CN105556819B - 具有改进的击穿免疫性的逆变器 - Google Patents

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Abstract

一种用于AC‑DC逆变器(10，20)的逆变器相臂(100)包括高压电源线(12，22)和低压电源线(14，24)，跨该高压电源线和低压电源线提供DC电压。高压侧栅控开关(110)连接到高压电源线，以及低压侧栅控开关(114)连接到低压电源线，其中具有高压侧开关与低压侧开关之间的输出结点(104)。逆变驱动器(116)连接到高压侧栅控开关(110)。逆变驱动器的电压源(118，130，106)配置成使得在接通周期期间将高压侧栅控开关保持关断直到驱动器输出克服跨高压侧开关栅极所生成的负偏置，从而产生对寄生接通的高免疫力。数字隔离器(120)连接在逆变驱动器(116)与控制信号(128)之间以用于切换逆变器相臂(100)。差动发射器(126)和差动接收器(124)可用来进一步增强噪声免疫性。

Description

具有改进的击穿免疫性的逆变器
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年9月27日提交的美国临时申请No. 61/883617的权益，通过引用将其完整地结合到本文中。
技术领域
本发明一般涉及电力转换领域，以及具体来说涉及利用半导体开关的DC-AC逆变器。
背景技术
电力逆变器通常利用多对半导体开关，多对半导体开关跨DC电压源所连接到的DC母线或电源线来连接在一起。开关按照所选切换序列交替地接通和关断，以便向连接到两个开关之间的结点的负载提供AC电力。由于n型装置与p型装置相比的优良开关特性和低导通电阻，高压侧半导体开关几乎始终选择为n型装置。因此，高压侧开关要求浮动电压源和电平移位功能，其促成逆变器栅极驱动的成本和复杂度。按照这种方式所连接的单对半导体开关本身可用来向负载提供单相AC电力，或者两对开关可按照常规H桥配置连接在一起以用于单相电力、三对开关用于三相电力等。每对开关可被认为是单相或多相逆变器的相臂。
空载时间（dead time）几乎始终加入提供给相臂的两个开关的栅极驱动信号，以确保开关之一在另一开关接通之前完全关断。否则，如果两个开关均同时接通，则因为两个开关跨DC汇流线串联连接，通过开关的短路电流可能烧坏开关或者损坏其他电路组件。这种条件有时称作“击穿”（shoot through）。但是，空载时间的存在能够对输出电压波形增加显著数量的非预期非线性度和谐波失真。基频分量的输出波形失真和电压幅度损失随着基频或载波频率增加而变差。
用于补偿空载时间的不同方法是已知的，包括感测通过开关的电流并且确保接通另一个开关之前关断导通开关。参见美国专利No. 4126819、No. 5646837和No. 5859519以及已公开美国专利申请US 2001/0048278 A1。这类电路要求显著增加成本的大量附加组件，或者仍然要求具有对应空载时间的开关的关断与接通之间的延迟。美国专利No.6909620具有两个开关之间的输出结点，其中输出结点与低压侧开关之间的串联二极管或连接器开关以及二极管或连接器开关与低压侧开关之间的汇合处直接电连接到高压侧开关的栅极。如果低压侧开关在高压侧开关接收接通的命令时仍然导通，则高压侧开关的栅极将偏置，使得开关保持为关断，直到电流停止流经低压侧开关，以及相反，如果高压侧开关在低压侧开关接通时仍然接通，则高压侧开关的栅极将偏置，以确保其立即关断，由此防止高压侧和低压侧开关同时接通的条件。
然而当高速开关的快速切换发生时，漏极-栅极电容创建使寄生电流流入内部栅电阻的通路，这引起栅极上的电压尖峰，从而冒着不希望接通以及击穿条件可能发生的风险。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种逆变器相臂，包括高压电源线和低压电源线，跨它们可提供DC电压。逆变器臂包括连接到高压电源线的高压侧栅控开关以及连接到低压电源线的低压侧栅控开关。开关连接在高压电源线与低压电源线之间，其中具有高压侧开关与低压侧开关之间的输出结点。逆变驱动器连接到高压侧栅控开关，并且具有来自控制信号的输入电压、用于切换高压侧栅控开关的输出电压以及驱动电压。第一DC电压的源设置在输出结点与逆变驱动器之间。驱动电压设置成使逆变驱动器的输出电压为零，直到输入电压超过第一DC电压，由此防止高压侧栅控开关的无控制激活所引起的击穿条件。
附图说明
附图包括：
图1是单相DC-AC逆变器的示意图。
图2是三相DC-AC逆变器的示意图。
图3是图1和图2的逆变器中的相臂的任一个的隔离电路的示意图。
具体实施方式
为了便于说明，在背景和以下描述中提出了大量具体细节，以便透彻地理解本文所述的技术。然而，本领域的技术人员将会清楚地知道，即使没有这些具体细节也可实施示范实施例。在其他情况下，结构和装置以简图形式示出，以便于示范实施例的描述。
图1是可实施本发明的类型的单相DC-AC逆变器10的示意图。DC-AC逆变器10包括示为+VDC源的高压侧电源线12以及示为地或回路（return）的低压侧电源线14。两种电源线12、14均提供有来自DC电源(未示出)的电力，所述DC电源配置成跨电源线12、14提供适当的DC输出电压。DC-AC逆变器10还包括一对逆变器相臂100，各逆变器相臂具有跨电源线12、14串联连接的两个栅控半导体开关。两个栅控半导体开关可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率MOSFET或者双极晶体管等。一个逆变器相臂100中的两个栅控半导体开关之间的输出结点104连接到输出线16，其上提供DC-AC逆变器10的AC输出电压。另一个逆变器相臂100中的两个栅控半导体开关之间的第二输出结点104连接到输出线18，其用作AC输出电压的中性线。按照如以下所述的本发明，栅极驱动线102将每个高压侧栅控半导体开关的栅输入连接到逆变驱动器(图1中未示出)。
图2是可实施本发明的类型的三相DC-AC逆变器20的示意图。DC-AC逆变器20包括示为+VDC源的高压侧电源线22以及示为地或回路的低压侧电源线24。两种电源线22、24均提供有来自DC电源(未示出)的电力，所述DC电源配置成跨电源线22、24提供适当的DC输出电压。DC-AC逆变器20还包括四个逆变器相臂100，各逆变器相臂具有跨电源线22、24串联连接的两个栅控半导体开关。两个栅控半导体开关可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率MOSFET或者双极晶体管等。各逆变器相臂100中的两个栅控半导体开关之间的输出结点104分别连接到输出线26、28、30和32。线路中的三个26、30和32提供三相AC输出电压的三个电压相，以及线路之一28提供中性。栅极驱动线102连接到各高压侧栅控半导体开关的栅输入。
栅极驱动线102携带来自控制装置(图1和图2中未示出)的一位信号。这个信号必须穿过宽迹线、电缆布线和其他组件以到达高速栅控半导体开关，这全部引起噪声、瞬时电压和寄生电流。因此，预期开关与控制电路之间的电隔离。另外，对于许多***，占空比能够从0至100%改变。占空比的这种宽窗口使常规栅极驱动变压器作为隔离屏障是低效的。
图3是如可能用于图1和图2的DC-AC逆变器10、20中的按照本发明的逆变器相臂100的示意图。相臂100包括高压侧电源线+VDC和低压侧电源线回路，跨它们可提供DC电压。具有栅极108的高压侧栅控开关110连接到高压电源线，以及具有栅极112的低压侧栅控开关114连接到低压电源线。栅控开关110、114之间的输出结点104如图1和图2所示连接到输出电压。
某种隔离可由差动发射器126和差动接收器124(其接收来自控制器(未示出)的栅极驱动信号128)来提供。差动发射器126和差动接收器124在跨距离传送栅极驱动信号128时是有益的。即使在栅控开关110、114的切换期间贯穿整个***的电容耦合能够将噪声耦合到电路或布线中，但是信号是差动的事实提供良好等级的免疫性，从而允许良好信号完整性被保持。
进一步隔离可通过高速数字隔离器120(其能够有效地保持栅极驱动信号128的解析度)来提供。然而，从隔离器120到输出线122中的某种电容耦合仍然可引起栅控开关110、114的寄生瞬时切换。由于其源工作在零与全输入电压之间的可能性，此问题主要在高压侧栅控开关110发生。当高压侧栅控开关110关断时，其源飞降。到隔离器的内部二次电阻中的电容耦合使隔离器的输出电压上升。隔离器输出线122从零上升的这种趋势使栅极108的电压趋于向上，这能够在低压侧栅控开关114完全关断之前接通高压侧栅控开关110，从而引起击穿，特别是当***输入电压变高时。
此问题通过调制栅极驱动信号128的隔离器120与高压侧栅控开关110之间的逆变驱动器116完全消除。优选地，逆变驱动器116的驱动电压提供25 V的栅极驱动信号128从在130的-5 V的下DC电压到在118的+20 V的上DC电压的调制范围。下和上DC电压130、118能够通过两个单独调节电源(未示出)或者单个25 V电源来提供。优选地，输出结点104向驱动电压提供偏置DC电压106，以确保下和上DC电压130、118正确地自行平衡。使用来自结点104的相同DC电源(其用于栅控开关110、114的逻辑电平信号)确保高压侧栅控开关110在栅极驱动器成为活动之前完全偏置截止，这样的一个方式是使用这个逻辑电平电力来控制在驱动器的电压的源与逆变驱动器电力引脚之间的开关(未示出)，该开关将被保持关断直到逻辑电压达到接近其稳态调整电平的电平。
通过增加必须生成以便不正确接通高压侧栅控开关110的寄生电压（spuriousvoltagr）量，当高压侧栅控开关110关断时的跨栅极驱动线102的这个负偏置电压防止有害瞬时感应接通。这个结构又允许高压侧栅控开关110以可能的最高速度来切换。负偏置还帮助在正常操作期间更严格地关断高压侧栅控开关110。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或***，以及执行任何结合方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。

Claims (7)

1.一种DC-AC转换器(10，20)中的逆变器相臂(100)，所述DC-AC转换器包括高压电源线(12，22)和低压电源线(14，24)，跨所述高压电源线和所述低压电源线可提供DC电压，高压侧栅控开关(110)连接到所述高压电源线，并且低压侧栅控开关(114)连接到所述低压电源线，所述高压侧栅控开关与所述低压侧栅控开关连接在所述高压电源线(12，22)与所述低压电源线(14，24)之间，其中具有所述高压侧栅控开关与所述低压侧栅控开关之间的输出结点(104)，其特征在于：
逆变驱动器(116)，连接到所述高压侧栅控开关(110)，并且具有来自控制信号(128)的输入电压、驱动电压和用于切换所述高压侧栅控开关(110)的输出电压；以及
所述输出结点(104)与所述逆变驱动器(116)之间的偏置的第一DC电压的源；
其中所述驱动电压设置成使所述逆变驱动器(116)的所述输出电压为零，直到所述输入电压超过所述第一DC电压。
2.如权利要求1所述的逆变器相臂(100)，还包括到所述逆变驱动器(116)的第二DC电压的源。
3.如权利要求2所述的逆变器相臂(100)，其中，所述驱动电压包括所述第二DC电压和所述第一DC电压。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的逆变器相臂(100)，其中，所述第一DC电压设置为正。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的逆变器相臂(100)，还包括连接在所述逆变驱动器(116)与所述控制信号(128)之间的数字隔离器(120)。
6.如权利要求5所述的逆变器相臂(100)，还包括连接到所述数字隔离器(120)的差动接收器(124)和差动发射器(126)。
7.一种包括如权利要求1所述的逆变器相臂(100)的AC-DC逆变器(10)。
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