采用氮化鎵開關的驅動單元的制作方法
【專利說明】采用氮化鎵開關的驅動單元發(fā)明領域
[0001]本文所公開的主題總體涉及驅動單元的領域，并且更具體地說，涉及一種使用氮化鎵開關的驅動單元。
[0002]相關技術的描述
[0003]現(xiàn)有的電梯驅動單元是基于硅絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和金屬氧化物半導體場效應晶體管(M0SFET)。硅基裝置的固有切換特性限制了電梯驅動單元的實際的最大脈沖寬度調制(PffM)切換頻率、最小損失和最小尺寸。硅基裝置的實際切換頻率通常是在可聽范圍內，并且可導致驅動單元和所附接的電機出現(xiàn)噪聲問題。
[0004]需要減小電梯驅動單元的尺寸?，F(xiàn)有的精心設計的驅動單元中的損失為約3-5%。這些損失決定散熱器的尺寸，而散熱器尺寸是整體電梯驅動單元尺寸的主要貢獻者。電梯驅動單元尺寸還受固有的電壓阻斷能力限制。切換裝置尺寸是整體驅動單元尺寸中的另一個因素。
[0005]簡述
[0006]—個示例性實施方案包括一種用于在用于驅動電機的驅動單元中使用的切換組件。所述切換組件包括:氮化鎵開關，所述氮化鎵開關具有柵極端子、漏極端子和源極端子；柵極驅動器，所述柵極驅動器生成驅動信號;柵極驅動電路，所述柵極驅動電路包括與柵極驅動器和柵極端子串聯(lián)的導通電阻器和跨接在柵極端子和源極端子上的箝位電路，來自柵極驅動器的導通驅動信號通過導通電阻器施加到柵極端子；以及跨接在漏極端子和源極端子上的緩沖電路。
[0007]另一個示例性實施方案包括一種用于驅動電機的驅動單元。所述驅動單元包括:生成控制信號的控制器;第一電壓總線和第二電壓總線;連接在第一電壓總線和第二電壓總線中的一個與輸出端之間的切換組件，所述切換組件包括:氮化鎵開關，所述氮化鎵開關具有柵極端子、漏極端子和源極端子;柵極驅動器，所述柵極驅動器響應于控制信號而生成驅動信號;柵極驅動電路，所述柵極驅動電路包括與柵極驅動器和柵極端子串聯(lián)的導通電阻器和跨接在柵極端子和源極端子上的箝位電路，來自柵極驅動器的導通驅動信號通過導通電阻器施加到柵極端子;以及跨接在漏極端子和源極端子上的緩沖電路。
[0008]另一個示例性實施方案包括一種用于驅動電機以使電梯轎廂運動的電梯驅動單元。所述驅動單元包括:生成控制信號的控制器;第一電壓總線和第二電壓總線;連接在第一電壓總線和第二電壓總線中的一個與輸出端之間的切換組件，所述切換組件包括:氮化鎵開關，所述氮化鎵開關具有柵極端子、漏極端子和源極端子;柵極驅動器，所述柵極驅動器響應于控制信號而生成驅動信號;柵極驅動電路，所述柵極驅動電路包括與柵極驅動器和柵極端子串聯(lián)的導通電阻器和跨接在柵極端子和源極端子上的箝位電路，來自柵極驅動器的導通驅動信號通過導通電阻器施加到柵極端子；以及跨接在漏極端子和源極端子上的緩沖電路。
[0009]本發(fā)明的實施方案的其他方面、特征和技術將從以下結合附圖進行的描述變得更加顯而易見。
[0010]附圖簡述
[0011]現(xiàn)參考附圖，其中相同元件在圖中編號相同:
[0012]圖1是在示例性實施方案中的電梯驅動單元的示意圖；
[0013]圖2描繪在示例性實施方案中的切換組件;并且
[0014]圖3描繪在另一個示例性實施方案中的切換組件。
[0015]詳述
[0016]圖1是在示例性實施方案中的驅動單元10的示意圖。在示例性實施方案中，驅動單元10可用作電梯或自動扶梯的一部分。驅動單元10包括由控制器14驅動的多個切換組件
12。控制器14向柵極驅動器30(圖2)提供用于控制如本文所述的切換組件12中的開關的控制信號。在示例性實施方案中，來自控制器14的控制信號可以是脈沖寬度調制(PffM)控制信號?？梢允褂脠?zhí)行存儲在存儲介質上的計算機程序來執(zhí)行本文所述的操作的通用微處理器來實現(xiàn)控制器14。或者，可以在硬件(例如，ASIC、FPGA)或硬件/軟件的組合中實現(xiàn)控制器
14。切換組件12可包含多個開關、柵極驅動器和其他部件，如本文參考圖2進一步詳細描述的。
[0017]驅動單元10包括三個相支路16，每個相支路16包括兩個切換組件12。每一個相支路16連接到第一 DC電壓總線20和第二 DC電壓總線22。在操作中，控制器14打開和關閉切換組件12，以便從第一DC電壓總線20施加第一電壓或從第二DC電壓總線22施加第二電壓，從而在端子輸出端1、輸出端2和輸出端3處生成AC信號。在不例性實施方案中，端子輸出端1、輸出端2和輸出端3聯(lián)接到電機15，例如，三相電梯電機或自動扶梯電機。盡管圖1中示出三個相支路16，但本文描述的實施方案可與任意數量相的驅動單元、包括單相驅動單元一起使用。圖1描繪二級驅動單元，但本文描述的實施方案可與任何多級驅動單元(例如，三級中性點鉗位驅動單元)一起使用。驅動單元10在驅動模式下可操作為換流器(DC到AC)或在再生模式下可操作為整流器(AC到DC)。
[0018]圖2描繪在示例性實施方案中的切換組件12。切換組件12包括柵極驅動器30，所述柵極驅動器30將驅動信號提供至開關32的柵極端子。在示例性實施方案中，開關32是氮化鎵晶體管。柵極驅動器30接收來自控制器14的控制信號，以便生成用于開關32的驅動信號。來自控制器14的控制信號可以是脈沖寬度調制信號。圖2中示出單個開關32，但應當理解，切換組件12可包括由柵極驅動器30驅動的多個開關32。切換組件12中的開關32可并聯(lián)布置以便增加電流容量。
[0019]氮化鎵開關32是高速切換裝置，并且可以在幾納秒內打開和關閉。由于快速切換，開關32可產生非常高的dv/dt，這可顯著增加電磁干擾(EMI)并且損壞驅動單元10和從動部件(例如，電機15)。為了管理開關32的切換速度，將柵極驅動電路34定位在柵極驅動器30與開關32之間。柵極驅動電路34包括用于控制開關32的切換速度的元件。
[0020]柵極驅動電路34包括與開關32的柵極端子串聯(lián)的導通電阻器36和關斷電阻器38。當打開開關32時，通過導通電阻器36施加導通驅動信號。當關閉開關32時，通過關斷電阻器38施加關斷驅動信號。一般來說，導通電阻器36可具有比關斷電阻器38更大的量值。增大導通電阻器36減少了柵極端子電壓的過沖。
[0021]柵極驅動電路34包括具有鉗位電阻器40和鉗位電容器42的柵極鉗位電路。鉗位電阻器40和鉗位電容器42是彼此并聯(lián)的，并且跨接在開關32的柵極端子和源極端子上。通過選擇鉗位電阻器40和鉗位電容器42的值，可以控制開關32的切換速度。這有助于減小開關32的dv/dt。
[0022]切換組件12還包括跨接在開關32的漏極端子和源極端子上的緩沖電路50?？墒褂秒娮杵?電容器電路、電阻器-電容器-二極管電路、或其他已知的緩沖電路配置來實現(xiàn)緩沖電路50。緩沖電路50防止開關32的輸出端處的電壓過沖。通過控制導通電阻器36和關斷電阻器38的值以及緩沖電路值，可以增加開關32的打開時間和關閉時間，從而減少開關32的電壓上升并且因此減小開關32的dv/dt。這使得使用氮化鎵裝置能夠顯著地增加驅動單元的壽命和可靠性。
[0023]圖3描繪具有多個開關32的切換組件12。如圖所示，兩個開關32是并聯(lián)的、由共用的柵極驅動器30驅動。為了便于說明，未示出緩沖電路50。應當理解，可以并聯(lián)布置多于兩個開關32，并且實施方案并不限于兩個開關32。實施方案可包括并聯(lián)的8個、12個、16個或更多個開關。每個開關32包括如上文所討論的柵極驅動電路34。將開關32并聯(lián)布置增加了切換組件12的電流容量。如上所述，在替代的實施方案中，開關32也可以串聯(lián)布置。
[0024]使用氮化