CN105453434A - 采用氮化镓开关的驱动单元 - Google Patents

Abstract

一种用于在用于驱动电机的驱动单元中使用的切换组件。所述切换组件包括：氮化镓开关，所述氮化镓开关具有栅极端子、漏极端子和源极端子；栅极驱动器，所述栅极驱动器生成驱动信号；栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括与所述栅极驱动器和所述栅极端子串联的导通电阻器和跨接在所述栅极端子和所述源极端子上的箝位电路，来自所述栅极驱动器的导通驱动信号通过所述导通电阻器施加到所述栅极端子；以及跨接在所述漏极端子和所述源极端子上的缓冲电路。

Description

采用氮化镓开关的驱动单元

发明领域

本文所公开的主题总体涉及驱动单元的领域，并且更具体地说，涉及一种使用氮化镓开关的驱动单元。

相关技术的描述

现有的电梯驱动单元是基于硅绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。硅基装置的固有切换特性限制了电梯驱动单元的实际的最大脉冲宽度调制(PWM)切换频率、最小损失和最小尺寸。硅基装置的实际切换频率通常是在可听范围内，并且可导致驱动单元和所附接的电机出现噪声问题。

需要减小电梯驱动单元的尺寸。现有的精心设计的驱动单元中的损失为约3-5％。这些损失决定散热器的尺寸，而散热器尺寸是整体电梯驱动单元尺寸的主要贡献者。电梯驱动单元尺寸还受固有的电压阻断能力限制。切换装置尺寸是整体驱动单元尺寸中的另一个因素。

简述

一个示例性实施方案包括一种用于在用于驱动电机的驱动单元中使用的切换组件。所述切换组件包括：氮化镓开关，所述氮化镓开关具有栅极端子、漏极端子和源极端子；栅极驱动器，所述栅极驱动器生成驱动信号；栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括与栅极驱动器和栅极端子串联的导通电阻器和跨接在栅极端子和源极端子上的箝位电路，来自栅极驱动器的导通驱动信号通过导通电阻器施加到栅极端子；以及跨接在漏极端子和源极端子上的缓冲电路。

另一个示例性实施方案包括一种用于驱动电机的驱动单元。所述驱动单元包括：生成控制信号的控制器；第一电压总线和第二电压总线；连接在第一电压总线和第二电压总线中的一个与输出端之间的切换组件，所述切换组件包括：氮化镓开关，所述氮化镓开关具有栅极端子、漏极端子和源极端子；栅极驱动器，所述栅极驱动器响应于控制信号而生成驱动信号；栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括与栅极驱动器和栅极端子串联的导通电阻器和跨接在栅极端子和源极端子上的箝位电路，来自栅极驱动器的导通驱动信号通过导通电阻器施加到栅极端子；以及跨接在漏极端子和源极端子上的缓冲电路。

另一个示例性实施方案包括一种用于驱动电机以使电梯轿厢运动的电梯驱动单元。所述驱动单元包括：生成控制信号的控制器；第一电压总线和第二电压总线；连接在第一电压总线和第二电压总线中的一个与输出端之间的切换组件，所述切换组件包括：氮化镓开关，所述氮化镓开关具有栅极端子、漏极端子和源极端子；栅极驱动器，所述栅极驱动器响应于控制信号而生成驱动信号；栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括与栅极驱动器和栅极端子串联的导通电阻器和跨接在栅极端子和源极端子上的箝位电路，来自栅极驱动器的导通驱动信号通过导通电阻器施加到栅极端子；以及跨接在漏极端子和源极端子上的缓冲电路。

本发明的实施方案的其他方面、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

现参考附图，其中相同元件在图中编号相同：

图1是在示例性实施方案中的电梯驱动单元的示意图；

图2描绘在示例性实施方案中的切换组件；并且

图3描绘在另一个示例性实施方案中的切换组件。

详述

图1是在示例性实施方案中的驱动单元10的示意图。在示例性实施方案中，驱动单元10可用作电梯或自动扶梯的一部分。驱动单元10包括由控制器14驱动的多个切换组件12。控制器14向栅极驱动器30(图2)提供用于控制如本文所述的切换组件12中的开关的控制信号。在示例性实施方案中，来自控制器14的控制信号可以是脉冲宽度调制(PWM)控制信号。可以使用执行存储在存储介质上的计算机程序来执行本文所述的操作的通用微处理器来实现控制器14。或者，可以在硬件(例如，ASIC、FPGA)或硬件/软件的组合中实现控制器14。切换组件12可包含多个开关、栅极驱动器和其他部件，如本文参考图2进一步详细描述的。

驱动单元10包括三个相支路16，每个相支路16包括两个切换组件12。每一个相支路16连接到第一DC电压总线20和第二DC电压总线22。在操作中，控制器14打开和关闭切换组件12，以便从第一DC电压总线20施加第一电压或从第二DC电压总线22施加第二电压，从而在端子输出端1、输出端2和输出端3处生成AC信号。在示例性实施方案中，端子输出端1、输出端2和输出端3联接到电机15，例如，三相电梯电机或自动扶梯电机。尽管图1中示出三个相支路16，但本文描述的实施方案可与任意数量相的驱动单元、包括单相驱动单元一起使用。图1描绘二级驱动单元，但本文描述的实施方案可与任何多级驱动单元(例如，三级中性点钳位驱动单元)一起使用。驱动单元10在驱动模式下可操作为换流器(DC到AC)或在再生模式下可操作为整流器(AC到DC)。

图2描绘在示例性实施方案中的切换组件12。切换组件12包括栅极驱动器30，所述栅极驱动器30将驱动信号提供至开关32的栅极端子。在示例性实施方案中，开关32是氮化镓晶体管。栅极驱动器30接收来自控制器14的控制信号，以便生成用于开关32的驱动信号。来自控制器14的控制信号可以是脉冲宽度调制信号。图2中示出单个开关32，但应当理解，切换组件12可包括由栅极驱动器30驱动的多个开关32。切换组件12中的开关32可并联布置以便增加电流容量。

氮化镓开关32是高速切换装置，并且可以在几纳秒内打开和关闭。由于快速切换，开关32可产生非常高的dv/dt，这可显著增加电磁干扰(EMI)并且损坏驱动单元10和从动部件(例如，电机15)。为了管理开关32的切换速度，将栅极驱动电路34定位在栅极驱动器30与开关32之间。栅极驱动电路34包括用于控制开关32的切换速度的元件。

栅极驱动电路34包括与开关32的栅极端子串联的导通电阻器36和关断电阻器38。当打开开关32时，通过导通电阻器36施加导通驱动信号。当关闭开关32时，通过关断电阻器38施加关断驱动信号。一般来说，导通电阻器36可具有比关断电阻器38更大的量值。增大导通电阻器36减少了栅极端子电压的过冲。

栅极驱动电路34包括具有钳位电阻器40和钳位电容器42的栅极钳位电路。钳位电阻器40和钳位电容器42是彼此并联的，并且跨接在开关32的栅极端子和源极端子上。通过选择钳位电阻器40和钳位电容器42的值，可以控制开关32的切换速度。这有助于减小开关32的dv/dt。

切换组件12还包括跨接在开关32的漏极端子和源极端子上的缓冲电路50。可使用电阻器-电容器电路、电阻器-电容器-二极管电路、或其他已知的缓冲电路配置来实现缓冲电路50。缓冲电路50防止开关32的输出端处的电压过冲。通过控制导通电阻器36和关断电阻器38的值以及缓冲电路值，可以增加开关32的打开时间和关闭时间，从而减少开关32的电压上升并且因此减小开关32的dv/dt。这使得使用氮化镓装置能够显著地增加驱动单元的寿命和可靠性。

图3描绘具有多个开关32的切换组件12。如图所示，两个开关32是并联的、由共用的栅极驱动器30驱动。为了便于说明，未示出缓冲电路50。应当理解，可以并联布置多于两个开关32，并且实施方案并不限于两个开关32。实施方案可包括并联的8个、12个、16个或更多个开关。每个开关32包括如上文所讨论的栅极驱动电路34。将开关32并联布置增加了切换组件12的电流容量。如上所述，在替代的实施方案中，开关32也可以串联布置。

使用氮化镓开关的驱动单元具有胜过基于硅装置的那些驱动单元的许多优点。氮化硅装置对硅装置的固有切换特性提高了实际的最大PWM切换频率，降低了最小损失，并且减小了驱动单元(如电梯驱动单元)的最小尺寸。使用氮化镓装置，远高于可听范围的实际切换频率是可能的，这消除了驱动单元和所附接的电机的噪声问题。氮化镓驱动单元中的损失可为约1-2％。这些减少的损失减小了散热器的所需尺寸和/或数量，或消除了对整个散热器的需要。散热器尺寸是整体电梯驱动单元尺寸的重要贡献者。电梯驱动设计取决于可用装置的额定电压和用于实现适当的驱动电压所需的装置布置。小的有效的驱动单元提供在驱动单元位置中增加的灵活性，从而简化安装和维修。

本文中所使用的术语仅仅是为了描述具体实施方案，并且不意图限制本发明。虽然出于说明和描述的目的已经给出了对本发明的描述，但并不意图为详尽的或被限于所公开形式的发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员将明白未在此进行描述的许多修改、变化、改变、置换或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施方案，但应当理解，本发明的各方面可仅包括所描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书的范围限制。

Claims (18)

1.一种用于在用于驱动电机的驱动单元中使用的切换组件，所述切换组件包括：

氮化镓开关，所述氮化镓开关具有栅极端子、漏极端子和源极端子；

栅极驱动器，所述栅极驱动器生成驱动信号；

栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括与所述栅极驱动器和所述栅极端子串联的导通电阻器和跨接在所述栅极端子和所述源极端子上的箝位电路，来自所述栅极驱动器的导通驱动信号通过所述导通电阻器施加到所述栅极端子；以及

跨接在所述漏极端子和所述源极端子上的缓冲电路。

2.根据权利要求1所述的切换组件，其还包括：

与所述栅极驱动器和所述栅极端子串联的关断电阻器，来自所述栅极驱动器的关断驱动信号通过所述关断电阻器施加到所述栅极端子。

3.根据权利要求1所述的切换组件，其中：

所述钳位电路包括跨接在所述栅极端子和所述源极端子上的电容器。

4.根据权利要求1所述的切换组件，其中：

所述钳位电路包括并联的电阻器和电容器，所述电阻器和电容器跨接在所述栅极端子和所述源极端子上。

5.根据权利要求1所述的切换组件，其还包括：

第二氮化镓开关，所述第二氮化镓开关具有栅极端子、漏极端子和源极端子，所述第二氮化镓开关与所述氮化镓开关并联；

第二栅极驱动电路，所述第二栅极驱动电路包括与所述栅极驱动器和所述第二氮化镓开关的所述栅极端子串联的第二导通电阻器和跨接在所述第二氮化镓开关的所述栅极端子和所述源极端子上的第二箝位电路，来自所述栅极驱动器的所述导通驱动信号通过所述第二导通电阻器施加到所述第二氮化镓开关的所述栅极端子。

6.根据权利要求1所述的切换组件，其中：

其中所述驱动单元被配置来在没有专用散热器的情况下进行操作。

7.一种用于驱动电机的驱动单元，所述驱动单元包括：

控制器，所述控制器生成控制信号；

第一电压总线和第二电压总线；

连接在所述第一电压总线和所述第二电压总线中的一个与输出端之间的切换组件，所述切换组件包括：

氮化镓开关，所述氮化镓开关具有栅极端子、漏极端子和源极端子；

栅极驱动器，所述栅极驱动器响应于所述控制信号而生成驱动信号；

栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括与所述栅极驱动器和所述栅极端子串联的导通电阻器和跨接在所述栅极端子和所述源极端子上的箝位电路，来自所述栅极驱动器的导通驱动信号通过所述导通电阻器施加到所述栅极端子；以及

跨接在所述漏极端子和所述源极端子上的缓冲电路。

8.根据权利要求7所述的驱动单元，所述切换组件还包括：

与所述栅极驱动器和所述栅极端子串联的关断电阻器，来自所述栅极驱动器的关断驱动信号通过所述关断电阻器施加到所述栅极端子。

9.根据权利要求7所述的驱动单元，其中：

所述钳位电路包括跨接在所述栅极端子和所述源极端子上的电容器。

10.根据权利要求7所述的驱动单元，其中：

所述钳位电路包括并联的电阻器和电容器，所述电阻器和电容器跨接在所述栅极端子和所述源极端子上。

11.根据权利要求7所述的驱动单元，所述切换组件还包括：

第二氮化镓开关，所述第二氮化镓开关具有栅极端子、漏极端子和源极端子，所述第二氮化镓开关与所述氮化镓开关并联；

第二栅极驱动电路，所述第二栅极驱动电路包括与所述栅极驱动器和所述第二氮化镓开关的所述栅极端子串联的第二导通电阻器和跨接在所述第二氮化镓开关的所述栅极端子和所述源极端子上的第二箝位电路，来自所述栅极驱动器的所述导通驱动信号通过所述第二导通电阻器施加到所述第二氮化镓开关的所述栅极端子。

12.根据权利要求7所述的驱动单元，其中：

其中所述驱动单元被配置来在没有专用散热器的情况下进行操作。

13.一种用于驱动电机以使电梯轿厢运动的电梯驱动单元，所述驱动单元包括：

控制器，所述控制器生成控制信号；

第一电压总线和第二电压总线；

连接在所述第一电压总线和所述第二电压总线中的一个与输出端之间的切换组件，所述切换组件包括：

氮化镓开关，所述氮化镓开关具有栅极端子、漏极端子和源极端子；

栅极驱动器，所述栅极驱动器响应于所述控制信号而生成驱动信号；

栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括与所述栅极驱动器和所述栅极端子串联的导通电阻器和跨接在所述栅极端子和所述源极端子上的箝位电路，来自所述栅极驱动器的导通驱动信号通过所述导通电阻器施加到所述栅极端子；以及

跨接在所述漏极端子和所述源极端子上的缓冲电路。

14.根据权利要求13所述的电梯驱动单元，所述切换组件还包括：

与所述栅极驱动器和所述栅极端子串联的关断电阻器，来自所述栅极驱动器的关断驱动信号通过所述关断电阻器施加到所述栅极端子。

15.根据权利要求13所述的电梯驱动单元，其中：

所述钳位电路包括跨接在所述栅极端子和所述源极端子上的电容器。

16.根据权利要求13所述的电梯驱动单元，其中：

所述钳位电路包括并联的电阻器和电容器，所述电阻器和电容器跨接在所述栅极端子和所述源极端子上。

17.根据权利要求13所述的电梯驱动单元，所述切换组件还包括：

第二氮化镓开关，所述第二氮化镓开关具有栅极端子、漏极端子和源极端子，所述第二氮化镓开关与所述氮化镓开关并联；

第二栅极驱动电路，所述第二栅极驱动电路包括与所述栅极驱动器和所述第二氮化镓开关的所述栅极端子串联的第二导通电阻器和跨接在所述第二氮化镓开关的所述栅极端子和所述源极端子上的第二箝位电路，来自所述栅极驱动器的所述导通驱动信号通过所述第二导通电阻器施加到所述第二氮化镓开关的所述栅极端子。

18.根据权利要求13所述的电梯驱动单元，其中：

其中所述电梯驱动单元被配置来在没有专用散热器的情况下进行操作。