TW200950244A

TW200950244A - Protection method, system and apparatus for a power converter

Info

Publication number: TW200950244A
Application number: TW098114617A
Authority: TW
Inventors: Hendrik Walde
Original assignee: Advanced Energy Ind Inc
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2009-05-01
Publication date: 2009-12-01
Also published as: WO2009135156A3; US7791912B2; WO2009135156A2; US20090273954A1; EP2286505A2

Description

200950244 六、發明說明： ‘ 【發明所屬之技術領域】本發明係概略地有關於-電力轉換器的保護。而更特月疋有關於保護一電力轉換器的切如MOSFET (金屈备儿，* ^ Ρ 、屬乳化半導體場效電晶體）或IGBT (絕緣閘極雙極電晶體））^ S $ 【先前技術】合易文到低於共振條件所影響之dc/ac(直流& 電力轉換器的特定用途即疋卩马在電"丨L產生器中驅動在一處

理薄膜之電栽室中進行電艰姦吐你I 订冤漿產生作業的電流。此環境中的共振為-電路之傳導功能的極共振，該電路係由該電力轉換器之一輸出變壓器、一串接於該輸出變壓器之初級的電容為以及該輸出變魔器所驅動的負載阻抗所組成。該共振頻率則是由該負載阻抗、該變壓器的溢漏電感以及該電容器的電容所決定。在該DC/AC電力轉換器裡，兩個m〇sfet係以串聯而連接。一輸出變壓器的初級係連接於這兩個刪順間的一共同節點處，因此該则FET對可在交替⑽⑽循環過程裡透過該變遷器的#幼& 雙您器的初級推動或拉動電流。然而，在一低於共振鮮條件的㈣巾，—M⑽et可在當跨於該则黯的電壓為高位時被間控為⑽並且，該對刪順將在此同時經由其内含性二極體而導通電流。當由一高電壓所偏壓的mqSFET為開啟時，如此將會令該對m〇sfet 200950244 裡的内S性一極體跳切關閉。此一現象稱為該對μ 〇 S F E T 的硬驅動（hard driven )情況。此·-硬驅動情況可能導致___ MOSFET隨著時間而失效。昔曰’為防止兩者MOSFET不致被硬驅動，增置了四個二極體於該電力轉換器。對於各個M〇SFET設置有一個與該MOSFET之内含性二極體相平行的額外二極體。此一額外二極體承載著原另由該M0SFET之内含性二極體所承載的反向電流。同時，對於各個M0SFET，會在源極連接 © 處增置一 Schottky二極體以限制該反向電流通過該 MOSFET的内含性二極體。此一對於硬驅動問題的解決方案成本昂貴。在高功率環境下，經增置以保護m〇sfet的向電流二極體成本極高。並且，由於運用在該等路徑的貴金屬之量值，該等額外的高電流導體路徑成本昂貴。【發明内容】〇在一些具體實施例裡，一種電力轉換器包含一對串接的切換器；-輸出變壓器，此者係連接於該等切換器與該保遵裝置之間的—共同節點，藉以保護各個切換器不受硬驅動影響。各個切換器係由-閉極信號所致能，並且在交半循衣中開啟為〇N，藉此透過該變壓器在交替方向上驅 :壓器電机。當一第一切換器的_内含性二極體導通該變壓器電流時，—保護裝置内的—偵測器可予以偵測。— :極信號禁能器回應於㈣測器而阻擋一〇N閘極脈衝，使，、不致觸抵該切換器對内的一第二切換器。因此，當該第 200950244 一切換器的β含性二極冑導通時，言亥帛二切換器並不會開啟為ON。該電力轉換器亦具有一控制器，此者控制一導出該ON閘極脈衝之信號的頻率。當該閘極信號禁能器阻擋一 ON閘極脈衝時’該控制器即提高此頻率。根據其他特點，本發明是關於一種用以對一將直流電力轉換成交流電力之電力轉換器進行復原的裝置。該電力轉換器具有一受控振|器、-交流電力電路、—衍生間極驅動、-保護電路及一控制器。該受控振盪器在一受控頻率處產生一方波。該交流電力電路具有一對電力切換器，此等係於一共同節點處而串接；以及一輸出變壓器，此者係連接至該等切換器'的共同節點。各個電力切換器是由一 ON間極脈衝所致能，並且在該方波的交替半循環中開啟為 ON’藉此透過該變壓器在交替方向上驅動變壓器電流。各個電力切換器具有一衍生閘極驅動；此者可自該方波的揚升和落降邊緣邏輯性地產生〇N &⑽閘極脈衝。該qn 閘極脈衝可致能該對内之一電力切換器的閘極，而該⑽ 間極脈衝則可禁能該對内之另—電力切換器的閘極。各個電力切換器亦具有保護電路。該保護電路回應於一跨於I 相關電力切換器上的電壓而阻擔來自該切換器之衍生閘極驅動的ON閘極脈衝，使其不致觸抵其切換器的閉極。所，’此電力切換器不會開啟為簡並硬驅動其他的電力切換器。而當該ON閘極脈衝被阻擋時，該控制器提高該方波的受控頻率。此控制器_到◦N閘極脈衝是相對於變壓器電流零交跨而較晚抵達，並且提高該方波的受控頻率。 200950244 — 又根據其他特點，本發明係關於一種用以從低於共振條件下復原一電力轉換器的方法。該電力轉換器具有一對串接的MOSFET切換器。各個MOSFET切換器自一相關衍生閘極驅動接收由在一受控頻率處之振盪信號而由其衍生閘極驅動所導出的ON及OFF閘極脈衝。各個MOSFET切換器具有一閘極，並且是由一施加於其閘極上的ON閘極脈衝所致能。當電流經由該MOSFET切換器而按順向方向通過時，該MOSFET切換器即開啟為ON。各個MOSFET切 © 換器具有一内含性二極體，此者在當該MOSFET為OFF時可經該MOSFET切換器而於反向上導通電流。該對MOSFET 切換器經由一輸出變壓器而以交替方向驅動變壓器電流。該用以從一低於共振條件下復原該電力轉換器之方法可執行偵測一變壓器電流零交跨事件以及對一 MOSFET切換器的閘極偵測一 ON閘極脈衝事件的動作。然後，該方法比較該零交跨事件的發生時間與該ON閘極脈衝事件的發生時間，以決定該ON閘極脈衝事件是否在該零交跨事件之後發 v 生。若該ON閘極脈衝事件是在該零交跨事件之後發生，則該方法可防止一 ON閘極脈衝將一為OFF狀態的順向偏壓 MOSFET切換器予以致能。在該用以從低於共振條件下復原一電力轉換器之方法的另一特性裡，各個MOSFET切換器具有一相關衍生閘極驅動，並且接收由在一受控頻率處之振盪信號而由該相關衍生閘極驅動所導出的ON及OFF閘極脈衝。若該ON閘極脈衝是在該零交跨事件之後，則該方法可提高該受控頻 7 200950244 率’直到該觸發事件係前行於該變壓器電流零交跨事件為止。 "、自研讀下列詳細說明’並參閱相關圖式，將即能顯見表現本發明之特徵的該等和各種其他特性以及優點。【實施方式】藉由參照於以下所述之實施方式與隨附的申請專利範圍，且聯結到所附的圖式，將能顯見且知曉本發明之各式目的與優點並獲以更完整地瞭解。在圖1系統裡，一電力產生器10運用一電力轉換器的一或更多具體實施例。而在許多具體實施例中，該電力轉換器18會從DC (直流）電力來產生AC (交流）電力以供驅動一電漿室12。一線路AC電力源14將電力提供至該產生器1〇。根據該電力轉換器應用的電力要求而定，該Ac 電力源14可提供在一從低於1〇伏特至數百伏特之範圍内的AC電壓。 *亥電力產生器1〇含有一整流器16、電力轉換器18及選配的整流器20。該整流器16可將來自於該線路電力源 14的AC電力轉換成DC電力而予以供應至該電力轉換器 18。此一來自該整流器16的DC電力並不夠穩定而無法直接地施用於該電漿室12。該電力轉換器！ 8從該整流器i 6 接收該DC電力，並且產生一非常潔淨又穩定的AC電力。電力轉換器又稱為換流器（inverter )。該電力轉換器1 8的結構和操作可參照於圖2而如後文所，述。而若該電漿室12 200950244 係-運作於AC電力的雙陰極室，則可將來自於該電力轉換器18的AC電力直接施用在該電漿。為-單陰極室，則會令來自該電力轉換器…電= :整流器20。整流器20可將來自於該電力轉換器18的穩疋AC電力轉換成一此夠用以驅動一單陰極電漿室12的穩定DC電力。

圖2顯示一圖i之電力轉換器18的系統圖。電壓控制振m器（VCO) 22以-受控頻率將—方波提供至衍生閑極驅動40及50。該等衍生閘極驅動4()及5()可自此受控頻率導導出ON及OFF閘極脈衝。該衍生間極驅動4〇對於ac電力電路28 Θ的一第一電力切換器產± 〇N及〇FF閘極脈衝。該衍生閘極驅動50則對於AC電力電路28内的一第二電力切換器產生ON及0FF閘極脈衝。該等電力切換器經由一輸出變壓器的初級繞線按交替方向導通電流，藉以在忒輸出變壓器的次級，繞線處產生Ac電力輸出。該等電力切換器較佳為MOSFET或電力MOSFET。來自該VCO 22的方波信號控制〇N及〇FF閘極脈衝的時序以供致能各個M0SFET的閘極。該方波信號是由位於 δ亥等彳叮生閘極驅動40及50之内的閘極驅動邏輯所運作以供產生這些閘極脈衝。各個閘極脈衝具有一實質等於對該 MOSFET閘極電容及接線電感的振鈴週期一半之長度。對於降低閘極驅動電力，鈴振週期一半的閘極脈衝長度可為較佳。在切換該電力電路28内之MOSFET對的過程中，一第 M0SFET將收到一 ON閘極脈衝，並且一第二m〇sfet 9 200950244 將收到OFF閘極脈衝’此等脈衝係自該方波的揚升邊緣所導出。相反地，該第二M〇SFET將收到—〇n間極脈衝，並且該第- M〇SFET將收到一〇FF閉極脈衝，此等脈衝係自該方波的落降邊緣所導出。該ON閉極脈衝是該0FF閘極脈衝之後經過-「空槽時間（dead Ume)」或延遲時間而開始。此空檔時間可防止這兩個m〇sfet之間的交跨導通，亦即防止兩個M0SFET在同一時間皆為〇N。 DC電壓，即Vbuss，係自該整流器16供應至該ac電力電路28以及保護電路42和52。此一來自該整流器㈣❹ 電藶vBUSS係-用於該電力電& 28内之切換器的偏壓電壓，並且為待予轉換成Ac電力的Dc電力。即如前述，該等切換器較佳為一 M0SFET對，然根據在替代性具體實施例中的電力應用項目而定，該等切換器可為IGBT。該電力電路28内之M0SFET對的各個MOSFET是由來自於其相關衍生閘極驅動40或50的ON及OFF閘極脈衝所閘控。為保護MOSFET在一低於共振頻率條件之過程中不會受到硬驅動的影響，該等保護電路42及52可阻擋、攔截、短〇路、禁能或是以其他方式來防止由該等閘極驅動4()及5〇個別地產生的ON閘極脈衝觸抵到其相關M〇SFET的閘極。該電力電路28以及該等保護電路42和52的一具體實施例係例示於圖3而如後文所述。在圖2中，一控制器30可自該AC電力電路28的輸出來接收電壓和電流回饋，並且，回應於此回饋，控制由該電壓控制振盪器（VCO ) 22所產生之方波信號的頻率。該 10 200950244 控制器30將該AC電力輸出信號的電力和輸入至該控制器的：電力設定點作比較，並且調整該Vc〇22的受控頻率°。 f-高於共振條件的情況下，若該電力過高則該控制器 β升X又控頻率。同樣地，若該電力過低則該控制器％減少該受控頻率。該控制器.3〇可施行如一具有硬接線 (hard-wired)電路的類比信號控制器，或者可施行為利用 ❹ ❹ 一f由運用—增益查核表之軟體所程式設計的數位信號處理15 ’以將控制信號提供給該VCO 22。該控制器30亦自該輸出變壓器的初級繞線接收電流回饋。此初級繞線電流係連同於—相位/頻率❹】器内的vc〇受控頻率而運用，以供_低於共振操作條件。當偵測到低於共振操作條件時，該控制器30提高來自該vc〇 22的受控頻率’藉以將該電力轉換器送返至高於共振條件。圖3顯示對於該等保護電路42和52以及對於圖之之 AC電力f路28的—具體實施例。在圖3的電力電路 Μ中，電力切換器S1及電力切換器“為在節點48處串接的M0SFET。該電力切換器S1的汲極連接至+^_此電壓，而該電力切換器S2的源極則連接至接地。一電容器係跨於該等切換器而從+Vbuss連接至接地。該電容器8°〇之目的在於藉由對在該+Vbuss電壓上的任何高頻率雜訊或漣波提供-低阻抗路徑以穩㈣+Vbuss電壓。該輸出變壓器 46的初級繞線46a係連接於該節點48與電容器82及84之間。該電容器82提供-自該初級繞線至該+v_s的電路路禮，並且該電容器84提供一自該初級繞線至該接地的電路 11 200950244 ^ °該㈣器46的輪出繞線杨的終端則為對於該AC 電力電路28的AC電力輪出連接。圖f路的操作可參照於圖4及5來描述，其中顯示 ^器電流lTR’以及圖3之M0SFET切換器sl^〇s2的切 :狀態、閘極致能狀態及内含性二極體導通狀態的⑽⑽ J _ 4說明在尚於共振條件之過程中的時序，及圖5 '在低於,、振條件之過程中的時序。該變壓器電流〜為流經圖3輸出變壓器46之初級繞線的電流。

為便於圖3以及圖4或圖5之間的交互參考，圖3中 :電力切換器S1以及圖4和圖5中其導通〇n/〇ff狀態皆為S 1電力切換器S 1的閘極〇 1以及其表示閘極致能閘極禁也的ΟΝ/OFF狀態皆標註為gi。同樣地，電力切換器S1的内含性二極體D1及其導通〇n/〇ff狀態皆標註為 D1而按相同方式，圖3内的電力切換器S2、閘極及内3 !生一極體D2以及其在圖4和5内的狀態皆分別地標註為S2、G2及D2。在圖4及5中，MOSFET電力切換器si 或S2的上位準意味著圖3内該m〇sfet的源極至汲極為導通，亦即該切換器的狀態為0N。而S1或S2的下位準意思疋該相關MOSFET的源極至汲極為非導通，並且該切換器的狀態為OFF。在圖4及5中，或D2狀態的上位準表不該M0SFET切換器内的内含性二極體為導通反向電流通過邊MOSFET且該内含性二極體為〇NeD1或D2狀態的下位準則表示該相關M0SFET切換器内之内含性二極體的狀態為非導通且該内含性二極體為〇FF。在圖4及5中，— 12 200950244 意思是該相關M0SFET切換器之閘極的狀悲為致能，亦即該閘極為0N。而G1或G2的下位該相關MOS贿切換器之閉極的 =不為OFF。〜肊，亦即該閘極在如圖4所示之圖3切換器S1及S2的操作過程中，一間極會被一⑽閘極脈衝所致能或開啟為⑽，而此係源自於該VC〇22 (圖2)之方波請（圖的揚升 ❹ ❹ 或洛降邊緣而由閘極驅動所遞送。該閑極的狀態會保持為 ON或致能，直到當該閘極被—⑽閘極脈衝所關閉為卿

時該方波^的下—個揚升或落降邊緣為止。-⑽或〇FF 閘極脈衝的時段長度其範圍通常是自數百奈秒至數個微秒’而來自該VC〇22 (圖2)之方波的週期其範圍則是自數百微秒至數個毫秒。切換器S1及S2在當其個別閘極⑴ G2為on (亦即致能）時為導通，並且電流會從源極流 ^及極。例如，即使G1為ON，該電力切換器S1需直到電 • k由該切換器而按順向方向（源極至没極）流動為止方才為 C) β _ -一 T- 万面，當G1被—OFF閘極脈衝而禁能時， S1即關閉0FF，即使該者先前正導通電流亦然。『高於共振條件』。在同於共振條件的過程中，on閘極脈衝相對於該變壓：電流1TR零交跨而言為領先。現參照圖3及4，在一高 “、振條件下’ M0SFET電力切換器S1在時間T0處開啟 2 0N，電力切換n S1的閘極G1先前已獲致能並且為一狀心故當該電流Itr經過該零電流交跨1 〇〇而成為正 13 200950244 值時，該s 1開啟為0N。經燹經器46之初級的正變壓器電流lTR是從該共同節點48朝向初級繞線仏。該電流流動是從該電力切換器S1的没極至源極、初級繞線46a及電容器84而至接地。在時門隹日f間T1，一來自該衍生閘

極4 0的Ο F F閘極脈播拉出脸4 ω A 脈衡藉由將_極⑴的狀態從致能改變為禁能以令該電力切換器S1關閉為〇FF。因為該控制器3〇 (圖2)正在控制AC電力輸出，變壓器電流^在時間η 之前既已觸抵其最大正數值，並且開始增加跨於電容器Μ ❹ 上的電壓。由於S1為⑽，因此不再透過以提供該電流 ITR’故繞線46a將經由該内含性二極體〇2汲取電流。從而，在％間Tl，a亥電力切換器S2的内含性二極體d2開啟為 ON故經由S2提供一反向電流流動。該電流流動現為自接地經該内含性二極體D2、初級繞線46a及電容器84。此外，在時間T1加上該空檔時間延遲處，一來自該衍生閘極驅動 50的ON脈衝致能該電力切換器S2的閘極G2。由於該電流ITR為正值，並且該内含性二極體D2為經由s2導通一反〇向電流’因此跨於該電力切換器S2上從源極至汲極的電壓為近似於零。從而，即使是G2為致能，S2也不會切換為 ON。在時間T2處，當變壓器電流ITR行經通過該零交跨1 02 並且變成負值時，該内含性二極體D2成為非導通。該已於時間T1處經閘控致能的電力切換器S2在時間T2處開啟為 ON以導通電流Itr。經過s2的電流流動現為一從源極到汲極的順向電流流動。該負變壓器電流ITR從該變壓器46的 14 200950244 初級繞線46a流向該共同節點48。電流流動係自^㈣經過電容器82、初級繞線46a及電力切換器^至接地。在時間丁3處，該衍生問極駆動5〇產生—⑽間極脈衝，此脈衝將該電力切換器S2的閉極G2予以禁能，並且 S2關閉為0FF。電流Itr既已觸抵其最大負值，並且在規模上開始降減。同時在時間T3,該電力切換器Μ的内含性二極體IM開啟為0N以滿足該初級繞線術的負電流要求。 ❹ ❹ =流=現為從接地經過電容器料、初級繞線_及内 3性二極體〇1。此外，在時間T3加上空樓時間處，一來自該衍生閉極驅動40的⑽閉極脈衝致的咖。由於該内含性二極_正經過二;= 電流，並且跨於該電力切換器s ° 牟愛佶m .L C 攸源極至汲極的電壓為近

TR Μ並不會切換為⑽。在時間％ ==交跨Μ"，該電力切換器Μ開啟為：並且该内含性二極體D1變成非導通。而口維持在一高於共振條件下，此轉換器 1於共振條件』 W重複進行。一低於共振條件的成因係由於附輸出繞線46b上的負載阻抗改變。在—低於 ^ 46之程中’該。N閘極脈衝對於 ·、一條件的過晚的。由於™閘極脈衝係;==相對為此必須提高_22(圖2)的：波’因 =等：圏2)進行，然可由該等*護二是：專切換ffiS1AS2不致受硬驅動影響。 15 200950244 現參照圖3及圖5,在一高於共振條件過程中，於時間 T0之前切換器S1和S2以及衍生閘極驅動4〇和5〇為運作中。在時間T0 ’閘極G1既經致能，而該内含性二極體叫關閉OFF，因為該變壓器電流Itr在零交跨ιι〇處從負值前進到正值。電力切換器S1開啟為〇N而導通正電流〖τα。在時間T0之後，電路操作進入一低於共振條件的時段。該方波sw的落降邊緣（在正常情況下是出現於時間π處）一直到T2.6才會出現。因此，該電力切換器s i的閘極脈衝直到T2.6才會出現’並且該電力切換器S2的⑽閘極〇脈衝直到T2.6而在該OFF閘極脈衝之後一空檔時間才會出現。而在該電力轉換器的一低於共振條件過程裡，當發生電流ITR零交跨112時，這些在時間T2之後出現的開極脈衝表示該等切換器及衍生閘極驅動現為運作中。在此低於共振條件的過程中，該電力切換器S1保持〇ν 直到電流ITR經過該零交跨112而進入負值為止。從時間 T0至T2’該電流流動係自+Vbuss而通過以 '該初級繞線 46a及該電容器84。在時間T2之後，此時該變壓器電流Itr ❹ 通過該零交跨1 12，該内含性二極體D1開啟為〇N以供滿足該變壓器46之電感所要求的負電流流動。跨於電力切換器si上的電壓大致為零，並且S1關閉〇FF，而内含性二極體D1滿足經過該S1的反向電流行流。在節點48處的電壓趨近+VBUSS’並且現在該電流流動係自接地經過該電容器 48、該初級繞線46a以及該電力切換器S1内的内含性二極體D1。 16 200950244 ❹ ❹ 在時間T2.6有一來自該VCO 22 (圖2)之方波SW的落降邊緣，並且該衍生閘極驅動4〇產生對於該電力切換器 S1的一 OFF閘極脈衝，而該衍生閘極驅動5〇則產生對於該電力切換器S2的一〇N閘極脈衝。該〇FF閘極脈衝將該閘極G1的閘極致能狀態降為〇FF。這並不會產生影響，因為電力切換器S1在時間T0為關閉0FF。然而來自該衍生閘極驅動50的ON閘極脈衝若獲容允而觸抵該電力切換器 S2 ，則會產生該内含性二極體叫的硬復原 (hard-recovery)。由於所有經過m的電流都會被切換至S2’因此内含性二極體D1會跳切為關閉。同時，跨於该電力切換器s 1上的龐大電壓變化可能對m〇sfet電力切換器S1造成損傷。而為避免此—硬驅動事件，該保護電路 52可防止ON閘極脈衝觸抵該電力切換器s2的閘極g2。在該保護電路52裡，跨於該衍生閘極驅動5G之輸出的：路切換器70可被開啟為〇N以供短路該⑽閑極脈衝，亚猎此攔截、阻擋、防止或禁能該〇N閘極脈衝而令其不致觸抵該電力切換器S2的閘極。該短路切換器7"交佳為一 MOSFET。為啟動此一阻擋操作，在該節點μ處的電麼會 =於該等電容器78及74而分割。當跨於該電容器Μ的電犬超過對於該短路切換器7〇 +.7 Μ ^ ^ 介俚電壓時，該短路 …會開啟為ON。而當該短路切換器7〇為〇n時， ::衍：閉極驅動5〇之輸出處的任何間極脈衝皆獲短路。 =該短路切換器7。會在當該内含性二極體通時立即地經間控為⑽，並成導付馮〇N，直到來自該衍 17 200950244 生閘極驅動50的ON閘極脈衝終 3& ^ <设為止。該短路切拖 ⑼之ON導通狀態的時段長度Td是等於在該短 : 70之閘極處的電壓從一由雙向換益 n -極體7 2所限制夕县丄電壓衰退至一低於Vth之電壓最大式給定：的時間，並且可由下列表示

Td=R76C [ln(VMAX/VTH)] 其中： R76為電阻器76的電阻值， ❹

C為電容器74的電容值，此者係平行於該短路切換写 7〇至接地的閘極電容值，、D 「h」為自然對數， vMAX為跨於該雙向齊納二極體72的最大電屋，以及、為對於該㈣切換器7G之閘極的臨界值電虔。詩ίΓ㈣路52裡’該雙向齊納二極體72可將施加。'丑士刀換盗70之閘極71的電壓限制在一安全範圍 ❹ 閘極=向齊納Ϊ極體72亦可設定該最大電麗V一該二你^ U係自此哀退，藉以對由該切換器7G所進行的短路操作施予時限。該短路切換器7Q之㈣71的臨界值㈣ :以及該等電路構件數值，是根據應用項目的電力要求而^。例如，若Vth為5·6伏特並且+VBUSS為+620伏特， ^ :電谷益78可為10微微法拉且該電容器74可為1000 微微法拉’藉以提# 6·2伏特跨於該電容器74。然而，對 =該雙向齊納二極體的限制範圍可為5 ()伏特至6 〇伏特。右》亥雙向齊納二極體72所容允的最大電M Vmu為6 〇伏 18 200950244 特，則施加於該閘極71以伏縣兮φ 為該間極的電塵為6 0 伏特。該電阻器76的電阻 & @ b. 二極體D1了加以選擇而使得當該内含性該短=:成為導通時，路切… 生= =ΓΝ的時刻起即 1動5〇所產生的⑽閑極脈衝終止為止。在圖5的時間Τ2 6 4保蠖電路52將來自於該衍閘極驅動50的〇Ν閘極脈衝

的閘極G2未經致能，兮雷士不此，該電力切換器S2 内人14 -托触 '"電力切換器S2維持OFF，並且該内3性一極體D1保持導诵r g ,i㈣（即如圖5中的實線所表示）。 D此可防止該電力切換5| S ]典5丨丨Z：* 路、。又到更驅動影響。若該保護電八：_ 貝1J G2為經致能，S2會被切換ON，並且該内 5性—極體D 1會跳切為關p弓^ p ^ 為關閉（即如圖5中的虛線所表示）。〜切換器S1會受到硬驅動影響並遭毁損。

在時間T4，β亥變愿益電流Itr穿過該零交跨…而前〜至正值’而同時電流繼續振動通過該變壓器Μ以及該電 :器8…4。當該電流進入正值時，該内含性二極體〇ι ，成非導通，而該内含性二極體D2成為導通。來自該vc〇 22的方波SW在時間Τ4_3處具有一揚升邊緣，這表示該 %〇的受控頻率增加1揚升邊緣可觸發而從該衍生間極驅動50產生一 0FF閘極脈衝且從該衍生閘極驅動4〇產生 —ON閘極脈衝，然對於時間T4的電流Itr零交跨η#，這些間極脈衝相對為晚。因此，若來自於該衍生閉極驅動4〇的ON閘極脈衝並未被該短路切換器6〇所短路，該電力切換器S 2就會遭到硬驅動。 19 200950244 該保護電路42係按與前文中對於該保護電路52所敘述的相同方式而運作。在其中該保護電路42為作用中的情況下’該内含性二極體⑴為導通。所以該節點料為近二㈣’亦即大綠在零伏特處，並且跨於該等串接之電容益68及64的電壓為+Vbuss。跨於該電容器64的電廢可致能該短路切換器60的閑極61，而該短路切換器6〇可將來自於該衍生閘極驅動4〇的〇N閘極脈衝予以短路。〇〇在時間T4.3處有-來自該vc〇 22 (圖2)之方波sw 的揚升邊緣，並且該衍生閘極驅動5〇對於該電力切換器Μ 產士 - OFF閘極脈衝’而該衍生問極驅動4〇對於該電力切換器si產生-⑽閘極脈衝。若該閘極G2是在—致能狀態下’則OFF閘極脈衝會請該閘極的閘極致能狀態。然該閘極G2並未獲致能’這是因為在時間Τ2·6處對於該電力切換器S2的ON閘極脈衝遭到阻擋，即如前文所述。該切換器S 2維持⑽。另一方面’纟自該衍生閘極驅動4 0 的ON閘極脈衝若獲准允而觸抵該電力切換器^，則會產生=内含性二極體D2的硬復原。由於所有經D2的變壓器電流Itr都會被切換至s卜因此該内含性二極體D2會跳切關閉同時，跨於該電力切換器S2上的龐大電壓變化亦會對該MOSFET電力切換器S2造成損害。為防止此硬驅動事 a保凌電路42防止該on閘極脈衝，使其不致觸抵該電力切換器S1的閘極G1。在。玄保遵電路42裡，跨於該衍生閘極驅動4〇之輸出的短路切換器60被開啟為ON以短路該〇N閘極脈衝，並 20 200950244

藉此攔截、阻擋、防止或禁能該0N閘極脈衝而令以無法觸抵該電力切換器si的閘極。為達此一目的’跨於該電力切換器S1的+VBUSS電壓會跨於電容器68及64而切割。當跨於該電容器64電壓超過該短路切換器6〇之閘極61的^^ 值電壓vTH時，該短路切換器60會開啟為〇n。而當該短路切換器60為⑽時，在該衍生閘極驅動4〇之輸出處的任何閘極脈衝皆經短路。尤其，該短路切換器6()自該内含性二極體D2變成導通之時起係經閘控為〇N，而直到來自該衍生閘極驅動40的ON閘極脈衝終止之後為止。該保護電路42内之構件的操作與其在該保護電路w 内的相對應構件者相同。同樣地，在兩者保護電路裡，示範性構件數值和跨於該等構件的電壓為相同。在圖5的時間T4.3之後，其中該保護電路…截來自該衍生閘極驅動40的⑽閘極脈衝，該電力切換㈣的間極CH未經致能’電力切換器以維持為⑽，並且内含性二極體D2保持為導通（即如圖5中的實線所示這可避 =電力切換HS2受到硬㈣㈣響。若㈣護電路並未運作，則CH會為啟動，S1會被切換⑽，並且該内含性二極體D2會跳切為關閉（即如圓5中的虛線所示）。故而：切換器S2遭受到硬驅動的影響。 < 『其他實施例』令的短路切換器而自其相關衍生一開路切換器可在另一實施例裡（未予圖示），圖3 6〇及70可如刪FET開路切換器般連接閑極驅動僅連接至單一輸出導線。例如， 21 200950244 為連接於該衍生閘極驅動的一正輸出與切換器S丨、S 2的閘極Gl、G2之間，或連接於該衍生閘極驅動的一負輪出與該接地之間。在本實施例裡，一開路切換器可保持開路以阻檔一 ON閘極脈衝觸抵一切換器S1、S2的閘極gi、〇2。在本實施例裡，該開路切換器的導通樣式是與前文圖3之實施例中所述的短路切換器者相反。

在又另一實施例裡，一保護電路會將一禁能信號傳返至其相關的衍生閘極驅動。該禁能信號會關閉該衍生閘極駆動中該OM1極脈衝的產生作業。該禁能信號的時序和時段長度可與該短路切換器60或70為〇N之短路時間的間隔相同，即如圖3實施例中所述者。在本發明的又另-具體實施例裡，6顯示一用於令護- AC電力電路28 (圖3)内之切換器S1及S2、以及月於調整來自該VCO 22 (圖2)之受控頻率的方法。加去之、始」it結118 #初始操作裡會偵測到兩項事件。當該變壓器電流ITR越過零值時偵測到零交跨事件操^

12^’亦即該電流改變經由該變壓器的初級繞線之方向。艮丨如前述，圖4之ITR電流波形的點處1〇〇、ι〇2和刚以刀圖5之ITR電流波形的點處11〇、112和ιΐ4為零交跨事件 — ON閘極脈衝事件操作122則偵測對於該切換器Μ及s :的ON閘極脈衝產生作業。即如前述，⑽閉極脈衝可由 :自於該VCO 22之方波sw的揚升邊緣或落降邊緣所導出0 閘極脈衝/交跨測試操作 124可將_ 〇N閘極脈衝事件 22 200950244 的時序和電流iTR零交跨事件的時序作比較。所測試的⑽ ，極脈衝事件為對於—現為非導通或〇FF之電力切換器S 1 ,S2產生—0N閘極脈衝的事件。若該⑽閘極脈衝事件是f在該電流Itr零交跨之前，則該操作流程將分支「否」 ^「返回」連結130。然若該ON閘極脈衝事件是位在該電流Itr零交跨之後，則該操作流程將分支「是」至一提升操作126和一防止模組128。

、該提升操作I26提高該方波SW的受控頻率。提高該方皮#又控頻率可將該等〇N閘極脈衝的時序提前。故而該等〇 N閘極脈衝將會提前直到它們出現在該&零交跨點處之前為止。即如前述，這可將該AC電力電路28(圖2) 的條件移至一高於共振條件。忒防止模組128阻擋0N閘極脈衝以令其不致觸抵一電力切換器的閘極’而該電力切換器現A OFF，並且盥另一反向導通的電力切換器構成―對。在此—情況下，該反向導通切換器係其内含性二極體現為導通的切換器。此反向導通切換器亦為若其成對電力切換器為開啟則會被硬驅動 :文和的切換器。該防止模M m之替代性實施例的操作流程可如圖7及8所示。圖7裡，該防止模組128

〈霄施例開始於連結1 3 2。偵測電壓操作134監視跨於_ 土雨L 肖者電力切換器上的電壓，而找哥一跨於該等電力供益具中之一上的預定最大電壓。 =到】一跨於該等電力切換器其中之一上的預定最大電 1表不另一電力切換考得铋甘 :内3性二極體而為反向導 23 200950244 通。例如’在圖3裡’當該電力切換器以的内含性二極體

Di經S1而導通反向電流時，跨於S2的電壓將為+Vb顧。當該電力切換器S2的内含性二植體叫㈣而導通反向電流時’這對於該電力切換器S丨也是適用的。即如圖 3所示，跨於一非邋丄 F導通切換器的最大電壓（例 BUSS/n ’其中n-1，…，20)即為—其中該切換器不應被切換為開啟的情況。從而’當由偵測㈣m所監視的電壓時觸抵+V_s/n日夺，該測試操作134將分支至該操作流〇程「是」以進行攔截操作136。該攔截操作136搁截來自該街生閑極驅動的⑽閘極脈衝’藉以防止該脈衝觸抵該非導通切換器。若由該偵測操作所監視的電壓並非+v一，則 =作❹分支至U自測試操作134返回利測操作 134。當該攔截操作136被啟動以攔截⑽閘極脈衝時，此摔二測到+VBUSS之刻起繼續進行’而直到該〇n閉極脈〇 Γ3= 〇N閘極脈衝的終μ由該終止測試操作「貞'°只要該閘極脈衝尚未終止，該操作流程即分支否」而自°亥終止測試操作返回到該攔截操作136。當該级止測試操作1 38偵測刭兮„托° j到忒閘極脈衝終止之後，該操作流裎自该終止測試操作138分 Γ 如此即完成圖以連結14〇° 此模、，且丨28之一實施例的操作流程。兹=8顯不對於另-防止模組128之實施例 :。在該開始連結Η2之後，_偵測操：：： MOSFET切換器以扁々皿視兩者、偵知兩者是否皆為OFF ^反向導通偵測 24 200950244 操作146亦監視兩者MOSFET切換器，藉以偵知該等OFF 切換器中是否其一者為反向導通電流。換言之，由該等切換Is其中一者内的内含性二極體來债測導通情況。在兩者偵測操作皆獲完成之後，該阻擋操作148可阻擋該ON閘極脈衝而令其無法觸抵並非反向導通之]VI0SFET切換器的閘極。即如在前文其他實施例中所述，如此將能保護反向導通MOSFET裡的内含性二極體。本發明雖既經參照於其多項具體實施例所特定地顯示與說明，然熟諳本項技藝之人士將能瞭解在此碟能針對形式與細節方面進行各式其他變化，而不致悖離本發明精神和範嘴。【圖式簡單說明】圖1顯示本發明之一實施例，此者可用以產生對於— 單陰極電漿室的直流驅動’或是對於一雙陰極電衆室的交流驅動。圖2顯示一如圖1之電力轉換器丨8的實施例之系統圖。圖3顯示一圖2之AC電力轉換器28以及圖2之保護電路42及52的電路圖。圖4說明，在一高於共振條件的過程中經由圖3之變壓器46之初級的電流，連同該等電力切換器si及s2、其内含性二極體D1及D2，之切換處理的時序。圖5說明’在一低於共振條件的過 J Μ裎中，經由圖3之變壓器46之初級的電流，連同該等電六 ▼电力切換器S1及S2、 25 200950244 * 其内含性二極體D 1及D2，之切換處理的時序。圖6顯示一用以自一低於共振條件復原一電力轉換器的方法。圖7說明一由圖6之防止模組128所執行的方法之實施例。圖8說明另一由圖6之防止模組128所執行的方法之實施例。

rL ο 11 器生產 1 力說虎符件元要主 12 電漿室 14 AC電力源 16 整流器 18 電力轉換器 20 整流器 22 電壓控制振盪器（VCO) 28 AC電力電路 30 控制器 40 衍生閘極驅動 42 保護電路 46 變壓器 46a 初級繞線 46b 輸出繞線 48 節點 26 200950244

50 衍生閘極驅動 52 保護電路 60 短路切換器 61 閘極 62 雙向齊納二極體 64 電容器 66 電阻器 68 電容器 70 短路切換器 71 閘極 72 雙向齊納二極體 74 電容器 76 電阻器 78 、 80 、 82 、 84 電容器 100 、 102 、 104 零電流交跨 110 、 112 、 114 零電流交跨 118〜130 用以自一低於共振條件復原一電力轉換器的方法之每個操作 132-140 由圖6之防止模組128所執行的方法之一個實施例的每個操作 142〜150 由圖6之防止模組128所執行的方法之另一個實施例的每個操作 Dl、D2 内含性二極體 Gl、G2 閘極 27 200950244

Itr 變壓器電流 SI、S2 電力切換器 SW 方波 Td 時段長度 Vbuss DC電壓 Vm AX 最大電壓 V TH 臨界值電壓 28

Claims

200950244 七、申請專利範圍： l一種電力轉換器，其包含：一對串接的切換器； ::出變壓器’此者係連接至一位於該等切— 保濩裝置之間的妓广门即點，用以保護各個切換器不受硬驅〜曰固切換器是由—閘極信號所致能，並且在—六替半循％中開啟為ΟΝ，藉以透過該變壓器在動變壓器電流，該保護裝置包含： μ上駆偵測器’此者係經組態設定以偵測一第一切換器内的内3性一極體是否導通該變壓器電流；以及 -閑極信號禁能器，此者係經組態設定測器而阻擋一0Ν „托时& A u 1貝卜一 3極脈衝，使其不致觸抵該切換器對中的 :一:刀換盗’因此當該第一切換器的内含性二極體為導 k時，该第二切換器並不會開啟為〇Ν。 2.如申哨專利範圍第}項所述之電力轉換器，其，該偵 ο 測器進一步包含一電麼感測器，此者感測-跨於該第二切 ::而在-預定電壓範圍之内的電覆，並且啟動該閑極信 L能⑼阻擋該⑽閘極脈衝’直到該⑽閑極脈衝終止為止。 3.如申請專利範圍第2項所述之電力轉換器，其中該間極回應於該電_測器’短路該⑽開極脈衝刀離；/第—切換器的閘極’藉此阻擋該⑽閘極脈衝而使其不致觸抵該第二切換器。 4.如申請專利範圍第2項所述之電力轉換器，其中該間 29 200950244 極信號禁能器，回應於該電壓感測器，開路自該衍生間極驅動至該第二切換器之閘極的電路路徑，藉此阻擋該〇n閘極脈衝而使其不致觸抵該第二切換器。 5.如申請專利範圍第2項所述之電力轉換器，其中該閘極信號禁能器，回應於該電壓感測器，禁能在該衍生閘極驅動之内的ON開極脈衝產生作業，藉此阻擋該〇N間極脈衝而使其不致觸抵該第二切換器。 6·如申請專利範圍第丨項所述之電力轉換器，其亦具有一控制器，該控制器控制一導出該〇N閘極脈衝之信號的頻 ❹ 率，而當該閘極信號禁能器阻擋一〇N閘極脈衝時，該控制器提南該頻率。 7. —種用以將直流電力轉換成交流電力的電力轉換器’其包含：一受控振盪器，此者在一受控頻率處產生一方波；一交流電力電路，此者具有一對電力切換器，該等係於-共同節點處而串接，以及一輸出變壓器，此者係連接至該等切換器的共同節點，各個電力切換器是由一〇 n閘極 ❹ 脈衝所致能’並且在該方波的交替半循環中開啟為〇n，藉此透過該變壓器在交替方向上驅動變壓器電流；用於各個電力切換器的衍生閘極驅動，此者自該方波的揚升和落降邊緣邏輯性地產生〇N&，閘極脈衝，該 ON閘極脈衝致能該電力切換器對内之一電力切換器的閘極，而5亥OFF閘極脈衝則禁能該電力切換器對内之另一電力切換器的閘極； 30 200950244 用於各個電力切換器的保護電路，並且回應於一跨於 ,、相關電力切換器上的電壓而阻擋來自該切換器之衍生閘極驅動的⑽閑極脈衝，使其不致觸抵其切換器的間極，因 …電力切換器不會開啟為〇Ν並硬驅動其他的電力切換器；以及 ' -控制器，當該0Ν閘極脈衝被阻擋時，該控制器提高 3亥方波的受控頻率。 Ο ❹ 護二I請專利範圍第7項所述之電力轉換器，其中該保 -阻擋切換器，此者位在該衍生閘極驅動和從該衍生閘極驅動接收ΟΝ閘極脈衝之電力切換器的開極之間； =電容性傳送電路，此者位㈣阻^換於該相關電力切換器之電壓的-局部立即地器…阻擒切換器的問極，該局部係受限於一電壓限制 -二極體，此者限制該電麼中所傳送的局部，因此者電力切換器_為最大值時，在該：二之：極處的電壓會大於該阻播切換器之閉極電二同：該阻擋切換器開啟為0Ν並阻措該⑽閘極脈衝而電、不致觸抵s玄相關電力切換器的閘極。 9·如申請專利範圍第8項所述之電力轉換号護電路進一步包含：、β ，、中该保 -時段長度電路’此者減少跨於該阻擔切換廢之局部，直到該電麗之局部成為低於該閘極電屢臨 31 200950244 界值，並且該阻擋係在一時段長度之後而使得該ON閘極脈衝為終止。 10.如申凊專利範圍第9項所述之電力轉換器，其中該阻播切換器係一 MOSFET短路切換器，此者短路該衍生閘極驅動的輸出，藉以阻擋〇N閘極脈衝，使其不致觸抵該相關電力切換器。

11. 如申請專利範圍第9項所述之電力轉換器，其中該阻擋切換器係—M0SFET開路切換器，此者於該衍生閘極驅動的輪出與該相關電力切換器之間斷開一連接，藉以阻擋ON閘極脈衝，使其不致觸抵該相關電力切換器。 12. 如申請專利範圍第9項所述之電力轉換器，其中該專電力切換器為MOSFET。 U·如申請專利範圍第9項所述之電力轉換器，其中該控制益’偵測到該0N閘極脈衝相對於變壓器電流零交跨為補後抵達，並且提高該方波的受控頻率。

14.如申請專利範圍第7項所述之電力轉換器，其中該控制器偵測到該0N閘極脈衝相對於變壓器電流零^跨= 較晚抵達，並且提高該方波的受控頻率。 7… 15·—種用以從低於共振條件下復原一電力轉換器的法，該電力轉換器具有一對串接的M〇SFET切換器°，各 MOSFET切換器自一相關衍生閘極驅動接收由在—受控率處之振盪信號而由其衍生閘極驅動所導出的〇n ^ 〇閘極脈衝，各個M0SFET切換器具有一閘極，並且是由施加於其閘極上的〇N閘極脈衝所致能，當電流2由 32 200950244 ' MOSFET切換器而按順向方向通過時，該MOSFET切換器即開啟為ON，各個MOSFET切換器具有一内含性二極體，此者在當該MOSFET為OFF時可經該M0SFET切換器而於反向方向上導通電流，該對MOSFET切換器經由一輸出變壓器而以交替方向驅動變壓器電流，該方法包含如下動作：偵測一變壓器電流零交跨事件；偵測對於一 MOSFET切換之閘極的ON閘極脈衝事件；比較該零交跨事件的發生時間與該ON閘極脈衝事件 Ο 的發生時間，藉以決定該ON閘極脈衝事件是否在該零交跨事件之後發生；以及若該ON閘極脈衝事件是在該零交跨事件之後發生，則防止一 ON閘極脈衝將一為OFF狀態的順向偏壓MOSFET 切換器予以致能。 1 6.如申請專利範圍第1 5項所述之用以從低於共振條件下復原一電力轉換器的方法，其中各個MOSFET切換器具有一相關衍生閘極驅動，並且接收由該相關衍生閘極驅 ® 動從在一受控頻率處之振盪信號所導出的ON及off閘極脈衝，並且其中該方法進一步包含如下動作：若該ON閘極脈衝事件是在該零交跨事件之後，則提高該受控頻率，直到該觸發事件前行於該變壓器電流零交跨事件為止。 1 7 ·如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該防止動作包含：偵測跨於一為OFF之第一 MOSFET切換器上的偏壓電 33 200950244 壓；· 測試該偏壓電壓是否超過一預定電壓，藉以決定該另一 MOSFET切換器是否經由其内含性二極體而反向導通電流；若該另一 MOSFET切換器為反向導通電流，則攔截一 ON閘極脈衝以防止該ON閘極脈衝，使其不會將該OFF的 MOSFET切換器予以致能。 18. 如申請專利範圍第16項所述之方法，該防止動作包含：偵測兩者MOSFET切換器為OFF ; 偵測其一 MOSFET切換器為經由其内含性二極體而反向導通；阻擋ON閘極脈衝，使其不會將另一 MOSFET切換器予以致能，因而此一 MOSFET切換器不會被硬驅動。 19. 如申請專利範圍第15項所述之方法，該防止動作包含：偵測跨於一為OFF之第一 MOSFET切換器的偏壓電壓；測試該偏壓電壓是否超過一預定電壓，藉以決定該另一 MOSFET切換器是否經由其内含性二極體而反向導通電流；若該另一 MOSFET切換器為反向導通電流，則攔截一 ON閘極脈衝以防止該ON閘極脈衝，使其不會將該OFF的 MOSFET切換器予以致能。 34 200950244 20.如申請專利範圍第1 5項所述之方法，該防止動作包含：偵測兩者MOSFET切換器為OFF ; 偵測其一 MOSFET切換器為經由其内含性二極體而反向導通；阻擋ON閘極脈衝，使其不會將另一 MOSFET切換器予以致能，因而此一 MOSFET切換器不會被硬驅動。 ❹ 八、圖式： (如次頁）

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