应用于开关电源供电系统的控制装置.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201410063195.4

申请日:

2014.02.25

公开号:

CN104009642A

公开日:

2014.08.27

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H02M 3/335申请日:20140225|||公开

IPC分类号:

H02M3/335

主分类号:

H02M3/335

申请人:

施耐德东芝换流器欧洲公司

发明人:

A.P.巴劳纳; H.波尔哈特斯

地址:

法国厄尔河畔帕西

优先权:

2013.02.25 FR 1351622

专利代理机构:

北京市柳沈律师事务所 11105

代理人:

钱大勇

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内容摘要

本发明涉及用于开关电源供给系统的控制装置(1)以控制开关电源供给系统的DC/DC转换器,控制装置包括:第一输入端子(A)和第二输入端子(B);第一晶体管(T1),经由其源极连接至第二输入端子(B);以及第二晶体管(T2),所述第二晶体管设置有栅极(G)并且经由其漏极(D)连接至第一输入端子(A)并经由其源极(S)连接至所述第一晶体管(T1),所述控制装置包括:控制组件,连接至所述第二晶体管(T2)的栅极(G)并且连接至所述第二输入端子(B)以及所述控制组件包括电容器(Ca)和串联至所述电容器(Ca)的第一齐纳二极管(Dz1)以及连接在所述第二晶体管(T2)的栅极(G)和源极(S)之间的第二齐纳二极管(Dz2)。

权利要求书

权利要求书1.  一种用于开关电源供电系统的控制装置(1),以控制所述开关电源供电系统的DC/DC转换器,所述控制装置包括:第一输入端子(A)和第二输入端子(B);第一晶体管(T1),所述第一晶体管经由其源极连接至第二输入端子(B)并且布置有栅极(G)以接收来自于控制单元(U)的控制信号;以及第二晶体管(T2),所述第二晶体管设置有栅极(G)并且经由其漏极(D)连接至第一输入端子(A)并经由其源极(S)连接至所述第一晶体管(T1),其特征在于,所述控制装置包括:控制组件,所述控制组件连接至所述第二晶体管(T2)的栅极(G)并且连接至所述第二输入端子(B)以及所述控制组件包括电容器(Ca)和串联地连接至所述电容器(Ca)的电压钳位/路由装置,齐纳二极管(Dz2),所述齐纳二极管连接在所述第二晶体管(T2)的栅极(G)和源极(S)之间。2.  根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述电压钳位/路由装置包括齐纳二极管(Dz1)。3.  根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置包括一个或多个重叠的相同的图案,每个图案都包括:两个连接点(M,N),电容器(Cb),所述电容器连接至第一连接点(M),第一齐纳二极管(Dz1),所述第一齐纳二极管与所述电容器(Cb)串联地连接,第三晶体管(T3_i),所述第三晶体管布置有连接至所述电容器(Cb)的栅极(G)和连接至第二连接点(N)的源极(S),齐纳二极管(Dz3),所述齐纳二极管连接在所述第三晶体管(T3_i)的栅极(G)和源极(S)之间,第一添加的图案在上面通过其所述第二连接点(N)连接至所述第二晶体管(T2)的漏极(D)并且通过其所述第一连接点(M)连接至所述第二晶体管(T2)的栅极(G),每个附加图案都在上面通过其所述第二连接点(N)连接至所述先前图案的晶体管(T3_n-1)的漏极(D)并且通过其所述第一连接点(M)连接 至所述先前图案的所述晶体管(T3_n-1)的栅极(G)。4.  一种开关电源供电系统,包括其间连接DC电压源的第一端子(X)和第二端子(Y),连接至第一端子(X)的DC/DC转换器以及与所述DC/DC转换器串联地连接并连接至所述第二端子(Y)的控制装置(1),其特征在于,所述控制装置(1)是根据权利要求1至3中的任一项所述的控制装置(1)。5.  根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述DC/DC转换器为绝缘“反激”型。6.  根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述DC/DC转换器为绝缘“正激”型。7.  根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述DC/DC转换器为升压型。8.  根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述DC/DC转换器为降压型。9.  一种用于控制电力负载(M)的可变速驱动器,包括:整流模块(REC),所述整流模块意欲对由配电网络(R)所提供的AC电压进行整流,DC电源总线,所述DC电源总线连接至所述整流模块(REC)并且包括正电势处的第一电源供给线(10)和负电势处的第二电源供给线(11),所述第一电源供给线和所述第二电源供给线之间施加由所述整流模块所提供的主DC电压(Vbus),总线电容器(Cbus),所述总线电容器连接至所述第一电源供给线(10)和所述第二电源供给线(11),逆变模块(INV),包括几个开关晶体管,所述开关晶体管意欲将所述总线上可用的DC电压(Vbus)变换为预定用于所述电力负载(M)的可变电压,其特征在于,所述可变速驱动器包括:根据权利要求4至8中的任一项所述的开关电源供给系统并且其特征在于,所述开关电源供给系统的第一端子(X)连接至DC电源总线的第一电源供给线(10)并且所述开关电源供给系统的第二端子(Y)连接至DC电源总线的第二电源供给线(11)。

说明书

说明书应用于开关电源供电系统的控制装置
技术领域
本发明涉及应用于开关电源供电系统中的控制装置。
背景技术
开关电源供电系统(也称为“开关式电源SMPS”)能够基于在输入端处所分接(tap off)的DC电压而输送一种或多种DC电压作为输出。这种类型的开关电源供电系统尤其用于可变速驱动器。在可变速驱动器中,于是开关电源供电系统承担提供辅助DC电压的任务,使得能够通过从可变速驱动器的DC电源总线所分接的主DC电压供电给可变速驱动器的所有的电子器件。
DC电压总线提供的主DC电压可以在350Vcc至大于1000Vcc的范围内变化。因此,应用于开关电源供电系统中的控制装置能够在1700Vcc下切换高达2A的电流。以已知的方式,控制装置可以包括击穿电压介于1200V至1700V的单个MOSFET型晶体管。然而,在这些击穿电压下,MOSFET晶体管具有其技术限制。而且,MOSFET晶体管成本高并且在操作期间,MOSFET晶体管通过焦耳效应所产生的损耗特别大。
为了缓和这些缺点,已知将具有较低击穿电压(在600V至900V之间变化)的两个MOSFET晶体管串联。因此,两个串联的晶体管中的每个晶体管都承受较低的电压,以与MOSFET技术的最优应用兼容。
在现有技术中,已经提出了两个串联的晶体管的几种设置。Robert L.Hess和Russel Jacob Baker于2000年9月在IEEE transactions on power electronics(第5册第15卷)上发表的标题为“Transformerless Capacitive Coupling of Gate Signals for Series Operation of Power MOS Devices”的文章描述了包括串联的至少两个MOSFET型晶体管的控制装置。在图1A中示出了该拓扑结构。在该拓扑结构中,控制装置包括两个输入端子A、B和第一晶体管T1,其中,该第一晶体管连接至第二输入端子B并且在其栅极处接收来自控制单元U的控制信号。第二晶体管T2与第一晶体管T1串联地连接 并且连接至第一输入端子A。电容器C1连接至在第二晶体管T2的栅极和第二输入端子B之间。电容器C1具有双重作用:提供足够的电荷以控制第二晶体管并且将第一晶体管的端子之间的电压限制为最优值。
为了避免取决于这两个条件,尤其提出了用齐纳二极管Dz1来替换电容器,于是能够固定第一晶体管T1的端子之间的电压。在图1B中示出了该已知的第二拓扑结构。在该设置中,于是依靠由齐纳二极管Dz1的杂散电容(Cz)所存储的电荷来确保第二晶体管T2的控制。然而,如果通过齐纳二极管Dz1的杂散电容所传输的电荷低于(例如,由于DC总线的电压太低)准确控制第二晶体管T2所必需的电荷,则有必要添加与该齐纳二极管并联的电容器,以确保第二晶体管的适当控制。通过添加与齐纳二极管并联的电容器,使在第一设置方面所识别出的缺点再现。
在这两种设置中,无论电容器是固有的还是附加的,第二晶体管T2的控制都取决于电容器的电容和电容器的端子之间的电压电平。为了基于电容器(齐纳二极管Dz1固有的或者附加的)的端子之间较低的电压来以适当的方式控制第二晶体管T2,有必要增加与晶体管T2的栅极G串联连接的电容器的电容。然而,电容器的电容不能无限增大。
在专利申请EP0453376A2和EP0140349A2以及由Herbert L Hess于2000年9月1日发表的标题为“Transformerless Capacitive coupling of Gate Signals for Series Operation of Power MOS Devices”(XP011043472)的出版物中已经描述了各种控制方案。
本发明的目的是为了提出意欲应用于开关电源供电系统中的具有串联的两个晶体管的控制装置,该控制装置不管主DC电压电平是多少,都允许适当控制第二晶体管,而不增大电容器的电容。
发明内容
通过意欲应用于开关电源供电系统的控制装置来实现该目的,控制装置控制所述开关电源供电系统的DC/DC转换器,所述控制装置包括:第一输入端子和第二输入端子;第一晶体管,所述第一晶体管经由其源极连接至第二输入端子并且布置有意欲接收来自于控制单元的控制信号的栅极;以及第二晶体管,所述第二晶体管设置有栅极并且经由其漏极连接至第一输入端子并经由其源极连接至所述第一晶体管,其特征在于,所述控制装置包括:
控制组件,所述控制组件连接至所述第二晶体管的栅极并且连接至所述第二输入端子以及所述控制组件包括电容器和串联至所述电容器的电压钳位/路由装置,
齐纳二极管,所述齐纳二极管连接在所述第二晶体管的栅极和源极之间。
根据具体特征,所述装置包括一个或多个重叠的完全相同的图案,每个图案都包括:
两个连接点,
电容器,所述电容器连接至第一连接点,
第一齐纳二极管,所述第一齐纳二极管与所述电容器串联,
第三晶体管,所述第三晶体管布置有连接至所述电容器的栅极和连接至第二连接点的源极,
齐纳二极管,所述齐纳二极管连接在所述第三晶体管的栅极和源极之间,
第一添加的图案在上面通过其所述第二连接点连接至所述第二晶体管的漏极并且通过其所述第一连接点连接至所述第二晶体管的栅极,
每个附加图案都在上面通过其所述第二连接点连接至所述先前图案的晶体管的漏极并且通过其所述第一连接点连接至所述先前图案的所述晶体管的栅极。
本发明涉及一种开关电源供电系统的控制装置,包括其间连接DC电压源的第一端子和第二端子,连接至第一端子的DC/DC转换器以及与所述DC/DC转换器串联地连接并连接至所述第二端子的控制装置,所述控制装置是根据以上所定义的控制装置。
根据具体特征,所述DC/DC转换器为绝缘“反激”型、绝缘“正激”型、升压型或者降压型。
本发明最后涉及一种意欲控制电力负载的可变速驱动器,所述可变速驱动器包括:
整流模块,所述整流模块意欲对由配电网络所提供的AC电压进行整流,
DC电源总线,所述DC电源总线连接至所述整流模块并且包括正电势处的第一电源供给线和负电势处的第二电源供给线,所述第一电源供给线和所述第二电源供给线之间施加通过所述整流模块所提供的主DC电压,
总线电容器,所述总线电容器连接至所述第一电源供给线和所述第二电源供给线,
逆变模块,包括几个开关晶体管,所述开关晶体管意欲将所述总线上可用的DC电压变换为预定用于所述电力负载的可变电压,
根据以上所定义的开关电源供给系统,所述开关电源供给系统的第一端子连接至DC电源总线的第一电源供给线并且所述开关电源供给系统的第二端子连接至DC电源总线的第二电源供给线。
附图说明
在关于附图所提供的以下具体描述中,其他特征和优点变得显而易见,其中:
图1A示出了根据第一现有技术具有串联的两个晶体管的控制装置;
图1B示出了根据第二现有技术具有串联的两个晶体管的控制装置;
图2示出了开关电源供电系统;
图3示出了应用本发明的开关电源供电系统的可变速驱动器;
图4示出了根据本发明具有串联的两个晶体管的控制装置,该控制装置与降压型转换器结合;
图5A至图5C示出了本发明的控制装置的工作方法;
图6示出了在本发明的控制装置上多次进行级联的图案;以及
图7示出了包括级联的几个晶体管的本发明的控制装置。
具体实施方式
在图1A和图1B中所表示的解决方法形成现有技术的一部分并且以上在说明书的引言部分中已经对其进行了描述。
在随后的描述中,只要所应用的部件完全相同并实现完全相同的功能,对于本发明的描述就保留图1A和图1B的描述中所应用的某些参照。
本发明涉及意欲应用于开关电源供电系统中的控制装置1。这种开关电源供电系统应用于诸如图3中所示的可变速驱动器。
参照图3,可变速驱动器由输送AC电压的三相供电网R进行供电并且基于AC/DC/AC拓扑结构(AC=交流,DC=直流)。因此,可变速驱动器(诸如该可变速驱动器)包括:
-整流模块REC,意欲对由网络所提供的AC电压进行整流,
-DC电源总线,连接至整流模块并且包括位于正电势处的第一电源线10和位于负电势处的第二电源线11,其中,将由整流模块所提供的主DC电压Vbus施加在第一电源线和第二电源线之间,
-总线电容器Cbus,连接至第一电源线10和第二电压线11并且意欲将DC电压Vbus保持为恒值,
-逆变模块INV包括几个开关晶体管,意欲将总线上可用的DC电压变换为去往电力负载M的可变电压。
主DC电压Vbus用于供电给开关电源供电系统。开关电源供电系统尤其用于为逆变模块INV的晶体管提供控制电压。
诸如图2中所示的开关电源供电系统包括意欲连接至DC电源总线的第一电源线10的第一端子X和意欲连接至第二电源线11的第二端子Y。系统包括:连接至其第一端子X的DC/DC转换器;以及与DC/DC转换器串联并且连接至其第二端子Y的控制装置1。DC/DC转换器可以采用各种已知的拓扑结构的形式,诸如,绝缘“反激”、绝缘“正激”、降压(“降压式”)或者升压(“升压式”)。图2示出了与“反激”型转换器连接的本发明的控制装置。
参照图4,与降压型转换器结合的本发明的控制装置1包括两个输入端子A、B。第一输入端子A意欲连接至开关电源供电系统的降压转换器并且第二输入端子B意欲连接至系统的第二端子Y。
控制装置1包括在其第一输入端子A和其第二输入端子B之间串联地连接的两个晶体管T1、T2。优选地,每个晶体管都是MOSFET、IGBT或者用诸如碳化硅或氮化镓的具有较大禁带能量的材料(“宽带隙材料”)所制造的晶体管。选择串联的两个晶体管能将每个晶体管的端子之间所支持的电压二等分(halve),因此能相对于支持全部电压的单个晶体管降低了其成本并且减小了其体积。
每个晶体管T1、T2都具有栅极G,其栅极控制能够使漏极D和源极S之间流过电流。如图4中所示,第一晶体管T1的源极S连接至第二输入端子B,第二晶体管T2的源极S连接至第一晶体管T1的漏极,并且第二晶体管T2的漏极连接至第一输入端子A。
第一晶体管T1的栅极G连接至控制单元U,该控制单元提供诸如PWM (脉宽调制)型的控制信号,以使第一晶体管T1导通或截止。第二晶体管T2的栅极G是浮置控制型。因此,该第二晶体管的栅极通过本发明的主题的特定控制组件连接至第二输入端子B。
该控制组件包括:电容器Ca,串联地连接至第二输入端子B和钳位/路由(routing)装置,例如连接至电容器Ca以及第二晶体管T2的栅极G的齐纳二极管Dz1。齐纳晶体管Dz1与电容器Ca串联地连接。
控制组件还包括连接在第二晶体管T2的栅极G和源极S之间的第二齐纳二极管Dz2。
因此,通过第二晶体管T2的栅极G进行放电并且通过对晶体管T2的漏源杂散电容Co2进行充电来自动供电给电容器Ca。在第一晶体管T1的导通阶段期间,会产生这种自动电力供电。在该阶段,齐纳二极管Dz1进行钳位并且反向导电。
下文中将对控制组件的截止状态和导通状态进行说明:
截止状态:
开始,两个晶体管T、T2都导通。
图5A:控制单元U对第一晶体管T1的栅极G分配导通信号。第一晶体管T1的漏源电压VDS1开始增大,从而引起齐纳二极管Dz1的端子之间的电压VDz1增大。电流Ip(变压器的一次侧电流)流过第二晶体管T2的栅极G并且对齐纳二极管Dz1的杂散电容Cz、第一晶体管T1的杂散电容Co1以及电容器Ca的电容进行充电,并且将转换器的二极管D1的杂散电容Cp进行放电。该电流Ip允许齐纳二极管Dz1的端子之间的电压VDz1和电容器Ca的端子之间的电压Va增大。这还允许第二晶体管T2的栅极G放电。然而,第二晶体管T2仍处于导通状态。
图5B:只要第二晶体管T2的栅源电压VGS2降低为低于状态改变极限电压,第二晶体管T2就转到开路状态,从而导致漏源电压VDS2增大。当第二晶体管T2处于开路状态时,电流Ip对杂散电容Co1、Co2、Cz进行充电并且继续将第二晶体管T2的栅极和杂散电容Cp放电。
图5C:一旦第一晶体管T1的漏源电压VDS1达到齐纳二极管Dz1的钳位电压,晶体管T1的杂散电容器Co1的充电就结束并且流经第一晶体管T1的电流IDS1变为0。
只要第二晶体管T2和二极管D1各自的杂散电容Co2、Cp没有充满电, 电流Ip就继续对它们进行充电和放电。齐纳二极管Dz2以正向模式导通而齐纳二极管Dz1以反向模式导通,直到分别完成杂散电容Co2、Cp的充电和放电。
截止状态:
开始,两个晶体管T1、T2都截止。
控制单元U对第一晶体管T1的栅极分配导通信号。第一晶体管T1的端子之间的漏源电压VDS1下降,直到第一晶体管完全导通,以代表其电阻式状态。
然后,电容器Ca的端子之间的电压Va足以正确地引导第二晶体管T2。以下列方式来表示该自适应电压Va:
Va=VfwDz1+VDz2+(IdT1*RdsON_T1)
其中:
-Va表示电容器Ca的端子之间的电压,
-VfwDz1表示齐纳二极管Dz1的正向导通阈值电压,
-VDz2表示齐纳二极管Dz2的钳位电压,
-IdT1表示流经第一晶体管T1的漏源电流,
-RdsON_T1表示第一晶体管T1的导通状态电阻。
从上文所述的体系结构开始,本发明还包括第二晶体管T2之上的级联晶体管。
为此,可在先前所述的并且包括两个晶体管T1、T2的体系结构上添加一个或多个完全相同的图案。第一图案连接至第二晶体管T2的栅极G和漏极D。
参照图6,图案包括两个连接点M、N。每个图案都包括:连接至第一连接点M的电容器Cb,该电容器可以与上述电容器Ca相同;与电容器Cb串联地连接的齐纳二极管Dz1,该齐纳二极管与先前的齐纳二极管相同以符合电压的共享;与主晶体管T1、T2的类型相同的晶体管T3_i(i=1至n),其栅极G连接至电容器Cb,并且其源极S连接至第二连接点N。图案还包括连接在晶体管T3_i的栅极G和源极S之间的齐纳二极管Dz3(可选地,与Dz2相同)。
每个添加的图案都在上面通过其第二连接点N连接至先前图案的晶体管(T3_n-1)的漏极D并且通过其第一连接点M连接至先前图案的晶体管 (T3_n-1)的栅极G。
最后图案的晶体管(T3_n)的漏极D连接至上文所述的第一输入端子A。
当通过控制单元U使第一晶体管T1截止时,通过电流Ip对级联的晶体管的杂散电容充电。每个晶体管T3_i的端子之间的电压被钳位于齐纳二极管Dz1的电压。齐纳二极管导通并且对图案的电容器Cb充电。
在导通时,图案的每个电容器Cb的端子之间的电压补偿电压下降。以下列方式来表示图案的每个电容器Cb的端子之间的该电压V1:
V1=(VDz3–VDz2)+VfwDz1+IdT2*Rdson_T2;
Vn=(VDz3–VDz2)+VfwDz1+IdTn-1*Rdson_Tn;
如果VDz3=VDz2,并且晶体管的导通状态电阻(Rdson_Tn)相同,则我们获得:
V1=V2=Vn=VfwDz1+IdT2*Rdson_Tn
利用级联的两个以上的MOSFET型晶体管的所谓的“浮置”电容器能补偿相关联的齐纳二极管Dz1的电压下降以及与晶体管的导通状态电阻相关的电压下降。

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1、(10)申请公布号 CN 104009642 A (43)申请公布日 2014.08.27 CN 104009642 A (21)申请号 201410063195.4 (22)申请日 2014.02.25 1351622 2013.02.25 FR H02M 3/335(2006.01) (71)申请人 施耐德东芝换流器欧洲公司 地址 法国厄尔河畔帕西 (72)发明人 A.P. 巴劳纳 H. 波尔哈特斯 (74)专利代理机构 北京市柳沈律师事务所 11105 代理人 钱大勇 (54) 发明名称 应用于开关电源供电系统的控制装置 (57) 摘要 本发明涉及用于开关电源供给系统的控制 装置 (1)。

2、 以控制开关电源供给系统的 DC/DC 转换 器, 控制装置包括 : 第一输入端子 (A) 和第二输入 端子 (B) ; 第一晶体管 (T1) , 经由其源极连接至第 二输入端子 (B) ; 以及第二晶体管 (T2) , 所述第二 晶体管设置有栅极 (G) 并且经由其漏极 (D) 连接 至第一输入端子 (A) 并经由其源极 (S) 连接至所 述第一晶体管 (T1) , 所述控制装置包括 : 控制组 件, 连接至所述第二晶体管 (T2) 的栅极 (G) 并且 连接至所述第二输入端子 (B) 以及所述控制组件 包括电容器 (Ca) 和串联至所述电容器 (Ca) 的第 一齐纳二极管 (Dz1) 以及。

3、连接在所述第二晶体管 (T2) 的栅极 (G) 和源极 (S) 之间的第二齐纳二极 管 (Dz2) 。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104009642 A CN 104009642 A 1/2 页 2 1. 一种用于开关电源供电系统的控制装置 (1) , 以控制所述开关电源供电系统的 DC/ DC 转换器, 所述控制装置包括 : 第一输入端子 (A) 和第二输入端子 (B) ; 第一晶体管 (T1) , 所。

4、 述第一晶体管经由其源极连接至第二输入端子 (B) 并且布置有栅极 (G) 以接收来自于控制 单元 (U) 的控制信号 ; 以及第二晶体管 (T2) , 所述第二晶体管设置有栅极 (G) 并且经由其漏 极 (D) 连接至第一输入端子 (A) 并经由其源极 (S) 连接至所述第一晶体管 (T1) , 其特征在 于, 所述控制装置包括 : 控制组件, 所述控制组件连接至所述第二晶体管 (T2) 的栅极 (G) 并且连接至所述第二 输入端子 (B) 以及所述控制组件包括电容器 (Ca) 和串联地连接至所述电容器 (Ca) 的电压 钳位 / 路由装置, 齐纳二极管 (Dz2) , 所述齐纳二极管连接在。

5、所述第二晶体管 (T2) 的栅极 (G) 和源极 (S) 之间。 2.根据权利要求1所述的装置, 其特征在于, 所述电压钳位/路由装置包括齐纳二极管 (Dz1) 。 3. 根据权利要求 1 所述的装置, 其特征在于, 所述装置包括一个或多个重叠的相同的 图案, 每个图案都包括 : 两个连接点 (M, N) , 电容器 (Cb) , 所述电容器连接至第一连接点 (M) , 第一齐纳二极管 (Dz1) , 所述第一齐纳二极管与所述电容器 (Cb) 串联地连接, 第三晶体管 (T3_i) , 所述第三晶体管布置有连接至所述电容器 (Cb) 的栅极 (G) 和连接 至第二连接点 (N) 的源极 (S)。

6、 , 齐纳二极管 (Dz3) , 所述齐纳二极管连接在所述第三晶体管 (T3_i) 的栅极 (G) 和源极 (S) 之间, 第一添加的图案在上面通过其所述第二连接点 (N) 连接至所述第二晶体管 (T2) 的漏 极 (D) 并且通过其所述第一连接点 (M) 连接至所述第二晶体管 (T2) 的栅极 (G) , 每个附加图案都在上面通过其所述第二连接点 (N)连接至所述先前图案的晶体管 (T3_n-1) 的漏极 (D) 并且通过其所述第一连接点 (M) 连接至所述先前图案的所述晶体管 (T3_n-1) 的栅极 (G) 。 4.一种开关电源供电系统, 包括其间连接DC电压源的第一端子 (X) 和第二。

7、端子 (Y) , 连 接至第一端子 (X) 的 DC/DC 转换器以及与所述 DC/DC 转换器串联地连接并连接至所述第二 端子 (Y) 的控制装置 (1) , 其特征在于, 所述控制装置 (1) 是根据权利要求 1 至 3 中的任一 项所述的控制装置 (1) 。 5. 根据权利要求 4 所述的系统, 其特征在于, 所述 DC/DC 转换器为绝缘 “反激” 型。 6. 根据权利要求 4 所述的系统, 其特征在于, 所述 DC/DC 转换器为绝缘 “正激” 型。 7. 根据权利要求 4 所述的系统, 其特征在于, 所述 DC/DC 转换器为升压型。 8. 根据权利要求 4 所述的系统, 其特征在。

8、于, 所述 DC/DC 转换器为降压型。 9. 一种用于控制电力负载 (M) 的可变速驱动器, 包括 : 整流模块 (REC) , 所述整流模块意欲对由配电网络 (R) 所提供的 AC 电压进行整流, DC 电源总线, 所述 DC 电源总线连接至所述整流模块 (REC) 并且包括正电势处的第一电 源供给线 (10) 和负电势处的第二电源供给线 (11) , 所述第一电源供给线和所述第二电源 权 利 要 求 书 CN 104009642 A 2 2/2 页 3 供给线之间施加由所述整流模块所提供的主 DC 电压 (Vbus) , 总线电容器 (Cbus) , 所述总线电容器连接至所述第一电源供给。

9、线 (10) 和所述第二电 源供给线 (11) , 逆变模块 (INV) , 包括几个开关晶体管, 所述开关晶体管意欲将所述总线上可用的 DC 电压 (Vbus) 变换为预定用于所述电力负载 (M) 的可变电压, 其特征在于, 所述可变速驱动器包括 : 根据权利要求 4 至 8 中的任一项所述的开关电源供给系统并且其特征在于, 所述开关 电源供给系统的第一端子 (X) 连接至 DC 电源总线的第一电源供给线 (10) 并且所述开关电 源供给系统的第二端子 (Y) 连接至 DC 电源总线的第二电源供给线 (11) 。 权 利 要 求 书 CN 104009642 A 3 1/6 页 4 应用于开。

10、关电源供电系统的控制装置 技术领域 0001 本发明涉及应用于开关电源供电系统中的控制装置。 背景技术 0002 开关电源供电系统 (也称为 “开关式电源 SMPS” ) 能够基于在输入端处所分接 (tap off) 的 DC 电压而输送一种或多种 DC 电压作为输出。这种类型的开关电源供电系统尤其 用于可变速驱动器。在可变速驱动器中, 于是开关电源供电系统承担提供辅助 DC 电压的任 务, 使得能够通过从可变速驱动器的 DC 电源总线所分接的主 DC 电压供电给可变速驱动器 的所有的电子器件。 0003 DC 电压总线提供的主 DC 电压可以在 350Vcc 至大于 1000Vcc 的范围内。

11、变化。因 此, 应用于开关电源供电系统中的控制装置能够在 1700Vcc 下切换高达 2A 的电流。以已知 的方式, 控制装置可以包括击穿电压介于 1200V 至 1700V 的单个 MOSFET 型晶体管。然而, 在这些击穿电压下, MOSFET 晶体管具有其技术限制。而且, MOSFET 晶体管成本高并且在操 作期间, MOSFET 晶体管通过焦耳效应所产生的损耗特别大。 0004 为了缓和这些缺点, 已知将具有较低击穿电压 (在 600V 至 900V 之间变化) 的两 个 MOSFET 晶体管串联。因此, 两个串联的晶体管中的每个晶体管都承受较低的电压, 以与 MOSFET 技术的最优。

12、应用兼容。 0005 在现有技术中, 已经提出了两个串联的晶体管的几种设置。Robert L.Hess 和 Russel Jacob Baker 于 2000 年 9 月在 IEEE transactions on power electronics(第 5 册第 15 卷) 上发表的标题为 “Transformerless Capacitive Coupling of Gate Signals for Series Operation of Power MOS Devices” 的文章描述了包括串联的至少两个MOSFET 型晶体管的控制装置。在图 1A 中示出了该拓扑结构。在该拓扑结构中, 。

13、控制装置包括两个 输入端子 A、 B 和第一晶体管 T1, 其中, 该第一晶体管连接至第二输入端子 B 并且在其栅极 处接收来自控制单元 U 的控制信号。第二晶体管 T2 与第一晶体管 T1 串联地连接并且连接 至第一输入端子 A。电容器 C1 连接至在第二晶体管 T2 的栅极和第二输入端子 B 之间。电 容器 C1 具有双重作用 : 提供足够的电荷以控制第二晶体管并且将第一晶体管的端子之间 的电压限制为最优值。 0006 为了避免取决于这两个条件, 尤其提出了用齐纳二极管 Dz1 来替换电容器, 于是 能够固定第一晶体管 T1 的端子之间的电压。在图 1B 中示出了该已知的第二拓扑结构。在 。

14、该设置中, 于是依靠由齐纳二极管 Dz1 的杂散电容 (Cz) 所存储的电荷来确保第二晶体管 T2 的控制。然而, 如果通过齐纳二极管 Dz1 的杂散电容所传输的电荷低于 (例如, 由于 DC 总线 的电压太低) 准确控制第二晶体管 T2 所必需的电荷, 则有必要添加与该齐纳二极管并联的 电容器, 以确保第二晶体管的适当控制。 通过添加与齐纳二极管并联的电容器, 使在第一设 置方面所识别出的缺点再现。 0007 在这两种设置中, 无论电容器是固有的还是附加的, 第二晶体管 T2 的控制都取决 于电容器的电容和电容器的端子之间的电压电平。为了基于电容器 (齐纳二极管 Dz1 固有 说 明 书 C。

15、N 104009642 A 4 2/6 页 5 的或者附加的) 的端子之间较低的电压来以适当的方式控制第二晶体管 T2, 有必要增加与 晶体管 T2 的栅极 G 串联连接的电容器的电容。然而, 电容器的电容不能无限增大。 0008 在专利申请 EP0453376A2 和 EP0140349A2 以及由 Herbert L Hess 于 2000 年 9 月 1日发表的标题为 “Transformerless Capacitive coupling of Gate Signals for Series Operation of Power MOS Devices” (XP011043472) 的。

16、出版物中已经描述了各种控制方案。 0009 本发明的目的是为了提出意欲应用于开关电源供电系统中的具有串联的两个晶 体管的控制装置, 该控制装置不管主 DC 电压电平是多少, 都允许适当控制第二晶体管, 而 不增大电容器的电容。 发明内容 0010 通过意欲应用于开关电源供电系统的控制装置来实现该目的, 控制装置控制所述 开关电源供电系统的 DC/DC 转换器, 所述控制装置包括 : 第一输入端子和第二输入端子 ; 第 一晶体管, 所述第一晶体管经由其源极连接至第二输入端子并且布置有意欲接收来自于控 制单元的控制信号的栅极 ; 以及第二晶体管, 所述第二晶体管设置有栅极并且经由其漏极 连接至第一。

17、输入端子并经由其源极连接至所述第一晶体管, 其特征在于, 所述控制装置包 括 : 0011 控制组件, 所述控制组件连接至所述第二晶体管的栅极并且连接至所述第二输入 端子以及所述控制组件包括电容器和串联至所述电容器的电压钳位 / 路由装置, 0012 齐纳二极管, 所述齐纳二极管连接在所述第二晶体管的栅极和源极之间。 0013 根据具体特征, 所述装置包括一个或多个重叠的完全相同的图案, 每个图案都包 括 : 0014 两个连接点, 0015 电容器, 所述电容器连接至第一连接点, 0016 第一齐纳二极管, 所述第一齐纳二极管与所述电容器串联, 0017 第三晶体管, 所述第三晶体管布置有连。

18、接至所述电容器的栅极和连接至第二连接 点的源极, 0018 齐纳二极管, 所述齐纳二极管连接在所述第三晶体管的栅极和源极之间, 0019 第一添加的图案在上面通过其所述第二连接点连接至所述第二晶体管的漏极并 且通过其所述第一连接点连接至所述第二晶体管的栅极, 0020 每个附加图案都在上面通过其所述第二连接点连接至所述先前图案的晶体管的 漏极并且通过其所述第一连接点连接至所述先前图案的所述晶体管的栅极。 0021 本发明涉及一种开关电源供电系统的控制装置, 包括其间连接 DC 电压源的第一 端子和第二端子, 连接至第一端子的 DC/DC 转换器以及与所述 DC/DC 转换器串联地连接并 连接至。

19、所述第二端子的控制装置, 所述控制装置是根据以上所定义的控制装置。 0022 根据具体特征, 所述 DC/DC 转换器为绝缘 “反激” 型、 绝缘 “正激” 型、 升压型或者 降压型。 0023 本发明最后涉及一种意欲控制电力负载的可变速驱动器, 所述可变速驱动器包 括 : 0024 整流模块, 所述整流模块意欲对由配电网络所提供的 AC 电压进行整流, 说 明 书 CN 104009642 A 5 3/6 页 6 0025 DC 电源总线, 所述 DC 电源总线连接至所述整流模块并且包括正电势处的第一电 源供给线和负电势处的第二电源供给线, 所述第一电源供给线和所述第二电源供给线之间 施加通。

20、过所述整流模块所提供的主 DC 电压, 0026 总线电容器, 所述总线电容器连接至所述第一电源供给线和所述第二电源供给 线, 0027 逆变模块, 包括几个开关晶体管, 所述开关晶体管意欲将所述总线上可用的 DC 电 压变换为预定用于所述电力负载的可变电压, 0028 根据以上所定义的开关电源供给系统, 所述开关电源供给系统的第一端子连接至 DC 电源总线的第一电源供给线并且所述开关电源供给系统的第二端子连接至 DC 电源总线 的第二电源供给线。 附图说明 0029 在关于附图所提供的以下具体描述中, 其他特征和优点变得显而易见, 其中 : 0030 图 1A 示出了根据第一现有技术具有串联。

21、的两个晶体管的控制装置 ; 0031 图 1B 示出了根据第二现有技术具有串联的两个晶体管的控制装置 ; 0032 图 2 示出了开关电源供电系统 ; 0033 图 3 示出了应用本发明的开关电源供电系统的可变速驱动器 ; 0034 图 4 示出了根据本发明具有串联的两个晶体管的控制装置, 该控制装置与降压型 转换器结合 ; 0035 图 5A 至图 5C 示出了本发明的控制装置的工作方法 ; 0036 图 6 示出了在本发明的控制装置上多次进行级联的图案 ; 以及 0037 图 7 示出了包括级联的几个晶体管的本发明的控制装置。 具体实施方式 0038 在图1A和图1B中所表示的解决方法形成。

22、现有技术的一部分并且以上在说明书的 引言部分中已经对其进行了描述。 0039 在随后的描述中, 只要所应用的部件完全相同并实现完全相同的功能, 对于本发 明的描述就保留图 1A 和图 1B 的描述中所应用的某些参照。 0040 本发明涉及意欲应用于开关电源供电系统中的控制装置 1。这种开关电源供电系 统应用于诸如图 3 中所示的可变速驱动器。 0041 参照图 3, 可变速驱动器由输送 AC 电压的三相供电网 R 进行供电并且基于 AC/DC/ AC 拓扑结构 (AC= 交流, DC= 直流) 。因此, 可变速驱动器 (诸如该可变速驱动器) 包括 : 0042 - 整流模块 REC, 意欲对由。

23、网络所提供的 AC 电压进行整流, 0043 -DC 电源总线, 连接至整流模块并且包括位于正电势处的第一电源线 10 和位于负 电势处的第二电源线11, 其中, 将由整流模块所提供的主DC电压Vbus施加在第一电源线和 第二电源线之间, 0044 - 总线电容器 Cbus, 连接至第一电源线 10 和第二电压线 11 并且意欲将 DC 电压 Vbus 保持为恒值, 0045 - 逆变模块 INV 包括几个开关晶体管, 意欲将总线上可用的 DC 电压变换为去往电 说 明 书 CN 104009642 A 6 4/6 页 7 力负载 M 的可变电压。 0046 主 DC 电压 Vbus 用于供电。

24、给开关电源供电系统。开关电源供电系统尤其用于为逆 变模块 INV 的晶体管提供控制电压。 0047 诸如图 2 中所示的开关电源供电系统包括意欲连接至 DC 电源总线的第一电源线 10 的第一端子 X 和意欲连接至第二电源线 11 的第二端子 Y。系统包括 : 连接至其第一端子 X 的 DC/DC 转换器 ; 以及与 DC/DC 转换器串联并且连接至其第二端子 Y 的控制装置 1。DC/ DC 转换器可以采用各种已知的拓扑结构的形式, 诸如, 绝缘 “反激” 、 绝缘 “正激” 、 降压 ( “降 压式” ) 或者升压 ( “升压式” ) 。图 2 示出了与 “反激” 型转换器连接的本发明的控。

25、制装置。 0048 参照图 4, 与降压型转换器结合的本发明的控制装置 1 包括两个输入端子 A、 B。第 一输入端子A意欲连接至开关电源供电系统的降压转换器并且第二输入端子B意欲连接至 系统的第二端子 Y。 0049 控制装置 1 包括在其第一输入端子 A 和其第二输入端子 B 之间串联地连接的两个 晶体管 T1、 T2。优选地, 每个晶体管都是 MOSFET、 IGBT 或者用诸如碳化硅或氮化镓的具有 较大禁带能量的材料 ( “宽带隙材料” ) 所制造的晶体管。 选择串联的两个晶体管能将每个晶 体管的端子之间所支持的电压二等分 (halve) , 因此能相对于支持全部电压的单个晶体管 降低。

26、了其成本并且减小了其体积。 0050 每个晶体管 T1、 T2 都具有栅极 G, 其栅极控制能够使漏极 D 和源极 S 之间流过电 流。如图 4 中所示, 第一晶体管 T1 的源极 S 连接至第二输入端子 B, 第二晶体管 T2 的源极 S 连接至第一晶体管 T1 的漏极, 并且第二晶体管 T2 的漏极连接至第一输入端子 A。 0051 第一晶体管 T1 的栅极 G 连接至控制单元 U, 该控制单元提供诸如 PWM(脉宽调制) 型的控制信号, 以使第一晶体管T1导通或截止。 第二晶体管T2的栅极G是浮置控制型。 因 此, 该第二晶体管的栅极通过本发明的主题的特定控制组件连接至第二输入端子 B。。

27、 0052 该控制组件包括 : 电容器 Ca, 串联地连接至第二输入端子 B 和钳位 / 路由 (routing) 装置, 例如连接至电容器 Ca 以及第二晶体管 T2 的栅极 G 的齐纳二极管 Dz1。齐 纳晶体管 Dz1 与电容器 Ca 串联地连接。 0053 控制组件还包括连接在第二晶体管 T2 的栅极 G 和源极 S 之间的第二齐纳二极管 Dz2。 0054 因此, 通过第二晶体管 T2 的栅极 G 进行放电并且通过对晶体管 T2 的漏源杂散电 容Co2进行充电来自动供电给电容器Ca。 在第一晶体管T1的导通阶段期间, 会产生这种自 动电力供电。在该阶段, 齐纳二极管 Dz1 进行钳位。

28、并且反向导电。 0055 下文中将对控制组件的截止状态和导通状态进行说明 : 0056 截止状态 : 0057 开始, 两个晶体管 T、 T2 都导通。 0058 图 5A : 控制单元 U 对第一晶体管 T1 的栅极 G 分配导通信号。第一晶体管 T1 的漏 源电压 VDS1开始增大, 从而引起齐纳二极管 Dz1 的端子之间的电压 VDz1增大。电流 Ip(变 压器的一次侧电流) 流过第二晶体管 T2 的栅极 G 并且对齐纳二极管 Dz1 的杂散电容 Cz、 第 一晶体管 T1 的杂散电容 Co1 以及电容器 Ca 的电容进行充电, 并且将转换器的二极管 D1 的 杂散电容 Cp 进行放电。。

29、该电流 Ip 允许齐纳二极管 Dz1 的端子之间的电压 VDz1和电容器 Ca 的端子之间的电压 Va 增大。这还允许第二晶体管 T2 的栅极 G 放电。然而, 第二晶体管 T2 说 明 书 CN 104009642 A 7 5/6 页 8 仍处于导通状态。 0059 图 5B : 只要第二晶体管 T2 的栅源电压 VGS2降低为低于状态改变极限电压, 第二晶 体管 T2 就转到开路状态, 从而导致漏源电压 VDS2增大。当第二晶体管 T2 处于开路状态时, 电流 Ip 对杂散电容 Co1、 Co2、 Cz 进行充电并且继续将第二晶体管 T2 的栅极和杂散电容 Cp 放电。 0060 图 5C。

30、 : 一旦第一晶体管 T1 的漏源电压 VDS1达到齐纳二极管 Dz1 的钳位电压, 晶体 管 T1 的杂散电容器 Co1 的充电就结束并且流经第一晶体管 T1 的电流 IDS1变为 0。 0061 只要第二晶体管 T2 和二极管 D1 各自的杂散电容 Co2、 Cp 没有充满电, 电流 Ip 就 继续对它们进行充电和放电。齐纳二极管 Dz2 以正向模式导通而齐纳二极管 Dz1 以反向模 式导通, 直到分别完成杂散电容 Co2、 Cp 的充电和放电。 0062 截止状态 : 0063 开始, 两个晶体管 T1、 T2 都截止。 0064 控制单元 U 对第一晶体管 T1 的栅极分配导通信号。第。

31、一晶体管 T1 的端子之间的 漏源电压 VDS1下降, 直到第一晶体管完全导通, 以代表其电阻式状态。 0065 然后, 电容器 Ca 的端子之间的电压 Va 足以正确地引导第二晶体管 T2。以下列方 式来表示该自适应电压 Va : 0066 Va=VfwDz1+VDz2+(IdT1*RdsON_T1) 0067 其中 : 0068 -Va 表示电容器 Ca 的端子之间的电压, 0069 -VfwDz1表示齐纳二极管 Dz1 的正向导通阈值电压, 0070 -VDz2表示齐纳二极管 Dz2 的钳位电压, 0071 -IdT1表示流经第一晶体管 T1 的漏源电流, 0072 -RdsON_T1表。

32、示第一晶体管 T1 的导通状态电阻。 0073 从上文所述的体系结构开始, 本发明还包括第二晶体管 T2 之上的级联晶体管。 0074 为此, 可在先前所述的并且包括两个晶体管 T1、 T2 的体系结构上添加一个或多个 完全相同的图案。第一图案连接至第二晶体管 T2 的栅极 G 和漏极 D。 0075 参照图 6, 图案包括两个连接点 M、 N。每个图案都包括 : 连接至第一连接点 M 的电 容器 Cb, 该电容器可以与上述电容器 Ca 相同 ; 与电容器 Cb 串联地连接的齐纳二极管 Dz1, 该齐纳二极管与先前的齐纳二极管相同以符合电压的共享 ; 与主晶体管 T1、 T2 的类型相同 的晶。

33、体管 T3_i(i=1 至 n) , 其栅极 G 连接至电容器 Cb, 并且其源极 S 连接至第二连接点 N。 图案还包括连接在晶体管 T3_i 的栅极 G 和源极 S 之间的齐纳二极管 Dz3(可选地, 与 Dz2 相同) 。 0076 每个添加的图案都在上面通过其第二连接点 N 连接至先前图案的晶体管 (T3_ n-1) 的漏极 D 并且通过其第一连接点 M 连接至先前图案的晶体管 (T3_n-1) 的栅极 G。 0077 最后图案的晶体管 (T3_n) 的漏极 D 连接至上文所述的第一输入端子 A。 0078 当通过控制单元 U 使第一晶体管 T1 截止时, 通过电流 Ip 对级联的晶体。

34、管的杂散 电容充电。每个晶体管 T3_i 的端子之间的电压被钳位于齐纳二极管 Dz1 的电压。齐纳二 极管导通并且对图案的电容器 Cb 充电。 0079 在导通时, 图案的每个电容器 Cb 的端子之间的电压补偿电压下降。以下列方式来 说 明 书 CN 104009642 A 8 6/6 页 9 表示图案的每个电容器 Cb 的端子之间的该电压 V1 : 0080 V1=(VDz3VDz2)+VfwDz1+IdT2*Rdson_T2; 0081 Vn=(VDz3VDz2)+VfwDz1+IdTn-1*Rdson_Tn; 0082 如果 VDz3=VDz2, 并且晶体管的导通状态电阻 (Rdson_。

35、Tn) 相同, 则我们获得 : 0083 V1=V2=Vn=VfwDz1+IdT2*Rdson_Tn 0084 利用级联的两个以上的 MOSFET 型晶体管的所谓的 “浮置” 电容器能补偿相关联的 齐纳二极管 Dz1 的电压下降以及与晶体管的导通状态电阻相关的电压下降。 说 明 书 CN 104009642 A 9 1/4 页 10 图 1A图 1B 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104009642 A 10 2/4 页 11 图 4 图 5A 说 明 书 附 图 CN 104009642 A 11 3/4 页 12 图 5B 图 5C 图 6 说 明 书 附 图 CN 104009642 A 12 4/4 页 13 图 7 说 明 书 附 图 CN 104009642 A 13 。

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