CN105531896A

CN105531896A - 在固态错误电流限制器中提供隔离电源给栅极驱动电路的***和方法

Info

Publication number: CN105531896A
Application number: CN201480048620.0A
Authority: CN
Inventors: 皮尔·R·卢比克; 卡森·泰克雷特萨迪克
Original assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Current assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2034-08-12
Also published as: WO2015026570A1; US8971002B1; US20150055261A1; TWI622240B; KR20160045762A; JP6560674B2; JP2016533157A; CN105531896B; TW201513515A

Abstract

揭示一种用于提供隔离电源给用于固态开关装置中的栅极驱动电路的***和方法。并非使用昂贵的隔离AC/DC电源供应器，而是使用隔离变压器来提供隔离AC电压。在一个实施例中，隔离变压器的初级绕组跨越独立AC源而设置。在另一实施例中，隔离变压器的初级绕组跨越AC电源线的两个相位而设置。隔离AC电压接着跨越隔离变压器的次级绕组而产生。此隔离AC电压接着由非隔离DC电源供应器使用，所述非隔离DC电源供应器产生用于栅极驱动电路的电源。

Description

在固态错误电流限制器中提供隔离电源给栅极驱动电路的***和方法

技术领域

本发明的实施例涉及用于尤其在半导体开关串联地设置时在固态故障电流限制器中提供隔离电源给半导体开关的栅极驱动电路的方法和设备。

背景技术

可通过使用固态故障电流限制器(SSFCL)来检测并修复电源线故障。这些SSFCL装置利用例如IGBT、SCR、IGCT或MOSFET晶体管等固态开关装置，以阻断或显著增大电源与负荷之间的电流路径的阻抗。然而，这些电源线通常承载范围为10千伏到230千伏以上的电压。因为典型开关装置仅额定为约6千伏，所以通常有必要串联地放置多个此类SSFCL装置。电源线的总电压(也称为电源线电压)在串联的全部SSFCL装置上划分，进而允许每一SSFCL装置在其额定范围内操作。当检测到故障(例如，穿过电源线的电流的浪涌)时，SSFCL装置中的每一个停用其相应的固态开关装置，进而增大电源所遭遇的电阻且降低电流。

图1展示常用的SSFCL装置100。SSFCL装置100包括固态开关装置110，其可为上述晶体管中的任一个。这些固态开关装置110通常具有至少三个端子，即，源极或输入侧111、漏极或输出侧112和栅极113。栅极113的断言实现从源极111到漏极112的电流的通过，而栅极113的撤销断言抑制穿过固态开关装置110的电流的通过。

此固态开关装置110可与以下组件中的一个或一个以上并联：缓冲器120、电抗器130和瞬态抑制器140。缓冲器120通常为与电容器串联的电阻器，用于耗散瞬态现象的能量且通过对瞬态频率进行滤波(即，减缓“自振”频率)而减小过电压。瞬态抑制器140用于将过电压瞬态现象钳制到缓冲器120和固态开关装置110的额定值的电平以下。缓冲器120、电抗器130和瞬态抑制器140可被称为并联组件145，这是因为在一些实施例中，当固态开关装置110处于停用或关闭状态时，这些组件145提供让电流行进的并联路径。当固态开关装置110处于关闭状态时，这些并联组件145用于提供从电源到负荷的替代高阻抗电流路径，且保护固态开关装置110在开启与关闭期间免受瞬态过电压。

固态开关装置110的栅极113与栅极驱动电路150连通。此栅极驱动电路150使用电流传感器160来监控正由电源线101供应的电流。栅极驱动电路150用于基于来自电流传感器160的信息而实现或阻断穿过固态开关装置110的电流的通过。

栅极驱动电路150可参考固态开关装置110所遭遇的电压。换句话说，栅极驱动电路150的输出电压与存在于固态开关装置110的源极111或漏极112上的电压相关。传统上，这通过使用隔离电源供应器170来实现。此DC电源供应器170可为相对低电压、低电流的电源供应器。举例来说，栅极驱动电路150通常利用低电压(例如，高达48伏)且仅耗散几瓦。

然而，每一SSFCL100的隔离电源供应器170必须与每一其他隔离电源供应器170电隔离。在一些实施例中，隔离电压的量值必须至少为总线电压除以SSFCL装置110的数目。在其他实施例中，隔离电压的量值必须至少为总线电压。

此隔离通常使用隔离DC电源170来执行。这些隔离DC电源170可采用光学方式来隔离或使用另一方式来隔离。在这些实施例中，虽然电压和电流要求低，但隔离DC电源供应器170可能不可靠且极昂贵，进而可能各自耗费数千美元。这些隔离电源供应器170必须以额定为高电压的隔离来递送稳定电源。隔离电压越高，此任务越难，这是因为电源供应器的大小将增大，成本将提高，可靠性将由于高电压击穿导致绝缘击穿的较高可能性而降低。较低的可靠性还可能是由于输出电压调节将难以从高电压侧控制(其将必须在接地侧控制)的事实，且可能难以维持开关的栅极所需的电压来开启和关闭开关。因此，对使用此专用隔离电源供应器170的需要大幅提高固态故障电流限制器***的总成本。

因此，存在比当前解决方案廉价且可靠的用于提供隔离电源给栅极驱动电路的***和方法将是有益的。

发明内容

揭示用于提供隔离电源给用于固态开关装置中的栅极驱动电路的***和方法。并非使用昂贵的隔离AC/DC电源供应器，而是使用隔离变压器来提供隔离AC电压。在一个实施例中，隔离变压器的初级绕组跨越独立AC源而设置。在另一实施例中，隔离变压器的初级绕组跨越AC电源线的两个相位而设置。隔离AC电压接着跨越隔离变压器的次级绕组而产生。此隔离AC电压接着由非隔离DC电源供应器使用，所述非隔离DC电源供应器产生用于栅极驱动电路的电源。

根据一个实施例，揭示一种随AC电源线一起使用的固态故障电流限制装置。此故障电流限制装置包括：固态开关装置，串联地设置在所述AC电源线中，所述固态开关装置具有输入、输出和栅极，其中施加到所述栅极的电压确定电流是否在所述输入与所述输出之间流动；栅极驱动电路，与所述栅极连通，以将栅极电压施加到所述栅极，所述电压参考所述输入或所述输出处的电压；电流监控器，与所述AC电源线和所述栅极驱动电路连通，其中所述栅极电压是基于来自所述电流监控器的输出来确定的；隔离变压器，具有初级绕组和次级绕组；以及非隔离AC到DC电源供应器，由所述次级绕组供电且参考所述输入或所述输出处的所述电压，以将DC电源供应到所述栅极驱动电路。

根据第二实施例，揭示一种限制AC电源线中的故障电流的方法。所述方法包括：监控穿过所述AC电源线的电流；以及将电压施加到固态开关装置的栅极以实现或抑制穿过所述固态开关装置的电流的流动，其中施加到所述栅极的所述电压是通过以下方式而产生：使用隔离变压器以产生隔离AC电压；使用参考所述AC电源线的非隔离AC到DC电源供应器以将所述隔离AC电压转换为隔离DC电压；以及使用所述隔离DC电压以对与所述固态开关装置的所述栅极连通的栅极驱动电路供电。

根据第三实施例，揭示一种用于限制AC电源线中的故障电流的***。此***包括：隔离变压器，具有初级绕组与第一次级绕组和第二次级绕组；独立AC源，其中所述初级绕组跨越所述独立AC源而设置；第一固态故障电流限制装置，包括：第一固态开关装置，串联地设置在所述AC电源线中，所述第一固态开关装置具有第一输入、第一输出和第一栅极，其中施加到所述第一栅极的第一栅极电压确定电流是否在所述第一输入与所述第一输出之间流动；第一栅极驱动电路，与所述第一栅极连通，以将所述第一栅极电压施加到所述第一栅极，所述第一栅极电压参考所述第一输入或所述第一输出处的电压；第一电流监控器，与所述AC电源线和所述第一栅极驱动电路连通，其中所述第一栅极电压是基于来自所述第一电流监控器的输出来确定的；以及第一非隔离AC到DC电源供应器，由所述第一次级绕组供电且参考所述第一输入或所述第一输出处的所述电压，以将DC电源供应到所述第一栅极驱动电路；以及第二固态故障电流限制装置，包括：第二固态开关装置，串联地设置在所述AC电源线中，所述第二固态开关装置具有与所述第一输出连通的第二输入、第二输出和第二栅极，其中施加到所述第二栅极的第二栅极电压确定电流是否在所述第二输入与所述第二输出之间流动；第二栅极驱动电路，与所述第二栅极连通，以将所述第二栅极电压施加到所述第二栅极，所述第二栅极电压参考所述第二输入或所述第二输出处的电压；第二电流监控器，与所述AC电源线和所述第二栅极驱动电路连通，其中所述第二栅极电压是基于来自所述第二电流监控器的输出来确定的；以及第二非隔离AC到DC电源供应器，由所述第二次级绕组供电且参考所述第二输入或所述第二输出处的所述电压，以将DC电源供应到所述第二栅极驱动电路。

附图说明

为了更好地理解本揭示，参考附图，附图以引用的方式并入本文中。

图1为根据现有技术的SSFCL装置的示意图。

图2展示根据第一实施例的SSFCL装置。

图3A和图3B展示使用串联地布置的多个SSFCL装置的实例配置。

图4展示根据第二实施例的SSFCL装置。

具体实施方式

如上所述，SSFCL装置可串联地布置以便允许每一固态开关装置在其额定范围内操作。然而，用于对栅极驱动电路供电的电源供应器必须相互充分地隔离。

图2展示根据第一实施例的多个SSFCL装置200。在此实施例中，SSFCL装置200中的每一个具有许多与图1所示相同的组件，例如，固态开关装置110，其包含源极111、漏极112和栅极113。例如缓冲器120、电抗器130和瞬态抑制器140等并联组件145可与固态开关装置110并联地设置。此外，栅极驱动电路150可与栅极113连通。电流传感器160与电源线101连通以检测穿过电源线101的电流的流动。这些组件执行与参看图1所述相同的功能且将不再进行描述。

在此实施例中，现有技术(参见图1)的隔离电源供应器170已替换为较低成本的非隔离AC到DC电源供应器210，其中非隔离AC到DC电源供应器210不需要包含隔离保护。实际上，隔离保护由隔离变压器220提供。此隔离变压器220具有初级绕组222和一个或一个以上次级绕组224。初级绕组222可连接到AC电源线101(例如，跨越AC电源线101的两个相位)或连接到独立AC电压源250。次级绕组连接到较低成本的非隔离AC到DC电源供应器210。视情况，过电压保护电路230可设置在每一次级绕组224与相应的非隔离AC到DC电源供应器210之间。隔离变压器220提供必要的隔离。

这些SSFCL装置200可布置为至少两种不同配置。举例来说，图3A展示与每一SSFCL装置200(如图2所描绘)并联的电抗器130。然而，图3B在图3B中展示与SSFCL装置200的串联连接并联的单一电抗器130。应注意，当根据图3A来配置时，一组相应的这些并联组件145与每一固态开关装置110并联地连接。相比来说，当如图3B所示而配置时，单一电抗器130与整个一组串联地连接的固态开关装置110并联地连接。因此，图2所示的电抗器130不存在于此实施例中。此外，虽然图3A到图3B未图示，但缓冲器120和瞬态抑制器140优选与每一固态开关装置110并联。

如上所述，隔离变压器220在这些SSFCL装置200之间提供隔离。举例来说，当根据图3A的实施例而安装时，次级绕组224必须符合特定准则。首先，任何两个次级绕组224之间的隔离电压可大于电源线电压除以SSFCL装置100的数目。次级绕组224与初级绕组222之间的隔离电压可大于电源线电压。任何次级绕组224与接地之间的隔离电压可大于电源线电压。在从电源线101激励初级绕组的状况下，初级绕组222与接地之间的隔离电压可大于电源线电压。

此外，初级绕组与次级绕组以及邻近次级绕组全部实体上分离以根据设计而提供适当的高电压隔离额定值，其至少等于***的线电压。在一些实施例中，还可并入(例如)25％的设计裕量。当然，绕组组装件之间的距离取决于所使用的电压和隔离材料。举例来说，环氧树脂和变压器线圈的使用可使得绕组组装件相对小。在隔离变压器220中，相比于隔离电源供应器170的状况，较容易实现在隔离屏障上提供电源的任务，这是因为在隔离点中不存在额外电子器件。非隔离AC到DC电源供应器210连接到每一相应次级绕组，且非隔离AC到DC电源供应器210的输入和输出参考相同的公用电连接，这使得只要涉及到电源供应器，***便较可靠。

当根据图3B的实施例而安装SSFCL装置200时，任何两个次级绕组224之间的隔离电压可大于电源线电压。用于其他隔离电压的准则可如上所述。

应注意，图2展示从与单一隔离变压器220连通的次级绕组224供电的相应SSFCL装置200的所有栅极驱动电路150。然而，其他配置是可能的。举例来说，可使用两个或两个以上隔离变压器220，其中来自这些隔离变压器220的次级绕组提供电源给所有SSFCL装置200。

如上所述，隔离变压器220的初级绕组可连接到独立AC源250。此独立源250可为自身具有断路器的任何单输出AC源线。需要时，滤波器可添加到AC源线以消除注入到所述线中的开关噪声。在一个实施例中，初级绕组连接到具有120到240伏AC电的标准AC线，但其他电压是可能的。在此实施例中，隔离变压器220可为0.5到2的初级绕组与次级绕组比(被称为匝数比)，以使得次级AC电压处于120到240伏的范围中。此次级AC电压为非隔离AC到DC电源供应器210所需的输入电压。因此，如果不同输入电压是优选的，那么匝数比经修改以实现根据以下关系的输入电压：到非隔离AC到DC电源供应器的输入电压等于AC源电压除以匝数比。

在另一实施例中，隔离变压器220的初级绕组可连接到电源线101。在一些实施例中，隔离变压器220可在最后的电抗器130之后***在电源线101中(即，***在最后的SSFCL装置200与负荷之间)。当然，隔离变压器220可在其他位置中连接，但过保护电路230可能较复杂。在此实施例中，初级绕组222可设置在AC电源线101的两个相位之间。在此实施例中，隔离变压器220可具有适当匝数比，以使得次级AC电压处于120到240伏的范围中。过保护电路230可用于在穿过电源线101的电流高于预期的状况下限制电压。此外，次级AC电压可能在故障期间降低。为了对这种情况进行补偿，非隔离AC到DC电源供应器210可设计为具有适当输入电压范围以适应这种情况。举例来说，输入电压范围可额定为小于120伏的电压。

每一非隔离AC到DC电源供应器210参考与固态开关装置110连通的电源线101的电压。举例来说，固态开关装置110在其源极侧111与电源线101连通且将此电压(在启用时)传递到其漏极侧112。在一个实施例中，固态开关装置110的源极侧111处的电压可用作非隔离AC到DC电源供应器210的公用参考。在另一实施例中，固态开关装置110的漏极侧112处的电压可用作非隔离AC到DC电源供应器210的公用参考。

以此方式，每一SSFCL装置200的与栅极113连通的栅极驱动电路150的输出参考固态开关装置150的端子111、112中的一个处的电压。

如上所述，通过包含隔离变压器220而大幅简化较低成本的非隔离AC到DC电源供应器。因此，并非包含通常存在于现有技术的隔离电源供应器170中的复杂电路，较低成本的非隔离AC到DC电源供应器210具有较少组件。举例来说，45千伏DC隔离DC/DC的极低功率(例如，5瓦)的电源供应器可能花费2000美元以上且可能需要4到8周的制造交货时间。此外，很少的厂商能够制造这种电源供应器。相比来说，具有相同功率要求的非隔离电源供应器可花费100美元以下，容易购得且更可靠。

如上所述，图2的SSFCL装置200可随图3A所示的配置一起使用，其中一组并联组件145与每一固态开关装置110相关联。此外，图2的SSFCL装置200可随图3B所示的配置一起使用，其中一个电抗器130与所有固态开关装置110并联，而缓冲器120和瞬态抑制器140与每一开关装置110并联。

图4展示可用于产生较廉价、较可靠的电源***的SSFCL装置300的第二实施例。在此实施例中，SSFCL装置300包括上文关于图2所述的并联组件145、固态开关装置110、电流监控器160、栅极开关电路150、低成本的非隔离AC到DC电源供应器210和过电压保护电路230。这些组件在此实施例中执行相同功能且此处将不再进行描述。此第二实施例的SSFCL装置300也可用于图3A和图3B所示的两个实施例中，以上述方式来配置。

然而，在此实施例中，每一SSFCL装置300包括相应的隔离变压器310。这些隔离变压器310中的每一个使自身的初级绕组连接到电源线101。在一个实施例中，初级绕组设置在AC电源线101的两个相位之间。以此方式，线电压(V_line)跨越初级绕组。隔离变压器310的初级绕组可设置为接近于固态开关装置110的源极111或漏极112。换句话说，隔离变压器310的初级绕组可设置在固态开关装置110的任一侧上。因此，有必要存在穿过电源线101的电流流动，即使在开关装置110处于停用状态时也是这样。

隔离变压器310的次级绕组与低成本的非隔离AC到DC电源供应器210连通。如上所述，过电压保护电路230可设置在隔离变压器310的次级绕组与非隔离AC到DC电源供应器210之间。

每一隔离变压器310可具有适当匝数比，以使得在次级绕组314处产生的电压介于(例如)120伏与240伏之间，而无关于开关装置110的状态。举例来说，如果线电压(V_line)为10千伏且非隔离AC到DC电源供应器210的所要输入电压为120伏，那么匝数比可被确定为V_line/120伏，或83。当然，还可使用不同的线电压和输入电压，且相应地计算匝数比。

以此方式，昂贵的且极不可靠的隔离电源供应器170可替换为隔离变压器220、310和非隔离AC到DC电源供应器210。此改变降低***的成本且提高其可靠性。***可包含具有多个次级绕组的隔离变压器220，如图2所示。在另一实施例中，专用隔离变压器310可随每一SSFCL装置300一起使用，如图4所示。

此外，揭示一种限制AC电源线中的故障电流的方法。首先，例如由电流监控器160监控AC电源线中的电流。接着，将电压施加到固态开关装置110的栅极113以实现或抑制穿过固态开关装置的电流的流动。用于控制栅极113的电压是由栅极驱动电路150产生的。电源由非隔离AC到DC电源供应器210供应到栅极驱动电路150。非隔离AC到DC电源供应器由隔离AC电压供电。此隔离AC电压是使用隔离变压器220、310而产生的。如上所述，隔离变压器310的初级绕组可跨越AC电源线的两个相位而设置。在另一实施例中，隔离变压器220的初级绕组跨越独立AC源250而设置。

本揭示在范围上不受本文中描述的具体实施例限制。实际上，除本文中描述的实施例之外，根据上述描述和附图，本揭示的其他各种实施例和修改对于所属领域的技术人员来说将为明显的。因此，希望这些其他实施例和修改落入本揭示的范围内。此外，尽管本文中已在特定实施方案的上下文中在特定环境中针对特定目的描述了本揭示，但所属领域的技术人员应认识到，其用处不限于此且本揭示可有益地在任何数目个环境中针对任何数目个目的而实施。因此，本文所附权利要求应鉴于如本文中描述的本揭示的全宽度和精神来解释。

Claims

1.一种随AC电源线一起使用的固态故障电流限制装置，包括：

固态开关装置，串联地设置在所述AC电源线中，所述固态开关装置具有输入、输出和栅极，其中施加到所述栅极的电压确定电流是否在所述输入与所述输出之间流动；

栅极驱动电路，与所述栅极连通，以将栅极电压施加到所述栅极，所述电压参考所述输入或所述输出处的电压；

电流监控器，与所述AC电源线和所述栅极驱动电路连通，其中所述栅极电压是基于来自所述电流监控器的输出来确定的；

隔离变压器，具有初级绕组和次级绕组；以及

非隔离AC到DC电源供应器，由所述次级绕组供电且参考所述输入或所述输出处的所述电压，以将DC电源供应到所述栅极驱动电路。

2.根据权利要求1所述的固态故障电流限制装置，其中所述初级绕组设置在所述AC电源线的两个相位之间。

3.根据权利要求1所述的固态故障电流限制装置，还包括独立AC源，其中所述初级绕组跨越所述独立AC源而设置。

4.根据权利要求1所述的固态故障电流限制装置，还包括过电压保护电路，其设置在所述次级绕组与所述非隔离电源供应器之间。

5.根据权利要求1所述的固态故障电流限制装置，其中所述初级绕组和所述次级绕组实体上分离以便提供至少等于所述AC电源线的电压的电压隔离额定值。

6.一种限制AC电源线中的故障电流的方法，包括：

监控穿过所述AC电源线的电流；以及

将电压施加到固态开关装置的栅极以实现或抑制穿过所述固态开关装置的电流的流动，其中所述电压是通过以下方式而产生：

使用隔离变压器以产生隔离AC电压；

使用参考所述AC电源线的非隔离AC到DC电源供应器以将所述隔离AC电压转换为隔离DC电压；以及

使用所述隔离DC电压以对与所述固态开关装置的所述栅极连通的栅极驱动电路供电。

7.一种用于限制AC电源线中的故障电流的***，包括：

隔离变压器，具有初级绕组与第一次级绕组和第二次级绕组；

独立AC源，其中所述初级绕组跨越所述独立AC源而设置；

第一固态故障电流限制装置，包括：

第一固态开关装置，串联地设置在所述AC电源线中，所述第一固态开关装置具有第一输入、第一输出和第一栅极，其中施加到所述第一栅极的第一栅极电压确定电流是否在所述第一输入与所述第一输出之间流动；

第一栅极驱动电路，与所述第一栅极连通，以将所述第一栅极电压施加到所述第一栅极，所述第一栅极电压参考所述第一输入或所述第一输出处的电压；

第一电流监控器，与所述AC电源线和所述第一栅极驱动电路连通，其中所述第一栅极电压是基于来自所述第一电流监控器的输出来确定的；以及

第一非隔离AC到DC电源供应器，由所述第一次级绕组供电且参考所述第一输入或所述第一输出处的所述电压，以将DC电源供应到所述第一栅极驱动电路；以及

第二固态故障电流限制装置，包括：

第二固态开关装置，串联地设置在所述AC电源线中，所述第二固态开关装置具有与所述第一输出连通的第二输入、第二输出和第二栅极，其中施加到所述第二栅极的第二栅极电压确定电流是否在所述第二输入与所述第二输出之间流动；

第二栅极驱动电路，与所述第二栅极连通，以将所述第二栅极电压施加到所述第二栅极，所述第二栅极电压参考所述第二输入或所述第二输出处的电压；

第二电流监控器，与所述AC电源线和所述第二栅极驱动电路连通，其中所述第二栅极电压是基于来自所述第二电流监控器的输出来确定的；以及

第二非隔离AC到DC电源供应器，由所述第二次级绕组供电且参考所述第二输入或所述第二输出处的所述电压，以将DC电源供应到所述第二栅极驱动电路。

8.根据权利要求7所述的***，还包括：第一过电压保护电路，设置在所述第一次级绕组与所述第一非隔离电源供应器之间；以及第二过电压保护电路，设置在所述第二次级绕组与所述第二非隔离电源供应器之间。

9.根据权利要求7所述的***，其中所述初级绕组和所述第一次级绕组实体上分离以便提供至少等于所述AC电源线的电压的电压隔离额定值。

10.根据权利要求7所述的***，其中所述第一次级绕组和所述第二次级绕组实体上分离以便提供至少等于所述AC电源线的电压的电压隔离额定值。