专利名称：栅极驱动电源系统和逆变器控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于逆变器系统的栅极驱动电源系统和逆变器控制电路，该逆变器系统具有受开关控制的多个功率晶体管，用以将控制用电力供应给功率晶体管各自的栅极驱动电路。本发明具体涉及在用诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)之类的功率晶体管构成的逆变器系统中，将电力供应给功率晶体管的栅极驱动电路的栅极驱动电源系统和逆变器控制电路。
背景技术：
在由诸如功率晶体管之类的半导体开关器件构成的逆变器系统中，使用将电力供应给功率晶体管的栅极驱动电路的栅极驱动电源系统。图5是示出使用栅极驱动电源系统的相关逆变器系统的一个示例的电路图。栅极驱动电源系统是一种引入称为回扫(flyback)转换器系统的电源系统的系统。回扫转换器系统是逆变器系统的栅极驱动电源系统的最常用系统之一。在图5中，电源连接到逆变器模块1，在电源中，AC电源2的输出通过主电路整流器3和平滑电容器4转换成DC输出。顺便提及的是，逆变器模块I的电源不限于此，而可以是诸如汽车电池之类的DC电源。逆变器模块I由六个功率晶体管11到16构成，这六个功率晶体管11到16形成三相AC的U-相、V-相和W-相中的三个臂以通过U-相、V-相和 W-相中臂各自的控制输入产生期望的AC输出，每个臂具有两个功率晶体管，并且逆变器模块I将所产生的AC输出供应给连接到逆变器模块I的感应电动机(M) 5作为其负载。逆变器控制电路100连接到功率晶体管11到16，逆变器控制电路100设置有分别控制功率晶体管11到16的栅电压的栅极驱动单元(OTU) 21到26。栅极驱动单元21到26通过对逆变器模块I中的各个功率晶体管11到16进行导通-截止控制，能够以适当的速度进行对感应电动机(M) 5的驱动控制，而不管AC电源2中的电力变化和其负载中的变化如何。在这种逆变器系统中，栅极驱动单元21到26的基准电位彼此不同，栅极驱动单元 21到26分别将电力供应给功率晶体管11到16。因此，为了形成栅极驱动电源20，一般使用以下方法多绕组变压器T设置在输出到栅极驱动单元21到26各自的电源和输入到逆变器控制电路100的主电源输入之间(如图5所示)，以使输出到栅极驱动单元21到26各自的电源与输入到逆变器控制电路100的主电源输入隔离。在该方法中，多绕组变压器T 的初级绕组Np中的电流通过MOSFET 27受导通-截止控制，并且辅助绕组Ne所检测到的输出电压被反馈回栅极电源控制电路28以控制次级绕组Nsl到Ns6的每一个输出。当逆变器模块I被形成为三相逆变器时，针对六个栅极驱动单元21到26设置以下四种电源。即，到U-相中上臂的电源、到V-相中上臂的电源、到W-相中的上臂的电源、 以及到其U-相、V-相和W-相中每个下臂的电源。为了形成这种电源系统，在栅极驱动电源20中，需要彼此隔离的四个或六个电源输出。即，在到其各个相中下臂的电源为公共的情况下，四个电源输出变成是必要的。而，在到其各个相中每一个下臂的电源独立地设置成防止噪声经由接地线进入的情况下，六个电源输出变成是必要的。然而，各自具有被进一步
3隔离的下臂的电源系统通常用于容量相对较大(几万瓦或更多)的逆变器。在图5中，示出栅极驱动电源20，其配置为彼此隔离的六个输出。在JP-A-2006-81232中，公开了一种将电力从彼此独立设置的变压器供应给多个功率晶体管11到16的驱动单元的栅极驱动系统。栅极驱动电源系统是一种每个变压器简单进行AC到AC转换的系统，这使得控制对每个变压器的操作不是必要的。因此，可使用彼此独立的变压器。与此相比，在由图5所示的回扫转换器系统的上述电源供应电力的情况下，对每一个回扫转换器的开关操作的控制是必要的，这些回扫转换器将电力供应给栅极驱动电路 21到26。关于此，存在以下思路提供一种像图5所示系统的系统，在该系统中一个反馈用辅助绕组Ne和栅极电源控制电路28被设置成用于表示多个回扫转换器，以由此同时控制所有开关操作。作为替代，与稍后将解释的图7所示的逆变器控制电路200相像地，可针对每个变压器设置反馈电路和控制电路以便于形成各个电源电路。也通过隔离如以上所解释的其下臂，图5所示的栅极驱动电源20防止噪声电流经由接地线进入，从而变成一种防止逆变器模块I因噪声发生故障的系统。如JP-A-9-135574 中所公开的，为了将隔离的电源输出供应给每个臂，在前已使用图5所示的多绕组变压器 T0接着，将参考以下作出解释在图6的基础上的以上所解释的栅极驱动电源20的工作原理，示出MOSFET中的操作信号的时序图，图5所示电路中U-相、V-相和W-相各自的上臂变压器的初级侧操作信号和次级侧操作信号。在此，为了简化解释，关于多绕组变压器T的隔离输出，只示出三个上臂(Itu到 Itw)的隔尚输出。在图6中，在时刻tl，从栅极电源控制电路28传送到MOSFET 27的栅极脉冲变成栅极脉冲指令导通。此时，激励电流Itl开始在多绕组变压器T的初级绕组Np中流动。激励电流Itl从0逐渐增加，由此激励能量被存储在变压器T的激励电感器中。此后，在时刻t2，传送到MOSFET 27的栅极脉冲变成栅极脉冲指令截止。此时，电流ItiuItv和Itw分别在多绕组变压器T的次级绕组Nsl、Ns3和Ns5中以释放存储在多绕组变压器T中的能量的方向流动。二极管D串联连接到多绕组变压器T的次级绕组Nsl到Ns6中的每一个。由此， 进行增大连接到每一个隔离输出的负载以降低平滑电容器C的充电电压(即输出电压)的动作，以使电流优选流入具有降低输出电压的相(W相)中的部分。通过这种动作，对到栅极驱动单元21、23和25的输出电压进行校平。此外，通过使用辅助绕组Ne，检测输出电压， 该输出电压被反馈回栅极电源控制电路28。以此方式，通过调节MOSFET 27的占空比，可控制输出电压以达到指定值。图7是示出具有针对每个隔离输出设置的各个电源控制电路的相关逆变器控制电路的电路图。此处，通过省略图5所示的逆变器模块I，只示出逆变器控制电路200。采用一种各个栅极驱动单元21到26分别具有由独立变压器Tl到T6隔离的相应主电源输入的方法。 变压器Tl到T6分别设置有栅极电源控制电路281到286，每一个变压器与开关器件和反馈用辅助绕组Ne —起形成各个电源控制电路。
另外，图5所示的逆变器控制电路或图7所示的逆变器控制电路200被排列在逆变器模块I的单个控制电路衬底上。[专利文献I] JP-A-2006-81232[专利文献2] JP-A-9-135574在包括栅极驱动单元21到26的逆变器控制电路100中，上面所解释的多绕组变压器T是部件尺寸比其他电子部件的部件尺寸大和重量比其他电子部件的重量重的部件。 具体而言，如在图5所示的电路中，形成有一个多绕组变压器T的多输出电源导致部件的不均匀设置，其中在控制电路衬底上重量较重。由此，将这种逆变器控制电路100用于车载 (car-mounted)逆变器因系统重心的偏移会引起对振动的耐受力降低的问题。因此，为了改进对逆变器的振动的耐受力，存在一种以下思路将变压器一分为六以在六个位置设置(可在四个位置设置)作为图7所示的逆变器控制电路200中的变压器 Tl到T6，从而单独获得电源输出。此时，为了进行四种或六种输出电压控制操作，变压器Tl 到T6的每一个需要如图7所示的它自己的栅极电源控制电路，这引起部件数量增加的问题，从而不利地影响系统的成本和尺寸。鉴于这些观点已作出本发明，其中目的在于，提供栅极驱动电源系统和逆变器控制电路，在栅极驱动电源系统和逆变器控制电路中针对各个电源电路各自的输出安排一个变压器，且此外，其各个电源电路的控制电路被集成为一个控制电路，以由此减少部件的数量。
发明内容
在本发明中，为了解决上述问题，提供了一种用于逆变器的栅极驱动电源系统，该逆变器具有受开关控制的多个功率晶体管，用以将控制电力供应给针对多个功率晶体管设置的多个栅极驱动单元。栅极驱动电源系统包括各自将电力从其次级绕组供应给其自己的栅极驱动单元的多个回扫变压器；以及用于使多个回扫转换器按照公共的时序进行开关操作的栅极电源控制电路，多个回扫转换器由多个回扫变压器构成。各自具有初级绕组的多个回扫变压器通过公共连接线彼此连接。此外，本发明的逆变器控制电路表征为电路包括为多个功率晶体管产生栅极驱动信号的多个栅极驱动单元，各自将电力从其次级绕组供应给其自己的栅极驱动单元的多个回扫变压器；以及用于使多个回扫转换器按照公共的时序进行开关操作的栅极电源控制电路，多个回扫转换器由多个回扫变压器构成，各自具有初级绕组的多个回扫变压器通过公共连接线彼此连接。根据本发明的栅极驱动电源系统和逆变器控制电路，当将电力供应给用于控制多相中的、由多个功率晶体管形成的逆变器模块的控制电路时，多个变压器针对其各自的功率晶体管分开使用。另外，排列变压器使其分布成有可能改进对振动的耐受力。此外，存在一个优点各个控制电路被集成为一个，以由此有可能减少部件的数量。
图I是示出根据本发明的栅极驱动电源系统的第一实施例的电路图；图2是示出图I所示的电路中MOSFET中的操作信号以及U相、V相和W相各自的上臂的变压器的初级侧和次级侧上的操作信号的时序图；图3是示出根据本发明的栅极驱动电源系统的第二实施例的电路图；图4是示出图3所示的电路中MOSFET中的操作信号以及U相、V相和W相各自的上臂的变压器的初级侧和次级侧上的操作信号的时序图；图5是示出使用栅极驱动电源系统的相关逆变器系统的一个示例的电路图；图6是示出图5所示的电路中MOSFET中的操作信号，U相、V相和W相各自的上臂的变压器的初级侧上的操作信号，以及变压器的次级侧上的操作信号的时序图；以及图7是示出具有针对每个隔离输出设置的各个电源控制电路的相关逆变器控制电路的电路图。
具体实施例方式在下文中，将参考附图解释本发明的实施例。(第一实施例)图I是示出根据本发明的栅极驱动电源系统的第一实施例的电路图。逆变器控制电路10设置有六个栅极驱动单元(在图I中，表示为U相中的上侧和下侧的D⑶、V相中的上侧和下侧的⑶U以及W相中的上侧和下侧的OTU) 21到26，作为用于分别进行对未示出的逆变器模块I中的功率晶体管11到16(参见图5)的开关控制的电路。例如，栅极驱动单元21到22是连接到分别控制逆变器模块I的U相中的上臂和下臂的功率晶体管11和12的栅电极的单元。电力分别经由各个变压器Tl到T6从电源端子101和102供应给各个栅极驱动单元21到26。此外，变压器Tl、T3和T5各自的初级绕组的一端通过电源线31连接到电源端子101，并且变压器T2、T4和T6各自的初级绕组的一端通过电源线32连接到电源端子 101。此外，变压器Tl、T3和T5各自的初级绕组的另一端连接到公共连接线33，公共连接线33连接到MOSFET 27的漏极端子，并且变压器T2、T4和T6各自的初级绕组的另一端连接到公共连接线34，公共连接线34也连接到MOSFET 27的漏极端子。这提供一种使每个变压器的初级绕组中的电流得到控制的配置。电源线31和32还用作连接线。在此，对于栅极驱动单元21，直接连接到变压器Tl的次级绕组的二极管D和平滑电容器C被设置为如图I所示，并且二极管电压被供应给栅极驱动单元21作为电源电压。 此外，虽然控制U相中的下臂的栅极驱动单元22的变压器T2与其他变压器的不同之处仅仅在于其设置有辅助绕组，但是所有变压器Tl和T6的共同之处在于变压器Tl和T6被类似地形成为栅极驱动单元21到26的栅极驱动电源。在此，变压器T2的辅助绕组所检测到的输出电压被反馈回栅极电源控制电路28 以控制用于进行对MOSFET 27的导通-截止控制的占空比。以此方式，可控制在MOSFET 27 中流动的电流值Im，由此经由连接线33在变压器T1、T3和T5各自的次级绕组中流动的输出电流和经由连接线34在变压器T2、T4和T6各自的次级绕组中流动的输出电流被控制成具有正确幅值。逆变器控制电路10中的栅极电源控制电路具有如下配置特性。第一，所谓的回扫转换器系统向电源控制系统的引入。这有可能充分地应对栅极驱动电源系统的负载根据功率晶体管的开关次数发生的变化。
第二，不使用图5所示的相关系统的示例中的多绕组变压器。即，彼此隔离的四个输出或彼此隔离的六个输出的电源通过单独设置的变压器给出。因此，多个变压器可排列在控制电路衬底上，同时分布成有可能校正系统重心的偏移。第三，与作为相关系统的示例的图7所示的电路中的部件数量相比，在MOSFET 27 作为开关器件和栅极电源控制电路28被集成为一个的情况下，减少了部件的数量。因此， 在设置成多个的变压器Tl、T3和T5中，其各个初级绕组通过连接线31和33彼此连接，并且还在设置成多个的变压器T2、T4和T6中，其各个初级绕组通过连接线32和34彼此连接，连接线32和34分别连接到连接线31和33，由此变压器Tl到T6的初级绕组对其各个次级绕组的动作彼此共同地进行。此后，将参考栅极驱动单元21到26的操作作出解释。图2是示出图I所示的电路中MOSFET中的操作信号以及U相、V相和W相各自的上臂的变压器的初级侧和次级侧上的操作信号的时序图。在图2中，为了简化解释起见，只示出关于分别与U相、V相和W相中的上臂相对应的变压器Tl、T3和T5的时序的波形。如图中(A)所示，随着到MOSFET 27的栅极脉冲变成指示在时刻tl导通的脉冲， 图中⑶所示的MOSFET 27中的电流Im开始流动。此时，在变压器Tl、T3和T5的初级绕组中，激励电流Itul、Itvl和Itwl分别流动。电流各自从0逐渐增加，由此激励能量被存储在变压器Tl、T3和T5各自的激励电容器(组件)中。此后，随着时刻变成t2，传送到MOSFET 27的栅极脉冲变成指示截止的栅极脉冲。 此时，电流Itu2、Itv2和Itw2分别在变压器Tl、T3和T5的次级绕组中以释放存储在变压器Tl、T3和T5各自的激励电感组件中的能量的方向流动。二极管D串联连接到变压器Tl、 T3和T5各自的次级绕组。由此，进行增大连接到变压器各自的隔离输出的负载以降低平滑电容器C的充电电压的动作，以使电流优选流入具有较低输出电压的相(W相)中的部分。S卩，当MOSFET 27导通时，通过初级侧电源电压来确定变压器Tl、T3和T5各自的次级侧电压。然而，当MOSFET 27截止时，通过各个变压器的次级侧输出电压来确定变压器 Tl、T3和T5各自的初级侧电压。通过MOSFET 27截止时初级侧电源电压的高电位侧上的电源端子101例如作为基准，在连接至MOSFET 27的初级绕组的端子上，生成与次级侧上的平滑电容器C两端的电压和二极管D的正向电压之和成比例的电压。变压器Tl、T3和T5 各自的次级侧上的平滑电容器C的端子两端的电压取决于负载(分别为栅极驱动单元21、 23和25)的重或轻而变化。当负载轻时，从变压器Tl、T3或T5分别供应的电流变得比负载各自所消耗的电流大，以增大平滑电容器C的端子两端的电压值。相反地，当负载重时， 负载各自所消耗的电流变得比从变压器Tl、T3或T5分别供应的电流大，以减小每一个平滑电容器C的端子两端的电压值。这使得当MOSFET 27截止时初级侧上所生成的电压在负载变轻时变高，而在负载变重时变低。因为连接到MOSFET 27的漏极端子的变压器Tl、T3和 T5的初级绕组通过连接线33彼此连接，所以电流从具有较高电压的初级绕组流向具有较低电压的初级绕组，即电流从具有较轻负载的变压器的初级绕组流向具有较重负载的变压器的初级绕组。在图2所示的示例中，因为W相中的变压器T5的负载大，所以电流流动以使存储在U相中的变压器Tl和V相中的变压器T3中的激励能量的一部分释放给W相中的变压器T5的次级绕组。S卩，图2示出当MOSFET 27截止时，在初级侧上，电流经由连接线33从具有轻负载的U相中的变压器Tl和V相中的变压器T3流向W相中的变压器T5。在W相中的变压器5中，其初级侧电流Itwl的增大还引起次级侧电流Itw2的增大以有可能应对重负载。通过连接线33的这种功能，各个变压器Tl到T6的次级侧电压被校平。此外，通过使任一相中变压器Tl到T6中任一个的输出、即图I所示的示例中U相中的输出反馈回栅极电源控制电路28，进行控制以使输出电压的值通过在反馈输出的基础上调节用于驱动 MOSFET 27的信号的占空比来变成指定值。如以上所解释的，在实施例中，变压器Tl到T6排列成分布在控制电路衬底上。因此，在改进对控制电路的振动的耐受力时，可控制所有输出电压而无需增加控制电路的数量。(第二实施例)图3是示出根据本发明的栅极驱动电源系统的第二实施例的电路图。在图3所示的逆变器控制电路IOa中，与第一实施例中的组件等效的组件用相同附图标记或符号表示，其解释省略。逆变器控制电路IOa中的栅极电源控制电路具有如下配置特性。第一，与图I所示的逆变器控制电路10中作为开关器件的一个MOSFET 27相比， 与其各个栅极驱动单元21到26 —致地设置多个MOSFET 271到276作为开关器件，并且使用MOSFET 271到276，同时使其并联连接到仅一个栅极电源控制电路28。这使得在MOSFET 27中流动的在第一实施例中具有较大峰值的脉冲电流被划分以在MOSFET 271到276的每一个中流动。第二，排列MOSFET 271到276以使其设置成接近其相应的各个变压器Tl到T6，排列MOSFET 271到276同时使其分布。这使得在控制电路衬底上布线的线的种类减少到只有DC信号线。在此情况下，在并联连接到栅极电源控制电路28的MOSFET 271到276中，串联电阻器Rl到R6分别连接到MOSFET 271到276的漏极端子，以使在其中流动的电流没有变得不均衡。此外，变压器Tl、T3和T5的初级绕组通过连接线31和33彼此连接，并且变压器 T2、T4和T6中的初级绕组还通过连接线32和34彼此连接，连接线32和34分别连接到连接线31和33，由此变压器Tl到T6的初级绕组对其各个次级绕组的动作彼此共同地进行。图4是示出图3所示的电路中MOSFET中的操作信号以及U相、V相和W相各自的上臂的变压器的初级侧和次级侧上的操作信号的时序图。同样，在此，为了简化对图4所示的操作的解释，只示出关于分别与U相、V相和W相中的上臂相对应的变压器Tl、T3和T5 的时序的波形。如图中(A)所示，随着到MOSFET 27的栅极脉冲在时刻tl变成导通，图中⑶所示的MOSFET 27中的电流Imu开始流动。此时，在变压器Tl、T3和T5的初级绕组中，激励电流ItuUItvl和Itwl分别流动。激励电流各自从0逐渐增加，由此激励能量被存储在每个变压器的激励电感器中。在此，基本操作与图2所示的第一实施例情况下的操作没有不同。然而，像具有图 2所示的波形⑶的电流Im—样，如图4所示的波形(B)、(E)和(H)，分别在MOSFET 271、 273和275中流动的电流ImiuImv和Imw各自的峰值随着具有较大峰值的脉冲电流的流动而降低。这可防止热生成被局部化。此外，可缩短其中脉冲电流流动的布线的长度，从而有可能减少噪声生成。以此方式，在第二实施例的栅极驱动电源系统中，变压器Tl到T6排列成分布在控制电路衬底上，由此不仅可改进对振动的耐受力，而且可通过降低具有较大幅值的脉冲电流的峰值来防止热生成局部集中。此外，在控制电路衬底上，MOSFET 271到276排列成接近变压器Tl到T6，同时使其分布。由此，没有必要布线以供脉冲电流在变压器Tl到T6中流动，由此可确定地抑制电路中的噪声电流的增加以及伴随的故障。尽管已参考本发明的优选实施例具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解在形式和细节上可作出上述和其他改变而不背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于逆变器的栅极驱动电源系统，具有受开关控制的多个功率晶体管，用以将控制电力供应给针对所述多个功率晶体管设置的多个栅极驱动单元，所述栅极驱动电源系统包括各自将电力从其次级绕组供应给其自己的栅极驱动单元的多个回扫变压器；以及用于使多个回扫转换器按照公共的时序进行开关操作的栅极电源控制电路，所述多个回扫转换器由所述多个回扫变压器构成，各自具有初级绕组的多个回扫变压器通过公共连接线彼此连接。
2.如权利要求I所述的栅极驱动电源系统，其特征在于，所述多个回扫变压器设置成分布在排列有所述栅极驱动单元的电路衬底上。
3.如权利要求I所述的栅极驱动电源系统，其特征在于，所述栅极电源控制电路对由所述多个回扫变压器公用的单个开关器件进行导通-截止控制，由此来进行所述多个回扫转换器的开关操作。
4.如权利要求I所述的栅极驱动电源系统，其特征在于，所述多个开关器件针对各自的回扫变压器设置，所述开关器件的开关操作由所述栅极电源控制电路控制。
5.如权利要求4所述的栅极驱动电源系统，其特征在于，所述多个开关器件经由各自的回扫变压器和电阻器电路彼此连接。
6.一种控制逆变器的逆变器控制电路，所述逆变器具有受开关控制的多个功率晶体管，所述逆变器控制电路包括为所述多个功率晶体管产生栅极驱动信号的多个栅极驱动单元；各自将电力从其次级绕组供应给其自己的栅极驱动单元的多个回扫变压器；以及用于使多个回扫转换器按照公共的时序进行开关操作的栅极电源控制电路，所述多个回扫转换器由所述多个回扫变压器构成，各自具有初级绕组的多个回扫转换器通过公共连接线彼此连接。
全文摘要
本发明公开了栅极驱动电源系统和逆变器控制电路。主要电源输入分别经由各个变压器T1到T6从电源端子101和102供应给各个栅极驱动单元21到26。变压器T1到T6各自的初级绕组的一端通过电源线31和32连接到电源端子101。另外，初级绕组各自的另一端通过公共连接线33和34彼此连接，以进一步连接到MOSFET 27的漏极端子，以供控制在各个初级绕组中流动的电流。栅极电源控制电路28控制对MOSFET 27的导通-截止(on-off)控制的占空比，变压器T2的辅助绕组所检测到的输出电流被反馈回栅极电源控制电路28。由此，栅极驱动电源系统被设置成针对各个电源电路的每个输出安排一个变压器，且各个控制电路被集成为一个控制电路，以由此减少部件的数量。
文档编号H02M7/48GK102545558SQ201110394069
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月22日 优先权日2010年11月30日
发明者天野功, 寺泽德保 申请人:富士电机株式会社