控制功率电子开关的接通和关断的补偿电路、整流单元和功率转换器制造技术

本公开涉及一种补偿电路，用于通过栅极驱动器独立地控制功率电子开关的接通和关断。所述补偿电路包括电路路径，在接通时对穿过所述功率电子开关的电感所感应的电压的第一部分进行采样。另一电路路径在关断时对穿过所述功率电子开关的电感所感应的电压的第二部分进行采样。所述补偿电路还包括栅极驱动器基准连接，被配置为：分别在所述功率电子开关的接通和关断期间供应电压的所采样的部分。还公开一种控制与第二功率电子开关并行的第一功率电子开关的补偿电路、整流单元以及具有一对并行支路的功率转换器，其中，每个功率电子开关具备所述补偿电路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及功率电子的领域。更具体地说，本公开涉及一种控制功率电子开关的接通和关断的补偿电路、整流单元(commutationunit)和功率转换器。
技术介绍
整流单元在需要转换电压源的电子系统中是常用的，包括一般称为反相器的DC-DC转换器和DC-AC转换器。在对于功率转换器电路(例如比如在电气和/或电气混合自动化应用中所使用的功率转换器电路)所允许的有限空间的情况下，并且给定半导体的高成本，对于这些整流单元的集成的需求增加。一种已知的减少功率转换器电路中的半导体所占据的空间的方式是增加它们的效率，以由此允许它们的冷却表面的大小得以减少。传统功率转换器电路中出现的功率电子开关中的损耗主要由两种源产生：导通损耗和开关损耗。一种用于减少开关损耗的方式通常是通过加速功率电子开关的接通和关断。然而，功率电子开关的快速关断在它们的高频环路的寄生(杂散)电感中生成过压。因此一般需要减慢功率电子开关的关断，以保护它们抵抗过压。这可能严重影响传统功率转换器电路的总体效率。图1是传统整流单元(例如用在传统功率转换器电路中的传统整流单元)的理想化电路图。整流单元10将来自电压源12(或来自电容器)的DC电压Vbus转换为电流源Iout(或电感)，其通常生成对于负载14适当的电压Vout，负载14可以是阻性负载或电机等。整流单元10包括续流二极管16和受控功率电子开关18(例如绝缘栅极双极型晶体管(IGBT))。电容器20(Cin)用于限制电压源12的电压Vbus的变化，电感32用于限制输出电流Iout的变化。栅极驱动器(图1中未示出，但在后面附图中示出)控制功率电子开关18的接通和关断。图1示出整流单元10、负载14和电压源12的的配置，其中，能量从电压源12流动到负载14(即，在附图上从左到右)。整流单元10也可以用在能量在相反方向上流动的相反配置中。当接通时，功率电子开关18允许电流通过此处从其集电极22传递到其发射极24；此时，功率电子开关18可以近似为闭合电路。当关断时，功率电子开关18不允许电流传递通过此处，并且变为开放电路。栅极驱动器在功率电子开关18的栅极26与发射极24之间施加可变控制电压。对于一些类型的功率电子开关(例如双极型晶体管)，栅极驱动器可以充当电流源而非充当电压源。通常，当栅极26与发射极24之间所施加的电压为“高”时，功率电子开关18允许电流从集电极22传递到发射极24。当栅极26与发射极24之间所施加的电压为“低”时，功率电子开关18阻挡电流传递通过此处。更详细地，表示为Vge的栅极26与发射极24之间的电压差受控于栅极驱动器。当Vge大于用于功率电子开关18的阈值Vge(th)时，开关18接通，并且集电极22与发射极24之间的电压Vce变为零。当Vge小于Vge(th)时，功率电子开关18关断，并且Vce最终达到Vbus。当功率电子开关18接通时，电流Iout从电压源12(并且瞬时地从电容器20)流动通过负载14并且通过集电极22和发射极24。当功率电子开关18关断时，电流Iout从负载14循环，并且在续流二极管16中传递。因此可以观测到功率电子开关18和续流二极管16串接地操作。以高频接通并且关断功率电子开关18允许输出电感Lout32中的电流Iout保持适度地恒定。应注意，在其它功率电子开关类型(例如双极型晶体管)的情况下，术语“栅极”可以替代以“基极”，基极受控于电流，与受控于电压的栅极相反。这些区别并不改变整流单元10的总体操作原理。图2是示出寄生(杂散)电感的图1的传统整流单元的另一电路图。与图1的理想化模型对比，实际整流单元的各组件之间的连接定义寄生电感。虽然寄生电感分布在整流单元10内的各个位置处，但图2中所提出的合适的模型示出表示总体寄生电感的两(2)个区别电感，包括功率电子开关18的发射极电感30以及表示续流二极管16、功率电子开关18和电容器20所形成的高频环路36周围的所有其它寄生电感(除了发射极电感30之外)的电感34。高频环路36是在功率电子开关18的开关时电流显著改变的路径。应注意，输出电感Lout32并非高频环路的部分，因为其电流贯穿整流时段保持适度地恒定。图3是进一步示出栅极驱动器40的传统整流单元的电路图。图3上并未示出整流单元10的一些元件，以简化说明。图3进一步示出具有正供电电压42和负供电电压44的栅极驱动器40，栅极驱动器40的输出46经由栅极电阻器Rg连接到功率电子开关18的栅极26。栅极驱动器40的正供电电压42具有表示为+Vcc的值，而负供电电压44具有表示为-Vdd的值。栅极驱动器40的输入48连接到整流单元10的控制器(未示出)，如本领域公知。栅极驱动器40的输出46处的电压上至+Vcc，并且下至-Vdd，以控制栅极26处的电压。栅极26到发射极的输入电阻可能非常高，尤其是在IGBT的情况下。然而，当栅极驱动器40在+Vcc与–Vdd之间交变时，栅极26与发射极24之间出现的寄生Miller电容使得某电流从输出46流动。栅极电阻器的值Rg选作寄生Miller电容和功率电子开关18的期望开关速率的函数，从而栅极26处的电压以对于期望开关速率适当的速率而改变。在图3上，流动通过功率电子开关18和发射极寄生电感30的电流Iigbt当功率电子开关18接通时基本上等于Iout，并且当功率电子开关18关断时快速地减少到(基本上)零。当功率电子开关18接通或关断时，流动通过此处的电流Iigbt以很快的速率增加或消失。根据公知公式(1)，表示为di/dt的Iigbt的这些变化生成电感30和34两端的电压： V L = L · d i d t - - - ( 1 ) ]]>其中，VL是电感两端所感应的电压，L是电感值。寄生电感34两端生成电压VLs，发射极寄生电感30两端生成电压VLe。在图2和图3上，当Iigbt电流非常快速地消失时，穿过包括发射极电感30的高频环路电感34示出的极性反映在功率电子开关18的关断时所获得的电压，di/dt因此取得负值。在功率电子开关18的接通时，穿过包括发射极电感30的高频环路电感34的电压处于相反方向上。这些电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种补偿电路，用于通过栅极驱动器独立地控制功率电子开关的接通和关断，包括：第一电路路径，被配置为：在所述功率电子开关的接通时对穿过所述功率电子开关的电感所感应的电压的第一部分进行采样；第二电路路径，被配置为：在所述功率电子开关的关断时对穿过所述功率电子开关的电感所感应的电压的第二部分进行采样；以及栅极驱动器基准连接，被配置为：分别在所述功率电子开关的接通和关断期间供应电压的所述第一部分和所述第二部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.14 US 61/904,0451.一种补偿电路，用于通过栅极驱动器独立地控制功率电子开关的接通
和关断，包括：
第一电路路径，被配置为：在所述功率电子开关的接通时对穿过所述功
率电子开关的电感所感应的电压的第一部分进行采样；
第二电路路径，被配置为：在所述功率电子开关的关断时对穿过所述功
率电子开关的电感所感应的电压的第二部分进行采样；以及
栅极驱动器基准连接，被配置为：分别在所述功率电子开关的接通和关
断期间供应电压的所述第一部分和所述第二部分。
2.如权利要求1所述的补偿电路，其中，所述电感是所述功率电子开关
的寄生电感。
3.如权利要求1或2所述的补偿电路，其中，所述第一电路路径包括：
第一电阻器和第二电阻器，在所述电感两端串联；以及
接通二极管，连接在所述第一电阻器和第二电阻器的结点与所述栅极驱
动器基准连接之间；
其中，所述接通二极管在关断期间是不导通的。
4.如权利要求3所述的补偿电路，其中，所述第二电路路径包括：
第三电阻器和第四电阻器，在所述电感两端串联；以及
关断二极管，连接在所述第三电阻器和第四电阻器的结点与所述栅极驱
动器基准连接之间；
其中，所述关断二极管在接通期间是不导通的。
5.如权利要求1或2所述的补偿电路，其中，所述第一电路路径包括：
串联的第一电阻器、接通二极管和第二电阻器；以及
与所述第一电阻器和所述接通二极管并联的第三电阻器；
其中，所述接通二极管、所述第二电阻器和所述第三电阻器的结点连接
到所述栅极驱动器基准连接；以及
其中，所述接通二极管在关断期间是不导通的。
6.如权利要求5所述的补偿电路，其中，所述第二电路路径包括所述第
二电阻器和所述第三电阻器。
7.一种补偿电路，用于独立地控制与第二功率电子开关并行而放置的第
一功率电子开关的接通和关断，所述控制是通过栅极驱动器完成的，所述补
偿电路包括：
第一电路路径，被配置为：在所述第一功率电子开关的接通时对穿过所
述第一功率电子开关的电感所感应的电压的第一部分进行采样；
第二电路路径，被配置为：在所述第一功率电子开关的关断时对穿过所
述第一功率电子开关的电感所感应的电压的第二部分进行采样；以及
栅极驱动器基准连接，被配置为：分别在所述第一功率电子开关的接通
和关断期间供应电压的所述第一部分和所述第二部分。
8.如权利要求7所述的补偿电路，其中，所述电感是所述第一功率电子
开关的寄生电感。
9.如权利要求7或8所述的补偿电路，其中，所述第一电路路径包括：
第一电阻器和第二电阻器，在所述电感两端串联；以及
接通二极管，连接在所述第一电阻器和第二电阻器的结点与所述栅极驱
动器基准连接之间；
其中，所述接通二极管在关断期间是不导通的。
10.如权利要求9所述的补偿电路，其中，所述第二电路路径包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：M阿马尔，JM西尔，M埃尔雅各比，P弗勒里，
申请(专利权)人：TM四股份有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA