TWI459673B - 功率開關串聯電路及其控制方法以及多電平變換裝置 - Google Patents

Description

功率開關串聯電路及其控制方法以及多電平變換裝置

本發明係有關於功率開關的串聯技術，特別係有關於功率開關串聯電路的設計和控制方法。

當前，在高壓大功率變換器中，對於功率器件要求具有較高的耐壓值，但單個的功率器件顯然無法滿足這一要求。現有的一種解決方式是，使用多個功率開關器件直接串聯。例如，功率開關器件可以是晶閘管、門控可關斷晶閘管、絕緣閘雙極型電晶體(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)，它們可應用于高壓直流電路、靜態可變補償器和高壓逆變器等電子設備中。

但是，採用晶閘管、門控可關斷晶閘管等傳統器件進行串聯連接時，功率損耗大、開關速度慢，因而無法在脈衝寬度調變(PWM)變流裝置中得到廣泛應用。相比之下，IGBT作為上世紀八十年代出現的一種新型半導體功率器件，不僅具有電壓控制輸入特性、低阻通態輸出特性，而且IGBT的開關速度很快，完全能夠滿足PWM變流技術的要求。另一方面，儘管串聯電路中各IGBT指標、閘極控制信號電路完全相同，但由於各IGBT的性能、開關速度的差異，閘極控制信號線路元器件參數的不一致，線路存在分佈電感、分佈 電容等因素，往往會造成IGBT的開關動作不一致，進而造成個別IGBT器件在開關瞬間，集極與射極之間的電壓超過其額定的耐壓值，損壞該功率器件。此外，在功率開關串聯電路中，如果因某些故障使IGBT器件在導通期間出現過電流，一旦未有效檢測出過流情形，將會使IGBT器件因過流而失效。

有鑑於此，如何對現有的功率開關串聯電路進行改進，以便在電路出現異常情形時能夠快速地保護功率開關，提升串聯電路的運行可靠性，是業內相關技術人員亟待解決的一項課題。

本發明內容之一目的是在提供一種新型的功率開關串聯電路及其控制方法。

為達上述目的，本發明內容之一技術樣態係關於一種功率開關串聯電路，該功率開關串聯電路包括多個串聯模組、一比較模組、一控制模組和一驅動模組。該些串聯模組中的相鄰串聯模組間通過各自的功率開關耦接，其中，至少一串聯模組具有一功率開關和一第一檢測單元。該功率開關具有一第一端、一第二端和一第三端，該第一端用於驅動該功率開關導通或關斷，該第二端耦接至相鄰的一串聯模組，該第三端耦接至相鄰的另一串聯模組。第一檢測單元藉由該功率開關串聯電路中di/dt的數值，輸出一檢測信號。比 較模組用以接收該檢測信號，並將該檢測信號與一預設閾值進行比較，當該檢測信號高於該預設閾值時，該比較模組輸出一短路信號。該控制模組電性連接至該比較模組，用以接收該短路信號並輸出與該短路信號相對應的一第一控制信號。該驅動模組電性連接至該控制模組，用以將該第一控制信號進行放大處理，以便驅動每一串聯模組中的功率開關執行關斷操作。

該第一檢測單元包括一電感元件。更優選地，該電感元件為該功率開關內部的一寄生電感。

在一實施例中，至少一串聯模組還包括一均壓電路，並且該均壓電路具有一電阻、一二極體和一電容，該電阻跨接於該功率開關的第二端和第三端之間，該二極體和該電容串聯連接後再跨接於該功率開關的第二端和第三端之間，其中，該二極體的陽極連接於該功率開關的第二端，以及該二極體的陰極與電容相連。

在另一實施例中，多個串聯模組的一串聯模組更包括一第二檢測模組，該第二檢測模組具有一檢測單元和一隔離單元，該檢測單元用以檢測該功率開關的第二端和第三端之間的電壓是否過壓，以及該隔離單元在過壓時輸出一過壓信號。

功率開關串聯電路更包括一邏輯電路，具有多個輸入端和至少一輸出端，該些輸入端分別連接至該比較模組的輸出端以及該第二檢測模組的隔離單元，並且該輸出端用以輸出一第三控制信號。在一實施例 中，該邏輯電路為一或閘電路，當該功率開關串聯電路出現短路或過壓情形時，該第三控制信號為一高電位信號。在另一實施例中，該邏輯電路為一與閘電路，當該功率開關串聯電路出現短路或過壓情形時，該第三控制信號為一低電位信號。

該控制模組電性連接至該邏輯電路的輸出端，用以接收該第三控制信號，並輸出與該第三控制信號相對應的該第一控制信號至該驅動模組。

該第三控制信號經由光纖傳送至該控制模組。

該比較模組為一比較器，用以將該檢測信號與該第一閾值電壓進行比較，並在該檢測信號高於該預設閾值時輸出一短路信號。

該功率開關串聯電路更包括一軟關斷模組，具有一輸入端和一輸出端，該輸入端連接至該比較模組的輸出端，以及該輸出端連接至該功率開關的第一端，用以在該功率開關串聯電路出現短路時輸出一第二控制信號。當該功率開關串聯電路出現短路時，該第二控制信號先於該第一控制信號到達每一串聯模組的功率開關。

該功率開關為絕緣閘雙極型電晶體。

本發明內容之一技術樣態係關於一種用以控制上述功率開關串聯電路的方法，該方法包括：讀取該第一檢測單元輸出的該檢測信號；將該檢測信號與一預設閾值進行比較；當該檢測信號高於該預設閾值時， 輸出一短路信號；以及根據該短路信號，將一控制信號經驅動放大後傳送至每一串聯模組的功率開關，使得每一串聯模組的功率開關執行關斷操作。

該控制信號經由光纖傳送至所述驅動模組。

該方法還包括：產生與該短路信號相對應的一第二控制信號；以及將該第二控制信號送至每一串聯模組的功率開關的第一端，其中，該第二控制信號先於該第一控制信號到達該功率開關的第一端。

該功率開關為絕緣閘雙極型電晶體。

本發明內容之一技術樣態係關於一種多電平變換裝置，其中，該多電平變換裝置包括一三相H橋電路，該三相H橋電路包含複數個橋臂，該些橋臂中每一橋臂具有一第一子橋臂和一第二子橋臂，其中，該第一子橋臂和該第二子橋臂均由上述一個或多個功率開關串聯電路所構成。

該三相H橋電路為兩電位H橋或三電位H橋。

該第一子橋臂中的每一功率開關的第一端均用以接收一控制信號，以及該第二子橋臂中的每一功率開關的第一端均用以接收另一控制信號。

採用本發明的功率開關串聯電路，通過至少一串聯模組中的第一檢測單元，測量其兩端所載入的電壓來檢測di/dt的數值，並且當該di/dt數值超過預定值時輸出一短路信號，進而由控制模組輸出與該短路信號相對應的控制信號，以便關斷整個串聯橋臂上的 功率開關，以免功率開關因短路故障而遭到損壞，因而可提升該功率開關串聯電路的運行可靠性。此外，在對功率開關進行短路保護時，還可同時對每一串聯模組中的功率開關進行過壓保護，從而使功率開關串聯電路既具有短路保護功能，也具有過壓保護功能。此外，在檢測到電路中發生短路情形時，還可採用軟關斷技術先降低功率開關的控制電壓，以限制短路電流繼續上升，然後再由控制模組輸出控制信號至功率開關，以軟關斷該功率開關，減緩功率開關電流下降速度，避免產生電壓過沖，從而使功率開關具有更大的安全工作區裕量。

下面參照附圖，對本發明的具體實施方式作進一步的詳細描述。

為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下該各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。

其中圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。

第1圖繪示依據本發明一實施方式的功率開關串聯電路的電路方塊示意圖。請參照第1圖，該功率開關串聯電路包括串聯模組10和20、一比較模組30、一控制模組40和一驅動模組50。具體地，相鄰的串聯模組10和20通過各自的功率開關101和201耦接。串聯模組10包括功率開關101和第一檢測單元103，功率開關101的第一端用以接收驅動信號而使得功率開關101據以導通或關斷，功率開關101的第二端耦接至相鄰的一串聯模組，以及功率開關101的第三端耦接至相鄰的另一串聯模組。

第一檢測單元103檢測功率開關串聯電路的電流變化率di/dt的數值，並輸出一檢測信號。在一實施例中，該第一檢測單元103包括一電感元件，串聯連接於串聯模組10的功率開關101和串聯模組20的功率開關201之間，並且該第一檢測單元103輸出的該檢測信號送至比較模組30，其中，載入於電感元件兩端的電壓信號等於Ls×di/dt(Ls為電感元件之電感值)，因而該電壓信號也可線性地反映di/dt的數值變化。在另一實施例中，該第一檢測單元103為功率開關101內部的一寄生電感，通過檢測載入於該寄生電感上的電壓也可反映di/dt的數值，進而判斷該功率開關串聯 電路是否出現短路情形。優選地，該功率開關採用相同型號的絕緣閘雙極型電晶體(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)。

比較模組30電性連接至第一檢測單元103，用以接收來自該第一檢測單元103所輸出的檢測信號，並將該檢測信號與一預設閾值(threshold)(如短路保護閾值電壓)進行比較，當該檢測信號大於預設閾值時，比較模組30輸出一短路信號。較佳地，該比較模組30可為一比較器。例如，該比較器採用一運算放大器構成，其中，來自第一檢測單元103的檢測信號耦接至運算放大器的第一端，預設閾值耦接至運算放大器的第二端，以便將該檢測信號與該預設閾值進行比較，並且在所述檢測信號超出該預設閾值時，從該運算放大器的輸出端輸出該短路信號。

控制模組40電性連接至比較模組30和驅動模組50，該控制模組40接收來自比較模組30所輸出的短路信號，並輸出與該短路信號相對應的一第一控制信號，然後，該第一控制信號被送入驅動模組50進行放大處理，並將放大處理後的驅動信號送至功率開關101和功率開關201各自的第一端，以驅動它們執行關斷操作。在一具體實施例中，控制模組40還可將正常驅動功率開關101和功率開關201的控制信號與比較模組30所輸出的信號進行邏輯運算，例如，當第一檢測單元103輸出的電壓信號高於短路保護閾值電壓時， 透過比較模組30輸出的短路信號能夠遮罩該正常驅動信號，進而控制模組40輸出與該短路信號相對應的控制信號，以便同步關斷功率開關串聯電路中的功率開關101和功率開關201；當第一檢測單元103輸出的電壓信號低於短路保護閾值電壓時，功率開關串聯電路中未出現短路情形，此時，比較模組30輸出的比較信號無法遮罩該正常驅動信號，從而控制模組40仍然能夠輸出該正常驅動信號，使該功率開關串聯電路中的功率開關101和功率開關201繼續保持正常運行狀態。

本領域的技術人員應當理解，第1圖中的功率開關串聯電路包括串聯模組10和串聯模組20，但本發明並不只局限於僅僅包括兩個串聯模組。例如，在其他實施例中，本發明的功率開關串聯電路還可包括三個串聯模組或三個以上串聯模組的情形，而這些實施例也同樣包含在本發明的精神範圍內。

第2圖繪示第1圖中的功率開關串聯電路的第一優選實施例的電路結構示意圖。相比於第1圖，第2圖的功率開關串聯電路更包括一軟關斷模組60，具有一輸入端和一輸出端，其輸入端電性連接至比較模組30的輸出端，用以接收來自第一檢測單元103的檢測信號與預設閾值之間進行比較後的比較信號(如，該檢測信號超出預設閾值時，比較模組30輸出一短路信號)，其輸出端連接至串聯模組10中的功率開關101 的第一端和串聯模組20中的功率開關201的第一端，用以在發生短路情形時根據所接收的短路信號來輸出第二控制信號，從而降低功率開關101和201第一端的控制電壓並進行軟關斷操作。亦即，當該功率開關串聯電路出現短路情形時，第一檢測單元103所輸出的檢測信號將會高於預設閾值，因而比較模組30會輸出一短路信號，進而該軟關斷模組60將與該短路信號相對應的第二控制信號分別發送至功率開關101和201的第一端，以便限制流經功率開關101和201的短路電流繼續上升。較佳地，當功率開關串聯電路出現短路情形時，由軟關斷模組60輸出的第二控制信號先於控制模組40輸出的第一控制信號到達功率開關101和201的第一端。

由上述可知，採用第2圖的軟關斷模組60，在對功率開關串聯電路進行短路保護的同時，利用軟關斷模組60輸出的第二控制信號，可先行限制流經功率開關101和201的短路電流繼續增加。與此同時，採用第一檢測單元103，能夠快速的檢測出功率開關串聯電路中的短路故障，並結合軟關斷功能，以便快速地限制短路電流繼續增加，再由控制模組40輸出控制信號至功率開關101和201的第一端時，其對應的控制電壓逐漸下降，從而軟關斷該功率開關101和201，減緩了功率開關電流的下降速度，有效地減少功率開 關串聯電路中的寄生電感所帶來的關斷電壓尖峰，使功率開關具有更大的安全工作區裕量。

第3圖繪示第1圖中的功率開關串聯電路的第二優選實施例的電路結構示意圖。第4A圖繪示第3圖中的串聯模組10的均壓電路105的電路示意圖；以及第4B圖繪示第3圖中的串聯模組10的第二檢測模組107的電路示意圖。參照第3圖、第4A圖和第4B圖，本發明的功率開關串聯電路在實現短路檢測和保護的同時，還可分別對每一串聯模組中的功率開關進行過壓檢測和保護。例如，功率開關串聯電路通過串聯模組10中的第二檢測單元107可對串聯橋臂上的功率開關101和201進行過壓檢測和保護。較佳地，本發明的功率開關串聯電路還可在每一串聯模組中設置第二檢測單元107，以便透過任意一個串聯模組中的第二檢測單元107就可以對串聯橋臂上的所有功率開關進行過壓檢測和保護。

參照第4A圖，串聯模組10中的均壓電路105包括一電阻R1、一二極體D1和一電容C1。其中，電阻R1跨接於功率開關101的第二端和第三端之間，二極體D1和電容C1串聯連接後再跨接於功率開關101的第二端和第三端，並且二極體D1的陽極連接於功率開關101的第二端，二極體D1的陰極與電容C1的一端相連，電容C1的另一端與功率開關101的第三端相連。其中，該電阻R1用來對功率開關101進行靜 態均壓，以及該二極體D1和電容C1用來對功率開關101進行動態均壓。需要指出的是，串聯電路中的功率器件因阻斷特性不一致，從而造成該功率器件靜態不均壓；而串聯電路中的功率器件因開關特性不一致，從而會造成動態不均壓。為此，在串聯橋臂上的每一功率開關的第二端和第三端之間並聯電阻值相等的電阻，能夠有效地實現靜態均壓。另外，依據電容兩端所載入的電壓不能突變的特性，可對功率開關的動態均壓進行顯著地改進。

參照第4B圖，串聯模組10中的第二檢測單元107包括一檢測單元1071和一隔離單元1072。其中，檢測單元1071用以檢測反映功率開關101的第二端和第三端之間的電壓是否過壓，例如，上述反映功率開關101的第二端和第三端間的電壓可以透過檢測電容C1兩端的電壓予以實現，以及隔離單元1072根據所檢測的電壓輸出一檢測信號。較佳地，該檢測單元1071為一TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬態電壓抑制器)二極體或一穩壓管，用以檢測該功率開關101的第二端和第三端之間的電壓是否過壓。較佳地，該隔離單元1072可為一高速光耦合器，以便隔離檢測單元1071所檢測的電壓信號以及隔離單元1072輸出的電壓檢測信號，同時，該高速光耦合器還可快速地將過壓時的電壓檢測信號傳送至邏輯電路70。例如，高速光耦合器包括一發光半導體和一受光半導體，其中， 該發光半導體與檢測單元1071串聯連接，以及該受光半導體連接至控制模組40。例如，在第4B圖中，該發光半導體為一發光二極體，該受光半導體為一電晶體。

在另一實施例中，功率開關串聯電路的邏輯電路70具有多個輸入端和至少一輸出端，其中，一輸入端電性連接至串聯模組10的第二檢測單元107的輸出端，另一輸入端電性連接至比較模組30的輸出端，以及邏輯電路70的輸出端根據來自串聯模組10的第二檢測單元107的電壓檢測信號以及比較模組30輸出的比較信號來輸出一第三控制信號。例如，該邏輯電路為一或閘(OR gate)電路，當功率開關串聯電路出現短路(如短路信號為一高電平)或過壓(如過壓信號為一高電平)時，邏輯電路70輸出的該第三控制信號為高電平信號。又如，該邏輯電路為一與閘(AND gate)電路，當功率開關串聯電路出現短路(如短路信號為一低電平)或過壓(如過壓信號為一低電平)時，邏輯電路70輸出的該第三控制信號為低電平信號。

控制模組40電性連接至邏輯電路70和驅動模組50，以接收來自該邏輯電路70的該第三控制信號，並輸出與該第三控制信號相對應的第一控制信號，經由驅動模組50驅動放大後，送至每一串聯模組10和20各自的功率開關101和201的第一端。同樣，控制模組40還可將用以功率開關101和功率開關201的正常 驅動信號與邏輯電路70輸出的第三控制信號進行邏輯運算，例如，當第三控制信號表示功率開關串聯電路出現短路或者過壓情形時，邏輯電路70輸出的該第三控制信號能夠遮罩該正常驅動信號，從而控制模組40輸出與該短路信號或過壓信號相對應的第一控制信號，經由驅動模組50放大後送至每一串聯模組10和20各自的功率開關101和201的第一端，以同步關斷功率開關101和201；而當第三控制信號表示功率開關串聯電路既無短路情形又無過壓情形發生時，則邏輯電路70輸出的第三控制信號無法遮罩該正常驅動信號，因而控制模組40仍然輸出該信號以使得功率開關101和201繼續保持正常運行狀態。優選地，來自邏輯電路70的第三控制信號經由光纖傳送至控制模組40。

第5A圖和第5B圖繪示第1圖中的串聯模組的功率開關在關斷時其控制電壓波形和流經功率開關的短路電流波形。第6A圖和第6B圖繪示第2圖的串聯模組的功率開關在施加了軟關斷操作時其控制電壓波形和流經功率開關的短路電流波形。

參照第5A圖和第5B圖，不妨預設功率開關當前的控制電壓為V _GE ，該功率開關導通時的閾值電壓為V _GE(th) ，在時刻t0時，電路中的電流I _bus 達到峰值，控制電壓從V _GE 逐漸下降，然後執行功率開關的一般關斷過程。

不同於第5A圖和第5B圖，第6A圖和第6B圖繪示引入了軟關斷操作時的控制電壓波形和流經功率開關的短路電流波形。從第6A圖和第6B圖中可知，當功率開關串聯電路在t0時刻出現短路情形時，軟關斷電路開始輸出與短路信號相對應的一第二控制信號至功率開關的第一端，由於信號傳遞的時間延遲，直到t1時刻該控制電壓才從V _GE 降至V _T ，並且從t0時刻到t1時刻，流經功率開關的短路電流繼續上升。然後，從t1時刻到t2時刻功率開關的控制電壓保持V _T 不變，因為功率開關的控制電壓V _T 使飽和電流值降低，流經功率開關的短路電流不再上升，被限定於其控制電壓V _T 狀態時對應的飽和電流值。接著，從t2時刻開始，控制電壓緩慢下降，進而軟關斷該功率開關。

將第5B圖和第6B圖對比，不難看出，採用軟關斷技術，當功率開關串聯電路發生短路時，經過t1~t2的限流區間和t2~t3的軟關斷區間，流經功率開關的短路電流波形不再上升，因而可有效地抑制關斷時的尖峰電流，並且在軟關斷期間，流經功率開關的電流緩慢下降從而可有效地減少功率開關串聯電路中的寄生電感所帶來的關斷電壓尖峰，進而提高了功率開關安全工作區的裕量。

第7圖繪示依據本發明的另一實施方式的功率開關串聯電路的控制方法的流程示意圖。該方法首先執 行步驟S701，讀取第一檢測單元所輸出的檢測信號，例如，該第一檢測單元包括一電感元件，讀取載入於該電感元件兩端的電壓信號，即，L_s×di/dt，以快速地反映di/dt的數值變化從而檢測功率開關串聯電路是否出現短路情形。接著，執行步驟S703和S705，將第一檢測單元所輸出的檢測信號與所述預設閾值進行比較，當該檢測信號高於該預設閾值時，表明該功率開關串聯電路出現短路情形，輸出一短路信號；而當該檢測信號低於該預設閾值時，表明該功率開關串聯電路未發生短路。然後，執行步驟S707，根據該短路信號，將一控制信號經驅動放大後傳送至每一串聯模組的功率開關，以執行關斷操作。例如，該控制信號經由光纖傳送至驅動模組，經放大處理後達到每一串聯模組的功率開關。

在一具體實施例中，該方法還包括步驟：產生與所述短路信號相對應的一第二控制信號；以及將所述第二控制信號傳送至每一串聯模組的功率開關的第一端，其中，所述第二控制信號先於所述第一控制信號到達所述功率開關的第一端。

第8圖繪示將本發明的功率開關串聯電路應用以多電平變換裝置的原理示意圖。參照第8圖，該變換裝置包括一H橋電路，其中，該H橋電路具有三個橋臂，每一橋臂分為上橋臂和下橋臂。以第一橋臂81為例，該第一橋臂81包括上橋臂811和下橋臂812，其 中，該上橋臂811採用本發明的前述功率開關串聯電路構成，以等效於單個的一高壓半導體器件，以及該下橋臂812亦採用本發明的前述功率開關串聯電路構成，以等效於單個的另一高壓半導體器件。當H橋電路與三相電機電性連接時，該H橋電路的三個橋臂各自的輸出端電性連接至電機的對應相。

在一實施例中，當第一橋臂81的上橋臂811處於工作狀態，而下橋臂812處於空閒狀態時，通過本發明前述的功率開關串聯電路中的第一檢測單元輸出一檢測信號，進而可快速地檢測該第一橋臂81是否出現短路情形。類似地，當第一橋臂81的下橋臂812處於工作狀態，而上橋臂811處於空閒狀態時，也可以通過本發明前述的功率開關串聯電路中的第一檢測單元輸出一檢測信號，進而可快速地檢測該第一橋臂81是否出現短路情形。

本領域的技術人員應當理解，對於同一橋臂來說，上橋臂811或下橋臂812還可包括兩個或兩個以上的功率開關串聯電路，這些功率開關串聯電路採用串聯連接。也就是說，上橋臂811或下橋臂812可至少包括串聯連接的一等效高壓半導體器件以及另一等效高壓半導體器件，並且這兩個等效的高壓半導體器件分別採用本發明前述的功率開關串聯電路予以實現。

採用本發明的功率開關串聯電路，通過至少一串 聯模組中的第一檢測單元，測量其兩端所載入的電壓來檢測di/dt的數值，並且當該di/dt數值超過預定值時輸出一短路信號，進而由控制模組輸出與該短路信號相對應的控制信號，以便關斷整個串聯橋臂上的功率開關，以免功率開關因短路故障而遭到損壞，因而可提升該功率開關串聯電路的運行可靠性。此外，在對功率開關進行短路保護時，還可同時對每一串聯模組中的功率開關進行過壓保護，從而使功率開關串聯電路既具有短路保護功能，也具有過壓保護功能。此外，在檢測到電路中發生短路情形時，還可採用軟關斷技術先降低功率開關的控制電壓，以限制短路電流繼續上升，然後再由控制模組輸出控制信號至功率開關，以軟關斷該功率開關，減緩功率開關電流的下降速度，從而可有效地減少功率開關串聯電路中的寄生電感所帶來的關斷電壓尖峰，使功率開關具有更大的安全工作區裕量。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10、20‧‧‧串聯模組

107‧‧‧第二檢測模組

30‧‧‧比較模組

40‧‧‧控制模組

50‧‧‧驅動模組

101、201‧‧‧功率開關

103‧‧‧第一檢測單元

105‧‧‧均壓電路

60‧‧‧軟關斷模組

70‧‧‧邏輯電路

t0~t3‧‧‧時刻

81‧‧‧第一橋臂

812‧‧‧下橋臂

1071‧‧‧檢測單元

1072‧‧‧隔離單元

R1‧‧‧電阻

C1‧‧‧電容

D1‧‧‧二極體

S701~S707‧‧‧步驟

V _GE 、V _T ‧‧‧控制電壓

V _GE(th) ‧‧‧閾值電壓

I _bus ‧‧‧電流

811‧‧‧上橋臂

讀者在參照附圖閱讀了本發明的具體實施方式以 後，將會更清楚地瞭解本發明的各個方面。其中，第1圖繪示依據本發明一實施方式的功率開關串聯電路的原理示意圖；第2圖繪示第1圖中的功率開關串聯電路的第一優選實施例的電路結構示意圖；第3圖繪示第1圖中的功率開關串聯電路的第二優選實施例的電路結構示意圖；第4A圖繪示第3圖中的串聯模組10的均壓電路105的電路示意圖；以及第4B圖繪示第3圖中的串聯模組10的第二檢測模組107的電路示意圖；第5A圖和第5B圖繪示第1圖中的串聯模組的功率開關在關斷時其控制電壓波形和流經功率開關的短路電流波形；第6A圖和第6B圖繪示第2圖的串聯模組的功率開關在施加了軟關斷操作時其控制電壓波形和流經功率開關的短路電流波形；第7圖繪示依據本發明的另一實施方式的功率開關串聯電路的控制方法的流程示意圖；以及第8圖繪示將本發明的功率開關串聯電路應用以多電平變換裝置的原理示意圖。

10、20‧‧‧串聯模組

30‧‧‧比較模組

40‧‧‧控制模組

50‧‧‧驅動模組

101、201‧‧‧功率開關

103‧‧‧第一檢測單元

Claims (21)

1. 一種功率開關串聯電路，其中，該功率開關串聯電路包括：複數個串聯模組，該些串聯模組中之每一者至少包含：一功率開關，具有一第一端、一第二端和一第三端，該第一端用於驅動該功率開關導通或關斷，該第二端耦接至相鄰的一串聯模組中功率開關之該第三端，該第三端耦接至相鄰的另一串聯模組中功率開關之該第二端；以及一均壓鉗位電路，該均壓鉗位電路並聯接於該功率開關之該第二端和該第三端；其中該些串聯模組中至少一者還包含：一第一檢測單元，檢測該功率開關串聯電路中di/dt的數值，輸出一檢測信號；一比較模組，用以接收該檢測信號，並將該檢測信號與一預設閾值進行比較，當該檢測信號高於該預設閾值時，該比較模組輸出一短路信號；一控制模組，電性連接至該比較模組，用以輸出與該短路信號相對應的一第一控制信號；以及一驅動模組，電性連接至該控制模組，用以接收該第一控制信號以便驅動每一串聯模組中的功率開關大致同時執行導通或關斷操作；其中當該比較模組輸出該短路信號表徵短路時，該第 一控制信號驅動該些串聯模組中每一者的功率開關大致同時執行關斷操作。
2. 根據請求項1所述之功率開關串聯電路，其中，該第一檢測單元包含一電感元件。
3. 根據請求項2所述之功率開關串聯電路，其中，該電感元件為該功率開關內部的一寄生電感。
4. 根據請求項1所述之功率開關串聯電路，其中該均壓鉗位電路具有一電阻、一二極體和一電容，該電阻跨接於該功率開關的第二端和第三端之間，該二極體和該電容串聯連接後再跨接於該功率開關的第二端和第三端之間，其中，該二極體的陽極連接於該功率開關的第二端，以及該二極體的陰極與電容相連。
5. 根據請求項1所述之功率開關串聯電路，其中，該些串聯模組的一串聯模組更包括一第二檢測模組，該第二檢測模組具有一檢測單元和一隔離單元，該檢測單元用以檢測該功率開關的第二端和第三端之間的電壓是否過壓，以及該隔離單元在過壓時輸出一過壓信號。
6. 根據請求項5所述之功率開關串聯電路，其中，還包括一邏輯電路，該邏輯電路具有複數個輸入端和至少一 輸出端，該些輸入端分別連接至該比較模組的輸出端以及該第二檢測模組的隔離單元，且該輸出端用以輸出一第三控制信號。
7. 根據請求項6所述之功率開關串聯電路，其中，該邏輯電路為一或閘電路，當該功率開關串聯電路出現短路或過壓情形時，該第三控制信號為一高電位信號。
8. 根據請求項6所述之功率開關串聯電路，其中，該邏輯電路為一與閘電路，當該功率開關串聯電路出現短路或過壓情形時，該第三控制信號為一低電位信號。
9. 根據請求項6所述之功率開關串聯電路，其中，該控制模組電性連接至該邏輯電路的輸出端，用以接收該第三控制信號，並輸出與該第三控制信號相對應的該第一控制信號至該驅動模組。
10. 根據請求項6所述之功率開關串聯電路，其中，該第三控制信號經由光纖傳送至該控制模組。
11. 根據請求項1所述之功率開關串聯電路，其中，該比較模組為一比較器，用以將該檢測信號與該預設閾值進行比較，且在該檢測信號高於該預設閾值時輸出一短路信號。
12. 根據請求項1所述之功率開關串聯電路，其中，還包括一軟關斷模組，該軟關斷模組具有一輸入端和一輸出端，該輸入端連接至該比較模組的輸出端，以及該輸出端連接至該功率開關的第一端，用以在該功率開關串聯電路出現短路時輸出一第二控制信號。
13. 根據請求項12所述之功率開關串聯電路，其中，當該功率開關串聯電路出現短路時，該第二控制信號先於該第一控制信號到達每一串聯模組的功率開關。
14. 根據請求項1所述之功率開關串聯電路，其中，該功率開關為絕緣閘雙極型電晶體。
15. 一種用以控制如請求項1所述之功率開關串聯電路的方法，其中，該方法包括：讀取該第一檢測單元輸出的該檢測信號；將該檢測信號與一預定閾值進行比較；當該檢測信號高於該預設閾值時，輸出一短路信號；以及根據該短路信號，將一控制信號經驅動後傳送至每一串聯模組的功率開關，使得每一串聯模組的功率開關大致同時執行關斷操作。
16. 根據請求項15所述之方法，其中，該控制信號經由光纖傳送至該驅動模組。
17. 根據請求項15所述之方法，其中，更包括：產生與該短路信號相對應的一第二控制信號；以及將該第二控制信號送至每一串聯模組的功率開關的第一端；其中，該第二控制信號先於該第一控制信號到達該功率開關的第一端。
18. 根據請求項15所述之方法，其中，該功率開關為絕緣閘雙極型電晶體。
19. 一種多電平變換裝置，其中，該多電平變換裝置包括一三相H橋電路，該三相H橋電路包含複數個橋臂，該些橋臂中每一橋臂具有一第一子橋臂和一第二子橋臂，其中，該第一子橋臂和該第二子橋臂均由如請求項1至14中任意一項所述之一個或多個功率開關串聯電路所構成。
20. 根據請求項19所述之多電平變換裝置，其中，該三相H橋電路為兩電位H橋或三電位H橋。
21. 根據請求項19所述之多電平變換裝置，其中，該 第一子橋臂中的每一功率開關的第一端均用以接收一控制信號，以及該第二子橋臂中的每一功率開關的第一端均用以接收另一控制信號。