CN104638959B - 电源模块中使用的中性点钳位转换器及包含其的电源模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进的中性点钳位NPC转换器、以及包含该NPC转换器的电源模块。所述NPC转换器的正和负开关电路被配置为向输出端分别提供在正和负输入端提供的正和负电压电平。所述NPC转换器的中性开关电路被配置为向所述输出端提供在中性输入端提供的中性电压电平。所述正和负开关电路的每个包括用于控制所述正和负电压电平向所述输出端的提供的两个开关元件的串联电路与反向偏置的旁路二极管的并联电路。具体地，所述串联电路的每个由具有体二极管的第一开关元件、以及用于同步整流的第二开关元件形成。

Description

电源模块中使用的中性点钳位转换器及包含其的电源模块

技术领域

本发明涉及一种用于将在正、中性和负输入端提供的DC输入电压转换为要提供至输出端的AC输出电压的、改进的中性点钳位NPC转换器。本发明还涉及包含所述改进的NPC转换器的电源模块。

背景技术

DC-AC转换器通常用于不同技术领域中；例如，在可再生能源领域中。由于技术进步和不断发展的市场，对非常高效的转换器的需要已经变得越来越重要。具体地，在可再生能源领域中，例如，太阳能设备需要高效DC-AC转换器来将可再生能源转换为通常易用的形式并允许回授到电网中。在这个方面，期望进一步减小DC-AC转换器内的传导损耗和开关损耗。

NPC转换器布局(topology)由于它们的干净和简单的设计以及直接的控制实现方式而受欢迎。随着功率场效应晶体管FET领域的进步，可以在高电压电源模块中利用NPC转换器技术。在本发明的上下文中，电源模块应被理解为提供+/-600伏特的AC电压。在这个方面，NPC转换器可能(至少部分地)需要承受1200伏特的DC电压的额定电压。

NPC转换器包括三个功能上不同的电路。首先，正开关电路向NPC转换器的输出端提供在正输入端提供的正电压电平。其次，负开关电路向NPC转换器的输出端提供在负输入端提供的负电压电平。再次，中性开关电路向NPC转换器的输出端提供在中性电压输入端提供的中性电压电平。

因此，通过相继地使能首先是正开关电路、接着是中性开关电路、之后是负开关电路、然后是NPC转换器，将三电平AC电压提供至NPC转换器的输出。

然而，关于提供无功功率(reactive power)时的续流电流(freewheelingcurrent)的开关效率，传统的NPC转换器布局是不利的。

无功功率是指电压和电流异相(即，具有90°的相位差)的状态。例如，在NPC转换器提供无功功率的情况下，电流相对于在输出端的电压滞后。因此，驱动电流和电压具有不同极性(即，电流在相对于电压不同的方向上流动)。

具体地，在无功功率，续流电流可能正在反方向上流过NPC转换器内的正或负开关电路。因此，NPC转换器的正或负开关电路的开关元件经历反向电流，因此经受反向恢复损耗。

更详细地，当NPC转换器提供无功功率时，正电压电平流至输出端，并且续流电流可能从输出端流至正输入端，即，在反方向上。反向续流电流使NPC转换器的开关元件在前向方向上的阻断能力下降。具体地，反向续流电流将电荷从漏极区域漏出(drain)，导致前向方向上较差的漏极电压阻断能力。

一般地，将二极管或晶体管的反向恢复时间定义为二极管或晶体管在跨过其的电压突然反转时恢复至阻断状态所花的时间。在此反向恢复期间，暂时短路可能导致大的反向电流、以及大的功耗。

发明内容

本发明的第一目的是通过减少无功功率时的反向恢复损耗来提高NPC转换器的效率。根据本发明的第二目的，要在不使电路的传导损耗(即，静态损耗)恶化的情况下改善NPC转换器的开关损耗。

所述目的通过独立权利要求的主题解决。有利实施例限定于从属权利要求。

在这个方面，根据本发明的第一方面，建议提供具有均利用非常快的开关元件的正和负开关电路的NPC转换器。然而，相应正和负开关电路中的每个开关元件的体二极管与开关元件的开关速度相比较慢。在没有任何对策的情况下，在随后的再激活时，高反向恢复电流将在开关元件内流动。

根据本发明的这一方面，提供旁路二极管用于承载续流电流，以代替正和负开关电路的相应开关元件中的体二极管。由此，在正和负开关电路的开关元件上避免反向恢复电荷。

因此，旁路二极管、而非开关元件易受反向恢复电流效应的影响。然而，因为正和负开关电路中的旁路二极管仅被提供用于承载续流电流，所以可以对其进行优化(例如，通过利用快速硅二极管)以进一步减小开关损耗(即，动态损耗)。

对于在本发明的这个方面，进一步地，在续流期间，利用正和负开关电路中的开关元件用于主动整流(active rectification)。换言之，经由开关元件承载续流电流以减小传导损耗(即，静态损耗)，并且，仅在再激活短暂之前，将续流电流重定向以流经旁路二极管。

根据本发明的第二方面，建议在电源模块中采用有利的NPC转换器，电源模块被配置用于开关高电压(+/-600V)使得开关损耗和传导损耗的减小是有利的。

根据符合本发明的第一方面的实施例，建议在电源模块中使用中性点钳位NPC转换器。NPC转换器包括正和负开关电路以及中性开关电路。正和负开关电路被配置为向NPC转换器的输出端分别提供在NPC转换器的正和负输入端提供的正和负电压电平。中性开关电路被配置为向NPC转换器的输出端提供在NPC转换器的中性输入端提供的中性电压电平。NPC转换器的正和负开关电路的每个包括用于控制所述正和负电压电平向所述输出端的提供的两个开关元件的串联电路与反向偏置的旁路二极管的并联电路。NPC转换器的正和负开关电路中包括的每个串联电路由具有体二极管的第一开关元件、以及用于同步整流的第二开关元件形成。

根据NPC转换器的更详细实施例，为了同步整流，NPC转换器的正和负开关电路中包括的第二开关元件被配置为阻止反向漏极电流(Ids)流过相应正和负开关电路中包括的第一开关元件的体二极管。

根据NPC转换器的另一更详细实施例，正和负开关电路中包括的第二开关元件具有体二极管，并且第二开关元件的体二极管相对于NPC转换器的相应的正和负开关电路中包括的第一开关元件的体二极管具有相反方向。

根据NPC转换器的又一更详细实施例，正和负开关电路中包括的第二开关元件具有比NPC转换器的相应的正和负开关电路中包括的旁路二极管的阈值电压(Vth)更高的漏极电压(Vds)阻断能力。

根据NPC转换器的另一更详细实施例，正和负开关电路中包括的第一和第二开关元件的栅极被连接。

根据NPC转换器的再一更详细实施例，NPC转换器的正和负开关电路中包括的第一开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

根据NPC转换器的又一更详细实施例，NPC转换器的正和负开关电路中包括的第二开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

根据NPC转换器的另一更详细实施例，NPC转换器的正和负开关电路中包括的第一和第二开关元件的栅极被连接。

根据NPC转换器的又一更详细实施例，NPC转换器的正和负开关电路的每个的旁路二极管被配置用于快速开关速度。

根据NPC转换器的再一更详细实施例，NPC转换器的正和负开关电路中包括的旁路二极管是SiC肖特基二极管。

根据NPC转换器的进一步更详细实施例，将NPC转换器的正开关电路连接在正输入端与第一中间节点之间，用于将正电压电平提供至第一中间节点；并且，将NPC转换器的负开关电路连接在负输入端与第二中间节点之间，用于将负电压电平提供至第二中间节点。NPC转换器的中性开关电路包括：第一中性二极管，连接在中性输入端与第一中间节点之间，用于将中性电压电平提供至第一中间节点；第二中性二极管，连接在中性输入端与第二中间节点之间，用于将中性电压电平提供至第二中间节点；第三开关元件，连接在第一中间节点与输出端之间，用于将中性电压电平和正电压电平提供至输出端；以及第四开关元件，连接在第一中间节点与输出端之间，用于将中性电压电平和负电压电平提供至输出端。

根据NPC转换器的替代更详细实施例，将NPC转换器的正开关电路连接在正输入端与输出端之间，用于将正电压电平提供至输出端；并且，将NPC转换器的负开关电路连接在负输入端与输出端之间，用于将负电压电平提供至输出端。NPC转换器的中性开关电路包括：由第一中性二极管和第三开关元件形成的第一串联电路，该第一串联电路连接在中性输入端与输出端之间，用于在负预充电的输出端的情况下将中性电压电平提供至输出端；以及由第二中性二极管和第四开关元件形成的第二串联电路，该第二串联电路连接在中性输入端与输出端之间，用于在正预充电的输出端的情况下将中性电压电平提供至输出端。

根据NPC转换器的另一更详细实施例，NPC转换器的中性开关电路的第一中性二极管和第一开关元件被配置为在输出端已经被预先提供了负电压电平的情况下，将中性电压电平提供至输出端；并且，NPC转换器的中性开关电路的第二中性二极管和第二开关元件被配置为在输出端已经被预先提供了正电压电平的情况下，将中性电压电平提供至输出端。

根据符合本发明的第二方面的实施例，建议包括如前所述的NPC转换器的电源模块。

根据电源模块的更详细实施例，电感器连接至NPC转换器的输出端。

附图说明

将附图合并至说明书中并形成说明书的一部分以图示本发明的一些实施例。这些附图与描述一起用于解释本发明的原理。附图仅为了图示可以如何做出并使用本发明的优选和替代示例的目的，并且不被解释为将本发明仅限于所图示且描述的实施例。

此外，实施例的一些方面可以形成—单独地或以不同组合地—根据本发明的解决方案。根据以下对如附图中所图示的本发明的各个实施例的更特定描述，其它特征和优点将变得明显，在附图中，同样的参考符号指代同样的元素，并且其中：

图1示出根据第一实施例的用于在电源模块中使用的NPC转换器1000的示意性电路图；以及

图2示出根据第二实施例的用于在电源模块中使用的NPC转换器2000的示意性电路图。

具体实施方式

在本发明的上下文中，术语“无功功率”被描述为NPC转换器在半波的整个持续时间内提供无功功率的NPC转换器操作模式。然而，无功功率不应限制在这个方面。例如，在电压和电流异相(即，具有phi＝60°的相位差)的情况下，无功功率则对应于：因此，方向性在半波期间改变，即，从有功功率改变至无功功率。因此，无功功率可以不被仅限制于半波的持续时间，而是可以短于该持续时间。总之，无功功率应被理解为功率流关于极性的倒置。

现在参考图1，示出根据本发明的第一实施例的中性点钳位NPC转换器1000的示意性电路图。NPC转换器1000用于在电源模块中使用，并且包括正开关电路1100、负开关电路1200、以及中性开关电路1300。

正开关电路1100被配置为向NPC转换器的输出端1002提供在NPC转换器的正输入端1004提供的正电压电平。负开关电路1200被配置为向NPC转换器的输出端1002提供在NPC转换器的负输入端1006提供的负电压电平。

此外，中性开关电路1300被配置为向NPC转换器的输出端1002提供在NPC转换器的中性输入端1008提供的中性电压电平。特别地，中性开关电路1300被配置为无论正还是负电压电平被预先提供至输出端1002都提供中性电压电平。

因此，NPC转换器1000的正输入端1004要连接至例如太阳能电池板的外部电源的DC+端；NPC转换器1000的负输入端1006要连接至外部电源的DC-端。

此外，中性输入端1008可以连接至外部电源的接地端，或者可以被经由分别连接在正和负输入端1004、1006与中性输入端1008之间的两个外部电容器提供中间电压电平。在本发明的上下文中，术语“中性电压电平”必须被理解为中间电压电平，并且不应仅被限制于零电压。

正和负开关电路1100、1200的每个包括由具有体二极管的第一开关元件1102、1202以及用于同步整流的第二开关元件1104、1204形成的串联电路。具有体二极管的开关元件例如是各种类型的场效应晶体管FET，特别是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

此外，用于同步整流的第二开关元件1104、1204可以具有例如上述各种类型的场效应晶体管FET、特别是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的体二极管，或者可以不具有体二极管，例如氮化镓GaN型的金属绝缘体半导体场效应晶体管MISFET、或高电子迁移率晶体管HEMT。

正和负开关电路1100、1200的每个的第二开关元件1104、1204被配置用于同步整流，即阻断反向漏极电流(drain current)。术语“整流”必须被理解为限制漏极电流Id仅在一个方向(即，前向方向、而非反向方向)上流动。此外，术语“同步整流”是指使用具有低接通(ON)电阻(Rds_ON)的开关元件用于整流。

因此，可以防止反向漏极电流(即，在无功功率时的续流电流)分别流过正和负开关电路1100、1200的每个的第一开关元件1102、1202。

当前可用的开关元件在前向方向上提供高阻断能力。即使对于高达+600V的漏极-源极电压(Vds)，开关元件也可以承受前向漏极电流。同时，开关元件不能承受反向方向上的漏极电流(即，由于体二极管)。换言之，开关元件不能阻断在无功功率时的续流电流。

因此，提供正和负开关电路1100、1200的每个的第二开关元件1104、1204来阻止反向漏极电流(即，在无功功率时的续流电流)在相应的正和负开关电路1100、1200的串联电路内流动。具体地，正和负开关电路1100、1200的每个的第二开关元件1104、1204防止反向漏极电流流过相应的正和负开关电路1100、1200的第一开关元件1102、1202的体二极管。

为了同步整流的目的，正和负开关电路1100、1200的每个的第二开关元件1104、1204被配置为控制关于相应正和负开关电路1100、1200的第一开关元件1102、1202的相反方向上的漏极电流。

具体地，正和负开关电路1100、1200的每个的第二开关元件1104、1204具有体二极管，并且配置第一和第二开关元件二者以使得第一和第二开关元件的体二极管对于正和负开关电路1100、1200的每个具有相反方向。

换言之，在正和负开关电路1100、1200中包括的每个串联电路中，将第一和第二开关元件1102、1104和1202、1204以源极彼此连接，使得相应的正和负电压电平从正和负开关电路1100、1200的每个的第一开关元件1102、1202的漏极传导至其源极，并此后从正和负开关电路1100、1200的每个的第二开关元件1104、1204的源极传导至其漏极。

此外，正和负开关电路1100、1200的每个附加地包括旁路二极管1106、1206，其与第一和第二开关元件1102和1104、1202和1204的串联电路并联连接。正和负开关电路1100、1200的每个的旁路二极管关于正和负电压电平向输出端的提供反向偏置。

因此，正和负开关电路1100、1200的每个的旁路二极管1106、1206可以承载无功功率时的续流电流，相应的正和负开关电路1100、1200的第二开关元件1104、1204可以防止所述续流电流流过第一开关元件1102、1202的体二极管。

有利地，正和负开关电路1100、1200的每个中包括的第二开关元件1104、1204具有比相应的正和负开关电路1100、1200的旁路二极管1106、1206的阈值电压(Vth)更高的漏极电压(Vds)阻断能力。具体地，第二开关元件1104、1204的漏极电压(Vds)阻断能力比旁路二极管1106、1206的阈值电压(Vth)稍高。

例如，假设旁路二极管1106、1206的阈值电压在0.7V-1.0V的范围中，则第二开关元件的漏极电压(Vds)阻断能力在50V(最小3.0V-10V)的范围中，由此减小第二开关元件1104、1204的几何形状(geometry)、接通电阻(Rds_ON)和成本。

正和负开关电路1100、1200的每个的串联电路的第一开关元件1102、1202是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。类似地，正和负开关电路1100、1200的每个的串联电路的第二开关元件1104、1204是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。在第二开关元件1104、1204不具有体二极管的情况下，其是氮化镓GaN型的金属绝缘体半导体场效应晶体管MISFET、或高电子迁移率晶体管HEMT。

为了减小控制电路的复杂度，对称地配置正和负开关电路1100、1200的每个的第一和第二开关元件1102和1104、1202和1204。将第一和第二开关元件1102和1104、1202和1204的栅极互连。

在这个方面，同一控制信号同时激活和禁用正和负开关电路1100、1200的每个的第一和第二开关元件1102和1104、1202和1204。

正和负开关电路1100、1200的每个的旁路二极管1106、1206是快速恢复硅Si二极管、或SiC肖特基二极管。

现在更详细地参考第一实施例的NPC转换器1000的结构、特别是中性开关电路1300的结构：

将NPC转换器1000的正开关电路1100连接在正输入端1004与第一中间节点N1010之间，用于将在正输入端1004提供的正电压电平提供至第一中间节点N1010。

类似地，将NPC转换器1000的负开关电路1200连接在负输入端1006与第二中间节点N1012之间，用于将在负输入端1006提供的负电压电平提供至第二中间节点N1012。

中性开关电路1300中包括连接在中性输入端1008与第一中间节点N1010之间的第一中性二极管1302，用于将中性电压电平提供至第一中间节点。

中性开关电路1300的第一中性二极管1302防止由正开关电路1100提供至第一中间节点N1010的正电压电平流向中性输入端1008。在这个方面，第一中性二极管1302具有连接至中性输入端1008的阳极和连接至第一中间节点N1010的阴极。

中性开关电路1300中还包括连接在中性输入端1008与第二中间节点N1012之间的第二中性二极管1304，用于将中性电压电平提供至第二中间节点。

中性开关电路1300的第二中性二极管1304防止由负开关电路1200提供至第二中间节点N1012的负电压电平流向中性输入端1008。在这个方面，第二中性二极管1304具有连接至中性输入端1008的阴极和连接至第二中间节点N1012的阳极。

中性开关电路1300中还包括连接在第一中间节点N1010与输出端1002之间的第三开关元件1306，用于将分别由第一中性二极管1302和正开关电路1100提供的中性电压电平和正电压电平提供至输出端1002。

中性开关电路1300中还包括连接在第二中间节点N1012与输出端1002之间的第四开关元件1308，用于将分别由第二中性二极管1304和负开关电路1200提供的中性电压电平和负电压电平提供至输出端1002。

因此，中性开关电路1300提供两个不同路径，用于将在中性输入端1008提供的中性电压电平提供至输出端1002。首先，在输出端1002被正预充电的情况下，第二中性二极管1304和第四开关元件1308将中性电压电平提供至输出端1002。其次，在输出端1002被负预充电的情况下，第一中性二极管1302和第三开关元件1306将中性电压电平提供至输出端1002。

现在更详细地参考第一实施例的NPC转换器1000的操作：

NPC转换器1000的操作可构造为提供有功功率(real power)的操作、以及提供无功功率的操作。在本发明的上下文中，术语“有功功率”是指NPC转换器的提供对应于(即，匹配)电流的方向性的电压的极性的操作。类似地，术语“无功功率”是指NPC转换器的提供不对应于(即与其相反)电流的方向性的电压的极性的操作。

在有功功率时，如下提供正半波：首先，控制中性开关电路1300的第三开关元件1306处于接通状态中。然后，控制正开关电路1100的串联电路的第一和第二开关元件1102、1104处于接通状态中。

因此，对应于正输入端1004与输出端1002中间的电压极性的电流作为漏极电流流过第一、第二和第三开关元件1102、1104、1306。

有利地，第一、第二和第三开关元件1102、1104和1306的每个具有例如在10-100mΩ的范围中的低接通电阻(Rds_ON)。由此，减小了NPC转换器的传导损耗，并提高了效率。开关元件的接通电阻显著低于二极管的阈值电压(Vth)。

此后，控制正开关电路1100的串联电路的第一和第二开关元件1102、1104处于关断(OFF)状态中。同时，控制中性开关电路1300的第三开关元件1306保持接通状态。

因此，试图抵抗电流大小的突然改变的续流电流被感应出，并且该续流电流从中性输入端1008经由中性开关电路1300的第一中性二极管1302和第三开关元件1306流至输出端1002。例如，由输出端1002处的电感感应出续流电流。

在有功功率时，随后如下提供负半波：首先，控制中性开关电路1300的第四开关元件1308处于接通状态中。然后，控制负开关电路1200的串联电路的第一和第二开关元件1202、1204处于接通状态中。

从而，对应于负输入端1006与输出端1002中间的电压极性的电流作为漏极电流流过第一、第二和第四开关元件1102、1104、1308。

有利地，第一、第二和第四开关元件1102、1104、1308的每个具有例如在10-100mΩ的范围中的低接通电阻(Rds_ON)。由此，减小了NPC转换器的传导损耗，并提高了效率。开关元件的接通电阻显著低于二极管的阈值电压(Vth)。

此后，控制负开关电路1200的串联电路的第一和第二开关元件1202、1204处于关断状态中。同时，控制中性开关电路1300的第四开关元件1308保持接通状态。

因此，试图抵抗电流大小的突然改变的续流电流被感应出，并且该续流电流从中性输入端1008经由中性开关电路1300的第二中性二极管1304和第四开关元件1308流至输出端1002。例如，由输出端1002处的电感感应出续流电流。

在无功功率时，如下提供正半波：控制负开关电路的第一和第二开关元件1202、1204在负半波的整个持续时间内为关断。

简言之，在无功功率的正半波期间，第四开关元件1308被斩波(chop)，并且经由正开关电路的第一和第二开关元件1102和1104提供续流路径。因此，第一和第二开关元件1102和1104的接通需要与第三开关元件1306的关断同步。

为了减小传导损失，提供正开关电路的旁路二极管1106，用于在第四开关元件1308的关断与正开关电路的第一和第二开关元件1102和1104的接通之间的死期(death)时间中传导续流电流。

更详细地，首先控制中性开关电路1300的第四开关元件1308处于接通状态中。控制中性开关电路1300的第三开关元件1306在正半波的持续时间内处于接通状态中，以便为输出电流提供续流路径。

假设输出端1002具有正电压电平；电流从输出端1002经由中性开关电路1300的第四开关元件1308和第二中性二极管1304流至中性输入端1008。因此，输出端1002处的电感可以存储能量。

因为第一中性二极管1302关于输出端1002处的正电压反向偏置，所以控制负开关电路1200以防止电流流向负输入端1006，并且，还控制正开关电路1100以防止电流流向正输入端1004，电流仅可以流入中性输入端1008中。

可以假设在正输入端1004提供的正电压电平高于输出端1002处的正电压，由此导致旁路二极管1106的阻断。

然后，控制中性开关电路1300的第四开关元件1308处于关断状态中，并且随后，控制正开关电路1100的串联电路的第一和第二开关元件1102和1104处于接通状态中。

随后，试图抵抗电流大小的突然改变的续流电流被感应出，并且该续流电流从输出端1002经由中性开关电路1300的第三开关元件1306、正开关电路1100的第二和第一开关元件1104、1102流至正输入端1004。例如，由输出端1002处的电感感应出续流电流。

有利地，第一、第二和第三开关元件1102、1104、1306的每个具有低接通电阻(Rds_ON)。第二开关元件1104、1204通常具有第一、第三和第四开关元件1102、1202、1306、1308、2306、2308的接通电阻(Rds_ON)的1/50-1/10，例如，与第一、第三和第四开关元件1102、1202、1306、1308、2306、2308的10-100mΩ相比，在1-5mΩ的范围中。特别地，第一和第二开关元件1102、1104的接通电阻一起显著低于正开关电路1100的旁路二极管1106的阈值电压(Vth)。

因此，续流电流流经第二和第一开关元件1104、1102、而不流经旁路二极管1106，由此减小了NPC转换器1000内无功功率时的续流电流的传导损耗。

总之，NPC转换器1000将在正输入端1004提供的正电压提供至输出端1002，并产生电流从输出端1002流向正输入端1004，使得电压的极性与电流的方向性相反。

根据输出端1002处的电感的尺寸以及要由NPC转换器1000提供的无功功率的量，重复上述接通第四开关元件1308、然后关断第四开关元件1308且接通第一和第二开关元件1102、1104的步骤。此机制可以称为斩波(chopping)。

值得注意的是，在控制中性开关电路1300的第四开关元件1308处于接通状态中之前，控制正开关电路1100的第一和第二开关元件1102、1104处于关断状态中。在这两个控制操作中间，续流电流不再流过第一和第二开关元件1102、1104，而是流过正开关电路1100的旁路二极管1106。

因此，第一和第二开关元件1102、1104不经受反向恢复效应；完全由正开关电路1100的旁路二极管1106经历无功功率时的反向恢复电流。然而，正开关电路1100的旁路二极管1106尤其被配置用于快速开关速度，由此减小了NPC转换器内无功功率时的反向恢复损耗。

因此，正开关电路1100中包括的反向旁路二极管1106与第一和第二开关元件1102、1104的串联电路的并联电路使得可以减小NPC转换器内无功功率时的开关损耗。

在无功功率时，如下提供负半波：控制正开关电路1100的第一和第二开关元件1102、1104在负半波期间为关断。

简言之，在无功功率的负半波期间，第三开关元件1306被斩波，并且经由负开关电路的第一和第二开关元件1202和1204提供续流路径。因此，第一和第二开关元件1202和1204的接通需要与第三开关元件1306的关断同步。

为了减小传导损耗，提供负开关电路的旁路二极管1206，用于在第三开关元件1306的关断与负开关电路的第一和第二开关元件1202和1204的接通之间的死期时间中传导续流电流。

更详细地，首先控制中性开关电路1300的第三开关元件1306处于接通状态中。控制中性开关电路1300的第四开关元件1308在负半波的持续时间内处于接通状态中，以便为输出电流提供续流路径。

假设输出端1002具有负电压；电流从中性输入端1008经由中性开关电路1300的第一中性二极管1302和第三开关元件1306流至输出端1002。因此，输出端1002处的电感可以存储能量。

因为第二中性二极管1304关于输出端1002处的负电压反向偏置，所以控制正开关电路1100以防止电流流向正输入端1004，并且，还控制负开关电路1200以防止电流流向负输入端1006，电流仅可以流入中性输入端1008中。

可以假设在负输入端1006提供的负电压电平低于输出端1002处的负电压，由此导致旁路二极管1206的阻断。

然后，控制中性开关电路1300的第三开关元件1306处于关断状态中，并且随后，控制负开关电路1200的串联电路的第一和第二开关元件1202和1204处于接通状态中。

随后，试图抵抗电流大小的突然改变的续流电流被感应出，并且该续流电流从负输入端1006经由负开关电路1200的第二和第一开关元件1204、1202、中性开关电路1300的第四开关元件1308流至输出端1002。例如，由输出端1002处的电感感应出续流电流。

有利地，第一、第二和第四开关元件1202、1204、1308的每个具有例如在10-50mΩ的范围中的低接通电阻(Rds_ON)。特别地，第一和第二开关元件1202、1204的接通电阻一起显著低于负开关电路1200的旁路二极管1206的阈值电压(Vth)。

因此，续流电流流经第二和第一开关元件1204、1202、而不流经旁路二极管1206，由此减小NPC转换器1000内无功功率时的续流电流的传导损耗。

总之，NPC转换器1000将在负输入端1006提供的负电压提供至输出端1002，并产生电流从负输入端1006流向输出端1002，使得电压的极性与电流的方向性相反。

根据输出端1002处的电感的尺寸以及要由NPC转换器1000提供的无功功率的量，重复上述接通第三开关元件1306、然后关断第三开关元件1306且接通第一和第二开关元件1202、1204的步骤。此机制可以称为斩波。

值得注意的是，在控制中性开关电路1300的第三开关元件1306处于接通状态中之前，控制负开关电路1200的第一和第二开关元件1202、1204处于关断状态中。在这两个控制操作中间，续流电流不再流过第一和第二开关元件1202、1204，而是流过负开关电路1200的旁路二极管1206。

因此，第一和第二开关元件1202、1204不经受反向恢复效应，并且完全由负开关电路1200的旁路二极管1206经历无功功率时的反向恢复电流。然而，负开关电路1200的旁路二极管1206尤其被配置用于快速开关速度，由此减小NPC转换器内无功功率时的反向恢复损耗。

因此，负开关电路1200中包括的反向旁路二极管1206与第一和第二开关元件1202、1204的串联电路的并联电路使得可以减小NPC转换器内无功功率时的开关损耗。

以上描述重复地涉及NPC转换器1000的输出端1002处的电感。然而，应指出，此电感并非本发明所必须的。此外，该描述仅强调了NPC转换器1000被操作为在输出端1002处具有电感的电源模块的一部分的情况下的益处。

现在参考图2；示出了根据本发明的第二实施例的中性点钳位NPC转换器2000的示意性电路图。第二实施例的NPC转换器2000基于图1的NPC转换器1000，其中对应部分被赋予对应的标号和术语。为了简洁起见，已经省略了对应部分的详细描述。

NPC转换器2000用于在电源模块中使用，并包括正开关电路1100、负开关电路1200和中性开关电路2300。

NPC转换器2000的正开关电路1100对应于第一实施例的正开关电路1100，并且也被配置为向NPC转换器的输出端2002提供在正输入端2004提供的正电压电平。类似地，NPC转换器2000的负开关电路1200对应于第一实施例的负开关电路1200，并且也被配置为向输出端2002提供在负输入端2006提供的负电压电平。

此外，中性开关电路2300被配置为向NPC转换器的输出端2002提供在中性输入端2008提供的中性电压电平。特别地，中性开关电路2300被配置为无论正还是负电压电平被预先提供至输出端2002都提供中性电压电平。

而且，在NPC转换器2000中，提供正和负开关电路1100、1200的每个的第二开关元件1104、1204以阻止反向漏极电流(即，无功功率时的续流电流)在相应的正和负开关电路1100、1200的串联电路内流动。

类似地，也在NPC转换器2000中，正和负开关电路1100、1200的每个的旁路二极管1106、1206可以承载在无功功率时的续流电流，相应的正和负开关电路1100、1200的第二开关元件1104、1204可以防止所述续流电流流过第一开关元件1102、1202的体二极管。

值得注意的是，NPC转换器2000的中性开关电路2300不同于第一实施例的中性开关电路，这将根据以下对第二实施例的NPC转换器2000的结构的描述而变得明显。

NPC转换器2000的正开关电路1100连接在正输入端2004与输出端2002之间，用于将在正输入端2004提供的正电压电平提供至输出端2002。

类似地，NPC转换器2000的负开关电路1200连接在负输入端2006与输出端2002之间，用于将在负输入端2006提供的负电压电平提供至输出端2002。

中性开关电路2300中包括由第一中性二极管2302和第三开关元件2306形成的第一串联电路，该第一串联电路连接在中性输入端2008与输出端2002之间，用于在负预充电的输出端2002的情况下将中性电压电平提供至输出端2002。

中性开关电路2300中还包括由第二中性二极管2304和第四开关元件2308形成的第二串联电路，该第二串联电路连接在中性输入端2008与输出端2002之间，用于在正预充电的输出端2002的情况下将中性电压电平提供至输出端2002。

因此，中性开关电路2300提供两个不同路径，用于将在中性输入端2008提供的中性电压电平提供至输出端2002。首先，在输出端2002被正预充电的情况下，第二中性二极管2304和第四开关元件2308将中性电压电平提供至输出端2002。其次，在输出端2002被负预充电的情况下，第一中性二极管2302和第三开关元件2306将中性电压电平提供至输出端2002。

有利地，因为正和负开关电路1100、1200直接连接在相应的正和负输入端2004、2006与输出端2002之间，所以相对于第一实施例进一步减小了NPC转换器2000的传导损耗。

具体地，在NPC转换器2000中，正和负开关电路1100、1200的仅两个开关元件(而非三个开关元件)将相应的正和负电压电平提供至输出端2002，使得NPC转换器2000的总体效率提高。

然而，同时，NPC转换器2000的正和负开关电路1100、1200的组件必须承受比第一实施例中更高的DC电压。例如，在NPC转换器2000在相应的正和负输入端2004、2006被提供+600伏特的正电压电平和-600伏特的负电压电平的情况下，正和负开关电路1100、1200在提供相应的负和正半波期间经受+/-1200伏特。

特别地，在NPC转换器2000中，正和负开关电路1100、1200的第一开关元件1102、1202必须承受全部DC电压，例如，为+/-1200伏特。类似地，正和负开关电路1100、1200的旁路二极管1106、1206也必须承受全部DC电压，例如，为+/-1200伏特。

在这个方面，在NPC转换器2000中，第一开关元件1102、1202和旁路二极管1106、1206相对于NPC转换器2000的其它组件需要不同的额定电压，这不是第一实施例的NPC转换器的组件的情况。

第二实施例的NPC转换器2000的操作对应于第一实施例的NPC转换器的操作，具体地：以与第一实施例的相应的第三和第四开关元件1302、1304相同的方式控制中性开关电路2300的第三和第四开关元件2302、2304，其中唯一区别在于：在无功功率期间，中性开关电路2300的第三/第四开关元件2306/2308不被控制为分别在正/负半波的持续时间内处于接通状态中。

总之，由于第二实施例的NPC转换器2000与第一实施例的NPC转换器在结构和操作上的相似性，相同NPC转换器2000实现关于第一实施例指出的优点，特别是减小传导损耗、以及无功功率时由反向恢复效应引起的开关损耗。

Claims (13)

1.一种用于在电源模块中使用的中性点钳位NPC转换器，包括：

正和负开关电路，被配置为向输出端分别提供在正和负输入端提供的正和负电压电平；以及

中性开关电路，被配置为向所述输出端提供在中性输入端提供的中性电压电平；

其中，所述正和负开关电路的每个包括用于控制所述正和负电压电平向所述输出端的提供的两个开关元件的串联电路与反向偏置的旁路二极管的并联电路；

其中，所述正和负开关电路中包括的所述串联电路的每个由具有体二极管的第一开关元件以及用于同步整流的第二开关元件形成；

其中，对于同步整流，所述正和负开关电路中包括的第二开关元件被配置为阻止反向漏极电流(Ids)流过相应的正和负开关电路中包括的第一开关元件的体二极管。

2.如权利要求1所述的NPC转换器，其中，所述正和负开关电路中包括的第二开关元件具有体二极管，并且所述第二开关元件的体二极管相对于相应的正和负开关电路中包括的第一开关元件的体二极管具有相反方向。

3.如权利要求1或2所述的NPC转换器，其中，所述正和负开关电路中包括的第二开关元件具有比相应的正和负开关电路中包括的旁路二极管的阈值电压(Vth)更高的漏极电压(Vds)阻断能力。

4.如权利要求1所述的NPC转换器，其中，所述正和负开关电路中包括的第一开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

5.如权利要求1所述的NPC转换器，其中，所述正和负开关电路中包括的第二开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、GaN型MISFET、或GaN型HEMT。

6.如权利要求1所述的NPC转换器，其中，所述正和负开关电路中包括的第一和第二开关元件的栅极被连接。

7.如权利要求1所述的NPC转换器，其中，所述正和负开关电路的每个的旁路二极管被配置用于快速开关速度。

8.如权利要求1所述的NPC转换器，其中，所述正和负开关电路中包括的旁路二极管是SiC肖特基二极管。

9.如权利要求1所述的NPC转换器，其中，

所述正开关电路连接在所述正输入端与第一中间节点之间，用于将所述正电压电平提供至所述第一中间节点；以及

所述负开关电路连接在所述负输入端与第二中间节点之间，用于将所述负电压电平提供至所述第二中间节点；以及

其中，所述中性开关电路包括：

-第一中性二极管，连接在所述中性输入端与所述第一中间节点之间，用于将所述中性电压电平提供至所述第一中间节点；

-第二中性二极管，连接在所述中性输入端与所述第二中间节点之间，用于将所述中性电压电平提供至所述第二中间节点；

-第三开关元件，连接在所述第一中间节点与所述输出端之间，用于将所述中性电压电平和所述正电压电平提供至所述输出端；以及

-第四开关元件，连接在所述第一中间节点与所述输出端之间，用于将所述中性电压电平和所述负电压电平提供至所述输出端。

10.如权利要求1所述的NPC转换器，其中，

所述正开关电路连接在所述正输入端与所述输出端之间，用于将所述正电压电平提供至所述输出端；以及

所述负开关电路连接在所述负输入端与所述输出端之间，用于将所述负电压电平提供至所述输出端；以及

其中，所述中性开关电路包括：

-由第一中性二极管和第三开关元件形成的第一串联电路，所述第一串联电路连接在所述中性输入端与所述输出端之间，用于在负预充电的输出端的情况下将所述中性电压电平提供至所述输出端；以及

-由第二中性二极管和第四开关元件形成的第二串联电路，所述第二串联电路连接在所述中性输入端与所述输出端之间，用于在正预充电的输出端的情况下将所述中性电压电平提供至所述输出端。

11.如权利要求9或10之一所述的NPC转换器，其中，

所述中性开关电路的第一中性二极管和第三开关元件被配置为在所述输出端已经被预先提供了负电压电平的情况下，将所述中性电压电平提供至所述输出端；以及

所述中性开关电路的第二中性二极管和第四开关元件被配置为在所述输出端已经被预先提供了正电压电平的情况下，将所述中性电压电平提供至所述输出端。

12.一种电源模块，包括如权利要求1所述的NPC转换器。

13.如权利要求12所述的电源模块，其中，所述NPC转换器的输出端(1002)连接电感器。