CN119497951A 用于功率逆变器中的功率逆变器支路的栅极驱动电路、功率逆变器及其操作方法 （南洋理工大学）

2025.01.16PCT/SG2023/0505012023.07.17WO2024/019663EN2024.01.25用于功率逆变器中的功率逆变器支路的栅用于功率逆变器中的功率逆变器支路的栅极驱动电路包括具有第一反向导通通道的第一功率开关和具有第二反向导通通道的第二功率驱动电路以互补的方式并基于到第一栅极驱动子电路和第二栅极驱动子电路的栅极驱动输入信号来控制第一功率开关和第二功率开关的切2所述栅极驱动电路被配置为以互补的方式并基于所述第一栅极驱动子电路和所述第二栅极驱动子电路的栅极驱动控制信号来控制所述第一功率开关和所述第二功率开关的生成第一栅极驱动控制信号，所述第一栅极驱动控制信号指生成第二栅极驱动控制信号，所述第二栅极驱动控制信号指示3.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，被配置为使所述第一栅极驱动控制信号指示4.根据权利要求2或3所述的栅极驱动电路，其中，所述第一所述第一功率开关和所述第二功率开关之间的中点连接的第一配置为使用第一分压器电路对输入到所述第一反相输入和所述第一非反相输入的第一电7.根据权利要求2至6中任一项所述的栅DC输出侧连接的第二反相输入以及与所述第一功率开关和所述第二功率开关之间的中点配置为使用第二分压器电路对输入到所述第二反相输入和可选地输入到所述第二非反相生成第三栅极驱动控制信号，所述第三栅极驱动控制信号指生成第二栅极驱动输入信号或第四栅极驱动输入信号，所述第二3第三分压器电路对输入到所述第三反相输入和所述第三非反相输入的第三电压信号的幅第三斜坡电容器与所述第三非反相输入的第三分压器中的第三斜率何时为负。第四分压器电路对输入到所述第四反相输入和可选地输入到所述第四非反相输入的电压17.一种操作栅极驱动电路的方法，所述栅极驱动电路用于功率逆变器中的功率逆变操作所述栅极驱动电路以互补的方式并基于所述第一栅极驱动子电路和所述第二栅极驱动子电路的栅极驱动输入信号来控制所述第一功率开关和所述第二功率开关的切换，所述栅极驱动输入信号指示所述第一反向导通通道和所述第二反向导通通道的导通状况4[0005]用于开关模式电源的传统功率转换器在100kHz至500kHz的典型范围内的频率下预期一些新兴功率转换应用的工作频率在几百千赫兹到100MHz以上，如在评论论文[参考powerconversion,”IEEEAppliedPowerElectronicsConferenceandExpositionsingle_endedswitchingpoweramplifiers,”IEEEJournalofSolid_State5D.J.Perreault，“AHigh_FrequencyInverterfJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics，vol.7，No.2，用于顶部开关和底部开关的PWM信号，并且通过具有相同时延时间的一对相同栅极驱动电示出了使用具有耦合的次级绕组的变压器隔离变压器来为开关提供隔离且浮动的栅极驱器在ZVS状态下工作需要根据负载阻抗来对栅极信号进行额外计算和控制。切换频率和占6invertersandrectifiersforDC_DCconversion,”inPESCRecord.27thAnnual杂的控制设计或狭窄的操作区域范围。[参考文献：H.Sekiya、M.Matsuo、H.Koizumi、TelecommunicationsEnergyConference，SanFrancisco，CA，USA，1998][参考文献：W.D.Braun和D.J.Perreault，“AHigh_FrequencyInverterforVariable_Load并且自动触发栅极信号，包括Mazzilli转换器[参考文献：D.A.Hapidin、I.Saleh、M.M.Munir和Khairurrijal，“DesignandDevelopmentofaSeries_ConfigurationMazzilliZeroVoltageSwitchingFlybackConverterasaHigh_VoltagePowerSupplyforNeedlelessElectrospinning,”inEngineeringPhysicsInternationalConference，Bandung，Indonesia，2016]、TSOS技术[参考文献：A.Namadmalan和InductionHeatingSystems,”IEEETransactionsonIndustrialElectronics，“DoubleModulationTechniqueforaZVSSelf_OscillatingHalf_BridgeBased4MHz10kWZVSInverterWithFastResonanceFrequencyTrackingControlforHigh_DensityPlasmaGenerators,”IEEETransactionsonPowerElectronics，生成开关的栅极信号。在直接驱动类型中，栅极驱动功率直接来自电流互感器（current间接类型方法中，栅极信号以地为基准来生成，并且需要配对的隔离栅极驱动器用于半桥扰能力限制了轨道电压和切换频率，这也是一个问题。[参考文献：V.Semiconductors，“OptocouplerCommonModeTransientImmunity(CMTI)_TheoryandPractical信号隔离器具有几十ns的传播延迟。在具有外部控制的ZVS操作的半桥或全桥功率逆变器optimizationapproachforhigh_efficiencyhigh_power_densityboost7,converters”inIEEE19thWorkshoponControlandModelingforPower,[0021]图6是示出了针对功率逆变器支路中的顶部开关和底部开关的栅极驱动技术的一8[0022]图7是示出了根据本文公开技术的功率逆变器中的功率逆变器支路的第一示例性[0041]图26是图25的电路的该两个功率逆变器支路的电感电流和中点电压的一系列模[0042]图27是针对图25的功率逆变器中的功率开关的非典型切换轨迹的电压与电流关[0047]现在参考图7，图7示出了功率逆变器/功率逆变器支路700从输出703驱动负载下面详细描述的技术扩展到全桥功率逆变器。在初步讨论第一示例性栅极驱动电路704之9[0050]第一与门710在第一输入712上接收来自条件1逻辑块718的输入，该条件1逻辑块[0051]第一与门710在第二输入714上接收来自条件2逻辑块728的输入，该条件2逻辑块[0053]第二与门738在第一输入740上接收来自条件3逻辑块746的输入，该条件3逻辑块[0054]第二与门738在第二输入742上接收来自条件4逻辑块756的输入，该条件4逻辑块[0055]图7的功率逆变器支路700包括第一功率开关764（在该示例中为MOSFET其具有被按图腾柱[0068]在第一比较器第一非反相输入802处设置的最小电压将为零，此时它与第一功率[0069]参考图8，该条件1逻辑块718可以由具有第一比较器800的第一比较器电路来实测量在第一功率开关764、第一反并联二极管766和第一功率开关寄生电容768两端形成的有与供电电压轨Vs连接的第一非反相输入802以及与第一功率开关和第二功率开关之间的[0070]将理解，第一栅极驱动控制信号726指示第一反向导通通道电压V部电阻器900a2在第一侧连接到自举供电轨Vb（参见图19并且在其第二侧连接到第一比第二底部电阻器900b2中的每一个都在其相应第二侧连接到开关之间第一分压器电路900对输入到第一反相输入804和第一非反相输入802的第一电压信号的幅示例中为第一比较器800的第一非反相输入802的分压器900中的第二顶部电阻器900a2相输入802的第一分压器电路900中的第二上电阻端，如图11所示。电感器的带点的一端通常连接到半桥功率逆变器支路700中的两个开关[0083]因此，栅极驱动电路704被配置为使第二栅极驱动控制信号736成为第二比较器连接的第二反相输入1102以及与第一功率开关和第二功率开关之间的中点774连接的第二比较器的可接受范围内，如图12所示。包括顶部电阻器1106a1、1106a2和底部电阻器1106b1、1106b2的第二分压器电路1100可以用于将来自开关之间的中点744和负载电感器电阻器1106a1在其第一侧连接到电感器的带点的一侧并连接到开关之间的中点774，并且到第二比较器第二非反相输入1104。第二顶部电阻器1106a2在其第一侧连接到DC侧节点，并且在其第二侧连接到第二比较器第二反相输入1102和第二底部电阻器1106b2的第一侧。第一底部电阻器1106b1和第二底部电阻器1106b2中的每一个都在其相应第二侧连接到开[0085]第二比较器1100和相关联的组件可以是栅极驱动电路的栅极驱动电路704被配置为使用第二分压器电路1106对输入到第二反相输入1102和可选地从地到中点774的反向电流强制导通时，条件3逻辑块746在条件1逻辑块输出752上输出高在第二功率开关770、第二反并联二极管772和第二功率开关寄生电容773两端形成的电压V1300具有与第一功率开关和第二功率开关之间的中点774连接的第三反相输入1302以及与[0097]与如上所述的条件1逻辑块718类似的实现的变体也可以应用于条件3逻辑块74例如，可以使用第三分压器1306，如图15所示。第三分压器电路1306包括顶部电阻器1306a1在其第一侧连接到开关之间的中点774和第二功率开关第二漏极端子D2，并且在其阻器1306b1和第二底部电阻器1306b2中的每一个都在其相应[0098]栅极驱动电路还可以包括第三比较器1300，并且被配置为使用第三分压器电路1306对输入到第三反相输入1302和第三非反相输入1304的第三电压信号的幅度进行缩放。[0101]当在从第一功率开关764和第二功率开关770之间的中点774到DC沉（地或供电电[0105]因此，栅极驱动电路704被配置为使第四栅极驱动控制信号763成为第四比较器非反相输入1704，并且被配置为使第四栅极驱动控制信号763指示负载电流的斜率何时为对输入到第四反相输入1702和可选地输入到第四非反相输入1704的电压信号的幅度进行[0108]例如，并且如图18所示，包括顶部电阻器1706a1、1706a2和底部电阻器1706b1、1706b2的第四分压器电路1706可以用于将来自开关之间的中点744和负载电感器Lx的DC侧的输入信号缩放到第四比较器1700的可接受范围内。在图18的示例中，第一顶部电阻器1706a1在其第一侧连接到电感器的带点的一侧并连接到开关之间的中点774，并且在其第一底部电阻器1706b1和第二底部电阻器1706b2中的每一个都在其出信号744进而馈入到第二功率开关第二栅极端子G2中，并且半桥功率逆变器的逆变器支反向导通通道772的第二功率开关770，功率逆变器支路700被配置为驱动电感一电阻负载置为以互补的方式并基于第一栅极驱动子电路706和第二栅极驱动子电路708的栅极驱动逆变器支路700的栅极驱动电路704的方法，功率逆变器支路700包括具有第一反向导通通另一对角线的功率开关对。它们应具有相同的切换信号，并因此具有相同的栅极驱动电路[0124]图23中的操作状态图和图24中的电路波形用于示出半桥功率逆变器的操作。表V操作的先前说明中的等效负载Rx可以表示用于为电负载供电的具有闭环功率/电压调节的[0130]用于控制输出功率的第三种方法是使用可切换电感器，使得可以改变等效阻抗[0131]用于控制输出功率的第四种方法是向用于条件2和条件4的比较器添加滞后控使得可以推迟关断时间。这将改变负载上的电压和电流之间的相移并影响实际功率输出。连接到电感器Lx的带点的一端并且在第二端处连接到第二比较器第二非反相输入1104。[0136]所提出的栅极驱动系统在全桥功率逆变器模拟中得到演示。图25中示出了电路图。功率逆变器的dc链路电压被设置为24V。负载参数是Lx=0.5μH、[0140]实际上，应针对所提出的栅极驱动系统选择具有高电流流传感器直接获得，或者通过测量功率逆变器的负载分支中的电感器两侧的电压间接获[0147]6.根据构思1所述的栅极驱动系统中的两个栅极驱动电路中的每一个包括至少[0148]7.根据构思6所述的与门优选地是功率开关的栅极之间添加缓冲驱动器（如果这种布置可以加快功率开关的导通和关断过[0152]11.根据构思1所述的栅极率开关和底部功率开关的栅极驱动逻辑控制和电路分别与第二逆变器支路中的底部功率vs1vs2[0160]15.一种控制方法，用于通过控制功对半桥功率逆变器或全桥功率逆变器的自触发栅极驱动系统驱动的功率逆变器的输出