本發(fā)明一般地涉及用于使串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件電壓平衡的方法、用于使串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件電壓平衡的電路、用于使串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件動態(tài)電壓平衡的方法以及用于使串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件在接通期間動態(tài)電壓平衡的電路。

背景技術(shù)：

當(dāng)功率開關(guān)模塊(例如，IGBT模塊/器件)串聯(lián)連接并開關(guān)時，所測得的每個器件的集電極到發(fā)射極的電壓在任何時候都不應(yīng)超過最大額定值。但是，考慮靜態(tài)的關(guān)斷(OFF)情形，由于在模塊之間的參數(shù)不平衡，當(dāng)該串聯(lián)器件關(guān)斷時，器件兩端的電壓可能不保持為恒定的，因為模塊的輸出電容可以充電和放電。因此，最好采取措施來確保在器件關(guān)斷時每個器件兩端的電壓都保持于模塊的額定值之內(nèi)。

所謂的“靜態(tài)均壓(voltage sharing)”一般會使在串聯(lián)連接的每個個體IGBT模塊兩端的電壓保持平衡，使得在器件關(guān)斷時任何一個器件都不會超過其電壓額定值。

同樣地，最好在切換沿(switching edge)期間提供“動態(tài)均壓”。如果整串(a chain of)器件不同步切換，例如，由于某個器件提前或延遲切換，則器件可能會被破壞。例如，在器件接通時，有可能某個器件還落在后面，并且它將會很快地受到全阻斷電壓的作用。動態(tài)均壓一般會使在串聯(lián)連接的每個個體IGBT模塊兩端的電壓保持平衡，使得任何一個器件在開關(guān)期間都不會超過其電壓額定值。

一種均壓技術(shù)涉及使用與功率開關(guān)器件并聯(lián)的一系列電壓平衡電阻器。還可以并聯(lián)地使用某些電容器件來支配IGBT模塊的電容。但是，這樣的附加電路可能會尺寸較大且浪費(fèi)電力。

其他技術(shù)一般為反饋控制方案，例如，有源電壓控制(AVC)，在有源電壓控制中每個功率開關(guān)器件都具有它自己的反饋回路，這樣的回路一般以相同的參考信號分布曲線來驅(qū)動。這樣的電路可以通過限制IGBT集電極的電壓來防止串聯(lián)的IGBT超出其安全工作極限工作。圖14a和14b分別代表示例的有源電壓控制(AVC)電路和級聯(lián)有源電壓控制(CAVC)電路，這兩個圖各自示出了參考信號正被輸入差分放大器的Vref端子。這樣的AVC或CAVC電路可以應(yīng)用于每個功率開關(guān)器件，與所述器件串聯(lián)連接。AVC的示例見于WO97/43832和WO 2008/032113(均為Patrick Palmer等人的)中。(C)AVC還能夠用于對功率開關(guān)器件進(jìn)行電壓箝位。

此外，就AVC而言，且考慮了例如以上所討論的背景技術(shù)，本發(fā)明人現(xiàn)在認(rèn)為：由于在大的功率開關(guān)模塊內(nèi)的寄生(雜散)電感和電阻，反饋控制方案的實際實現(xiàn)是困難的。在這點(diǎn)上，本發(fā)明人進(jìn)一步認(rèn)為：要使多個IGBT與AVC同步，可以在關(guān)斷時引入電壓平臺(plateau)。這可以使該多個IGBT在短時間內(nèi)保持于線性區(qū)域內(nèi)，以便使切換沿同步。更進(jìn)一步，本發(fā)明人現(xiàn)在公開：在接通時，電流測量和反饋方案將是優(yōu)選的，因為電流在電壓變化之前累積，所以要使器件同步，優(yōu)選的可以是使多個IGBT保持于低電流狀態(tài)。但是，基于電流的控制可能是昂貴的、不精確的、有損失的和/或電流的測量可能是緩慢的。特別地，在沒有功率損失的情況下和/或在動態(tài)范圍較寬的情況下測量很高的電流(例如，數(shù)千安培)是困難的。而且，會減小回路帶寬的反饋回路延遲意味著：可能只有可能控制緩慢切換的器件。較慢的切換一般地可允許更多的控制，但也會導(dǎo)致更高的功耗，即使是在電路被設(shè)計為于0伏特處切換時。

對于某些應(yīng)用(例如，高壓直流(HVDC)轉(zhuǎn)換器和中壓電機(jī)驅(qū)動)，用于串聯(lián)連接的IGBT模塊的解決方案是所特別期望的。例如，在HVDC電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)中，串聯(lián)連接的IGBT模塊能夠被用作AC開關(guān)，在該AC開關(guān)中開關(guān)頻率是低的(100至120次每秒)。系統(tǒng)內(nèi)的損耗主要是IGBT的導(dǎo)通損耗，所以緩慢切換可能不成為問題。但是，在某些故障條件下，IGBT需要在短時間內(nèi)以更高的速率(例如，2kHz)來切換，所以系統(tǒng)設(shè)計需要考慮在故障條件下的較高的切換損耗。較高頻率的切換要求一般意指不能使用其他功率半導(dǎo)體，例如，晶閘管或GTO。因此，對功率開關(guān)器件(例如，IGBT)的改進(jìn)控制是所期望的。

鑒于上述情況，仍然需要提供對具有例如低功耗、精確均壓和/或快速平衡等的串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件(例如，IGBT)的電壓平衡和/或箝位(clamping)。除此之外或作為選擇，對于這樣的電壓平衡和/或電壓箝位，在串聯(lián)連接器件的靜態(tài)的關(guān)斷狀態(tài)和/或動態(tài)的通/斷開關(guān)轉(zhuǎn)換中的改進(jìn)的電壓平衡是期望的，優(yōu)選的是具有較低的元件數(shù)和/或成本等。

為了用來理解本發(fā)明，參考以下公開內(nèi)容：

-EP 0 898 811 B1(劍橋大學(xué)技術(shù)服務(wù)有限公司，Palmer等)，來自與1997年11月20日公開的、申請人和發(fā)明人為Patrick Palmer等的WO 97/43832為同一族的EP 97 921 962.3(1999年3月3日公開)；

-US 2010/0060326 A1(劍橋企業(yè)有限公司，Palmer等)，2010年11月3日公開，與2008年3月20日公開的、申請人和發(fā)明人為Patrick Palmer等的WO 2008/032113為同一族；

-GB 2 488 778 B(Amantys有限公司，Palmer等)，對應(yīng)于2012年12月9日發(fā)布的GB 1 103 806.4；

-US 2005/253165 A1(Pace和Robbins)，2005年11月17日公開。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于使串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件電壓平衡的方法，其中至少一個所述功率開關(guān)器件與相應(yīng)的分流器并聯(lián)連接，每個所述分流器都具有可控的阻抗，用于可控地傳導(dǎo)從相應(yīng)的所述功率開關(guān)器件中分流出的電流，該方法包括：控制每個所述分流器以在功率開關(guān)器件的關(guān)斷期內(nèi)跟隨一系列逐個增高的阻抗?fàn)顟B(tài)，該系列阻抗?fàn)顟B(tài)包括至少兩個所述阻抗?fàn)顟B(tài)，其中每個所述系列阻抗?fàn)顟B(tài)至少包含分流器的第一阻抗以及還有分流器的更高的第二阻抗，該第一阻抗響應(yīng)于關(guān)于關(guān)斷期起始的指示而發(fā)生。

有利地，一種實施例可以允許在關(guān)斷期起始時的電流不平衡由分流器承擔(dān)而不是由功率開關(guān)器件承擔(dān)，該功率開關(guān)器件優(yōu)選地將更多的電流作為不平衡電流(例如，尾電流和/或漏電流)消退(subside)。這可能會導(dǎo)致在功率開關(guān)器件之間的低的電壓不平衡，并因此改善靜態(tài)電壓平衡。

在這點(diǎn)上，分流器可以通過電流，否則該電流會通過相應(yīng)的功率開關(guān)器件。旁通電流將取決于分流器的阻抗(電阻和/或電抗性阻抗)，該分流器優(yōu)選地在功率開關(guān)器件已經(jīng)關(guān)斷之后立即具有第一阻抗?fàn)顟B(tài)。分流器阻抗可以在關(guān)斷期起始之時或之前減少以便具有第一阻抗?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷期的起始可以這樣來指示：例如通過檢測分流器或功率開關(guān)器件的電流基本上達(dá)到零(考慮到例如尾電流)或者預(yù)定的電流水平，或者通過檢測分流器或功率開關(guān)器件兩端的電壓達(dá)到預(yù)定水平，和/或到至少一個分流器的關(guān)斷信號被激活時(可任選地應(yīng)用預(yù)定的延遲，以隨后提供關(guān)于關(guān)斷期的起始的指示)。阻抗增加可以涉及2、3或更大，優(yōu)選為預(yù)定義的、離散的阻抗?fàn)顟B(tài)或者形成阻抗的逐漸的、光滑的增加的一部分的阻抗?fàn)顟B(tài)。

而且，該系列阻抗?fàn)顟B(tài)可以根據(jù)分流器控制輸入電平(Zref)和/或從每個狀態(tài)變?yōu)橄乱粻顟B(tài)的時序來預(yù)先定義。為產(chǎn)生分流器的所述阻抗而施加的至少一個這樣的水平可以基于分流器兩端的電壓和/或通過分流器的電流的測量值(例如，使用與分流器串聯(lián)的感測電阻器)來確定。

還可以提供這樣的方法，其中第一阻抗在與分流器并聯(lián)的所述功率開關(guān)器件的尾電流期間出現(xiàn)，并且該系列阻抗?fàn)顟B(tài)的后一個所述阻抗?fàn)顟B(tài)在功率開關(guān)器件的漏電流期間出現(xiàn)。一般地，當(dāng)每個功率開關(guān)器件關(guān)斷時，它將會由于在器件內(nèi)的少數(shù)載流子的再結(jié)合而具有尾電流。這樣的尾電流(例如，從50A起在～20μs內(nèi)消退的尾電流)可以基本上與器件在關(guān)斷之前所載的電流大小成比例，并且如果器件已經(jīng)接通了例如至少20μs，則可以更清楚地看到。一旦尾電流已經(jīng)消退，來自器件的漏電流(一般為微安培的量級)就可以繼續(xù)流過。漏電流一般為DC電流，并且可以是關(guān)于溫度和/或器件特性的差異的函數(shù)。

在這點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)指出，尾電流和漏電流在給定的開關(guān)條件下可以由于制造變化而因器件而異。即使串聯(lián)連接的開關(guān)器件在關(guān)斷時同步切換，尾電流之差和漏電流的不平衡一般地也會意味著在器件兩端的電壓將會發(fā)散。優(yōu)選地，在所有功率開關(guān)器件上的分流器的附加或替代使用可以代表更簡單的用于改進(jìn)或?qū)崿F(xiàn)均壓的技術(shù)。

鑒于上述情況，后一個阻抗?fàn)顟B(tài)可以響應(yīng)于檢測到尾電流的結(jié)束和/或響應(yīng)于檢測到漏電流而出現(xiàn)。同樣，第一電阻可以響應(yīng)于檢測到尾電流的起始而出現(xiàn)。任一這樣的電流都可以通過例如測量與至少一個分流器串聯(lián)的感測電阻器的電流或電壓(例如，檢測出測量值或其變化率達(dá)到閾值水平)來檢測。

還可以提供這樣的方法，包括：監(jiān)測每個分流器的信號以由此檢測出在所監(jiān)測信號之間的不平衡，其中每個所述信號均指示通過分流器的電流和分流器兩端的電壓中的至少一項，其中至少一個所述分流器的所述逐個增高的阻抗?fàn)顟B(tài)中的至少一個阻抗?fàn)顟B(tài)響應(yīng)于檢測到所述不平衡的減小而出現(xiàn)。對來自相應(yīng)的分流器的信號的監(jiān)測和控制可以集中執(zhí)行，例如在從分流器中接收反饋的中央閥控制器處集中執(zhí)行。因而，控制器可以檢測出指示這樣的不平衡的信號之間的差值。

還可以提供這樣的方法，其中分流器的所述逐個增高的阻抗?fàn)顟B(tài)中的至少一個阻抗?fàn)顟B(tài)在所監(jiān)測的該分流器的和至少一個(優(yōu)選為全部)別的所述分流器的所述信號之間的最大檢測差小于預(yù)定大小時出現(xiàn)。該大小可以是預(yù)定的閾值，或者是所監(jiān)測信號的最小值、平均值或最大值的預(yù)定分?jǐn)?shù)或百分比。因而，全部分流器都可以在代表不平衡程度的最大差值達(dá)到該大小時更改為下一個阻抗?fàn)顟B(tài)。這可以應(yīng)用于從該系列中的一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)的一次或更多次轉(zhuǎn)換(例如，最后一次轉(zhuǎn)換)。

還可以提供這樣的方法，其中至少一個所述分流器的所述逐個增高的阻抗?fàn)顟B(tài)中的至少一個狀態(tài)(例如，第二個或后一個)(優(yōu)選為全部)在從關(guān)于關(guān)斷期的起始的指示起的預(yù)定時間延遲處出現(xiàn)。因而，狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換的時序可以預(yù)先確定，而非響應(yīng)于信號監(jiān)測來確定。

還可以提供這樣的方法，包括在從關(guān)于關(guān)斷期的起始的指示起的預(yù)定時間處關(guān)斷至少一個(優(yōu)選為全部)分流器。

因而，可以控制分流器以使它們在預(yù)定的時間處具有該系列中的最高電阻狀態(tài)。從而可以限制在關(guān)斷期起始時的電壓平衡的持續(xù)時間，使得正常的開環(huán)或閉環(huán)(例如，使用AVC)控制可以接管。

還可以提供這樣的方法，包括同步地控制分流器阻抗。因而，這種可使在一連串功率開關(guān)器件上的分流器的阻抗增加的狀態(tài)間轉(zhuǎn)換可以基本上(例如，精確地)同時發(fā)生，優(yōu)選地在中央控制器的控制之下。

還可以提供這樣的方法，其中功率開關(guān)器件包括IGBT。例如，可以使用垂直的IGBT，這些IGBT一般優(yōu)選用于高功率的、高電壓的應(yīng)用。一般地，功率開關(guān)器件可以是任何非閉鎖型功率開關(guān)。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了用于使串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件電壓平衡的電路，該電路包含：配置用于與相應(yīng)的所述功率開關(guān)器件并聯(lián)連接的至少一個分流器；配置用于接收關(guān)于功率開關(guān)器件的關(guān)斷期的起始的指示的控制電路；該控制電路還被配置用于控制每個所述分流器的阻抗以在關(guān)斷期內(nèi)跟隨一系列逐個增高的阻抗?fàn)顟B(tài)，該系列包括至少兩個所述阻抗?fàn)顟B(tài)，其中每個所述系列都至少包含分流器的第一阻抗以及還有分流器的更高的第二阻抗。

類似于第一方面，這可能會導(dǎo)致在功率開關(guān)器件之間的低的電壓不平衡并因此改善靜態(tài)電壓平衡。

還可以提供這樣的電路，其中指示包括用于觸發(fā)功率開關(guān)器件的關(guān)斷的關(guān)斷信號。因而，該指示可以是用于啟動關(guān)斷全部功率開關(guān)器件(例如，IGBT)的信號，并且可以接收自中央閥控制器。作為選擇，該信號可以用于啟動對各自功率開關(guān)器件的關(guān)斷。

還可以提供這樣的電路，其中控制電路被配置用于從每個分流器接收指示通過分流器的電流和分流器兩端的電壓中的至少一項的信號，并且基于該信號來控制每個分流器，使得該第一阻抗在與分流器并聯(lián)的所述功率開關(guān)器件的尾電流期間出現(xiàn)，并且該系列阻抗?fàn)顟B(tài)的后一個所述阻抗?fàn)顟B(tài)在功率開關(guān)器件的漏電流期間出現(xiàn)。

還可以提供這樣的電路，其中控制電路被配置用于檢測通過功率開關(guān)器件的尾電流的結(jié)束，并且用于響應(yīng)于所述檢測而控制分流器以使其具有后一個阻抗。

還可以提供這樣的電路，包括：具有用于從每個所述分流器接收用于指示通過分流器的電流和分流器兩端的電壓中的至少一項的信號的輸入的控制電路，該控制電路被配置用于監(jiān)測在所接收的信號之間的不平衡，并且用于響應(yīng)于檢測到所述不平衡的減小而觸發(fā)分流器的至少一個所述逐個增高的阻抗?fàn)顟B(tài)。

還可以提供這樣的電路，其中分流器包括具有可控阻抗的IGBT或MOSFET，該分流器優(yōu)選為Si或SiC器件。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種用于使串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件動態(tài)電壓平衡的方法，每個所述功率開關(guān)器件與具有用于可控地傳導(dǎo)從功率開關(guān)器件分流出的電流的可控阻抗的相應(yīng)分流器并聯(lián)耦接，該方法包括：(a)控制每個所述分流器以使其具有第一阻抗，其中功率開關(guān)器件是關(guān)斷的；然后(b)控制每個所述分流器以使其具有更高的第二阻抗，從而促使電流從分流器換向至與該分流器并聯(lián)耦接的功率開關(guān)器件；并且(c)使每個所述功率開關(guān)器件完全接通。

在一種實施例中，功率開關(guān)器件從而可以通過允許相應(yīng)的分流器傳導(dǎo)由其第一阻抗確定的初始的“已知”電流而以受控的方式接通，該電流實際上隨后在分流器改變至其第二阻抗時被傳遞給功率開關(guān)器件。(該電流的傳遞可以允許功率開關(guān)器件在還沒有完全接通(例如，飽和)時就進(jìn)入其活動區(qū))。因而，在動態(tài)接通期間通過功率開關(guān)器件的電流增加的時序以及電流增加的水平可以得以控制。從而可以減小由功率開關(guān)模塊之間的差異引起的電壓不平衡，例如，輸出電容。在這點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)指出，如果每個分流器在完全接通器件的步驟之前都具有包括第一及第二阻抗在內(nèi)的一系列遞增的阻抗?fàn)顟B(tài)以及多個已增大阻抗中的額外的一個，則可能發(fā)生超過兩次從每個分流器到相應(yīng)的功率開關(guān)器件的電流換向。

還可以提供這樣的方法，其中每個分流器在具有第一阻抗時都受到控制以使預(yù)定義電流在步驟(b)中換向至與分流器并聯(lián)連接的功率開關(guān)器件。

還可以提供這樣的方法，包括使用反饋回路來控制相應(yīng)的所述功率開關(guān)器件，每個所述反饋回路都包含從與功率開關(guān)器件并聯(lián)耦接的分流器接收用于指示通過分流器的電流和分流器兩端的電壓中的至少一項的反饋信號的差分放大器，其中該差分放大器基于在參考信號與所述反饋信號之間的差異來控制相應(yīng)的功率開關(guān)器件，其中對于每個所述反饋回路，步驟(b)都包括：為差分放大器設(shè)定參考信號以使其不同于反饋信號；差分放大器響應(yīng)于參考信號與反饋信號之間的差異而開始接通功率開關(guān)器件；檢測反饋回路的穩(wěn)定度；并且然后響應(yīng)于所述變化檢測而增加分流器的阻抗(優(yōu)選為多步地和/或平滑地)，并且其中步驟(c)包括調(diào)整參考信號以促使反饋回路完全接通功率開關(guān)器件。

這樣的差分放大器可以包括任意類型的比較器并且優(yōu)選為模擬的，例如，以運(yùn)算放大器來實現(xiàn)。

還可以提供這樣的方法，其中檢測反饋回路的穩(wěn)定度包括檢測反饋信號的預(yù)定義變化。例如，預(yù)定義變化可以是該差值的預(yù)定義的一部分，例如，參考信號與反饋信號之差的25％、50％、75％。

還可以提供這樣的方法，其中控制每個所述分流器以使其具有更高的第二阻抗包括控制分流器以使其具有一系列逐個增高的阻抗，從而達(dá)到更高的第二阻抗。這樣的阻抗可以是離散的阻抗水平，或者可以是平滑或逐漸增加的阻抗的一部分。

還可以提供這樣的方法，包括同步地控制分流器阻抗。這樣的控制可以使得阻抗(例如，電阻)的增加正好同時發(fā)生，優(yōu)選地處于與全部的分流器控制端子(例如，柵極)耦接的中央控制器的控制之下。

還可以提供這樣的方法，其中串聯(lián)的功率開關(guān)器件中的至少一個并不受所述反饋回路控制，該方法包括：至少在步驟(a)和(b)的過程中，與不受所述反饋回路控制的功率開關(guān)器件并聯(lián)耦接的每個分流器具有比第一阻抗低的阻抗；然后在步驟(c)之前，完全接通不受所述反饋回路控制的功率開關(guān)器件。

根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了用于使串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件在接通期間動態(tài)電壓平衡的電路，該電路包含：配置用于與相應(yīng)的所述功率開關(guān)器件并聯(lián)連接的至少一個分流器；以及控制電路，具有：用于接收可觸發(fā)功率開關(guān)器件的關(guān)斷的接通信號的輸入；以及用于響應(yīng)于接通信號而控制所述分流器以使其具有第一阻抗并隨后控制分流器以使其具有更高的第二阻抗從而促使電流從分流器分流至與該分流器并聯(lián)耦接的功率開關(guān)器件的至少一個輸出，該控制電路被配置用于隨后使每個所述功率開關(guān)器件完全接通。

還可以提供這樣的電路，包含：用于控制相應(yīng)的所述功率開關(guān)器件的反饋回路，每個所述反饋回路都包含具有從與功率開關(guān)器件并聯(lián)耦接的分流器接收用于指示通過分流器的電流和分流器兩端的電壓中的至少一項的反饋信號的輸入的差分放大器，其中該差分放大器被配置用于基于參考信號與所述反饋信號的比較而控制相應(yīng)的功率開關(guān)器件。

還可以提供這樣的電路，其中串聯(lián)的功率開關(guān)器件中的至少一個缺少所述反饋回路，并且控制電路被配置用于控制與串聯(lián)的功率開關(guān)器件中的至少一個并聯(lián)耦接的分流器以使其具有比第一阻抗低的阻抗。

還可以提供這樣的電路，其中分流器包括具有可控阻抗的Si IGBT或SiC MOSFET。

根據(jù)另一方面，提供了多個分流器，每個都具有與相應(yīng)的所述功率開關(guān)器件的導(dǎo)電端子耦接的第一導(dǎo)電端子；并且對于每個所述分流器：第一配置開關(guān)可被控制用于將分流器的第二導(dǎo)電端子耦接至功率開關(guān)器件的另一個導(dǎo)電端子，以配置分流器使其與所述功率開關(guān)器件并聯(lián)耦接；并且第二配置開關(guān)可被控制用于將分流器的所述第二導(dǎo)電端子耦接至功率開關(guān)器件的控制端子，以允許分流器在第一配置開關(guān)處于關(guān)斷時對控制端子上的電壓進(jìn)行箝位。從而，可以提供可使用該分流器或者每個分流器來提供電壓平衡和/或箝位的可配置電路。第一及第二配置開關(guān)可以分別稱為M2和M1，并且優(yōu)選地受到控制，使得這兩個開關(guān)不同時處于接通。第一導(dǎo)電端子可以與功率開關(guān)器件的集電極導(dǎo)電端子耦接。第一配置開關(guān)可以被控制用于在第二配置開關(guān)關(guān)斷時將分流器的第二導(dǎo)電端子耦接至功率開關(guān)器件的另一個導(dǎo)電端子(例如，發(fā)射極)。箝位動作，例如，在動態(tài)的接通或關(guān)斷過程中，可以通過傳導(dǎo)通過與二極管串聯(lián)的分流器來實現(xiàn)。分流器的阻抗可以基于例如感測電阻器兩端的電壓來控制，以控制通過二極管提供給功率開關(guān)器件的柵極的電流。

還可以提供這樣的電路，包含配置用于接收關(guān)于功率開關(guān)器件的關(guān)斷期的起始的指示的控制電路；該控制電路還被配置用于，在第一配置開關(guān)接通且第二配置開關(guān)關(guān)斷時，控制至少一個所述分流器的阻抗以使其在關(guān)斷期內(nèi)跟隨一系列逐個增高的阻抗?fàn)顟B(tài)，該系列阻抗?fàn)顟B(tài)包括至少兩個所述阻抗?fàn)顟B(tài)，其中每個所述系列包括至少分流器的第一阻抗以及還有分流器的更高的第二阻抗。

還可以提供用于串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件在接通期間的動態(tài)電壓平衡的電路，該電路包含控制電路，該控制電路具有：用于接收觸發(fā)功率開關(guān)器件的關(guān)斷的接通信號的輸入；以及至少一個輸出，用于在第一配置開關(guān)接通且第二配置開關(guān)關(guān)斷時響應(yīng)于接通信號而控制至少一個所述分流器以使其具有第一阻抗并且隨后控制分流器以使其具有更高的第二阻抗從而促使電流從分流器分流至與該分流器并聯(lián)耦接的功率開關(guān)器件，該控制電路被配置用于隨后使每個所述功率開關(guān)器件完全接通。

優(yōu)選實施例在所附的權(quán)利要求書中定義。

優(yōu)選實施例的上述方面中的任意一個或更多個方面和/或上述可選特征中的任意一個或更多個特征可以按照任意排列進(jìn)行組合。

附圖說明

為了更好地理解本發(fā)明并且為了示出本發(fā)明的實施方式，下面將通過舉例的方式來參照附圖，在附圖中：

圖1表示處于靜態(tài)關(guān)斷狀態(tài)(由開路表示)且與分流器(每個均被表示為并聯(lián)的電阻器和瞬態(tài)吸收器(transorb))并聯(lián)的功率開關(guān)器件；

圖1a類似地表示處于靜態(tài)關(guān)斷狀態(tài)且與分流器(每個均被表示為并聯(lián)的電阻器和瞬態(tài)吸收器)并聯(lián)的功率開關(guān)器件，其中所有IGBT均為關(guān)斷的，分流器具有高阻抗，并且瞬態(tài)吸收動作發(fā)生；

圖2至7表示在一種實施例中的接通階段，其中上圖示出兩個串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件及相應(yīng)的分流器(每個分流器均被表示為電阻，每個功率開關(guān)器件均被表示為開路或電流源)，并且其中下圖示出第n個/每個第n個功率開關(guān)器件(被表示為短路或開路)及相應(yīng)的分流器(被表示為電阻器)；

圖2a至7a類似地表示在一種實施例中的接通階段，其中這些圖示出了兩個串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件及相應(yīng)的分流器(每個分流器均被表示為電阻，每個功率開關(guān)器件均被表示為具有可選的反饋控制電路的IGBT)，進(jìn)一步與第n個/每個第n個功率開關(guān)器件(被表示為接通或關(guān)斷的IGBT)及相應(yīng)的分流器(被表示為電阻器)串聯(lián)；

圖8示出了在圖2至7和/或2a至7a的過程中的功率開關(guān)器件和分流器上的示例電壓和電流的示意圖；

圖9a、9b共同示出了反饋控制式功率開關(guān)器件的關(guān)斷的示例步驟，其中反饋回路包含差分放大器(被表示為具有+號的圓圈)，并且每個分流器充當(dāng)可控電壓箝位器(由瞬態(tài)吸收器D表示)。在圖9b中省略了差分放大器，因為在這種狀態(tài)下功率開關(guān)器件IGBT被關(guān)斷并且反饋回路不活動；

圖9c，9d類似地共同示出了反饋控制式功率開關(guān)器件的關(guān)斷的示例步驟，其中反饋回路包含差分放大器，并且每個分流器充當(dāng)可控電壓箝位器(由瞬態(tài)吸收器表示)。在圖9b中省略了差分放大器，因為在這種狀態(tài)下功率開關(guān)器件IGBT被關(guān)斷(-10V)并且反饋回路不活動；

圖10示出了在靜態(tài)關(guān)斷期的起始時的示例電流和電壓特性；

圖11示出了在靜態(tài)關(guān)斷期的起始時分流器的示例阻抗變化，該阻抗在尾電流期間增大；

圖12示出了連同作為電平控制器的形式的可選的接口電路一起的包含功率開關(guān)和分流器的閥的一種實施例；

圖13a示出了圖1至7和/或2a至7a、9a、9b和12的任意分流器的復(fù)用的一種示例布局。類似于圖11，I-V曲線的一個理想化集合示出了分流器M3的示例阻抗變化；

圖13b示出了用于例如在靜態(tài)關(guān)斷起始時進(jìn)行電壓平衡的分流器M3的示例電流-電壓分布曲線；

圖13c類似地示出了圖1至7和/或2a至7a、9a、9b和12的任意分流器的分流器復(fù)用的一種示例布局，該分流器電路包含F(xiàn)ET M3、電壓測量電路、電流測量電路和分流器控制塊；

圖14a、14b分別示出了有源電壓控制(AVC)電路和級聯(lián)有源電壓控制(CAVC)電路；

圖15示出了一種包含一連串功率開關(guān)器件的示例；

圖16表示處于靜態(tài)接通狀態(tài)且與分流器(每個均被表示為并聯(lián)的電阻器和瞬態(tài)吸收器)并聯(lián)的功率開關(guān)器件，其中所有IGBT均為接通的，并且分流器的阻抗是不重要的。

具體實施方式

圖12示出了包含功率開關(guān)器件子系統(tǒng)(功率開關(guān))(例如，IGBT或MOSFET)的系統(tǒng)實施例的頂層結(jié)構(gòu)，每個子系統(tǒng)均具有控制電路、輸入?yún)⒖茧妷篤ref以及與并聯(lián)的分流器耦接的集電極和發(fā)射極端子(C，E)。來自中央閥控制器(可選地經(jīng)由電平控制器)的每個控制信號Zref均控制著相應(yīng)的分流器的阻抗。

在圖15中提供了實施例的一種可替換表示，具有中央控制器(控制電路)151以及一連串的功率開關(guān)器件153(僅為示例)?？刂齐娐方邮贞P(guān)于功率開關(guān)器件中的至少一個(優(yōu)選為全部)的關(guān)斷期的起始的指示和/或用于觸發(fā)功率開關(guān)器件中的至少一個(優(yōu)選為全部)的關(guān)斷的接通信號。用于電壓平衡的反饋回路使用可選的AVC反饋電路(例如，分壓器)155以及用于接收參考信號(例如，Zref)的差分放大器152來提供。分流器154與每個功率開關(guān)器件153并聯(lián)耦接并且與感測電阻器156串聯(lián)耦接。分流器反饋用于指示通過感測電阻器的電流或其兩端的電壓的信號。作為選擇，反饋信號可以例如指示分流器或IGBT的集電極電壓或集電極-發(fā)射極電壓。

閥一般地包含形成總體開關(guān)的功率開關(guān)模塊的集合，每個模塊均至少包含功率開關(guān)器件，例如，IGBT。還要提到的是閥控制器，該閥控制器一般地包含用于協(xié)調(diào)多個此類模塊的開關(guān)的器件。(應(yīng)當(dāng)指出，在本說明書中，“器件”和“模塊”在涉及功率開關(guān)器件時可互換使用；模塊可以包括功率開關(guān)器件以及其他任意可選的構(gòu)件，例如，續(xù)流二極管)。

還要提到的是分流器，有時作為選擇被稱為/被表示為例如電阻器或有源電壓箝位器。分流器優(yōu)選地包括可控的線性器件，例如，MOSFET(優(yōu)選為高頻的此類器件)，并且在一種實施例中可以被描述為可編程旁路元件。在標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動中，瞬態(tài)吸收器件(瞬態(tài)電壓抑制器)通常被連接于器件的集電極和柵極之間，以提供電壓箝位，并且因此用于瞬態(tài)吸收器的符號在某些附圖中已經(jīng)被用來至少部分表示分流器。

一般地，實施例可以提供用于平衡串聯(lián)連接的功率器件的方法，以在開關(guān)期間確保靜態(tài)均壓和/或電壓箝位。在每個串聯(lián)連接的IGBT兩端的電壓均可以至少在通-斷轉(zhuǎn)換、斷-通轉(zhuǎn)換期間和/或在模塊關(guān)斷的靜態(tài)關(guān)斷期間進(jìn)行管理。

這可以使用每個均與各自的功率開關(guān)模塊并聯(lián)起來工作的且在開關(guān)周期內(nèi)執(zhí)行各種功能的有源電路來實現(xiàn)。每個有源電路均具有可以對其應(yīng)用反饋控制方案的分流器。分流器可以包括優(yōu)選為能夠比功率開關(guān)模塊更容易控制的高壓晶體管(優(yōu)選地具有與功率開關(guān)模塊相似的額定值)。相對于功率開關(guān)模塊，分流器可以包括更小的器件和/或優(yōu)選為高電壓快速器件。示例器件為Si IGBT或SiC FET，例如，SiC MOSFET。分流器可以被用來模擬電阻器(或者電阻性和/或電抗性阻抗)或瞬態(tài)吸收器，或者并聯(lián)的二者。如同下文將更詳細(xì)描述的，分流器可以被用作與功率開關(guān)模塊并聯(lián)的電流分流器和/或有源箝位器。通信系統(tǒng)可以被用來給閥控制器發(fā)送所測得的參數(shù)，例如，分流器電壓和/或電流。對于開關(guān)過程的各個部分，閥控制器可以回應(yīng)以目標(biāo)箝位電壓和/或電阻值。

受控的分流器實際上可以是具有控制系統(tǒng)的有源開關(guān)并且與主功率開關(guān)器件(IGBT)并聯(lián)工作。這樣的分流器可以確保在串聯(lián)連接的器件兩端的電壓被平等共享。在關(guān)斷之后，例如，在靜態(tài)關(guān)斷的起始時，分流器可以受到控制(例如，通過圖12所示的Zref)以使尾電流平衡，并然后回退以使漏電流平衡。除此之外或作為選擇，分流器可以受到控制以傳遞“已知的”(預(yù)設(shè)的或由預(yù)設(shè)的控制參數(shù)確定的，或者通過例如使用感測電阻器并相應(yīng)地調(diào)整分流器阻抗來測量分流器內(nèi)的電流而設(shè)定為預(yù)定值)電流，該電流然后被輸送給相應(yīng)的功率開關(guān)器件以便使功率開關(guān)器件進(jìn)入操作活動(線性)區(qū)。自此，功率開關(guān)器件能夠更容易地以已知的時序來控制。除此之外或作為選擇，在接通時，分流器可以流出一小部分(例如，10％)的負(fù)載電流，該負(fù)載電流然后被轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的功率開關(guān)器件上以使該器件變?yōu)榛顒印?/p>

因此，分流器控制可以至少部分地確定相應(yīng)的功率開關(guān)模塊的接通和/或關(guān)斷開關(guān)時間。這會有助于確保開關(guān)更加精確地同步。

考慮例如IGBT，應(yīng)當(dāng)指出，“尾電流”一般地被定義為IGBT的集電極電流(Ic)波形中的Ic在初始的突然下降之后繼續(xù)流動的那部分。IGBT一般地在關(guān)斷過程中展現(xiàn)出尾電流。過量的載流子一般地在關(guān)斷過程中被存儲于漂移區(qū)內(nèi)。由于緩慢的再結(jié)合過程，可能需要相對較長的時間來去除過量的載流子。因此，IGBT的“尾時間”能夠是長的。當(dāng)IGBT為關(guān)斷時，在特定的集電極-發(fā)射極和柵極-發(fā)射極電壓下，漏電流可以從集電極流至發(fā)射極。漏電流一般地流過反向偏置的集電極發(fā)射極結(jié)，并且一般地隨溫度升高而增大。

靜態(tài)關(guān)斷狀態(tài)

下面參照示出了分流器以及處于關(guān)斷狀態(tài)的功率開關(guān)器件(從而被表示為開路)的圖1來考慮用于控制串聯(lián)連接的功率開關(guān)器件(在下文假定為IGBT)的一種示例實施例。這樣的實施例的更詳細(xì)示意圖示于圖1a中。

在關(guān)斷狀態(tài)中，串聯(lián)連接的IGBT一般地表現(xiàn)為如同一連串的電容器那樣，每個均支承著總電壓的一部分。由于在IGBT之間的參數(shù)變化(例如，漏電流)，它們兩端的電壓開始隨著電容充電和放電而發(fā)散。分流器可以在靜態(tài)關(guān)斷期間的任何時候(例如，在動態(tài)關(guān)斷之后的起始時)都受到控制(例如，通過圖12所示的信號Zref)，以使漏電流平衡，并因此使每個IGBT兩端的電壓變?yōu)榫?。在這點(diǎn)上，為了表示分流器的簡化起見，圖1示出了并聯(lián)的電阻器和瞬態(tài)吸收器，該分流器電路可以包含表現(xiàn)如同并聯(lián)的電阻器-瞬態(tài)吸收器的組合那樣的單個物理構(gòu)件。分流器的電流和/或電壓可以被測量并被發(fā)送回到閥控制器，使得該控制器能夠適當(dāng)?shù)卦O(shè)定目標(biāo)分流器的電阻、電流和/或電壓(例如，電壓箝位電平)。

進(jìn)一步關(guān)注靜態(tài)關(guān)斷的起始，在IGBT關(guān)斷的不久之后，在大的尾電流之間的不平衡可能意味著需要大的分流器電流——但是最終可能僅需要小電流來平衡模塊間的漏電流差。管理這種變化的一種方式是在開始時將所有分流器設(shè)定為低阻抗，然后隨時間流逝而增高阻抗，例如遵循隨時間變化的預(yù)設(shè)的阻抗分布曲線，并且其中分布曲線的受控阻抗值和/或阻抗變化的時序依據(jù)分流器的電流和/或電壓測量值，優(yōu)選地依據(jù)此類測量值的不平衡來控制。所有分流器的此類測量值可以被結(jié)合起來用于控制所有分流器以使其遵循同樣的阻抗分布曲線。作為選擇，至少一個分流器可以僅基于例如該分流器和/或相鄰分流器的測量值來控制。在一種優(yōu)選的實施例中，閥控制器均等地設(shè)定所有串聯(lián)的分流器的阻抗(例如，電阻)，并且在允許的情況下隨時間流逝而增加阻抗值(例如，取決于使用例如與分流器串聯(lián)的感測電阻器檢測到的分流器的電流和/或電壓的不平衡)以降低功率損耗。

因而，一種實施例可以調(diào)整分流器電阻以在靜態(tài)關(guān)斷狀態(tài)期間，即，在所有開關(guān)器件(例如，IGBT)均被控制為關(guān)斷時控制尾電流和/或漏電流不平衡的影響。每個分流器在與“主”開關(guān)器件(即，相應(yīng)的功率開關(guān)器件)并聯(lián)起來使用時，可以允許電流從主開關(guān)器件分流到分流器內(nèi)。在功率開關(guān)器件當(dāng)中的電壓不平衡因而可以得到減小/避免，取決于在分流的電流現(xiàn)在流過其內(nèi)的分流器的阻抗兩端所產(chǎn)生的電壓。在靜態(tài)關(guān)斷狀態(tài)期間，優(yōu)選地所有分流器都是活動的并從而能夠控制尾電流和/或漏電流。最初，每個分流器都可以受到控制以表示低電阻(在分流器特性上的高I/V梯度)并從而基本上傳導(dǎo)尾電流，以在尾電流的持續(xù)時間內(nèi)減少功率開關(guān)器件的電壓不平衡的產(chǎn)生。隨著尾電流消退，分流器(一個或多個)的電阻可以(平滑地或逐步地)增大以減少損耗。

在這樣的方案中，在器件中的尾電流和/或漏電流的不平衡可以有利地通過檢測每個分流器兩端的電壓和/或流過其內(nèi)的電流(而不是通過相應(yīng)的功率開關(guān)器件的電流)來檢測。所有分流器都可以受到監(jiān)測，并且檢測結(jié)果可以被用于通過中央控制器對分流器進(jìn)行的控制，例如，使用圖12所示的閥控制器。一般地，分流器的電流大小相對較低，使得借助于與分流器串聯(lián)的電阻來測量分流器的電流將會僅造成低的損耗。

考慮時序，分流器優(yōu)選地全都被同步控制。因而，所有分流器都可以受到控制以基本上(例如，恰好)同時改變阻抗。這樣的控制可以遵循預(yù)先編程的分布曲線，對于每個分流器，該分布曲線涉及更多個逐個遞增的電阻狀態(tài)中的兩個電阻狀態(tài)，例如，圖11所示的狀態(tài)。至少一個狀態(tài)會在尾電流期間出現(xiàn)，并且至少一個其他狀態(tài)在漏電流期間出現(xiàn)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換可以包括阻抗的階躍變化，或者可以是平滑的。如上所述，分流器的阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換的時序可以被預(yù)先編程好，或者可以根據(jù)檢測結(jié)果所反映的電流不平衡(例如，平均差值或最大差值)實時地確定。所檢測到的分流器電流和/或電壓的差值預(yù)計將隨時間流逝在每個電阻狀態(tài)中減??；在這種情況下，分流器會受到控制以在最大檢測差小于預(yù)定大小時變?yōu)楦叩碾娮锠顟B(tài)。這樣的預(yù)定量可以是絕對的電流/電壓差，或者可以是例如最小或最大測量電流/電壓的某個分?jǐn)?shù)或百分比。在一種實施例中，分流器能夠受到控制以在分流器電流的最大差值指出最大電壓差小于預(yù)定量(例如，5％)時移至更高的電阻狀態(tài)(例如，在每個開關(guān)器件兩端的電壓為～2000V的情況下，分流器會受到控制以在小于100V的最大差值被指示時移至更高的電阻狀態(tài))。

為了允許分流器由中央控制器同步控制，可以使用時鐘和/或控制信號來進(jìn)行與分流器相關(guān)的時序控制。因而，分流器可以具有數(shù)字時序控制電路，以還接收除了Zref信號之外的時鐘信號，并且可以在由所接收的時鐘和/或控制信號確定的時刻作用于Zref信號上。

每個分流器優(yōu)選地(即，不一定)在功率開關(guān)器件的靜態(tài)關(guān)斷期之前的接通期內(nèi)為關(guān)斷的，并且在相應(yīng)的功率開關(guān)器件的關(guān)斷期間接通以允許電流轉(zhuǎn)移。作為選擇，分流器在前一個接通期內(nèi)可以是接通的，雖然是基本上具有零電流和零電壓。分流器可以在尾電流分散到開關(guān)器件之后于晶體管關(guān)斷期內(nèi)的任意時點(diǎn)(例如，在關(guān)斷信號之后的預(yù)定時間(例如，20μS)處)同步關(guān)斷。

可選地，一種實施例可以監(jiān)測每個分流器的電流變化率(dI/dt)，并且優(yōu)選地于中央閥控制器處使用例如比較器和/或模-數(shù)轉(zhuǎn)換器來為該分流器或所有分流器控制阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生的時間。

在圖10中示出了在靜態(tài)關(guān)斷期的起始時的示例電流和電壓特性。如圖所示，每個分流器的阻抗優(yōu)選地受到控制以至少朝著或者在尾電流的結(jié)束時增加。(進(jìn)一步的增大可以在漏電流期間發(fā)生)。這可以僅包括阻抗的單步變化或多步變化，如同圖11的實際(和理想)特性所示。作為選擇，每個分流器的阻抗增加可以是平滑的和/或線性的，例如，至少在尾電流時段的結(jié)束期間呈現(xiàn)出逐漸遞增的阻抗。理想地，該增加依據(jù)指示著在分流器內(nèi)流過的遞減的尾電流和/或漏電流的測量值來控制。每個分流器的阻抗的變化優(yōu)選地在中央閥控制器的控制之下由阻抗控制信號Zref來控制。

鑒于上述情況，一種實施例可以至少在串聯(lián)的功率開關(guān)器件的靜態(tài)關(guān)斷狀態(tài)的起始時提供分流器阻抗控制，使得朝向/在尾電流的起始時，分流器的阻抗是低的，并且朝向/在尾電流的結(jié)束時，阻抗是高的。對于所有分流器，阻抗可以按照這種方式同步變化。而且，分流器阻抗可以暫時減小，并且然后在靜態(tài)關(guān)斷期間的任何時間響應(yīng)于檢測到的不平衡而增大。

接通

對于在接通期間的動態(tài)電壓平衡，一種實施例可以在開始時將至少一個分流器的電流設(shè)定為預(yù)定值(例如，由預(yù)設(shè)參數(shù)確定的值)，并然后將該電流輸送給相應(yīng)的功率開關(guān)器件——在下文中一般假定為IGBT。這可以避免或減小在功率開關(guān)器件之間因接通期間的延遲所致的電壓不平衡，例如，由于不可預(yù)知的正好每個IGBT將要達(dá)到其活動(active)區(qū)的時序。

在開始時，分流器可以全都處于低電阻狀態(tài)。大多數(shù)的IGBT都可以用反饋(例如，AVC)來控制。其他IGBT(例如，串聯(lián)連接的末端IGBT)可以不具有應(yīng)用于它們的任意反饋回路，并且最初在反饋回路受到參考電壓控制時可能被保持為關(guān)斷的，以使大多數(shù)的IGBT接通，例如至少進(jìn)入它們的活動操作區(qū)。(“其他”IGBT的不同處理可以避免系統(tǒng)過度受約束，但是這樣的處理是可選的，例如，如果在包含與分流器的串聯(lián)連接的電路內(nèi)存在足夠的電阻和/或電容的話)。在大多數(shù)IGBT上的柵極電壓然后被保持(AVC關(guān)斷)，使得在IGBT內(nèi)的電流繼續(xù)流過。其他IGBT然后可以快速地接通(硬開關(guān))，而該大多數(shù)IGBT繼續(xù)傳導(dǎo)恒定的電流。當(dāng)其他IGBT接通時，在這些IGBT兩端的電壓崩潰，因為在那些器件上沒有活動的AVC。一旦其他IGBT接通，AVC然后就可以被用來使大多數(shù)IGBT全都完全接通。分流器的阻抗在整個過程中可以受到控制，以控制在串聯(lián)連接的IGBT內(nèi)的電流。

一種用于在接通期間進(jìn)行動態(tài)電壓平衡的實施例可以實現(xiàn)多階段的過程，例如，如圖2至7或圖2a至7a所示。有利地，這樣的過程可以確保：沒有任何一個這樣的器件先于其他器件切換，并從而任何一個器件都不超過其最大的電壓。與基于測量在通過功率開關(guān)器件的主電流通路內(nèi)流過的電流來控制不同的是，在一種實施例中可以使用在大多數(shù)IGBT上的每個分流器來將“已知的”(預(yù)設(shè)的或者由預(yù)設(shè)參數(shù)確定的)電流傳輸?shù)较鄳?yīng)的IGBT。在其他(例如，每個第n個)IGBT上的分流器布局可以確保系統(tǒng)沒有被過度約束。這些其他的IGBT/分流器部分可以在串聯(lián)連接中規(guī)則地或更隨機(jī)地間隔開。已知的分流器電流到相應(yīng)的功率開關(guān)器件上的受控傳輸可以允許受控的接通，并從而可以改進(jìn)動態(tài)電壓平衡。

鑒于上述情況，作為試圖執(zhí)行控制IGBT內(nèi)的電流這個困難任務(wù)的替代，一種實施例執(zhí)行電荷轉(zhuǎn)移。這可以允許所有IGBT有效地同時進(jìn)入最終的導(dǎo)通狀態(tài)。

圖2至7詳細(xì)示出了涉及至少n＝10個功率開關(guān)器件(假定為IGBT)的示例過程。由于在這種情況下每個第n個IGBT會被不同地對待，圖2至7各自在上圖中示出了“主”(例如，1至n-1)IGBT中的示例性兩個，并且在下圖中示出了不同對待的(第n個)IGBT。優(yōu)選地，這樣的過程可以允許在低功耗的情況下接通。這樣的示例實施例更詳細(xì)地示于圖2a至7a中。

在圖2中，在初始階段，功率開關(guān)器件是關(guān)斷的，并從而被示為開路(例如，柵極被保持于-10V，如圖2a所示)。要分享電壓，每個分流器R均模擬具有阻抗Zref的電阻器(可選地，還具有電抗性阻抗)(諸如，電阻Rfet，例如，100歐姆)，用于輸送電流I1，優(yōu)選地每個第n個分流器被設(shè)定為低阻抗，例如，50歐姆。這樣較低的阻抗可以被提供，因為在下列狀態(tài)下，電壓可以由于增大的電流而上升并且某些余量(headroom)對于防止以上所述的過度約束會是有利的。

在圖3中，每個主IGBT(現(xiàn)在被示為電流源)都具有使用在相應(yīng)的分流器兩端的所測得的穩(wěn)態(tài)電壓的電壓反饋回路。每個第n個IGBT保持為關(guān)斷的，在這種情況下相應(yīng)的分流器具有低的電阻，例如，50歐姆。對于每個主IGBT，反饋控制的設(shè)定點(diǎn)為分流器電壓(Vr1...Vr9)減去小電壓差(d)，例如，50V。小的電壓差會迫使反饋回路變?yōu)榛顒拥模@進(jìn)而驅(qū)使電流進(jìn)入IGBT，該電流開始使其接通。優(yōu)選地，設(shè)定點(diǎn)(參照)由接收分流器電壓的控制器(例如，中央閥控制器)來確定，該設(shè)定點(diǎn)然后由控制器輸出，用于控制IGBT。這樣的控制器可以同樣與所有分流器及相應(yīng)的IGBT耦接，如圖12所示。

圖4示出了，在主IGBT的反饋回路已經(jīng)穩(wěn)定(可以通過至少一個電壓(例如，Vr1、V2等)下降達(dá)小差值的預(yù)定量或比例(例如，至少d/2)來識別)之后，主IGBT的分流器電阻值增加了例如10倍，在這種情況下達(dá)1000歐姆。隨后，可以迫使每個主IGBT從相應(yīng)的分流器中獲取電流。在此刻，所有IGBT(除了每個第n個)都是活動的并且傳導(dǎo)小的、但優(yōu)選為測得的(基本上(例如，完全)由預(yù)設(shè)參數(shù)確定的)電流大小。第n個IGBT保持為關(guān)斷的，并且第n個分流器仍然呈現(xiàn)為低阻抗的電阻器，有利地確保系統(tǒng)沒有受到過度約束。在第n個IGBT在此刻沒有不同的情況下，則整個系統(tǒng)的行為可以由閥電壓以及還有由反饋電壓設(shè)定值之和兩者來設(shè)定。如果任意這些約束被改變，則電流可能會快速變化。(在一種實施例中，在任何IGBT都不缺少操作反饋回路的情況下，IGBT和分流器的鏈條的某個部分改變都可能導(dǎo)致整個鏈條的不穩(wěn)定。但擁有至少一個(例如，每個第n個)缺少這樣的回路的IGBT，則任何不穩(wěn)定都可以被限定于具有反饋的那些IGBT和分流器，即，可以不擴(kuò)展到整個鏈條)。

在圖5中，在第1至第n-1個IGBT兩端的柵極電壓被保持于由反饋回路所設(shè)定的電平。一般地，這將確保電流不會上升。

在圖6中，每個第n個IGBT被接通，從而具有低電阻(為了表示方便，在圖6中示為短路(作為選擇，在圖6a中示為在柵極上具有+15V的IGBT)——沒有施加于這些IGBT的反饋，它們的電壓會在這點(diǎn)崩潰)。在該示例中，第n個分流器下降了3V，該第n個分流器在這個階段繼續(xù)具有低電阻，例如，50歐姆。

隨后，如圖7所示，通過在IGBT 1至n-1周圍啟用電壓反饋回路并降低參考值(Vrx-d；x＝1...n-1)，使IGBT 1至n-1完全接通。圖7示出了主IGBT的同步接通。

圖2至7(或者一般地上述描述進(jìn)一步應(yīng)用于其上的圖2a至7a；或者圖1至7或1a至7a)的步驟中的至少一個步驟，優(yōu)選為所有此類步驟，在至少第1至第n(優(yōu)選為所有)功率開關(guān)器件(優(yōu)選為所有)的鏈條上同步執(zhí)行(例如，完全同時)。

在圖2至7或2a至7a的過程中，IGBT和分流器兩端的電壓和電流的表示被示于圖8中。如上所述，在早期階段，所有分流器被設(shè)定為低電阻，從而傳導(dǎo)電流。隨后，分流器1...n-1的電阻增大，它們的傳導(dǎo)性下降并且在相應(yīng)的IGBT內(nèi)的電流增大。在稍后的時間里，可能缺少任意反饋回路的第n個IGBT被接通，使得在第n個IGBT兩端的電壓下降，并且通過第n個分流器的電流會相應(yīng)地下降。當(dāng)分流器1...n-1最終被完全接通時，在所有串聯(lián)的IGBT中會有相等的電流流過。

作為反饋回路的替代，例如，如圖7或7a所示，能夠?qū)⒅辽僖粋€分流器重新用作相應(yīng)的IGBT的柵極的電壓箝位器，以允許IGBT 1至n-1同步開關(guān)。這樣電壓箝位器可以確保沒有IGBT會發(fā)生過電壓。因而，同步開關(guān)的機(jī)制能夠要么是具有反饋回路，即，有源電壓控制(AVC)，要么更簡單地使用分流器作為箝位器以防止任意IGBT發(fā)生過電壓，并關(guān)斷它們使其為開環(huán)(無AVC)。同步接通和關(guān)斷能夠使用任意機(jī)制來實現(xiàn)，取決于分流器是否被配置為允許AVC或充當(dāng)箝位器(見圖13a)。

應(yīng)當(dāng)指出，圖2a至7a比圖2至7更詳細(xì)地示出了示例接通過程。在圖2a中，所有IGBT都是關(guān)斷的，并且分流器具有低阻抗。在圖3a中，IGBT 1至n-1具有電壓反饋，并且分流器具有低阻抗。在圖4a中，IGBT 1至n-1具有電壓反饋，分流器具有高阻抗，并且電流輸送給IGBT。在圖5a中，對于IGBT 1至n-1，柵極被保持為恒定電壓，使得每個這樣的IGBT都保持恒定的電流。在圖6a中，IGBT n被接通。在圖7a中，通過減小Vref而使IGBT 1至n-1同步接通。

靜態(tài)接通狀態(tài)

一般地，所有串聯(lián)的功率開關(guān)器件(例如，IGBT)均在靜態(tài)接通狀態(tài)下為接通的，如圖16所示。但是，例如，每個分流器都可以是接通的(低阻抗)，以提供邊際效率節(jié)約，或者是關(guān)斷的(高阻抗)以允許其冷卻。

關(guān)斷

上述分流器的與關(guān)斷的動態(tài)電壓平衡相關(guān)的另一種用途或可替換用途被設(shè)想出。特別地，作為替代，分流器(例如，晶體管)被連接為電壓箝位器，如圖9a和9b中的二極管元件D所示(同樣地，電壓箝位器可以使用圖9c和9d所示的電路來實現(xiàn))。另外的開關(guān)可以被用來重新配置分流器使其用于這樣的用途，同樣地，例如，如圖13a或13c所示。

從接通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)可以是多階段的過程，優(yōu)選地用于確保沒有任一個功率開關(guān)器件(例如，IGBT)先于其他器件切換，否則某些IGBT可能會超過其最大電壓。

在此類過程的示例中，并且如圖9a或9c所示，第一步驟可以是使功率開關(guān)器件(在下文假定為IGBT)進(jìn)入其活動區(qū)。在這樣配置——例如，將開關(guān)(例如，圖13a或13c的M1和/或M2)用作電壓箝位器以確保沒有器件會提前關(guān)斷并占用全部電壓——的分流器的情況下，對于設(shè)定點(diǎn)，小的電壓差(例如，50V)通過例如調(diào)整到差分放大器的參考電壓來施加。作為反饋的結(jié)果，IGBT在其上產(chǎn)生小的電壓并且它開始變?yōu)榛顒拥摹?/p>

圖9b示出：這之后是將所有IGBT同步關(guān)斷(例如，使用電阻驅(qū)動關(guān)斷)，仍然將分流器用作電壓箝位器(對于IGBT柵極)以防止過電壓。(作為替代，有源電壓控制能夠在這個階段中使用，例如，使用圖7或7a所示的反饋電路)。

在此之后，所有分流器被直接用于供電源(the supply)上，以確保共享。圖10示出了可以在動態(tài)關(guān)斷期間以及在靜態(tài)關(guān)斷的起始時應(yīng)用的分流器電流-電壓分布曲線(具有尾電流，如圖10所示)。分布曲線一般地與同瞬態(tài)吸收器并聯(lián)的電阻器相匹配。最初，所選擇的電阻是低的，并且隨時間流逝，由于IGBT的尾電流不平衡下降，所選擇的模擬電阻/阻抗增大以便降低分流器損耗，如同上文關(guān)于靜態(tài)關(guān)斷所描述的。

應(yīng)當(dāng)指出，與圖9a和9b相比，圖9c和9d同樣共同示出了通-斷轉(zhuǎn)換的示例步驟，且更為詳細(xì)。在圖9c中，所有IGBT均處于低電壓的電壓反饋中，并且分流器充當(dāng)柵極的瞬態(tài)吸收器。在圖9d中，所有IGBT被同步(例如，完全同時)關(guān)斷，并且分流器充當(dāng)柵極的瞬態(tài)吸收器。

零電壓切換應(yīng)用的緩慢接通

串聯(lián)連接的柵極驅(qū)動一般可以被設(shè)計為在零電壓下切換(例如，在VSC HVDC Gen 2中)，除了在某些故障條件下。這可能會意味著，斷-通轉(zhuǎn)換不消耗大的功率，并且在一般情況下，存在著>10μs，在這段時間內(nèi)可進(jìn)行轉(zhuǎn)換并仍然處于功率開關(guān)器件(例如，IGBT)的安全操作區(qū)(SOA)內(nèi)。

同時高電壓下的電壓反饋確實耗費(fèi)功率(這可能是硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的AVC的主要缺點(diǎn)之一)，而在軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換在沒有對效率造成顯著影響的情況下可能是相對緩慢的。使轉(zhuǎn)換減慢可能意味著，反饋電路只需要低的增益，因而對參考電壓的跟蹤不佳，但是具有良好的穩(wěn)定性和/或低過沖。

柵極(例如，IGBT的)在以恒定的電流源來驅(qū)動時的積分作用非常適合這里。在很低的環(huán)路增益下(例如，在1MHz時為0～20dB)，環(huán)路將會在大約1-100μs內(nèi)穩(wěn)定。如果IGBT不完全同步，則分流器(充當(dāng)電壓箝位器)可以將電流注入后面的IGBT的柵極內(nèi)，并使接通加速。當(dāng)IGBT/分流器部分同步時，它們可以使用用于過電壓的瞬態(tài)吸收器/分流器來共同切換。

因而，優(yōu)選地使用開關(guān)(例如，圖13a或13c的M1和/或M2)來配置為電壓箝位器的分流器(例如，從功率開關(guān)器件的集電極到其柵極)可以有利地與零電壓切換和/或低增益反饋(例如，AVC)一起使用。在一種實施例中，這可以應(yīng)用于本文所公開的同樣的或另外的分流器的任意其他用途。

開環(huán)接通

如果功率開關(guān)器件(例如，IGBT)被發(fā)現(xiàn)彼此間在±100ns內(nèi)同步(例如，因為模塊特性(例如，電容)足夠均勻)，則它們能夠被切換為開環(huán)，優(yōu)選地使用分流器以起著回到各自柵極的瞬態(tài)吸收器(瞬態(tài)電壓抑制二極管)的相似作用。在圖13a或13c中示出了允許這種操作的示例配置，帶有M1和/或M2。

一旦閥是可操作的，開關(guān)時序就能夠被調(diào)整以減少任何偏斜(skew)。第一開關(guān)接通可能是一個更困難的過程——但是，在關(guān)斷狀態(tài)中，某些器件能夠被暫時接通以測量延遲，例如，如同以上關(guān)于緩慢接通所描述的那樣。用于指示通過例如檢測IGBT兩端的電壓轉(zhuǎn)換的時序而獲得的延遲的時序測量，可以由優(yōu)選為中央控制器用來調(diào)整到相應(yīng)的分流器的各自的接通信號的時序。

非線性電阻器

在每個分流器的實施例中可能最好是模擬阻抗，例如，非線性的電阻器，而不是符合歐姆定律的常規(guī)電阻器。例如，這能夠是RαV2(V是在分流器兩端的電壓)，或者某些其他功能。實施例在低的分流器電壓下可能需要很低的電流，但是在較高電壓下需要大量的電流。最好是使功率開關(guān)器件串的電壓快速穩(wěn)定(即，在一種實施例中，具有最小的動態(tài)電阻)，但是在接近穩(wěn)定時，靜態(tài)的分流器電流優(yōu)選為很低的。最好是該過程針對每個IGBT自動進(jìn)行，而不是依靠與閥控制器的恒定通信。

因而，至少用于功率開關(guān)器件(例如，在圖2至7或2a至7a中的每個分流器1...n-1)的動態(tài)接通電壓平衡的每個分流器可以基于到中央控制器的分流器電流和/或電壓反饋來控制，以具有非線性的電阻。

分流器功率半導(dǎo)體的復(fù)用

可能最好是允許至少一個分流器的可配置復(fù)用，例如，用于靜態(tài)的關(guān)斷狀態(tài)和/或動態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換，例如，如圖13a或13c所示。如果用于分流器的功率半導(dǎo)體器件是昂貴的(例如4,5kV 100A peak FET)，則這會是有利的。

在圖13a(以及同樣地，圖13c)中，存在兩個低電壓MOSFET(M1，M2)以及與功率開關(guān)器件(例如，IGBT)的集電極連接的一個高電壓“分流器MOSFET”(M3)。這兩個低電壓MOSFET配置分流器MOSFET的用途，優(yōu)選地作為類似到IGBT柵極的有源瞬態(tài)吸收器那樣的器件或者直接用于IGBT自身上。

在關(guān)斷階段內(nèi)，M2被接通，并且M3在線性區(qū)域內(nèi)被直接用于IGBT上以使電壓平衡，如同以上關(guān)于靜態(tài)關(guān)斷所描述的。能夠通過圍繞它使用反饋回路以使R_測量兩端的電壓保持為集電極電壓的一部分而使用M3來模擬阻抗，例如，電阻器(線性的或非線性的)。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識到，其他線性的和非線性的函數(shù)可以被用來實現(xiàn)與瞬態(tài)吸收器的I-V特性更為接近。

在接通和關(guān)斷的瞬變期間，M1優(yōu)選地被接通，使得M3能夠在線性區(qū)域內(nèi)被用作可編程的電壓箝位器。

如果需要降低M3的箝位損耗，則M1能夠直接地或者經(jīng)由發(fā)射極跟隨器晶體管的緩沖器對連接至IGBT的柵極。

圖13b示出了用于例如在靜態(tài)關(guān)斷起始時進(jìn)行電壓平衡的分流器M3的示例電流-電壓分布曲線。

本文所描述的任意實施例都可以應(yīng)用于例如HVDC(高壓直流)、LLC(一般為基于晶閘管的，例如，具有多個電感器)或者VSC(電壓源控制，一般使用IGBT)應(yīng)用。實施例可以用于例如DC-DC轉(zhuǎn)換器中。用于一種實施例的適當(dāng)類型的HVDC轉(zhuǎn)換器是MMC(模塊化多電平轉(zhuǎn)換器)。任何此類應(yīng)用都可以使用電壓整形，或者所有開關(guān)器件(例如，IGBT)可以同時切換。實施例特別適用于HVDC鏈路(諸如been countries)，和/或DC傳輸提供較低的損耗的情形，例如，存在大電容的情形，例如，這一般為用于長的海底電纜的情形，例如，用于離岸風(fēng)。其他應(yīng)用可以包括鐵路牽引和其他并網(wǎng)應(yīng)用，以及中壓應(yīng)用，例如，用于電機(jī)驅(qū)動。

還要指出，在一種實施例中，被提供用于在功率開關(guān)器件的切換周期的任意部分內(nèi)進(jìn)行電壓平衡和/或箝位的任意一個或更多個分流器(例如，在靜態(tài)關(guān)斷的起始時具有遞增的阻抗以幫助減輕尾電流和/或漏電流的影響)可以被進(jìn)一步控制，以在該周期或另一個周期的任意其他部分內(nèi)進(jìn)行電壓平衡和/或箝位(例如，在例如關(guān)斷期間起著用于功率開關(guān)器件的電壓箝位器的作用，和/或在接通期間將“已知的”電流傳遞到相應(yīng)的功率開關(guān)器件，和/或改進(jìn)緩慢接通的同步)。因而，在一種實施例中，本文所公開的任意一種或更多種分流器用途可以結(jié)合起來，以應(yīng)用于同一或不同的分流器。

毫無疑問，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會想得到許多其他有效的替代方案。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限定于所描述的實施例，并且包括本領(lǐng)域技術(shù)人員所清楚的屬于所附權(quán)利要求書的精神和范圍之內(nèi)的修改。