CN108604877A - 链式链路转换器的子模块 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于链式链路转换器腿（2）的子模块（3）。所述子模块包括：第一半导体结构（4a），其形成通过所述子模块的第一电流路径；以及第二半导体结构（4b），其与所述第一半导体结构（4a）并联连接，所述第二半导体结构（4b）形成通过所述子模块的第二电流路径。至少所述第一半导体结构（4a）包括DC电容器（5），并且至少所述第二半导体结构（4b）包括反向阻断布置（8）。所述子模块配置用于当处于旁路模式中时允许电流经过所述反向阻断布置。

Description

链式链路转换器的子模块

技术领域

本公开涉及用于电转换器的链式链路转换器腿的子模块。

背景技术

多电平转换器存在于许多高功率应用中，其中中到高电压电平存在于该系统中。由于它们的设计，多电平转换器共享系统电压，从而消除对装置的串联连接的需要。

特别地，模块化转换器已变得流行，其中多个单元被串联连接以便形成可变电压源，每个单元包含多个半导体切换元件以及采取直流（DC）电容器形式的能量存储元件。这些转换器能够用于驱动、高压直流（HVDC）以及柔性交流AC输电系统（FACTS）应用。图1描绘了采用三角形配置的典型的三相链式链路转换器，每个相腿采用全桥（也称为H桥）单元（所谓的级联或链式链路连接的单元）的串联连接来构造。图2描绘了三相模块化多电平转换器，其中每个相腿包括上臂和下臂，每个臂采用半桥的串联连接来构造。

总的半导体损耗由切换损耗和传导损耗两者组成。在高功率电网连接的转换器中，传导损耗是主要损耗分量。传导损耗通常随着电流路径中半导体装置的数量减少而减少。

在FACTS应用中，与每个相腿相关联的电压和电流波形是异相90°。这暗示，在电流波形接近其峰时，H桥单元的大多数被旁路。如果在该时间期间能够减少电流路径中装置的数量，则将大体上降低总的传导损耗，并且因此降低总的损耗。

未来宽带隙半导体的理论建模指示转换器切换损耗能被显著减少。然而，建模也已表明将这些装置替换成现有单元，并且拓扑设计将不显著减少传导损耗，并且在许多情况中，替换实际上增加传导损耗。因此，要求一种新的相腿结构，其利用增加的切换频率的益处以便减少传导损耗。

EP2413489公开了DC至AC转换器电路，特别地公开了用于将DC转换成AC电压的半桥逆变器。用于转换DC输入电压以便在输出端子处提供AC输出电压的半桥逆变器包括连接到至少一个输入端子以及连接到输出端子且配置成在输出端子处提供高或低电压电平的第一切换电路。第二切换电路连接到输出端子，并且配置成提供对中间电压电平的连接，中间电压电平处于高电压电平和低电压电平之间。第二切换电路还连接到至少一个输入端子，从而允许第二切换电路在输出端子处提供高电压电平或低电压电平。

EP2413489的构思将使用两个不同的半导体开关，绝缘栅双极晶体管（IGBT）以及金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其并联连接，使得IGBT传导稳态电流，而MOSFET执行切换转变，以便降低总体损耗。因此，半导体硅面积是相当高的，并且仅产生单级输出电压。

发明内容

根据本发明的方面，提供了用于链式链路转换器腿的子模块。所述子模块包括：第一半导体结构，其形成通过子模块的第一电流路径；以及第二半导体结构，其与第一半导体结构并联连接，该第二半导体结构形成通过子模块的第二电流路径。至少第一半导体结构包括DC电容器，并且至少第二半导体结构包括反向阻断布置。子模块配置用于当处于旁路模式中时允许电流经过反向阻断布置。

根据本发明的另一个方面，提供了用于转换器的相腿，该相腿包括本公开的多个链式链接的子模块。

要注意的是，在合适的任何情况下，任何方面的任何特征可应用到任何其它方面。同样地，任何方面的任何优点可应用到另一些方面中的任何方面。所附实施例的其它目的、特征和优点根据下面详述的公开、根据所附从属权利要求以及根据附图将是显而易见的。

通常，权利要求中所使用的所有术语将根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确限定。对于“一/一个/该元件、设备、组件、部件、步骤等”的所有参考将以开放的方式解译为指代元件、设备、组件、部件、步骤等的至少一个实例，除非另有明确规定。本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序来执行，除非明确规定。将“第一”、“第二”等用于本公开的不同特征/组件仅意图将所述特征/组件与其它类似的特征/组件进行区分，并不对所述特征/组件赋予任何顺序或层级。

附图说明

作为示例，将参考附图来描述实施例，在附图中：

图1是根据现有技术的全桥三角形连接的转换器的示意图示。

图2是根据现有技术的半桥模块化多电平转换器的示意图示。

图3是本发明的实施例的转换器相腿的示意电路图。

图4是本发明的子模块的实施例的示意电路图。

图5是本发明的子模块的另一个实施例的示意电路图。

图6是本发明的子模块的另一个实施例的示意电路图。

图7是本发明的子模块的另一个实施例的示意电路图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述实施例，在附图中，某些实施例被示出。然而，采取许多不同形式的其它实施例在本公开的范畴内是可能的。相反，下面的实施例作为示例来提供，使得该公开将是透彻且完整的，并且将把本公开的范畴全面传达给本领域中那些技术人员。相似数号在说明书中通篇指代相似元件。

在本文的论述中，作为对于IGBT和反并联二极管的三象限装置的备选方案，可以使用任何其它三象限装置。类似地，作为对于RBIGBT的四象限装置的备选方案，可以使用任何其它四象限装置。还可以提及的是，这些装置可以是宽带装置，由此切换损耗可被减少。

所提议的发明使用链式链路转换器内新的子模块结构来减少传导损耗。所提议的子模块以及所得相腿分别在图4和图3中示出。

图3图示了转换器1的相腿2的一部分。相腿2包括多个串联连接（链式链路）的、通常相同的子模块3，所述子模块参考图4来更详细地论述。

图4图示本发明的子模块3的实施例。子模块3包括第一半导体结构4a和第二半导体结构4b。第一和第二半导体结构4在子模块3中彼此并联连接。依照本发明，第一半导体结构4a包括作为能量存储单元的DC电容器5，并且第二半导体结构4b包括反向阻断布置8.在图4的实施例中，反向阻断布置由两个反并联的反向阻断IGBT（RBIGBT）来形成，即，两个RBIGBT被并联连接但布置用于在反向阻断布置8中允许电流在相反的方向上。备选地，反并联RBIGBT中的每个可以以具有串联连接的二极管的MOSFET来交换。

在图4的示例实施例中，第一半导体结构4a包括具有与第一下半导体开关以及上半导体开关的腿并联的DC电容器5的半桥单元。类似地，第二半导体结构4b包括具有与第二下半导体开关以及上半导体开关的腿并联的DC电容器5的半桥单元。第一半导体结构4a的半桥反并联于第二半导体结构4b的半桥（即，它们形成并联连接的两个相反极性的半桥）。第一半导体结构4a形成通过子模块的第一电流路径并用来综合正电压，并且第二半导体结构4b形成通过子模块的第二电流路径并用来综合负电压。在子模块3被旁路时，在每个半桥中的第一和第二下半导体开关（例如RBIGBT）中的每个被接通以便传导通过子模块的电流的一半。

备选地，第一半导体结构4a包括具有与所述第二下半导体开关以及上半导体开关的腿并联的DC电容器5的半桥单元。因此，同一下半导体开关在第一4a和第二4b半导体结构两者（未在图4中示出）之间被共享。

每个半桥中的上半导体开关（通常为具有反并联二极管7的IGBT 6（在两个不同半桥中具有相反极性））根据该拓扑能够阻断2.0 Udc。两个反向阻断布置8中的每个能够在两个方向上阻断1.0 Udc，因此包含RBIGBT。

下面将考虑用于图3和图4中的拓扑的每个可能输出电压和电流方向的电流路径以及所得传导损耗。注意，正电流被限定为在图中从顶部流到底部。

+ve电压、+ve电流—电流流过定额在2.0 Udc的一个二极管7

+ve电压、-ve电流—电流流过定额在2.0 Udc的一个IGBT 6

-ve电压、-ve电流—电流流过定额在2.0 Udc的一个二极管7

-ve电压、+ve电流—电流流过定额在2.0 Udc的一个IGBT 6

旁路，+ve电流—一半电流流过定额在1.0 Udc的（第一半导体结构4a的）一个RBIGBT，而电流的另一半流过定额在1.0 Udc的（第二半导体结构4b的）另一个RBIGBT。

旁路，-ve电流—一半电流流过定额在1.0 Udc的（第一半导体结构4a的）一个RBIGBT，而电流的另一半流过定额在1.0 Udc的（第二半导体结构4b的）另一个RBIGBT。

在旁路模式期间，在具有两个下开关的实施例中，两个下开关（每个半桥中的反向阻断布置8）被接通以便共享两个并联连接的反向阻断布置之间的电流。这减少了对于这些开关所要求的硅面积，因为它们的峰电流与相腿电流相比低了高达50%。

如本文所论述的，每个半桥的下开关位置中的每个RBIGBT能够备选地采用MOSFET和二极管的串联连接来实现。这将允许增加MOSFET的面积以便降低通态电阻，从而导致来自串联连接的二极管的唯一显著传导损耗。因此，在一些实施例中，反向阻断布置包括两个反并联RBIGBT。备选地，在一些实施例中，反向阻断布置包括与二极管串联的MOSFET的两个反并联组。

RBIGBT的使用允许在电流处于其峰值时的时间期间（在大多数子模块处于旁路模式中时的时间期间）电流路径中半导体开关的数量中高达50%的减少。

所提议的拓扑所提供的半导体损耗中总的降低取决于半导体技术以及RBIGBT的通态电压降。每个RBIGBT与串联连接的IGBT和反并联二极管相比将具有更低的通态电压降。然而，RBIGBT的结构与等效优化的IGBT结构相比给予通常高30%-40%的通态电压降。给定上面的观测，图4的所提议的子模块3理论上能够在例如FACTS应用中将转换器传导损耗减少约30%。

在本发明的一些实施例中，依照图4，第一半导体结构4a包括第一半桥单元，并且第二半导体结构4b包括与第一半桥单元反并联的第二半桥单元。在一些实施例中，第一和第二半桥单元中的每个包括DC电容器5以及反向阻断布置8。在一些实施例中，子模块3配置用于在处于旁路模式中时允许电流经过第一半桥单元的反向阻断布置8以及第二半桥单元的反向阻断布置8两者。在一些实施例中，仅第二半桥单元4b包括反向阻断布置8。反向阻断布置8则在第一和第二半桥单元之间被共享。

图5至图7公开了具有全桥单元9的发明子模块的实施例，其是对于图4的实施例的备选实施例，而发明概念与第二半导体结构4b中的反向阻断布置8相同。

采用全桥拓扑的优点在于，有可能设计换向过程（commutation process），使得RBIGBT不招致切换损耗，意味着它们的设计能仅针对传导损耗而被优化。

图5示出其中RBIGBT在第二半导体结构4b中的全桥单元9的外部并且与其串联连接的实施例。第一半导体结构4a包括串联的两个全桥单元9，其中每个全桥单元包括DC电容器5以及两个并联腿，两个并联腿各自具有上半导体开关和下半导体开关（再次，通常为具有反并联二极管7的IGBT 6）。在这里，所有开关被要求来阻断1.0 Udc。

如图6中所图示的，有可能将RBIGBT移动到第二半导体结构4b的全桥单元9内。因此，四个开关（例如具有反并联二极管7的IGBT 6）中的每个可以以全桥9中的反并联RBIGBT来交换。然而，这可能不提供显著的传导损耗减少，因为RBIGBT因而必须各自被定额以阻断1.5 Udc。

如图7中所图示的，第二半导体结构4b中的全桥可被移除，仅留下在这里采用串联的两组反并联RBIGBT对的形式的反向阻断布置。使用两个串联连接的反向阻断布置8可以是优选的，因为它与反向阻断电压以及总的主环路电压成比例。它是与单元的数量相同的数量（如果RBIGBT的反向阻断电压与IGBT的阻断电压相同的话）。图7的结构（具有单个或两个串联连接的反向阻断布置8）在最小化硅面积方面可以是优选的全桥选项，因为半导体开关的数量被显著减少。然而，在这种拓扑的情况下，不存在对于从第二半导体结构4b的电流路径产生电压的可能性，从而暗示平均起来更高数量的子模块可能需要被切换以便利用第一半导体结构4a的电流路径，这可能增加传导损耗。

因此，在本发明的一些实施例中，第一半导体结构4a包括至少一个全桥单元。在一些实施例中，第一半导体结构4a包括两个串联连接的全桥单元（如在图5至图7的实施例中那样）。另外地或备选地，第二半导体结构4b包括全桥单元（如在图5或图6的实施例中那样）。在一些实施例中，反向阻断布置8与第二半导体结构4b中的全桥单元串联连接（如在图5的实施例中那样）。备选地，在一些实施例中，全桥单元包括四个反向阻断布置8（如在图6的实施例中那样）。另外地或备选地，在一些实施例中，第二半导体结构4b包括两个串联连接的反向阻断布置8（如在图7的实施例中那样）。图7的实施例也表示，在一些实施例中，第二半导体结构4b既不包括半桥单元也不包括全桥单元，而是仅包括一个或多个串联连接的反向阻断布置8。

注意，由图3和图4所表示的本发明的实施例在结构上不同于由图5至图7所表示的实施例，但是功能是类似的。所述概念对于旁路或辅助旁路是相同的，其在传导路径中包含最少数量的装置。

示例—换向过程

图4的子模块实施例不要求用于在子模块内的切换状态之间转变的特殊设计的换向过程。这是由于每个半桥的上开关中的反并联二极管所引起的，其确保用于电流即使在所有IGBT 6和RBIGBT都被阻断时也流动的路径。这意味着，可在转变期间使用简单的空载时间（dead-time）机制。然而，图5至图7的全桥实施例的情况不是这样，它们的换向过程现在将参考图7来论述。

在前一控制周期期间，假设电流流过任何寄生电感以及第一半导体结构4a的两个串联连接的全桥。在下一控制周期中，电流将流过第二半导体结构4b的RBIGBT。换向过程包括以下步骤：

1）过程开始于完成前一控制周期。这时，电流正流过第一半导体结构4a的两个串联连接的全桥（全桥单元9通过外部调制方案来控制），而第二半导体结构4b的RBIGBT被阻断。

2）在下一控制周期开始时，全桥单元9以及RBIGBT两者都被阻断。

3）一旦第一和第二电流路径两者都被阻断，那么环路电压就不能够生成环路电流，并且因此RBIGBT能够被旁路，即，接通或打开。这使电流在从第一半导体结构4a的第一电流路径到第二半导体结构4b的第二电流路径（经由RBIGBT）的路径之间换向。

类似地，用于在相反方向上的电流换向的过程包括以下步骤：

1）过程再次开始于如上面步骤3）中的完成前一控制周期。

2）在下一控制周期开始时，第一半导体结构4a的全桥单元9被旁路（因此激活/打开图7中的上全桥9中的两个上开关以及下全桥中的两个下开关）。

3）现在RBIGBT被阻断，从而使电流换向到第一半导体结构4a的第一电流路径。注意到，RBIGBT可要求缓冲器（snubber）来保护免于在该转变期间由任何寄生电感所引起的过电压。由于第二半导体结构4b的全桥单元9（其在被阻断时可在RBIGBT被阻断之前将电流驱动到零），在图5中所示的实施例中将不太可能需要缓冲器。

4）一旦RBIGBT已被阻断，那么正常操作就能够在第一半导体结构4a的全桥单元9正通过外部调制方案来控制的情况下恢复。

由于上面描述的换向过程，在IGBT单元中的装置正阻断1.0 Udc的时间，在RBIGBT上不存在切换瞬变。这意味着，由于来自环路电感的所感应电压的问题，不需要选取具有更高反向阻断电压的装置。这可能对于具有快速切换速度的宽带隙装置是重要的。

本公开主要已在上面参考几个实施例来描述。然而，如由本领域技术人员所容易领会的，与上面所公开的实施例不同的实施例在如由所附权利要求所限定的本公开的范畴内是同样可能的。

Claims (13)

1.一种用于链式链路转换器腿（2）的子模块（3），所述子模块包括：

第一半导体结构（4a），所述第一半导体结构（4a）形成通过所述子模块的第一电流路径；以及

第二半导体结构（4b），所述第二半导体结构（4b）与所述第一半导体结构（4a）并联连接，所述第二半导体结构（4b）形成通过所述子模块的第二电流路径；

其中至少所述第一半导体结构（4a）包括DC电容器（5），并且至少所述第二半导体结构（4b）包括反向阻断布置（8）；

其中所述子模块配置用于当处于旁路模式中时允许电流经过所述反向阻断布置。

2.如权利要求1所述的子模块，其中所述反向阻断布置包括两个反并联的反向阻断IGBT，RBIGBT。

3.如权利要求1所述的子模块，其中所述反向阻断布置包括与二极管串联的MOSFET的两个反并联组。

4.如任何前述权利要求所述的子模块，其中所述第一半导体结构（4a）包括第一半桥单元，并且所述第二半导体结构（4b）包括与所述第一半桥单元反并联的第二半桥单元。

5.如权利要求4所述的子模块，其中所述第一和第二半桥单元中的每个包括DC电容器（5）以及反向阻断布置（8）。

6.如权利要求5所述的子模块，所述子模块配置用于当处于所述旁路模式中时允许电流经过所述第一半桥单元的所述反向阻断布置（8）和所述第二半桥单元的所述反向阻断布置（8）两者。

7.如权利要求1-3中任一项所述的子模块，其中所述第一半导体结构（4a）包括至少一个全桥单元。

8.如权利要求7所述的子模块，其中所述第一半导体结构（4a）包括两个串联连接的全桥单元。

9.如权利要求7或8所述的子模块，其中所述第二半导体结构（4b）包括全桥单元。

10.如权利要求9所述的子模块，其中所述反向阻断布置（8）与所述第二半导体结构（4b）中的所述全桥单元串联连接。

11.如权利要求9所述的子模块，其中所述全桥单元包括四个反向阻断布置（8）。

12.如权利要求7或8所述的子模块，其中所述第二半导体结构（4b）包括两个串联连接的反向阻断布置（8）。

13.一种用于转换器（1）的相腿（2），所述相腿包括多个如权利要求1-12中任一项的链式链接的子模块。