CN103855932A - 栅极驱动装置以及包括其的逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及栅极驱动装置以及包括其的逆变器，提供了一种栅极驱动装置，其包括具有高侧开关和低侧开关的逆变器臂，以及栅极驱动单元，其获得指示逆变器臂的切换控制的指令信号，并且输出控制逆变器臂的切换的控制信号，其中栅极驱动单元包括：基于指令信号和在切换高侧开关时分配的电压而输出栅极驱动器的输入信号的合成器，以及基于输入信号输出控制信号的栅极驱动器。

Description

栅极驱动装置以及包括其的逆变器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年12月5日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2012-0140172号的优先权，其披露的内容通过引用结合到本文中。

技术领域

本发明涉及一种在高电压下驱动的栅极驱动装置以及包括该栅极驱动装置的逆变器。

背景技术

通常，逆变器为接收直流电力并输出交流（AC）电力的电路，其可控制输出AC电力的电压幅值、频率等，以输出受控的AC电力或对电机进行驱动。

上述逆变器可广泛用于家用、商业、工业等。

为了驱动上述逆变器，可采用驱动装置，并且该驱动装置可驱动逆变器，以使在逆变器中提供AC电力的臂的开关可进行接通或断开，以提供交流电力。

同时，该逆变器可在工业环境和家庭环境中应用，其中由于工业逆变器的特性，可能需要高电压交流电力。

一般的逆变器可采用栅极驱动集成电路，其控制逆变器臂的高侧开关和低侧开关中的每一个的接通与断开。在这种配置中，控制高侧开关的接通与断开的栅极驱动集成电路应具有耐受电压特性，其能够承受由于施加到高侧开关的高电压而产生的高电压电平。

但是，在工业逆变器的情况下，约1200V或更大的电压施加到高侧开关，因此控制驱动高侧开关的高电压栅极驱动集成电路应具有能够承受1200V或更大电压电平的特性。但是，具有上述耐受电压特性的高电压栅极驱动集成电路具有较高的制造成本。

下面的相关技术文件涉及一种包括高压侧驱动电路的逆变器电路，但并未披露分配驱动装置的耐受电压的内容。

[相关技术文件]

韩国专利公开第2005-0052339号

发明内容

本发明的一个方面提供了一种在高电压下稳定地运行且具有低制造成本的栅极驱动装置，以及包括该栅极驱动装置的逆变器。

此外，本发明的另一个方面提供了一种能够简单地配置且具有提高的响应速度的栅极驱动装置，以及包括该栅极驱动装置的逆变器。

根据本发明的一个方面，提供了一种栅极驱动装置，包括：逆变器臂，其包括高侧开关和低侧开关；以及栅极驱动单元，其获得指示逆变器臂的切换控制的指令信号，并且输出控制逆变器臂的切换的控制信号，其中，该栅极驱动单元包括：合成器，其基于指令信号和在切换高侧开关时分配的电压而输出栅极驱动器的输入信号；以及栅极驱动器，其基于输入信号输出控制信号。

栅极驱动装置可进一步包括单驱动电力单元，其将单驱动电力提供至栅极驱动单元。

栅极驱动单元可进一步包括电力提供单元，其将单驱动电力传输至栅极驱动器。

电力提供单元可包括多个相互串联连接的二极管。

电力提供单元可包括多个相互并联连接的二极管。

合成器可包括：传输指令信号的电容器；以及传输分配的电压的电阻器。

栅极驱动单元可包括分压单元，其对在切换高侧开关时施加到合成器和栅极驱动器中的每一个的电压进行分压。

分压单元可包括平衡器，其连接至合成器和栅极驱动器中的每一个，以均匀地对施加到合成器和栅极驱动器中的每一个的电压进行分压。

平衡器可包括与合成器和栅极驱动器中的至少一个并联连接的电阻器。

平衡器可包括与电阻器并联连接的二极管。

根据本发明的另一个方面，提供了一种逆变器，包括：包括逆变器臂的逆变器单元，该逆变器臂包括在提供具有预设电压电平的输入电力的输入电力端与地之间相互串联连接的高侧开关和低侧开关，并且将输入电力切换为输出交流（AC）电力；以及栅极驱动单元，其包括在指示逆变器单元的切换控制的指令信号的输入端与控制信号的输出端之间相互串联连接的合成器和栅极驱动器，该控制信号控制逆变器单元的切换，以控制高侧开关的切换驱动，并且将在切换高侧开关时产生的电压分配和施加至合成器与栅极驱动器。

附图说明

连同附图，从下面的详细描述中，可更清晰地理解本发明的上述和其他方面、特性以及其他优点，其中：

图1是示出了根据本发明实施方式的栅极驱动装置的示图；

图2是示出了根据本发明实施方式的合成器的示图；

图3A和图3B是示出了根据本发明实施方式的电力提供单元的示图；

图4A和图4B是示出了根据本发明实施方式的分压单元的示图；

图5是示出了根据本发明实施方式的逆变器的示图；以及

图6A至图6C是示出了根据本发明实施方式的栅极驱动装置的电特性的电压波形。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本发明的实施方式进行详细描述。但是，本发明可实现于多种不同形式，并且不受本文所述的实施方式限制。

而且，提供了这些实施方式，以使本公开全面和完整，并且将向本领域的技术人员充分地传达本发明的范围。

此外，除非另有明确描述，否则“包括”任何部件将理解为意味着包括其他部件，但是也不排除任何其他部件。

图1是示出了根据本发明实施方式的栅极驱动装置的示图。

参考图1，栅极驱动装置可包括高电压栅极驱动单元100、低电压栅极驱动单元200以及逆变器单元300。

高电压栅极驱动单元100可获得指示逆变器单元300的切换控制的指令信号S1，并且可以输出控制逆变器300的切换的控制信号S3。

高电压栅极驱动单元100可包括栅极驱动单元110、电力提供单元120以及分压单元130。

栅极驱动单元110可置于指令信号输入端与控制信号输出端之间，其中向指令信号输入端输入指示逆变器300的切换控制的指令信号S1，并且从控制信号输出端输出控制逆变器单元300的切换的控制信号S3。

同时，栅极驱动单元110可包括合成器112和栅极驱动器116。

栅极驱动单元110可控制逆变器单元300的切换。

在指令信号S1输入至合成器112的情况下，合成器112可将关于包括在指令信号S1中的切换控制的信息S2照原样传输至栅极驱动器116。

栅极驱动器116可将这样的控制信号S3传输至逆变器单元300，由此控制逆变器单元300的切换，该控制信号S3对应于输入到合成器112的指令信号S1试图控制逆变器单元300的切换控制的强度。

逆变器单元300可将输入电力VH切换为输出交流（AC）电力。此外，逆变器单元300可包括逆变器臂，其包括在输入输入电力VH的输入电力端与地之间相互串联连接的高侧开关HM和低侧开关LM。

虽然未示出，但是为了共享施加的电压，多个高侧开关HM可相互串联连接。此外，相似地，多个低侧开关LM也可相互串联连接。

高侧开关HM的栅极可从高电压栅极驱动单元100接收控制信号S3，从而控制其的接通和断开操作。此外，低侧开关LM的栅极可从低电压栅极驱动单元200接收控制信号，从而控制其的接通和断开。

同时，具有对应于输入电力VH的电压电平的输入电力可根据高侧开关HM的接通和断开施加到高电压栅极驱动单元100。

高电压栅极驱动单元100可包括分压单元130，以对所施加电力的电压电平进行分压，并且将其施加到合成器112和栅极驱动器116。

分压单元130可包括第一平衡器132和第二平衡器136。第一平衡器132可连接至合成器112。此外，第二平衡器136可与栅极驱动器116并联连接。

因此，第一平衡器132和第二平衡器136可根据高侧开关HM的接通和断开对施加到合成器112与栅极驱动器116的电力的电压进行均匀分压。

例如，输入具有1200V或更大电压的输入电力VH，并且所施加的电压电平可根据高侧开关HM的接通和断开均匀地分压给合成器112和栅极驱动器116。在这种情况下，可使用具有600V耐受电压的栅极驱动器116。

同时，栅极驱动装置可包括向栅极驱动器116提供驱动电力的单驱动电力单元400。因此，单电力V0可施加到栅极驱动单元110。

为了向栅极驱动器116施加单电力V0，高电压栅极驱动单元100可进一步包括电力提供单元120。

电力提供单元120可包括多个电源122和126，并且电源122和126可向栅极驱动器116的预定端提供单电力V0。

根据本发明的实施方式，在低侧开关LM具有施加到其上的接通信号，以及高侧开关HM具有施加到其上的断开信号的情况下，第一电容器C1和第二电容器C2由单驱动电力单元400与电力提供单元120以V0进行充电。

然后，在低侧开关LM具有施加到其上的断开信号，以及高侧开关HM具有施加到其上的接通信号的情况下，具有对应于输入电力VH的输入电力可施加到高电压栅极驱动单元100。

所施加的电压可施加到栅极驱动器116的VS端。此外，栅极驱动器的VB端的电压可由施加到VS端和第二电容器C2的电压确定。例如，VB端的电压可为施加到VS端的电压与在第二电容器C2中充电的电压的总和。

在所施加的电压由第一平衡器132和第二平衡器136均匀地分配的情况下，所分配的电压可施加到栅极驱动器116的COM端。此外，栅极驱动器的VCC端的电压可由施加到COM端的电压和第一电容器C1确定。例如，VCC端的电压可为施加到COM端的电压与在第一电容器C1中充电的电压的总和。

因此，用于驱动高侧开关HM的控制信号S3的输出端HO的电压范围可由施加到VS端的电压值与施加到VB端的电压值来确定。

此外，栅极驱动器116的输入端IN的电压范围可由施加到COM端的电压值与施加到VCC端的电压值来确定。

即，根据本发明的实施方式，栅极驱动器的信号输出端HO的电压范围可为施加至VS端的电压电平（例如，VH）到施加至VB端的电压电平（例如，VH+V0）。

此外，栅极驱动器的输入端IN的电压范围可为施加至COM端的电压电平（例如，0.5×VH）到施加至VCC端的电压电平（例如，0.5×VH+V0）。

同时，低电压栅极驱动单元200可控制低侧开关LM的切换驱动。

图2是示出了根据本发明实施方式的合成器的示图。

参考图2，合成器112可包括电容器元件113和电阻器元件114。

电容器元件113和电阻器元件114可连接至合成器中的预定端（例如，a1）。

由于除图2所示的栅极驱动装置中的合成器112以外的其他配置与上述配置相同，因此将省略除了合成器的配置的描述。

电阻器元件114可将预定电压传输至在合成器112中的预定端。

预定电压可为施加到高电压栅极驱动单元100并在其中分压的电压。例如，预定电压可为施加到第一平衡器132的电压。

预定端可为在合成器112中的a1端。

为了使电阻器元件114将施加到高电压栅极驱动单元100并在其中分压的电压传输至预定端，电阻器元件114可具有足够大的阻值。

电容器元件113可连接至指令信号输入端。

电容器元件113可将从指令信号输入端输入的指令信号S1传输至预定端。

电容器元件113可具有足够高能承受在栅极驱动装置中的高电压的电特性。

由于电容器元件113用于阻挡直流（DC）电力，因此通过电阻器元件114传输的电压可仅施加到预定端a1。

根据本发明的实施方式，指令信号S1穿过电容器元件113，并且与通过电阻器元件114从预定端传输的直流（DC）电压合成。

例如，合成器112可将指令信号（S1）的电压范围从0到V0移动至0.5×VH到0.5×VH+V0，以调整栅极驱动器的输入端IN的电压范围。

根据本发明的实施方式，在切换1200V的输入电力的情况下，由于合成器，因此可使用具有小于1200V的耐受电压特性的栅极驱动电路。

例如，在切换时施加到高电压栅极驱动单元的电压分配进合成器以及栅极驱动器，以稳定地运行驱动电路，以替换具有1200V耐受电压的昂贵的栅极驱动电路，因此可降低生产成本。

图3A和图3B是示出了根据本发明实施方式的电力提供单元。

参考图3A和图3B，电力提供单元120可包括多个二极管。

参考图3A，电力提供单元120可包括多个相互串联连接的二极管123和127。

此外，参考图3B，电力提供单元120可包括多个相互并联连接的二极管124和128。

由于除图3所示的栅极驱动装置中的电力提供单元120以外的其他配置与上述配置相同，因此将省略除了电力提供单元的配置的描述。

电力提供单元120可将单驱动电力V0传输至栅极驱动器。

此外，电力提供单元120可形成分别对电容器C1和C2以单驱动电力V0进行充电的路径。

图4A和图4B是示出了根据本发明实施方式的分压单元的示图。

参考图4A，第一平衡器可由电阻器元件133形成。此外，第二平衡器可由相互并联连接的电阻器元件133和二极管元件138形成。

参考图4B，第一平衡器可由电阻器元件133形成。此外，第二平衡器可由电阻器元件133形成。

图5是示出了根据本发明实施方式的逆变器的示图。

如上所述，逆变器单元可包括至少一个逆变器臂，并且在输出交流电力为单相电力的情况下逆变器单元130可包括一个逆变器臂，并且在如图5所示输出交流电力为三相电力的情况下逆变器单元650可包括三个逆变器臂651、652和653。因此，如图5所示的根据本发明实施方式的逆变器可包括第一、第二和第三高电压栅极驱动单元610、620和630，它们控制三个逆变器臂651、652和653的高侧开关HM1、HM2和HM3的接通与断开。低侧开关LM1、LM2和LM3的接通与断开可由低电压栅极驱动单元620控制，并且由于第一、第二和第三高电压栅极驱动单元619、620和630的配置与图1所示的高电压栅极驱动单元100的配置相同，因此省略了其详细描述。

图6A至图6C是示出了根据本发明实施方式的栅极驱动装置的电特性的电压波形。

图6A是示出了施加到图1的指令信号输入端的指令信号S1的示图。

图6B是示出了施加到图1的栅极驱动器的输入端IN的信号S2的示图。

此处，实线表示根据本发明实施方式的电压波形，虚线表示根据比较例的电压波形。

本发明的比较例为级联栅极驱动器形式的栅极驱动装置，其中多个栅极驱动器相连。

图6C是示出了在图1的栅极驱动器的输出端HO的信号S3的示图。

该波形为在图2所示的栅极驱动装置中使用1MΩ的电阻器元件114、使用10μF的电容器元件113、控制信号S1具有0V到15V的范围、以及VH具有1200V值的情况的结果。

参考图6B，由于施加到栅极驱动器输入端的信号S2在600V至615V的范围内形成，因此其显示出与比较例（级联栅极驱动器）相同的电压特性。

此外，从多个栅极驱动器相连的级联栅极驱动器形式的栅极驱动装置可确认的是，每个栅极驱动器具有125ns的时间延迟特性。因此，在比较例中发生250ns的时间延迟。

另一方面，根据本发明的实施方式，在合成器中的时间延迟具有与栅极驱动器的时间延迟相比可忽略的足够小的值。因此，本发明的实施方式具有比较例的一半的时间延迟。

因此，根据本发明的实施方式，可以提供能够简单地配置且具有提高的响应速度的栅极驱动装置，以及具有该栅极驱动装置的逆变器。

如上所述，根据本发明的实施方式，可以提供在高电压下稳定运行且具有低制造成本的栅极驱动装置，以及具有该栅极驱动装置的逆变器。

此外，根据本发明的实施方式，可以提供能够简单地配置且具有提高的响应速度的栅极驱动装置，以及具有该栅极驱动装置的逆变器。

尽管结合实施方式示出并描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可在不偏离所附权利要求定义的本发明的要旨和范围的情况下进行修改和变形。

Claims (20)

1.一种栅极驱动装置，包括：

逆变器臂，其包括高侧开关和低侧开关；以及

栅极驱动单元，其获得指示所述逆变器臂的切换控制的指令信号，并且输出控制所述逆变器臂的切换的控制信号，

其中，所述栅极驱动单元包括：

合成器，其基于所述指令信号和在切换所述高侧开关时分配的电压来输出栅极驱动器的输入信号；以及

所述栅极驱动器，其基于所述输入信号输出所述控制信号。

2.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，进一步包括单驱动电力单元，其将单驱动电力提供至所述栅极驱动单元。

3.根据权利要求2所述的栅极驱动装置，其中，所述栅极驱动单元进一步包括电力提供单元，其将所述单驱动电力传输至所述栅极驱动器。

4.根据权利要求3所述的栅极驱动装置，其中，所述电力提供单元包括多个相互串联连接的二极管。

5.根据权利要求3所述的栅极驱动装置，其中，所述电力提供单元包括多个相互并联连接的二极管。

6.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其中，所述合成器包括：

电容器，传输所述指令信号；以及

电阻器，传输所述分配的电压。

7.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其中，所述栅极驱动单元包括对在切换所述高侧开关时施加到所述合成器和所述栅极驱动器中的每一个的电压进行分压的分压单元。

8.根据权利要求7所述的栅极驱动装置，其中，所述分压单元包括连接至所述合成器和所述栅极驱动器中的每一个的平衡器，以对施加到所述合成器和所述栅极驱动器中的每一个的电压进行均匀分压。

9.根据权利要求8所述的栅极驱动装置，其中，所述平衡器包括与所述合成器和所述栅极驱动器中的至少一个并联连接的电阻器。

10.根据权利要求9所述的栅极驱动装置，其中，所述平衡器包括与所述电阻器并联连接的二极管。

11.一种逆变器，其包括：

包括逆变器臂的逆变器单元，其中，所述逆变器臂包括在提供具有预设电压电平的输入电力端与地之间相互串联连接的高侧开关和低侧开关，并且将所述输入电力切换为输出交流（DC）电力；以及

栅极驱动单元，其包括在指示所述逆变器单元的切换控制的指令信号的输入端与控制信号的输出端之间相互串联连接的合成器和栅极驱动器，所述控制信号控制所述逆变器单元的切换，以控制所述高侧开关的切换驱动，并且将在切换所述高侧开关时产生的电压分配和施加到所述合成器和所述栅极驱动器。

12.根据权利要求11所述的逆变器，其进一步包括单驱动电力单元，其将单驱动电力提供至所述栅极驱动器。

13.根据权利要求12所述的逆变器，其中，所述栅极驱动单元进一步包括电力提供单元，其将所述单驱动电力传输至所述栅极驱动器。

14.根据权利要求13所述的逆变器，其中，所述电力提供单元包括多个相互串联连接的二极管。

15.根据权利要求13所述的逆变器，其中，所述电力提供单元包括多个相互并联连接的二极管。

16.根据权利要求11所述的逆变器，其中，所述合成器包括：

电容器，传输所述指令信号；以及

电阻器，传输所述分配的电压。

17.根据权利要求11所述的逆变器，其中，所述栅极驱动单元包括分压单元，其将在切换所述高侧开关时施加到所述合成器和所述栅极驱动器中的每一个的电压进行分压。

18.根据权利要求17所述的逆变器，其中，所述分压单元包括连接至所述合成器和所述栅极驱动器中的每一个的平衡器，以对施加到所述合成器和所述栅极驱动器中的每一个的电压进行均匀分压。

19.根据权利要求18所述的逆变器，其中，所述平衡器包括与所述合成器和所述栅极驱动器中的至少一个并联连接的电阻器。

20.根据权利要求19所述的逆变器，其中，所述平衡器包括与所述电阻器并联连接的二极管。

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