицательным потенциалом P- промежуточного контура. Охарактеризованные токи i+ и i- текут в соответствующих полупроводниковых переключателях 1 от коллектора к эмиттеру. Таким образом, положительный ток i+ и отрицательный i- представляет работу в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором, а отрицательный ток i+ и i- представляет работу в диодном режиме соответствующего полупроводникового переключателя 1. Представленный здесь преобразователь 15 тока может быть расширен еще и на другие фазы с соответствующими другими фазными выводами 17, причем эти дополнительные фазы также могут регулироваться и управляться посредством блока 7 регулирования.
Отдельные фазы соединяются друг с другом на их потенциалах P+ и P- промежуточного контура. Обычно преобразователи 15 тока имеют три фазных вывода 17 для одной системы переменного тока. Далее, можно также при двух фазных выводах предусмотреть один фазный вывод для фазы, а второй фазный вывод для нулевого провода.
Для того, чтобы подключенную к фазному выводу 17 нагрузку обеспечить электрической энергией, этот фазный вывод 17 соединяется с одним из обоих потенциалов P+ или P- промежуточного контура. Это происходит через соответствующую параллельную схему 2 с полупроводниковыми переключателями 1. При этом используется, например, широтно-импульсная модуляция. Таким образом, проводящими являются либо полупроводниковые переключатели 1, соединенные с положительным потенциалом P+ промежуточного контура, либо полупроводниковые переключатели 1, соединенные с отрицательным потенциалом P-. Состояние, при котором как полупроводниковые переключатели, соединенные с положительным потенциалом, так и полупроводниковые переключатели, соединенные с отрицательным потенциалом, являются проводящими, должно безусловно предотвращаться, так как в противном случае может произойти короткое замыкание в промежуточном контуре, при котором соединяются оба потенциала P+ и P-. Это привело бы к высоким токам короткого замыкания. Переключение проводимости между полупроводниковыми переключателями 1, которые связаны с положительным потенциалом P+ промежуточного контура, и полупроводниковыми переключателями 1, которые связаны с отрицательным потенциалом P+ промежуточного контура, обозначается как коммутирование. Процесс выключения при этом обозначается как размыкание.
L
L
GE,neg
1
L
2
1
На Фиг. 5 показана временная характеристика управления этих полупроводниковых переключателей 1 указанной параллельной схемы 2 во время коммутации при устройстве по Фиг. 4. При этом полупроводниковые переключатели 1 этой параллельной схемы 2 находятся в диодном режиме. При полупроводниковых переключателях 1, связанных с положительным потенциалом P+, это случай, когда ток нагрузки i отрицательный, или же при полупроводниковых переключателях 1, которые связаны с отрицательным потенциалом P+ промежуточного контура, это случай, когда ток нагрузки i положительный. Полупроводниковые переключатели 1 для реализации диодного режима управляются отрицательным управляющим напряжением U. В момент времени t управление по меньшей мере одного полупроводникового переключателя 1 переходит с отрицательного напряжения на положительное напряжение. Если такие параллельные схемы 2 содержат больше двух полупроводниковых переключателей 1, то последовательно или одновременно (с меньшими затратами на управление) несколько полупроводниковых переключателей 1 могут менять свое управляющее напряжение с отрицательного напряжения на положительное напряжение. Остаются управляемыми отрицательным напряжением лишь столько полупроводниковых переключателей 1, сколько необходимо, чтобы пропускать ток нагрузки i. Этим гарантируется также, что будет надежно предотвращаться резкое восстановление обратного сопротивления току i через этот полупроводниковый переключатель 1. В момент времени t, который по времени наступает позже, чем момент t, должна происходить коммутация на соответствующие другие полупроводниковые переключатели этой последовательной схемы. Находящиеся при этом в диодном режиме полупроводниковые переключатели выдают ток. При этом должно гарантироваться, что эти полупроводниковые переключатели 1 указанной параллельной схемы 2 не управляются положительным управляющим напряжением. Этого нужно избегать потому, что полупроводниковые переключатели другой части этой последовательной схемы, которые тогда работают в режиме биполярного транзистора с изолированным затвором, после коммутации управляются положительным напряжением на затворе. Таким образом, полупроводниковые переключатели, на которых ток отключен, больше не могут управляться положительным напряжением на затворе, так как в противном случае могло бы произойти короткое замыкание в промежуточном контуре. Полупроводниковые переключатели 1, которые отсоединены от тока, могут управляться любым отрицательным напряжением или даже нулевым напряжением.
Резюмируя, можно сказать, что данное изобретение касается способа управления по меньшей мере двумя обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями, причем эти по меньшей мере два обратнопроводящих полупроводниковых переключателя подключены в параллельной схеме. Для улучшения поведения при переключении предлагается, чтобы эти по меньшей мере два подключенных параллельно обратнопроводящих полупроводниковых переключателя по меньшей мере время от времени управлялись различным напряжением. Изобретение касается, далее, переключающего элемента с двумя подключенными параллельно обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями и управляющим блоком или по меньшей мере частью управляющего блока для управления этими обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями, причем датчик тока для определения тока нагрузки, текущего в этой параллельной схеме, может соединяться с блоком регулирования для анализа результатов измерений датчика тока, причем с помощью управляющего блока или с помощью части управляющего блока отдельные обратнопроводящие полупроводниковые переключатели могут управляться соответственно различными напряжениями.