CN118844019A - 功率转换器的栅极驱动电路 - Google Patents

Abstract

在具有串联连接的半导体器件的功率转换器的栅极驱动电路中，多个脉冲变压器tr1、tr2具有串联连接的初级绕组tr1a、tr2a，和直接或间接连接于各半导体器件S1、S2的次级绕组tr1b、tr2b，脉冲变压器tr1、tr2从初级侧向次级侧传输电力、或电力及控制信号，并且将初级侧与次级侧彼此绝缘。辅助绕组3将多个脉冲变压器tr1、tr2彼此磁耦合。提供消除了由于脉冲变压器中的制造偏差等导致的施加电压失衡的功率转换器的栅极驱动电路。

Description

功率转换器的栅极驱动电路

技术领域

本发明涉及用于降低由于脉冲变压器的制造中的不均等原因导致的功率转换器的栅极驱动电路中的施加电压失衡的方法。

背景技术

图6示出根据专利文献1的电路配置。专利文献1(图6)公开了针对半导体器件的栅极驱动电路的发明，被配置为用AC/DC转换器13和变压器驱动电路14来驱动脉冲变压器15，由此在建立绝缘的同时传输用于栅极驱动的电力。

然而，图6的电路被配置为将脉冲变压器15的初级绕组16串联连接并对初级绕组16施加电压。这可能导致脉冲变压器15的励磁电感不均，从而导致下述问题。

次级侧电压的不均可能会增加二极管桥式整流电路27等的负担(duties)。

另外，施加于脉冲变压器15的电压的失衡可能会增加脉冲变压器15的铁损，进而增加其铁芯的尺寸。

鉴于上述情况，期望提供一种功率转换器的栅极驱动电路，用于解决由于脉冲变压器的制造中的不均等原因导致的施加电压失衡。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP5221203B

发明内容

本发明探讨上述现有问题。根据本发明的一个方面，功率转换器的栅极驱动电路包括：串联连接的半导体器件；脉冲变压器，各自包括初级绕组和次级绕组，其中，所述脉冲变压器的初级绕组串联连接，所述脉冲变压器的次级绕组分别直接或间接连接于所述半导体器件，并且所述脉冲变压器在所述脉冲变压器的初级侧与次级侧之间建立绝缘，并将电力或电力及控制信号从所述初级侧传输到所述次级侧；以及辅助绕组，在所述脉冲变压器之间建立磁耦合。

根据另一方面，所述栅极驱动电路包括n级脉冲变压器，其中n为2以上的自然数。第1级脉冲变压器被设置有与第1级的后级脉冲变压器建立磁耦合的后级耦合辅助绕组。除第1级和第n级之外的各级脉冲变压器被设置有：与各级的前级脉冲变压器建立磁耦合的前级耦合辅助绕组；以及与各级的后级脉冲变压器建立磁耦合的后级耦合辅助绕组。第n级脉冲变压器被设置有：与第n级的前级脉冲变压器建立磁耦合的前级耦合辅助绕组。第k级脉冲变压器的后级耦合辅助绕组和第(k+1)级脉冲变压器的前级耦合辅助绕组彼此连接，其中k为1到n－1中的自然数之一。

本发明的上述方面用于提供一种功率转换器的栅极驱动电路，其消除了由于脉冲变压器的制造中的不均等原因导致的施加电压失衡。

附图说明

图1为示出根据第一实施例的功率转换器的栅极驱动电路的图。

图2为示出根据专利文献1的模拟结果的时序图。

图3为示出根据第一实施例的模拟结果的时序图。

图4为示出根据第二实施例的功率转换器的栅极驱动电路的图。

图5为示出根据第三实施例的功率转换器的栅极驱动电路的图。

图6为示出根据专利文献1的功率转换器的栅极驱动电路的图。

具体实施方式

以下参照图1至图5详细说明根据本发明的功率转换器的栅极驱动电路的第一到第三实施例。

[第一实施例]

图1例示了根据第一实施例的功率转换器的栅极驱动电路的电路配置。

图1示出交流电源1、调制电路2、脉冲变压器tr1及tr2、辅助绕组3、解调电路4a及4b、以及半导体器件S1及S2。半导体器件S1及S2串联连接，由此实现高耐压。

根据第一实施例的功率转换器的栅极驱动电路是将2个脉冲变压器tr1和tr2串联连接的案例。

第1级脉冲变压器tr1包括初级绕组tr1a和次级绕组tr1b，还被设置有后级耦合辅助绕组tr1c。该后级耦合辅助绕组tr1c用于与后级脉冲变压器tr2建立磁耦合。

第2级脉冲变压器tr2包括初级绕组tr2a和次级绕组tr2b，还被设置有前级耦合辅助绕组tr2d。该前级耦合辅助绕组tr2d用于与前级脉冲变压器tr1建立磁耦合。

在脉冲变压器tr1和tr2中，初级绕组tr1a和tr2a彼此串联连接，并且次级绕组tr1b和tr2b分别经由解调电路4a和4b间接连接于半导体器件S1和S2。脉冲变压器tr1和tr2在脉冲变压器tr1和tr2的初级侧与次级侧之间建立绝缘，并且将电力或电力及控制信号从初级侧传输到次级侧。

后级耦合辅助绕组tr1c和前级耦合辅助绕组tr2d彼此连接，由此形成辅助绕组3。辅助绕组3在脉冲变压器Tr1和Tr2之间建立磁耦合。此外，附图标记i1表示初级绕组tr1a和tr2a中流动的电流。附图标记i2表示辅助绕组3中流动的电流。

在脉冲变压器tr1和tr2之间励磁电感不均而由此施加于脉冲变压器tr1和tr2的电压有差异的情况下，电流i2在辅助绕组3流过。这使施加于脉冲变压器tr1和tr2的电压均衡。能够用如下数学表达式证明辅助绕组3的效果。

以下数学表达式(1)和(2)分别表示施加于脉冲变压器tr1的电压vtr1和施加于脉冲变压器tr2的电压vtr2，其中，L1为脉冲变压器tr1的自感，M1为脉冲变压器tr1与后级耦合辅助绕组tr1c之间的互感，L2为脉冲变压器tr2的自感，M2为脉冲变压器tr2与前级耦合辅助绕组tr2d之间的互感。

[数学表达式1]

[数学表达式2]

以下数学表达式(3)和(4)分别表示互感M1和M2，其中，L3为对脉冲变压器tr1设置的后级耦合辅助绕组tr1c的自感，k1为脉冲变压器tr1与后级耦合辅助绕组tr1c之间的磁耦合系数，L4为对脉冲变压器tr2设置的前级耦合辅助绕组tr2d的自感，k2为脉冲变压器tr2与前级耦合辅助绕组tr2d之间的磁耦合系数。

[数学表达式3]

[数学表达式4]

以下数学表达式(5)表示由基尔霍夫定律导出的辅助绕组3中的电压方程。

[数学表达式5]

然后，假设脉冲变压器tr1的初级绕组tr1a与后级耦合辅助绕组tr1c之间的匝数比等于脉冲变压器tr2的初级绕组tr2a与前级耦合辅助绕组tr2d之间的匝数比，并且理想地建立了磁耦合(即耦合系数k1、k2＝1)，则满足等式L3＝L1和L4＝L2。因此，满足等式M1＝L1和M2＝L2，数学表达式(5)能够变形为以下数学表达式(6)。

[数学表达式6]

将数学表达式(1)、(2)代入数学表达式(6)，得到以下数学表达式(7)。这表明即使励磁电感值在脉冲变压器tr1与脉冲变压器tr2之间不同，辅助绕组3也能够使施加于脉冲变压器tr1和tr2的电压相等。

[数学表达式7]

vtr1＝vtr2……(7)

图2示出根据专利文献1的模拟结果。图3示出根据第一实施例的模拟结果。这些模拟结果是将脉冲变压器tr1和tr2串联连接并且在脉冲变压器tr1与tr2之间设置27.5％的电感值差的情况下的模拟结果。

图3的模拟结果示出脉冲变压器tr1的电压Vtr1与脉冲变压器tr2的电压Vtr2为彼此基本相同的波形。这表明辅助绕组3用于使施加于脉冲变压器tr1和tr2的电压均等，上述数学表达式是正确的。

(效果)

第一实施例被配置为在初级绕组被串联连接的脉冲变压器tr1和tr2之间配置辅助绕组3，由此与脉冲变压器tr1和tr2建立磁耦合。即使在由于脉冲变压器的制造中的不均等原因而由此脉冲变压器tr1和tr2之间励磁电感不均的情况下，这也能够使施加于脉冲变压器tr1和tr2的电压分担均等。

这实现以下效果(1)和(2)。

(1)脉冲变压器tr1和tr2的铁损降低，由此能够减小其铁芯的尺寸。

(2)能够调平及降低次级侧电路部件的负担。这有助于提高可靠性，或者有助于使得能够采用低负担(low-duty)的电路部件从而降低成本。

与现有的脉冲变压器相比，第一实施例额外包括了辅助绕组，并且由于脉冲变压器铁损降低而使得能够缩小铁芯的尺寸。

这是因为，不论基于现有技术还是第一实施例，使用了脉冲变压器的电路都被配置为保持初级侧与次级侧之间足够的距离以确保绝缘距离，然后采用低匝数绕组作为初级绕组和次级绕组这两者。这使得能够接近次级绕组而追加1匝左右的辅助绕组，这对尺寸没有影响。

因而，第一实施例有助于缩小脉冲变压器的尺寸，并由此缩小功率变换器的尺寸。

[第二实施例]

图4示出根据第二实施例的功率转换器的栅极驱动电路的电路配置。第二实施例例示了串联连接3个半导体器件S1、S2和S3并且串联连接3个脉冲变压器tr1、tr2和tr3的案例。与3个半导体器件S1、S2和S3以及3个脉冲变压器tr1、tr2和tr3相对应地，也设置3个解调电路4a、4b和4c。

第1级脉冲变压器tr1具有初级绕组tr1a和次级绕组tr1b，还配设置有后级耦合辅助绕组tr1c。后级耦合辅助绕组tr1c用于与后级脉冲变压器tr2建立磁耦合。

第2级脉冲变压器tr2包括初级绕组tr2a和次级绕组tr2b，还配设置有前级耦合辅助绕组tr2d和后级耦合辅助绕组tr2c。前级耦合辅助绕组tr2d用于与前级脉冲变压器tr1建立磁耦合。后级耦合辅助绕组tr2c用于与后级脉冲变压器tr3建立磁耦合。

第3级脉冲变压器tr3包括初级绕组tr3a和次级绕组tr3b，还配设置有前级耦合辅助绕组tr3d。前级耦合辅助绕组tr3d用于与前级脉冲变压器tr2建立磁耦合。

对第1级脉冲变压器tr1设置的后级耦合辅助绕组tr1c和对第2级脉冲变压器tr2设置的前级耦合辅助绕组tr2d彼此连接。另外，对第2级脉冲变压器tr2设置的后级耦合辅助绕组tr2c和对第3级脉冲变压器tr3设置的前级耦合辅助绕组tr3d彼此连接。

后级耦合辅助绕组tr1c和前级耦合辅助绕组tr2d彼此连接，由此形成辅助绕组3a。后级耦合辅助绕组tr2c和前级耦合辅助绕组tr3d彼此连接，由此形成辅助绕组3b。辅助绕组3a在脉冲变压器Tr1和Tr2之间建立磁耦合。辅助绕组3b在脉冲变压器Tr2和Tr3之间建立磁耦合。

第2级脉冲变压器tr2耦合于第1级脉冲变压器tr1和第3级脉冲变压器tr3的辅助绕组这两者，这使施加于辅助绕组未直接耦合的脉冲变压器tr1和tr3的电压能够平衡。

电流i1流过脉冲变压器tr1至tr3的初级绕组tr1a至tr3a，电流i2流过辅助绕组3a，电流i3流过辅助绕组3b。

在脉冲变压器tr1至tr3的励磁电感不均而由此施加于脉冲变压器tr1至tr3的电压有差异的情况下，电流流过辅助绕组3a和3b。这使施加于脉冲变压器tr1至tr3的电压均衡。能够用以下数学表达式证明辅助绕组3a和3b的这种效果。

以下数学表达式(8)、(9)和(10)分别表示施加于脉冲变压器tr1的电压vtr1、施加于脉冲变压器tr2的电压vtr2和施加于脉冲变压器tr3的电压vtr3，其中：L1为脉冲变压器tr1的自感，M1为脉冲变压器tr1与后级耦合辅助绕组tr1c之间的互感，L2为脉冲变压器tr2的自感，M2为脉冲变压器tr2与前级耦合辅助绕组tr2d之间的互感，M3为脉冲变压器tr2与后级耦合辅助绕组tr2c之间的互感，L3为脉冲变压器tr3的自感，M4为脉冲变压器tr3与前级耦合辅助绕组tr3d之间的互感。

[数学表达式8]

[数学表达式9]

[数学表达式10]

以下数学表达式(11)、(12)、(13)、(14)和(15)分别表示脉冲变压器tr1与后级耦合辅助绕组tr1c之间的互感M1、脉冲变压器tr2与前级耦合辅助绕组tr2d之间的互感M2、脉冲变压器tr2与后级耦合辅助绕组tr2c之间的互感M3、脉冲变压器tr3与前级耦合辅助绕组tr3d之间的互感M4、和辅助绕组3a与辅助绕组3b之间的互感M5，其中：L4为对脉冲变压器tr1设置的后级耦合辅助绕组tr1c的自感，k1为脉冲变压器tr1与后级耦合辅助绕组tr1c之间的磁耦合系数，L5为对脉冲变压器tr2设置前级耦合辅助绕组tr2d的自感，k2为脉冲变压器tr2与前级耦合辅助绕组tr2d之间的磁耦合系数，L6为对脉冲变压器tr2设置的后级耦合辅助绕组tr2c的自感，k3为脉冲变压器tr2与后级耦合辅助绕组tr2c之间的磁耦合系数，L7为对脉冲变压器tr3设置的前级耦合辅助绕组tr3d的自感，k4为脉冲变压器tr3与前级耦合辅助绕组tr3d之间的磁耦合系数，k5为辅助绕组3a与辅助绕组3b之间的磁耦合系数。

[数学表达式11]

[数学表达式12]

[数学表达式13]

[数学表达式14]

[数学表达式15]

以下数学表达式(16)和(17)分别表示由基尔霍夫定律导出的辅助绕组3a内的电压方程和辅助绕组3b内的电压方程。

[数学表达式16]

[数学表达式17]

然后，假设脉冲变压器tr1的初级绕组tr1a与后级耦合辅助绕组tr1c之间的匝数比、脉冲变压器tr2的初级绕组tr2a与前级耦合辅助绕组tr2d之间的匝数比、脉冲变压器tr2的初级绕组tr2a与后级耦合辅助绕组tr2c之间的匝数比、脉冲变压器tr3的初级绕组tr3a与前级耦合辅助绕组tr3d之间的匝数比彼此相等，并且理想地建立了磁耦合(即耦合系数k1＝k2＝k3＝k4＝k5＝1)，则满足等式L4＝L1、L5＝L2、L6＝L2和L7＝L3。因此，满足等式M1＝L1、M2＝L2、M3＝L2、M4＝L3和M5＝L2，数学表达式(8)、(9)、(10)、(16)和(17)能够分别变形为以下数学表达式(18)、(19)、(20)、(21)和(22)。

[数学表达式18]

[数学表达式19]

[数学表达式20]

[数学表达式21]

[数学表达式22]

将数学表达式(18)和(19)代入数学表达式(21)，得到以下数学表达式(23)。

[数学表达式23]

vtr1＝vtr2……(23)

将数学表达式(19)和(20)代入数学表达式(22)，得到以下数学表达式(24)。

[数学表达式24]

vtr2＝vtr3……(24)

这表明即使在脉冲变压器tr1、tr2和tr3的励磁电感值彼此不同的情况下，根据第二实施例的辅助绕组3a和3b也能够使施加于脉冲变压器tr1、tr2和tr3的电压vtr1、vtr2和vtr3相等。

因此，串联连接3个脉冲变压器tr1、tr2和tr3的上述案例也具有与第一实施例同样的效果。

[第三实施例]

图5示出根据第三实施例的功率转换器的栅极驱动电路的电路配置。第三实施例例示了串联连接n个半导体器件S1至Sn且串联连接n个脉冲变压器tr1到trn的案例，其中n为2以上的任意自然数。与n个半导体器件S1至Sn和n个脉冲变压器tr1至trn相对应地，也设置有n个解调电路4a至4n。

第1级脉冲变压器tr1包括初级绕组tr1a和次级绕组tr1b，还设置有与后级脉冲变压器tr2建立磁耦合的后级耦合辅助绕组tr1c。

第1级与第n级之间的每级脉冲变压器tr2到trn－1包括初级绕组和次级绕组，还设置有与前级脉冲变压器建立磁耦合的前级耦合辅助绕组和与后级脉冲变压器建立磁耦合的后级耦合辅助绕组。

第n级脉冲变压器trn包括初级绕组trna和次级绕组trnb，还设置有与前级脉冲变压器trn－1建立磁耦合的前级耦合辅助绕组trnd。

这样，第k级脉冲变压器的后级耦合辅助绕组与第(k+1)级脉冲变压器的前级耦合辅助绕组彼此连接，其中k为1～n－1中的自然数之一。换言之，除了第1级和第n级以外的任意脉冲变压器都连接于上级脉冲变压器和下级脉冲变压器的辅助绕组这两者。

第一实施例对应于n＝2的情况，在第1级与第n级之间不存在脉冲变压器。

第二实施例对应于n＝3的情况，在第1级与第n级之间存在脉冲变压器Tr2。

根据第三实施例，在脉冲变压器的励磁电感不均而由此施加于脉冲变压器的电压具有差异的情况下，电流流过辅助绕组。这使施加于脉冲变压器的电压均衡。这些动作的详情与第一和第二实施例类似，故省略。

以上仅详细解释了本文描述的具体示例。对本领域技术人员而言显而易见的是，在本发明的技术构思的范围内可以对上述详情进行各种改变及修改。这样的改变及修改自然属于本权利要求的范围。

Claims (2)

1.一种功率转换器的栅极驱动电路，具有串联连接的半导体器件，该功率转换器的栅极驱动电路的特征在于，具备：

多个脉冲变压器，其中初级绕组被串联连接，次级绕组直接或间接连接于各所述半导体器件，初级侧与次级侧被绝缘，并且从初级侧向次级侧传输电力、或电力及控制信号；以及

辅助绕组，用于将多个所述脉冲变压器彼此磁耦合。

2.根据权利要求1所述的功率转换器的栅极驱动电路，其特征在于，

具有n级的所述脉冲变压器，其中n＝2以上的自然数，

对第1级的所述脉冲变压器设置有用于与后级的所述脉冲变压器建立磁耦合的后级耦合辅助绕组，

对第1级与第n级之间的所述脉冲变压器设置用于与前级的所述脉冲变压器磁耦合的前级耦合辅助绕组和用于与后级的所述脉冲变压器磁耦合的后级耦合辅助绕组，

对第n级所述脉冲变压器设置有用于与前级的所述脉冲变压器磁耦合的前级耦合辅助绕组，

对第k级的所述脉冲变压器设置的所述后级耦合辅助绕组和对第k+1级的所述脉冲变压器设置的所述前级耦合辅助绕组被连接，其中k＝1～n－1的自然数。