CN113315351B - 一种用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路，包括两路辅助供电电源、自举驱动芯片、自举电容、主自举二极管和辅助自举二极管；主自举二极管采用级联连接结构，阳极连接低一级驱动芯片供电电源，阴极连接于所驱动的高端驱动芯片自举电容；辅助自举二极管采用直连结构，阳极连接至辅助供电电源，阴极连接至所驱动的高端驱动芯片自举电容；每级驱动芯片的主自举二极管和辅助自举二极管采用共阴极接法，构成阵列自举二极管网络。该阵列自举驱动电路无需增加额外的辅助供电电源，仅通过增加辅助自举二极管实现对自举电容的多回路供电，从而缓解高端驱动芯片电压跌落现象，实现对高端驱动芯片的可靠供电。

Description

一种用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路。
背景技术
多电平拓扑电路可以减小功率开关管的电压应力、提高输出电流波形质量、减小无源器件体积，被广泛应用于高压大功率场合，如光伏发电、直流输电、高压直挂储能系统等。近年来，多电平拓扑被进一步用于低压领域，因为该拓扑可以显著减小滤波电感等无源器件体积，优化主回路开关管器件的选型，从而大幅提高变换器的效率和功率密度。然而，实现多电平输出所需要的功率开关管大部分均为浮动开关，即驱动电压没有固定的参考地电位，需要根据功率开关管的开关状态进行电位偏移，因此限制了多电平技术的发展。
针对多电平拓扑的驱动问题，目前国内外的解决方案主要分为两种：一是采用隔离电源供电，为每一个功率开关管提供一路隔离电源，这种方法供电可靠，但需要额外的供电电源，且效率较低、成本高昂，因而并不实用；另一种方法是采用级联自举驱动方案，该方案是传统自举驱动方案的改进，各驱动电路采用级联连接，由低一级自举电容为高端驱动芯片供电，该方法虽然减少了辅助电源需求，但由于自举二极管级联，每一级自举电路均会产生一定的电压损失，从而造成高端驱动芯片供电电压跌落的现象，当供电电压低于驱动芯片的欠压保护阈值时，驱动芯片将停止工作。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种多电平拓扑的栅极自举驱动电路。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路，包括N电平电路、两路辅助供电电源、2(N-1)个自举驱动芯片、2(N-1)个自举电容、2(N-2)个主自举二极管和2(N-3)个辅助自举二极管，N为正整数；
2(N-2)个主自举二极管采用级联连接结构，阳极连接低一级驱动芯片供电电源，阴极连接于所驱动的高端驱动芯片自举电容；
2(N-3)个辅助自举二极管采用直连结构，阳极连接至辅助供电电源，阴极连接至所驱动的高端驱动芯片自举电容；
每级驱动芯片的主自举二极管和辅助自举二极管采用共阴极接法，构成阵列自举二极管网络。
在上述用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路中，阵列自举二极管网络根据主回路工作状态切换驱动供电回路；
所驱动开关管低一级的开关管开通，主自举二极管工作，低一级驱动芯片的自举电容向高端自举电容供电；
所驱动开关管至最低端开关管全部开通，辅助自举二极管工作，辅助供电电源向高端自举电容供电。
在上述用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路中，N电平电路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂包括N-1个功率开关管，下桥臂包括N-1个功率开关管；两路辅助电源的其中一路辅助电源连接于阵列自举电路直流侧负极，即主回路下桥臂最低端功率开关管，经阵列自举二极管网络，实现对下桥臂所有驱动芯片供电；另一路辅助电源连接至桥臂输出节点，即主回路上桥臂最低端功率开关管，经阵列自举二极管网络，实现对上桥臂所有驱动芯片供电。
在上述用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路中，2(N-1)个自举驱动芯片均采用隔离型自举驱动芯片，自举驱动芯片输入的PWM控制信号为共地信号，输出驱动电压为自举电容电压，其中2(N-1)个自举电容的正极连接至阵列自举二极管网络，负极连接至低端开关管源极，根据开关动作实现电压浮动，为自举驱动芯片供电。
本发明的有益效果：本发明电路无需增加额外的辅助电源，仅通过增加辅助自举二极管实现对自举电容的多回路供电，从而缓解高端驱动芯片电压跌落的现象，实现了高端驱动芯片的可靠供电。
附图说明
图1为本发明一个实施例阵列自举电路的原理示意图；
其中，1-第一辅助供电电源、2-第二辅助供电电，、3-第一自举驱动芯片、4-第二自举驱动芯片、5-第三自举驱动芯片、6-第四自举驱动芯片、7-第五自举驱动芯片、8-第六自举驱动芯片、9-第七自举驱动芯片、10-第八自举驱动芯片，11-第一自举电容、12-第二自举电容、13-第三自举电容、14-第四自举电容、15-第五自举电容、16-第六自举电容、17-第七自举电容、18-第八自举电容，19-第一主自举二极管、20-第二主自举二极管、21-第三主自举二极管、22-第四主自举二极管、23-第五主自举二极管、24-第六主自举二极管，25-第一辅助自举二极管、26-第二辅助自举二极管、27-第三辅助自举二极管、28-第四辅助自举二极管；
图2(a)为本发明一个实施例调制波um与载波uc1-4信号示意图；
图2(b)为本发明一个实施例上桥臂第一～第四功率开关管S1a-S4a的驱动信号示意图；
图3(a)为本发明一个实施例所驱动开关管低一级的开关管开通时，阵列自举电路的工作状态示意图；
图3(b)为本发明一个实施例当所驱动开关管至最低端开关管全部开通时，阵列自举电路的工作状态示意图；
图4为传统级联自举电路输出电压的波形图；
图5为本发明一个实施例阵列自举电路输出电压的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
针对现有技术存在的问题，本实施例提供一种用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路，该电路无需增加额外的辅助电源，仅通过增加辅助自举二极管实现对自举电容的多回路供电，从而缓解高端驱动芯片电压跌落的现象，实现了可靠供电。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路，包括N电平电路、辅助供电电源、自举驱动芯片、自举电容、主自举二极管和辅助自举二极管；
对于N电平电路而言，共需要两路辅助供电电源、2(N-1)个自举驱动芯片、2(N-1)个自举电容、2(N-2)个主自举二极管和2(N-3)个辅助自举二极管；
并且，2(N-2)个主自举二极管采用级联连接结构，阳极连接低一级驱动芯片供电电源，阴极连接于所驱动的高端驱动芯片自举电容；
并且，2(N-3)个辅助自举二极管采用直连结构，阳极统一连接至辅助供电电源，阴极连接至所驱动的高端驱动芯片自举电容；
并且，每级驱动芯片的主自举二极管和辅助自举二极管采用共阴极接法；二者共同构成阵列自举二极管网络。
而且，主自举二极管和辅助自举二极管构成的阵列自举二极管网络可以根据主回路工作状态切换驱动供电回路；
而且，当所驱动开关管低一级的开关管开通时，主自举二极管工作，由低一级驱动芯片的自举电容向高端自举电容供电；
而且，当所驱动开关管至最低端开关管全部开通时，辅助自举二极管工作，由辅助供电电源直接向高端自举电容供电；
而且，电路仅需两路辅助电源即可对所有驱动芯片供电。其中一路辅助电源连接于直流侧负极，即主回路下桥臂最低端开关管，经阵列自举二极管网络，实现对下桥臂所有驱动芯片供电；另一路辅助电源连接至桥臂输出节点，即主回路上桥臂最低端开关管，经阵列自举二极管网络，实现对上桥臂所有驱动芯片供电。
而且，2(N-1)自举驱动芯片均采用隔离型自举驱动芯片，芯片输入的PWM控制信号为共地信号，输出驱动电压为自举电容电压，其中自举电容正极连接至阵列自举二极管网络，负极连接至低端开关管源极，根据开关动作实现电压浮动，为驱动芯片提供可靠供电。
在具体实施例中，功率主回路为飞跨电容五电平拓扑，包括上桥臂功率开关管S1a-S4a、下桥臂功率开关管S1b-S4b，飞跨电容C1-C3。应当注意，本实施例所公开的驱动电路可适用于其它多电平拓扑及任意电平数电路。
如图1所示，一种用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路，包括辅助供电电源、自举驱动芯片、自举电容、主自举二极管和辅助自举二极管。
在本实施例中，共需2路辅助供电电源、8个驱动芯片、8个自举电容、6个主自举二极管和4个辅助自举二极管；
主自举二极管采用级联连接结构，阳极连接低一级驱动芯片供电电源，阴极连接于所驱动的高端驱动芯片自举电容；
下桥臂第一辅助供电电源1为第八功率开关管S4b驱动电源，第一主自举二极管19的阳极连接至第一自举电容11的正极，阴极连接至第二自举电容12的正极，第二自举电容12为第七功率开关管S3b提供驱动电压；第二主自举二极管20的阳极连接至第二自举电容12的正极，阴极连接至第三自举电容13的正极，第三自举电容13为第六功率开关管S2b提供驱动电压；第三主自举二极管21的阳极连接至第三自举电容13的正极，阴极连接至第四自举电容14的正极，第四自举电容14为第五功率开关管S1b提供驱动电压；上桥臂第二辅助电源2与主自举二极管两级与下桥臂连接方式相同。
4个辅助自举二极管采用直连结构，阳极统一连接至辅助供电电源，阴极连接至所驱动的高端驱动芯片自举电容；
第一辅助自举二极管25的阳极连接至第一辅助供电电源1，阴极连接至第三自举电容13的正极，第三自举电容13为第六功率开关管S2b提供驱动电压；第二辅助自举二极管26的阳极连接至第一辅助供电电源1，阴极连接至第四自举电容14的正极，第四自举电容14为第五功率开关管S1b提供驱动电压；
每级驱动芯片的主自举二极管和辅助自举二极管采用共阴极接法；二者共同构成阵列自举二极管网络。
主自举二极管和辅助自举二极管构成的阵列自举二极管网络可以根据主回路工作状态切换驱动供电回路；
在本实施例中，主回路采用载波移相调制策略，所产生的PWM驱动信号如图2(a)、2(b)所示，其中，图2(a)为调制波um与载波uc1-4信号，图2(b)为上桥臂第一～第四功率开关管S1a-S4a的驱动信号，下桥臂第五～第八功率开关管S1b-S4b的驱动信号与之互补；根据驱动信号及功率开关管工作状态，存在不同的供电回路对高端驱动芯片供电。根据图2(b)所示驱动波形可以看出，两种工作状态所需驱动信号均为常规驱动信号，每一工频周期至少各出现一次；
以高端功率开关管第四功率开关管S4a开通为例进行分析，阵列自举电路的工作状态示意图如图3(a)、3(b)所示；
当所驱动开关管低一级的开关管开通时，主自举二极管工作，由低一级驱动芯片的自举电容向高端自举电容供电；在本例中，第三功率开关管S3a导通时，第七自举电容17与第八自举电容18负极相连，第七自举电容17通过第六主自举二极管24为第八自举电容18充电，驱动电路工作状态如图3(a)所示，此时第八自举电容18的电压为：
U＝Udr-3Ud
其中，U为第八自举电容18端电压，Udr为辅助电源电压，Ud为自举二极管压降；当第三功率开关管S3a关断，第八自举电容18电位自动变化，为第四功率开关管S4a提供驱动电压。
当所驱动开关管至最低端开关管全部开通时，辅助自举二极管工作，由辅助供电电源直接向高端自举电容供电；即第一～第四功率开关管S1a-S3a导通时，第八自举电容18与第二辅助供电电源2负极相连，第二辅助供电电源2通过第四辅助自举二极管28为第八自举电容18充电，驱动电路工作状态如图3(b)所示，此时第八自举电容18的电压为：
U＝Udr-Ud
显然，该工作状态下第八自举电容18正极电位高于前一工作状态，因此第六主自举二极管24承受反压关断，自动实现工作状态切换；当第五～第八功率开关管S1a/S2a/S3a关断，自举电容18电位自动变化，为功率开关管S4a提供驱动电压。
所述辅助供电电源分别为上、下桥臂提供驱动电压，其中一路辅助电源连接于直流侧负极，即主回路下桥臂最低端开关管GND点，经阵列自举二极管网络，实现对下桥臂所有驱动芯片供电；另一路辅助电源连接至桥臂输出节点，即主回路上桥臂最低端开关管SW点，经阵列自举二极管网络，实现对上桥臂所有驱动芯片供电；
本实施例仅需两路辅助电源即可实现对所有驱动芯片的供电，相比于隔离供电方案，大大减少了辅助电源需求。
自举驱动芯片采用隔离型自举驱动芯片，芯片输入的PWM控制信号为共地信号，输出驱动电压为自举电容电压，其中自举电容正极连接至阵列自举二极管网络，负极连接至低端开关管源极，根据开关动作实现电压浮动，为驱动芯片提供可靠供电。在本实施例中，驱动芯片采用Si8271。
针对逆变器而言，传统的级联自举驱动电路输出驱动电压如图4所示，本实施例的阵列自举驱动电路的输出驱动电压如图5所示。可以看出，本实施例所公开的阵列自举驱动电路中高端驱动供电电压高于传统级联自举驱动供电电路，因而可以有效缓解自举二极管造成的电压跌落现象。随着电路电平数的增加，电压跌落的问题愈加严重，本实施例所公开的阵列自举驱动电路的效果越显著。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路，其特征在于：包括N电平电路、两路辅助供电电源、2(N-1)个自举驱动芯片、2(N-1)个自举电容、2(N-2)个主自举二极管和2(N-3)个辅助自举二极管，N为正整数；
2(N-2)个主自举二极管采用级联连接结构，阳极连接低一级驱动芯片供电电源，阴极连接于所驱动的高端驱动芯片自举电容；
2(N-3)个辅助自举二极管采用直连结构，阳极连接至辅助供电电源，阴极连接至所驱动的高端驱动芯片自举电容；
每级驱动芯片的主自举二极管和辅助自举二极管采用共阴极接法，构成阵列自举二极管网络；
阵列自举二极管网络根据主回路工作状态切换驱动供电回路；
所驱动开关管低一级的开关管开通，主自举二极管工作，低一级驱动芯片的自举电容向高端自举电容供电；
所驱动开关管至最低端开关管全部开通，辅助自举二极管工作，辅助供电电源向高端自举电容供电。
2.根据权利要求1所述用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路，其特征在于：N电平电路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂包括N-1个功率开关管，下桥臂包括N-1个功率开关管；两路辅助电源的其中一路辅助电源连接于阵列自举电路直流侧负极，即主回路下桥臂最低端功率开关管，经阵列自举二极管网络，实现对下桥臂所有驱动芯片供电；另一路辅助电源连接至桥臂输出节点，即主回路上桥臂最低端功率开关管，经阵列自举二极管网络，实现对上桥臂所有驱动芯片供电。
3.根据权利要求1所述用于多电平拓扑的阵列自举驱动电路，其特征在于：2(N-1)个自举驱动芯片均采用隔离型自举驱动芯片，自举驱动芯片输入的PWM控制信号为共地信号，输出驱动电压为自举电容电压，其中2(N-1)个自举电容的正极连接至阵列自举二极管网络，负极连接至低端开关管源极，根据开关动作实现电压浮动，为自举驱动芯片供电。
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