[发明专利]具有改进的击穿免疫性的逆变器

说明书

一种用于AC‑DC逆变器(10，20)的逆变器相臂(100)包括高压电源线(12，22)和低压电源线(14，24)，跨该高压电源线和低压电源线提供DC电压。高压侧栅控开关(110)连接到高压电源线，以及低压侧栅控开关(114)连接到低压电源线，其中具有高压侧开关与低压侧开关之间的输出结点(104)。逆变驱动器(116)连接到高压侧栅控开关(110)。逆变驱动器的电压源(118，130，106)配置成使得在接通周期期间将高压侧栅控开关保持关断直到驱动器输出克服跨高压侧开关栅极所生成的负偏置，从而产生对寄生接通的高免疫力。数字隔离器(120)连接在逆变驱动器(116)与控制信号(128)之间以用于切换逆变器相臂(100)。差动发射器(126)和差动接收器(124)可用来进一步增强噪声免疫性。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年9月27日提交的美国临时申请No. 61/883617的权益，通过引用将其完整地结合到本文中。

技术领域

本发明一般涉及电力转换领域，以及具体来说涉及利用半导体开关的DC-AC逆变器。

背景技术

电力逆变器通常利用多对半导体开关，多对半导体开关跨DC电压源所连接到的DC母线或电源线来连接在一起。开关按照所选切换序列交替地接通和关断，以便向连接到两个开关之间的结点的负载提供AC电力。由于n型装置与p型装置相比的优良开关特性和低导通电阻，高压侧半导体开关几乎始终选择为n型装置。因此，高压侧开关要求浮动电压源和电平移位功能，其促成逆变器栅极驱动的成本和复杂度。按照这种方式所连接的单对半导体开关本身可用来向负载提供单相AC电力，或者两对开关可按照常规H桥配置连接在一起以用于单相电力、三对开关用于三相电力等。每对开关可被认为是单相或多相逆变器的相臂。

空载时间（dead time）几乎始终加入提供给相臂的两个开关的栅极驱动信号，以确保开关之一在另一开关接通之前完全关断。否则，如果两个开关均同时接通，则因为两个开关跨DC汇流线串联连接，通过开关的短路电流可能烧坏开关或者损坏其他电路组件。这种条件有时称作“击穿”（shoot through）。但是，空载时间的存在能够对输出电压波形增加显著数量的非预期非线性度和谐波失真。基频分量的输出波形失真和电压幅度损失随着基频或载波频率增加而变差。

用于补偿空载时间的不同方法是已知的，包括感测通过开关的电流并且确保接通另一个开关之前关断导通开关。参见美国专利No. 4126819、No. 5646837和No. 5859519以及已公开美国专利申请US 2001/0048278 A1。这类电路要求显著增加成本的大量附加组件，或者仍然要求具有对应空载时间的开关的关断与接通之间的延迟。美国专利No.6909620具有两个开关之间的输出结点，其中输出结点与低压侧开关之间的串联二极管或连接器开关以及二极管或连接器开关与低压侧开关之间的汇合处直接电连接到高压侧开关的栅极。如果低压侧开关在高压侧开关接收接通的命令时仍然导通，则高压侧开关的栅极将偏置，使得开关保持为关断，直到电流停止流经低压侧开关，以及相反，如果高压侧开关在低压侧开关接通时仍然接通，则高压侧开关的栅极将偏置，以确保其立即关断，由此防止高压侧和低压侧开关同时接通的条件。

然而当高速开关的快速切换发生时，漏极-栅极电容创建使寄生电流流入内部栅电阻的通路，这引起栅极上的电压尖峰，从而冒着不希望接通以及击穿条件可能发生的风险。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种逆变器相臂，包括高压电源线和低压电源线，跨它们可提供DC电压。逆变器臂包括连接到高压电源线的高压侧栅控开关以及连接到低压电源线的低压侧栅控开关。开关连接在高压电源线与低压电源线之间，其中具有高压侧开关与低压侧开关之间的输出结点。逆变驱动器连接到高压侧栅控开关，并且具有来自控制信号的输入电压、用于切换高压侧栅控开关的输出电压以及驱动电压。第一DC电压的源设置在输出结点与逆变驱动器之间。驱动电压设置成使逆变驱动器的输出电压为零，直到输入电压超过第一DC电压，由此防止高压侧栅控开关的无控制激活所引起的击穿条件。