CN105553318B - 一种等效晶体管和三电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本公开是关于一种等效晶体管和三电平逆变器，属于电力电子技术领域。所述等效晶体管包括第一晶体管、第二晶体管和二极管，其中：所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的源极电性连接，所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管的栅极电性连接，所述二极管的一端与所述第一晶体管的漏极电性连接，所述二极管的另一端与所述第二晶体管的漏极电性连接。采用本公开，可以减少反向恢复时间，提高等效晶体管的开关速度。

Description

一种等效晶体管和三电平逆变器
技术领域
本公开是关于电力电子技术领域，尤其是关于一种等效晶体管和三电平逆变器。
背景技术
随着电子技术的飞速发展，晶体管得到了越来越广泛的运用。
有些晶体管本身自带有寄生二极管，当晶体管两端加载的电压过高时，二极管一般先被反向电压击穿，然后过大的电流会流经二极管所在支路，不流经晶体管所在支路，从而可以避免晶体管被高电压击穿。
在实现本公开的过程中，发明人发现至少存在以下问题：
因为晶体管的寄生二极管的反向恢复特性一般较差，其中，反向恢复是指，二极管在导通状态下会蓄积一定量的电荷，当二极管截止时，二极管会释放蓄积的电荷，形成一定时间的电流，直到电荷释放完毕。反向恢复特性较差是指电荷释放的时间较长。在晶体管开关电路中，当晶体管由导通状态进入截止状态时，寄生二极管需要较长时间来释放存储的电荷，寄生二极管上正向电流不能快速消失，在较长时间后才能进入完全截止电流的状态，从而导致晶体管的开关速度较低。
发明内容
为了克服相关技术中存在的问题，本公开提供了一种等效晶体管和三电平逆变器。所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种等效晶体管，所述等效晶体管包括第一晶体管、第二晶体管和二极管，其中：
所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的源极电性连接；
所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管的栅极电性连接；
所述二极管的一端与所述第一晶体管的漏极电性连接，所述二极管的另一端与所述第二晶体管的漏极电性连接。
结合第一方面，在该第一方面的第一种可能实现方式中，所述第一晶体管和所述第二晶体管为MOSFET。
这样，由于MOSFET的高频性能较好，等效晶体管的高频性能较好。
结合第一方面，在该第一方面的第二种可能实现方式中，所述二极管为快恢复二极管。
这样，可以有效减少等效晶体管的反向恢复时间。
结合第一方面，在该第一方面的第三种可能实现方式中，所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管的栅极的连接端为所述等效晶体管的等效栅极；
所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的源极的连接端用于连接低电势端。
这样，可以通过改变加载在源极和栅极之间的电压实现对等效晶体管的控制。
第二方面，提供了一种三电平逆变器，所述三电平逆变器为I型三电平逆变器，所述三电平逆变器的外管为第一方面所述的等效晶体管。
结合第二方面，在该第二方面的第一种可能实现方式中，所述三电平逆变器的内管为MOSFET。
这样，由于MOSFET的高频性能较好，三电平逆变器的高频性能较好。
结合第二方面，在该第二方面的第二种可能实现方式中，所述三电平逆变器包括第一外管、第二外管、第一内管和第二内管，第一外管、第一内管、第二内管、第二外管依次串联接入电路；
所述第一外管与所述第二内管互补导通，所述第一内管与所述第二外管互补导通。
第三方面，提供了一种三电平逆变器，所述三电平逆变器包括两个直流电源，四个工频整流管和两个如权利要求1-4任一项所述的等效晶体管，两个直流电源分别为第一直流电源、第二直流电源，四个工频整流管分别为第一工频整流管、第二工频整流管、第三工频整流管、第四工频整流管，两个等效晶体管分别为第一等效晶体管、第二等效晶体管，其中：
所述第一工频整流管的第一端与所述第一直流电源的第一端电性连接，所述第一工频整流管的第二端与所述第二工频整流管的第一端电性连接，所述第二工频整流管的第二端与所述第一直流电源的第二端电性连接，所述第三工频整流管的第一端与所述第二直流电源的第一端电性连接，所述第三工频整流管的第二端与所述第四工频整流管的第一端电性连接，所述第四工频整流管的第二端与所述第二直流电源的第二端电性连接；
所述第二工频整流管的第二端、所述第一直流电源的第二端、所述第三工频整流管的第一端以及所述第二直流电源的第一端电性连接并接地；
所述第一等效晶体管的第二端和所述第二等效晶体管的第一端电性连接，所述第一等效晶体管的第一端、所述第一工频整流管的第二端与所述第二工频整流管的第一端电性连接，所述第二等效晶体管的第二端、所述第三工频整流管的第二端与所述第四工频整流管的第一端电性连接；
所述第一等效晶体管和所述第二等效晶体管的连接端为所述三电平逆变器的输出端。
结合第三方面，在该第三方面的第一种可能实现方式中，所述四个工频整流管均为IGBT。
这样，由于IGBT可以承受较高电压，三电平逆变器也可承受较高电压。
结合第三方面，在该第三方面的第二种可能实现方式中，基于所述第一工频整流管、第二工频整流管、第三工频整流管和第四工频整流管的控制信号，在所述三电平逆变器的输出正半周，所述第一工频整流管和所述第三工频整流管导通，所述第二工频整流管和所述第四工频整流管截止，在所述三电平逆变器的输出负半周，所述第一工频整流管和所述第三工频整流管截止，所述第二工频整流管和所述第四工频整流管导通；
基于所述第一等效晶体管和所述第二等效晶体管的控制信号，所述第一等效晶体管和所述第二等效晶体管互补导通，且互补导通的切换周期小于所述三电平逆变器的输出周期。
结合第三方面，在该第三方面的第三种可能实现方式中，所述三电平逆变器还包括至少一个等效晶体管组，其中，每个所述等效晶体管组包括两个串联的等效晶体管，两个等效晶体管串联形成的支路与所述第一等效晶体管、所述第二等效晶体管的支路并联，且每个所述等效晶体管组中两个等效晶体管的连接端均为所述三电平逆变器的输出端。
这样，多个等效晶体管组交错耦合并联，可以提高三电平逆变器的开关频率。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本公开实施例中，等效晶体管包括第一晶体管、第二晶体管和二极管，其中：第一晶体管的源极与第二晶体管的源极电性连接；第一晶体管的栅极与第二晶体管的栅极电性连接；二极管的一端与第一晶体管的漏极电性连接，二极管的另一端与第二晶体管的漏极电性连接。这样，其中的二极管为独立的二极管，可以采用反向恢复特性较好的二极管，基于此等效晶体管的结构，电流无法流经第一晶体管和第二晶体管的寄生二极管，而是流经反向恢复特性较好的二极管，可以减少反向恢复时间，从而可以提高等效晶体管的开关速度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中：
图1是根据一示例性实施例示出的一种等效晶体管的结构示意图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种I型三电平逆变器的电路示意图；
图3是根据一示例性实施例示出的一种I型三电平逆变器的电路示意图；
图4是根据一示例性实施例示出的一种控制信号的示意图；
图5是根据一示例性实施例示出的一种工作状态下电流流向的示意图；
图6是根据一示例性实施例示出的一种工作状态下电流流向的示意图；
图7是根据一示例性实施例示出的一种工作状态下电流流向的示意图；
图8是根据一示例性实施例示出的一种工作状态下电流流向的示意图；
图9是根据一示例性实施例示出的一种三电平逆变器的电路示意图；
图10是根据一示例性实施例示出的一种控制信号的示意图；
图11是根据一示例性实施例示出的一种工作状态下电流流向的示意图；
图12是根据一示例性实施例示出的一种工作状态下电流流向的示意图；
图13是根据一示例性实施例示出的一种工作状态下电流流向的示意图；
图14是根据一示例性实施例示出的一种工作状态下电流流向的示意图；
图15是根据一示例性实施例示出的一种三电平逆变器的电路示意图。
通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。
图例说明
T101、T102 晶体管 D101 二极管
C201、C202 直流电源 D201、D202 钳位二极管
Q201’、Q204’、Q202、Q203 晶体管 Q201、Q204 等效晶体管
C301、C302 直流电源 Q305、Q306 等效晶体管
Q301、Q302、Q303、Q304 工频整流管 G 等效晶体管组
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本公开实施例提供了一种等效晶体管，如图1所示，所述等效晶体管包括第一晶体管T101、第二晶体管T102和二极管D101，其中：
第一晶体管T101的源极与第二晶体管T102的源极电性连接；第一晶体管T101的栅极与第二晶体管T102的栅极电性连接；第一晶体管T101的源极与第二晶体管T102的源极电性连接；二极管D101的一端与第一晶体管T101的漏极电性连接，二极管D101的另一端与第二晶体管T102的漏极电性连接。
在实施中，等效晶体管包括第一晶体管T101、第二晶体管T102和二极管D101三个固体半导体器件，其作用可以等效为一个晶体管，其中，第一晶体管T101的栅极和第二晶体管T102的栅极相连，第一晶体管T101的源极与第二晶体管T102的源极相连，二极管D101与相连的两个晶体管并联，即二极管D101的一端与第一晶体管T101的漏极相连，另一端与第二晶体管T102的漏极相连，等效晶体管引出4个引脚，分别连接两个晶体管的两个漏极端、一个公共源极端和一个公共栅极端，可以看做一个单独的开关器件。
可选的，第一晶体管T101和第二晶体管T102为MOSFET(MetalOxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属氧化层半导体场效晶体管)。
可选的，二极管D101为快恢复二极管。
其中，快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间短的特点的半导体二极管，一般反向恢复时间小于100ns的二极管可以认为是快恢复二极管。
可选的，第一晶体管T101的栅极与第二晶体管T102的栅极的连接端为等效晶体管的等效栅极，第一晶体管T101的源极与第二晶体管T102的源极的连接端用于连接低电势端。
在实施中，第一晶体管T101的栅极与第二晶体管T102的栅极的连接端为等效晶体管的等效栅极，第一晶体管T101的源极与所第二晶体管T102的源极的连接端为等效晶体管的等效源极，用于连接低电势端。当等效晶体管的等效源极与等效栅极间电压差大于或等于一定阈值时，第一晶体管T101与第二晶体管T102的漏极与源极间均导通，相当于等效晶体管导通；当晶体管的源极与栅极间电压差小于一定阈值时，第一晶体管T101与第二晶体管T102的漏极与源极间截止，相当于等效晶体管截止。
本实施例还提供了一种三电平逆变器，如图2所示，其中，三电平逆变器为I型三电平逆变器，三电平逆变器的外管Q201、Q204为上述的等效晶体管。
其中，I型三电平逆变器为4个开关元件在电路结构中成I字型排列连接的一种三电平逆变器。
在实施中，三电平逆变器是一种可以将直流电转换为交流电的，并能在输出端提供三种电位的器件，I型三电平逆变器传统的电路结构如图3所示，其中，电容C201、C202为直流源，提供(-U/2～+U/2)的直流电压，晶体管Q201’、Q202、Q203、Q204’为MOSFET等高频开关元件，串联在直流源正负极间，钳位二极管D201、D202反并联于上下桥臂的中间。工作时外管Q201’和内管Q203互补导通、内管Q202和外管Q204’互补导通，控制信号如图4所示，三电平逆变器输出交流电的正半周Q201’、Q203互补导通，并具有死区时间，Q202持续导通，Q204’持续关断；负半周Q202、Q204’互补导通，并具有死区时间，Q203持续导通，Q201’持续关断。其中，图5为正半周Q201’、Q202导通时的电流示意图，电流方向为由C201至Q201’再至Q202；图6为正半周Q203、Q202导通时的电流示意图，电流方向为由接地端至D201再至Q202，或为由Q203至D202再至接地端；图7为负半周Q202、Q203导通时的电流示意图，电流方向为由接地端至D201再至Q202，或为由Q203至D202再至接地端；图8为负半周Q203、Q204’导通时的电流示意图，电流方向为由Q203至Q204’再至C202。
本方案中将外管Q201’和Q204’替换为上述等效晶体管Q201和Q204，其余部分与现有技术保持不变，这样，在不需要改变4个开关元件的控制信号的前提下，有效的避免了原外管Q201’、Q204’的寄生二极管的反向恢复性能差的问题。
可选的，上述三电平逆变器的内管Q202和Q203为MOSFET。
本实施例还提供了一种三电平逆变器，如图9所示，三电平逆变器包括两个直流电源，四个工频整流管和两个上述的等效晶体管，两个直流电源分别为第一直流电源C301、第二直流电源C302，四个工频整流管分别为第一工频整流管Q301、第二工频整流管Q302、第三工频整流管Q303、第四工频整流管Q304，两个等效晶体管分别为第一等效晶体管Q305、第二等效晶体管Q306，其中：
第一工频整流管Q301的第一端与第一直流电源C301的第一端电性连接，第一工频整流管Q301的第二端与第二工频整流管Q302的第一端电性连接，第二工频整流管Q302的第二端与第一直流电源C301的第二端电性连接，第三工频整流管Q303的第一端与第二直流电源C302的第一端电性连接，第三工频整流管Q303的第二端与第四工频整流管Q304的第一端电性连接，第四工频整流管Q304的第二端与第二直流电源C302的第二端电性连接；第二工频整流管Q302的第二端、第一直流电源C301的第二端、第三工频整流管Q303的第一端以及第二直流电源C302的第一端电性连接并接地；第一等效晶体管Q305的第二端和第二等效晶体管Q306的第一端电性连接，第一等效晶体管Q305的第一端、第一工频整流管Q301的第二端与第二工频整流管Q302的第一端电性连接，第二等效晶体管Q306的第二端、第三工频整流管Q303的第二端与第四工频整流管Q304的第一端电性连接；第一等效晶体管Q305和第二等效晶体管Q306的连接端为三电平逆变器的输出端。
其中，工频整流管是可以将方向交替变化的交流电变换成单一方向的直流电的晶体管。
在实施中，电容C301、C302为直流源，提供(-U/2～+U/2)的直流电压，晶体管Q301、Q302、Q303、Q304为工频整流管，串联接入直流电源正负级之间，Q302、Q303管之间为0电势位，等效晶体管Q305、Q306串联，且串联的支路与Q302、Q303并联。Q305、Q306的连接端为三电平逆变器的输出端。
可选的，四个工频整流管均为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。
可选的，基于第一工频整流管Q301、第二工频整流管Q302、第三工频整流管Q303和第四工频整流管Q304的控制信号，在三电平逆变器的输出正半周，第一工频整流管Q301和第三工频整流管Q303导通，第二工频整流管Q302和第四工频整流管Q304截止，在三电平逆变器的输出负半周，第一工频整流管Q301和第三工频整流管Q303截止，第二工频整流管Q302和第四工频整流管Q304导通；基于第一等效晶体管Q305和第二等效晶体管Q306的控制信号，第一等效晶体管Q305和第二等效晶体管Q306互补导通，且互补导通的切换周期小于三电平逆变器的输出周期。
其中，输出正半周和输出负半周为三电平逆变器输出的交流电的正半周和负半周。切换周期是Q305或Q306经历导通、截止再导通所需的时间，且切换周期长度按正弦特性不断变化。输出周期为三电平逆变器输出的交流电的变化周期。
在实施中，上述三电平逆变器工作时，在输出正半周，Q301与Q303导通，Q302与Q304截止，在输出负半周，Q302与Q304导通，Q301与Q303截止，而对于输出正半周和输出负半周，Q305和Q306均为互补导通，且具有死区时间，具体的控制信号如图10所示。其中，图11为正半周Q301、Q305导通时的电流示意图，电流方向为由C301至Q301再至Q305；图12为正半周Q303、Q306导通时的电流示意图，电流方向为由接地端至Q303再至Q306，或为由Q306至Q303再至接地端；图13为负半周Q302、Q305导通时的电流示意图，电流方向为由接地端至Q302再至Q305，或为由Q305至Q302再至接地端；图14为负半周Q304、Q306导通时的电流示意图，电流方向为由Q306至Q304再至C 302。
可选的，三电平逆变器还包括至少一个等效晶体管组G，其中，每个等效晶体管组G包括两个串联的等效晶体管，两个等效晶体管串联形成的支路与第一等效晶体管Q305、第二等效晶体管Q306的支路并联，且每个等效晶体管组中两个等效晶体管的连接端均为三电平逆变器的输出端。
在实施中，上述三电平逆变器的电路结构中还可以包括至少一个等效晶体管组G，如图15所示，其中，每个等效晶体管组G包括两个串联的等效晶体管，两个等效晶体管串联形成的支路与第一等效晶体管Q305、第二等效晶体管Q306的支路并联，且每个等效晶体管组中两个等效晶体管的连接端均为三电平逆变器的输出端。容易理解的是，Q305和Q306即为一个等效晶体管组G，且所有的等效晶体管组的控制信号除相位不同外的其它参数均可相同。另外，每个输出端可与LC滤波器相连，输出电压经滤波后交错耦合可形成更高频率的交流电。
本公开实施例中，等效晶体管包括第一晶体管、第二晶体管和二极管，其中：第一晶体管的源极与第二晶体管的源极电性连接；第一晶体管的栅极与第二晶体管的栅极电性连接；二极管的一端与第一晶体管的漏极电性连接，二极管的另一端与第二晶体管的漏极电性连接。这样，其中的二极管为独立的二极管，可以采用反向恢复特性较好的二极管，基于此等效晶体管的结构，电流无法流经第一晶体管和第二晶体管的寄生二极管，而是流经反向恢复特性较好的二极管，可以减少反向恢复时间，从而可以提高等效晶体管的开关速度。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种三电平逆变器，其特征在于，所述三电平逆变器包括两个直流电源，四个工频整流管和两个等效晶体管，两个直流电源分别为第一直流电源、第二直流电源，四个工频整流管分别为第一工频整流管、第二工频整流管、第三工频整流管、第四工频整流管，两个等效晶体管分别为第一等效晶体管、第二等效晶体管，所述等效晶体管包括第一晶体管、第二晶体管和二极管，所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的源极电性连接，所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管的栅极电性连接，所述二极管的一端与所述第一晶体管的漏极电性连接，所述二极管的另一端与所述第二晶体管的漏极电性连接，其中：
所述第一工频整流管的第一端与所述第一直流电源的第一端电性连接，所述第一工频整流管的第二端与所述第二工频整流管的第一端电性连接，所述第二工频整流管的第二端与所述第一直流电源的第二端电性连接，所述第三工频整流管的第一端与所述第二直流电源的第一端电性连接，所述第三工频整流管的第二端与所述第四工频整流管的第一端电性连接，所述第四工频整流管的第二端与所述第二直流电源的第二端电性连接；
所述第二工频整流管的第二端、所述第一直流电源的第二端、所述第三工频整流管的第一端以及所述第二直流电源的第一端电性连接并接地；
所述第一等效晶体管的第二端和所述第二等效晶体管的第一端电性连接，所述第一等效晶体管的第一端、所述第一工频整流管的第二端与所述第二工频整流管的第一端电性连接，所述第二等效晶体管的第二端、所述第三工频整流管的第二端与所述第四工频整流管的第一端电性连接；
所述第一等效晶体管和所述第二等效晶体管的连接端为所述三电平逆变器的输出端。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述等效晶体管为单独的开关器件，所述等效晶体管引出四个引脚，分别连接所述第一晶体管的漏极、所述第二晶体管的漏极、所述第一晶体管与所述第二晶体管的公共源极以及所述第一晶体管与所述第二晶体管的公共栅极。
3.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述二极管为快恢复二极管，且所述二极管的反向恢复时间小于100纳秒。
4.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管的栅极的连接端为所述等效晶体管的等效栅极；
所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的源极的连接端用于连接低电势端。
5.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管为MOSFET。
6.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，所述四个工频整流管均为IGBT。
7.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，基于所述第一工频整流管、第二工频整流管、第三工频整流管和第四工频整流管的控制信号，在所述三电平逆变器的输出正半周，所述第一工频整流管和所述第三工频整流管导通，所述第二工频整流管和所述第四工频整流管截止，在所述三电平逆变器的输出负半周，所述第一工频整流管和所述第三工频整流管截止，所述第二工频整流管和所述第四工频整流管导通；
基于所述第一等效晶体管和所述第二等效晶体管的控制信号，所述第一等效晶体管和所述第二等效晶体管互补导通，且互补导通的切换周期小于所述三电平逆变器的输出周期。
8.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，所述三电平逆变器还包括至少一个等效晶体管组，其中，每个所述等效晶体管组包括两个串联的等效晶体管，两个等效晶体管串联形成的支路与所述第一等效晶体管、所述第二等效晶体管的支路并联，且每个所述等效晶体管组中两个等效晶体管的连接端均为所述三电平逆变器的输出端。
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