[发明专利]转换器开关设备及方法

说明书

技术领域

本发明的实施例总体上涉及功率转换器。其他实施例涉及用于功率转换器的开关设备及方法。

背景技术

在铁路行业中，铁路车辆用于在轨道上将乘客和/或货物从一个位置运输到另一个位置。典型的，机车为火车提供牵引动力。机车被连接以拉动或推动火车的其余部分，且具有与轨道接合的牵引轮。在现代设计中，牵引轮由电动车轮马达驱动，电动车轮马达通过配电供电，配电来自于安置在机车内的一个或多个发动机驱动的发电机。牵引轮和车轮马达能够可逆配置，也作为用于减缓机车的制动器。

类似的，在采矿行业中，大型非公路车辆(OHV)通常采用电动车轮来推进或减速车辆。特别的，OHV一般采用大马力柴油发动机结合交流发电机、主牵引逆变器以及安置在车辆后轮胎内的一对车轮驱动组件。柴油发动机与交流发电机直接关联，使得柴油发动机驱动交流发电机。交流发电机为主牵引逆变器供电，其中半导体功率开关对交流发电机输出的电流进行换向，以向车轮驱动组件的电驱动马达提供电功率。

在机车和OHV应用中，使用固态功率转换器将高压电流从发电机或交流发电机提供至车轮马达。这样的功率转换器包括用于降低电压的感应线圈以及用于对电流进行换向的半导体功率开关。虽然上述应用是典型的，但是应理解功率转换器可用于其他场景中。

通常，功率转换器的操作以如下方式实现：通过相应的栅极驱动单元向单个半导体功率开关的栅极交替地施加两个不同的栅极驱动电压水平。每个功率开关的栅极是用于通过改变半导体区域内电荷载流子的浓度来接通或断开开关的低功率端子。电荷载流子浓度可通过耗尽或通过电场改变，即通过场效应和耗尽效应开关。但是，根据半导体所连接的电路的电气参数，场效应和耗尽效应半导体功率开关对于任何恒定值的栅极驱动电压做出不同的响应。这样，功率转换器效率在影响半导体功率开关响应的电气参数的整个操作范围上是变化的。

相应地，希望通过调节开关电流转换速率维持最优的功率转换器效率。

发明内容

根据本发明的实施例，一种开关设备包括半导体功率开关，所述半导体功率开关被连接为在被栅极驱动电压驱动时传送电流，还包括连接至功率开关的栅极的栅极驱动单元。栅极驱动单元配置成为栅极驱动电压选择多个预定时间函数(pre-determined time function)中的一个，以及根据所选择的时间函数向功率开关的栅极传送栅极驱动电压，从而驱动功率开关在预定转换速率范围(slew rate envelope)内传送电流。

其中，所选择的时间函数在接通所述半导体功率开关之前是基于所述功率开关的集电极和发射极之间的电压测量进行选择的。

其中，所选择的时间函数是基于对所述功率开关的功率开关结温的测量或估计中的至少一个进行选择的。

其中，所述功率开关结温是基于所述功率开关的功率开关电气参数的测量值进行估计的。

其中，所述半导体功率开关结温是基于容纳所述功率开关的开关设备壳体的开关设备壳体温度进行估计的。

其中，所选择的时间函数是基于包括所述功率开关的功率转换器的输出电流的测量值或估计值中的至少一个进行选择的。

其中，所述功率转换器的所述输出电流是在所述半导体功率开关处于非导通状态时进行测量或进行估计中的至少一个。

其中，所述功率转换器的输出电流的值是基于在所述栅极驱动单元接收的操作者控制信号进行估计的。

其中，所选择的时间函数是在所述半导体功率开关处于非导通状态时基于接通之后对功率开关电流的估计进行选择的。

根据本发明的另一个实施例，一种栅极驱动单元包括：用于接收控制信号的控制端子；逻辑电路；以及配置为提供用于驱动半导体功率开关的栅极驱动电压的输出级。逻辑电路配置为基于通过控制端子接收的控制信号选择时间函数。逻辑电路还配置为控制输出级以根据所选择的时间函数提供栅极驱动电压。

其中，所选择的时间函数在所述功率开关处于非导通状态时是基于所述功率开关的电压测量进行选择。

其中，所选择的时间函数是基于对所述半导体功率开关的半导体功率开关温度的测量或估计中的至少一个进行选择。

其中，所述半导体功率开关温度是在相关散热器处直接测量的。

其中，所述半导体功率开关温度是基于容纳所述半导体功率开关的壳体的壳体温度的测量值进行估计的结温。