CN103828205A - 用于控制电力开关的电源 - Google Patents

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Abstract

给出了一种用于提供电力以控制用于高压应用的电力开关的电源。该电源包括：高压分配器，其设置成连接到该电力开关的第一电流端子；降压DC/DC转换器，其连接到高压分配器的输出端，其中降压DC/DC转换器设置成向电源的输出端提供输出电压以便控制至少一个电力开关；以及旁路控制单元，其设置成当电力开关上的电压低于阈值电压时控制高压分配器以使高压分配器的主输入端和主输出端短路。

Description

用于控制电力开关的电源
技术领域
本发明涉及一种用于提供电力以控制用于高压应用的电力开关的电源。
背景技术
电力开关（诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)）可用于许多高压应用。IGBT的栅极可借助于相应栅极单元来激励。当IGBT例如被用作逆变器的一部分时，通过使用脉宽调制(PWM)，IGBT被连续开启和关断以获得正弦波形。当IGBT关(阻断)时，IGBT上的电压可用于给栅极单元供电。电力可存储在开关之间，例如电容器中，以确保栅极单元被连续供电。
然而，当IGBT用在IGBT在大部分时间期间都导通的应用中时，诸如用于DC断路器时，则当IGBT阻断时没有可靠的重新发生时间来充能量，以给栅极单元供电。尽管如此，在电源可由主电路通过IGBT供电的情况下，它还是有用的，以减少对于任何外部功率源的需要。
因此，需要提供用于提供电力以控制电力开关的电源，其并不为了运转而要求电力开关阻断。
发明内容
目的是缓解或消除上面描述的问题。
根据第一方面，给出了一种用于提供电力以控制用于高压应用的电力开关的电源。所述电源包括：高压分配器，其设置成连接到所述电力开关的第一电流端子；降压DC/DC转换器，其连接到高压分配器的输出端，其中降压DC/DC转换器设置成向电源的输出端提供输出电压以便控制至少一个电力开关；以及旁路控制单元，其设置成当电力开关上的电压低于阈值电压时控制高压分配器以使高压分配器的主输入端和主输出端短路。这允许所述电源为大范围的输入电压提供适当输出功率。此外，所述电源可连接在电力开关上，消除了对于附加功率源的任何需要。
所述电源可进一步包括：功率限制器，其连接在所述降压DC/DC转换器的输出端与所述电源的输出端之间。用这种方式，确保了栅极单元的适当输出功率。
所述电源可进一步包括：电压极性相关开关，其设置成连接到电力开关的第二电流端子和降压DC/DC转换器的输出端；以及升压DC/DC转换器，其连接到电压极性相关开关和所述电源的输出端。甚至当反向电压施加到电力开关时，电压极性相关开关也允许电源供应电力。通过升压DC/DC转换器，即使到电源的输入电压为低，也确保了来自电源的适当输出电压。
高压分配器可包括多个串联连接的电阻器，它们被有选择地控制成为电力开关的第一电流端子与第一DC/DC转换器之间的电路的一部分。当输入电压为高时，电阻器被连接以降低高压分配器的输出电压。
高压分配器可包括多个串联连接的电容器，它们被有选择地控制成为电力开关的第一电流端子与第一DC/DC转换器之间的电路的一部分。
高压分配器可包括多个串联连接的晶体管，每个晶体管由旁路控制单元单独控制。这些晶体管可被控制成当输入电压为低时导通，由此来旁路高压分配器的电阻器。
旁路控制器可包括：电压分配器，其包括多个电阻器；以及二极管，其设置成阻断来自所述高压分配器的任何电流。对于低压情况，二极管允许电压从电源的输出端提供到旁路控制器以阻断晶体管。另一方面，二极管阻止任何反向电流通过旁路控制器从高压分配器到输出端。
电压极性相关开关可包括二极管桥。
降压DC/DC转换器可包括齐纳二极管以控制其输出电压。
说明书和权利要求书中的词语“多个”被解释为是指“多于一个”。
一般而言，在权利要求书中使用的所有术语都要根据它们在本技术领域中的普通意义进行解释，除非在本文另有明确定义。对“一个/该单元、设备、组件、构件、步骤等”的所有提及都要被开放性地解释为该单元、设备、组件、构件、步骤等的至少一个实例，除非另有明确声明。本文描述的任何方法步骤都不是必须按所公开的精确次序执行，除非明确声明了。
附图说明
现在将参考附图通过示例来描述本发明，附图中：
图1是例证本文给出的实施例可应用在其中的环境的示意图；
图2是例证图1的电源以及所连接组件的示意图；
图3是例证图2的高压分配器的实施例的示意图；
图4是例证图2的旁路控制单元的实施例的示意图；
图5是例证图2的降压DC/DC转换器的实施例的示意图；
图6是例证图2的电压极性相关开关的实施例的示意图；以及
图7示出了例证图2的电源的功能的两个图表。
具体实施方式
现在将在下文参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的某些实施例。然而，本发明可用许多不同形式实施，并不应该被解释为局限于本文阐述的实施例；而是，通过示例提供这些实施例使得本公开将是详尽而完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本发明的范围。相似的数字在整个说明书中是指相似的单元。
图1是例证本文给出的实施例可应用在其中的环境的示意图。在此示例中，示出了如下应用：其中三个电力开关2a-c用于控制主电流，由此充当DC断路器。虽然在此给出了三个电力开关2-c，但可选择任何适当数量的开关来获得电力开关上的期望高压容量。
电力开关2a-c可以是任何适当的可控电力开关，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。控制器20向分别连接到三个电力开关2a-c的三个栅极单元3a-c提供信号。栅极单元3a-c分别由三个电源1a-c供电。
在DC断路器应用中，电力开关2a-c正常情况下处于导通状态。由于这个原因，不能使用用于栅极单元的常规电源，其依赖于电力开关上的电压差。此外，在电源的输入电压上存在大的变化，所述变化是常规电源所不能处理的。
反而，电源1a-c被构造成在各种电气条件下都能够向相应栅极单元3a-c供应电力，这在下面更详细说明。
图2是例证图1的电源1以及所连接组件的示意图。电力开关2可以是图1的电力开关2a-c中的任一个。类似地，栅极单元3可以是栅极单元3a-c中的任一个，并且电源可以是电源1a-c中的任一个。图1的控制器在图2中被省略了，以免模糊了所公开的实施例。电力开关2（在此情况下例证为IGBT）包括栅极G中的接口点以及是发射极E和集电极C的两个电流端子。
电源1包括连接到电力开关2的集电极C的高压分配器6。旁路控制单元5连接到高压分配器6的多个点以控制高压分配器向降压DC/DC转换器8输出适当电压。功率限制器7调节在输出端4上提供给栅极单元的信号，使得所供应的电压和/或电流不太高。
而且，电压极性相关开关10连接到电力开关2的发射极E和降压DC/DC转换器8的输出端。电压极性相关开关10的输出端连接到升压DC/DC转换器9。升压DC/DC转换器9的输出端连接到电源1的输出端4。
用这种方式，该电压极性开关将向升压DC/DC转换器10提供正电压，而不管发射极E与集电极C之间的电压是正还是负。
图3是例证图2的高压分配器6的实施例的示意图。高压分配器包括一串m个串联连接的晶体管14a-m。这些晶体管例如可以是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，这是因为这些晶体管上的电压降是低的。与该串晶体管14a-m并联，提供了一串n个串联连接的电阻器13a-n和一串n个串联连接的电容器12a-n。电容器12a-n用于任何必需的AC偏置。晶体管、电阻器和电容器的数量可以是任何适当的数量。
晶体管14a-n的栅极连接到相应的输入端30a-m。所有输入端30a-m都连接到旁路控制器单元5。
当所连接的电力开关上的电压为低时，该旁路控制器使晶体管短路，由此通过高压分配器6存在可忽略不计的电压降。另一方面，当所连接的电力开关上的电压为高时，该旁路控制器控制晶体管14a-m，使得至少部分电流通过电阻器13a-n。用这种方式，高压输入通过高压分配器6下降了。
图4是例证图2的旁路控制单元5的实施例的示意图。旁路控制单元5包括分别连接到高压分配器6的输入端30a-m的若干输出端32a-m。旁路控制器单元5的输入端34连接到整个电源1的输出端4(图2)。
旁路控制单元5可选地包括电压分配器24，电压分配器24包含若干电阻器23a-m，其中电压分配器24中的每级都经由相应二极管22a-m和输出电阻器21a-m连接到相应输出端32a-m。
旁路控制单元5因而为高压分配器6中的每个晶体管14a-m提供偏置栅极电压，以迫使进入导通状态。用这种方式，仅当初级电压在低压电平内时，晶体管14a-m才通过高压分配器6使电力开关上的电压短路。
而且，旁路控制单元5为降压DC/DC转换器8提供偏置电压。
还参考图2和图3，在输出端4处的输出电压被施加到旁路控制器5，旁路控制器5向晶体管14a-m的栅极提供电压。当晶体管14a-m的栅极电压高于输出端4上的电压时，例如当电力开关处于阻断状态并且电力开关2上的电压为高时，二极管22a-m阻断从高压分配器6到输出端4的反向电流。相反，当电力开关2上的电压为低时，晶体管14a-m上的栅极电压为低，由此电压从输出端4馈送到晶体管14a-m的栅极，以使然后导通并让受控电流旁路电阻器13a-n。该高压分配器的电阻器13a-n可被选择成相应地调谐高压分配器6的输出电压。
图5是例证图2的降压DC/DC转换器8的实施例的示意图。在此实施例中，降压DC/DC转换器8包括一个或多个齐纳二极管30以将输出电压控制到适当电平。提供受控电压输出的其它结构也同样有可能。
图6是例证图2的电压极性相关开关10的实施例的示意图。到电压相关开关10有两个输入端35a-b，其中第一输入端35a连接到降压DC/DC转换器8的输出端，并且第二输入端连接到电力开关2的发射极E(见图2)。电压极性相关开关10包括四个二极管25a-d，所述四个二极管25a-d构成二极管桥，由此电压极性相关开关10的输出端34总是提供正电压，而不管电力开关2(图2)的集电极C和发射极E上的电压正负号如何。
图7示出了例证图2的电源的功能的两个图表。在图7的上半部分，示出了随时间变化的主电压，其定义为电力开关2的发射极E与集电极C之间的电压。在图7的下半部分，示出了随时间变化的电源1的功率输出，其使用与上半部分相同的时间刻度。要指出，两个图表的垂直刻度不成比例。
现在将结合对图2的参考来说明这些图表。
在时间50，电力开关2被控制成处于阻断状态，由此vmain增大到v1。电源在此供应功率P1。
在时间51，电力开关2被控制成处于导通状态，由此vmain减小到v3，其是电力开关2上的电压降，例如3伏特。电压降在时间51与时间52之间存在延迟t1，在时间52该点高压分配器在旁路控制单元5的控制下已经将其晶体管14a-m的状态改变成全部导通。用这种方式，该高压分配器的电阻器13a-n全都被旁路，使得高压分配器6的电压输出是集电极C的电压，减去晶体管14a-m上的任何电压降。该电流然后被路由到电压极性相关开关10和升压DC/DC转换器9，以向栅极单元3提供输出电压，其适合于能够控制电力开关2。在此，输出功率P2被供应到所连接的栅极单元。
在时间53，电力开关2被再次控制成处于阻断状态，由此该旁路控制器阻断高压分配器6的晶体管，以迫使电流通过高压分配器的电阻器。
在时间54，电力开关2被反向偏置。电流然后向上通过图2的电力开关2。这导致反向电压v4，其是通过电力开关2的续流二极管的电压降。在一个示例中，反向电压v4是-3伏特。
时间55对应于时间53，并且时间56对应于时间51。类似地，时间57对应于时间53，并且时间58对应于时间51。
本发明在上面已经主要参考几个实施例进行描述了。然而，如本领域技术人员容易认识到的，与上面公开的实施例不同的其它实施例在由所附专利权利要求书所定义的本发明范围内同样有可能。

Claims (9)

1. 一种电源(1)，用于提供电力以控制用于高压应用的电力开关(2)，所述电源(1)包括：
高压分配器(6)，其设置成连接到所述电力开关(2)的第一电流端子；
降压DC/DC转换器(8)，其连接到所述高压分配器(6)的输出端，其中所述降压DC/DC转换器设置成向所述电源(1)的输出端(4)提供输出电压以便控制至少一个电力开关(2)；以及
旁路控制单元(5)，其设置成当所述电力开关(2)上的电压低于阈值电压时控制所述高压分配器(6)以使所述高压分配器(6)的主输入端和主输出端短路。
2. 如权利要求1所述的电源(1)，进一步包括：
功率限制器(7)，其连接在所述降压DC/DC转换器(8)的输出端与所述电源的输出端(4)之间。
3. 如权利要求1或2所述的电源(1)，进一步包括：
电压极性相关开关(10)，其设置成连接到所述电力开关(2)的第二电流端子和所述降压DC/DC转换器(8)的输出端；以及
升压DC/DC转换器(9)，其连接到所述电压极性相关开关和所述电源(1)的输出端(4)。
4. 如以上权利要求中任一项所述的电源(1)，其中所述高压分配器(6)包括：多个串联连接的电阻器(13a-n)，它们被有选择地控制成为所述电力开关(2)的第一电流端子与第一DC/DC转换器(8)之间的电路的一部分。
5. 如以上权利要求中任一项所述的电源(1)，其中所述高压分配器(6)包括：多个串联连接的电容器(12a-n)，它们被有选择地控制成为所述电力开关(2)的第一电流端子与第一DC/DC转换器(8)之间的电路的一部分。
6. 如以上权利要求中任一项所述的电源(1)，其中所述高压分配器(6)包括多个串联连接的晶体管(14a-n)，每个晶体管由所述旁路控制单元(5)单独控制。
7. 如以上权利要求中任一项所述的电源(1)，其中所述旁路控制器(5)包括：电压分配器(24)，所述电压分配器(24)包括多个电阻器(23a-23n)；以及二极管(22a-22n)，其设置成阻断来自所述高压分配器(6)的任何电流。
8. 如以上权利要求中任一项所述的电源(1)，其中所述电压极性相关开关(10)包括二极管桥(25a-d)。
9. 如以上权利要求中任一项所述的电源(1)，其中所述降压DC/DC转换器(8)包括齐纳二极管(30)以控制其输出电压。
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