在固态错误电流限制器中提供隔离电源给栅极驱动电路的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例涉及用于尤其在半导体开关串联地设置时在固态故障电流限制器中提供隔离电源给半导体开关的栅极驱动电路的方法和设备。
【背景技术】
[0002]可通过使用固态故障电流限制器(SSFCL)来检测并修复电源线故障。这些SSFCL装置利用例如IGBT、SCR、IGCT或MOSFET晶体管等固态开关装置，以阻断或显著增大电源与负荷之间的电流路径的阻抗。然而，这些电源线通常承载范围为10千伏到230千伏以上的电压。因为典型开关装置仅额定为约6千伏，所以通常有必要串联地放置多个此类SSFCL装置。电源线的总电压(也称为电源线电压)在串联的全部SSFCL装置上划分，进而允许每一 SSFCL装置在其额定范围内操作。当检测到故障(例如，穿过电源线的电流的浪涌)时，SSFCL装置中的每一个停用其相应的固态开关装置，进而增大电源所遭遇的电阻且降低电流。
[0003]图1展示常用的SSFCL装置100 JSFCL装置100包括固态开关装置110，其可为上述晶体管中的任一个。这些固态开关装置110通常具有至少三个端子，S卩，源极或输入侧111、漏极或输出侧112和栅极113。栅极113的断言实现从源极111到漏极112的电流的通过，而栅极113的撤销断言抑制穿过固态开关装置110的电流的通过。
[0004]此固态开关装置110可与以下组件中的一个或一个以上并联:缓冲器120、电抗器130和瞬态抑制器140。缓冲器120通常为与电容器串联的电阻器，用于耗散瞬态现象的能量且通过对瞬态频率进行滤波(即，减缓“自振”频率)而减小过电压。瞬态抑制器140用于将过电压瞬态现象钳制到缓冲器120和固态开关装置110的额定值的电平以下。缓冲器120、电抗器130和瞬态抑制器140可被称为并联组件145，这是因为在一些实施例中，当固态开关装置110处于停用或关闭状态时，这些组件145提供让电流行进的并联路径。当固态开关装置110处于关闭状态时，这些并联组件145用于提供从电源到负荷的替代高阻抗电流路径，且保护固态开关装置110在开启与关闭期间免受瞬态过电压。
[0005]固态开关装置110的栅极113与栅极驱动电路150连通。此栅极驱动电路150使用电流传感器160来监控正由电源线101供应的电流。栅极驱动电路150用于基于来自电流传感器160的信息而实现或阻断穿过固态开关装置110的电流的通过。
[0006]栅极驱动电路150可参考固态开关装置110所遭遇的电压。换句话说，栅极驱动电路150的输出电压与存在于固态开关装置110的源极111或漏极112上的电压相关。传统上，这通过使用隔离电源供应器170来实现。此DC电源供应器170可为相对低电压、低电流的电源供应器。举例来说，栅极驱动电路150通常利用低电压(例如，高达48伏)且仅耗散几瓦。
[0007]然而，每一 SSFCL 100的隔离电源供应器170必须与每一其他隔离电源供应器170电隔离。在一些实施例中，隔离电压的量值必须至少为总线电压除以SSFCL装置110的数目。在其他实施例中，隔离电压的量值必须至少为总线电压。
[0008]此隔离通常使用隔离DC电源170来执行。这些隔离DC电源170可采用光学方式来隔离或使用另一方式来隔离。在这些实施例中，虽然电压和电流要求低，但隔离DC电源供应器170可能不可靠且极昂贵，进而可能各自耗费数千美元。这些隔离电源供应器170必须以额定为高电压的隔离来递送稳定电源。隔离电压越高，此任务越难，这是因为电源供应器的大小将增大，成本将提高，可靠性将由于高电压击穿导致绝缘击穿的较高可能性而降低。较低的可靠性还可能是由于输出电压调节将难以从高电压侧控制(其将必须在接地侧控制)的事实，且可能难以维持开关的栅极所需的电压来开启和关闭开关。因此，对使用此专用隔离电源供应器170的需要大幅提高固态故障电流限制器系统的总成本。
[0009]因此，存在比当前解决方案廉价且可靠的用于提供隔离电源给栅极驱动电路的系统和方法将是有益的。
【发明内容】
[0010]揭示用于提供隔离电源给用于固态开关装置中的栅极驱动电路的系统和方法。并非使用昂贵的隔离AC/DC电源供应器，而是使用隔离变压器来提供隔离AC电压。在一个实施例中，隔离变压器的初级绕组跨越独立AC源而设置。在另一实施例中，隔离变压器的初级绕组跨越AC电源线的两个相位而设置。隔离AC电压接着跨越隔离变压器的次级绕组而产生。此隔离AC电压接着由非隔离DC电源供应器使用，所述非隔离DC电源供应器产生用于栅极驱动电路的电源。
[0011]根据一个实施例，揭示一种随AC电源线一起使用的固态故障电流限制装置。此故障电流限制装置包括:固态开关装置，串联地设置在所述AC电源线中，所述固态开关装置具有输入、输出和栅极，其中施加到所述栅极的电压确定电流是否在所述输入与所述输出之间流动;栅极驱动电路，与所述栅极连通，以将栅极电压施加到所述栅极，所述电压参考所述输入或所述输出处的电压；电流监控器，与所述AC电源线和所述栅极驱动电路连通，其中所述栅极电压是基于来自所述电流监控器的输出来确定的；隔离变压器，具有初级绕组和次级绕组；以及非隔离AC到DC电源供应器，由所述次级绕组供电且参考所述输入或所述输出处的所述电压，以将DC电源供应到所述栅极驱动电路。
[0012]根据第二实施例，揭示一种限制AC电源线中的故障电流的方法。所述方法包括:监控穿过所述AC电源线的电流；以及将电压施加到固态开关装置的栅极以实现或抑制穿过所述固态开关装置的电流的流动，其中施加到所述栅极的所述电压是通过以下方式而产生:使用隔离变压器以产生隔离AC电压;使用参考所述AC电源线的非隔离AC到DC电源供应器以将所述隔离AC电压转换为隔离DC电压；以及使用所述隔离DC电压以对与所述固态开关装置的所述栅极连通的栅极驱动电路供电。
[0013]根据第三实施例，揭示一种用于限制AC电源线中的故障电流的系统。此系统包括:隔离变压器，具有初级绕组与第一次级绕组和第二次级绕组;独立AC源，其中所述初级绕组跨越所述独立AC源而设置;第一固态故障电流限制装置，包括:第一固态开关装置，串联地设置在所述AC电源线中，所述第一固态开关装置具有第一输入、第一输出和第一栅极，其中施加到所述第一栅极的第一栅极电压确定电流是否在所述第一输入与所述第一输出之间流动;第一栅极驱动电路，与所述第一栅极连通，以将所述第一栅极电压施加到所述第一栅极，所述第一栅极电压参考所述第一输入或所述第一输出处的电压;第一电流监控器，与所述AC电源线和所述第一栅极驱动电路连通，其中所述第一栅极电压是基于来自所述第一电流监控器的输出来确定的；以及第一非隔离AC到DC电源供应器，由所述第一次级绕组供电且参考所述第一输入或所述第一输出处的所述电压，以将DC电源供应到所述第一栅极驱动电路；以及第二固态故障电流限制装置，包括:第二固态开关装置，串联地设置在所述AC电源线中，所述第二固态开关装置具有与所述第一输出连通的第二输入、第二输出和第二栅极，其中施加到所述第二栅极的第二栅极电压确定电流是否在所述第二输入与所述第二输出之间流动;第二栅极驱动电路，与所述第二栅极连通，以将所述第二栅极电压施加到所述第二栅极，所述第二栅极电压参考所述第二输入或所述第二输出处的电压;第二电流监控器，与所述AC电源线和所述第二栅极驱动电路连通，其中所述第二栅极电压是基于来自所述第二电流监控器的输出来确定的；以及第二非隔离AC到DC电源供应器，由所述第二次级绕组供电且参考所述第二输入或所述第二输出处的所述电压，以将DC电源供应到所述第二栅极驱动电路。
【附图说明】
[0014]为了更好地理解本揭示，参考附图，附图以引用的方式并入本文中。
[0015]图1为根据现有技术的SSFCL装置的示意图。
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