CN108631635A - 电力电子器件和采用其的单相变流器、三相变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电力电子器件，包括第一元件、第二元件和第三元件，第一元件为一高压MOSFET管或n个同向并联的高压MOSFET管，第二元件为一低压MOSFET管，第三元件为高压二极管，第一元件与第二元件反向串联，第三元件反向并联于第一元件和第二元件构成的串联结构的两端。第一元件和第二元件栅极共接。本发明还涉及采用上述电力电子器件的单相/三相变流器。本发明的电力电子器件能够显著提高设备效率，增大功率密度，降低了开关损耗，从而能够提升采用其的设备的性能；本发明的单相/三相变流器可以工作在较高的开关频率，可以降低磁性元件体积和重量，提升变流器功率密度，降低成本，提升效率。

Description

电力电子器件和采用其的单相变流器、三相变流器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种电力电子器件，可以应用于变流器等电力电子设备中，还涉及应用该电力电子器件的单相/三相变流器。
背景技术
电力电子器件是构成电力电子设备的核心元件，目前电力电子设备常用的电力电子器件是MOSFET（金属氧化物半导体场效应管, 英文：Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管, 英文：Insulated Gate BipolarTransistor）等。
MOSFET是多数载流子器件，按沟道半导体材料的不同可分为P沟道和N沟道；按导电方式可分为耗尽型和增强型。在光伏逆变器等电力电子设备中常用的是N沟道增强型MOSFET。MOSFET具有高输入阻抗，驱动方式为电压控制型，驱动电路简单，开关损耗小，因此可以工作在较大的开关频率。MOSFET具有正温度系数特性，导通电阻和正向导通压降会随着温度上升而变大，并联使用情况下便于系统可靠工作。但MOSFET存在一个寄生的体二极管，其正向导通能力和反向恢复特性较差，通常在使用中尽量避免MOSFET的体二极管起作用；MOSFET电流容量较小，耐压相对较低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子设备。
IGBT是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。通常使用的IGBT模块是由IGBT与反向续流二极管并联封装而成的模块化半导体器件。IGBT是在MOSFET基础上，通过改良，增加了器件的通流和耐压能力，可以适用于高压大容量电力电子设备中。但由于IGBT器件导通时存在导通压降，会增加变流器的功率损耗。另外，由于IGBT器件存在少子注入效应，导致IGBT关断存在拖尾电流，增加了器件的关断损耗，降低了开关速度，使IGBT在高开关频率的应用受到限制。
电力电子设备发展的方向是提高功率密度，降低磁性元件体积和重量、提升效率是提高电力电子设备功率密度的主要途径。降低磁性元件体积和重量需要提高器件的开关频率，提升效率需要降低器件的损耗。MOSFET可以工作在较高的开关频率，但由于MOSFET体二极管反向恢复特性较差，限制了MOSFET的应用。IGBT关断时存在拖尾电流，开关频率高时有较大的开关损耗，不利于提升效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够显著提高设备效率，增大功率密度，提升设备性能的电力电子器件。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电力电子器件，包括第一元件、第二元件和第三元件，所述第一元件为一高压MOSFET管或n个同向并联的高压MOSFET管，所述第二元件为一低压MOSFET管，所述第三元件为高压二极管，所述第一元件与所述第二元件反向串联，所述第三元件反向并联于所述第一元件和所述第二元件构成的串联结构的两端。
优选的，所述第一元件和所述第二元件栅极共接。
本发明还涉及一种采用上述电力电子器件，从而具有更优性能的单相变流器和三相变流器。
一种单相变流器，包括第一器件、第二器件、第三器件和第四器件，所述第一器件和所述第三器件相串联构成第一桥臂，所述第二器件和所述第四器件相串联构成第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂相并联，所述第一桥臂和所述第二桥臂的两端构成所述单相变流器的两个输入端，所述第一器件和所述第三器件的连接点、所述第二器件和所述第四器件的连接点构成所述单相变流器的两个输出端， 所述第一器件、第二器件、第三器件和第四器件均采用前述的电力电子器件。
一种单相变流器，包括第一器件、第二器件、第三器件、第四器件、第五器件和第六器件，所述第一器件和所述第三器件相串联构成第一桥臂，所述第二器件和所述第四器件相串联构成第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂相并联，所述第五器件和所述第六器件反向串联并连接在所述第一器件和所述第三器件的连接点与所述第二器件和所述第四器件的连接点之间，所述第一桥臂和所述第二桥臂的两端构成所述单相变流器的两个输入端，所述第一器件和所述第三器件的连接点、所述第二器件和所述第四器件的连接点构成所述单相变流器的两个输出端，所述第一器件、第二器件、第三器件、第四器件、第五器件和第六器件均采用前述的电力电子器件。
一种三相变流器，包括第一器件、第二器件、第三器件、第四器件、第五器件和第六器件，所述第一器件和所述第四器件相串联构成第一相桥臂，所述第二器件和所述第五器件相串联构成第二相桥臂，所述第三器件和所述第六器件相串联构成第三相桥臂，所述第一相桥臂、所述第二相桥臂、所述第三相桥臂相并联，所述第一相桥臂、所述第二相桥臂和所述第三相桥臂的两端构成所述三相变流器的两个输入端，所述第一器件和所述第四器件的连接点、所述第二器件和所述第五器件的连接点、所述第三器件和所述第六器件的连接点分别构成所述单相变流器的三相输出端，所述第一器件、第二器件、第三器件、第四器件、第五器件和第六器件均采用前述的电力电子器件。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的电力电子器件能够显著提高设备效率，增大功率密度，降低了开关损耗，从而能够提升采用其的设备的性能；本发明的单相/三相变流器可以工作在较高的开关频率，可以降低磁性元件体积和重量，提升变流器功率密度，降低成本，提升效率。
附图说明
附图1为本发明的实施例一的电路原理图。
附图2为本发明的实施例二的电路原理图。
附图3为本发明的实施例三的电路原理图。
附图4为本发明的实施例四的电路原理图。
附图5为本发明的实施例五的第一种电路原理图。
附图6为本发明的实施例五的第二种电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1所示，一种电力电子器件，包括第一元件、第二元件和第三元件。其中，第一元件为一高压MOSFET管MOS1，第二元件为一低压MOSFET管MOS2，第三元件为高压二极管DIODE。低压MOSFET的导通性能及其体二极管的特性普遍优于高压MOSFET。
第一元件与第二元件反向串联构成串联结构，即高压MOSFET管MOS1的源极与低压MOSFET管MOS2的漏极相连接，高压MOSFET管MOS1的漏极构成串联结构的第一端，低压MOSFET管MOS2的源极构成串联结构的第二端。第三元件反向并联于第一元件和第二元件构成的串联结构的两端，即高压二极管DIODE的正极与低压MOSFET管MOS2的源极，即串联结构的第二端相连接，高压二极管DIODE的负极与高压MOSFET管MOS1的漏极，即串联结构的第一端相连接。从而，串联结构的第一端与高压二极管DIODE的负极共接后构成该电力电子器件的第一端，串联结构的第二端与高压二极管DIODE的正极共接后构成该电力电子器件的第二端。第一元件和第二元件栅极共接，即高压MOSFET管MOS1的栅极和低压MOSFET管MOS2的栅极共接并共用一个驱动。
上述方案中，高压MOSFET管MOS1、低压MOSFET管MOS2、高压二极管DIODE可以是分立的元件，也可以是封装在一起的独立模块。
控制栅极电压，高压MOSFET管MOS1和低压MOSFET管MOS2导通，电流正向通过电力电子器件，即由其第一端流向第二端。高压MOSFET管MOS1和低压MOSFET管MOS2反向串联，高压MOSFET管MOS1和低压MOSFET管MOS2各自的体二极管也处于反向串联状态，由于二极管的单向导电性，高压MOSFET管MOS1和低压MOSFET管MOS2反向串联组成结构的体二极管处于阻断状态。驱动高压MOSFET管MOS1和低压MOSFET管MOS2关断，电流通过反并联的高压二极管DIODE续流。
按照上述方案，可以避免MOSFET体二极管导通，而MOSFET可以工作在较高的开关频率，由此可以扩展MOSFET的应用空间。反并联二极管可以选择特性较好的快恢复二极管或宽禁带器件，以降低反并联二极管的损耗。
实施例二：如附图2所示，一种单相变流器，连接在直流电源与交流电源之间，它包括第一器件Module1、第二器件Module2、第三器件Module3和第四器件Module4，第一器件Module1、第二器件Module2、第三器件Module3和第四器件Module4均采用前述的电力电子器件。第一器件Module1和第三器件Module3相串联构成第一桥臂，即第一器件Module1的第二端与第二器件Module2的第一端相连接。第二器件Module2和第四器件Module4相串联构成第二桥臂，即第二器件Module2的第二端与第四器件Module4的第一端相连接。第一桥臂和第二桥臂相并联，第一桥臂和第二桥臂的两端，即第一器件Module1的第一端、第三器件Module3的第二端和第二器件Module2的第一端、第四器件Module4的第二端构成该单相变流器的两个输入端并与直流电源相连接，第一器件Module1和第三器件Module3的连接点、第二器件Module2和第四器件Module4的连接点构成该单相变流器的两个输出端并与形成的交流电源相连接。
与采用IGBT相比，此拓扑可以明显提高器件开关频率，降低磁性元件体积和重量，提升设备功率密度。
实施例三：如附图3所示，一种单相变流器，包括第一器件Module1、第二器件Module2、第三器件Module3、第四器件Module4、第五器件Module5和第六器件Module6，以上第一器件Module1、第二器件Module2、第三器件Module3、第四器件Module4、第五器件Module5和第六器件Module6均采用前述的电力电子器件。第一器件Module1和第三器件Module3相串联构成第一桥臂，即第一器件Module1的第二端与第三器件Module3的第一端相连接。第二器件Module2和第四器件Module4相串联构成第二桥臂，即第二器件Module2的第二端与第四器件Module4的第一端相连接。第一桥臂和第二桥臂相并联。第五器件Module5和第六器件Module6反向串联并连接在第一器件Module1和第三器件Module3的连接点与第二器件Module2和第四器件Module4的连接点之间，即第五器件Module5的第二端与第六器件Module6的第二端相连接，第五器件Module5的第一端与第一器件Module1和第三器件Module3的连接点相连接，第六器件Module6的第一端与第二器件Module2和第四器件Module4的连接点相连接。第一桥臂和第二桥臂的两端，即第一器件Module1的第一端、第三器件Module3的第二端和第二器件Module2的第一端、第四器件Module4的第二端，构成该单相变流器的两个输入端。第一器件Module1和第三器件Module3的连接点、第二器件Module2和第四器件Module4的连接点构成该单相变流器的两个输出端。
此拓扑不仅可以提升器件开关频率，通过中间续流管续流，可以降低器件开关损耗，提升变流器效率。
实施例四：如附图4所示，一种三相变流器，包括第一器件Module1、第二器件Module2、第三器件Module3、第四器件Module4、第五器件Module5和第六器件Module6，以上第一器件Module1、第二器件Module2、第三器件Module3、第四器件Module4、第五器件Module5和第六器件Module6采用前述的电力电子器件。第一器件Module1和第四器件Module4相串联构成第一相桥臂，即第一器件Module1的第二端与第四器件Module4的第一端相连接。第二器件Module2和第五器件Module5相串联构成第二相桥臂，即第二器件Module2的第二端与第五器件Module5的第一端相连接。第三器件Module3和第六器件Module6相串联构成第三相桥臂，即第三器件Module3的第二端与第六器件Module6的第一端相连接。第一相桥臂、第二相桥臂、第三相桥臂相并联，第一相桥臂、第二相桥臂和第三相桥臂的两端，即第一器件Module1的第一端、第四器件4的第二端和第二器件Module2的第一端、第五器件Module5的第二端和第三器件Module3的第一端、第六器件Module6的第二端，构成三相变流器的两个输入端。第一器件Module1和第四器件Module4的连接点、第二器件Module2和第五器件Module5的连接点、第三器件Module3和第六器件Module6的连接点分别构成三相变流器的三个输出端。
实施例五：MOSFET的导通电阻Rds(on)是影响MOSFET损耗的重要参数之一，而MOSFET的正温度系数特性便于MOSFET并联使用。故设计一种电力电子器件，包括第一元件、第二元件和第三元件，与实施例一的区别在于：第一元件为n个同向并联的高压MOSFET管，n为大于1的正整数，即n个高压MOSFET管MOS11、…、MOS1n的源极共接构成第一元件的源极，n个高压MOSFET管的漏共接构成第一元件的漏极。各高压MOSFET管的栅极均与第二元件的栅极，即低压MOSFET管MOS2的栅极共接。例如，附图5中示出了第一元件采用两个并联的高压MOSFET管MOS11、MOS12的方案，附图6中示出了第一元件采用三个并联的高压MOSFET管MOS11、MOS12、MOS13的方案。
在并联情况下，MOSFET的等效导通电阻分别为原来的1/2、1/3。并联的MOSFET数量不限于2个、3个，并联的MOSFET增多相应带来成本的上升，根据技术需要，选择合适的器件数量，可以得到性价比最优的设计。
上述电力电子器件，通过高压MOSFET与低压MOSFET反向串联的方法，有效阻断了MOSFET体二极管的导通，降低了器件的开关损耗，从而扩展了MOSFET的应用范围，可以代替普通MOSFET和IGBT。其应用在电力电子设备中，能够显著提高设备效率，增大功率密度，提升设备性能。
使用上述电力电子器件组成的变流器，可以工作在较高的开关频率，从而可以降低磁性元件体积和重量，提升变流器功率密度，降低成本。同时，通过选择性价比最优的组合方案，可以降低电力电子器件的损耗，提升变流器效率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电力电子器件，其特征在于：所述电力电子器件包括第一元件、第二元件和第三元件，所述第一元件为一高压MOSFET管或n个同向并联的高压MOSFET管，所述第二元件为一低压MOSFET管，所述第三元件为高压二极管，所述第一元件与所述第二元件反向串联，所述第三元件反向并联于所述第一元件和所述第二元件构成的串联结构的两端。
2.根据权利要求1所述的电力电子器件，其特征在于：所述第一元件和所述第二元件栅极共接。
3.一种单相变流器，包括第一器件、第二器件、第三器件和第四器件，所述第一器件和所述第三器件相串联构成第一桥臂，所述第二器件和所述第四器件相串联构成第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂相并联，所述第一桥臂和所述第二桥臂的两端构成所述单相变流器的两个输入端，所述第一器件和所述第三器件的连接点、所述第二器件和所述第四器件的连接点构成所述单相变流器的两个输出端，其特征在于：所述第一器件、第二器件、第三器件和第四器件均采用如权利要求1或2所述的电力电子器件。
4.一种单相变流器，包括第一器件、第二器件、第三器件、第四器件、第五器件和第六器件，所述第一器件和所述第三器件相串联构成第一桥臂，所述第二器件和所述第四器件相串联构成第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂相并联，所述第五器件和所述第六器件反向串联并连接在所述第一器件和所述第三器件的连接点与所述第二器件和所述第四器件的连接点之间，所述第一桥臂和所述第二桥臂的两端构成所述单相变流器的两个输入端，所述第一器件和所述第三器件的连接点、所述第二器件和所述第四器件的连接点构成所述单相变流器的两个输出端，其特征在于：所述第一器件、第二器件、第三器件、第四器件、第五器件和第六器件均采用如权利要求1或2所述的电力电子器件。
5.一种三相变流器，包括第一器件、第二器件、第三器件、第四器件、第五器件和第六器件，所述第一器件和所述第四器件相串联构成第一相桥臂，所述第二器件和所述第五器件相串联构成第二相桥臂，所述第三器件和所述第六器件相串联构成第三相桥臂，所述第一相桥臂、所述第二相桥臂、所述第三相桥臂相并联，所述第一相桥臂、所述第二相桥臂和所述第三相桥臂的两端构成所述三相变流器的两个输入端，所述第一器件和所述第四器件的连接点、所述第二器件和所述第五器件的连接点、所述第三器件和所述第六器件的连接点分别构成所述三相变流器的三个输出端，其特征在于：所述第一器件、第二器件、第三器件、第四器件、第五器件和第六器件均采用如权利要求1或2所述的电力电子器件。
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