专利名称：栅极驱动器处的电源开关电流估计器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电子电源开关，并且更具体地，涉及一种估计流过开关的驱动器单元处出现的高电源开关的主负载电流而无需在使用电子电源开关的系统中安装专用大量程电流传感器的方法，以确定电源开关的条件状态或估计与电源开关关联的温度。
背景技术：
电流流过固态主负载导电电源开关的多种元件。这些元件中的一些具有寄生或不期望的属性。电流瞬变期间，在这些元件上感应了电压降。在低电压应用中，多种类型的分流器件串联使用于主电流通路。这样使用分流器件在高电流�？橹惺遣豢赡艿模蛭瞧苹盗似交猿铺跫⑶铱赡芤鸸构收�。鉴于上述情况，需要一种估计流过开关的驱动器单元处出现的高电源开关的主负载电流而无需在使用这个电子电源开关的系统中安装专用大量程电流传感器的技术，以确定电源开关的健康状态或估计与电源开关关联的温度。在证实对高电源开关产生�：Φ挠泻Σ僮魈跫诩洌绻眉际跄芄煌ü迪肿怨囟侠从行У乇；じ叩缭纯兀蚪怯杏攀频�。
发明内容
简略地，根据一个实施例，电源开关电流估计器包括固态电源开关，其包括控制端(control termninal)、输入电流电源接线端、输出电流电源接线端、以及输出电流感测接线端，其中一个或多个寄生元件定义了输出电流电源接线端与输出电流感测接线端之间的电通道；驱动器单元，其连接到控制端和输出电流感测接线端，该驱动器单元选择性地将电源开关的开启及关断；电流估计器，其配置成响应于一个或多个开关事件而生成流过固态电源开关的电流的估计电平，电流的估计电平基于至少一个寄生元件的值，以使得负载电流的估计电平基本对应于流过固态电源开关的负载电流的实际电平。
参考附图阅读以下的详细描述，将更好地理解本发明的上述以及其他特征、方面和优点，在整个附图中相同的附图标记表示相同的部件，在附图中图I是一个寄生元件电路模型，其图解了根据本发明的一个实施例的、由一个栅极驱动电路驱动的绝缘栅双极晶体管(IGBT)电源开关；图2示出了用于图I中描绘的IGBT/栅极驱动电路的复数电流估计器的一个实施例；图3突现了用于图I中描绘的IGBT/栅极驱动电路的集电极电源接线端和集电极感测接线端之间的寄生电感；
图4示出了根据本发明的另一个实施例，用于图I中描绘的IGBT/栅极驱动电路的主负载电流估计器；以及图5是说明IGBT/栅极驱动电路的一个实施例在开启期间的示范波形的图形。虽然上述附图陈述了备选实施例，但本发明的其他实施例也是可以预期的，如讨论中所提到的。在所有情形中，本公开都以表现而非限制的方式来呈现本发明的所示实施例。本领域技术人员可设计落入本发明原理的范围和精神之内的许多其它修改和实施例。
具体实施例方式图I是一个IGBT/栅极驱动电路10的寄生元件电路模型，图解了绝缘栅双极晶体管(IGBT)�？�12，其包括具有续流二极管15的IGBT电源开关13。根据本发明的一个实施例，IGBT电源开关13由栅极驱动电路14驱动。如本文参见多种实施例进一步详细描述的，为了感测目的，栅极驱动电路14通过额外的导线连接到电源开关13。根据一个实施例，一个或多个模拟积分器集成到驱动电路14。根据另一个实施例，在驱动电路14中，使用了一个与数字积分器联合的模数(A/D)转换器单元。在一些实施例中，电流估计算法软件存在于在栅极驱动电路14的内部常驻或者位于栅极驱动电路14的外部的非易失性存储器中。在又一个实施例中，IGBT 13和续流二极管15被逆导型(reverse conduct) IGBT替代，逆导型IGBT能够双向传导电流，而不需要额外的续流二极管。继续参见图I，参照多种实施例，本文描述的一些IGBT电流估算是使用主IGBT集电极电源接线端16、主IGBT发射极电源接线端18，IGBT集电极感测引线接线端20、与本文将进一步详细描述的IGBT栅极寄生元件进行电通信的上辅助驱动接线端22、以及与本文将进一步详细描述的IGBT发射极寄生元件进行电通信的下辅助驱动接线端24而确定的。 IGBT/栅极驱动电路10进一步包括电容器26，其连接在上下辅助端22和24之间以提供驱动的稳定性和速度控制。对IGBT/栅极驱动电路10的电路分析显示了 Vkepe (辅助发射极和电源发射极接线端之间的电压)的微分方程包括了未知的变量I6(主电源开关电流)及其导数，表示为Vkepe = Igint · Rke-dlgint/dt · Lke+Ie · Ree2+dle/dt · Lee2(I)尽管IGBT内部栅极电流Igint不能被直接测量，但其可以基于Ig和Vge测量计算Igint = Ig-Icest = Ig-Cge * dVge/dt(2)进一步地，由栅极驱动电路14驱动的IGBT电源开关12的实现，提供了对信号
Vkepe、Vgedriver、Vge、Ig、^Ske
和Vk的测量。当然，其中一些测量可能需要连接到栅极驱动器14 的附加导线，如图I中的一个实施例所描绘的。本文描述的电路的实现有利地产生最小的栅极驱动电路复杂度。考虑到前面所述的特征，图2示意了用于图I中描绘的IGBT/栅极驱动电路10的复数电流估计器30的一个实施例。在一种实现中，测量信号和积分信号的加权平均的总和 32通过指定的加权因子实现。在这样一种实现中，通过IGBT 13的辅助驱动接线端22、24 来测量驱动电流36和电压34。也实现了驱动电压Vge38的时间步长增量商数或导数。基于前面的测量以及还基于对应的寄生元件值40的加权和32，提供了期望的电流估计器的实施例，如图2描绘的。因此，复数电流估计器30用三个积分和一个微分捕捉到Igint影响。 根据一个实施例，该IGBT的寄生效应是使用基于IGBT的结构知识及拟合模拟和测量技术的估计来确定的。图3突显了在用于图I中描绘的IGBT/栅极驱动电路10的一个实施例的集电极电源接线端16和集电极感测接线端20之间的寄生元件50。可以使用这些寄生元件50与本文描述的电流估计器原理相结合来实现多种额外的电流估计器实施例。尽管寄生效应是多重的并且可能具有分布式特性，但具有集总参数和行为匹配的降阶模型在实践中还是有用的。相据本发明的另一个实施例，图4示出了用于图I中描绘的IGBT/栅极驱动电路 10的主负载电流估计器60。在这个实施例中，所测量的电压Vk_的积分在具有设定为仅捕获期望的开关事件的边界的限定区间内执行在这个实施例中忽略了 Igint的影响，因为其并不显著。因此，仅测量并积分一个信号(VlrelJ，以估计流过IGBT电源开关13的主负载电流。 电压Vkepe是寄生瞬变电压，在下辅助驱动接线端24和下电源开关主连接18之间测量。根据一类似的实施例，在上电源开关主连接16和上辅助驱动接线端22之间测量的寄生瞬变电压的积分可被测量，并且用以开关事件期间的电流估计。根据一个方面，估计的电源开关负载电流是由发生在非故障开关状况期间的开关事件来确定，尽管本文所描述的原理也可以应用到故障状况开关事件，例如短路事件。根据一个实施例，开关电流的估计基于对电流通路中电感两端的电压的积分。该电流估计在正�？厮脖洳僮髌诩淅慈范ǎ⑶也皇芟抻诟玫缭纯氐亩搪肥录�。然后电流估计的结果在后续阶段被用到，例如，但并不限于如图I所示的模/数转换阶段，以提供存储在存储器中的结果。在本文描述的使用了利用到上电源开关接线端16和上辅助控制端22的测量和寄生效应的一些实施例中，估计流过电源开关13的负载电流更具有挑战性， 因为在上接线端16和用作公共地的下辅助驱动接线端24之间存在高电压。使用本文所描述的原理的电流估计技术的其它实施例，可以利用全阶观测器或降阶观测器以及用来包括噪声效应的卡尔曼(Kalman)滤波器而得以实现。根据一个实施例， 期望的估计在诸如FPGA/CLPD器件的可编程器件中在线地执行，利用递归更新(快速卡尔曼滤波算法)来确定dVgeInt/dt和dlee/dt,表示为dVgeInt/dt = I/Cge · (Ig-ICgeEst_Ige)⑶dljdt =gjcm' (4 - < ν^ ~ Ces(Viis)' La(fu^)(4)前面的观测器实现动态系统10的线性化版本，建模输入电路。该观测器的若干变形是可能的，包括噪声效应和基于所测量的信号的数量的降阶。图5是IGBT/栅极驱动电路的一个实施例在开启开关事件期间，流过电源开关的负载电流的示范估计波形的图形。在一个实施例中，可以看到，确定估计值所需要的电压偏置IJRm2的积分导致估计电流IeEstiml发生偏离。在另一个实施例中，使用LSQ(最小二乘法)参数来说明估计电流IeEstim2。在另一个实施例，使用估计的寄生参数的估计电流IeEstim2Param,相对于使用LSQ参数的IeEstim2LSQParam,呈现出在恢复过程中的更小的偏差。可以看到，两个估计电源开关电流IeEstim2的实施例都与恢复峰值之后良好拟合到实际测量值。估计电流与实际测试电流之间的偏差在图中Sysec和9μ sec之间显示为 IeEstiml 偏差了大约 27%，IeEstim2Param偏差了大约 4%，以及 IeEstim2LSQParam偏差了大约为_2%。在概要说明中，根据一个实施例，电源开关电流估计器10包括一固态电源开关13，其包含控制端22、输入电流电源接线端16、输出电流电源接线端18、以及感测引线接线端24，其中一个或多个寄生元件定义了输出电流电源接线端18与感测引线接线端24之间的电通道。驱动器单元14连接到控制端22和感测引线接线端24，并且配置成选择性地开启和关断电源开关13，同时一正电压跨接在输入电流电源接线端16和输出电流电源接线端18上。电流估计器配置成响应于一个或多个开关事件生成实时流过固态电源开关13的电流的估计电平。电流的估计电平基于至少一个寄生元件的值，以使得负载电流的估计电平基本对应于流过固态电源开关13的负载电流的实际电平。根据另一个实施例，无需在系统中安装专用大量程电流传感器的情况下、对流过开关13的驱动器单元14处出现的高电源开关13的主负载电流进行估计。然后，此估计电流用于对开关的条件(健康)监测，或者用于估计对确定开关的条件/健康有用的某些温度。跨接主开关电源接线端16、18上，或者在感测接线端20、24之间使用高分辨率电压传感器。这样的高分辨率仅在传导模式期间、当跨接在开关上的电压比较小时才是需要的。计数器用来计数以下事件发生的次数跨接在主电源开关接线端16、18或跨接在感测接线端 20、24上的电压超过非易失性存储器单元中存储的值。当计数值超过期望阈值时，对应的逻辑控制器可向中央控制器发出反馈信号，或者可选地向栅极驱动器14发出自关断命令。更特别地，在一个实施例中，作为栅极驱动电路14 一部分的非易失性存储器存储健康电源开关的L和/或Im特征。然后使用本文描述的原理来估计电流。当电源开关13处于传导状态时，通过高分别率、低电压传感器来测量V。。电压。做出关于V。。的测量值是否大于存储值的确定。每次Vm的测量值大于存储值，内部计数器增加I。如果和当计数器超过特定值，将警报(反馈信号)传送到中央控制器，或者采用警报(反馈信号)来关闭电源开关13。因此，使用前面的原理实现物理健康估计器。根据另一个实施例，通过将在不同温度的健康开关的VJIJ特性存储在驱动器 14处的非易失性存储器中，实现温度估计器和保护性关断系统。然后使用前面的原理估计
电流。当电源开关13处于传导状态时，使用高分别率、低电压传感器测量Vm电压。根据一个实施例，如图5中描绘的，这样的测量在电流稳定之后约20 μ sec发生。现场可编程门阵列器件中的反相功能用来估计操作温度。如果温度超过预设(允许)阈值，发出自关断命令，使得栅极驱动电路关断电源开关13。本文仅示意和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到很多的修改和改变。因此，应当理解，所附权利要求意在覆盖落入本发明真实精神内的所有这些修改和改变。
247338-1 元件
(10) IGBT/栅极驱动寄生元件电路模型
(12) IGBT �？�
(13) IGBT电源开关
(14)栅极驱动电路
(15)续流二极管
(16) IGBT集电极电源接线端
(18) IGBT发射极电源接线端
(20) IGBT集电极感测引线接线端
7
(22)上辅助驱动接线端
(24)下辅助驱动接线端
(26)电容器
(30)复数电流估计器
(32)加法器
(34)电压信号
(36)电流信号
(38)驱动电压
(40)寄生元件值
(50)集电极电源接线端与集电极感测接线端之间的寄生元件
(60)主负载电流估计器
权利要求
1.一种电源开关电流估计器(10)，包括固态电源开关(13)，其连接到控制端(22)、输入电流电源接线端(16)、输出电流电源接线端(18)、以及至少一个感测引线接线端(20)、(24)，其中一个或多个寄生元件定义了每个感测引线接线端(20)、(24)与对应的电源接线端(16)、(18)之间的电通道；驱动器单元(14)，其连接到所述控制端(22)和至少一个感测引线接线端(24)，所述驱动器单元(14)选择性地开启和关断所述电源开关(13)；电流估计器(30)，其配置成响应于一个或多个开关事件生成实时流过所述固态电源开关(13)的电流的估计电平，电流的所述估计电平基于至少一个所述寄生元件的值，以使得负载电流的所述估计电平基本对应于流过所述固态电源开关(13)的负载电流的实际电平。
2.根据权利要求I所述的电源开关电流估计器(10)，其中，所述固态电源开关(13)包括IGBT器件，所述控制端(22)是所述IGBT器件(13)的栅极驱动接线端，所述输入电流电源接线端(16)是所述IGBT器件(13)的集电极接线端，以及所述输出电流电源接线端(18) 是所述IGBT器件(13)的发射极接线端。
3.根据权利要求I所述的电源开关电流估计器(10)，其中，所述电流估计器(30)包括加法器(32)，所述加法器(32)配置成通过基于一个或多个所述寄生元件的值的预定义的加权因子，确定测量的和积分的电压以及电流信号的加权平均。
4.根据权利要求3所述的电源开关电流估计器(10)，其中，所述加法器(32)进一步配置成基于由所述驱动器单元(14)生成的驱动电压的导数或时间步长增量商数来确定所述加权平均，其中所述驱动电压的导数或时间步长增量商数基于一个或多个所述寄生元件的值来加权。
5.根据权利要求I所述的电源开关电流估计器(10)，其中，所述电流估计器(30)进一步配置成基于在电源开关(13)开启或关断事件期间在电流电源接线端(18)和对应的感测引线接线端(24)之间生成的电压，生成流过所述固态电源开关(13)的电流的估计电平。
6.根据权利要求I所述的电源开关电流估计器(10)，其中，所述电流估计器(30)进一步配置成基于在响应于一个或多个开关事件的电源开关(13)预定义的开启或关断事件周期期间、在所述输入电流电源接线端(16)和所述输入电流感测引线接线端(20)之间生成的电压，生成流过所述固态电源开关(13)的电流的估计电平。
7.根据权利要求I所述的电源开关电流估计器(10)，其中，所述电流估计器(30)进一步配置成基于对应的寄生元件权重因子，生成流过所述固态电源开关(13)的电流的所述估计电平。
8.根据权利要求I所述的电源开关电流估计器(10)，其中，所述电流估计器(30)进一步配置成基于在电源开关(13)开启或关断事件期间、在所述输出电流电源接线端(18)和所述输出电流感测引线接线端(24)之间生成的电压，生成流过所述固态电源开关(13)的电流的估计电平。
9.根据权利要求I所述的电源开关电流估计器(10)，其中，所述电流估计器(30)包括全阶观测器或降阶观测器，以及进一步包括配置成含有噪声效应的卡尔曼滤波器，其中所述观测器和卡尔曼滤波器共同配置成响应于观测的输入信号，生成流过所述固态电源开关(13)的电流的所述估计电平。
10.根据权利要求I所述的电源开关电流估计器(10)，进一步包括高分辨率低电压传感器，所述高分辨率低电压传感器连接到所述输入电流电源接线端和输出电流电源接线端 (16)、(18)或感测接线端(20)、(24)，并且配置成响应于电源开关(13)传导模式事件，每次跨过所述输入电流电源接线端和输出电流电源接线端(16)、(18)或感测接线端(20)、(24)之间的电压超过预定义的阈值电压电平时，就生成计数脉冲。
全文摘要
本发明名称为“栅极驱动器处的电源开关电流估计器”。一种用于固态电源开关(13)的电源开关电流估计器(10)。电源开关(13)包括控制端(22)、输入电流电源接线端(16)、和输出电流电源接线端(18)。电源开关(13)进一步配置成具有至少一个感测接线端(20)、(24)。一个或多个寄生元件定义了电源接线端(16)、(18)与对应的感测接线端(20)、(24)之间的电通道。选择性地开启和关断电源开关(13)的驱动器单元(14)连接到控制端(22)和感测接线端(24)。响应于电源开关(13)的一个或多个开关事件，电流估计器(30)生成实时流过固态电源开关(13)的电流估计电平。电流的估计电平基于至少一个寄生元件的值，以使得负载电流的估计电平基本对应于流过固态电源开关(13)的负载电流的实际电平。
文档编号G01R19/00GK102608382SQ20111046323
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者A·J·M·库尔韦罗, T·A·策尔斯 申请人:通用电气公司
专业数控铣床产品供应商
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