CN103368403A - 在开关电源系统中采用的控制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在开关电源系统中打算采用的控制设备(1)，具体地能够在可变速驱动器中采用所述系统来对它的电子件供电。该控制设备(1)包括意欲接收源自控制单元(U)的控制信号的第一晶体管(T1)和与第一晶体管(T1)串联连接并具有浮动控制栅极(G)的第二晶体管(T2)。

Description

在开关电源系统中采用的控制设备
技术领域
本发明属于在开关电源系统中应用的控制设备。本发明还涉及采用了所述控制设备的开关电源系统。
背景技术
开关电源系统（也称为表示“开关模式电源”的SMPS）使得可以基于在输入分出的DC电压传递一个或多个DC电压作为输出。具体地在可变速驱动器中采用这种类型的开关电源系统。在可变速驱动器中，开关电源系统承担通过根据从该可变速驱动器的DC电源总线分出的主DC电压提供可以为该可变速驱动器的所有电子件供电的辅助DC电压的任务。
DC电源总线提供范围可以从350Vcc到多于1000Vcc的主DC电压。从而该开关电源系统中采用的控制设备必须能够在1700Vcc下切换高达2A的电流。在已知方式下，该控制设备可以包括具有在1200V和1700V之间的击穿电压的MOSFET类型的单个晶体管。然而，在这些击穿电压处，该MOSFET晶体管处于它的工艺极限。此外，它的成本高，并且工作期间，因为焦耳效应它的损耗特别高。
为了改善这些缺点，已知的是串联两个MOSFET晶体管，具有更低的击穿电压，范围从600V到900V。从而串联的这两个晶体管的每个经受更少的电压，符合MOSFET技术的最佳应用。
在现有技术中，提出了关于这两个串联晶体管的若干设置。2000年9月第5期卷15的IEEE transactions on power electronics（IEEE电力电子学报）中Robert L.Hess和Russel Jacob Baker题为“Transformerless CapacitiveCoupling of Gate Signals for Series Operation of Power MOS Devices（用于电力MOS设备的串联工作的选通信号的无变压器的电容耦合）”的出版物描述了包括至少两个串联的MOSFET类型晶体管的控制设备。在图1A中表现此拓扑。在此拓扑中，该控制设备包括两个输入端A、B，及连接至第二输入端B并在其栅极接收源自控制单元U的控制信号的第一晶体管T1。第二晶体管T2与第一晶体管T1串联连接，并连接至第一输入端A。在第二晶体管T2的栅极和第二输入端B之间连接电容C1。电容C1的作用是两方面：提供控制第二晶体管的足够电荷，以及将横越第一晶体管的端子的电压限制在最优值。
为了不取决于这两个条件，特别提出用齐纳（Zener）二极管Dz1来替换该电容，则可以固定横越第一晶体管T1的端子的电压。在图1B中表现此第二种已知拓扑。在此设置中，此时依靠该齐纳二极管Dz1的本征电容（Ci）存储的电荷保证了第二晶体管T2的控制。然而，如果（例如由于DC总线的电压过低）该齐纳二极管Dz1的本征电容发送的电荷低于正确地控制第二晶体管T2所必需的电荷，则需要添加与该齐纳二极管并联的电容器以保证对第二晶体管的合适的控制。通过添加与该齐纳二极管并联的电容器，针对第一种设置识别的缺点再次出现了。
在这两种设置中，对第二晶体管T2的控制都依赖于所述电容器的电容（不管后者是本征的或额外的）以及该电容器两端的电压电平。为了用合适的方式控制第二晶体管T2，基于该电容器（齐纳二极管Dz1的本征或额外的）两端较低的电压，需要增加与晶体管T2的栅极串联的电容器的电容。然而，不能不确定地增加该电容器的电容。
本发明的目标是提出一种打算用在开关电源系统中的具有串联的两个晶体管的控制设备，无论主DC电压的电平为何，该控制设备都允许对第二晶体管的合适的控制，并且不用增加电容器的电容。
发明内容
通过一种开关电源系统中打算采用来控制所述开关电源系统的DC/DC转换器的控制设备来实现此目标，所述控制设备包括：第一输入端子和第二输入端子，连接至第二输入端子并提供有意在接收源自控制单元的控制信号的栅极的第一晶体管，以及连接至第一输入端子、与第一晶体管串联连接并提供有浮动控制栅极的第二晶体管，该控制设备包括连接至第二晶体管的栅极和连接至第二输入端子的控制组件，该控制组件包括电压源和连接至该电压源的电压钳位/路由设备。
根据特定的特征，电压钳位/路由设备包括与电压源串联连接的齐纳二极管。
根据另一特定特征，例如与齐纳二极管单独并联连接一额外的电容器。
根据另一特定特征，电压钳位/路由设备包括与电压源串联连接的二极管，和与电压源及所述二极管并联连接的齐纳二极管。
根据另一特定特征，另外额外的电容器与控制组件并联连接，控制组件是按“齐纳二极管+电压源串联”的配置，或者按“二极管+电压源串联并与齐纳二极管并联”的配置。
根据另一特定特征，该设备包括一个或多个添加的一样的样式（pattern），每个样式包括：
-两个连接点，
-连接至第一连接点的电容器，
-与所述电容器串行连接的第一齐纳二极管，
-第三晶体管，具有连接至所述电容器的栅极，并具有连接至第二连接点的源极，
-连接在第三晶体管的栅极和源极之间的齐纳二极管，
-通过到第二晶体管的漏极的它的第二连接点，并通过到第二晶体管的栅极的它的第一连接点而连接起来的第一个增加的样式，
-通过到前一个样式的晶体管的漏极的它的第二连接点，并通过到前一个样式的晶体管的栅极的它的第一连接点而连接起来的每个额外的样式。
该发明还涉及一种开关电源系统，包括在其中连接了DC电压源的第一端子和第二端子，连接至第一端子的DC/DC转换器，以及与DC/DC转换器串联连接并连接到第二端子的控制设备，所述控制设备与上文中定义的一致。
根据一个实施例，DC/DC转换器是隔离“回扫”类型。
根据另一个实施例，DC/DC转换器是隔离“向前”类型。
根据另一个实施例，DC/DC转换器是升压类型。
根据最后一个实施例，DC/DC转换器是降压类型。
本发明还涉及一种意欲控制电负载的可变速驱动器，所述可变速驱动器包括：
-意欲对配电网提供的AC电压整流的整流模块，
-连接至整流模块的DC电源总线，其包括处于正电势的第一供电线和处于负电势的第二供电线，在这两供电线之间施加由整流模块提供的主DC电压，
-连接至第一供电线和第二供电线的总线电容器，
-包括若干开关晶体管的逆变器模块，意欲将所述总线上可用的DC电压转换成运往电负载的可变电压，
-根据上文中定义的开关电源系统，所述电源系统的第一端子连接至DC电源总线的第一供电线，而该开关电源系统的第二端子连接至DC电源总线的第二供电线。
附图说明
在下面针对附图给出的详细描述中，其它特征和优点将变得清楚，在附图中：
-图1A示出根据第一现有技术的具有串联的两个晶体管的控制设备；
-图1B示出根据第二现有技术的具有串联的两个晶体管的控制设备；
-图2示出开关电源系统；
-图3示出采用了本发明的开关电源系统的可变速驱动器；
-图4A至4E示出根据本发明的各个替换实施例的具有串联的两个晶体管的控制设备；
-图5示出可以在图4A至4E中所示的控制设备上多次级联的样式；
-图6示出包括若干级联的晶体管的本发明的控制设备。
具体实施方式
在图1A和1B中表现的解决方案形成了现有技术的一部分，并且在上文本说明书的介绍部分已经描述了。
在后续的描述中，保留图1A和1B的描述中采用的某些参考标记用于本发明的描述，只要所采用的部件相同并且实现相同的功能。
本发明涉及一种打算在开关电源系统中采用的控制设备1。在诸如图3中所示的可变速驱动器中采用这种开关电源系统。
参照图3，从传递AC电压并且基于AC/DC/AC拓扑（AC=交流电，DC=直流电）的三相电源网络R对可变速驱动器供电。诸如这种的可变速驱动器因而包括：
-整流模块REC，意欲对该网络提供的AC电压整流，
-连接至整流模块的DC电源总线，其包括处于正电势的第一供电线10和处于负电势的第二供电线11，在这两供电线之间施加由整流模块提供的主DC电压Vbus，
-连接至第一供电线10和第二供电线11的总线电容器Cbus，通过将DC电压Vbus保持在恒定值对该总线电容器充电，
-包括若干开关晶体管的逆变器模块INV，意欲将所述总线上可用的DC电压转换成运往电负载M的可变电压。
采用主DC电压Vbus来对该开关电源系统供电。具体地采用该开关电源系统向逆变器模块INV的晶体管提供控制电压。
诸如图2中所表现的开关电源系统包括意在连接至DC电源总线的第一供电线10的第一端子X，和意在连接至第二供电线11的第二端子Y。该系统包括连接至它的第一端子X的DC/DC转换器，和与该DC/DC转换器串联连接并连接到第二端子Y的控制设备1。DC/DC转换器可以采取各种已知拓扑的形式，诸如例子隔离（insulated）“回扫（flyback）”、隔离“向前（forward）”、降压或升压。图2示出本发明的控制设备和“回扫”类型的转换器之间的关联。
参照图1A，本发明的控制设备1包括两个输入端子A、B。第一输入端子A打算连接至开关电源系统的DC/DC转换器，而第二输入端子B打算连接至该系统的第二端子Y。
该控制设备1包括在它的第一输入端子A和它的第二输入端子B之间串联连接的两个晶体管T1、T2。优选地，所述晶体管的每个均为用诸如碳化硅或氮化镓的具有大禁带能量的材料（“宽带间隙材料）制造的MOSFET、IGBT或晶体管。选择两个串联的晶体管使得可以平分每个晶体管两端经受的电压，并且从而相对于经受整个电压的单个晶体管，减少它们的成本和它们的体积。
每个晶体管T1、T2拥有栅极G，对其的控制使电流能够在漏极D和源极S之间通过。如图4A中所示，第一晶体管T1的源极S连接至第二输入端子B，第二晶体管T2的源极S连接至第一晶体管T1的漏极D，并且第二晶体管T2的漏极连接至第一输入端子A。
第一晶体管T1的栅极G连接至控制单元U，该控制单元U传递例如PWM（脉宽调制）类型的控制信号以使第一晶体管T1导通或截止。第二晶体管T2的栅极G是浮动控制类型。从而，通过本发明的主体、一种特定的控制组件（control assembly）将它连接至第二输入端子B。
此控制组件包括连接至第二输入端子的电压源Vdc，和连接至该电压源Vdc和第二晶体管T2的栅极G的电压钳位/路由设备。
在图4A、4B、4C中所示的第一替换实施例中，该电压钳位/路由设备包括与电压源Vdc串联连接的齐纳二极管Dz1。
在图4D和4E中所示的第二替换实施例中，该电压钳位/路由设备包括：连接至第二晶体管T2的栅极G并与电压源Vdc串联连接的二极管D1，以及与电压源Vdc和二极管D1并联连接的齐纳二极管Dz1。
在图4A至4C中，齐纳二极管Dz1充当二重角色：将第一晶体管T1两端的电压限制在该齐纳二极管Dz1的反向电压的电压钳位器的角色，以及当该设备被断开时可以将电压Vdc路由到第二晶体管T2的栅极G的二极管的角色。
电压源Vdc使得例如当启动开关电源系统时，即使串联连接的电容（齐纳二极管的本征电容器）不足以控制第二晶体管T2，也能保证控制第二晶体管T2的充足电压。
参照图4B、4C、4E，为了限制该齐纳二极管Dz1中的耗散，可以增加额外的电容器Cadd。此额外的电容器Cadd与齐纳二极管单独并联连接（图4B），或者与整个控制组件并联连接（图4C和4E）。选择此额外的电容器Cadd的电容值，以便能够同步这两个晶体管的导通，并且表示在第一晶体管T1中产生的损耗和齐纳二极管Dz1中产生的损耗之间的折中。
根据本发明，在对第二晶体管T2的栅极G的控制中增加电压源Vdc由此去除了在串联连接的任意电容器上的任何尺寸约束。它使得可以保证第二晶体管的正确操作，并且可以保证后者通过导通阈值。
诸如在图4B、4C或4E中所示的控制设备的操作如下：
截止：
在t0：两个晶体管均导通。将齐纳二极管Dz1两端的电压施加到第一晶体管T1的端子。控制单元U向第一晶体管T1的栅极派发截止信号。
t0和t1之间：第一晶体管T1处于截止过程中，漏极和源极之间的它两端的电压降低。此降低迫使齐纳二极管Dz1两端的电容器向第二晶体管T2的栅极放电。然后电流对第二晶体管T2的栅极G充电。
在t1：当在第二晶体管T2的栅极G积聚了足够的电荷时，第二晶体管T2截止。电压源使得可以保证通过第二晶体管T2的导通阈值。
导通：
在t0：两个晶体管均截止。控制单元U向第一晶体管T1的栅极G派发导通信号。
在t0和t1之间：晶体管T1两端的电压增加，导致齐纳二极管Dz1两端的电压中的增加。然后电流从晶体管T2的栅极流向齐纳二极管Dz1和电容器，导致第二晶体管T2的栅极的放电。那时额外的电容器Cadd使得可以存储第二晶体管T2的放电能量。因而选择额外的电容Cadd的电容值，以便调整第二晶体管T2接通的持续时间，例如以便同步第二晶体管T2的导通与第一晶体管T1的导通。至于它这部分，齐纳二极管Dz1固定在第一晶体管T1上的最大电压。
在t1：两个晶体管均导通。
始于上文描述的结构，本发明还体现于在第二晶体管T2之上的级联晶体管。
为此，可以在先前描述的包括两个晶体管T1、T2的结构上添加一个或多个相同的样式。第一种样式是连接至第二晶体管的栅极G和漏极D。
参照图5，样式包括两个连接点M、N。每个样式包括：连接至第一连接点M的电容器Cb，与该电容器Cb串联连接的与先前的一样的齐纳二极管Dz1以便符合电压均分，与主晶体管T1、T2一样类型的晶体管T3_i（i=1至n），其栅极G连接至电容器Cb，并且其源极S连接至第二连接点N。该样式还包括连接在晶体管T3_i的栅极G和源极S之间的齐纳二极管Dz3（可选为与Dz2一样）。
通过连接至前一个样式的晶体管（T3_n-1）的漏极的第二连接点N，并通过连接至前一个样式的晶体管（T3_n-1）的栅极G的第一连接点M，将每个增加的样式连接起来。
最后的样式（T3_n）的晶体管的漏极D连接至上文描述的第一输入端子A。
当通过控制单元U使第一晶体管T1导通时，通过（来自转换器的）电流对级联中的晶体管的杂散电容充电。将每个晶体管T3_i两端的电压钳位为它的齐纳二极管Dz1的电压。齐纳二极管导通所述样式的电容器Cb并对其充电。
一旦截止，所述样式的每个电容器Cb两端的电压补偿在正向传导（电压VfwDz1）下齐纳二极管的和传导下下级晶体管的电压下降。用下面的方式表示每个样式的电容器Cb两端的此电压Vn：
V1=VDz3–(Vdc-VfwDz1)+VfwDz1+IdT2*Rdson_T2
Vn=VDz3–(Vdc-VfwDz1)+VfwDz1+IdTn-1*Rdson_Tn-1
从而本发明适合于可以应用在诸如上文中所述的开关电源系统中的具有最佳化操作的控制设备1。具体地可以在诸如上文中所述的可变速驱动器中采用这种系统。

Claims (12)

1.一种在开关电源系统中打算采用来控制所述开关电源系统的DC/DC转换器的控制设备(1)，所述控制设备包括：第一输入端子(A)和第二输入端子(B)，连接至第二输入端子(B)并提供有意欲接收源自控制单元(U)的控制信号的栅极(G)的第一晶体管(T1)，以及连接至第一输入端子(A)、与第一晶体管(T1)串联连接并提供有浮动控制栅极(G)的第二晶体管(T2)，其特征在于该控制设备包括：
-连接至第二晶体管(T2)的栅极(G)并且连接至第二输入端子(B)的控制组件，其包括电压源(Vdc)和连接至该电压源(Vdc)的电压钳位/路由设备。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于电压钳位/路由设备包括与电压源(Vdc)串联连接的齐纳二极管(Dz1)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于与齐纳二极管(Dz1)并联连接一电容器(Cadd)。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于电压钳位/路由设备包括与电压源(Vdc)串联连接的二极管(D1)，以及与电压源(Vdc)和二极管(D1)并联连接的齐纳二极管(Dz1)。
5.根据权利要求2或4所述的设备，其特征在于与控制组件并联连接一电容器(Cadd)。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于它包括一个或多个添加的一样的样式，每个样式包括：
-两个连接点（M、N），
-连接至第一连接点(M)的电容器(Cb)，
-与所述电容器(Cb)串联连接的第一齐纳二极管(Dz1)，
-具有连接至所述电容器(Cb)的栅极(G)并具有连接至第二连接点(N)的源极(S)的第三晶体管(T3_i)，
-连接在第三晶体管(T3_i)的栅极(G)和源极(S)之间的齐纳二极管(Dz3)，
-通过其到第二晶体管(T2)的漏极(D)的第二连接点(N)，并通过其到第二晶体管(T2)的栅极(G)的第一连接点(M)连接起来的第一个增加的样式，
-通过其到前一个样式的晶体管(T3_n-1)的漏极(D)的第二连接点(N)，并通过其到前一个样式的晶体管(T3_n-1)的栅极(G)的第一连接点(M)连接起来的每个额外的样式。
7.一种开关电源系统，包括：第一端子(X)和第二端子(Y)，它们之间连接DC电压源，连接至第一端子(X)的DC/DC转换器，及与DC/DC转换器串联连接并连接至第二端子(Y)的控制设备(1)，其特征在于所述控制设备(1)与在权利要求1到6之一中定义的控制设备一致。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于DC/DC转换器是隔离“回扫”类型。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于DC/DC转换器是隔离“向前”类型。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于DC/DC转换器是升压类型。
11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于DC/DC转换器是降压类型。
12.一种意欲控制电负载(M)的可变速驱动器，包括：
-意欲对配电网络(R)提供的AC电压整流的整流模块(REC)，
-连接至整流模块(REC)的DC电源总线，其包括处于正电势的第一供电线(10)和处于负电势的第二供电线(11)，在这两供电线之间施加由整流模块提供的主DC电压(Vbus)，
-连接至第一供电线(10)并连接至第二供电线(11)的总线电容器(Cbus)，
-包括若干开关晶体管的逆变器模块(INV)，意欲将所述总线上可用的DC电压(Vbus)转换成运往电负载(M)的可变电压，
其特征在于它包括：
-根据权利要求7至11之一中定义的开关电源系统，其中该开关电源系统的第一端子(X)连接至DC电源总线的第一供电线(10)，并且该开关电源系统的第二端子(Y)连接至DC电源总线的第二供电线(11)。
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