CN1954470A - 逆变器桥短路保护方案 - Google Patents

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Abstract

一种在用于驱动电感负载的三相多电平逆变器桥中进行短路恢复的故障处理***，其确保了以合适的顺序断开在该逆变器桥中的开关。选择用于所述逆变器桥的开关，以使得对着该逆变器桥的最大正极和最小负极母线电压电平的外侧开关具有比最靠近所述逆变器桥的输出相的内侧开关低的跨导。此外，和驱动内侧开关的驱动器卡相比，驱动外侧开关的驱动器卡使用幅值较低的激励控制信号。当检测到导通态开关的不饱和时，就设置驱动外侧开关的驱动器卡以自动命令外侧开关到断开态，而驱动内侧开关的驱动器卡会在动作前等待来自控制器的指令。

Description

逆变器桥短路保护方案
技术领域
【0001】逆变器桥中的故障处理使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)和类似的开关器件，所述逆变器桥例如为使用三相交流(AC)电机的逆变器桥。
背景技术
【0002】逆变桥或逆变器桥(inverter bridge)提供用来驱动电感负载的受控能量。逆变器桥中的多个开关被顺序地开关以改变逆变器桥的输出电压。输出通常是三相交流电压。作为对逆变器桥拓扑和开关方案的一般性背景描述，公开于2002年5月10日的WO02/37654A2和公开于2004年2月19日的WO2004/015851A2的PCT公开文本在此以引用的方式并入本文。
【0003】在传统的逆变器桥中，故障情况(短路)表现为落入两个种类之一中。第一类是类型I故障。一般来说，类型I故障是由驱动器内部的故障(例如，IGBT失效或低电感输出故障)所造成的结果。作为低阻抗的结果，穿过IGBT的电流增大(di/dt)多，从而迫使IGBT不饱和。
【0004】当检测到类型I故障时，逆变器桥开关被顺序地控制到断开态(off-state)。由于开关没有饱和，电流衰减缓慢，没有引起可感知的尖峰电压(voltage spike)。因此，对于两电平逆变器桥的类型I故障还算容易操控，并且在本领域中多种方法是公知的。然而，在故障电流通路中具有多于两个IGBT开关的三电平或更多(多个)电平逆变器桥中，IGBT开关的不饱和顺序变得难以预料，这可能使IGBT毁坏。
【0005】第二类是类型II故障，类型II故障一般是在逆变器桥外部的故障，例如电线短路或电机故障。在遭受故障的电路中的阻抗通常高，导致通过IGBT的电流上升缓慢。结果是在类型II故障情况下IGBT饱和。类型II故障可在特定的IGBT已达饱和时发生。
【0006】在类型II故障情况下，在处于饱和时，IGBT可在被命令到断开态时迅速关断。然而，这种在处于饱和时的开关动作导致尖峰电压，尖峰电压会烧毁晶体管。由负电流di/dt乘以电路的漏电感所产生的反电动势会引起该尖峰电压。在类型II故障下，电流升高到比IGBT的额定标称电流高数倍的水平。
【0007】类型II短路故障对于逆变器桥是最坏的情况，特别是在多电平逆变器桥(multi-level inverter brigde)中，这是由于它允许IGBT在故障情况下达饱和。类型II故障包括引起有限的di/dt电流增加的短路路径电感，其允许电流上升到极大超过IGBT的最大额定电流，但却并不允许IGBT进入不饱和。向逆变器桥增加额外的电路，以在没有命令IGBT关断的情况下切断到电感负载的电源。出于实践应用方面的考虑，增加额外的电路增加了逆变器桥电路的漏电感，从而导致无害电流开关di/dt产生有害的尖峰电压。作为比较，如果在类型II故障期间命令开关断开，且故障电流上升超过IGBT的最大额定电流，则由负电流di/dt所产生的尖峰电压很可能烧毁IGBT。
【0008】如图1所示，在类型II故障的初始(t1)，电流上升缓慢。然而，在逆变器控制器识别出过载情况(t2)和在短路电流超过最大额定电流(t3)之间的时间，经常短于单个IGBT关断所需要的时间。因此，在控制器能够工作之前或者在被命令关断的开关实际关断之前，故障电流进入到开关关断的禁止区域。
【0009】一种进一步减慢上升时间的方法是人为增加位于逆变器桥输出处的电感。然而，当电感自身是短路的一部分时，这种增加就将失效或不能解决这种情况。
【0010】一旦故障电流进入开关关断的禁止区域，仅仅当电流随后减少到低于IGBT的最大额定电流(Imax)，或者当电流超过使IGBT达到不饱和所需的电流时，安全关断才是可能的。然而，一旦在故障情况下IGBT达到了不饱和电流电平(t4)，那么在对IGBT造成热损坏之前的断开开关的时间就会非常短。
【0011】到目前为止，在传统设计中，总存在当在类型II故障期间，命令IGBT至断开态时会引起任何逆变器桥冒损坏风险的故障电流电感。另外，对于传统逆变器桥，即使在逆变器桥控制器以合适顺序命令开关断开的情况下，由于不饱和通常在串联的开关中随机发生，因此开关的损坏还是会发生。
发明内容
【0012】本发明是对在短路情况下逆变器桥中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的保护的新设计，该短路情况包括类型II故障。经受类型II故障的晶体管将迅速关断。本发明的原理适用于来自任何制造商的低、中或高电压的任何交流驱动器。此外，当逆变器桥开关是在故障情况下经受不饱和的其它类型晶体管(诸如双极结型晶体管(BJT)和场效应管(FET))时，本发明的原理仍然适用。
【0013】本发明的第一方面是：根据在逆变器桥拓扑中的IGBT的位置，控制逆变器桥中的每个开关的跨导。本发明的第二方面是：根据在逆变器桥拓扑中的IGBT的位置，将明确限定的激励控制信号指派给每个IGBT。
【0014】在三相逆变器桥中，开关被布置成支路，每个支路提供三相输出的一相。在每个支路内，开关被进一步分为两个半支路。第一半支路包括每一支路中一半的IGBT，它们连接在最大正极(most-positive)母线电压电平(正电压轨)和相输出之间。在每一支路中的第二组一半的IGBT连接在最小负极(most-negative)母线电压电平(负电压轨)和相输出之间。对着或靠近(toward)这些功率轨之一的IGBT开关被称为“外侧”开关，而对着相输出的IGBT开关被称为“内侧”开关。
【0015】如在本技术领域所公知的，不论是在正常工作情况还是在故障情况下，关断每个半支路中开关的顺序都必然是从外侧到内侧。本发明通过确保外侧开关总是首先达到不饱和并关断，来便于安全关断外侧开关。
【0016】在本发明的实施例中，使用了传统的逆变器桥拓扑。三相多电平逆变器桥具有三个支路，每个支路提供三相输出中的一相，用于驱动电感负载。多电平逆变器桥具有“L”个母线电压电平(L≥3)，其中该L个电平中的两个是最小负极母线电压和最大正极母线电压，任何中间母线电压电平通过下式与其它母线电压电平相差分：
Figure A20048004303100151
【0017】三电平(L＝3)逆变器桥拓扑的图解说明示于图2。四电平(L＝4)逆变器桥拓扑和五电平(L＝5)逆变器桥拓扑的单个支路示于图3和图4。
【0018】逆变器桥的每个支路包含两个半支路：第一半支路和第二半支路。所述第一半支路包含(L-1)个串联连接在最大正极母线电压和相输出之间的开关，所述第二半支路包含(L-1)个串联连接在最小负极母线电压和相输出之间的开关。
【0019】进一步的，每个半支路包含(L-1)个开关中的最外侧开关，其就是连接着最大正极母线电压或最小负极母线电压的开关，还包含(L-1)个开关中的最内侧开关，其就是连接着相输出的开关。
【0020】如果每个半支路(如果L＞3)包含有中间开关，则这些开关的数目是每个半支路(L-3)个，并且串联连接在最内侧开关和最外侧开关之间。
【0021】此外，使用多个驱动器卡。每个驱动器卡包含驱动电路，该电路驱动逆变器桥的开关，具有其自己的驱动器卡的每个逆变器桥开关图解说明于图5中。每个驱动电路提供激励控制信号，其驱动各自的开关为导通或断开态。作为激励控制信号的实例，如果实施例使用IGBT作为开关，则每个激励控制信号是施加在各自IGBT的栅极和发射极之间的电压；如果开关是FET，则每个激励控制信号是施加在各自FET的栅极和源极之间的电压；以及如果开关是BJT，则每个激励控制信号是施加在各自BJT的基极和发射极之间的电流。
【0022】驱动器卡优选地每个都包括监控电路，其监控处于导通态的各个开关两端的电压或监控流过处于导通态的各个开关的电流。例如，如果实施例使用IGBT、FET或BJT作为逆变器开关，每个监控电路则监控处于导通态的各个开关两端的电压。作为比较，如果实施例使用SCR、IGCT、GTO或MCT作为逆变器开关，则每个监控电路就监控流过处于导通态的各个开关的电流。
【0023】同样，驱动器卡优选地每个都包含过载情况检测电路，其通过将所监控的处于导通态的各个开关的电压或电流与阈值水平相比较，来检测过载情况。
【0024】当输出激励控制信号以驱动各个开关的导通态或断开态时，可使用传统的三相多电平逆变器控制器来命令每个驱动电路。
【0025】作为本发明的第一实施例，逆变器桥的开关从具有某个跨导值的那些类型中选出。在同一半支路中，每个最外侧开关具有低于最内侧开关的跨导。如果L＞3，半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其不大于串联的下一个内侧开关(inner next switch)(其对着相输出连接)的跨导，并且不小于串联的下一个外侧开关(outer nextswitch)(其对着最小负极母线电压或最大正极母线电压连接)的跨导。
【0026】优选地，半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其小于串联的下一个内侧开关(其对着相输出连接)的跨导，并且大于串联的下一个外侧开关(其对着最小负极母线电压或最大正极母线电压连接)的跨导。
【0027】作为具有跨导的第一实施例的开关，优选实施例包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、场效应管(FET)、及双极结型晶体管(BJT)。
【0028】作为本发明的第二实施例，公开了一种基于跨导为逆变器桥选择开关的方法。至少确定6(L-1)个开关的跨导。对于逆变器桥的每个半支路，选择外侧开关和内侧开关以使得：选择确定为具有较低跨导的开关用做最外侧开关，且选择确定为具有较高跨导的开关用做最内侧开关。
【0029】如果为其选择开关的逆变器桥具有多于三个的电平(如果L＞3)，则还选择中间开关。至少，选择每个中间开关以使得各个中间开关的跨导不大于为下一个内侧开关(其对着相输出连接)所选的跨导，并且不小于为下一个外侧开关(其对着最小负极母线电压或最大正极母线电压连接)所选的跨导。优选地，选择每个中间开关以使其具有某个跨导，该跨导小于为下一个内侧开关所选的跨导，并大于为下一个外侧开关所选的跨导。
【0030】优选地，外侧开关匹配外侧开关驱动电路，该电路被配置以提供第一激励控制信号来驱动外侧开关至导通态或断开态，并且内侧开关匹配内侧开关驱动电路，该电路被配置以提供第二激励控制信号来驱动内侧开关至导通态或断开态。选择或设置外侧开关驱动电路和内侧开关驱动电路，以使得驱动外侧开关至导通态时的第一激励控制信号在幅值或幅度(magnitude)上小于驱动内侧开关至导通态时的第二激励控制信号。
【0031】如果L＞3，则对于在各自半支路之内的每个中间开关，所述中间开关匹配各自的中间开关驱动电路，所述中间开关驱动电路被配置以提供中间激励控制信号来驱动中间开关至导通或断开态。选择或设置每个中间开关驱动电路，以使得当驱动中间开关至导通态时，所述中间激励控制信号在幅值上不大于用来驱动各自的下一个内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，并且不小于用来驱动各自的下一个外侧开关至导通态的激励控制信号的幅值。更优选地，选择或设置每个中间开关驱动电路，以使得当驱动中间开关至导通态时，所述中间激励控制信号在幅值上小于用来驱动各自的下一个内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，并且大于用来驱动各自的下一个外侧开关至导通态的激励控制信号的幅值。
【0032】此外，对于每个半支路，在选择了内侧开关、外侧开关和任何的中间开关之后，所述的开关可被加标签以指明在各自半支路中它们的相对位置。
【0033】作为具有跨导的第二实施例的开关，优选实施例包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、场效应管(FET)、及双极结型晶体管(BJT)。
【0034】本发明的第三实施例是一个***，其包括三相多电平(L≥3)逆变器桥及相关联的驱动电路。较低幅值的激励控制信号驱动每个半支路的每个最外侧开关至导通态，该幅值低于用来驱动同一半支路的最内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值。如果L＞3，则半支路的每个中间开关都由这样的激励控制信号驱动至导通态：该信号在幅值上不大于用来驱动对着相输出连接的下一个内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，并且不小于用来驱动对着最小负极母线电压或最大正极母线电压连接的下一个外侧开关至导通态的激励控制信号的幅值。
【0035】作为具有跨导的第二实施例的开关，优选实施例包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、场效应管(FET)、及双极结型晶体管(BJT)。
【0036】作为第三实施例的第一变形，对于每个半支路，(L-1)个开关中的每一个都具有跨导。每个最外侧开关具有比同一半支路的最内侧开关低的跨导。如果L＞3，则半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其小于对着相输出连接的下一个内侧开关的跨导，并且大于对着最小负极母线电压或最大正极母线电压连接的下一个外侧开关的跨导。
【0037】作为第三实施例的第二变形，如果L＞3，则半支路的每个中间开关通过激励控制信号而驱动至导通态，该激励控制信号在幅值上小于用来驱动对着相输出连接的下一个内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，并且大于用来驱动对着最小负极母线电压或最大正极母线电压连接的下一个外侧开关至导通态的激励控制信号的幅值。
【0038】优选地，对于该第二变形，所述(L-1)个开关的每一个都具有跨导，并且每个最外侧开关比同一半支路的最内侧开关具有更低的跨导。如果L＞3，则半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其不大于(更优选地，小于)对着相输出连接的下一个内侧开关的跨导，并且不小于(更优选地，大于)对着最小负极母线电压或最大正极母线电压连接的下一个外侧开关的跨导。
【0039】本发明的第四实施例是一个***，其包含三相多电平(L≥3)逆变器控制器、三相多电平逆变器桥及其相关联的驱动电路、监控电路、及过载情况检测电路。
【0040】作为第四实施例的开关，实例包含绝缘栅双极晶体管(IGBT)、场效应管(FET)、双极结型晶体管(BJT)、可控硅整流器或晶闸管(SCR)、绝缘栅控制晶闸管(IGCT)、栅极可关断晶闸管(GTO)以及金属氧化物可控硅晶闸管(MCT)。
【0041】一旦检测到各自最外侧开关的过载情况，向各自的最外侧开关提供激励控制信号的每个驱动电路就自动地驱动各自的最外侧开关至断开态，并且各自最外侧开关的过载检测电路向三相多电平逆变器控制器发出信号表明已检测到过载情况。
【0042】一旦检测到各自最内侧开关的过载情况，各自最内侧开关的每个过载检测电路就向三相多电平逆变器控制器发出信号表明已检测到过载情况，并且向各自最内侧开关提供激励控制信号的驱动电路等待来自三相多电平逆变器控制器的指令，该指令指示是使该最内侧开关保持在导通态还是驱动该最内侧开关至断开态。
【0043】优选地，如果L＞3，一旦检测到各自中间开关的过载情况，各自中间开关的过载检测驱动电路就向三相多电平逆变器控制器发出信号表明已检测到过载情况，并且向各自中间开关提供激励控制信号的驱动电路等待来自三相多电平逆变器控制器的指令，该指令指示是将该中间开关保持在导通态，还是驱动该中间开关至断开态。
【0044】可替代地，如果L＞3，一旦检测到各自中间开关的过载情况，向各自中间开关提供激励控制信号的每个驱动电路就自动地驱动各自的中间开关至断开态，并且各自中间开关的过载检测电路向三相多电平逆变器控制器发出信号表明已检测到过载情况。通过幅值比用来驱动同一半支路的最内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值小的较低幅值激励控制信号，每个半支路的最外侧开关被驱动至导通态。半支路的每个中间开关都由这样的激励控制信号驱动至导通态：该信号在幅值上小于用来驱动对着相输出连接的闭合的下一个内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，并且大于用来驱动对着最小负极母线电压或最大正极母线电压连接的闭合的下一个外侧开关至导通态的激励控制信号的幅值。
【0045】此外，使用具有跨导的某类型的开关，每个最外侧开关具有比同一半支路的最内侧开关更低的跨导。半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其小于对着相输出连接的下一个内侧开关的跨导，并且大于对着最小负极母线电压或最大正极母线电压连接的下一个外侧开关的跨导。
【0046】本发明的上述各种方面通过可靠地确保逆变器桥的外侧开关将首先达到不饱和而减轻了来自类型I和类型II故障的损害，因而保证开关的关断以必要且正确的顺序发生，并且不需要专用逆变器控制器。
【0047】尽管对于外侧开关使用较低跨导和/或较低幅值的激励控制信号是有好处的，但如果对内侧开关施加相近的数值，那么总的所获得的好处将是不同的，这是由于逆变器桥的安全关断依赖于按照顺序关断每个半支路(从最外侧晶体管到最内侧晶体管)。设计每个开关来控制母线电压的仅仅一部分，并且通过在外侧晶体管之前关断内侧晶体管，整个母线电压将跨接在所述关断内侧晶体管上。内侧晶体管在拓扑中的位置会导致内侧晶体管的损坏。
附图说明
【0048】图1是电流-时刻曲线，其图解说明了在类型II故障期间电流随时间的变化。
【0049】图2图解说明具有交流电机作为电感负载的示例性三电平逆变器桥电路。
【0050】图3图解说明了四电平逆变器桥的单独一个支路。
【0051】图4图解说明了五电平逆变器桥的单独一个支路。
【0052】图5图解说明了连接到IGBT的驱动器卡。
【0053】图6图解说明了和驱动器卡接口连接的控制器。
【0054】图7A和7B图解说明了本发明的方法，其用来基于每个开关的跨导准备用于逆变器桥的开关。
具体实施方式
【0055】在本公开文件中，在有关开关的上下文中，术语“导通态(on-state)”、“导电”以及“闭合”是可互换的，就如同“断开态(off-state)”、“不导电”以及“打开”可互换一样。
【0056】本发明的一个方面是使用IGBT，其外侧开关的跨导值(gm)相对于内侧开关的跨导值更低。通过对外侧开关使用更低跨导的IGBT，即使在使用等同的+VGE电平和普通逆变器桥控制器的情况下，外侧开关将总是在内侧开关之前不饱和。
【0057】本技术领域中已知多种技术用于确定跨导。例如，对于IGBT来说，通过在额定IGBT电流和+VGE等于15V时测量集电极-发射极压降是一种筛分每个IGBT跨导的简单方法。另一种筛分跨导的方法在于建立短路类型I故障，并测量通过开关的电流：对于给定的+VGE，跨导越高，电流越大。此外，考虑到许多IGBT的高成本，一些制造商可能希望在发货前测量跨导并相应地为每个IGBT作标记。
【0058】参考图7A和7B，为了构建带有必要跨导布置的逆变器桥，需要确定至少6(L-1)个开关的跨导值(gm)(步骤701)。对于每个半支路，选择相对低跨导(gm)的开关用作最外侧开关(步骤702)，而选择相对高跨导(gm)的开关(在同一半支路内相对高)用作最内侧开关(步骤703)。如果L＞3(步骤704)，则选择(L-3)个开关用作支路的中间开关，这些开关串联连接在最外侧开关和最内侧开关之间。每个中间开关具有不大于下一个内侧开关、且不小于下一个外侧开关的gm(步骤705)。更优选地，每个中间开关具有小于下一个内侧开关、且大于下一个外侧开关的gm。
【0059】例如，在图4中，第二半支路包括开关S1到S4，S1是最外侧开关，而S4是最内侧开关。每个开关SN具有跨导gmN。根据图7的方法，这个支路的跨导应当满足：
gm1＜gm4且gm1≤gm2≤gm3且gm2≤gm3≤gm4
【0060】更优选地，跨导满足：
gm1＜gm2＜gm3＜gm4
【0061】此外，对于每个半支路，在选择内侧开关、外侧开关和任何中间开关之后，可对开关加标签，以指明在各自半支路中它们的相对位置(步骤706)。
【0062】通过以这种方式来布置晶体管，当发生短路时，发生不饱和的上限电流(ISC)被降低，因此具有较低跨导的晶体管必然首先达到不饱和。因此，即使使用普通控制器，也可以确保半支路安全关断所必须的开关排序。
【0063】同样的，降低用来驱动晶体管到导通态的激励也会导致更早的不饱和。例如，对于IGBT，较低的+VGE具有类似于使用具有较低跨导IGBT的效果。
【0064】一般来说，IGBT晶体管的驱动器卡使用+VGE＝15V用于导通态。根据本发明的一个方面，每个最内侧晶体管保持在+VGE＝15V，而较低电压被用来激励最外侧晶体管。如果必须适应用来激励最内侧晶体管导通态的+VGE的公差，则最好是+VGE等于15V+0.5V/-0.0V(即，朝远离用于外侧晶体管的+VGE的方向变化)，这是因为在外侧IGBT不饱和之前，内侧IGBT必须不能达到不饱和。
【0065】将+VGE从15V减少到14V有效地降低了将通过IGBT的最大电流(ISC)。例如，一个600A、6.5kV的IGBT，在发生短路时ISC从3600A减少到3000A。因此，通过以+VGE＝15V驱动内侧晶体管的同时，以+VGE＝14V来驱动外侧晶体管，外侧IGBT将总是在其相应的内侧IGBT不饱和之前达到不饱和，因为外侧IGBT的ISC较小。
【0066】再参考图4中的第二半支路，其包括开关S1-S4，对于施加在开关SN上的电压+VGEN，优选地有：
+VGE1＜+VGE4且+VGE1≤+VGE2≤+VGE3且+VGE2≤+VGE3≤+VGE4
【0067】更优选地，激励信号满足：
+VGE1＜+VGE2＜+VGE3＜+VGE4
【0068】当降低+VGE时，相应的RG的值应当调低，以便能够最小化与降低+VGE相联系的开关损耗。在合理的数值内，这能够导致导电损耗的轻微增加(由于集电极到发射极电压增加而造成的)，但在热损耗上带来的影响可以忽略。
【0069】此外，如果没有确定跨导，并且具有较高跨导的器件被用作外侧开关，则该较高的跨导值将会抵消通过降低+VGE(例如，从+15V降低到+14V)而获得的益处。因此，为了确保从降低外侧晶体管的+VGE获得益处，所使用的晶体管应当具有至少接近的跨导。但是，优选地，可一起使用较低的跨导和较低的+VGE，从而确保正确的不饱和顺序。
【0070】例如，如在图7B中所图解说明的，半支路的每个开关具有顺序布置的跨导，其可被匹配到所选定或所设定的驱动每个开关的驱动电路，如前所述。具有相对低跨导的每个外侧开关被匹配到驱动电路，该电路被配置为当驱动外侧开关至导通态时，提供相对低的+VGE(步骤707)，而具有相对高跨导的每个内侧开关被匹配到驱动电路，该电路被配置为当驱动内侧开关至导通态时，提供相对高的+VGE(步骤709)。具有中间跨导的每个中间开关被匹配到各自的驱动电路，该电路被配置为当驱动中间开关至导通态时，提供相对中间的+VGE(步骤708)，每个中间的+VGE在幅值上不大于用来驱动各自的下一个内侧开关至导通态的+VGE，并且在幅值上不小于用来驱动各自的下一个外侧开关至导通态的+VGE。更优选地，每个中间的+VGE在幅值上小于用来驱动各自的下一个内侧开关至导通态的+VGE，并且在幅值上大于用来驱动各自的下一个外侧开关至导通态的+VGE。
【0071】本发明的再一个方面使用用于外侧开关的驱动器卡，其被设置为在检测到过载情况时，自动关断外侧开关，并且不需要等待来自控制器的指令。这种设置有时在本技术领域被称为“两级”控制。通过使用两级控制，一旦检测到每个开关的不饱和电压值或每个开关的最大额定短路电流(ISC)，驱动器卡自身就将使外侧开关关断，并通过诸如光纤的接口向控制器发送故障信号。由于在多数情况下，驱动器卡比控制器更快地响应，因此该驱动器卡处理会更有效。
【0072】作为比较，驱动内侧开关的驱动器卡还被设置为将检测到过载情况报告给控制器并等待指令。这种设置有时在本技术领域被称为“三级”控制。通过使用三级控制，内侧开关仅仅通过来自控制器的有顺序的命令才被关断。由于最内侧开关在相应的最外侧开关关断之前不得关断，因此这一设置就很重要。
【0073】事实上，如果外侧开关被适当地关断，则相应的内侧开关将不必完全关断，这可帮助歇振或者抑制(quench)在负载电感和输出电线杂散电感(stray inductance)两者的磁场中所存储的能量。如果已知相应的外侧开关短路，则控制器会断开内侧开关。
【0074】中间开关驱动器卡也应当将检测到的过载情况报告给控制器，并等待指令。然而，如果根据本发明的其它方面来选择跨导和/或激励控制信号，则中间开关驱动器卡也将被设置为自动地命令各自的中间开关断开。
【0075】可以预期的是，在不脱离由所附权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，可对本发明实施例和实施方式进行许多修改。

Claims (22)

1.一种具有三支路的三相多电平逆变器桥，每个支路提供三相输出中的一相，用于驱动电感负载，所述三相多电平逆变器桥具有“L”个母线电压电平(L≥3)，其中所述L个电平中的两个是最小负极母线电压和最大正极母线电压，任何中间母线电压电平与其它母线电压电平的差分是所述最大正极母线电压和所述最小负极母线电压之差再除以(L-1)，
每个支路包括两个半支路：第一半支路和第二半支路，所述第一半支路包含(L-1)个串联连接在所述最大正极母线电压和所述相输出之间的开关，所述第二半支路包含(L-1)个串联连接在所述最小负极母线电压和所述相输出之间的开关，
每个半支路包含：
所述(L-1)个开关的最外侧开关，其就是连接到所述最大正极母线电压或所述最小负极母线电压的开关；
所述(L-1)个开关的最内侧开关，其就是连接到所述相输出的开关；以及
如果L＞3，则包含所述(L-1)个开关的(L-3)个中间开关，其串联连接在所述最内侧开关和所述最外侧开关之间，
其中：
每一个的所述(L-1)个开关都具有跨导，并且其被配置以通过控制信号来驱动，和
每个最外侧开关具有的跨导低于同一半支路的所述最内侧开关的跨导，以及
如果L＞3，半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其不大于对着所述相输出连接的串联的下一个内侧开关的跨导，并且不小于对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的串联的下一个外侧开关的跨导。
2.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器桥，其中半支路的每个中间开关具有跨导，该跨导小于对着所述相输出连接的串联的下一个内侧开关的跨导，并且大于对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的串联的下一个外侧开关的跨导。
3.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器桥，其中所述(L-1)个开关中的每个开关都选自由绝缘栅双极晶体管IGBT、场效应管FET、及双极结型晶体管BJT组成的组。
4.一种为具有三支路的三相多电平逆变器桥布置开关的方法，每个支路提供三相输出中的一相，用于驱动电感负载，所述多电平逆变器桥具有“L”个母线电压电平(L≥3)，其中所述L个电平中的两个是最小负极母线电压和最大正极母线电压，任何中间母线电压电平与其它母线电压电平的差分是所述最大正极母线电压和所述最小负极母线电压之差再除以(L-1)，
每个支路包括两个半支路：第一半支路和第二半支路，所述第一半支路包含(L-1)个串联连接在所述最大正极母线电压和所述相输出之间的开关，以及所述第二半支路包含(L-1)个串联连接在所述最小负极母线电压和所述相输出之间的开关，
每个半支路具有所述(L-1)个开关中的最外侧开关，其就是连接到所述最大正极母线电压或所述最小负极母线电压的开关；
每个半支路具有所述(L-1)个开关中的最内侧开关，其就是连接到所述相输出的开关；
所述(L-1)个开关中的每一个都具有跨导，并且其被配置以通过控制信号来驱动，和
每个最外侧开关具有的跨导低于同一半支路的所述最内侧开关的跨导，
其中如果L＞3，则存在所述(L-1)个开关的(L-3)个中间开关，其串联连接在所述最内侧开关和所述最外侧开关之间，半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其不大于对着所述相输出连接的串联的下一个内侧开关的跨导，并且不小于对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的串联的下一个外侧开关的跨导，
所述方法包括：
确定至少6(L-1)个开关的跨导；
为每个半支路选择外侧开关和内侧开关，以使得所述外侧开关具有的跨导低于所述内侧开关的跨导；和
如果L＞3，则为每个半支路选择每个中间开关，以使得各个所述中间开关的跨导不大于对着所述相输出连接的下一个内侧开关的跨导，并且不小于对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的下一个外侧开关的跨导。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括：
对于每个半支路，在选择所述内侧开关、外侧开关以及如果L＞3，则选择任何中间开关之后，为所述开关加标签，以指明在各自半支路中它们的相对位置。
6.根据权利要求4所述的方法，其中选择每个中间开关进一步包括选择半支路的每个中间开关，其具有的跨导小于对着所述相输出连接的下一个内侧开关的跨导，并且大于对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的下一个外侧开关的跨导。
7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括：
对于每个半支路，在选择所述内侧开关、外侧开关以及如果L＞3，则选择任何中间开关之后，为所述开关加标签，以指明在各自半支路中它们的相对位置。
8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括：
对于每个半支路，匹配外侧开关到外侧开关驱动电路，该电路被配置以提供第一激励控制信号来驱动所述外侧开关至导通或断开态；
对于每个半支路，匹配内侧开关到内侧开关驱动电路，该电路被配置以提供第二激励控制信号来驱动所述内侧开关至导通或断开态，
其中，选择或设置所述外侧开关驱动电路和所述内侧开关驱动电路，以使得当驱动所述外侧开关至导通态时的所述第一激励控制信号在幅值上小于当驱动所述内侧开关至导通态时的所述第二激励控制信号；以及
如果L＞3，则对于每个半支路和对于所述各个半支路内的每个中间开关，匹配所述中间开关到各自的中间开关驱动电路，该中间开关驱动电路被配置以提供中间激励控制信号来驱动所述中间开关至导通或断开态，其中，选择或设置每个中间开关驱动电路，以使得当驱动所述中间开关至导通态时，所述中间激励控制信号在幅值上不大于用来驱动各自的下一个所述内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，并且不小于用来驱动各自的下一个外侧开关至导通态的激励控制信号的幅值。
9.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括：
对于每个半支路，匹配外侧开关到外侧开关驱动电路，该电路被配置以提供第一激励控制信号来驱动所述外侧开关至导通或断开态；
对于每个半支路，匹配内侧开关到内侧开关驱动电路，该电路被配置以提供第二激励控制信号来驱动所述内侧开关至导通或断开态，
其中，选择或设置所述外侧开关驱动电路和所述内侧开关驱动电路，以使得驱动所述外侧开关至导通态时的所述第一激励控制信号在幅值上小于驱动所述内侧开关至导通态时的所述第二激励控制信号；以及
如果L＞3，则对于每个半支路和对于所述各个半支路内的每个中间开关，匹配所述中间开关到各自的中间开关驱动电路，该中间开关驱动电路被配置以提供中间激励控制信号来驱动所述中间开关至导通或断开态，其中，选择或设置每个中间开关驱动电路，以使得当驱动所述中间开关至导通态时，所述中间激励控制信号在幅值上小于用来驱动各自的下一个内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，并且大于用来驱动各自的下一个外侧开关至导通态的激励控制信号的幅值。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，每个所选择的最内侧、最外侧以及中间开关都选自由绝缘栅双极晶体管IGBT、场效应管FET、及双极结型晶体管BJT组成的组。
11.一种***，其包括：
一种具有三支路的三相多电平逆变器桥，每个支路提供三相输出中的一相，用于驱动电感负载，所述三相多电平逆变器桥具有“L”个母线电压电平(L≥3)，其中所述L个电平中的两个是最小负极母线电压和最大正极母线电压，任何中间母线电压电平与其它母线电压电平的差分是所述最大正极母线电压和所述最小负极母线电压之差再除以(L-1)，
每个支路包括两个半支路：第一半支路和第二半支路，所述第一半支路包含(L-1)个串联连接在所述最大正极母线电压和所述相输出之间的开关，以及所述第二半支路包含(L-1)个串联连接在所述最小负极母线电压和所述相输出之间的开关，
每个半支路具有所述(L-1)个开关的最外侧开关，其就是连接到所述最大正极母线电压或所述最小负极母线电压的开关；
每个半支路具有所述(L-1)个开关的最内侧开关，其就是连接到所述相输出的开关；
其中如果L＞3，则存在所述(L-1)个开关的(L-3)个中间开关，其串联连接在所述最内侧开关和所述最外侧开关之间，以及存在多个驱动电路，其被配置成驱动所述逆变器桥的开关，每个所述逆变器桥开关具有它自己的驱动电路，并且每个驱动电路都提供驱动各自的开关至导通或断开态的激励控制信号，
其中，通过较低幅值激励控制信号来驱动每个半支路的每个最外侧开关至导通态，所述较低幅值激励控制信号的幅值低于用来驱动同一半支路的最内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，
其中，如果L＞3，半支路的每个中间开关通过激励控制信号被驱动至导通态，该激励控制信号在幅值上不大于用来驱动对着所述相输出连接的下一个内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，并且不小于用来驱动对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的下一个外侧开关至导通态的激励控制信号的幅值。
12.根据权利要求11所述的***，其中：
所述(L-1)个开关中的每一个都具有跨导，和
每个最外侧开关具有的跨导低于同一半支路的所述最内侧开关的跨导，
如果L＞3，半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其小于对着所述相输出连接的下一个内侧开关的跨导，并且大于对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的下一个外侧开关的跨导。
13.根据权利要求11所述的***，其中，如果L＞3，半支路的每个中间开关通过激励控制信号被驱动至导通态，该激励控制信号在幅值上小于用来驱动对着所述相输出连接的下一个内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，并且大于用来驱动对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的下一个外侧开关至导通态的激励控制信号的幅值。
14.根据权利要求13所述的***，其中：
所述(L-1)个开关中的每一个都具有跨导，和
每个最外侧开关具有的跨导低于同一半支路的所述最内侧开关的跨导，
如果L＞3，则半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其不大于对着所述相输出连接的下一个内侧开关的跨导，并且不小于对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的下一个外侧开关的跨导。
15.根据权利要求13所述的***，其中：
所述(L-1)个开关中的每一个都具有跨导，和
每个最外侧开关具有的跨导低于同一半支路的所述最内侧开关的跨导，
如果L＞3，则半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其小于对着所述相输出连接的下一个内侧开关的跨导，并且大于对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的下一个外侧开关的跨导。
16.根据权利要求11所述的***，其中对于每个半支路，所述(L-1)个开关中的每个开关都选自由绝缘栅双极晶体管IGBT、场效应管FET、及双极结型晶体管BJT组成的组，
其中，如果所述(L-1)个开关是IGBT，则每个激励控制信号就是施加在各自IGBT的栅极和发射极之间的电压，
其中，如果所述(L-1)个开关是FET，则每个激励控制信号就是施加在各自FET的栅极和源极之间的电压；以及
其中，如果所述(L-1)个开关是BJT，则每个激励控制信号是施加在各自BJT的基极和发射极之间的电压。
17.一种***，其包括：
一种具有三支路的三相多电平逆变器桥，每个支路提供所述三相输出中的一相，用于驱动电感负载，所述三相多电平逆变器桥具有“L”个母线电压电平(L≥3)，其中所述L个电平中的两个是最小负极母线电压和最大正极母线电压，任何中间母线电压电平与其它母线电压电平的差分是所述最大正极母线电压和所述最小负极母线电压之差再除以(L-1)，
每个支路包括两个半支路：第一半支路和第二半支路，所述第一半支路包含(L-1)个串联连接在所述最大正极母线电压和所述相输出之间的开关，以及所述第二半支路包含(L-1)个串联连接在所述最小负极母线电压和所述相输出之间的开关，
每个半支路具有所述(L-1)个开关的最外侧开关，其就是连接到所述最大正极母线电压或所述最小负极母线电压的开关，
每个半支路具有所述(L-1)个开关的最内侧开关，其就是连接到所述相输出的开关，和
如果L＞3，每个半支路具有所述(L-1)个开关的(L-3)个中间开关，其串联连接在所述最内侧开关和所述最外侧开关之间；以及
多个驱动电路，其被配置成驱动所述逆变器桥的开关，每个所述逆变器桥开关具有它自己的驱动电路，并且每个驱动电路都提供驱动各自开关至导通或断开态的激励控制信号；
多个监控电路，每个所述逆变器桥开关具有它自己的监控电路，其监控处于导通态的各个开关两端的电压以及穿过处于导通态的各个开关的电流；
多个过载情况检测电路，每个所述逆变器桥开关具有它自己的过载情况检测电路，其通过将所监控的处于导通态的所述各个开关的电压或电流与某个阈值水平比较，来检测过载情况；
三相多电平逆变器控制器，其命令每个驱动电路何时输出激励控制信号来驱动各个开关至导通或断开态时；
其中，一旦检测到各自最外侧开关的过载情况，向所述各自最外侧开关提供所述激励控制信号的每个驱动电路就自动地驱动所述各自最外侧开关至断开态，并且所述各自最外侧开关的所述过载检测电路向所述三相多电平逆变器控制器发出信号，表明已检测到过载情况，
其中各自最内侧开关的每个过载检测电路一旦检测到所述各自最内侧开关的过载情况，就向所述三相多电平逆变器控制器发出信号，表明已检测到所述过载情况，并且向所述各自最内侧开关提供所述激励控制信号的所述驱动电路等待来自所述三相多电平逆变器控制器的指令，该指令是关于保持所述最内侧开关处于导通态或者驱动所述最内侧开关至断开态。
18.根据权利要求17所述的***，其中L＞3，并且
其中各自中间开关的每个过载检测驱动电路一旦检测到所述各自中间开关的过载情况，就向所述三相多电平逆变器控制器发出信号表明已检测到所述过载情况，并且向所述各自的中间开关提供所述激励控制信号的所述驱动电路等待来自所述三相多电平逆变器控制器的指令，该指令是关于保持所述中间开关处于导通态或者驱动所述中间开关至断开态。
19.根据权利要求17所述的***，其中L＞3，
其中，向各自的中间开关提供所述激励控制信号的每个驱动电路一旦检测到所述各自的中间开关的过载情况，就自动地驱动所述各自的中间开关至断开态，并且所述各自中间开关的所述过载检测电路向所述三相多电平逆变器控制器发出信号，表明已检测到过载情况，
其中，通过幅值比用来驱动同一半支路的最内侧开关至导通态的激励控制信号小的较低幅值激励控制信号，半支路的每个最外侧开关被驱动至导通态，
半支路的每个中间开关都由激励控制信号驱动至导通态，该信号在幅值上小于用来驱动对着所述相输出连接的下一个内侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，并且大于用来驱动对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的下一个外侧开关至导通态的激励控制信号的幅值，
所述(L-1)个开关中的每一个都具有跨导，
每个最外侧开关具有的跨导低于同一半支路的所述最内侧开关的跨导，以及
半支路的每个中间开关具有这样的跨导：其小于对着所述相输出连接的下一个内侧开关的跨导，并且大于对着所述最小负极母线电压或所述最大正极母线电压连接的下一个外侧开关的跨导。
20.根据权利要求17所述的***，其中，每个半支路的所述(L-1)个开关中的每个开关都选自由绝缘栅双极晶体管IGBT、场效应管FET、双极结型晶体管BJT、可控硅整流器SCR、绝缘栅控制晶闸管IGCT、栅极可关断晶闸管GTO以及金属氧化物可控硅晶闸管MCT组成的组，
其中，如果开关是IGBT、FET或BJT，则每个监控电路监控处于导通态的所述各开关两端的电压，以及
其中如果开关是SCR、IGCT、GTO或MCT，则每个监控电路都监控通过处于导通态的所述各开关的电流。
21.根据权利要求20所述的***，其中，如果开关是IGBT、FET或BJT，则所述阈值水平是每个开关的不饱和电压值，并且当处于导通态的所述监控电压高于所述阈值水平时，所述开关被认为是不饱和的，从而指示出所述过载情况。
22.根据权利要求20所述的***，其中，如果开关是SCR、IGCT、GTO或MCT，则所述阈值水平是每个开关的最大额定短路电流(sc)，并且当处于导通态的所述监控电流高于所述阈值水平时，所述开关被认为是不饱和的，从而指示出所述过载情况。
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