用于控制電力開關(guān)的電源的制作方法
【專利摘要】給出了一種用于提供電力以控制用于高壓應(yīng)用的電力開關(guān)的電源。該電源包括：高壓分配器，其設(shè)置成連接到該電力開關(guān)的第一電流端子；降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，其連接到高壓分配器的輸出端，其中降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)置成向電源的輸出端提供輸出電壓以便控制至少一個(gè)電力開關(guān)；以及旁路控制單元，其設(shè)置成當(dāng)電力開關(guān)上的電壓低于閾值電壓時(shí)控制高壓分配器以使高壓分配器的主輸入端和主輸出端短路。
【專利說(shuō)明】用于控制電力開關(guān)的電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種用于提供電力以控制用于高壓應(yīng)用的電力開關(guān)的電源。
【背景技術(shù)】
[0002]電力開關(guān)(諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT))可用于許多高壓應(yīng)用。IGBT的柵極可借助于相應(yīng)柵極單元來(lái)激勵(lì)。當(dāng)IGBT例如被用作逆變器的一部分時(shí)，通過(guò)使用脈寬調(diào)制(PWM)，IGBT被連續(xù)開啟和關(guān)斷以獲得正弦波形。當(dāng)IGBT關(guān)(阻斷)時(shí)，IGBT上的電壓可用于給柵極單元供電。電力可存儲(chǔ)在開關(guān)之間，例如電容器中，以確保柵極單元被連續(xù)供電。
[0003]然而，當(dāng)IGBT用在IGBT在大部分時(shí)間期間都導(dǎo)通的應(yīng)用中時(shí)，諸如用于DC斷路器時(shí)，則當(dāng)IGBT阻斷時(shí)沒有可靠的重新發(fā)生時(shí)間來(lái)充能量，以給柵極單元供電。盡管如此，在電源可由主電路通過(guò)IGBT供電的情況下，它還是有用的，以減少對(duì)于任何外部功率源的需要。
[0004]因此，需要提供用于提供電力以控制電力開關(guān)的電源，其并不為了運(yùn)轉(zhuǎn)而要求電力開關(guān)阻斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]目的是緩解或消除上面描述的問(wèn)題。
[0006]根據(jù)第一方面，給出了一種用于提供電力以控制用于高壓應(yīng)用的電力開關(guān)的電源。所述電源包括:高壓分配器，其設(shè)置成連接到所述電力開關(guān)的第一電流端子；降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，其連接到高壓分配器的輸出端，其中降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)置成向電源的輸出端提供輸出電壓以便控制至少一個(gè)電力開關(guān)；以及旁路控制單元，其設(shè)置成當(dāng)電力開關(guān)上的電壓低于閾值電壓時(shí)控制高壓分配器以使高壓分配器的主輸入端和主輸出端短路。這允許所述電源為大范圍的輸入電壓提供適當(dāng)輸出功率。此外，所述電源可連接在電力開關(guān)上，消除了對(duì)于附加功率源的任何需要。
[0007]所述電源可進(jìn)一步包括:功率限制器，其連接在所述降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述電源的輸出端之間。用這種方式，確保了柵極單元的適當(dāng)輸出功率。
[0008]所述電源可進(jìn)一步包括:電壓極性相關(guān)開關(guān)，其設(shè)置成連接到電力開關(guān)的第二電流端子和降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端；以及升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，其連接到電壓極性相關(guān)開關(guān)和所述電源的輸出端。甚至當(dāng)反向電壓施加到電力開關(guān)時(shí)，電壓極性相關(guān)開關(guān)也允許電源供應(yīng)電力。通過(guò)升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，即使到電源的輸入電壓為低，也確保了來(lái)自電源的適當(dāng)輸出電壓。
[0009]高壓分配器可包括多個(gè)串聯(lián)連接的電阻器，它們被有選擇地控制成為電力開關(guān)的第一電流端子與第一 DC/DC轉(zhuǎn)換器之間的電路的一部分。當(dāng)輸入電壓為高時(shí)，電阻器被連接以降低高壓分配器的輸出電壓。
[0010]高壓分配器可包括多個(gè)串聯(lián)連接的電容器，它們被有選擇地控制成為電力開關(guān)的第一電流端子與第一 DC/DC轉(zhuǎn)換器之間的電路的一部分。
[0011]高壓分配器可包括多個(gè)串聯(lián)連接的晶體管，每個(gè)晶體管由旁路控制單元單獨(dú)控制。這些晶體管可被控制成當(dāng)輸入電壓為低時(shí)導(dǎo)通，由此來(lái)旁路高壓分配器的電阻器。
[0012]旁路控制器可包括:電壓分配器，其包括多個(gè)電阻器；以及二極管，其設(shè)置成阻斷來(lái)自所述高壓分配器的任何電流。對(duì)于低壓情況，二極管允許電壓從電源的輸出端提供到旁路控制器以阻斷晶體管。另一方面，二極管阻止任何反向電流通過(guò)旁路控制器從高壓分配器到輸出端。
[0013]電壓極性相關(guān)開關(guān)可包括二極管橋。
[0014]降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器可包括齊納二極管以控制其輸出電壓。
[0015]說(shuō)明書和權(quán)利要求書中的詞語(yǔ)“多個(gè)”被解釋為是指“多于一個(gè)”。
[0016]一般而言，在權(quán)利要求書中使用的所有術(shù)語(yǔ)都要根據(jù)它們?cè)诒尽炯夹g(shù)領(lǐng)域】中的普通意義進(jìn)行解釋，除非在本文另有明確定義。對(duì)“一個(gè)/該單元、設(shè)備、組件、構(gòu)件、步驟等”的所有提及都要被開放性地解釋為該單元、設(shè)備、組件、構(gòu)件、步驟等的至少一個(gè)實(shí)例，除非另有明確聲明。本文描述的任何方法步驟都不是必須按所公開的精確次序執(zhí)行，除非明確聲明了。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]現(xiàn)在將參考附圖通過(guò)示例來(lái)描述本發(fā)明，附圖中:
圖1是例證本文給出的實(shí)施例可應(yīng)用在其中的環(huán)境的示意圖；
圖2是例證圖1的電源以及所連接組件的示意圖；
圖3是例證圖2的高壓分配器的實(shí)施例的示意圖；
圖4是例證圖2的旁路控制單元的實(shí)施例的示意圖；
圖5是例證圖2的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例的示意圖；
圖6是例證圖2的電壓極性相關(guān)開關(guān)的實(shí)施例的不意圖；以及 圖7示出了例證圖2的電源的功能的兩個(gè)圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0018]現(xiàn)在將在下文參考附圖更全面地描述本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例。然而，本發(fā)明可用許多不同形式實(shí)施，并不應(yīng)該被解釋為局限于本文闡述的實(shí)施例；而是，通過(guò)示例提供這些實(shí)施例使得本公開將是詳盡而完整的，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員全面?zhèn)鬟_(dá)本發(fā)明的范圍。相似的數(shù)字在整個(gè)說(shuō)明書中是指相似的單元。
[0019]圖1是例證本文給出的實(shí)施例可應(yīng)用在其中的環(huán)境的示意圖。在此示例中，示出了如下應(yīng)用:其中三個(gè)電力開關(guān)2a_c用于控制主電流，由此充當(dāng)DC斷路器。雖然在此給出了三個(gè)電力開關(guān)2-c，但可選擇任何適當(dāng)數(shù)量的開關(guān)來(lái)獲得電力開關(guān)上的期望高壓容量。
[0020]電力開關(guān)2a_c可以是任何適當(dāng)?shù)目煽仉娏﹂_關(guān)，諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。控制器20向分別連接到三個(gè)電力開關(guān)2a_c的三個(gè)柵極單元3a_c提供信號(hào)。柵極單元3a_c分別由三個(gè)電源la-c供電。
[0021 ] 在DC斷路器應(yīng)用中，電力開關(guān)2a_c正常情況下處于導(dǎo)通狀態(tài)。由于這個(gè)原因，不能使用用于柵極單元的常規(guī)電源，其依賴于電力開關(guān)上的電壓差。此外，在電源的輸入電壓上存在大的變化，所述變化是常規(guī)電源所不能處理的。
[0022]反而，電源la-c被構(gòu)造成在各種電氣條件下都能夠向相應(yīng)柵極單元3a_c供應(yīng)電力，這在下面更詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]圖2是例證圖1的電源I以及所連接組件的示意圖。電力開關(guān)2可以是圖1的電力開關(guān)2a_c中的任一個(gè)。類似地，柵極單元3可以是柵極單元3a_c中的任一個(gè)，并且電源可以是電源la-c中的任一個(gè)。圖1的控制器在圖2中被省略了，以免模糊了所公開的實(shí)施例。電力開關(guān)2 (在此情況下例證為IGBT)包括柵極G中的接口點(diǎn)以及是發(fā)射極E和集電極C的兩個(gè)電流端子。
[0024]電源I包括連接到電力開關(guān)2的集電極C的高壓分配器6。旁路控制單元5連接到高壓分配器6的多個(gè)點(diǎn)以控制高壓分配器向降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器8輸出適當(dāng)電壓。功率限制器7調(diào)節(jié)在輸出端4上提供給柵極單元的信號(hào)，使得所供應(yīng)的電壓和/或電流不太高。
[0025]而且，電壓極性相關(guān)開關(guān)10連接到電力開關(guān)2的發(fā)射極E和降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器8的輸出端。電壓極性相關(guān)開關(guān)10的輸出端連接到升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器9。升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器9的輸出端連接到電源I的輸出端4。
[0026]用這種方式，該電壓極性開關(guān)將向升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器10提供正電壓，而不管發(fā)射極E與集電極C之間的電壓是正還是負(fù)。
[0027]圖3是例證圖2的高壓分配器6的實(shí)施例的示意圖。高壓分配器包括一串m個(gè)串聯(lián)連接的晶體管14a-m。這些晶體管例如可以是MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，這是因?yàn)檫@些晶體管上的電壓降是低的。與該串晶體管14a-m并聯(lián)，提供了一串η個(gè)串聯(lián)連接的電阻器13a-n和一串η個(gè)串聯(lián)連接的電容器12a_n。電容器12a_n用于任何必需的AC偏置。晶體管、電阻器和電容器的數(shù)量可以是任何適當(dāng)?shù)臄?shù)量。
[0028]晶體管14a_n的柵極連接到相應(yīng)的輸入端30a_m。所有輸入端30a_m都連接到旁路控制器單元5。
[0029]當(dāng)所連接的電力開關(guān)上的電壓為低時(shí)，該旁路控制器使晶體管短路，由此通過(guò)高壓分配器6存在可忽略不計(jì)的電壓降。另一方面，當(dāng)所連接的電力開關(guān)上的電壓為高時(shí)，該旁路控制器控制晶體管14a-m，使得至少部分電流通過(guò)電阻器13a-n。用這種方式，高壓輸入通過(guò)高壓分配器6下降了。
[0030]圖4是例證圖2的旁路控制單元5的實(shí)施例的示意圖。旁路控制單元5包括分別連接到高壓分配器6的輸入端30a-m的若干輸出端32a_m。旁路控制器單元5的輸入端34連接到整個(gè)電源I的輸出端4(圖2)。
[0031]旁路控制單元5可選地包括電壓分配器24，電壓分配器24包含若干電阻器23a-m，其中電壓分配器24中的每級(jí)都經(jīng)由相應(yīng)二極管22a_m和輸出電阻器21a_m連接到相應(yīng)輸出端32a-m。
[0032]旁路控制單元5因而為高壓分配器6中的每個(gè)晶體管14a_m提供偏置柵極電壓，以迫使進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。用這種方式，僅當(dāng)初級(jí)電壓在低壓電平內(nèi)時(shí)，晶體管14a-m才通過(guò)高壓分配器6使電力開關(guān)上的電壓短路。
[0033]而且，旁路控制單元5為降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器8提供偏置電壓。
[0034]還參考圖2和圖3，在輸出端4處的輸出電壓被施加到旁路控制器5，旁路控制器5向晶體管14a-m的柵極提供電壓。當(dāng)晶體管14a-m的柵極電壓高于輸出端4上的電壓時(shí)，例如當(dāng)電力開關(guān)處于阻斷狀態(tài)并且電力開關(guān)2上的電壓為高時(shí)，二極管22a-m阻斷從高壓分配器6到輸出端4的反向電流。相反，當(dāng)電力開關(guān)2上的電壓為低時(shí)，晶體管14a-m上的柵極電壓為低，由此電壓從輸出端4饋送到晶體管14a-m的柵極，以使然后導(dǎo)通并讓受控電流旁路電阻器13a-n。該高壓分配器的電阻器13a-n可被選擇成相應(yīng)地調(diào)諧高壓分配器6的輸出電壓。
[0035]圖5是例證圖2的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器8的實(shí)施例的示意圖。在此實(shí)施例中，降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器8包括一個(gè)或多個(gè)齊納二極管30以將輸出電壓控制到適當(dāng)電平。提供受控電壓輸出的其它結(jié)構(gòu)也同樣有可能。
[0036]圖6是例證圖2的電壓極性相關(guān)開關(guān)10的實(shí)施例的示意圖。到電壓相關(guān)開關(guān)10有兩個(gè)輸入端35a-b，其中第一輸入端35a連接到降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器8的輸出端，并且第二輸入端連接到電力開關(guān)2的發(fā)射極E(見圖2)。電壓極性相關(guān)開關(guān)10包括四個(gè)二極管25a-d，所述四個(gè)二極管25a-d構(gòu)成二極管橋，由此電壓極性相關(guān)開關(guān)10的輸出端34總是提供正電壓，而不管電力開關(guān)2(圖2)的集電極C和發(fā)射極E上的電壓正負(fù)號(hào)如何。
[0037]圖7示出了例證圖2的電源的功能的兩個(gè)圖表。在圖7的上半部分，示出了隨時(shí)間變化的主電壓，其定義為電力開關(guān)2的發(fā)射極E與集電極C之間的電壓。在圖7的下半部分，示出了隨時(shí)間變化的電源I的功率輸出，其使用與上半部分相同的時(shí)間刻度。要指出，兩個(gè)圖表的垂直刻度不成比例。
[0038]現(xiàn)在將結(jié)合對(duì)圖2的參考來(lái)說(shuō)明這些圖表。
[0039]在時(shí)間50，電力開關(guān)2被控制成處于阻斷狀態(tài)，由此Vniain增大到Vl。電源在此供應(yīng)功率Pp
[0040]在時(shí)間51，電力開關(guān)2被控制成處于導(dǎo)通狀態(tài)，由此Vniain減小到v3，其是電力開關(guān)2上的電壓降，例如3伏特。電壓降在時(shí)間51與時(shí)間52之間存在延遲h，在時(shí)間52該點(diǎn)高壓分配器在旁路控制單元5的控制下已經(jīng)將其晶體管14a-m的狀態(tài)改變成全部導(dǎo)通。用這種方式，該高壓分配器的電阻器13a-n全都被旁路，使得高壓分配器6的電壓輸出是集電極C的電壓，減去晶體管14a-m上的任何電壓降。該電流然后被路由到電壓極性相關(guān)開關(guān)10和升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器9，以向柵極單元3提供輸出電壓，其適合于能夠控制電力開關(guān)2。在此，輸出功率P2被供應(yīng)到所連接的柵極單元。
[0041]在時(shí)間53，電力開關(guān)2被再次控制成處于阻斷狀態(tài)，由此該旁路控制器阻斷高壓分配器6的晶體管，以迫使電流通過(guò)高壓分配器的電阻器。
[0042]在時(shí)間54，電力開關(guān)2被反向偏置。電流然后向上通過(guò)圖2的電力開關(guān)2。這導(dǎo)致反向電壓v4，其是通過(guò)電力開關(guān)2的續(xù)流二極管的電壓降。在一個(gè)示例中，反向電壓V4是_3伏特。
[0043]時(shí)間55對(duì)應(yīng)于時(shí)間53，并且時(shí)間56對(duì)應(yīng)于時(shí)間51。類似地，時(shí)間57對(duì)應(yīng)于時(shí)間53，并且時(shí)間58對(duì)應(yīng)于時(shí)間51。
[0044]本發(fā)明在上面已經(jīng)主要參考幾個(gè)實(shí)施例進(jìn)行描述了。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識(shí)到的，與上面公開的實(shí)施例不同的其它實(shí)施例在由所附專利權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明范圍內(nèi)同樣有可能。
【權(quán)利要求】
1.一種電源(I)，用于提供電力以控制用于高壓應(yīng)用的電力開關(guān)(2)，所述電源(I)包括: 高壓分配器(6)，其設(shè)置成連接到所述電力開關(guān)(2)的第一電流端子； 降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器(8)，其連接到所述高壓分配器(6)的輸出端，其中所述降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)置成向所述電源⑴的輸出端⑷提供輸出電壓以便控制至少一個(gè)電力開關(guān)⑵；以及 旁路控制單元(5)，其設(shè)置成當(dāng)所述電力開關(guān)(2)上的電壓低于閾值電壓時(shí)控制所述高壓分配器(6)以使所述高壓分配器(6)的主輸入端和主輸出端短路。
2.如權(quán)利要求1所述的電源(I)，進(jìn)一步包括: 功率限制器(7)，其連接在所述降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器(8)的輸出端與所述電源的輸出端(4)之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電源(I)，進(jìn)一步包括: 電壓極性相關(guān)開關(guān)(10)，其設(shè)置成連接到所述電力開關(guān)(2)的第二電流端子和所述降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器⑶的輸出端；以及 升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器(9)，其連接到所述電壓極性相關(guān)開關(guān)和所述電源(I)的輸出端⑷。`
4.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電源(I)，其中所述高壓分配器(6)包括:多個(gè)串聯(lián)連接的電阻器(13a-n)，它們被有選擇地控制成為所述電力開關(guān)(2)的第一電流端子與第一 DC/DC轉(zhuǎn)換器(8)之間的電路的一部分。
5.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電源(I)，其中所述高壓分配器(6)包括:多個(gè)串聯(lián)連接的電容器(12a-n)，它們被有選擇地控制成為所述電力開關(guān)(2)的第一電流端子與第一 DC/DC轉(zhuǎn)換器(8)之間的電路的一部分。
6.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電源(I)，其中所述高壓分配器(6)包括多個(gè)串聯(lián)連接的晶體管(14a-n)，每個(gè)晶體管由所述旁路控制單元(5)單獨(dú)控制。
7.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電源(I)，其中所述旁路控制器(5)包括:電壓分配器(24)，所述電壓分配器(24)包括多個(gè)電阻器(23a-23n);以及二極管(22a_22n)，其設(shè)置成阻斷來(lái)自所述高壓分配器(6)的任何電流。
8.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電源(I)，其中所述電壓極性相關(guān)開關(guān)(10)包括二極管橋(25a_d)。
9.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電源(1)，其中所述降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器⑶包括齊納二極管(30)以控制其輸出電壓。
【文檔編號(hào)】H02M1/096GK103828205SQ201180071874
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月27日
【發(fā)明者】J.赫夫納, C.菲斯塞 申請(qǐng)人:Abb 技術(shù)有限公司