CN104854786B - 用于多级转换器的栅极驱动电源 - Google Patents

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Abstract

一种中性点钳位式多级电平转换器包括：DC电压链路，其具有正轨道和负轨道；耦接到AC节点的相支线，所述相支线具有串联在所述负轨道和所述AC节点之间的第一开关和第二开关，所述相支线具有串联在所述正轨道和所述AC节点之间的第三开关和第四开关；以及栅极驱动电源，其具有电荷泵区段，所述电荷泵区段生成用于所述第一开关的第一栅极驱动电压和用于所述第二开关的第二栅极驱动电压。

Description

用于多级转换器的栅极驱动电源
发明领域
本文所公开的主题大体来说涉及功率转换系统的领域，并且更具体来说涉及用于多级转换器的栅极驱动电源。
相关技术的描述
中性点钳位式(NPC)多级转换器用来将DC信号转换成AC信号，并且用来将AC信号转换成DC信号。三电平NPC转换器是业界普遍接受的，但是相比两电平转换器而言需要更高数目的开关。两电平转换器每个相支线采用两个开关，因此对于3相输出来说总共有6个开关。三电平NPC转换器在每个相支线中采用4个开关，或者开关数是两电平转换器中的两倍。由于活动开关的数目增加，栅极驱动单元的数目也必须增加。栅极驱动单元中的每一个具有其自己的浮动电源，如用于每个开关的变压器隔离电源。这种方法增加了部件的数目，并且可能对转换器的总成本造成负面影响，特别是在低功率应用中。
简要概述
根据本发明的示例性实施方案，一种中性点钳位式多级电平转换器包括：DC电压链路，其具有正轨道和负轨道；耦接到AC节点的相支线，所述相支线具有串联在所述负轨道和所述AC节点之间的第一开关和第二开关，所述相支线还具有串联在所述正轨道和所述AC节点之间的第三开关和第四开关；以及栅极驱动电源，其具有电荷泵区段，所述电荷泵区段生成用于所述第一开关的第一栅极驱动电压和用于所述第二开关的第二栅极驱动电压。
本发明的实施方案的其它方面、特征和技术将从以下结合附图进行的描述变得更加显而易见。
附图简述
现在参考附图，其中相同元件在图中编号相同：
图1为示例性实施方案中的NPC多级转换器的示意图；
图2描绘示例性实施方案中的栅极驱动电源；以及
图3描绘示例性实施方案中的初始化过程。
详述
图1为示例性实施方案中的NPC三相三电平转换器10的示意图。转换器10可以在生成模式或再生模式中操作。在生成模式中，将来自DC链路12的DC信号转换成AC信号。两个电容器18串联连接在DC链路12上，其中电容器接合点被称为中性点(NP)。转换器10在AC节点A、B和C中的每一个处生成单相AC信号。转换器10的每个支线14生成AC相位中的一个。如本领域中已知的，由控制器16控制开关Q以生成AC波形。每个支线14包括钳位中性二极管D，以便将支线输出钳位到中性点NP。在再生模式中，将AC节点A、B和C中的一个或多个上的AC信号转换成DC信号并且供应给DC链路12。在再生模式中，由控制器16控制开关Q以在DC链路12上生成DC信号。开关Q可以是本领域中已知的晶体管。可以使用通用微处理器来实施控制器16，所述通用微处理器执行存储在存储介质上的计算机程序以进行本文中所描述的操作。或者，可以在硬件(例如，ASIC、FPGA)或硬件/软件组合中实施控制器16。
图2描绘用于NPC三相三电平转换器的示例性栅极驱动电源。为了便于说明，图2中只描绘一个支线14。DC链路12包括负轨道20和正轨道22。电容器18串联连接在负轨道20和正轨道22之间，在中性点N处相交。支线14包括四个开关Q1至Q4，这些开关可以是晶体管。开关Q3至Q4从AC节点A串联耦接到负轨道20。开关Q4具有连接到负轨道20的端子，并且开关Q3具有连接到AC节点A的端子。钳位二极管D6将开关Q3至Q4的接合点连接到DC链路12的中性点。反激二极管D3和D4分别定位在开关Q3和Q4的端子上。
开关Q1至Q2从正轨道22串联耦接到AC节点A。开关Q1具有连接到正轨道22的端子，并且开关Q2具有连接到AC节点A的端子。钳位二极管D5将开关Q1至Q2的接合点连接到DC链路12的中性点。反激二极管D1和D2分别定位在开关Q1和Q2的端子上。AC节点A处的可能输出状态VOUT为VDC+(开关Q1和Q2闭合时)、零(开关Q2和Q3闭合时)和VDC-(开关Q3和Q4闭合时)。
图2中还展示了用来将栅极驱动电压提供给开关Q1至Q4的栅极驱动电源。栅极驱动电源包括两个区段：电荷泵区段30和自举区段32。电荷泵区段30将栅极驱动电压提供给开关Q4和Q3。自举区段32将栅极驱动电压提供给开关Q1和Q2。每个支线14具有电荷泵区段30和自举区段32。
电荷泵区段30包括连接到负DC轨道20的栅极驱动电压源VGD。由于电源中二极管和活动开关上的电压降落，栅极驱动电压源VGD的电压输出实质上大于自举电容器CB1和CB2的期望电压。
电荷泵区段30包括电压调节器34，所述电压调节器34接收来自栅极驱动电压源VGD的输出并且将其转换成用于开关Q4的栅极驱动电路的第一栅极驱动电压VG4。
电荷泵区段30还用来获取用于开关Q3的栅极驱动电路的第二栅极驱动电压VG3。脉冲式栅极驱动信号用来接通和断开电荷泵晶体管TC1。脉冲式栅极驱动信号可以在所有相支线14之间共享。在充电模式中，接通电荷泵晶体管TC1，并且栅极驱动电压源VGD通过二极管DC1和DC2对升压电容器CC1充电。晶体管TC2和二极管DC2保持断开，因为晶体管TC2处的栅极-源极电压在充电模式期间被强制为-DC2。
当电荷泵晶体管TC1断开时，电荷泵区段30进入升压模式。升压电容器CC1上的电压开始通过电阻器R2来对晶体管TC2的栅极电容充电。当电荷泵晶体管TC1断开并且晶体管TC2的漏极-源极电压降低时，升压电容器CC1的负(下)端子处的电压从接地电平上升到VDC+。
一旦TC2完全接通，电源便进入泵送模式。升压电容器CC1中的电荷被传递到高压侧电容器CC2，所述高压侧电容器CC2充当开关Q3的栅极的局部电源。电压调节器36接收来自高压侧电容器CC2的输出并且将其转换成用于开关Q3的栅极驱动电路的第二栅极驱动电压VG3。当通过外部控制再次接通电荷泵晶体管TC1时，泵送模式结束。电荷泵晶体管TC1的连续开关确保栅极驱动电荷总是可供开关Q3获得，而不会对期望的相支线开关序列造成任何干扰。使用电荷泵区段30的好处在于，晶体管TC1和TC2可以额定为DC链路电压的一半。这得以达成的原因在于，晶体管Q4上的电压摆幅被限制为DC链路电压的一半(VDC/2)。
一旦稳定的第二栅极驱动电压VG3可在晶体管Q3的源极端子上获得，便可以使用自举区段32从第二栅极驱动电压VG3获取分别用于开关Q1和Q2的栅极驱动电压VG1和VG2。如上文所指出，栅极驱动电压源VGD提供电压来产生栅极驱动电压VG1和VG2。因此，使用单个电源来生成所有栅极驱动电压。
自举区段32从升压电容器CC1接收电荷，并且分别使用二极管DB1和DB2对自举电容器CB1和CB2充电。当开关Q3闭合时，通过二极管DB2和电荷泵晶体管TC1对自举电容器CB2充电。电压调节器38接收来自自举电容器CB2的输出并且将其转换成用于开关Q2的栅极驱动电路的第三栅极驱动电压VG2。当开关Q2和Q3闭合时，通过二极管DB1和电荷泵晶体管TC1对自举电容器CB1充电。电压调节器40接收来自自举电容器CB1的输出并且将其转换成用于开关Q1的栅极驱动电路的第四栅极驱动电压VG1。
在转换器10启动时使用初始化序列，以确保电荷泵区段和自举区段中的电容器的初始充电。图3描绘示例性实施方案中的初始化过程。过程在100处开始，在100中接通开关Q3和Q4，而开关Q1和Q2断开。这针对相支线14将AC节点A上的输出设置为VDC-。用于开关Q3和Q4的栅极驱动电压可从栅极驱动电压源VGD和电荷泵区段30获得。在102处，通过从栅极驱动电压源VGD、电容器CB2和开关Q3至Q4的电流路径对自举电容器CB2充电。
在104处，接通开关Q2和Q3，而开关Q1和Q4断开。这针对相支线14将AC节点A上的输出设置为零。用于开关Q2的第三栅极驱动电压VG2可从在102处充电的自举电容器CB2获得。在106处，通过从栅极驱动电压源VGD、自举电容器CB1和开关Q2至Q3的电流路径对自举电容器CB1充电。一旦所有电容器都已充电，转换器便可以在108处进入操作模式。
栅极驱动电源的实施方案提供若干好处。拓扑结构降低栅极驱动电路的部件数和复杂性。因为部件数较小，所以电路板的面积和总重量减小。与变压器隔离电源相比，所述栅极驱动电源在系统待机时提供更低的功率损耗。栅极驱动电源为低功率三电平单元提供了总价的降低。所述栅极驱动电源使三电平NPC拓扑结构相比标准的两电平转换器而言更具吸引力和成本竞争力，而同时就效率和EMI而言提供更好的性能。由于使用具有更低寄生电容和更低栅极电荷的更低额定电压装置，因此，相比应用于标准的两电平转换器的自举栅极驱动电源而言，所述栅极驱动电源可以应用于更高功率的转换器。
本文中所使用的术语仅仅是为了描述具体实施方案，并且并不意图限制本发明。虽然已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的描述，但是所述描述并不意图是详尽的或在所公开的形式方面限于本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域普通技术人员将清楚地了解在此处没有描述的许多修改、变化、改变、代替或等效布置。此外，尽管描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的各方面可以仅包括所述实施方案中的一些。因此，本发明不应被视为受前文描述限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种中性点钳位式多级电平转换器，其包括：
DC电压链路，其具有正轨道和负轨道；
相支线，其耦接到AC节点，所述相支线具有串联在所述负轨道和所述AC节点之间的第一开关和第二开关，所述相支线具有串联在所述正轨道和所述AC节点之间的第三开关和第四开关；以及
栅极驱动电源，其具有电荷泵区段，所述电荷泵区段生成用于所述第一开关的第一栅极驱动电压和用于所述第二开关的第二栅极驱动电压，
其中，所述栅极驱动电源还包括自举区段，所述自举区段包括第一和第二自举电路用于分别生成用于所述第三开关的第三栅极驱动电压和用于所述第四开关的第四栅极驱动电压，
其中，所述栅极驱动电源包括单个栅极驱动电压源以供应所述第一栅极驱动电压和所述第二栅极驱动电压，
其中，所述电荷泵区段包括经由二极管耦接到所述单个栅极驱动电压源的升压电容器，以及
其中，所述第一和第二自举电路直接连接到所述升压电容器。
2.如权利要求1所述的中性点钳位式多级电平转换器，其中：
所述电荷泵区段包括用于从所述单个栅极驱动电压源生成所述第一栅极驱动电压的第一电压调节器。
3.如权利要求1所述的中性点钳位式多级电平转换器，其中：
所述升压电容器将电压传递到高压侧电容器，以便供应所述第二栅极驱动电压。
4.如权利要求3所述的中性点钳位式多级电平转换器，其中：
所述电荷泵区段包括耦接到所述高压侧电容器的第二电压调节器用于生成所述第二栅极驱动电压。
5.如权利要求1所述的中性点钳位式多级电平转换器，其中：
所述自举区段包括第一自举电容器用于供应所述第三栅极驱动电压。
6.如权利要求5所述的中性点钳位式多级电平转换器，其中：
所述自举区段包括耦接到所述第一自举电容器的第三电压调节器用于生成所述第三栅极驱动电压。
7.如权利要求5所述的中性点钳位式多级电平转换器，其中：
所述自举区段包括第二自举电容器用于供应所述第四栅极驱动电压。
8.如权利要求7所述的中性点钳位式多级电平转换器，其中：
所述自举区段包括耦接到所述第二自举电容器的第四电压调节器用于生成所述第四栅极驱动电压。
9.如权利要求7所述的中性点钳位式多级电平转换器，其中：
所述电荷泵区段操作初始化过程，所述初始化过程包括闭合所述第一开关和所述第二开关，以便对所述第一自举电容器充电。
10.如权利要求9所述的中性点钳位式多级电平转换器，其中：
所述初始化过程包括闭合所述第二开关和所述第三开关，以便对所述第二自举电容器充电。
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