CN103384147A

CN103384147A - 包括具有高开关速度的电子元件的设备

Info

Publication number: CN103384147A
Application number: CN2013101588887A
Authority: CN
Inventors: J·保萨达; F·奥卡亚尔
Original assignee: Alstom Transport SA
Current assignee: Alstom Transport Technologies SAS
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2033-05-03
Also published as: EP2660978A1; FR2990312B1; CN103384147B; JP2013236078A; FR2990312A1; US20130293002A1

Abstract

一种包括具有高开关速度的电子元件的设备（10），包括：至少一个电子元件（12），被设计为控制所述元件或每个元件（12）的控制电路（14），每个元件（12）通过相应的连接（18）而被连接到控制电路（14），其特征在于元件（12）具有大于10kA/μs或大于20kV/μs的开关速度，并且所述连接或每个连接（18）具有小于10nH的电感。

Description

包括具有高开关速度的电子元件的设备

技术领域

本发明涉及用于具有高开关速度的电子元件的电子开关设备。本发明尤其应用于铁路段中。

背景技术

现在，市场上出售由具有宽带隙的半导体材料制成的电子元件。例如，市场上存在由碳化硅或氮化镓制成的元件。这些元件损耗较低并且工作在比由普通材料制成的元件更高的开关速度。此外，它们的结温通常较高。

期望把这样的元件使用在功率转换器中，这是因为它们在重量和体积方面提供增益并且在相当大的程度上减少电损耗。

由碳化硅制成的元件可用于几种元件类型，如：二极管，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）类型晶体管，或JFET（结型场效应晶体管）类型晶体管。

这些元件以各种形式存在，无论是小包装（封装）还是功率模块。以自明的方式，功率模块通常包括若干元件，例如并联的元件。

无论这些元件以何种方式被出售，都要考虑几种要求，以便从通过使用这些新元件而获得的优点中受益。特别地，所使用的开关频率应该几十kHz的量级以便使无源元件的尺寸最小化。开关速度还必须较高以便使开关损失最小化。在本发明的上下文中，高开关速度是至少每微秒10千安（kA/μs）或每微秒20千伏（kV/μs）的开关速度。

已知实践是使用称为IPM（智能功率模块）的元件。在这种情况下，所有元件都在功率模块中，在功率模块上模制有部件。该部件包含控制电路并因此是一个单体部件。

不过，使用根据当前设计的IPM元件，不能得到碳化硅的全部优点，这是由于当开关速度变高（大于10kA/μs）时发生在控制部件和功率半导体之间的振荡问题。

因此需要使得能够从快速开关电子元件的高开关速度获益的设备。

发明内容

为此，本发明提供电子开关设备，包括：至少一个电子元件以及被设计为控制元件或每个元件的控制电路。每个元件通过相应的连接而被连接到控制电路。元件具有大于10kA/μs或大于20kV/μs的开关速度，并且连接或每个连接具有小于10nH的电感。

本发明还涉及电子开关设备，包括：至少两个电子元件以及被设计为控制元件或每个元件的控制电路。每个元件通过相应的连接而被连接到控制电路。每个元件具有大于10kA/μs或大于20kV/μs的开关速度，并且连接或每个连接具有小于10nH的电感。

根据特定实施例，该设备包括一个或多个以下特征，单独考虑或根据技术上可能的组合被考虑：

－元件由从金刚石、碳化硅和氮化镓中选择的材料制成，

－控制电路包括信号放大器，连接把放大器连接到元件，

－元件在1kHz和500kHz之间的开关频率工作，

－元件在10kHz和40kHz之间的开关频率工作，

－设备包括N个元件，N是严格大于1的整数，并且电路包括[(N+1)/2]个控制单元，其中[]表示取整数部分，控制单元中的每个控制单元连接到一个或两个电子元件，

－设备包括N个元件，N是严格大于1的整数，并且电路包括N个控制单元，每个元件连接到不同单元，

－设备包括多个连接，每个连接具有相同的电感，上下相差不超过3％，

－连接具有小于5nH的电感，

－每个元件具有大于15kA/μs或30kV/μs的开关速度，

－电路包括多个彼此同步的控制单元，以及

－通过把这些单元的输出端中的每个输出端连接到相同电势来使这些单元同步。

本发明还涉及一种功率转换器，包括前面所述的设备。

本发明的目的还在于一种铁路车辆，具有前面所述的功率转换器。

附图说明

通过阅读以下参照附图并仅作为示例给出的对本发明的实施例的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得清楚。

－图1是根据本发明的电气开关设备的示例的示意图，

－图2是设备的另一示例的示意图，

－图3示出对根据现有技术的设备的数字仿真的结果的图，

－图4是示出基于根据现有技术的设备的另一数字仿真的结果的图，

－图5是用根据本发明的设备获得的结果的图，

－图6和7是示出对根据现有技术的设备的开关仿真的结果的图，以及

－图8和9是示出对根据本发明的设备的开关仿真的结果的图。

具体实施方式

图1所示的电气开关设备10包括六个电子元件12。元件12具有快速开关速度。词语快速开关速度被理解为高于10kA/μs或20kV/μs的开关速度。

根据优选实施例，元件12的开关速度大于15kA/μs（相应地，30kV/μs）。

例如，由金刚石、碳化硅或氮化镓制成的元件12具有较快开关速度。

例如，元件12是MOSFET晶体管，JFET晶体管，或具有前述开关速度的任何其它电子元件。

设备10还包括控制电路14或点火器。控制电路14用于控制元件12。

例如，控制电路14能够发送被施加到晶体管的输入“栅极”上的命令。

根据图1的示例，控制电路14包括多个控制单元16。在所示的情况下，电路14包括两个单元16。

此外，根据图1，每个单元16的输出端连在一起。这意味着所有单元16的输出端全都在相同电位。换句话说，输出端发出相同信号。因此，确保了单元16的最优同步。

这样的同步确保了控制信号同时到达所有元件12。因此，功率电流均匀地分布在所有元件12中。

作为变型，这些输出端不连在一起。在这种情况下，每个单元16的点火（或阻塞）的顺序被控制以便提高元件12之间的平衡并且便于设备10的制造。

还是在该变型中，经由点火顺序，控制单元16彼此同步。

每个元件12经由连接18而接到单元16。

如图1所示，连接18是有线类型，应当理解可以考虑在元件12和相关联的单元16之间提供导电性的任何类型的连接。作为示例，这些连接由铝线制成（称为引线接合）或形成在印刷电路板上（例如直接焊接铜，Direct Bond Copper）。这些引线的长度必须受限制以便能够加快开关速度而不会引起控制系统振荡。1cm的距离导致约10nH的引线电感。1cm的距离似乎是高开关速度与可能以合理制造成本生产的设备10之间的较好折衷。

连接18中的每个连接的电感小于10nH。由于电路14被放置在受控元件12的附近，所以这样的电感值确保了元件12的快速开关。

优选地，连接18都具有相同的电感（上下不超过3％）以便确保所有元件12的较快开关速度。

为了进一步提高元件的开关质量，优选使连接18的电感低于5nH。

为了容易的获得用于连接18的这样的较低电感，提出（根据图1）了控制电路14相对接近元件12。接近意思是电路14与每个元件12最多相距约10mm。

因此，设备10呈现为包括元件12和控制电路14的功率模块20的形式。功率模块20事实上具有限制的尺度。根据图1的示例，存在具有长方体形状的外壳，该长方体的任一边都不大于12cm。该集成提供使设备紧凑的优点。

对于单元16中的每一个，至少三个元件12与其相关联。这允许把元件12放置为相对接近单元16。

作为变型，对于包括N个电子元件12的设备10，有利的是为控制电路14提供：

[(N+1)/2]个单元16，其中[-]表示取整数部分。

事实上，每个单元16都连接最多达两个元件。因此，单元16和与单元16连接的元件12之间的距离大大减小。

在特别情况下，数量N为奇数，模块20包括：

(N-1)/2+1个单元16。

(N-1)/2个单元16分别连接到两个元件12并且1个单独单元16连接到单个元件12。与单个单元相关联的该元件12被放置在其它元件12中间。

图2示出另一变型，其允许获得用于在元件12和单元16之间的每个连接18的较低值的电感。

根据该变型，每个元件12与一个控制单元16关联。根据该图，设备10仅包括4个元件12。因此控制单元14包括4个单元16。每个元件12都有单独的控制单元16使得能够确保对元件12的更好控制。

此外，根据图2中的示例，单元16包括第一子单元22和第二子单元24。第一子单元22包括单元16的对元件12的用于高开关速度的正确运转具有影响的部件。因此，该子单元22可被认为单元16的有源部分。例如，子单元22具有信号放大器。该第一子单元22放置在模块20中以便在元件12的附近。

第二子单元24不集成在模块20中。结果，子单元24比子单元22距离元件12更远。子单元24例如包括：DC-DC转换器，用于提供电流隔离的装置，缺陷管理检测器，以及用于确保根据所考虑的各种实施例的其它功能的装置。在图1所示的实施例中，子单元24的元件在很远处运转，因为它们对元件12的用于高开关速度的正确运转没有影响。特别地，子单元24与模块20的距离大于10cm。

为此，在模块20中，仅子单元22存在于模块20中。

在操作期间，电开关设备10从元件12的快速开关属性中受益。本发明中的连接18的电感的较低值使得能够实现这一点。为了表明这点，进行了各种测试和仿真。

下面的表1在此示出针对若干配置进行的测试的结果。配置1和2基于现有技术而配置3根据本发明。表1表示用于开关的相关性能等级。更具体地，给出了元件12的以kA/μs表示并用于测试的开关速度。还给出了切换时间。该切换时间以纳秒ns表示。此外，还给出了对应于开关损耗的开关功率。其表示为mJ（毫焦）并在元件在750V、500A操作的配置中被测得。

表1:电感的变化对元件的开关速度的影响

配置1对应于控制电路被放置在模块20的外部的情况。该配置对应于具有相对较低的开关速度的半导体设备的常规配置。在该情况下，控制电路和元件之间的连接典型约为1000nH。

对于配置1，观察到对于约30kA/μs的开关速度，具有约60mJ的损耗并且约160ns的开关时间。开关速度因此相对较低，开关时间较慢并且开关功率在较大等级。因此涉及对开关频率的限制和较大损耗。结果，不可能显著减小在涉及配置1中测试的元件的功率转换器中使用的无源元件的尺寸。为此，根据配置1，由元件12组成的转换器将相对较重和昂贵。

根据现有技术的配置2对应于上面描述的IPM元件。在这种情况下，连接的电感较低，约100nH。元件12的开关速度比配置1的情况更高。此外，与配置1相比，尽管开关速度更快（7.0kA/μs），但开关功率（26.6mJ）和开关时间（71ns）仅是配置1中的约50％。

最后情况对应于本发明的情况。在此情况下，连接的电感是10nH。可观察到对于元件12的11.1kA/μs的开关速度，开关功率量17mJ并且开关时间等于仅45ns。这表明使用减少到10nH的电感使得能够获得较好的开关。

对元件12进行控制的控制电路的其它测试的结果示于图3、4和5中。在该情况下，元件12是晶体管，即功率MOSFET，其已知包括漏极、源极和栅极。所用的MOSFET晶体管是CRI牌（DMF20120D）的由碳化硅制成的MOSFET晶体管。图3、4和5分别示出基于若干配置的测试的结果。可变参数是控制电路14和元件12之间的要被控制的连接18的电感，以及元件12的开关速度。

根据图3的示例，引线电感在控制电路和MOSFET晶体管之间等于100nH。这尤其对应于根据现有技术的配置2。在图3的情况下，MOSFET晶体管被控制在约1.5kV/μs的较低开关速度。在图3中，两个曲线26和28随时间的演变趋势以示波图（波形图）的形式示出，时间单位是100ns/tile（纳秒/网格）。

第一曲线26是示出晶体管的漏极和源极之间的电压随时间演变的变化的曲线。一个网格表示100伏特。第二曲线是晶体管的栅极和源极之间的电压变化的曲线。该曲线28用对应于5V/tile的纵坐标（y-坐标）表示。

在图3的情况下，在曲线28表示的命令和晶体管的输出信号之间，似乎不存在任何较大的信号失真。这对应于该设备能够在较低开关速度运转的事实。

图4示出针对同一配置、但在较高切换速度（6kV/μs）获得的随时间的变化。

图4也是以示波图（波形）的形式，其时间单位为50ns/tile。

漏极和源极之间的电压随时间的变化用曲线30表示，而曲线32表示栅极和源极之间的电压随时间的变化。

变化的单位在曲线30和32之间并不相同。对于曲线32，一个网格表示10V而对于曲线30，一个网格表示100V。

该图4的最值得注意的部分是在圆形部分34中观察到的重新阻塞（re-blocking）现象。重新阻塞或重新点火现象与控制电路14和晶体管12之间的谐振有关。这些振荡的缘由是这两个元件之间的连接的相对较高的电感。

这实际上示出在根据现有技术的配置2中，不可能把开关速度提高到超过10kA/μs或20kV/μs。这对于根据本发明的设备10是可能的。所获得的试验结果示于图5中。这里图5也是以示波图的形式示出的。随时间的变化是相对于漏极和源极之间的电压以及栅极和源极之间的电压被示出的。

与漏极和源极之间的电压相对应的曲线36用以下单位示出：5V/tile和横坐标（X轴）上的100ns/tile。曲线38用纵坐标（Y轴）上的100V/tile和横坐标上的100ns/tile。

在此情况下，观察不到对应于重新阻塞的振荡。这示出对于相对较低的电感（低于10nH），晶体管12的开关是稳定且快速的。

图3、4和5的结果是在控制电路14控制单个元件12的情况下示出的。

在功率模块的情况下，并行布置若干元件（半导体芯片）以便形成可以承受高得多的电流的开关。

根据现有技术，单个控制电路14被用于控制所有并行布置的元件12以及具有变化（方差大于3%）且相对较大值（大于10nH）的电感的相关联的连接18。

图6和图7示出针对由碳化硅制成的、并行布置（被单个控制电路14控制）的两个MOSFET型晶体管12的开关仿真的结果。

在图6和图7这两个图中示出元件12的漏极和源极之间的电流以及两个晶体管12的栅极和源极之间的电压随时间的变化。在电流和电压曲线上观察到振荡。

这些振荡是由于把控制电路14和元件12连接的不同连接18之间太大的差分电感而导致的。

图8和图9，除了使用根据本发明的配置之外，示出与图6和图7相同的情况。在此情况下，可以使元件12的开关速度快得多，这是因为快速开关模块的性能是稳定的。

不过，在图8和图9这两个图中，可观察到在电流和电压曲线上仍有振荡。这些振荡对应于在元件12和电路14之间仍有残余电感的事实。一旦开关速度变得大于12kA/μs，即使电感很低，这些振荡也开始出现。

这对应于控制单元16优选地被同步的事实。这样的同步确保控制信号同时到达所有元件12。因此，功率电流均匀分布在所有元件12之间。

本发明的优点是通过使用非常快的功率半导体12来优化功率模块20的开关。此外，开关也是稳定的。

这种优化使得能够提高开关频率并因此允许使用很适于高频开关的其他类型的磁性材料。这样的材料使得功率转换器整体上具有较小重量和较小体积。举例而言，50kW（千瓦）的硅逆变器的重量大约是90kg，而由碳化硅制成的同样的逆变器仅是该重量的33%。

碳化硅的适当使用还有助于减小功率转换器的损耗。结果，由焦耳效应产生的热量减少。这样制冷系统就可不那么高效。因此，导致成本节约。

Claims

1.一种电开关设备（10），包括：

-至少两个电子元件（12）；

-被设计为控制所述元件或每个元件（12）的控制电路（14）；

其特征在于，每个元件（12）通过相应的连接（18）而被连接到控制电路（14）；以及

每个元件（12）具有大于10kA/μs或大于20kV/μs的开关速度，并且所述连接或每个连接（18）具有小于10nH的电感。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述元件（12）由从金刚石、碳化硅和氮化镓中选择的材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制电路（14）包括信号放大器，所述连接（18）把所述放大器连接到所述元件（12）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述元件（12）在1kHz和500kHz之间的开关频率工作。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述元件（12）在10kHz和40kHz之间的开关频率工作。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述设备（10）包括N个元件（12），N是严格大于1的整数，并且所述电路（14）包括[(N+1)/2]个控制单元（16），其中[]是整数部分，所述控制单元（16）中的每个控制单元都连接到一个或两个电子元件（12）。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述设备（10）包括N个元件（12），N是严格大于1的整数，并且所述电路（14）包括N个控制单元（16），每个元件（12）连接到不同单元（16）。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述设备（10）包括多个连接（18），每个连接（18）具有相同的电感，上下相差不超过3％。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述连接（18）具有小于5nH的电感。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其中，每个元件（12）具有大于15kA/μs或30kV/μs的开关速度。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中，所述电路或每个电路（14）包括多个彼此同步的控制单元（16）。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，每个单元（16）具有输出端并且通过把这些单元（16）的输出端中的每个输出端连接到相同电势来使这些单元（16）同步。

13.一种功率转换器，包括根据权利要求1至12中任一项所述的设备（10）。

14.一种铁路车辆，包括根据权利要求13所述的功率转换器。