УПРАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛ-ОКСИД-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПОЛЕВЫМ ТРАНЗИСТОРОМ
CONTROL OF METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FIELD-EFFECT TRANSISTOR

Изобретение относится к способу и к системе управления для управления металл-оксид- полупроводникового полевого транзистора (MOSFET= Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor - металл-оксид- полупроводниковый транзистор с полевым эффектом), в частности, к MOSFET на основе полупроводника с широкой запрещенной зоной (Wide-Bandgap Semiconductor).
Поведение MOSFET в режиме переключения сильно зависит от эксплуатационных условий, при которых эксплуатируется MOSFET, в частности, от рабочего напряжения, которое прилагается в выключенном состоянии к MOSFET между стоком и истоком MOSFET, и от рабочей температуры MOSFET. Для вариантов применения MOSFET требуется предсказуемое и неизменное поведение MOSFET в режиме переключения, чтобы выдерживать граничные условия, например, для перенапряжения при отключении MOSFET, и для электромагнитной совместимости. В настоящее время именно в вариантах применения с сильно колеблющимися условиями эксплуатации широко используют MOSFET на основе полупроводников с широкой запрещенной зоной, например, в тяговых преобразователях, в которых может значительно колебаться рабочее напряжение.
US 2017/0155250 A1 раскрывает способ и устройство для управления электрического или электронного переключающего элемента, причем может модулироваться PWM-сигнал (ШИМ, широтно-импульсной модуляции) для управления переключающего элемента в зависимости от напряжения питания и/или от температуры окружающей среды переключающего элемента
US 2017/0021733 A1 раскрывает устройство для управления несколькими переключающими элементами преобразователя, которые предназначены для уменьшения скорости переключения каждого переключающего элемента при снижении атмосферного давления, снижении температуры окружающей среды и/или при возрастании входного напряжения.
В основу изобретения положена задача создания способа и системы управления для управления MOSFET, которые улучшены в отношении постоянства поведения MOSFET в режиме переключения при переменных условиях эксплуатации.
Задача согласно изобретению решается посредством способа с признаками пункта 1 формулы изобретения и системы управления с признаками пункта 8 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения представляют собой предмет зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствующем изобретению способе управления MOSFET, в частности, основанного на полупроводнике с широкой запрещенной зоной MOSFET, формируют блок рабочих характеристик, в котором, в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра, воздействующего на поведение MOSFET в режиме переключения, заложено противодействующее изменению поведения в режиме переключения посредством по меньшей мере одного рабочей параметра изменение по меньшей мере одной управляющей величины, используемой для управления MOSFET, относительно контрольного управляющего значения управляющей величины. При работе MOSFET определяется фактическое значение по меньшей мере одного рабочего параметра, и производится изменение по меньшей мере одной управляющей величины относительно ее контрольного управляющего значения согласно блоку рабочих характеристик в зависимости от фактического значения по меньшей мере одного рабочего параметра.
В изобретении используется то, что зависимость поведения MOSFET в режиме переключения от рабочих параметров, воздействующих на поведение в режиме переключения, может быть очень точно отображена характеристическими кривыми, которые описывают управляющие величины, применяемые для управления MOSFET, в зависимости от рабочих параметров. Изобретением предусматривается формирование блока рабочих характеристик, который имеет одну или несколько величин, которые в каждом случае учитывают изменения управляющей величины относительно контрольного управляющего значения в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра, которые необходимы, чтобы противодействовать изменениям поведения в режиме переключения вследствие по меньшей мере одного рабочего параметра. Управляющие величины устанавливаются согласно блоку рабочих характеристик в зависимости от фактических значений по меньшей мере одного рабочего параметра. Тем самым может быть компенсировано воздействие по меньшей мере одного рабочего параметра на поведение MOSFET в режиме переключения так, что поведение MOSFET в режиме переключения стабилизируется.
Вариантами осуществления изобретения предусматривается, что в блоке рабочих характеристик заложено изменение управляющего напряжения включения для включения MOSFET, изменение управляющего напряжения выключения для выключения MOSFET, изменение сопротивления затвора при включении для включения MOSFET, и/или изменение сопротивления затвора при выключении для выключения MOSFET, в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра. Другими словами, эти варианты осуществления изобретения предусматривают управляющее напряжение включения, управляющее напряжение выключения, сопротивление затвора при включении и/или сопротивление затвора при выключении для MOSFET в каждом случае как регулируемый параметр, изменение которого в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра заложено в блоке рабочих характеристик. Эти варианты осуществления изобретений благоприятным образом обеспечивают возможность непосредственного влияния напряжения затвор-исток MOSFET для включения и/или выключения MOSFET в зависимости по меньшей мере от одного рабочего параметра.
Дополнительные варианты осуществления изобретения предусматривают, что в блоке рабочих характеристик заложено изменение по меньшей мере одной управляющей величины в зависимости от рабочего напряжения и/или рабочей температуры MOSFET. Эти варианты осуществления изобретения принимают во внимание, что поведение MOSFET в режиме переключения прежде всего зависит от рабочего напряжения и рабочей температуры, и поэтому поведение MOSFET в режиме переключения может быть стабилизировано прежде всего компенсацией влияния этих обоих рабочих параметров.
Соответствующая изобретению система управления для осуществления соответствующего изобретению способа включает блок обработки результатов, который предназначен для хранения блока рабочих характеристик и определения изменения по меньшей мере одной управляющей величины в зависимости от фактической величины по меньшей мере одного рабочего параметра посредством блока рабочих характеристик, и блок управления, который предназначен для управления MOSFET в зависимости от управляющего сигнала с заданным значением по меньшей мере одной управляющей величины, которая изменяется относительно контрольного управляющего значения управляющей величины согласно изменению, определенному блоком обработки результатов.
Варианты осуществления соответствующей изобретению системы управления предусматривают, что блок управления имеет регулируемый источник напряжения включения для генерирования изменяемого управляющего напряжения включения для включения MOSFET, регулируемый источник напряжения выключения для генерирования изменяемого управляющего напряжения выключения для выключения MOSFET, регулируемый резисторный блок включения для создания изменяемого сопротивления затвора при включении для включения MOSFET, и/или регулируемый резисторный блок выключения для создания изменяемого сопротивления затвора при выключении для выключения MOSFET.
Дополнительный вариант осуществления соответствующей изобретению системы управления предусматривает измерительное устройство для регистрации фактических величин по меньшей мере одного рабочего параметра, воздействие которого на поведение MOSFET в режиме переключения учитывается в блоке рабочих характеристик. Например, измерительное устройство рассчитано на регистрацию фактических величин рабочего напряжения и/или рабочей температуры MOSFET.
Соответствующая изобретению система управления позволяет исполнять соответствующий изобретению способ. Преимущества соответствующей изобретению системы управления тем самым соответствуют вышеуказанным преимуществам соответствующего изобретению способа, и здесь отдельно еще раз не приведены.
Соответствующий изобретению преобразователь, в частности, преобразователь тягового тока, имеет по меньшей мере один MOSFET, в частности, MOSFET на основе полупроводника с широкой запрещенной зоной, и соответствующую изобретению систему управления для управления MOSFET. Изобретение особенно пригодно для управления MOSFET тягового преобразователя, так как рабочее напряжение тягового преобразователя может значительно колебаться, и тем самым может изменяться поведение MOSFET в режиме переключения.
Вышеописанные свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также способ, которым они достигаются, станут яснее и явно более понятными в связи с нижеследующим описанием примеров осуществления, которые подробнее разъясняются в сочетании с чертежами. Как при этом показано:
ФИГ. 1 представляет схему соединений MOSFET и первый пример осуществления системы управления для управления MOSFET,
ФИГ. 2 представляет схему соединений блока управления для управления MOSFET,
ФИГ. 3 представляет характеристическую кривую для изменения управляющего напряжения включения в зависимости от рабочего напряжения MOSFET,
ФИГ. 4 представляет схему соединений преобразователя я,
ФИГ. 5 представляет технологическую блок-схему способа управления MOSFET.
Соответствующие друг другу детали снабжены в Фигурах одинаковыми кодовыми номерами позиций.
ФИГ. 1 показывает схему соединений MOSFET 1 и первый пример осуществления соответствующей изобретению системы 3 управления для управления и MOSFET 1.
MOSFET 1 выполнен как обычный запертый n-канальный MOSFET, который основан на полупроводнике с широкой запрещенной зоной, например, на карбиде кремния или нитриде галлия.
Система 3 управления включает блок 5 управления, блок 7 обработки результатов и измерительное устройство 9.
Измерительное устройство 9 предназначено для регистрации рабочей температуры Т и рабочего напряжения U MOSFET 1 в качестве эксплуатационных характеристик T, U. Для регистрации рабочей температуры Т измерительное устройство 9 имеет температурный датчик 11, например, NTC-термистор (терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом). Рабочее напряжение U измеряют, например, как напряжение сток-исток MOSFET 1 между стоком D и истоком S в выключенном состоянии MOSFET 1.
ФИГ. 2 схематически показывает схему соединений блока 5 управления. Блок 5 управления включает регулируемый источник 13 напряжения включения для генерирования изменяемого управляющего напряжения U1 включения для включения MOSFET 1, регулируемый источник 15 напряжения выключения для генерирования изменяемого управляющего напряжения U2 выключения для выключения MOSFET 1, регулируемый резисторный блок 17 включения для создания изменяемого сопротивления R1 затвора при включении для включения MOSFET 1, и/или регулируемый резисторный блок 19 выключения для создания изменяемого сопротивления R2 затвора при выключении для выключения MOSFET 1, соединенный с затвором G MOSFET 1 первый контакт 21, и соединенный с истоком S MOSFET 1 второй контакт 23. Резисторный блок 17 включения и резисторный блок 19 выключения имеют, например, в каждом случае многочисленные отдельные резисторы, причем для установления определенного сопротивления R1 затвора при включении, соответственно, сопротивления R2 затвора при выключении, отдельные резисторы в каждом случае могут быть переключаемыми между собой в необходимом количестве.
В каждом случае первый полюс источника 13 напряжения включения и первый полюс источника 15 напряжения выключения постоянно соединены со вторым контактом 23. Для включения MOSFET 1 второй полюс источника 13 напряжения включения замыканием первого выключателя 25 соединяется с первым контактом 21 через резисторный блок 17 включения, и второй полюс источника 15 напряжения выключения размыканием второго выключателя 27 отсоединяется от резисторного блока 19 выключения и от первого контакта 21. Для выключения MOSFET 1 второй полюс источника 15 напряжения выключения замыканием второго выключателя 27 через резисторный блок 19 выключения соединяется с первым контактом 21, и источник 13 напряжения включения размыканием первого выключателя 25 отсоединяется от резисторного блока 17 включения и первого контакта 21. Включение и выключение MOSFET 1 срабатывает от подаваемого блоком 5 управления двоичного управляющего сигнала 12.
Используемое для включения MOSFET 1 управляющее напряжение U1 включения и применяемое для включения MOSFET 1 сопротивление R1 затвора при включении, а также используемое для выключения MOSFET 1 управляющее напряжение U2 выключения и применяемое для выключения MOSFET 1 сопротивление R2 затвора при выключении представляют собой управляющей величины U1, U2, R1, R2 для управления MOSFET 1, которые в каждом случае устанавливаются в зависимости от рабочей температуры Т и рабочего напряжения U MOSFET 1. Для этого в блоке 7 обработки результатов заложен блок рабочих характеристик, в котором изменения ΔU1, ΔU2, ΔR1, ΔR2 этих управляющих величин U1, U2, R1, R2 в каждом случае соотносятся с контрольным управляющим значением в зависимости от рабочей температуры Т и рабочего напряжения U, которые противодействуют обусловленному рабочей температурой Т и рабочим напряжением U изменению поведение MOSFET 1 в режиме переключения.
Блок 7 обработки результатов для рабочей температуры Т и рабочего напряжения U, которые зарегистрированы измерительным устройством 9, посредством блока рабочих характеристик определяет изменения ΔU1, ΔU2, ΔR1, ΔR2 относительно их соответствующих контрольных управляющих значений, и передает изменения ΔU1, ΔU2, ΔR1, ΔR2 в блок 5 управления. Блок 5 управления устанавливает управляющее напряжение U1 включения, управляющее напряжение U2 выключения, сопротивление R1 затвора при включении и сопротивление R2 затвора при выключении соответствующее управляющее значение, измененное относительно контрольного управляющего значения.
ФИГ. 3 показывает в качестве примера характеристическую кривую блока рабочих характеристик для изменения ΔU1 управляющее напряжение U1 включения в зависимости от рабочего напряжения U относительно контрольного управляющего значения для управляющего напряжения U1 включения. Следующее из характеристической кривой для рабочего напряжения U значение ΔU1 добавляется к контрольному управляющему значению для управляющего напряжения U1 включения.
ФИГ. 4 показывает схему соединений преобразователя 30 с MOSFET 1 и второй пример осуществления соответствующей изобретению системы 3 управления для управления MOSFET 1. Преобразователь 30 представляет собой пример тягового преобразователя с дополнительными (здесь не представленными) MOSFET 1, которые известным путем соединения с образованием полумоста или полного моста, и дополнительной системой 3 управления для каждого дополнительного MOSFET 1. Системы 3 управления в этом примере осуществления отличаются от показанного на ФИГ. 1 примера осуществления только тем, что они не имеют измерительного устройства 9 для регистрации рабочей температуры Т и рабочего напряжения U MOSFET 1. Вместо этого в блок 7 обработки результатов каждой системы 3 управления вводятся фактические величины рабочей температуры Т и рабочего напряжения U от управляющего устройства 29 преобразователя 30, которое также посылает управляющий сигнал 12 на блок 5 управления системы 3 управления.
ФИГ. 5 показывает технологическую блок-схему одного примера осуществления соответствующего изобретению способа для управления MOSFET 1 со сформированной согласно ФИГ. 1 или ФИГ. 4 системой 3 управления.
На первом этапе S1 способа формируют блок рабочих характеристик, в котором заложены изменение ΔU1 управляющего напряжения U1 включения, изменение ΔU2 управляющего напряжения U2 выключения, изменение ΔR1 сопротивления R1 затвора при включении и изменение ΔR2 сопротивления R2 затвора при выключении, в каждом случае в зависимости от рабочей температуры Т и рабочего напряжения U MOSFET 1. Блок рабочих характеристик сохраняется в блоке 7 обработки результатов системы 3 управления.
На втором этапе S2 способа определяют данную в настоящий момент рабочую температуру Т и данное в настоящий момент рабочее напряжение U MOSFET 1 (то есть, фактические величины рабочей температуры Т и рабочего напряжения U), и вводят в блок 7 обработки результатов.
На третьем этапе S3 способа по зарегистрированным на втором этапе S2 способа значениям рабочей температуры Т и рабочего напряжения U в блоке 7 обработки результатов на основе блока рабочих характеристик определяются изменения ΔU1, ΔU2, ΔR1, ΔR2 управляющего напряжения U1 включения, управляющего напряжения U2 выключения, сопротивления R1 затвора при включении и сопротивления R2 затвора при выключении относительно их соответствующих контрольных управляющих значений, и передаются в блок 5 управления.
На четвертом этапе S4 способа блоком 5 управления управляющее напряжение U1 включения, управляющее напряжение U2 выключения, сопротивление R1 затвора при включении и сопротивление R2 затвора при выключении в каждом случае устанавливаются на управляющее значение, которое изменяется относительно данного контрольного значения настройки, добавлением определенных на третьем этапе S3 способа изменений ΔU1, ΔU2, ΔR1, ΔR2 по отношению к контрольному значению настройки. После четвертого этапа S4 способа осуществление способа продолжается со второго этапа S2 способа.
Описанные выше посредством Фигур примеры осуществления соответствующей изобретению системы 3 управления и соответствующего изобретению способа могут быть изменены различными путями до альтернативных примеров осуществления. Например, изменения ΔU1, ΔU2, ΔR1, ΔR2 управляющего напряжения U1 включения, управляющего напряжения U2 выключения, сопротивления R1 затвора при включении и сопротивления R2 затвора при выключении относительно соответствующих контрольных управляющих значений могут быть определены и установлены в зависимости либо только от рабочей температуры Т и либо только от рабочего напряжения U, вместо в зависимости как от рабочей температуры Т, так и от рабочего напряжения U. Кроме того, может быть предусмотрено, что определяются и устанавливаются изменения ΔU1, ΔU2, ΔR1, ΔR2 только подмножества управляющих величин U1, U2, R1, R2 относительно соответствующих контрольных управляющих значений в зависимости от рабочей температуры Т и/или рабочего напряжения U, например, только изменения ΔU1, ΔU2 управляющего напряжения U1 включения, управляющего напряжения U2 выключения, или только изменения ΔR1, ΔR2 сопротивления R1 затвора при включении и сопротивления R2 затвора при выключении. Кроме того, в случае учета рабочей температуры Т может быть предусмотрено определение моментальной рабочей температуры Т MOSFET 1 с помощью зависимого от температуры электрического параметра MOSFET 1, например, как описано в работе авторов M. Denk и M. M. Bakran, «IGBT Gate Driver with Accurate Measurement of Junction Temperature and Inverter Output Current», в материалах PCIM Europe 2017; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Нюрнберг, Германия, 2017, стр. 1-8, или моментальной рабочей температуры Т с помощью модели, которая оценивает рабочую температуру Т с использованием других условий эксплуатации.
Альтернативные показанному в ФИГ. 4 примеры осуществления преобразователя 19 получаются заменой указанной в ФИГ. 4 системы 3 управления системой 3 управления описанного в ФИГ. 1 примера осуществления, или одним из вышеуказанных модифицированных примеров осуществления.
Хотя изобретение было подробно иллюстрировано и описано на предпочтительных примерах осуществления, изобретение все же не ограничивается раскрытыми примерами, и специалистом могут быть выведены из него другие варианты, без выхода за пределы области правовой охраны изобретения.