CN114362504A - 一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器 - Google Patents

一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器，从主电路的根源上解决半导体开关器件固有的米勒效应导致半桥的上下两只开关管同时导通的问题，开关管开通时将不会影响到同桥臂的另一只开关管的漏源电压VDS和栅源电压VGS，由于同桥臂开关管开通和关断过程的漏源电压互不影响，因此同桥臂开关管开通和关断过程导致的米勒效应得到抑制。

Description

一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器
技术领域
本申请属于电力电子技术领域，具体涉及一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器。
背景技术
常规全桥式逆变器是电力电子技术中应用最为广泛的主电路拓扑之一，全桥式逆变器多采用高频功率半导体开关器件(IGBT或MOSFET等)，这些半导体开关器件都存在固有的米勒效应。而半导体开关器的米勒效应会导致全桥式逆变器同桥臂上下两只开关管同时导通，引起直通损毁、开关管发热和二次导通的问题，会影响全桥式逆变器的安全、可靠和普适应用。
米勒效应导致半桥的上下两只开关管同时导通，引起的直通损毁、开关管发热和二次导通这三个问题中，米勒效应导致半桥的上下两只开关管直通损毁的问题是最为严重的，将会导致设备严重损毁，引起安全风险和经济损失。
发明内容
本申请目的是提供一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器，解决半导体开关器件固有的米勒效应导致半桥的上下两只开关管同时导通的问题。
实现本申请目的的技术方案：
本申请实施例提供了一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器，所述全桥逆变器，包括：电源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管和第八二极管；
所述电源的正输出端连接所述第一开关管的第一端、所述第一二极管的阴极、所述第三开关管的第一端和所述第五二极管的阴极；
所述电源的负输出端连接所述第二二极管的阳极、所述第二开关管的第二端、所述第六二极管的阳极和所述第四开关管的第二端；
所述第一开关管的第二端连接所述第二二极管的阴极和所述第三二极管的阳极；
所述第一二极管的阳极连接所述第四二极管的阴极和所述第二开关管的第一端；
所述第三二极管的阴极连接所述第四二极管的阳极和负载的第一端；
所述第三开关管的第二端连接所述第六开关管的阴极和所述第七二极管的阳极；
所述第五二极管的阳极连接所述第四开关管的第一端和所述第八二极管的阴极；
所述第七二极管的阴极连接所述第八二极管的阳极和所述负载的第二端。
可选的，所述第一开关管和所述第二开关管构成第一半桥；所述第三开关管和所述第四开关管构成第二半桥。
可选的，
所述负载为电感负载、阻感负载、阻感容负载、阻感容容负载或感容负载；
所述阻感负载为电阻和电感串联构成的负载；
所述阻感容负载为电阻和电容并联再和电感串联构成的负载；
所述阻感容容负载为电阻和电容并联再和电容串联最后和电感串联构成的负载；
所述感容负载为电感和电容串联构成的负载，或者为电感和电容并联构成的负载。
可选的，
所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管为全控型快速功率半导体开关器件。
可选的，
所述电源为直流电源。
可选的，所述电源，包括：交流电源和三相整流滤波电路；
所述交流电源的三相输出端连接所述三相整流滤波电路的输入端；
所述三相整流滤波电路的正输出端连接所述第一开关管的第一端、所述第一二极管的阴极、所述第三开关管的第一端和所述第五二极管的阴极；所述三相整流滤波电路的负输出端连接所述第二二极管的阳极、所述第二开关管的第二端、所述第六二极管的阳极和所述第四开关管的第二端。
可选的，所述电源，还包括：高频脉宽调制整流滤波电路；
所述三相整流滤波电路的正输出端和负输出端均连接所述高频脉宽调制整流滤波电路的输入端；
所述高频脉宽调制整流滤波电路的正输出端连接所述第一开关管的第一端、所述第一二极管的阴极、所述第三开关管的第一端和所述第五二极管的阴极；所述高频脉宽调制整流滤波电路的负输出端连接所述第二二极管的阳极、所述第二开关管的第二端、所述第六二极管的阳极和所述第四开关管的第二端。
可选的，所述全桥式逆变器，还包括：控制电路和四路驱动电路；
所述控制电路的输出端连接所述四路驱动电路的输入端；
所述四路驱动电路的四路输出端分别连接所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的驱动信号输入端；
所述控制电路，用于输出控制信号至所述四路驱动电路的输入端；
所述四路驱动电路，用于输出四路驱动信号分别至所述第一开关管的驱动信号输入端、所述第二开关管的驱动信号输入端、所述第三开关管的驱动信号输入端和所述第四开关管的驱动信号输入端，以驱动所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管开通和关断。
可选的，
所述四路驱动电路，还用于将所述四路驱动信号进行电气隔离和信号放大，以及输出反向电压，以驱动所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管开通和关断。
可选的，
所述控制电路为以模拟PWM芯片、微控制器、嵌入式处理器、数字信号处理器或可编程逻辑器件为核心配以***电路构成的控制器。
本申请的有益技术效果在于：
本申请实施例提供了一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器，从主电路的根源上解决半导体开关器件固有的米勒效应导致半桥的上下两只开关管同时导通的问题，开关管开通时将不会影响到同桥臂的另一只开关管的漏源电压VDS和栅源电压VGS，由于同桥臂开关管开通和关断过程的漏源电压互不影响，因此同桥臂开关管开通和关断过程导致的米勒效应得到抑制。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器的电路拓扑；
图2a-2e为本申请实施例提供的一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器中几种负载的电路拓扑；
图3为本申请实施例提供的另一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器的电路拓扑；
图4为本申请实施例提供的又一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器的电路拓扑。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚-完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本申请实施例中的一部分，而不是全部。基于本申请记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本申请保护的范围内。
目前国内外解决开关管米勒效应方法主要从驱动电路着手解决，如专利201620800660.2“一种解决半桥拓扑IGBT米勒效应的驱动结构”是通过改变驱动结构来减小开关管米勒效应，消除了电路中一个IGBT管导通瞬间通过寄生的米勒电容而对另一个管子的栅极电压的影响，避免半桥电路的上下两只开关管直通损毁。另外，专利201320634822.6“一种IGBT去米勒效应装置”和专利201721666961.1“一种减小功率管米勒效应的电路”也是通过改变驱动电路的设计来减少开关管的米勒效应，以解决开关管发热和二次导通的问题。
开关管米勒效应的根源是开关管固有的寄生电容在开关管导通或半桥电路中上下两只开关管交替导通时引起，上述三个专利只是通过驱动电路的设计和改进来减少米勒效应，但都不能从源头上根治同桥臂的上下两只开关管交替导通时彼此影响导致的米勒效应。另外，对于不同功率等级的开关管和主电路整体的杂散参数不同，因此米勒效应的强弱也不同，驱动电路的电阻和电容等参数将随之改变，应用的普适性将会受到影响。再者，对于米勒效应导致半桥的上下两只开关管直通损毁的问题，没有从主电路的根源上解决问题，而是从驱动电路的角度，被动的解决问题。
为此，本申请实施例提供了一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器，从主电路的根源上解决半导体开关器件固有的米勒效应导致半桥的上下两只开关管同时导通的问题，开关管开通时将不会影响到同桥臂的另一只开关管的漏源电压VDS和栅源电压VGS，由于同桥臂开关管开通和关断过程的漏源电压互不影响，因此同桥臂开关管开通和关断过程导致的米勒效应得到抑制。
基于上述内容，为了清楚、详细的说明本申请的上述优点，下面将结合附图对本申请的具体实施方式进行说明。
参见图1，该图为本申请实施例提供的一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器的电路拓扑。
本申请实施例提供的一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器，包括：电源V、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8；
电源V的正输出端连接第一开关管Q1的第一端、第一二极管D1的阴极、第三开关管D3的第一端和第五二极管D5的阴极；
电源V的负输出端连接第二二极管D2的阳极、第二开关管Q2的第二端、第六二极管D6的阳极和第四开关管Q4的第二端；
第一开关管Q1的第二端连接第二二极管D2的阴极和第三二极管D3的阳极；
第一二极管D1的阳极连接第四二极管D4的阴极和第二开关管Q2的第一端；
第三二极管D3的阴极连接第四二极管D4的阳极和负载Load的第一端；
第三开关管Q3的第二端连接第六开关管D6的阴极和第七二极管D7的阳极；
第五二极管D5的阳极连接第四开关管D4的第一端和第八二极管D8的阴极；
第七二极管D7的阴极连接第八二极管D8的阳极和负载Load的第二端。
在本申请实施例一些可能的实现方式中，第一开关管Q1和第二开关管Q2构成第一半桥；第三开关管Q3和第四开关管Q4构成第二半桥。
可以理解的是，在工作时，本申请实施例提供的一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器中，第一开关管Q1和第四开关管Q4开通，第二开关管Q2和第三开关管Q3关断；第一开关管Q1和第四开关管Q4关断，第二开关管Q2和第三开关管Q3开通。
这里需要说明的是，本申请实施例提供的一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器的工作原理是采用二极管和开关管的组合结构下，使得同一半桥上的两个开关管在开通和关断时，互不影响彼此的漏源电压VDS和栅源电压VGS，以使同一半桥上的两个开关管不同时打开，即第一开关管Q1和第二开关管Q2在开通和关断过程中，互不影响彼此的漏源电压VDS和栅源电压VGS；第三开关管Q3和第四开关管Q4在开通和关断过程中，互不影响彼此的漏源电压VDS和栅源电压VGS。
具体的，假设本申请实施例提供的一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器中所有开关管和二极管均为理想开关，导通电压为0。在控制过程中，第一开关管Q1关断后，由于第一开关管Q1的漏源结电容会充电，以及负载Load具有感性，致使第二二极管D2续流导通，第一开关管Q1的漏源电压VDS为电源V的电压；第二开关管Q2关断后，由于第二开关管Q2的漏源结电容会充电，以及负载Load具有感性，致使第一二极管D1续流导通，第二开关管Q2的漏源电压VDS为电源V的电压。第三开关管Q3和第四开关管Q4开通时的原理类似。
当第一开关管Q1和第四开关管Q4开通后，第三二极管D3导通，第三二极管D3的阴极电压幅值为电源V的电压，由于第二开关管Q2为关断状态，第二开关管Q2的漏源电压VDS为电源V的电压，所以第一开关管Q1开通，并不会影响到第二开关管Q2的漏源电压VDS，第二开关管Q2的漏源电压VDS不会发生变化。在死区时，第一开关管Q1开通第二开关管Q2的漏源电压VDS不充电，也就不会导致第二开关管Q2开通。同理，第四开关管Q4开通第三开关管Q3的漏源电压VDS不充电，也就不会导致第三开关管Q3开通。
当第二开关管Q2和第三开关管Q3开通后，第四二级管D4导通，第四二极管D4的阳极电压幅值为0，由于第一开关管Q1为关断状态，第一开关管Q1的漏源电压VDS为电源V的电压，所以第二开关管Q2开通，并不会影响到Q1的漏源电压VDS。在死区时，第二开关管Q2开通第一开关管Q1的漏源电压VDS不充电，也就不会导致第一开关管Q1开通。同理，第三开关管Q3开通，第四开关管Q,4的漏源电压VDS不充电，也就不会导致第四开关管Q4开通。由于同桥臂开关管开通和关断过程的漏源电压互不影响，因此同桥臂开关管开通和关断过程导致的米勒效应得到抑制。
在本申请实施例一些可能的实现方式中，负载Load为电感负载、阻感负载、阻感容负载、阻感容容负载或感容负载；
其中，电感负载为由电感构成的负载；
阻感负载为电阻R和电感L串联构成的负载，如图2a所示；
阻感容负载为电阻R和电容C并联再和电感L串联构成的负载，如图2b所示；
阻感容容负载为电阻R和电容C1并联再和电容C2串联最后和电感L串联构成的负载，如图2c所示；
感容负载为电感L和电容C串联构成的负载，或者为电感L和电容C并联构成的负载，如图2d和图2e所示。
在具体实施时，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4为全控型快速功率半导体开关器件。例如，功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极型三极管(IGBT)或者电力三极管。第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8均可以为快恢复二极管。
需要说明的是，本申请实施例提供的一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器可以应用于DC-AC的逆变器中，也可以应用于DC-DC的变换器中，还可以应用于IGBT和二极管模组封装。
具体的，在一个例子中，电源V为直流电源。
在另一个例子中，如图3所示，电源V可以包括：交流电源UVW和三相整流滤波电路100；
交流电源UVW的三相输出端连接三相整流滤波电路100的输入端；
三相整流滤波电路100的正输出端连接第一开关管Q1的第一段、第一二极管D1的阴极、第三开关管Q3的第一段和第五二极管D5的阴极；三相整流滤波电路100的负输出端连接第二二极管D2的阳极、第二开关管Q2的第二端、第六二极管D6的阳极和第四开关管Q4的第二端。
在本申请实施例一些可能的实现方式中，如图4所示，电源V还包括：高频脉宽调制整流滤波电路200；
三相整流滤波电路100的正输出端和负输出端均连接高频脉宽调制整流滤波电路200的输入端；
高频脉宽调制整流滤波电路200的正输出端连接第一开关管Q1的第一段、第一二极管D1的阴极、第三开关管Q3的第一段和第五二极管D5的阴极；高频脉宽调制整流滤波电路200的负输出端连接第二二极管D2的阳极、第二开关管Q2的第二端、第六二极管D6的阳极和第四开关管Q4的第二端。
在本申请实施例一些可能的实现方式中，如图1所示，全桥式逆变器，还包括：控制电路300和四路驱动电路400；
控制电路300的输出端连接四路驱动电路400的输入端；
四路驱动电路400的四路输出端分别连接第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的驱动信号输入端；
控制电路300，用于输出控制信号至四路驱动电路400的输入端；
四路驱动电路400，用于输出四路驱动信号分别至第一开关管Q1的驱动信号输入端、第二开关管Q2的驱动信号输入端、第三开关管Q3的驱动信号输入端和第四开关管Q4的驱动信号输入端，以驱动第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4开通和关断。
作为一个示例，四路驱动电路400，还用于将四路驱动信号进行电气隔离和信号放大，以及输出反向电压，以驱动第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4开通和关断。
在实际应用中，控制电路300可以为以模拟PWM芯片、微控制器MCU、嵌入式处理器ARM、数字信号处理器DSP或可编程逻辑器件PLD为核心配以***电路构成的控制器。
上面结合附图和实施例对本申请作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。本申请中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (10)

1.一种可抑制米勒效应的全桥式逆变器，其特征在于，所述全桥逆变器，包括：电源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管和第八二极管；
所述电源的正输出端连接所述第一开关管的第一端、所述第一二极管的阴极、所述第三开关管的第一端和所述第五二极管的阴极；
所述电源的负输出端连接所述第二二极管的阳极、所述第二开关管的第二端、所述第六二极管的阳极和所述第四开关管的第二端；
所述第一开关管的第二端连接所述第二二极管的阴极和所述第三二极管的阳极；
所述第一二极管的阳极连接所述第四二极管的阴极和所述第二开关管的第一端；
所述第三二极管的阴极连接所述第四二极管的阳极和负载的第一端；
所述第三开关管的第二端连接所述第六开关管的阴极和所述第七二极管的阳极；
所述第五二极管的阳极连接所述第四开关管的第一端和所述第八二极管的阴极；
所述第七二极管的阴极连接所述第八二极管的阳极和所述负载的第二端。
2.根据权利要求1所述的可抑制米勒效应的全桥式逆变器，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管构成第一半桥；所述第三开关管和所述第四开关管构成第二半桥。
3.根据权利要求1所述的可抑制米勒效应的全桥式逆变器，其特征在于，
所述负载为电感负载、阻感负载、阻感容负载、阻感容容负载或感容负载；
所述阻感负载为电阻和电感串联构成的负载；
所述阻感容负载为电阻和电容并联再和电感串联构成的负载；
所述阻感容容负载为电阻和电容并联再和电容串联最后和电感串联构成的负载；
所述感容负载为电感和电容串联构成的负载，或者为电感和电容并联构成的负载。
4.根据权利要求1所述的可抑制米勒效应的全桥式逆变器，其特征在于，
所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管为全控型快速功率半导体开关器件。
5.根据权利要求1所述的可抑制米勒效应的全桥式逆变器，其特征在于，
所述电源为直流电源。
6.根据权利要求1所述的可抑制米勒效应的全桥式逆变器，其特征在于，所述电源，包括：交流电源和三相整流滤波电路；
所述交流电源的三相输出端连接所述三相整流滤波电路的输入端；
所述三相整流滤波电路的正输出端连接所述第一开关管的第一端、所述第一二极管的阴极、所述第三开关管的第一端和所述第五二极管的阴极；所述三相整流滤波电路的负输出端连接所述第二二极管的阳极、所述第二开关管的第二端、所述第六二极管的阳极和所述第四开关管的第二端。
7.根据权利要求6所述的可抑制米勒效应的全桥式逆变器，其特征在于，所述电源，还包括：高频脉宽调制整流滤波电路；
所述三相整流滤波电路的正输出端和负输出端均连接所述高频脉宽调制整流滤波电路的输入端；
所述高频脉宽调制整流滤波电路的正输出端连接所述第一开关管的第一端、所述第一二极管的阴极、所述第三开关管的第一端和所述第五二极管的阴极；所述高频脉宽调制整流滤波电路的负输出端连接所述第二二极管的阳极、所述第二开关管的第二端、所述第六二极管的阳极和所述第四开关管的第二端。
8.根据权利要求1所述的可抑制米勒效应的全桥式逆变器，其特征在于，所述全桥式逆变器，还包括：控制电路和四路驱动电路；
所述控制电路的输出端连接所述四路驱动电路的输入端；
所述四路驱动电路的四路输出端分别连接所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的驱动信号输入端；
所述控制电路，用于输出控制信号至所述四路驱动电路的输入端；
所述四路驱动电路，用于输出四路驱动信号分别至所述第一开关管的驱动信号输入端、所述第二开关管的驱动信号输入端、所述第三开关管的驱动信号输入端和所述第四开关管的驱动信号输入端，以驱动所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管开通和关断。
9.根据权利要求8所述的可抑制米勒效应的全桥式逆变器，其特征在于，
所述四路驱动电路，还用于将所述四路驱动信号进行电气隔离和信号放大，以及输出反向电压，以驱动所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管开通和关断。
10.根据权利要求8所述的可抑制米勒效应的全桥式逆变器，其特征在于，
所述控制电路为以模拟PWM芯片、微控制器、嵌入式处理器、数字信号处理器或可编程逻辑器件为核心配以***电路构成的控制器。
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