CN104065252A - 栅极驱动装置及具有栅极驱动装置的换流器 - Google Patents

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CN104065252A CN201310246609.2A CN201310246609A CN104065252A CN 104065252 A CN104065252 A CN 104065252A CN 201310246609 A CN201310246609 A CN 201310246609A CN 104065252 A CN104065252 A CN 104065252A
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郑敏赫
徐范锡
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Abstract

本发明提供一种栅极驱动装置及具有栅极驱动装置的换流器，该栅极驱动装置包括：换流器臂，包括高压侧开关和低压侧开关；栅极驱动单元，接收指令信号以对换流器臂提供转换控制，输出控制信号以控制换流器臂的转换，并且包括多个栅极驱动器；以及平衡单元，根据基于控制信号的换流器臂的转换，使得施加至所述多个栅极驱动器的电压被划分以供应至多个栅极驱动器中的各个栅极驱动器。

Description

栅极驱动装置及具有栅极驱动装置的换流器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年3月20日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0029996的优先权，将其公开内容通过引证结合于此。
技术领域
本发明涉及一种在高压下驱动的栅极驱动装置和具有栅极驱动装置的换流器（inverter）。
背景技术
通常，换流器是这样一种能够将直流（DC）功率转变成交流（AC）功率的电路，并且能够控制AC功率的电压振幅、频率等，从而输出AC功率以用于驱动例如电机。
这样的换流器广泛地用于家庭、商业以及工业应用。
可采用驱动装置来驱动这样的换流器。驱动装置通过接通和断开用于将AC功率供应到换流器中的臂（arm）的开关来驱动换流器从而供应AC功率。
对于换流器的工业应用，根据工业需求，可能需要高压AC功率。
典型的换流器可采用栅极驱动集成电路，每个栅极驱动集成电路分别接通和断开换流器臂的高压侧（high-side）开关和低压侧（low-side）开关。这里，由于可对高压侧开关施加高压，因而需要接通和断开高压侧开关的栅极驱动集成电路具有耐压特性，以便承受对高压侧开关施加的高电压等级。
在用于工业用途的换流器中，可对高压侧开关施加1200V或以上的电压，并且因此，控制高压侧开关的栅极驱动电路需要具有1200V或以上的耐压特性。然而，这种具有高耐压特性的栅极驱动集成电路制造起来相对昂贵。
在下文中参照的专利文献1公开了一种包括高压驱动电路的换流器电路，但是在划分驱动装置的耐压方面并无记载。
【现有技术文献】
（专利文献1）韩国专利特开公开No.2005-0052339
发明内容
本发明的一个方面提供一种可在高压下稳定运行的栅极驱动装置、以及具有栅极驱动装置的换流器。
本发明的一个方面还提供一种能够防止在瞬态下电压具有的等级高于耐压的等级的栅极驱动装置、以及具有栅极驱动装置的换流器。
根据本发明的一个方面，提供一种栅极驱动装置，该栅极驱动装置包括：换流器臂，包括高压侧开关和低压侧开关；栅极驱动单元，接收指令信号以对换流器臂提供转换控制，输出控制信号以控制换流器臂的转换，并且包括多个栅极驱动器；以及平衡单元，根据基于控制信号的换流器臂的转换，使得对所述多个栅极驱动器施加的电压被划分以供应至所述多个栅极驱动器的各个栅极驱动器。
平衡单元可包括多个平衡器，所述多个平衡器分别连接至所述多个栅极驱动器并且使得对所述多个栅极驱动器施加的电压被均等地划分以供应至各个栅极驱动器。
所述多个平衡器可包括分别并行地连接至所述多个栅极驱动器的多个电阻器。
所述多个平衡器可包括分别并行地连接至所述多个电阻器的多个电容器。
当从多个栅极驱动器中的任何一个栅极驱动器输出的信号的等级从高变低时，平衡单元可保持电压被划分以供应至各个栅极驱动器的状态。
栅极驱动装置可进一步包括对栅极驱动单元供应驱动功率的单个驱动功率供应单元。
栅极驱动装置可进一步包括将驱动功率输送至所述多个栅极驱动器的功率供应单元。
功率供应单元可包括彼此串联地连接的多个二极管。
功率供应单元可包括彼此并联地连接的多个二极管。
根据本发明的另一个方面，提供包括一种换流器，该换流器包括：换流器单元，具有换流器臂并且对输入功率进行转换以输出交流（AC）功率，换流器臂包括在输入功率终端与地之间彼此串联地连接的高压侧开关和低压侧开关，所述输入功率终端供应具有预定电压等级的输入功率；栅极驱动单元，具有多个栅极驱动器以控制所述高压侧开关的转换，栅极驱动器布置在输入终端与输出终端之间，所述输入终端接收指令信号以对换流器单元提供转换控制，所述输出终端输出控制信号以控制换流器单元的转换；以及平衡单元，根据高压侧开关的转换使得对所述多个栅极驱动器施加的电压被划分以供应至所述多个栅极驱动器中的各个栅极驱动器，并且保持电压被划分以供应至各个栅极驱动器的状态。
平衡单元可包括多个平衡器，所述多个平衡器分别连接至所述多个栅极驱动器并且使得对所述多个栅极驱动器施加的电压被均等地划分以供应至各个栅极驱动器。
多个平衡器可以包括分别并行地连接至所述多个栅极驱动器的多个电阻器。
多个平衡器可以包括分别并行地连接至所述多个电阻器的多个电容器。
附图说明
从下文中结合附图进行的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其他方面、特征以及其他优点，附图中：
图1为示出了根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置的视图；
图2为示出了根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置中的平衡单元的视图；
图3为示出了在根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置中在瞬态下出现在高压栅极驱动单元中的瞬时电流的视图；
图4为示出了根据本发明的另一个实施例的栅极驱动装置中的平衡单元的视图；
图5A为示出了根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置中的功率供应单元的视图；
图5B为示出了根据本发明的另一个实施例的栅极驱动装置中的功率供应单元的视图；
图6A为栅极驱动装置的电路图；
图6B和图6C为描绘了在图6A中示出的栅极驱动装置的电特性的电波形；
图7A为示出了根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置的电路图；
图7B和图7C为描绘了在图7A中示出的栅极驱动装置的电特性的电波形；以及
图8示出了根据本发明的一个实施例的换流器。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。
然而，本发明可以多种不同的形式体现，并且不应当被解释为限于在本文中阐述的实施例。而是，提供这些实施例，以使本公开将是透彻且完整的，并且将本发明的保护范围充分传达给本领域技术人员。
贯穿整个附图，相同或相似的参照标号将用于指代相同或相似的元件。
图1为示出了根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置的视图。
参照图1，栅极驱动装置可以包括高压栅极驱动单元100、低压栅极驱动单元200、以及换流器单元300。
高压栅极驱动单元100可接收指令信号S1以对换流器单元300提供转换控制，并且输出控制信号S3以控制换流器单元300的转换。
高压栅极驱动单元100可包括栅极驱动单元110、功率供应单元120、以及平衡单元130。
栅极驱动单元110可布置在指令信号输入终端与控制信号输出终端之间，所述指令信号输入终端接收指令信号S1以对换流器单元300提供转换控制，所述控制信号输出终端输出控制信号S3以控制换流器单元300的转换。
此外，栅极驱动单元110可包括多个栅极驱动器。例如，如在图1中所示，栅极驱动单元110可包括第一栅极驱动器112和第二栅极驱动器114。
栅极驱动单元110可控制换流器单元300的转换。
当接收指令信号S1时，第一栅极驱动器112可将包括在指令信号S1中的关于转换控制的信息传输（S2）至第二栅极驱动器114。
第二栅极驱动器114可将与输入至第一栅极驱动器112的指令信号S1相对应的控制信号S3输送至换流器单元300，从而控制换流器单元300的转换。
换流器单元300可对输入功率VH进行转换以输出交流（AC）功率。此外，换流器单元300可包括换流器臂，该换流器臂具有在输入终端与地之间串联地连接的高压侧开关HM和低压侧开关LM，输入功率VH经由所述输入终端输入。
尽管未示出，多个高压侧开关HM可串联地连接，从而划分对多个高压侧开关施加的电压。同样地，多个低压侧开关LM可串联地连接。
来自高压栅极驱动单元100的控制信号S3可输入至高压侧开关HM的栅极，从而控制接通和断开。另外，来自低压栅极驱动单元200的控制信号SL可输入至低压侧开关LM的栅极，从而控制接通和断开。
根据高压侧开关HM的接通和断开，可对高压栅极驱动单元100施加与输入功率VH相对应的电压等级。
高压栅极驱动单元100可包括平衡单元130，使得所施加的功率的电压等级可被划分以供应至第一栅极驱动器112和第二栅极驱动器114。即，根据换流器臂的转换，平衡单元130可使得对栅极驱动单元施加的电压被划分以供应至第一栅极驱动器112和第二栅极驱动器114。
平衡单元130可包括多个平衡器。所述多个平衡器可分别连接至多个栅极驱动器，从而使得对栅极驱动器施加的电压被均等地划分。
参照图1，平衡单元130可以包括第一平衡器140和第二平衡器150。第一平衡器140可并行地连接至第一栅极驱动器112。同样地，第二平衡器150可并行地连接至第二栅极驱动器114。
因此，根据高压侧开关HM的接通和断开，第一平衡器140和第二平衡器150可使得可适用于第一栅极驱动器112和第二栅极驱动器114的功率电压被均等地划分。
例如，如果输入具有1200V或以上的电压等级的输入功率VH，那么根据高压侧开关HM的接通和断开，对高压栅极驱动单元100施加的电压等级可被均等地划分以供应至第一栅极驱动器112和第二栅极驱动器114。在这种情况下，可对第一栅极驱动器112和第二栅极驱动器114中的每个使用具有600V的耐压的栅极驱动器。
此外，栅极驱动装置可包括对栅极驱动单元110供应驱动功率的单个驱动功率供应单元400。
为了对多个栅极驱动器112和114施加单个功率vcc，高压栅极驱动单元100可包括功率供应单元120。
功率供应单元120可包括多个功率供应器122和124，并且功率供应器122和124可对栅极驱动器112和114的终端供应单个功率vcc。
根据本发明的一个实施例，当对低压侧开关LM施加“接通”信号并且对高压侧开关HM施加“断开”信号时，通过单个驱动功率供应单元400和功率供应单元120以功率vcc对第一电容器C1和第二电容器C2进行充电。
然后，当对低压侧开关LM施加“断开”信号并且对高压侧开关HM施加“接通”信号时，可对高压栅极驱动单元100施加与输入功率VH相对应的电压等级。
所施加的电压可施加至第二栅极驱动器114的终端VS。此外，第二栅极驱动器114的终端VB的电压可通过对终端VS施加的电压和第二电容器C2中的电压来确定。例如，第二栅极驱动器114的终端VB的电压可为对第二栅极驱动器114施加的电压与充在第二电容器C2中的电压的总和。
当所施加的电压被第一平衡器140和第二平衡器150均等地划分时，可对第一栅极驱动器112的终端VS施加划分后的电压。此外，第一栅极驱动器112的终端VB的电压可通过对第一栅极驱动器112的终端VS施加的电压和第一电容器C1中的电压来确定。例如，第一栅极驱动器112的终端VB的电压可为对第一栅极驱动器112的终端VS施加的电压与充在第二电容器C1中的电压的总和。
因此，用于驱动高压侧开关HM的控制信号S3的输出终端HO上的电压的范围可通过对第二栅极驱动器114的终端VS施加的电压和施加至第二栅极驱动器114的终端VCC的电压来确定。
此外，第一栅极驱动器112的输出终端HO上的电压的范围可通过对第一栅极驱动器112的终端VS施加的电压和对第一栅极驱动器112的终端VCC施加的电压来确定。
即，根据本发明的该实施例，第二栅极驱动器114的输出终端HO上的电压可在从对第二栅极驱动器114的终端VS施加的电压等级（例如，VH）到对第二栅极驱动器114的终端VB施加的电压等级（例如，VH+VCC）的范围内变化。
此外，施加至第一栅极驱动器112的输出终端HO的电压可在从对第一栅极驱动器112的终端VS施加的电压等级（例如，0.5×VH）到对第二栅极驱动器的终端VB施加的电压等级（例如，0.5×VH+VCC）的范围内变化。
此外，对第一栅极驱动器112的输入终端IN施加的电压可在从对第一栅极驱动器112的终端COM施加的电压等级（例如，0V）到对第一栅极驱动器112的终端VCC施加的电压等级（例如，VCC）的范围内变化。
低压栅极驱动单元200可控制低压侧开关LM的转换。
图2为示出了根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置中的平衡单元的视图。
参照图2，平衡单元可包括用于第一栅极驱动器112的第一平衡器140、以及用于第二栅极驱动器114的第二平衡器150。
由于除了平衡单元之外的部件与上述的那些相同，因而将省略其详细描述。
第一平衡器140可以包括第一电阻器142和第一电容器144。第一电阻器142可并行地连接至第一栅极驱动器112。此外，第一电容器144可并行地连接至第一电阻器142。
第二平衡器150可包括第二电阻器152和第二电容器154。这里，第二电阻器152可并行地连接至第二栅极驱动器112。此外，第二电容器154可并行地连接至第二电阻器152。
参照图2，在第一电阻器142的电阻与第二电阻器152的电阻具有相同值的情况下，电压可被均等地划分以供应至第一栅极驱动器112和第二栅极驱动器114。
第一电容器144和第二电容器154可防止在瞬态下电压被不均等地划分而供应至第一栅极驱动器112和第二栅极驱动器114。这里，瞬态是指其中第一栅极驱动器112或第二栅极驱动器114的输出信号S2或S3的等级从高变低的状态。
即，当从多个栅极驱动器中的至少一个栅极驱动器输出的信号的等级从高变低时，平衡单元130可保持电压被划分给多个栅极驱动器的状态。
图3为示出了在根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置中在瞬态下出现在高压栅极驱动单元中的瞬时电流的视图。
参照图3，当控制信号S3的等级从高变低时，可在第一栅极驱动器的终端VS与第一栅极驱动器的终端COM之间形成临时电流通路It。
当平衡单元仅构造有第一电阻器142和第二电阻器152而没有第一电容器144和第二电容器154时，如果形成在图3中示出的电流通路It，则可在第一栅极驱动器与第二栅极驱动器之间出现电压划分的失衡。电压划分的这种失衡可导致电压具有的等级高于对栅极驱动器施加的耐压的等级。在这种情况下，栅极驱动器可由于电压具有的等级高于耐压的等级而损坏。
即使出现瞬态，第一电容器144和第二电容器154也可保持第一栅极驱动器112与第二栅极驱动器114之间的电压的平衡。
根据本发明的该实施例，当转换具有为大约1200V的电压等级的输入功率时，由于第一栅极驱动器和第二栅极驱动器，可使用耐压低于1200V的栅极驱动电路。
例如，取代安装耐压为1200V的昂贵的栅极驱动电路，对高压栅极驱动单元施加的电压在转换时被划分以供应至多个栅极驱动器，使得驱动电路可稳定地运行，因而可降低制造成本。
另外，根据本发明的该实施例，第一电容器和第二电容器可防止在瞬态下对第一栅极驱动器或第二栅极驱动器施加具有的等级高于耐压的等级的电压。
图4为示出了根据本发明的另一个实施例的栅极驱动装置中的平衡单元的视图。
参照图4，第一平衡器140可由电阻器142和电容器144组成。此外，第二平衡器150可由电阻器152、电容器154、以及二极管156组成。
图5A为示出了根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置中的功率供应单元的视图；并且图5B为示出了根据本发明的另一个实施例的栅极驱动装置中的功率供应单元的视图。
参照图5A和图5B，功率供应单元120可包括多个二极管。
参照图5A，功率供应单元120可包括彼此串联地连接的多个二极管123和127。
可替换地，参照图5B，功率供应单元120可包括彼此并联地连接的多个二极管124和128。
由于除了在图5中示出的栅极驱动装置中的功率供应单元120之外的部件与上述的那些相同，因而将省略其详细描述。
功率供应单元120可将单个驱动功率vcc输送至栅极驱动器。
此外，功率供应单元120可形成通路，以便以单个驱动功率vcc对电容器C1、C2进行充电。
图6A为栅极驱动装置的电路图，并且6B和图6C为描绘了在图6A中示出的栅极驱动装置的电特性的电波形。
对于图6A的栅极驱动装置，省略了设置在图4的栅极驱动装置中的电容器144和154。
图6B示出了来自第一栅极驱动器的输出信号S20、来自第二栅极驱动器的输出信号S30、被划分以供应至第一栅极驱动器的电压V10、以及被划分以供应至第二栅极驱动器的电压V20。
图6C为图6B的部分A的放大图。
部分A表示瞬态，其中，来自第一栅极驱动器的输出信号S20的等级和来自第二栅极驱动器的输出信号S30的等级从高变低。
参照图6B和图6C，当来自第一栅极驱动器的输出信号S20的等级和来自第二栅极驱动器的输出信号S30的等级从高变低时，在被划分以供应至第一栅极驱动器的电压V10与被划分以供应至第二栅极驱动器的电压V20之间出现失衡。
当被划分以供应至第一栅极驱动器的电压V10和被划分以供应至第二栅极驱动器的电压V20中的每个均具有0.5×VH的值时，第一栅极驱动器和第二栅极驱动器可具有处于允许范围内的耐压。
然而，当电压VH被不均等地划分而供应至第一栅极驱动器和第二栅极驱动器时，可对第一栅极驱动器或第二栅极驱动器施加具有的等级高于耐压的等级的电压，并且因此可出现损坏。
图7A为示出了根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置的电路图，并且图7B和图7C为描绘了在图7A中示出的栅极驱动装置的电特性的电波形。
图7A为示出了根据本发明的一个实施例的栅极驱动装置的视图。
图7B示出了来自第一栅极驱动器的输出信号S2、来自第二栅极驱动器的输出信号S3、被划分以供应至第一栅极驱动器的电压V1、被划分以供应至第二栅极驱动器的电压V2。
图7C为图7B的部分B的放大图。
部分B表示瞬态，其中，来自第一栅极驱动器的输出信号S2的等级和来自第二栅极驱动器的输出信号S3的等级从高变低。
参照图7B和图7C以及图6B和图6C，可看出，在根据本发明的这些实施例的栅极驱动装置中，当来自第一栅极驱动器的输出信号S2的等级和来自第二栅极驱动器的输出信号S3的等级从高变低时，可防止被划分以供应至第一栅极驱动器的电压V1与被划分以供应至第二栅极驱动器的电压V2之间的失衡。
在这种情况下，对第一栅极驱动器和第二栅极驱动器施加与正常状态下的电压的等级相似的电压等级，甚至在瞬态下也是如此。因此，被划分以供应至第一栅极驱动器的电压V1和被划分以供应至第二栅极驱动器的电压V2具有处于第一栅极驱动器和第二栅极驱动器的允许范围内的等级。
图8示出了根据本发明的一个实施例的换流器。
如上所述，换流器单元可至少包括换流器臂。如果输出AC功率为单相，则包括单个换流器臂，如果输出AC功率为如在图8中所示的三相，则包括三个换流器臂651、652和653。在图8中示出的根据本发明的该实施例的换流器可包括第一至第三高压栅极驱动单元610、620和630，以用于控制三个换流器臂651、652和653的高压侧开关HM1、HM2和HM3的接通和断开。此外，低压侧开关LM1、LM2和LM3的接通和断开可由低压栅极驱动单元640控制。由于第一至第三高压栅极驱动单元610、620和630的构造可与在图1中示出的高压栅极驱动单元100的构造相同，因而省略其详细描述。
如上所述，根据本发明的这些实施例，可提供可在高压下稳定运行的栅极驱动装置、以及具有栅极驱动装置的换流器。
此外，根据本发明的这些实施例，可提供一种能够防止在瞬态下电压具有的等级高于耐压的等级的栅极驱动装置、以及具有栅极驱动装置的换流器。
尽管已结合实施例示出并描述了本发明，然而本领域技术人员应当理解的是，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可做出修改和变型。

Claims (13)

1.一种栅极驱动装置，所述栅极驱动装置包括：
换流器臂，所述换流器臂包括高压侧开关和低压侧开关；
栅极驱动单元，所述栅极驱动单元接收指令信号以对所述换流器臂提供转换控制，输出控制信号以控制所述换流器臂的转换，并且所述栅极驱动单元包括多个栅极驱动器；以及
平衡单元，所述平衡单元根据基于所述控制信号的所述换流器臂的转换，使得对所述多个栅极驱动器施加的电压被划分以供应至所述多个栅极驱动器中的各个栅极驱动器。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其中，所述平衡单元包括多个平衡器，所述多个平衡器分别连接至所述多个栅极驱动器并且使得对所述多个栅极驱动器施加的电压被均等地划分以供应至所述各个栅极驱动器。
3.根据权利要求2所述的栅极驱动装置，其中，所述多个平衡器包括分别并行地连接至所述多个栅极驱动器的多个电阻器。
4.根据权利要求3所述的栅极驱动装置，其中，所述多个平衡器包括分别并行地连接至所述多个电阻器的多个电容器。
5.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其中，当从所述多个栅极驱动器中的任何一个栅极驱动器输出的信号的等级从高变低时，所述平衡单元保持电压被划分以供应至所述各个栅极驱动器的状态。
6.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，进一步包括对所述栅极驱动单元供应驱动功率的单个驱动功率供应单元。
7.根据权利要求6所述的栅极驱动装置，进一步包括将所述驱动功率输送至所述多个栅极驱动器的功率供应单元。
8.根据权利要求7所述的栅极驱动装置，其中，所述功率供应单元包括彼此串联地连接的多个二极管。
9.根据权利要求7所述的栅极驱动装置，其中，所述功率供应单元包括彼此并联地连接的多个二极管。
10.一种换流器，所述换流器包括：
换流器单元，所述换流器单元具有换流器臂并且对输入功率进行转换以输出交流（AC）功率，所述换流器臂包括在输入功率终端与地之间彼此串联地连接的高压侧开关和低压侧开关，所述输入功率终端供应具有预定电压等级的输入功率；
栅极驱动单元，所述栅极驱动单元具有多个栅极驱动器以控制所述高压侧开关的转换，所述栅极驱动器布置在输入终端与输出终端之间，所述输入终端接收指令信号以对所述换流器单元提供转换控制，所述输出终端输出控制信号以控制所述换流器单元的转换；以及
平衡单元，所述平衡单元根据所述高压侧开关的转换使得对所述多个栅极驱动器施加的电压被划分以供应至所述多个栅极驱动器中的各个栅极驱动器，并且所述平衡单元保持电压被划分以供应至所述各个栅极驱动器的状态。
11.根据权利要求10所述的换流器，其中，所述平衡单元包括多个平衡器，所述多个平衡器分别连接至所述多个栅极驱动器并且使得对所述多个栅极驱动器施加的电压被均等地划分以供应至所述各个栅极驱动器。
12.根据权利要求11所述的换流器，其中，所述多个平衡器包括分别并行地连接至所述多个栅极驱动器的多个电阻器。
13.根据权利要求12所述的换流器，其中，所述多个平衡器包括分别并行地连接至所述多个电阻器的多个电容器。
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