本文公開的主題涉及保護(hù)場(chǎng)控開關(guān)或門控開關(guān)，更具體地，涉及在過電流的情況下保護(hù)開關(guān)。

背景技術(shù)：

功率電子器件常常包括打開和/或閉合電路以及中斷和/或允許電流流動(dòng)的開關(guān)。經(jīng)常在功率電子器件中使用例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等的電子開關(guān)來控制可流過開關(guān)的電流。這些電子開關(guān)中的一些類型經(jīng)常根據(jù)那個(gè)開關(guān)的柵極端子上的電壓(V_GE)的施加而被打開或閉合。通常，當(dāng)開關(guān)的柵極電壓相對(duì)于開關(guān)的另一端子(源極或發(fā)射極)達(dá)到閾值時(shí)，開關(guān)開始閉合并且允許電流在開關(guān)的功率端子之間流動(dòng)，所述開關(guān)的功率端子可被稱為集電極和發(fā)射極或者漏極和源極。

然而，許多開關(guān)被設(shè)計(jì)成以有限數(shù)量的電流工作。雖然開關(guān)可以經(jīng)常被設(shè)計(jì)成經(jīng)得起更高的電流，但是開關(guān)的組件可能會(huì)更大或者具有更高的成本。此外，仍然可能的是未曾預(yù)料的短路或故障可能會(huì)發(fā)生。因?yàn)槿绻^了開關(guān)的電流極限的話可以由于過熱和/或應(yīng)力而導(dǎo)致?lián)p害開關(guān)，因此保護(hù)開關(guān)使之避免超過這樣的電流極限和/或保護(hù)開關(guān)以防過電流狀況發(fā)生可能是有益的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在第一實(shí)施例中，一種方法包括：檢測(cè)從開關(guān)的第一端子到所述開關(guān)的第二端子的電流，其中所述電流超過了所述開關(guān)的線性區(qū)的電流極限，將所述開關(guān)的柵極電壓從第一電壓控制到第二電壓，其中所述第二電壓被配置成使得所述開關(guān)能夠工作在所述開關(guān)的有源區(qū)，以及當(dāng)所述開關(guān)工作在所述有源區(qū)時(shí)打開所述開關(guān)。

在第二實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括：柵極驅(qū)動(dòng)單元，所述柵極驅(qū)動(dòng)單元被配置成檢測(cè)從開關(guān)的第一端子到所述開關(guān)的第二端子的電流，其中所述電流超過了所述開關(guān)的線性區(qū)的電流極限，將所述開關(guān)的柵極電壓從第一電壓控制到第二電壓，其中所述第二電壓被配置成使得所述開關(guān)能夠工作在所述開關(guān)的有源區(qū)，并且當(dāng)所述開關(guān)工作在有源區(qū)時(shí)打開所述開關(guān)。

在第三實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括開關(guān)、被配置成將一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送至所述開關(guān)的控制器、以及被配置成提供柵極電壓、柵極電流或其組合以用于基于所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制所述開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)單元，其中所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)被配置成控制所述開關(guān)，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)單元被配置成檢測(cè)從所述開關(guān)的第一端子到所述開關(guān)的第二端子的電流、將所述開關(guān)的柵極電壓從第一電壓控制到第二電壓并且當(dāng)所述開關(guān)工作在所述有源區(qū)時(shí)打開所述開關(guān)，其中所述電流超過了所述開關(guān)的線性區(qū)的電流極限，其中所述第二電壓被配置成使得所述開關(guān)能夠工作在所述開關(guān)的有源區(qū)。

提供了技術(shù)方案1：

一種方法，包括：

檢測(cè)從開關(guān)的第一端子到所述開關(guān)的第二端子的電流，其中所述電流超過了所述開關(guān)的線性區(qū)的電流極限；

將所述開關(guān)的柵極電壓從第一電壓控制到第二電壓，其中所述第二電壓被配置成使得所述開關(guān)能夠工作在所述開關(guān)的有源區(qū)；并且

當(dāng)所述開關(guān)工作在所述有源區(qū)時(shí)打開所述開關(guān)。

提供了技術(shù)方案2：根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其中所述開關(guān)被配置成當(dāng)所述柵極電壓減小到所述第二電壓時(shí)轉(zhuǎn)換到去飽和。

提供了技術(shù)方案3：根據(jù)技術(shù)方案1所述的的方法，其中當(dāng)所述電流超過了所述線性區(qū)的反向偏壓安全工作區(qū)域(RBSOA)的所述電流極限時(shí)，所述第二電壓基于確保所述開關(guān)轉(zhuǎn)換以便工作在短路安全工作區(qū)域(SCSOA)。

提供了技術(shù)方案4：根據(jù)技術(shù)方案3所述的方法，其中所述RBSOA包括所述開關(guān)被設(shè)計(jì)成容許的電壓、電流或其中的任何組合的狀況。

提供了技術(shù)方案5：根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其中所述開關(guān)為絕緣柵雙極晶體管IGBT。

提供了技術(shù)方案6：根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其中控制所述柵極電壓包括減小所述柵極電壓以使所述開關(guān)工作在所述有源區(qū)。

提供了技術(shù)方案7：根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其中所述過電流未超過短路安全工作區(qū)域(SCSOA)的電流極限。

提供了技術(shù)方案8：根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其中將所述第二電壓用作所述柵極電壓來打開所述開關(guān)，通過限制從所述第一端子到所述第二端子流過所述開關(guān)的所述電流，來減小由所述開關(guān)接收到的電壓過沖。

提供了技術(shù)方案9：

一種系統(tǒng)，包括：

柵極驅(qū)動(dòng)單元，所述柵極驅(qū)動(dòng)單元被配置成：

檢測(cè)從開關(guān)的第一端子到所述開關(guān)的第二端子的電流，其中所述電流超過了所述開關(guān)的線性區(qū)的電流極限；

將所述開關(guān)的柵極電壓從第一電壓控制到第二電壓，其中所述第二電壓被配置成使得所述開關(guān)能夠工作在所述開關(guān)的有源區(qū)；以及

當(dāng)所述開關(guān)工作在有源區(qū)時(shí)打開所述開關(guān)。

提供了技術(shù)方案10：根據(jù)技術(shù)方案9所述的系統(tǒng)，其中所述開關(guān)為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

提供了技術(shù)方案11：根據(jù)技術(shù)方案10所述的系統(tǒng)，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)單元被配置成基于跨接所述開關(guān)的所述第一端子和所述第二端子的電壓降來檢測(cè)所述電流。

提供了技術(shù)方案12：根據(jù)技術(shù)方案9所述的系統(tǒng)，其中打開所述開關(guān)包括所述開關(guān)的受控的軟關(guān)斷。

提供了技術(shù)方案13：根據(jù)技術(shù)方案12所述的系統(tǒng)，其中所述受控的軟關(guān)斷包括以比當(dāng)所述電流在所述電流極限內(nèi)時(shí)所述開關(guān)打開更慢的速率來打開所述開關(guān)。

提供了技術(shù)方案14：根據(jù)技術(shù)方案9所述的系統(tǒng)，其中所述第一電壓被配置成使所述開關(guān)工作在所述線性區(qū)。

提供了技術(shù)方案15：根據(jù)技術(shù)方案14所述的系統(tǒng)，其中減小所述柵極電壓被配置成使所述開關(guān)從工作在所述線性區(qū)去飽和到工作在所述有源區(qū)。

提供了技術(shù)方案16：根據(jù)技術(shù)方案9所述的系統(tǒng)，其中所述第二柵極電壓被配置成保護(hù)所述開關(guān)使之避免超過高于換向環(huán)路電感的電感的高電感故障。

提供了技術(shù)方案17：

一種系統(tǒng)，包括：

開關(guān)；

控制器，所述控制器被配置成將一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送至所述開關(guān)，其中所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)被配置成控制所述開關(guān)；以及

柵極驅(qū)動(dòng)單元，所述柵極驅(qū)動(dòng)單元被配置成提供柵極電壓、柵極電流或其組合以用于基于所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制所述開關(guān)，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)單元被配置成：

檢測(cè)從所述開關(guān)的第一端子到所述開關(guān)的第二端子的電流，其中所述電流超過了所述開關(guān)的線性區(qū)的電流極限；

將所述開關(guān)的柵極電壓從第一電壓控制到第二電壓，其中所述第二電壓被配置成使得所述開關(guān)能夠工作在所述開關(guān)的有源區(qū)；并且

當(dāng)所述開關(guān)工作在所述有源區(qū)時(shí)打開所述開關(guān)。

提供了技術(shù)方案18：根據(jù)技術(shù)方案17所述的系統(tǒng)，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)單元被配置成基于跨接所述開關(guān)的端子的電壓降來檢測(cè)所述電流。

提供了技術(shù)方案19：根據(jù)技術(shù)方案18所述的系統(tǒng)，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)單元被配置成利用所述開關(guān)的測(cè)量或估計(jì)溫度補(bǔ)償所述電壓降的溫度依賴性。

提供了技術(shù)方案20；根據(jù)技術(shù)方案18所述的系統(tǒng)，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)單元被配置成通過利用查找表來確定所述電壓降，其中所述查找表基于所述電壓降和溫度輸入來提供電流。

附圖說明

參照附圖提供了本公開的這些和其它特征以及方面，其中在全部附圖中相同的標(biāo)記表示相同的部件，其中：

圖1是在一個(gè)位置處示出了用于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的柵極驅(qū)動(dòng)單元的功率變換器的實(shí)施例的示意圖；

圖2是說明圖1的IGBT的輸出特性的實(shí)施例的曲線圖；

圖3是說明圖1的IGBT的反向偏壓安全工作區(qū)域(RBSOA)的實(shí)施例的曲線圖；

圖4是說明圖1的IGBT的短路安全工作區(qū)域(SCSOA)的實(shí)施例的曲線圖；

圖5是根據(jù)本技術(shù)的方法的實(shí)施例的流程圖；

圖6A是說明沒有過電流保護(hù)的IGBT的工作的實(shí)施例的曲線圖；以及

圖6B是說明有過電流保護(hù)的IGBT的工作的實(shí)施例的曲線圖。

具體實(shí)施方式

本文公開的主題涉及保護(hù)功率開關(guān)，更具體地，涉及當(dāng)電流超過了工作極限時(shí)保護(hù)開關(guān)。

例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的開關(guān)被用于各種各樣的應(yīng)用和行業(yè)中。例如，諸如牽引變換器的功率變換器可將功率從直流(DC)轉(zhuǎn)換為交流(AC)或者改變電壓。功率變換器通?？砂ǜ鶕?jù)由柵極驅(qū)動(dòng)單元提供給開關(guān)的柵極的柵極電壓而打開或閉合的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)。所述柵極驅(qū)動(dòng)單元可以基于從控制所述開關(guān)來提供AC功率的控制器接收的信號(hào)進(jìn)行工作。

開關(guān)的正常操作可包括開關(guān)的打開和閉合以使電流能夠或不能流過開關(guān)。例如，當(dāng)開關(guān)被閉合時(shí)，電流可從開關(guān)的一個(gè)功率端子(例如集電極)流到另一個(gè)端子(例如發(fā)射極)。然而，在功率變換器工作期間故障可能會(huì)發(fā)生，所述故障可導(dǎo)致通過功率變換器的部件(例如一個(gè)或多個(gè)開關(guān))傳導(dǎo)的電流的高電平(例如高于設(shè)計(jì)的最大值)。不幸的是，如果在傳導(dǎo)超過了開關(guān)的電流極限的電流的同時(shí)開關(guān)打開的話，則由于經(jīng)過開關(guān)的過載電流、電壓或功率導(dǎo)致開關(guān)具有增大的擊穿的可能性。過載電流、電壓或功率可導(dǎo)致過熱或者開關(guān)未被設(shè)計(jì)成經(jīng)得住的電場(chǎng)的生成。

取決于開關(guān)的柵極電壓和/或經(jīng)過開關(guān)的電流，開關(guān)可工作在線性區(qū)或有源區(qū)。當(dāng)工作在線性區(qū)時(shí)，跨接開關(guān)的第一端子和第二端子的電壓通常在幾百毫伏到幾伏的范圍內(nèi)。當(dāng)工作在有源區(qū)時(shí)，跨接開關(guān)的第一端子和第二端子的電壓可增大直到功率變換器的工作電壓，其通常在幾百伏的范圍內(nèi)，并且開關(guān)可限制當(dāng)處在閉合狀態(tài)時(shí)所傳導(dǎo)的電流。在正常工作期間，開關(guān)可工作在與電壓隨著電流增大而線性增大相關(guān)聯(lián)的線性區(qū)。當(dāng)經(jīng)過開關(guān)的電流增大或柵極電壓減小時(shí)，開關(guān)可工作在有源區(qū)。

開關(guān)可具有用于從開關(guān)的一個(gè)功率端子到另一個(gè)端子的電流和/或跨接開關(guān)的一個(gè)功率端子到另一個(gè)端子的電壓的組合的兩個(gè)或多于兩個(gè)的工作極限，例如反向偏壓安全工作區(qū)域(RBSOA)和具有比RBSOA的極限更高的一個(gè)或多個(gè)極限的短路安全工作區(qū)域(SCSOA)。在打開之前(例如在關(guān)斷之前)，開關(guān)可工作在有源區(qū)或線性區(qū)。開關(guān)通常工作在正常工作期間適用的RBSOA極限內(nèi)，其中開關(guān)工作在線性區(qū)，同時(shí)開關(guān)處于閉合狀態(tài)(例如在打開之前)。當(dāng)開關(guān)工作在有源區(qū)同時(shí)它處于閉合狀態(tài)(例如在打開之前)時(shí)，SCSOA極限適用。如果在工作在線性區(qū)時(shí)經(jīng)過開關(guān)的電流超過了RBSOA的電流極限，則存在有由于超過了制造商設(shè)計(jì)開關(guān)所經(jīng)得住的而導(dǎo)致的增大的損害開關(guān)的可能性。

通常，開關(guān)是工作在線性區(qū)還是工作在有源區(qū)取決于開關(guān)的柵極電壓。如果柵極電壓被減小，則開關(guān)可轉(zhuǎn)換成工作在有源區(qū)。柵極驅(qū)動(dòng)單元可被配置成檢測(cè)超過了RBSOA的電流極限的過電流。當(dāng)開關(guān)工作在線性區(qū)的同時(shí)檢測(cè)到這個(gè)過電流狀況時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)單元可控制柵極電壓以使開關(guān)在其中SCSOA適用于的命令關(guān)斷之前工作在有源區(qū)。通過控制開關(guān)工作在其中更高的工作極限適用的有源區(qū)，可以安全地打開開關(guān)。

轉(zhuǎn)到附圖，圖1是在礦用卡車(OHV)和機(jī)車中使用的牽引變換器8的示例。雖然本文使用牽引變換器，但是它僅僅是示例，可以使用開關(guān)的任何合適的應(yīng)用。如圖1所示，內(nèi)燃機(jī)10和發(fā)電機(jī)12耦合到二極管14(例如二極管橋式整流器)，二極管14提供DC總線15兩端的DC電壓V_DC輸出。牽引變換器8利用DC電壓V_DC來為牽引電動(dòng)機(jī)18提供三相電力16。也就是，牽引變換器8可包括具有例如為IGBT的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)20的逆變器電路，以將DC電壓V_DC轉(zhuǎn)換成三相AC電壓16。作為示例，圖1示出了牽引變換器8，其包括耦合到6個(gè)IGBT(開關(guān)20)的DC鏈路電容器(C_DC)以便提供低環(huán)路電感(例如100nH)用于將電流從一個(gè)開關(guān)換向到另一個(gè)開關(guān)。換向過程可在相同支線中的兩個(gè)開關(guān)20(例如T1/T6、T3/T2和T5/T4)之間發(fā)生。

一個(gè)或多個(gè)開關(guān)20可耦合到一個(gè)或多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)單元26，所述一個(gè)或多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)單元26提供驅(qū)動(dòng)電壓和/或電流以用于打開或閉合開關(guān)20(例如使開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷)。例如，如圖1所示，每個(gè)開關(guān)20可以被柵極驅(qū)動(dòng)單元26驅(qū)動(dòng)，或者柵極驅(qū)動(dòng)單元26可用來驅(qū)動(dòng)多個(gè)開關(guān)。一個(gè)或多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)單元26可以(例如電氣地和/或可通信地)耦合到控制器28，控制器28控制開關(guān)20的打開或閉合以提供三相AC電壓16。控制器28可將驅(qū)動(dòng)信號(hào)30(例如打開或閉合信號(hào))傳送到一個(gè)或多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)單元26并且可從柵極驅(qū)動(dòng)單元26接收反饋信號(hào)32。同樣地，一個(gè)或多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)單元26可從控制器28接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)30并且可將反饋信號(hào)32(例如OK/故障)傳送到控制器28?？刂破?8可接收和/或傳送與DC電壓、相電壓、相電流或者用于其它柵極驅(qū)動(dòng)單元的其它驅(qū)動(dòng)和反饋信號(hào)有關(guān)的信號(hào)。雖然可將任何數(shù)量的柵極驅(qū)動(dòng)單元26耦合到任何數(shù)量的開關(guān)20，但是為了討論起見，本公開將涉及耦合到開關(guān)20的柵極驅(qū)動(dòng)單元26。

在某些實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)單元26可包括用于執(zhí)行本文描述的方法的各種電路，例如電平移動(dòng)器和/或放大器。作為示例，柵極驅(qū)動(dòng)單元26和/或控制器28可包括處理器35或多個(gè)處理器、存儲(chǔ)器37和/或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)39。處理器可操作耦合到存儲(chǔ)器，以執(zhí)行指令用于執(zhí)行當(dāng)前所公開的技術(shù)，例如經(jīng)由柵極驅(qū)動(dòng)單元26控制開關(guān)20的操作。這些指令可被編碼成程序或代碼，所述程序或代碼存儲(chǔ)在有形的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，例如存儲(chǔ)器和/或其它存儲(chǔ)裝置。處理器可以是通用處理器、片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)備、或者專用集成電路、或者某些其它處理器配置。

在實(shí)施例中，存儲(chǔ)器37可包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，例如但不限于，硬盤驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)驅(qū)動(dòng)器、軟盤、閃存驅(qū)動(dòng)器、光盤、數(shù)字視頻盤、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、固件、只讀存儲(chǔ)器(ROM、EPROM、閃速存儲(chǔ)器等)和/或使處理器能夠存儲(chǔ)、檢索和/或執(zhí)行指令(例如代碼)和/或數(shù)據(jù)的任何合適的存儲(chǔ)設(shè)備。存儲(chǔ)器37還可包括一個(gè)或多個(gè)本地和/或遠(yuǎn)程存儲(chǔ)設(shè)備。

牽引變換器8中的故障或失靈可因?yàn)槿魏螖?shù)量的原因而發(fā)生，雖然本文描述了一些故障，但是這些僅僅是示例。在許多情況下，故障可分成在功率變換器內(nèi)發(fā)生的低電感故障(例如高達(dá)1μH)和在負(fù)載/機(jī)器(例如電動(dòng)機(jī)18)內(nèi)發(fā)生的高電感故障(例如從1μH以及高達(dá)機(jī)器電感水平)。作為低電感的示例，集總電感L_σ24被描繪成包括換向環(huán)路25的環(huán)路電感。相反，牽引電動(dòng)機(jī)18的電動(dòng)機(jī)繞組的電感可以比集總電感L_σ24大大約3到4個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，如果控制器28檢測(cè)到超過了開關(guān)20的一個(gè)或多個(gè)工作極限的高的電流變化，則控制器28可以向柵極驅(qū)動(dòng)單元26發(fā)送打開命令以防止發(fā)生對(duì)開關(guān)20的損害。由于高電感故障期間的高電流，當(dāng)超過了工作極限時(shí)，控制器28可以發(fā)送打開命令。由于這些高電流可導(dǎo)致對(duì)開關(guān)的損害，因此期望當(dāng)電流超過了開關(guān)的工作極限時(shí)在打開期間保護(hù)開關(guān)20。

由給定的變換器中的支線看到的換向電感可以是這樣的以致于：如果k是高于DC鏈路值U_DC的可允許的p.u.電壓過沖并且如果max(dI_CE/dt_off)是在開關(guān)的關(guān)斷期間從開關(guān)的第一端子到開關(guān)的第二端子的電流的導(dǎo)數(shù)的最大值，則總的換向電感應(yīng)滿足：

作為示例，如果U_DC＝800V并且U_blocking＝1200V(單個(gè)開關(guān)的)，則k＝(1200-800)/800＝0.5。那么如果max(dI_CE/dt_off)＝12kA/μs，則L_s≤33nH。作為示例，高電感故障可包含大于大約10×L_s或1μH的電感。

牽引變換器8的開關(guān)20可由柵極電壓34(V_GE)來控制。也就是，取決于柵極電壓，開關(guān)20可允許電流從開關(guān)的第一功率端子29(例如集電極)流到第二功率端子31(例如發(fā)射極)。例如，如果柵極驅(qū)動(dòng)單元26通過提供適當(dāng)?shù)臇艠O電壓34使開關(guān)20閉合的話，電流27可在電路中流動(dòng)(例如在開關(guān)20的集電極和發(fā)射極之間)。同樣地，控制器28可以向柵極驅(qū)動(dòng)單元26發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)以便提供以輸出操作牽引電動(dòng)機(jī)18所期望的功率的方式打開和閉合開關(guān)20的柵極電壓24。

當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，期望保護(hù)開關(guān)20使之避免超過開關(guān)20的設(shè)計(jì)極限。例如，圖1包括示出了其中安全工作區(qū)域(SOA)適用于開關(guān)20的工作參數(shù)的時(shí)期的圖示36。如圖示36所示，反向偏壓安全工作區(qū)域(RBSOA)可以在從開關(guān)20閉合時(shí)到開關(guān)打開時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)期期間適用。此外，正向偏壓安全工作區(qū)域(FBSOA)可以在從開關(guān)打開時(shí)到開關(guān)閉合時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)期期間適用。

取決于開關(guān)的柵極電壓和/或經(jīng)過開關(guān)的電流，開關(guān)20可工作在線性區(qū)或有源區(qū)。在線性區(qū)，開關(guān)可在閉合狀態(tài)下傳導(dǎo)增大的電流。在有源區(qū)，開關(guān)可限制在閉合狀態(tài)時(shí)傳導(dǎo)的電流。圖2示出了具有開關(guān)20的輸出特性的曲線圖40。通常，當(dāng)開關(guān)20被閉合并且集電極電流27I_C處在正常工作范圍內(nèi)(例如不超過安全工作區(qū)域)時(shí)，開關(guān)20工作在所謂的線性區(qū)42(例如當(dāng)沒有故障或短路狀況存在時(shí))或者“處于飽和”。線性區(qū)42與隨著經(jīng)過開關(guān)20的電流增大而增大的電壓相關(guān)聯(lián)。如果經(jīng)過開關(guān)20的電流27超過了線性區(qū)42，則開關(guān)20工作在所謂的有源區(qū)44。有源區(qū)44與其中電流保持近似恒定并且電壓未指定的限流特性相關(guān)聯(lián)。如附圖標(biāo)記46所指示的，曲線圖40示出了y軸48上的集電極電流27I_C和x軸50上的集電極-發(fā)射極電壓V_CE是如何基于柵極電壓34V_GE(例如針對(duì)V_GE3的I₃、針對(duì)V_GE2的I₂)而變化的，其中開關(guān)20從線性區(qū)42轉(zhuǎn)換到有源區(qū)44。通常，柵極驅(qū)動(dòng)單元26提供允許IGBT在被閉合(例如處于導(dǎo)通狀態(tài))時(shí)工作在線性區(qū)42的柵極電壓34。

從線性區(qū)42轉(zhuǎn)換到有源區(qū)44被稱為去飽和(例如當(dāng)柵極電壓34V_GE＝V_GE3時(shí)由附圖標(biāo)記52所指示的)?；谇€圖，針對(duì)開關(guān)20上發(fā)生的去飽和，可以增大電流27和/或可以減小柵極電壓34。在開關(guān)20工作在有源區(qū)44期間，在故障或短路故障的情況下，可限制電流27并且防止損害。短路狀況是其中被認(rèn)為是理想的流過開關(guān)的電流將被寄生性質(zhì)的外部無源組件限制的事件。由于開關(guān)并不是理想的(不具有0電阻)而是具有有源區(qū)，因此開關(guān)是當(dāng)短路狀況存在時(shí)停止限制短路電流的開關(guān)。通過減小柵極電壓34，電流閾值電平減小以用于轉(zhuǎn)換到有源區(qū)44，從而限制電流27。例如，如果柵極驅(qū)動(dòng)單元26使柵極電壓34從V_GE3減小到V_GE2，則用于轉(zhuǎn)換到有源區(qū)44的集電極電流閾值從I₃減小到I₂。

開關(guān)20可與識(shí)別電流極限以用于控制(例如打開或閉合)開關(guān)20的一個(gè)或多個(gè)安全工作區(qū)域相關(guān)聯(lián)。開關(guān)20的安全工作區(qū)域可以是其中開關(guān)20被設(shè)計(jì)成工作的制造商定義的區(qū)。安全工作區(qū)域可基于開關(guān)20的特性，例如摻雜、材料、組件、尺寸等。此外，不同的安全工作區(qū)域可在不同的時(shí)間適用，并且不同的安全工作區(qū)域可包括不同的極限。例如，開關(guān)20可具有反向偏壓安全工作區(qū)域(RBSOA)以及帶有比RBSOA的極限更高的一個(gè)或多個(gè)極限的短路安全工作區(qū)域(SCSOA)。圖3和圖4示出了詳述開關(guān)20的電流27、功率和電壓(例如在開關(guān)的集電極和發(fā)射極之間)的極限的安全工作區(qū)域。當(dāng)在打開開關(guān)20之前開關(guān)20工作在線性區(qū)時(shí)，RBSOA極限適用。當(dāng)開關(guān)20工作在有源區(qū)44同時(shí)它處于閉合狀態(tài)時(shí)，SCSOA極限(例如電流極限64)適用于開關(guān)20，但是RBSOA極限不適用。

這些極限可在不同的時(shí)間適用，因?yàn)樵S多開關(guān)20(例如IGBT)工作在有源區(qū)44，此時(shí)與工作在線性區(qū)42時(shí)相比在IGBT的基極中存在有更少的載流子。在線性區(qū)42中，IGBT的低摻雜基極被載流子充滿以減小電阻并且因此減小基極中的電壓降。當(dāng)IGBT從飽和狀態(tài)被關(guān)斷時(shí)，載流子被清除。載流子清除導(dǎo)致IGBT芯片中增大的應(yīng)力，這與更低的RBSOA極限一起考慮以避免器件的毀壞。當(dāng)IGBT從去飽和狀態(tài)或者有源區(qū)被關(guān)斷時(shí)，在IGBT的基極中僅有很少的載流子，與從飽和狀態(tài)的關(guān)斷相比較，這導(dǎo)致減小的應(yīng)力并且因此允許適用來自SCSOA的更高的電流和功率極限。

圖3是在開關(guān)20(例如IGBT)的正常關(guān)斷期間適用的RBSOA的曲線圖54。圖3的RBSOA可以限定其中期望開關(guān)20安全工作的電壓和電流狀況的極限(例如當(dāng)打開開關(guān)20時(shí))。當(dāng)電流27超過了RBSOA的電流極限時(shí)過電流可能會(huì)發(fā)生。由于超過電流極限，在過電流期間打開開關(guān)20時(shí)可能會(huì)超過功率和電壓極限。例如，開關(guān)20可具有限定電流極限56(即I_X)、功率極限58(即P_x)和/或電壓極限60(即V_x)的RBSOA。例如，一些IGBT可具有額定為3.3kV/1.5kA的電壓和電流極限，其中最大脈沖電流(I_CM)為3kA，為額定電流1.5kA的兩倍。電流極限56可以等于I_CM。如果在打開開關(guān)20時(shí)經(jīng)過開關(guān)20的電流27超過了電流極限56(例如過電流)，則存在有增大的損害和/或擊穿開關(guān)20的可能性，例如超過了熱極限并且過熱或接合線上過大的應(yīng)力。類似地，如果在打開開關(guān)20時(shí)超過了功率極限58和/或電壓極限60，則開關(guān)20可由于過熱或過大的場(chǎng)強(qiáng)而擊穿。換句話說，開關(guān)可由于超過了其中開關(guān)被設(shè)計(jì)成工作的電流和/或電壓而擊穿。此外，高電流電平還可導(dǎo)致超過電壓極限60和功率極限58。同樣地，當(dāng)經(jīng)過開關(guān)20的電流27超過了電流極限56時(shí)，開關(guān)20無法被安全地關(guān)斷。如果在RBSOA適用并且開關(guān)20應(yīng)當(dāng)被打開時(shí)過電流發(fā)生，則如果可以改變開關(guān)20的一個(gè)或多個(gè)特性使得SCSOA適用而RBSOA不適用可能是期望的。

開關(guān)20還可以與短路狀況期間(例如當(dāng)開關(guān)20工作在上面的圖2中所描述的有源區(qū)44時(shí))短時(shí)期(例如5-20μs或者大約10μs)適用的SCSOA相關(guān)聯(lián)。圖4是開關(guān)20的SCSOA的曲線圖62，其示出了在短路狀況期間短時(shí)期的各種特性(例如電流、電壓、功率)的極限。與RBSOA類似，SCSOA可限定電流極限64(即I_Y)、功率極限66(即P_Y)和/或電壓極限68(即V_Y)。如圖4所示，RBSOA電流極限56低于SCSOA電流極限64(例如I_Y＞I_X)。同樣地，開關(guān)20可具有超過RBSOA的電流極限(例如I_X)但不超過SCSOA的電流極限(例如I_Y)的過電流。例如，圖4的用虛線表示的區(qū)70與工作在RBSOA電流極限56之上且在SCSOA電流極限64之下的開關(guān)20相關(guān)聯(lián)。在這樣的時(shí)期，如果在RBSOA電流極限56適用時(shí)開關(guān)20將要打開的話，則如上所述的那樣存在有增大的損害的可能性。然而，如果在SCSOA電流極限64適用時(shí)開關(guān)20打開的話，則開關(guān)20可執(zhí)行受控的打開(例如受控的軟關(guān)斷)以便安全地關(guān)斷開關(guān)20，從而保護(hù)開關(guān)20使之避免增大的損害的可能性。同樣地，將開關(guān)20轉(zhuǎn)換(例如去飽和)到有源區(qū)44使得SCSOA適用可被用來保護(hù)開關(guān)20使之避免在RBSOA之外工作時(shí)打開。以這種方式，開關(guān)不會(huì)超過其中開關(guān)被設(shè)計(jì)用來工作的任何制造商定義的極限。

在一個(gè)實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)單元26可以與控制器28一起使用，以在開關(guān)20上存在有超過RBSOA電流極限56的過電流狀況時(shí)將開關(guān)20轉(zhuǎn)換到有源區(qū)44，從而保護(hù)開關(guān)20使之避免打開。圖5是由柵極驅(qū)動(dòng)單元26和/或控制器28執(zhí)行的、用來保護(hù)開關(guān)20的過程72的流程圖。過程72可以存儲(chǔ)在控制器28/或柵極驅(qū)動(dòng)單元26的存儲(chǔ)器中并且作為指令由一個(gè)或多個(gè)處理器來執(zhí)行。在另一個(gè)實(shí)施例中，過程72可通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和/或邏輯門在柵極驅(qū)動(dòng)器和/或控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)。柵極驅(qū)動(dòng)單元26和/或控制器28可被配置成監(jiān)視經(jīng)過開關(guān)20的電流(框74)以檢測(cè)過電流。這里所描述的過電流可以指示集電極電流27I_C正在超過RBSOA電流極限56但是未超過(例如低于)短路電流極限64。換句話說，當(dāng)開關(guān)20正工作在線性區(qū)42同時(shí)超過了RBSOA電流極限56時(shí)，過電流可開始發(fā)生(例如“處于飽和的”過電流)。

柵極驅(qū)動(dòng)單元26可以各種方式檢測(cè)過電流。例如，可以測(cè)量或估計(jì)電流27和/或可以監(jiān)視熱特性。在一個(gè)實(shí)施例中，通過監(jiān)視導(dǎo)通狀態(tài)(V_CeSat)下開關(guān)20端子兩端的電壓降(例如圖1的集電極-發(fā)射極電壓88)而在柵極驅(qū)動(dòng)單元26上檢測(cè)過電流。柵極驅(qū)動(dòng)單元26可包括用于監(jiān)視電壓降的一個(gè)或多個(gè)傳感器。在某些情況下，電壓降還可以是與溫度相關(guān)的。同樣地，在檢測(cè)過電流(例如與電壓降一起)時(shí)可利用開關(guān)20結(jié)溫的估計(jì)或測(cè)量。為了檢測(cè)溫度，附加的傳感器可包括在柵極驅(qū)動(dòng)單元26中。在這樣的情況下，可利用溫度補(bǔ)償測(cè)量來消除由于局部溫度引起的任何偏置。也可基于指示電壓降V_CeSat的接收信號(hào)來確定電流27。如圖2所示，可基于電壓降V_CE和/或溫度來推斷電流27。例如，可通過利用將電壓降V_CE與電流27相關(guān)聯(lián)的查找表或多項(xiàng)式函數(shù)來確定電流27。

控制器28和/或柵極驅(qū)動(dòng)單元26可確定(框76)經(jīng)過開關(guān)20的電流27是否超過了RBSOA閾值(例如過電流已經(jīng)或者可能發(fā)生)。如果沒有檢測(cè)到過電流，則過程72可通過繼續(xù)監(jiān)視經(jīng)過開關(guān)20的電流27而重新開始(框74)。如果控制器28和/或柵極驅(qū)動(dòng)單元26確定過電流已經(jīng)或者可能發(fā)生(例如經(jīng)由上述的V_CE和/或溫度)，則柵極驅(qū)動(dòng)單元26可將柵極電壓34從與開關(guān)20的閉合(例如允許開關(guān)工作在線性區(qū))相關(guān)聯(lián)的第一預(yù)設(shè)電壓(例如圖2的V_GE3)減小到第二預(yù)設(shè)電壓(例如圖2中的V_GE2)(框78)。當(dāng)電流27超過RBSOA電流極限56時(shí)，第二電壓可基于確保開關(guān)20工作在有源區(qū)(即短路狀態(tài))，從而使得RBSOA不再適用。第二電壓可低于第一電壓并且允許開關(guān)20工作在與RBSOA極限相比不同(更大)的極限相關(guān)聯(lián)的有源區(qū)44。在某些實(shí)施例中，減小柵極電壓34迫使開關(guān)20去飽和并且從工作在線性區(qū)42轉(zhuǎn)換到工作在有源區(qū)44。當(dāng)柵極電壓34被減小到第二電壓時(shí)，開關(guān)20轉(zhuǎn)換到去飽和。也就是，當(dāng)電流27超過RBSOA電流極限56時(shí)，第二電壓可確保開關(guān)20工作在有源區(qū)44。例如，在圖2中，如果RBSOA電流極限56大于或等于I₂并且第二電壓為V_GE2，施加第二電壓作為柵極電壓34將確保開關(guān)20的去飽和，這等于短路中的狀況。

柵極驅(qū)動(dòng)單元26可接著在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間打開開關(guān)20(框80)(例如當(dāng)開關(guān)處于短路狀態(tài)時(shí)執(zhí)行受控的軟關(guān)斷)。IGBT的基極中存儲(chǔ)的載流子可增大從飽和狀態(tài)的關(guān)斷時(shí)的應(yīng)力并且還可由柵極驅(qū)動(dòng)單元限制關(guān)斷的可控性。如果開關(guān)20被去飽和并且在有源區(qū)，則柵極驅(qū)動(dòng)單元可通過施加定義的下降柵極電壓斜率來以受控的方式將電流27減小到零。那樣，可防止超過SCSOA的功率和電壓極限。對(duì)于從飽和狀態(tài)的過電流關(guān)斷，由于存儲(chǔ)的載流子引起的受限的可控性，可能難以或不能防止超過RBSOA的功率和電壓極限。

圖6A是沒有過電流保護(hù)的柵極驅(qū)動(dòng)單元和開關(guān)的關(guān)斷的示例的曲線圖96。如曲線圖96所示，從第一端子29到第二端子31的電流27被示為信號(hào)104。此外，曲線圖96包括指示跨接開關(guān)20從第一端子29到第二端子31的電壓的信號(hào)97。信號(hào)100指示開關(guān)20的柵極電壓34。在圖6A中，電流信號(hào)104超過了RBSOA電流極限56。在這個(gè)過電流狀況期間，開關(guān)20執(zhí)行受控的軟關(guān)斷102而未經(jīng)歷去飽和。結(jié)果，當(dāng)切斷過電流和過電流保護(hù)未被使用時(shí)，電壓信號(hào)104示出了在電壓尖峰98處超過RBSOA電壓極限60的開關(guān)20兩端的電壓。這可能是由于在執(zhí)行開關(guān)20關(guān)斷102之前在過電流狀況104期間未減小V_GE 100的事實(shí)導(dǎo)致的。

相反，圖6B是有過電流保護(hù)的柵極驅(qū)動(dòng)單元26和開關(guān)20的關(guān)斷的示例的曲線圖106。與圖6A的電流和/或電壓量值相比，圖6B可以用不同的電流和/或電壓量值進(jìn)行縮放。例如，在兩個(gè)圖中示出了相同的RBSOA電流極限56以反映縮放比例的差異。曲線圖106包括從開關(guān)20的第一端子29到第二端子31的電流信號(hào)108和電壓信號(hào)114。此外，曲線圖106包括柵極電壓信號(hào)110。當(dāng)電流信號(hào)108超過了RBSOA電流極限56時(shí)，過電流狀況發(fā)生。在這種情況下，柵極驅(qū)動(dòng)器被配置成在去飽和階段112期間減小柵極電壓(V_GE)信號(hào)110。在去飽和階段112之后，開關(guān)20可執(zhí)行受控的軟關(guān)斷116以保護(hù)開關(guān)20使之避免超過開關(guān)20的電壓極限，所述電壓極限在RBSOA和SCSOA中通常是相同的。軟關(guān)斷116可包括以比沒有過電流時(shí)開關(guān)20的通常打開更慢的速率來打開開關(guān)20。通過使用具有更慢地打開開關(guān)20的軟關(guān)斷，開關(guān)20兩端的電壓的更小變化發(fā)生，以防止超出開關(guān)能力之外的過電壓。

在前述的說明書中，已經(jīng)參考附圖描述了各種實(shí)施例。然而，將會(huì)顯而易見的是，在未背離下面的權(quán)利要求書所闡述的本公開的更寬范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行各種修改和改變并且可以實(shí)現(xiàn)附加的實(shí)施例。說明書和附圖因此被認(rèn)為是說明意義的而不是限制意義的。

在這一點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)注意，本文描述的發(fā)電設(shè)備和方法可以在固定應(yīng)用或移動(dòng)應(yīng)用中使用。關(guān)于固定應(yīng)用，合適的系統(tǒng)可包括發(fā)電。合適的發(fā)電系統(tǒng)可包括燃料發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)、水力發(fā)電系統(tǒng)等。合適的移動(dòng)應(yīng)用可包括車輛和便攜式設(shè)備。車輛可包括客車、商用車、機(jī)車、非公路和采礦車輛、農(nóng)用車輛、船舶和飛機(jī)。

還應(yīng)當(dāng)理解，本文描述的發(fā)電設(shè)備和方法在某種程度上可涉及輸入數(shù)據(jù)的處理和輸出數(shù)據(jù)的生成。這個(gè)輸入數(shù)據(jù)處理和輸出數(shù)據(jù)生成可以在硬件或軟件中實(shí)現(xiàn)。例如，可以在與提供如上所述的改進(jìn)的發(fā)電相關(guān)聯(lián)的類似的或相關(guān)的電路中采用特定的電子部件。如果情況就是這樣的話，則這樣的指令可被存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)處理器可讀的存儲(chǔ)媒體上或者被傳送到一個(gè)或多個(gè)處理器是在本公開的范圍內(nèi)的。

本書面描述使用示例來披露本公開，包括最佳實(shí)施方式，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍竟_，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何合并的方法。本公開的可取得專利權(quán)的范圍由權(quán)利要求來限定并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。這樣的其它示例確定在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，如果它們具有與權(quán)利要求的文字語言并無不同的結(jié)構(gòu)元素或者如果它們包括與權(quán)利要求的文字語言并無實(shí)質(zhì)上不同的等效結(jié)構(gòu)元素的話。