用于平衡电流的方法和设备技术

本发明专利技术公开了一种用于在两个或更多个并联连接的功率半导体开关的接通状态期间平衡该开关的电流的方法和实施该方法的设备，其中每个开关的控制端被驱动器单元驱动。该方法包括：确定通过开关的电流之间的比例，以及，对于每个开关:通过控制开关的驱动器单元的供电电压的电平，基于该比例控制控制端的电压，以及在接通换相瞬变之后，调制驱动器单元的输出，其中调制的占空比被控制以使得控制端的电压从一个电压电平向另一个电压电平转换所需的时间最短。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及平衡并联连接的半导体元件的电流，并且尤其涉及平衡处于静态情形 下的电流。
技术介绍
对于大额定功率不断增长的需求W及半导体器件的物理受限最大电流密度已经 使半导体的并联连接成为对于高功率应用的有吸引力的方法。例如，绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)的并联连接是高功率转换器中广泛使用的方案。 然而，通过该并联连接的电流在并联连接的开关装置之间可能未均匀分布。电 流失衡（currentimbalance)可能出现在接通状态（静态操作）期间和/或换相瞬变 (commutationtransient)期间（动态操作）。如果电流是不平衡的，开关装置的应力也可 能不平衡。应力可集中在某一特定的开关装置或某些特定的开关装置。 为了实现并联连接的开关装置的电流的静态平衡，已经研发了各种方法。该些方 法中的大部分基于降额使用和/或选择半导体。然而，降额使用半导体可 能引起娃裸片利用率的降低，从而成本增加。此外，可能必须对半导体裸片进行选择W确保 每个裸片的操作在数据表中定义的安全操作区域内。根据某些装置参数（例如栅极-发射 极阔值电压、切换次数、接通状态电压等）挑选半导体可能使得在选择工序 中产生额外费用，并且因而使得维修（service)、维护和更换转换器零件复杂化。 可基于集电极电流测量、通过对栅极-发射极电压的最大值进行主动调 节控制来平衡电流。然而，由于需要测量装置电流，因此该种方法可能太昂贵W至于难W在 商用转换器中实施。此外，由于半导体的静态平衡与动态平衡的禪合，对栅极-发射极电压 的最大值的主动控制可表现出低性能。 电流平衡还可通过转换器结构关于杂散电感的对称设计 (包括机械布局）来实现。该种方法的缺点在于转换器的对称实施可产生更高的开发和制 造成本并且增加了对转换器的机械布局和设计的限制。 所有上述措施都可能引起在材料、开发成本和制造成本的额外支出，并且使维修 夏杂和困难。
技术实现思路
[000引本专利技术的目的在于提供一种方法和用于实施该方法的设备，W缓解上述缺点。本 专利技术的目的通过由在独立权利要求中阐述的内容所表征的方法和设备来实现。在从属权利 要求中公开了本专利技术的优选实施方式。 本专利技术基于在开关的接通状态（即导通状态）期间控制并联连接的功率半导体开 关的控制端电压（例如，栅极-发射极电压或者栅极-源极电压）的值，W实现功率半导体 开关的静态电流平衡。通过在接通换相瞬变之后控制控制端电压能够达到的最大值，可W 将静态电流平衡和动态电流平衡分离。 通过控制向用于驱动开关的控制端处的电压的驱动器单元供电的供电电压，可W 控制控制端电压的最大值能够。例如，驱动器单元可W是栅极驱动器电路。通过使用诸如 DC-DC开关转换器，可响应于供电控制信号而产生供电电压。 基于通过功率半导体开关的电流之间的比例，可W控制控制端电压。例如，基于半 导体开关的主路径中的电感上的电压可W确定通过开关的电流。装置电流的直接测量能被 避免，并且本方法可W在不需要昂贵支出和大量另外的元件的情况下实现。 为了在调节控制端电压时改进动态响应，当DC-DC转换器改变其输出电压时，栅 驱动器单元的输出可被脉冲宽度调制。 本公开的方法和设备能够使并联连接的IGBT的静态平衡和动态平衡分离并表现 出快动态响应和高稳定性。本公开的方法和设备允许各类并联半导体装置（如IGBT、金属 氧化物半导体场效应管（M0SFET)、集成栅极换流晶间管（IGCT))的静态电流平衡，其允许 并不复杂的转换器的维修和半导体模块和/或栅极单元的更换。 在本公开方法和设备中，能在增加很少损耗或不增加损耗的同时，保持低的成本、 重量和体积。本公开的方法和设备具有高可靠性。因而，能够在转换器的开发，制造和维修 期间节省劳务费用。【附图说明】 接下来，将参考附图借助优选的实施方式更详细地描述本专利技术，其中： 图1是本方法示例性实施的框图； 图2示出了IGBT的简化模型； 图3a至3c例示了通过积分键合电压进行估计的概念； 图4示出了基于对IGBT的键合电感两端电压进行积分的简化示例性电流测量； 图5a至5c例示了通过比较进行估计的概念； 图6示出了基于通过比较进行的估计的简化示例性电流测量；[002引图7例示了充当向驱动器单元供电的供电单元的DC-DC转换器的示例性实施； 图8a至8c示出了DC-DC转换器的一些示例性波形； 图9示出了适用于图1中的驱动器单元的功率级的示例性实施； 图10示出了驱动器单元功率级和供电单元的示例性波形； 图11示出了本公开的方法的实施方式的示例性波形； 图12a至12f示出了用于传统平衡方法的两个并联连接的IGBT的示例性静态平 衡；W及 图13a至13f示出了用于新公开平衡方法的两个并联连接的IGBT的示例性静态 平衡。【具体实施方式】 本公开提出了一种用于在开关的接通状态期间平衡两个或更多个并联连接的功 率半导体开关的电流的方法，其中每个开关的控制端由驱动单元驱动。 本公开还描述了用于实施该方法的设备。例如，一个频率转换器或更多个并联连 接的频率转换器可充当该样的设备。 半导体开关通常在W下两种状态之一下操作：断开状态（非导通状态）或接通状 态（导通状态）。控制端电压用于驱动该样的开关进入该些状态。在诸如IGBT、M0SFET、IGCT的某些开关装置的接通状态中，通过开关装置的电流还响应于其控制端的电压电平。 因此，为了在功率半导体开关的接通状态期间实现该开关的平衡电流（即开关的静态电流 平衡），可W调节用于驱动开关至接通状态的驱动器单元输出的电压电平。[003引为了平衡电流，首先确定开关的电流之间的当前比例。然后，对于每个开关，可基 于该比例控制控制端的电压。可通过控制开关的驱动器单元所使用的供电电压的电平，来 控制控制端的电压。如果在开关的换相瞬变之后调节控制端的电压电平，则能将动态电流 平衡与静态电流平衡分离，使得它们不会互相干扰。 在本方法的一些实施例中，在接通换相瞬变之后，可W对每个开关的驱动器单元 的输出进行脉冲宽度调制。脉冲宽度调制（PWM)的占空比可被控制使得控制端电压从一个 电压电平向另一电压电平转换所需的时间最短。 图当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在两个或更多个并联连接的功率半导体开关的接通状态期间、平衡所述开关的电流的方法，其中每个开关的控制端由驱动器单元驱动，其中所述方法包括：确定通过所述开关的电流之间的比例；以及，对于每个开关：通过控制所述开关的所述驱动器单元的供电电压的电平，基于所述比例控制所述控制端的电压，以及在接通换相瞬变之后，调制所述驱动器单元的输出，其中所述调制的占空比被控制以使得所述控制端的电压从一个电压电平向另一个电压电平转换所需的时间最短。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：伊格纳西奥·利扎马，罗德里戈·阿隆索·阿尔瓦雷斯瓦伦祖埃拉，斯特芬·贝尔内特，马蒂·莱蒂宁，
申请(专利权)人：ABB公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI