改善的切換保護(hù)電流輔助諧振電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明整體上涉及使用諧振來限制切換所需要的功率的功率變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]在功率變換器中，由于沒有組件具有理想特性所以會出現(xiàn)損耗。損耗將熱引入功率電路，其除了消耗能量外，還將熱應(yīng)變引入所有組件中，減少它們的壽命。
[0003]增加功率變換器的運(yùn)行頻率是令人期望的，因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的輸出隨后可以被更加精確地控制。增加切換頻率導(dǎo)致更低的切換紋波和更小的組件值，其反過來導(dǎo)致發(fā)明的更加緊湊、輕便和成本效益好的實(shí)施。另外，較低的切換紋波允許潛在地降低EMI，其與無干擾切換的目的匹配。另外，具有高的切換頻率允許通過功率變換器產(chǎn)生更高的頻率電流，擴(kuò)大了適合變換器的應(yīng)用的范圍。
[0004]但是，增加頻率也增加了切換損耗，因?yàn)榇蟛糠值膿p耗以切換周期為基礎(chǔ)呈現(xiàn)。當(dāng)電流流經(jīng)晶體管或當(dāng)晶體管上存在電勢差時(shí)迫使晶體管變換(commutat1n)需要必須供給到晶體管的柵極的能量。這樣，減少通過晶體管的電流或通過其的電壓減少切換的總的功率輸入并且因此減少輸入系統(tǒng)的總功率。
[0005]減少通過特定開關(guān)的損耗的一種方式是在通過電容器的放電、通過電感元件產(chǎn)生電流的電路中增加諧振組件。應(yīng)用該技術(shù)的電路被稱為諧振變換器，并且使用諧振來促進(jìn)變換的方法被稱為軟切換。一般有兩種類型的軟切換:低電壓切換和低電流切換。低電壓切換包含在變換前最小化電壓差或電勢差，其中低電流切換包含在切換前最小化通過開關(guān)的電流。
[0006]產(chǎn)生更少的EMI噪聲是其自身的重要目標(biāo)。在變換器或逆變器直接連接到輸電網(wǎng)的應(yīng)用中，EMI噪聲可能引起的問題通過應(yīng)用EMC濾波器來正常地解決。EMC濾波器與變換器串聯(lián)，從而處理全電流容量。通過最小化EMI，可以從變換器設(shè)計(jì)中消除EMC濾波器。
[0007]US 5047913 (De Doncker等)提供了一種軟切換解決方案。De Doncker建議在諧振輔電路中使用受控制的開關(guān)來克服在功率變換器中的有源設(shè)備切換損耗的問題。在功率變換器中的損耗的減少使以更高切換頻率運(yùn)行成為可能。De Doncker描述了由于組件電阻、設(shè)備傳導(dǎo)損耗和不充足的強(qiáng)制電勢造成的相對導(dǎo)軌電壓不足而使諧振輸出電壓可能下降。結(jié)果，在要打開的逆變器極的下一個(gè)切換設(shè)備可能在諧振電壓的峰值切換，并且因此由于在非零電壓打開而必須吸收一些切換損耗，包括從并聯(lián)電容器上去除的能量。
[0008]輔開關(guān)的引入減少了主開關(guān)在變換時(shí)面對的電阻，并且從而減少在開關(guān)中的損耗。但是，輔開關(guān)的晶體管元件還需要變換其上的電勢差。柵氧化層的絕緣能力(其是將柵極與其下的源極和漏極分隔的薄絕緣層)提供柵極信號需要影響的變換電阻來強(qiáng)迫晶體管進(jìn)行變換。在基于開關(guān)的功率變換器中，輸出電流的準(zhǔn)確性依賴于切換頻率，其意味著高切換頻率是有益的。由于具有高切換頻率和小損耗的開關(guān)被期望，因而應(yīng)當(dāng)提供以小柵極信號進(jìn)行變換的晶體管，因?yàn)闁艠O信號的能量以在晶體管中產(chǎn)生的熱的形式變成損耗。為了實(shí)現(xiàn)這些屬性，氧化層被制造得非常薄，其減少了柵極信號需要用來供應(yīng)強(qiáng)迫晶體管進(jìn)行變換所需要的能量的量。
[0009]晶體管具有最大阻斷電壓，即在斷開狀態(tài)下晶體管會可靠地承受而不會擊穿的電壓。最大阻斷電壓依賴于柵極氧化層。當(dāng)超過最大阻斷電壓時(shí)，存在柵極氧化層故障且因此失去其絕緣能力的風(fēng)險(xiǎn)。該故障被稱為氧化層擊穿。當(dāng)氧化層被制造得更薄時(shí)氧化層擊穿的風(fēng)險(xiǎn)增加。氧化層擊穿的一種形式是由在氧化層兩側(cè)應(yīng)用的高電壓引起的氧化層破裂。高電壓促使氧化層中最薄的點(diǎn)呈現(xiàn)電介質(zhì)擊穿并且因而允許電流流過。流過的電流促使氧化層升溫，其進(jìn)一步使電流能夠流經(jīng)氧化層，從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)最終導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的熔穿并且因此產(chǎn)生晶體管內(nèi)的短路。因而提供用于減少晶體管兩側(cè)的電勢差超過晶體管的最大阻斷電壓的風(fēng)險(xiǎn)的功率變換器的電路是有益的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]提供了一種諧振功率變換器。該諧振功率變換器包括DC電源、正DC導(dǎo)體、負(fù)DC導(dǎo)體、相導(dǎo)體和耦合在所述DC電源和所述相導(dǎo)體之間的功率變換單元。所述功率變換單元包括耦合在所述正DC導(dǎo)體和所述相導(dǎo)體之間的第一開關(guān)，并且第一二極管與所述第一開關(guān)并聯(lián)連接，耦合在所述負(fù)DC導(dǎo)體和所述相導(dǎo)體之間的第二開關(guān)，并且第二二極管與所述第二開關(guān)并聯(lián)連接，以及耦合在所述DC電源上的饋電連接部和所述相導(dǎo)體之間的諧振輔切換電路。所述諧振輔切換電路包括與控制裝置串聯(lián)耦合的至少一個(gè)電感器，用于控制所述諧振輔切換電路，并且輔二極管與所述控制裝置串聯(lián)耦合。
[0011]所述諧振功率變換器還包括耦合在所述正DC導(dǎo)體和所述輔切換電路之間的第一電氣安全組件，所述第一電氣安全組件適于:阻礙電流從所述正DC導(dǎo)體流向所述相導(dǎo)體，并且當(dāng)在所述正DC導(dǎo)體和所述輔切換電路之間的電勢差在閾值電壓以上時(shí)允許電流從所述輔切換電路流向所述正DC導(dǎo)體。所述功率變換器還包括耦合在所述負(fù)DC導(dǎo)體和所述輔切換電路之間的第二電氣安全組件，所述第二電氣安全組件適于:阻礙電流從所述輔切換電路流向所述負(fù)DC導(dǎo)體，并且當(dāng)在所述正DC導(dǎo)體和所述相導(dǎo)體之間的電勢差在閾值電壓之上時(shí)允許電流從所述負(fù)DC導(dǎo)體流向所述輔切換電路。
[0012]所述電氣安全組件因而保護(hù)輔切換電路不受在相導(dǎo)體中的殘余電流的影響，以便在相導(dǎo)體中的峰值電壓被分別地傳遞到正導(dǎo)體和負(fù)導(dǎo)體。
[0013]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第一和第二電氣安全組件的每一個(gè)都包括二極管和穩(wěn)壓二極管的結(jié)合。該二極管適于阻礙電流在一個(gè)方向流動(dòng)，并且穩(wěn)壓二極管適于當(dāng)其兩側(cè)的電勢差低于閾值電壓時(shí)阻礙電流流動(dòng)。
[0014]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，控制裝置是晶體管，并且用于允許電流流經(jīng)穩(wěn)壓二極管的閾值低于晶體管的最大阻斷電壓。
[0015]由于其不需要承受高電壓峰值，所以柵極氧化層可以被制造得薄，因而由于高切換頻率而沒有引入大損耗，安全組件使得產(chǎn)生具有高準(zhǔn)確度的功率變換器成為可能。由于晶體管不必阻斷高電壓，所以在電路內(nèi)產(chǎn)生更少的熱，其減少了冷卻需要。不具有承受高電壓的能力的晶體管還可以被更加便宜地制造，其是添加安全組件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
[0016]閾值電壓可以在5 - 50V之間，優(yōu)選地是在10 - 25Vo
[0017]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，晶體管是能夠處理高切換頻率的IGBT晶體管。由于穩(wěn)壓二極管的閾值電壓適于晶體管的最大阻斷電壓，其隨著晶體管類型而變化，穩(wěn)壓二極管需要被調(diào)整適于晶體管的類型，例如，如果晶體管是IGBT，則穩(wěn)壓二極管需要適于IGBT的特定的阻斷電壓。
[0018]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，與控制裝置串聯(lián)的電感器是非線性電感器或具有線性和非線性組件的組件。非線性電感器可以是包括磁材料的電感器，該磁材料調(diào)整為在一定量的電流流經(jīng)所述電感器后變得磁飽和，所述磁材料可以是電感器的鐵芯。
[0019]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，非線性電感器具有其線性區(qū)域在1-10 μ H的范圍內(nèi)的感應(yīng)系數(shù)，以及根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述非線性電感器具有其線性區(qū)域在3-7 μ H的范圍內(nèi)的感應(yīng)系數(shù)。
[0020]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，控制裝置和第一和第二電氣安全組件被集成在獨(dú)立封裝內(nèi)，其減少導(dǎo)體的長度并且因而減少在電路中產(chǎn)生的ΕΜΙ。獨(dú)立封裝還可以包括冷卻裝置，用于冷卻電氣安全組件。
[0021]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，根據(jù)任意實(shí)施方式的諧振功率變換器適于應(yīng)用在有源濾波器中。
[0022]請注意任何實(shí)施方式或?qū)嵤┓绞降娜魏尾糠挚梢砸匀魏畏绞浇M合。
[0023]附圖的簡要說明
[0024]現(xiàn)在參考附圖以例子的形式介紹本發(fā)明，其中:
[0025]圖1示出用于當(dāng)輸出電流從具有+V電壓切換到具有-V電壓時(shí)的諧振切換的電路，
[0026]圖2示出用于當(dāng)輸出電流從具有+V電壓切換到具有-V電壓時(shí)的諧振切換的電路，
[0027]圖3示出用于當(dāng)輸出電流從具有-V電壓切換到具有+V電壓時(shí)的諧振切換的電路，
[0028]圖4示出用于當(dāng)?shù)谝缓偷诙姎獍踩M件被提供為包括穩(wěn)壓二極管時(shí)、當(dāng)輸出電流從具有-V電壓切換到具有+V電壓時(shí)的諧振切換的電路。
【具體實(shí)施方式】
[0029]現(xiàn)在將參考附圖通過例子的方式描述使用諧振切換的功率變換器的基本原理。應(yīng)當(dāng)理解，附圖僅用于說明的目的而不以任何方式限制范圍。
[0030]在下面的附圖中，功率變換器被示出為用于有源濾波器。但是，該實(shí)施方式僅被視為功率變換器的一種使用的例子。通過權(quán)利要求限定的本發(fā)明的概念可以被用于諸如例如在功率變換器中的需要諧振功率變換器的所有應(yīng)用中。
[0031]在有源過濾器內(nèi)的功率變換器產(chǎn)生補(bǔ)償電流，其補(bǔ)償在產(chǎn)生諧波的功率系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)載。通過減少在電氣系統(tǒng)內(nèi)的諧波，減少了產(chǎn)生的電抗效應(yīng)，并且從而減低整體的能量消耗。有源濾波器的細(xì)節(jié)的進(jìn)一步描述可以例如從Persson的US7289888中找到。通過能量供應(yīng)單元4、能量消耗負(fù)載5和用于將能量從能量供應(yīng)單元4傳輸?shù)侥芰肯呢?fù)載5的主導(dǎo)體3在下面的圖中示出了電氣系統(tǒng)。能量供應(yīng)單元4可以例如是電網(wǎng)或降低從主電網(wǎng)供應(yīng)的電壓的變壓器。能量消耗負(fù)載5可以例如是電機(jī)。有源濾波器還包括電感器LI，其通過根據(jù)I = -LdU/dt正比于電流變化速度演變電感器兩端的電壓來抵抗通過其的電流的變化來將通過開關(guān)Gp、Gn產(chǎn)生的脈沖轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號。對于被配置為用于100A電流的有源濾波器，電感器通常是范圍在200-250uH的電感器。
[0032]圖1示出用于諧振功率變換的電路。諧振變換器包括每相兩個(gè)主切換設(shè)備Gp、Gn。切換設(shè)備具有與其并聯(lián)的二極管Dp、Dn。諧振變換器還包括輔諧振變換電路AUX，其包括輔切換設(shè)備Sp、Sn，所述輔切換設(shè)備Sp、Sn與電感器L2串聯(lián)耦合，并且耦合到在DC電源(DC)上的饋電連接部。根據(jù)本實(shí)施方式，DC電源是兩個(gè)電容器C。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，由于高切換頻率，IGBT被用于主切換設(shè)備Gp、Gn和輔切換設(shè)備Sp、Sn，但是本發(fā)明適于用于許多類型的切換設(shè)備，例如(但不限于)BJT、MOSFET、MCT、GTO或者IGCT。圖1描述當(dāng)沒有電流正通過LI時(shí)諧振開關(guān)的操作。為了迫使電壓從+V到-V，需要通過諧振電路供應(yīng)其它電流。作為在切換周期的第一步，開關(guān)Gp被關(guān)閉以便電流停止從正導(dǎo)線+V流動(dòng)。在相導(dǎo)體e的電壓現(xiàn)在是正電壓+V，并且沒有電流流過。開關(guān)Sp被打開來閉合諧振電路使得電容器C通過開關(guān)Sp和二極管DAp放電，并且因而改變電感器L2兩端的電勢差，產(chǎn)生供應(yīng)給相導(dǎo)體e的電流。因而諧振電路供應(yīng)大體上等于在+V和- V之間的電壓差的一半