CN102882415A - 包括使用常通场效应晶体管的逆变器模块的功率转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率转换器，包括：直流电源总线，包括正电源线（10）和负电源线（11）；限流电阻器（RL），与直流电源总线的负电源线（11）串联连接，设计来限制总线电容器（C_bus）的充电电流；逆变器模块，包括常通场效应类型的串联的顶部晶体管（T2、T4、T6）和底部晶体管（T1、T3、T5）；几个栅极控制设备（CT1-CT6），允许每个施加栅极电压到晶体管以控制每个晶体管来截止或导通；启动源（Sd），与限流电阻器（RL）并联连接以及连接到用于底部晶体管（T1、T3、T5）的每个栅极控制设备（CT1，CT3，CT5），并且被配置用于在功率转换器启动时利用一负电压充电。

Description

包括使用常通场效应晶体管的逆变器模块的功率转换器

技术领域

本发明涉及一种包括常通（normally ON）类型的场效应晶体管的功率转换器。

背景技术

已知的是，被设计来控制电负载的功率转换器主要包括：

-整流电压施加到的直流（DC）电源总线，直流电源总线配备有一个或多个总线电容器，使得总线电压保持在一个恒定的值，

-在输出端，逆变器模块被设计来将直流电源总线上的电压变换为将施加到电负载的可变电压。

作为组成二极管电桥的一般规则，转换器也可以在其输入端包括整流模块，该整流模块被设计来整流由配电系统所提供的交流（AC）电压。

逆变器模块包括几个开关臂，作为一般规则，三个开关臂连接到直流电源总线的正线和负线。对于逆变器模块，采用的晶体管例如是场效应晶体管并且具有常通类型，其漏-源沟道在不存在施加到它们的栅极（grid）的控制电压的情况下导电。为了使其截止，每个晶体管因而必须依靠一个特定的控制设备来控制，以允许其被施加一个合适的控制电压。用于晶体管的控制设备通过辅助电源系统供电，该辅助电源系统连接到直流电源总线的正线和负线。

当功率转换器被加电时，辅助供电系统不被充电，从而防止任何控制信号被施加到晶体管。即使逆变器模块采用常通类型的场效应晶体管，在加电时，也必须使能总线电容器的充电，以便对辅助电源系统充电。

本发明的目的是提供一种功率转换器，采用使用常通组件的开关臂并且在加电时允许总线的电压上升。

发明内容

该目的通过被设计来控制电负载的功率转换器实现：

-整流电压施加到的直流电源总线，并且包括正电源线和负电源线，

-逆变器模块，其上游连接到直流电源总线而下游连接到几个输出相，

-总线电容器，连接到直流电源总线的正电源线和负电源线，

-限流电阻器，串联连接到直流电源总线的负电源线，在总线电容器的上游，并且设计来限制总线电容器的充电电流，

-逆变器模块，包括连接在直流电源总线的正电源线和负电源线之间的几个开关臂，每个开关臂包括串联的顶部晶体管和底部晶体管、以及位于顶部晶体管和底部晶体管之间并且连接到电负载的中央连接点，顶部晶体管和底部晶体管具有常通场效应类型，

-几个栅极控制设备，每个栅极控制设备允许栅极电压被施加到顶部晶体管和底部晶体管以控制它们来闭合或打开，

-在转换器中，用于底部晶体管的栅极控制设备的每个连接到直流电源总线的负电源线，并且该转换器包括启动源，与限流电阻器并联连接以及连接到用于底部晶体管的每个栅极控制设备并且被配置用于在功率转换器启动时利用一负电压充电。

根据一个特征，启动源包括并联连接并且连接到负电源线、以及连接到用于每个底部晶体管的栅极控制设备的电容器和齐纳二极管。

根据另一特征，启动源还包括电阻器和二极管，一方面它们连接到齐纳二极管，而另一方面它们连接到限流电阻器。

根据另一特征，启动源经由电阻器连接到用于底部晶体管的每个栅极控制设备。

根据另一特征，该功率转换器包括与限流电阻器并联连接的开关。

根据另一特征，开关臂的顶部晶体管和底部晶体管具有JFET类型。

根据另一特征。，JFET类型的顶部晶体管和底部晶体管利用碳化硅或氮化镓制成。

附图说明

在关于随后提供的附图的详细描述中，其他特征和优点将变得更明了，其中：

图1示出根据本发明的功率转换器的电路图，

图2示出本发明的功率转换器的逆变器模块的底部晶体管及其控制设备。

具体实施方式

功率转换器例如被设计来施加输出电压到电负载2。参考图1，功率转换器例如包括：

-接收整流电压的直流电源总线，并且具有正电源线10和负电源线11，

-总线电容器C_bus，一方面连接到直流电源总线的正电源线10，而另一方面连接到直流电源总线的负电源线11，并且设计来维持恒定的直流电源总线电压V_bus，

-逆变器模块，连接到直流电源总线，在总线电容器C_bus的下游，包括n个相（phase）并且在每个相具有至少两个开关晶体管。在图1中，逆变器模块具有三个相U、V、W并因此包括三个开关臂，每个开关臂连接到直流电源总线的正电源线10和负电源线11。每个开关臂包括由设计来连接电负载2的中央连接点M1、M2、M3而分离的顶部晶体管T2、T4、T6和底部晶体管T1、T3、T5。

-限流电阻器RL，也称为预充电电阻器，串联在负电源线11上，在整流模块4和总线电容器C_bus之间并且与开关Sw₁并联连接。这个限流电阻器RL在直流电源总线的充电阶段期间在启动时被激活。在变速驱动器中，它允许通过整流模块4来限制输入电流。一旦总线电容器C_bus被充电，则限流电阻器RL通过并联的第一开关Sw₁被短路。

如图1所示，诸如变速驱动器的功率转换器在其输入端也包括：

-三个输入相L1、L2、L3，连接到电功率分配系统1，

-整流模块4，连接到三个输入相L1、L2、L3并且设计来整流通过电功率分配系统1提供的AC电压，经整流的电压被施加到直流电源总线。

在逆变器模块中，开关模块的每个晶体管T1-T6具有场效应类型（“场效应晶体管”缩写为FET）。场效应晶体管，诸如JFET或MOSFET，是公知的功率电子开关，其包括控制栅极（G），其作用是允许或不允许电流在漏极（D）和源极（S）之间流动。如果其漏-源沟道在不存在控制电压V_GS时导电，则此类晶体管可以被说成是具有常通（normally ON）类型。在其栅极G及其源极S之间存在负的控制电压V_GS时，常通场效应晶体管被控制从而被截止。JFET类型的晶体管通过施加例如等于至少-15伏特的栅-源电压V_GS而被控制从而被截止，而MOSFET类型的晶体管则具有例如为零或负的电压V_GS。此外，如果在栅极和源极之间不存在电压V_GS时，漏-源沟道不导电，则晶体管可以被说成是具有常断（normally OFF）类型。因此需要正的栅-源电压V_GS以便被控制从而导通。对于常断JFET类型的晶体管，该正电压例如处于+1伏特和+3伏特之间的范围。

例如，在本发明的功率转换器中采用的场效应晶体管将利用例如碳化硅或氮化镓的宽带隙材料制成。在公知的方法中，由宽带隙材料形成并且具有常通类型的JFET晶体管具有如下优点：更快地快速开关，在导电状态中产生更低的导电损失（在导通状态中的低电阻R_DSon），具有更好的温度稳定性，并且更小。在描述的以下部分中并且在图1中，使用的晶体管T1-T6例如具有常通JFET类型。

开关臂的每个场效应晶体管T1-T6被控制从而通过特定的栅极控制设备CT1-CT6经由栅极电阻器R_G来截止。每个栅极控制设备CT1-CT6依靠辅助电源系统AUX供电（A），该辅助电源系统AUX连接到直流电源总线的正电源线10和负电源线11，并允许栅极电压V_G被施加于晶体管以控制晶体管导通或截止。除了电源（A），每个控制设备CT1-CT6从中央控制系统3接收控制信号S1到S6，使用脉宽调制（或PWM），遵守由中央控制系统3执行的控制法则。

参考图2，栅极控制设备（诸如底部晶体管T1的栅极控制设备）特别地包括MOSFET类型的两个晶体管Q1，Q2，经由通过栅极电阻器R_G连接晶体管T1的栅极G的中心连接点P1串联；和也是串联连接的两个电容器C1，C2的组件。位于两个电容器C1，C2之间的中心连接点P2连接到直流电源总线的负线11，换句话说，控制晶体管（这里是T1）的源极S。控制设备的晶体管Q1具有常断类型而控制设备的晶体管Q2具有常通类型。辅助电源系统AUX通过产生电压V_{GS_ON}和V_{GS_OFF}、通过二极管D1和电感器L4对栅极控制设备供电，该电感器L4对应于辅助电源系统AUX的变压器的次级，需要电压V_{GS_ON}和V_{GS_OFF}分别用于导通和截止晶体管T1。使用这些电压V_{GS_ON}和V_{GS_OFF}，晶体管Q1，Q2将栅极电压V_G施加到晶体管JFET以控制它从而截止或导通。

在以下描述的部分中，将考虑每个栅极控制设备具有相同的结构并通过相同的引用来描述。

用于顶部晶体管T2，T4，T6的每个栅极控制设备CT2，CT4，CT6例如连接到晶体管的开关臂的中心连接点M1，M2，M3，而用于底部晶体管T1，T3，T5的每个控制设备CT1，CT3，CT5经由中点P2连接到底部控制晶体管T1，T3，T5的源极。

此外，该转换器还包括在功率转换器的启动阶段期间激活的启动源Sd，用于控制逆变器模块的底部晶体管T1，T3，T5在启动时间截止，由此允许总线电容器C_bus被充电。

优选地，启动源Sd对于逆变器模块的全部底部晶体管T1，T3，T5是公用的，并因此允许三个开关臂被控制从而在功率转换器的启动阶段期间截止。

启动源Sd包括电容器C3，其连接到直流电源总线的负电源线11、连接到每个底部晶体管的源极S、以及经由电阻器R2连接到用于底部晶体管T1，T3，T5的每个栅极控制设备的两个晶体管Q1，Q2的中点P1，该电阻器R2形成在点P1和启动源Sd之间的阻抗。启动源Sd还包括齐纳二极管Dz1，其也连接到直流电源总线的负线11、连接到每个底部晶体管的源极S、以及经由电阻器R2连接到中点P1。此外，启动源Sd还包括电阻器R1和二极管D2，一方面，它们连接到齐纳二极管Dz1和电容器C3，另一方面，它们连接到限流电阻器的一端。

启动源Sd因此与限流电阻器RL并联连接，并且连接到用于底部晶体管T1，T3，T5的每个栅极控制设备CT1，CT3，CT5。

随后通过关注于单个开关臂和底部晶体管T1来展示本发明的功率转换器的操作。应理解该操作对其他开关臂类似。

在初始状态中，没有输入电压施加到直流电源总线。因此，直流电源总线V_bus的电压是零并且辅助电源系统AUX没有被激活。开关模块的晶体管T1-T6处于导通（ON）状态。

当变速驱动器启动时，开关臂的两个晶体管T1、T2的漏极和源极之间的电压V_DS1和V_DS2是零，假设这些晶体管正在导电。辅助电源系统AUX尚未激活，因此不能提供足够的电压来使这些晶体管T1，T2不导电。随着开关臂将总线电容器C_bus短路，在这些开关臂和限流电阻器RL中流动的电流导致跨越限流电阻器RL的两端的电压下降。跨越限流电阻器RL的两端的电压下降导致电容器C3的充电，在晶体管T1的栅极G和源极S之间产生负电压。当跨越电容器C3的两端的电压变为低于与晶体管T1的截止电压对应的门限电压时，晶体管T1切换到截止（OFF）状态，然后允许总线电容器被充电。

一旦辅助电源系统AUX已经完成其启动阶段，则其能够对用于逆变器模块的晶体管T1-T6的控制设备CT1-CT6供电。晶体管T1-T6因此能够直接通过它们的控制设备CT1-CT6来控制从而截止。一旦总线电容C_bus被充电，则在变速驱动器的正常操作期间可以通过开关Sw₁来短路限流电阻器RL。

利用简单和低成本的组件，因此可以克服与在变速驱动器的逆变器模块中使用常通元件关联的约束。

Claims (7)

1.一种功率转换器，设计来控制电负载（2），包括：

施加整流电压的直流电源总线，包括正电源线（10）和负电源线（11），

逆变器模块，其上游连接到直流电源总线而下游连接到几个输出相（U、V、W），

总线电容器（C_bus），连接到直流电源总线的正电源线（10）和负电源线（11），

限流电阻器（RL），与直流电源总线的负电源线（11）串联连接，在总线电容器（C_bus）的上游，并且设计来限制总线电容器（C_bus）的充电电流，

逆变器模块，包括连接在直流电源总线的正电源线（10）和负电源线（11）之间的几个开关臂，每个开关臂包括串联的顶部晶体管（T2、T4、T6）和底部晶体管（T1、T3、T5）、以及位于顶部晶体管和底部晶体管之间并且连接到电负载（2）的中央连接点（M1、M2、M3），顶部晶体管和底部晶体管具有常通场效应类型，

几个栅极控制设备（CT1-CT6），每个栅极控制设备允许栅极电压被施加到顶部晶体管和底部晶体管以控制它们来闭合或打开，

其特征在于：

用于底部晶体管（T1、T3、T5）的栅极控制设备的每个连接到直流电源总线的负电源线（11），并且

该转换器包括启动源（Sd），与限流电阻器（RL）并联连接且连接到用于底部晶体管（T1、T3、T5）的每个栅极控制设备（CT1，CT3，CT5），并且被配置用于在功率转换器启动时利用一负电压充电。

2.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，启动源包括并联连接并且连接到负电源线（11）、以及连接到用于每个底部晶体管的栅极控制设备的电容器（C3）和齐纳二极管（Dz1）。

3.根据权利要求2所述的功率转换器，其特征在于，启动源还包括电阻器（R1）和二极管（D2），一方面它们连接到齐纳二极管（Dz1），而另一方面它们连接到限流电阻器（RL）。

4.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，启动源（Sd）经由电阻器（R2）连接到用于底部晶体管（T1，T3，T5）的每个栅极控制设备（CT1，CT3，CT5）。

5.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，其包括与限流电阻器（RL）并联连接的开关（Sw₁）。

6.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，开关臂的顶部晶体管和底部晶体管（T1-T6）具有JFET类型。

7.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，JFET类型的顶部晶体管和底部晶体管利用碳化硅或氮化镓制成。

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