CN110326201A

CN110326201A - 门极驱动器的改进或与之有关的改进

Info

Publication number: CN110326201A
Application number: CN201880012354.4A
Authority: CN
Inventors: C.C.戴维森
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2019-10-11
Also published as: WO2018149731A1; US20200235728A1; US10833667B2; EP3364534A1; EP3364534B1

Abstract

在用于具有门极端子的开关设备的门极驱动器的领域中，开关设备能够经由所述门极端子接通和断开，开关级（10；90）包括在使用中能与稳压源（20）的对应正和负端子（16、18）连接的第一和第二输入端子（12、14）。开关级（10；80；90）还包括输出端子（34），该输出端子（34）在使用中能与开关设备（28）的门极端子（36）连接。另外，开关级（10；80；90）包括辅助能量存储设备（38），其与第一和第二输入端子（12、14）电连接以在使用中经由所述稳压源（20）来接收和存储能量。开关级（10；90）在使用中选择性地在稳压源（20）与输出端子（34）之间提供第一开关路径（50）以向门极端子（36）施加第一极性的电压，并且在辅助能量存储设备（38）与输出端子（34）之间提供第二开关路径（52）以向门极端子（36）施加与第一极性相反的第二极性的电压。

Description

门极驱动器的改进或与之有关的改进

技术领域

本发明涉及用于开关设备的门极驱动器（gate driver）的开关级（switchingstage），开关设备具有门极端子，开关设备能够经由所述门极端子接通和断开。

发明内容

根据本发明，提供了用于开关设备的门极驱动器的开关级，开关设备具有门极端子，开关设备能够经由所述门极端子接通和断开，该开关级包括：

第一和第二输入端子，它们在使用中能与稳压源的对应正和负端子连接；

输出端子，其在使用中能与开关设备的门极端子连接；以及

辅助能量存储设备，其与第一和第二输入端子电连接以在使用中经由稳压源来接收和存储能量，

开关级在使用中选择性地在稳压源与输出端子之间提供第一开关路径以向门极端子施加第一极性的电压，以及

开关级在使用中选择性地在辅助能量存储设备与输出端子之间提供第二开关路径以向门极端子施加与第一极性相反的第二极性的电压。

包括辅助能量存储设备提供便利的第二电压源，其之后能够容易以与稳压源的极性相反的极性施加到相关联的开关设备的门极端子。

优选地，在使用中，第一开关路径选择性地在稳压源的正端子与输出端子之间延伸并且第二开关路径选择性地在辅助能量存储设备的负端子与输出端子之间延伸。

这样的布置准许选择性提供第一开关路径来控制相关联的开关设备的接通并且选择性提供第二开关路径来控制相关联的开关设备的断开。

可选地，第一开关路径包括第一开关元件并且第二开关路径包括第二开关元件。

分别包括这样的第一和第二开关元件提供对于选择性提供第一和第二开关路径的、期望程度的控制。

在本发明的优选实施例中，辅助能量存储设备与第一和第二输入端子并联电连接。

采用前述方式来连接辅助能量存储设备使得：辅助能量存储设备的正端子与稳压源的正端子电连接，并且辅助能量存储设备的负端子与稳压源的负端子电连接，并且因此借助于将能量提供给稳压源，能量被存储在辅助能量存储设备中。

在本发明的另一个优选实施例中，辅助能量存储设备经由相应的电阻器与第一和第二输入端子并联电连接。

经由相应的电阻器将辅助能量存储设备与第一和第二输入端子并联电连接并且因此在使用中与相关联的稳压源的正和负端子并联电连接提供了为每个电阻器选择相对高的欧姆值的选项，使得在提供第二开关路径的短时间段（例如几微秒）期间，电阻器不起作用并且因此有效地将辅助能量存储设备与稳压源去耦合。

第二开关元件可以是或包括自触发第二开关元件。

包括自触发第二开关元件避免为第二开关元件提供另外单独的门极驱动器的需要。

优选地，自触发第二开关元件配置成：在跨其施加低于电压阈值的电压时保持断开，并且自触发第二开关元件配置成：在跨其施加等于或高于电压阈值的电压时接通以提供第二开关路径。

这样的自触发第二开关元件合乎需要地接通和断开而不需要任何主动外部控制。

可选地，自触发第二开关元件在使用中在开关级的输出端子与辅助能量存储设备的负端子之间电连接。

采用前面提到的方式来连接自触发第二开关元件意指通常跨自触发第二开关元件施加低于电压阈值的电压使得它保持断开。

在使用中，辅助能量存储设备的正端子可以选择性地能与稳压源的负端子连接。

选择性地将辅助能量存储设备的正端子与稳压源设备的负端子连接暂时将辅助能量存储设备与稳压源串联布置，并且因此提供跨第二开关元件施加大于或等于电压阈值的电压的选项，使得第二开关元件能够接通以提供第二开关路径。

在使用中，第一开关元件可以与稳压源的正端子相邻。

例如，在诸如气体放电管（gas tube）之类的相关联的开关设备需要从它的门极端子换向出的大量电流（可能甚至与气体放电管的阳极电流一样大）以便实行开关设备的断开的情形中，将第一开关元件这样放置将它从第二开关路径的一部分移除，并且因此避免使第一开关元件的额定电流为高断开电流的需要。

在本发明的又一个优选实施例中，辅助能量存储设备经由转换器与第一和第二输入端子电连接，该转换器配置成向辅助能量存储设备施加隔离电压电位。

采用前面提到的方式经由转换器连接辅助能量存储设备提供将电压电位存储在辅助能量存储设备中的选项，该电压电位在幅度上与稳压源的不同，并且由此准许例如根据实际需要的幅度来调整向门极端子施加的电压电位的幅度以接通和断开相关联的开关设备，这进而准许使稳压源和辅助能量存储设备的大小优化。

可选地，第一和第二开关元件中的每个是可控开关元件。

这样的特征对本发明的开关级能够实行相关联的开关元件的接通和断开所采用的方式提供期望程度的控制。

附图说明

现在接着通过非限制性示例，对下面的附图进行参考，简要描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1示出根据本发明的第一实施例的开关级，其在连接到采取气体放电管形式的开关设备的门极驱动器内；以及

图2示出根据本发明的第二实施例的开关级，其在连接到采取气体放电管形式的开关设备的门极驱动器内。

具体实施方式

根据本发明的第一实施例的开关级一般由标号10标示，如图1中所示。

第一开关级10包括第一和第二输入端子12、14，它们在使用中能连接到稳压源20的对应正和负端子16、18以便形成门极驱动器22。

关于示出的实施例，稳压源20经由电阻器-电容器阻尼级（damping stage）32在采取气体放电管30形式的开关设备28的阳极与阴极端子24、26之间连接。然而，本发明的开关级10可以结合其他稳压源和开关设备使用。

第一开关级10还包括输出端子34，其在使用中能与开关设备28（即，气体放电管30）的门极端子36连接。

另外，第一开关级10包括采取存储电容器40形式的辅助能量存储设备38（但可以使用其他类型的能量存储设备），辅助能量存储设备38与第一和第二输入端子12、14电连接以经由稳压源20接收和存储能量。

更特别地，辅助能量存储设备38，即，存储电容器40，经由相应的第一和第二电阻器42、44与第一和第二输入端子12、14并联电连接，使得稳压源20的正端子16（经由第一电阻器42）与辅助能量存储设备38的正端子46电连接并且稳压源20的负端子18（经由第二电阻器44）与辅助能量存储设备38的负端子48电连接。

在使用中，第一开关级10选择性地提供在稳压源20的正端子16与输出端子34之间延伸的第一开关路径50，以及在辅助能量存储设备38的负端子48与输出端子34之间延伸的第二开关路径52。

第一开关路径50包括第一开关元件54，其在示出的实施例中采取可控第一开关元件56的形式，并且更特别地采取绝缘栅双极晶体管（IGBT）58与跨其连接的反并联二极管60的形式。然而，还可以使用其他类型的第一开关元件，包括其他类型的可控第一开关元件。

第一开关元件54，即，IGBT 58和反并联二极管60组合，与稳压源20的正端子16相邻，即，在使用中直接与所述正端子16电连接。

另外，在示出的实施例中，第一开关元件54具有与其串联连接的第三电阻器74，但这不一定需要是这种情况。如果包括的话，第三电阻器74优选地具有低电感并且大小定为不使电流太大以致于在第一开关级10的操作期间不能流过第一开关元件54，如在下文更详细描述的那样。

在第一开关级（未示出）的其他实施例中，第一开关元件可以改为包括与其并联连接的高欧姆值电阻器。

第二开关路径52包括第二开关元件62，其在示出的实施例中是自触发第二开关元件64，并且更特别地是结合击穿二极管68布置的开关晶闸管66。更特别地，击穿二极管68仍然连接在第一开关级10的输出端子34与开关晶闸管66的晶闸管门极端子70之间。

采用前述方式，自触发第二开关元件64配置成：在跨其施加低于电压阈值的电压时保持断开，即，在跨开关晶闸管66施加低于击穿二极管68的击穿电压的电压时保持断开，并且自触发第二开关元件64配置成：当跨其施加大于或等于电压阈值的电压时接通以建立第二开关路径52，即，当跨开关晶闸管66施加大于或等于击穿二极管68的击穿电压的电压时接通以建立第二开关路径52。

然而，可以使用其他类型的自触发第二开关元件，诸如，例如开关晶闸管和火花隙（spark gap）组合、击穿二极管本身或火花隙本身。

返回示出的实施例，自触发第二开关元件64在使用中在第一开关级10的输出端子34与辅助能量存储设备38（即，存储电容器40）的负端子48之间电连接。

另外，辅助能量存储设备38（即，存储电容器40）的正端子46选择性地能经由第三开关元件72与稳压源20的负端子18连接，该第三开关元件72相似地采取IGBT 58与跨其连接的反并联二极管60的形式。

在使用中，在正常操作期间，辅助能量存储设备38（即，存储电容器40）经由第一和第二电阻器42、44与稳压源20并联连接，并且存储经由稳压源20接收的能量。

跨第二开关元件62的电压，即，跨开关晶闸管66和击穿二极管68组合的电压由第一开关级10的输出端子34与存储电容器40的负端子48之间的电压给出，该电压在第一开关元件54断开时为零。这样的电压低于电压阈值，即，低于击穿二极管68的击穿电压并且因此开关晶闸管66保持断开。

如所期望的，第一开关元件54，即，相关联的IGBT 58和反并联二极管60布置，选择性地接通以在稳压源20的正端子16与输出端子34之间建立第一开关路径50，并且由此向开关设备28（即，气体放电管30）的门极端子36施加第一正极性的电压V。在门极端子36处的这种正电压起到接通开关设备28的作用。

同时，跨第二开关元件62的电压上升到向输出端子34施加的电压V。然而，这种电压仍然低于击穿二极管68的击穿电压并且因此开关晶闸管66保持断开。

一般允许开关设备28自然断开，即，自然换向为断开，这是通过断开第一开关元件54并且由此从门极端子36移除正电压V且使设备28反向偏置进行的。

然而，在需要强制断开开关设备28的情况下，例如在换向故障的情况下，随后能够接通第三开关元件72以选择性地将辅助能量存储设备38（即，存储电容器40）的正端子46与稳压源20的负端子18连接。这样的步骤将辅助能量存储设备38与稳压源20串联连接并且由此使能够跨第二开关元件62（即，开关晶闸管66和击穿二极管68组合）呈现的电压加倍。这种电压大于击穿二极管68的击穿电压并且因此将使得击穿二极管68接通第二开关元件62。因此，短暂接通第一开关元件54向击穿二极管68呈现大于击穿电压的电压、使得第二开关元件62接通并且由此在存储电容器40的负端子48与输出端子34之间建立第二开关路径52。

与第一开关元件54串联连接的第三电阻器74有助于防止在第一、第二和第三开关元件54、62、72中的每个接通时创建的电路环路周围流动的电流在第一开关元件54保持短暂接通时上升太快。在这方面，一旦建立了第二开关路径52，第一开关元件54就能够断开。

同时，采用前述方式将存储电容器40的负端子48连接到输出端子34向开关设备28（即，气体放电管30）的门极端子36施加第二负极性的电压V，其起到使开关设备28强制断开的作用。

此外，因为第一开关元件54没有位于第二开关路径52内，所以它没有暴露于潜在高的断开电流，并且因此能够是相对小的开关元件，其例如适合于安装在印刷电路板上。

根据本发明的第二实施例的开关级一般由参考标号90标示，如图2中所示。

第二开关级90与第一开关级10共享一些特征并且这些特征共享相同参考标号。第二开关级90能够相似地结合完全相同的稳压源20一起用来形成用于完全相同的开关设备28的门极驱动器22，但它也可以与其他稳压源和开关设备一起使用。

第二开关级90与第一开关级10的不同之处在于，辅助能量存储设备38，即，存储电容器40，经由转换器92与第二开关级90的第一和第二输入端子12、14电连接，该转换器92配置成向辅助能量存储设备38施加隔离电压电位。

在示出的实施例中，转换器92是直流到直流转换器，即，DC-DC转换器，并且更特别地是反激式（flyback）DC-DC转换器，但可以使用其他类型的隔离转换器。

第二开关级90再次选择性地在稳压源20的正端子16与输出端子34之间提供第一开关路径50，并且在辅助能量存储设备38的负端子48之间提供第二开关路径52。

第一开关路径50包括可控第一开关元件56，其再次采取IGBT 58与跨其连接的反并联二极管60的形式。另外，第二开关路径52还包括可控第二开关元件94，其在示出的实施例中采取IGBT 58与跨其连接的反并联二极管60的形式（但还可以使用其他类型的可控第二开关元件）。

在使用中，辅助能量存储设备38，即，存储电容器40，由转换器92充电以产生第二稳压源96，其不一定需要具有与第一稳压源20相同的幅度。

可控第一开关元件56选择性地接通以建立第一开关路径50并且由此以第一正极性向开关设备28的门极端子36施加第一稳压源20来接通开关设备28。

相似地，可控第二开关元件94选择性地接通以建立第二开关路径52并且由此以第二负极性向开关设备28的门极端子36施加第二稳压源96以根据需要使开关设备28强制断开。

Claims

1.一种用于开关设备（28）的门极驱动器（22）的开关级（10；90），所述开关设备（28）具有门极端子（36），所述开关设备（28）能够经由所述门极端子（36）接通和断开，所述开关级（10；90）包括：

第一和第二输入端子（12、14），所述第一和第二输入端子（12、14）在使用中能与稳压源（20）的对应正和负端子（16、18）连接；

输出端子（34），所述输出端子（34）在使用中能与开关设备（28）的门极端子（36）连接；以及

辅助能量存储设备（38），所述辅助能量存储设备（38）与所述第一和第二输入端子（12、14）电连接以在使用中经由所述稳压源（20）来接收和存储能量，

所述开关级（10；90）在使用中选择性地在所述稳压源（20）与所述输出端子（34）之间提供第一开关路径（50）以向所述门极端子（36）施加第一极性的电压，以及

所述开关级（10；90）在使用中选择性地在所述辅助能量存储设备（38）与所述输出端子（34）之间提供第二开关路径（52）以向所述门极端子（36）施加与所述第一极性相反的第二极性的电压。

2.如权利要求1所述的开关级（10；90），其中在使用中所述第一开关路径（50）选择性地在所述稳压源（20）的所述正端子（16）与所述输出端子（34）之间延伸并且所述第二开关路径（52）选择性地在所述辅助能量存储设备（38）的负端子（48）与所述输出端子（34）之间延伸。

3.如权利要求1或权利要求2所述的开关级（10；90），其中所述第一开关路径（50）包括第一开关元件（54）并且所述第二开关路径（52）包括第二开关元件（62）。

4.如任一项前述权利要求所述的开关级（10），其中所述辅助能量存储设备（38）与所述第一和第二输入端子（12、14）并联电连接。

5.如权利要求4所述的开关级（10），其中所述辅助能量存储设备（38）经由相应的电阻器（42、44）与所述第一和第二输入端子（12、14）并联电连接。

6.如权利要求4或权利要求5所述的开关级（10），其中所述第二开关元件（62）是或包括自触发第二开关元件（64）。

7.如权利要求6所述的开关级（10），其中所述自触发第二开关元件（64）配置成：在跨其施加低于电压阈值的电压时保持断开，并且所述自触发第二开关元件（64）配置成：在跨其施加等于或高于所述电压阈值的电压时接通以提供所述第二开关路径（52）。

8.如权利要求7所述的开关级（10），其中所述自触发第二开关元件（64）在所述开关门极（10）的所述输出端子（34）与所述辅助能量存储设备（38）的所述负端子（48）之间电连接。

9.如权利要求4至8中的任一项所述的开关级（10），其中在使用中，所述辅助能量存储设备（38）的所述正端子（46）选择性地能与所述稳压源（20）的所述负端子（18）连接。

10.如权利要求4至9中的任一项所述的开关级（10），当从属于权利要求3时，其中在使用中，所述第一开关元件（54）与所述稳压源（20）的所述正端子（16）相邻。

11.如权利要求1至3中的任一项所述的开关级（90），其中所述辅助能量存储设备（38）经由转换器（92）与所述第一和第二输入端子（12、14）电连接，所述转换器（92）配置成向所述辅助能量存储设备（38）施加隔离电压电位。

12.如权利要求11所述的开关级（90），当从属于权利要求3时，其中所述第一和第二开关元件（54、62）中的每个是可控开关元件（56、94）。