CN108631637A - 被配置为控制具有至少三个相位的多相电接收器的至少一个相位的开关模式功率转换器 - Google Patents

被配置为控制具有至少三个相位的多相电接收器的至少一个相位的开关模式功率转换器 Download PDF

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Abstract

公开了一种开关模式功率转换器，其被配置为控制具有至少三个相位的多相电接收器的至少一个相位，所述开关模式功率转换器包括两个转换器臂的至少一个块，其中，转换器臂的半臂(40)包括：‑第一组(ENS1)P≥2个串联的开关(I1、I2)；‑第二组(ENS2)P≥2个串联的开关(I3、I4)；以及‑第三组(ENS3)二极管(D1、D2、D3、D4)，所述第三组(ENS3)被布置在所述第一组(ENS1)和所述第二组(ENS2)之间，包括串联的M≥2个子集(SE1、SE2、…、SEM)，被标为i∈[[1；M]]，所述子集分别包括并联的Ni≥2个二极管。

Description

被配置为控制具有至少三个相位的多相电接收器的至少一个 相位的开关模式功率转换器
技术领域
本申请涉及被配置为控制具有至少三个相位的多相电接收器的至少一个相位的功率转换器。
背景技术
在航空航天领域中，总体趋势为将液压致动器替换为电气致动器以便减少成本，即，在市场上给出在经济上更有竞争力的解决方案。
实际上，利用由电汽缸致动器致动的控制表面，电气飞机的设计正变为现实，并且同样地，对于Ariane 6，在Ariane 5上通过引导固体助推器和低温主要阶段的发动机的扩张型喷嘴来控制运载载具轨道的液压致动器将被替换为功率非常高的电气致动器。
进入这种功率等级可以仅通过增加电源供电电压来获得。例如，针对Ariane 5的顶层阶段，两个轴线中的每个所需的电功率大约为5kW(在150V)，而对于Ariane 6的固体阶段，每个轴线所需的电功率大约为70kW(在350V)。
另外，在海拔20千米处紧邻航空运输上方进行自主可驾驶飞行的新航空航天应用项目(例如，Stratobus)仅可以在“全电气”上下文中达到顶点。
现在转移至电气致动器的任务的关键性需要研发出在故障容忍的同时在出现故障时不妨碍任务的解决方案。
此外，在航空航天市场中产生的竞争需要实现更加有经济竞争力的解决方法。
在电气致动器的核心，存在电子控制单元(ECPU：电子控制和功率单元)；驱动电动机的部分由不允许各种故障模式影响任务的功率逆变器组成。
如航空航天的高可靠性应用中的功率电子设备需要能够在发生简单故障时完成任务的架构。
换言之，有必要提供有竞争力的解决方案，其在电子部件发生故障时保证服务的连续性，而不进行重新配置并且不将逆变器的性能等级降级。
特别地，已知有两类逆变器用于产生故障容忍的逆变器。
已知可重新配置的逆变器，其中，添加与电源开关串联的熔断器，所述电源开关甚至是相线中的在某些故障情况下用于强制使熔断器熔断的电源开关，甚至是用于将失效的相位隔离并且将其切换至备用逆变器臂的电源开关。
该类型的架构假定简单故障(甚至是电池的短路)不会使故障传播至逆变器的其它部件，假定所有可能的故障可以清楚地被识别出，在所有情况中熔断器都会熔断，并且重新配置的开关不要求有比逆变器臂的冗余更复杂的实施方式。
此外，这些逆变器的操作假设故障检测装置的可用性以及对逆变器的重新配置进行暂时禁止逆变器的操作的适当动作的可用性。
因此，要求逆变器的总可用性的应用不能使用该类型的架构，这是因为，当出现简单故障时，逆变器的操作降级甚至停止，并且这种可用性的缺乏在检测故障所需的时间内持续，以用于识别要执行的校正动作并且进行校正动作。在Ariane 6的情况中，固体阶段的任务持续大约2分20秒，在此期间，运载载具离开发射平台到达海拔70千米。这样的任务需要设备的永久可用性。
一种用于管理故障风险的已知装置包含基于有效部件的倍增来设计具有冗余的逆变器，这是因为一个部件的故障自然地由冗余部件来补偿。为了针对各种故障情况进行安全防护，这种类型的架构使得部件变为四倍：
-为了避免部件的短路故障的影响，以串联方式添加第二部件；如果该第二部件为受控部件，则控制也被复制；
-为了避免部件的开路故障的影响，以并联方式添加第二部件；如果该第二部件为受控部件，则控制也被复制。
类似地，在嵌入在卫星中的开关模式功率转换器中，开关单元的架构必须能够自然地对部件的故障进行补偿。
这些解决方案的主要缺陷为部件的倍增增加了成本，并且增加了实施方式的尺寸，还增加了生成切换过电压的杂散电感。
一种用于增加功率设备的载流容量的已知装置是使用较少容量的子集的并联连接，使得子集的总容量等于所需容量；该条件只有在不同子集之间的电流分布相等的情况下才是有效的。
发明内容
本发明旨在缓解上述缺点，并且具体而言，在不对逆变器的性能等级进行重新配置或降级的情况下缓解故障容忍的问题。
根据本发明的一方面，提出一种开关模式功率转换器，其被配置为控制具有至少三个相位的多相电接收器的至少一个相位，所述开关模式功率转换器包括两个转换器臂的至少一个块，其中转换器臂的半臂包括：
-第一组P≥2个串联的开关；
-第二组P≥2个串联的开关；以及
-第三组二极管，其被布置在第一组和第二组之间，包括串联的M≥2个子集，被标为i∈[[1；M]]，分别包括并联的Ni≥2个二极管。
因此，一方面，开关的串联连接，和另一方面，二极管的串联连接，允许容忍元件的简单短路故障。Ni≥2个二极管的并联连接允许容忍二极管的简单开路故障，而并联的开关的两个组的并联连接允许容忍开关的简单开路故障。
此外，因为子集的二极管是并联的，在子集之间有极好的热耦合，所以如果一个二极管加热，则该二极管也会加热其它二极管，因此往往在二极管之间维持良好的电流分布。
此外，因为开关的组是并联的，具有最小的热耦合(两个不同的组，ENS1和ENS2)，所以如果一个开关加热，则与其它组的其它开关的热隔离允许该开关自由加热而不干扰其它组的其它开关，因此往往维持良好的电流分布。
此外，在其操作中，相电流通过逆变器半臂，该相电流在串联的二极管的组中交替，然后在开关的两个串联中分成两个。开关之间的二极管的布置使得有可能创建电流的相同平均路径，无论电流是在二极管的串联中循环还是分成两个并在开关的两个串联中流动。因此，在逆变器半臂周围通过电流循环产生的磁场变化极小，并且杂散切换电感因此减少至最小。二极管和开关处的过电压因此减少至最小。
另外，具有至少三个独立相位的多相电接收器固有地具有相位冗余。
因此，可能设计出一种功率转换器，该功率转换器利用电接收器的该属性，以使得转换器的开路故障或者接收器的开路故障由接收器的冗余性质来补偿；该方法使得可能针对转换器将冗余限于串联冗余，其因此需要常规串联-并联冗余的一半部件。
根据一个实施例，M个子集包括相同数量的并联的Ni个二极管。
因此，在二极管短路故障的情况下，逆变器半臂的行为是等同的，无论二极管的子集是否受影响。
在一个实施例中，开关模式功率转换器包括至少一个温度传感器。
至少一个温度传感器的存在使得有可能控制逆变器的操作温度。基于该控制，在高温情况下对逆变器的禁止使得有可能避免由于超过开关和二极管的半导体的接合温度而引起的故障。
根据一个实施例，第一组的开关对齐，和/或第二组的开关对齐，和/或第三组的二极管的子集对齐。
因此，使得二极管和开关的两个串联之间的电流的平均路径的差异最小化，将杂散切换电感减至最小，并且由此将二极管和开关处的过电压减至最小。
在一个实施例中，两个臂的块包括共面电源，其被提供有正线和负线，正线和负线被布置为使得转换器的两个臂分开，并且包括针对每个臂的电源接口，每个电源接口被布置为使得对应的臂的两个半臂(即，正半臂和负半臂)位于共面电源和对应的电源接口之间。
因此，在杂散电感最小的情况下完成逆变器半臂的连接，以便减少当在开关和二极管上切换时生成的过电压。实际上，在电源接口中切换的电流的求和点相对于开关和二极管的连接位于中心，相电流通过电源接口的剩余部分。因为共面电源线具有非常低的杂散电感，所以确定逆变器半臂的电源在切换时具有最小的过电压。
根据一个实施例，形成转换器的两个臂的块的臂的两个半臂包括：
正半臂，其包括连接在共面电源的负线和对应的电源接口之间的第三组，以及连接在共面电源的正线和对应的电源接口之间的第一组和第二组；以及
负半臂，包括连接在共面电源的正线和对应的电源接口之间的第三组，以及连接在共面电源的负线和对应的电源接口之间的第一组和第二组。
因此，在切换时，这两个半臂交换电流，所述电流一方面是通过它们的电源接口以及接收器的相位的相电流，并且另一方面是通过共面电源线的切换电流。因为共面电源线具有非常低的杂散电感，所以确定逆变器半臂的电源在切换时具有最小的过电压。
例如，转换器的两个臂的块的臂的负半臂被布置为相对于共面电源面向转换器的两个臂的块中的另一臂的正半臂。
两个逆变器半臂的面对面布置使得有可能在共面线中优化和减少切换电流的循环的长度，以便将与其相关联的杂散电感和切换过电压减少至绝对最小值。
在一个实施例中，当臂的数量为奇数时，转换器包括两个臂的所述块，并且两个臂的块被提供有附加臂。
因此，以减少杂散电感和相关联的切换过电压的这种方式来进行具有奇数数量的臂的逆变器的产生。
例如，两个臂的所述块被提供有附加臂和所述附加臂的电源接口，所述附加臂包括被布置在扩展的共面电源的任意一侧上的两个半臂，并且所述附加臂的电源接口分别包括用于两个半臂中的每个的部分，所述部分被布置为使得对应的半臂位于共面电源和对应的电源接口的所述部分之间。
因此，产生具有奇数数量的臂的逆变器可以源于产生两个逆变器臂；添加第三臂等于复制一对面对面的半臂的布局，因此使得有可能利用针对两个逆变器臂的生产而发展出的生产工具。
例如，被提供有附加臂的两个臂的所述块还包括被布置在一端并且在与共面电源的剩余部分不同方向上的共面电源部分的附加部分，并且所述附加臂的电源接口被布置为使得所述附加臂位于共面电源的所述附加部分和所述对应的电源接口之间。
因此，该实施例使得有可能简化附加臂的电源接口。
例如，共面电源的所述附加部分大体上与共面电源的剩余部分成直角。
因此，共面电源线中的附加臂的两个半臂的切换电流的循环路径是对称的，使得逆变器臂的操作独立于相电流的方向。
根据一个实施例，开关模式功率转换器是混合的。
因此，混合技术的使用使得有可能使逆变器的紧凑性最大化；紧凑解决方案通过减少长度使得有可能大幅减少与其相关联的杂散电感和过电压。另外，生产的紧凑性增加使得有可能减少生产的重量，并且通过在最终装置中使用较少的空间，使得还有可能减少最终装置的重量。
此外，对混合技术的使用使得有可能优化部件之间的热耦合。
因此，因为子集的二极管并联在同一铜表面上，从而确保在二极管之间有极好的热耦合，所以如果一个二极管加热，则该二极管还加热其它二极管，因此往往在二极管之间维持良好的电流分布。
此外，因为开关的组并联在不同且分开的铜表面上(两个不同的组)，所以如果一个开关加热，则与其它组的其它开关的热隔离允许该开关自由加热而不干扰其它组的其它开关，因此往往维持良好的电流分布。
混合转换器应该被理解为包括一个或多个绝缘衬底(通常为陶瓷)的模块，在该衬底上，有源和无源部件互连以便产生电气功能；有源部件能够是裸露芯片或者封装部件，无源部件能够印刷在衬底上或者是表面安装的部件。在所有情况下，部件安装在表面上。衬底封装在封装体中，通过该封装体，互连使得有可能接入模块的内部电功能。
根据一个实施例，开关包括至少一个绝缘栅双极型晶体管和/或至少一个绝缘栅场效应晶体管。
因此，对开关的控制被简化为：当栅极被偏置时，开关是有效的，当栅极未被偏置时，开关是禁止的。控制电路则非常简单，这是因为控制电路必须将电荷注入栅极来激活开关并且移除这些电荷来禁止开关。另外，由于对开关的禁止仅为对栅极的控制的功能，所以不像晶闸管，例如，开关可以同样用于具有自然切换的拓扑结构(即，其中当通过开关的电流被取消时开关断开的拓扑结构)，以及用于具有强制切换的拓扑结构(即，其中当电流通过开关时开关断开的拓扑结构)。
例如，所述转换器是逆变器或者斩波器。
根据本发明的另一方面，还提出了一种包括至少一个上述开关模式功率转换器的空间运载载具的至少一个电汽缸致动器的控制系统，电接收器为电动机并且功率转换器为逆变器。
因此，控制系统允许对施加到汽缸致动器的功率进行精细调制。另外，因为逆变器是可逆的，所以其使得有可能使从汽缸致动器中提取的能量返回至电池，而不是失去能量，如当前在Ariane 5的较低阶段上使用的失油液压系统中那样。
根据本发明的另一方面，还提出了一种被提供有前述系统的空间运载载具。
因此，这种系统有可能使运载载具的操作者免受由要在使用失油液压系统时实施的安全措施所生成的操作约束，在该失油液压系统中，能源由以200巴压缩空气来高度加压的大罐的油组成。此外，这种系统可以从热电池来供电，热电池具有只要热电池不被激活即为惰性的特定特征，热电池还允许运载载具的操作者免受与使用蓄电电池相关联的操作约束。
根据本发明的另一方面，还提出了一种包括至少一个前述开关模式功率转换器的用于卫星的天线或太阳能板的至少一个引导设备的控制系统，电接收器为电动机并且功率转换器为逆变器。
因此，转换器的端子处的过电压电平相对于由其它系统引起的电平可以是有限的，这允许系统的更加适当的尺寸确定。
根据本发明的另一方面，还提出了一种被提供有前述控制系统的卫星。
根据本发明的另一方面，还提出了一种包括至少一个前述开关模式功率转换器的卫星的电源系统，电接收器为多相变换器并且功率转换器为逆变器或斩波器。
因此，转换器的端子处的过电压电平相对于由其它系统引起的电平可以是有限的，这允许系统的更加适当的尺寸确定。
根据本发明的另一方面，还提出了一种被提供有前述电源系统的卫星。
更一般而言地，本发明可以应用于要求控制过电压的任意应用，甚至可以应用于空间站。
附图说明
在研究被描述为非限制性示例并且被所附附图示出的一些实施例后将更好地理解本发明，在附图中：
图1a和图1b示意性地示出了针对电接收器的正相电流的、逆变器H桥的操作中的电压的切换时段的五个时刻；
图2a和图2b示意性地示出了针对电接收器的负相电流的、逆变器H桥的操作中的电压的切换时段的五个时刻；
图3a和图3b示意性地示出了针对具有三个相位和中性点的电接收器的、逆变器的操作中的电压的切换时段的七个时刻；
图4a和图4b分别示出了根据本发明的一个方面的当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时开关模式功率转换器的详细半臂和合成半臂；
图4c、图4d、图4e、图4f、图4g、图4h、图4i和图4j交替地以详细和示意性的方式示出了根据本发明的各种方面的当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时开关模式功率转换器的半臂；
图5a和图5b表示根据本发明的方面的当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时开关模式功率转换器的臂，并且图5c表示根据本发明的方面的当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时两个臂的块，其可以例如用作H桥或用作开关模式功率转换器的双臂；
图6a和图6b表示根据本发明的各种方面的被提供有用于奇数总数的臂的附加臂的两个臂的块的产生的示例。
图7a和图7b示出了针对分别针对正电流和负电流的电接收器相位的、用作H桥的两个臂的块中的电流的循环；以及
图8a示出了奇数个相位的情况，在该情况中是电接收器的三个相位和中性点；以及
图8b和图8c示出了图6a和图6b的块中的电流的循环，其中电接收器具有三个相位和中性点。
在不同的附图中，具有相同附图标记的元件是相同的。在以下示例中，N为2，但是显然，所描述的示例作为变型而适用于任意N值。
具体实施方式
图1a和图1b表示针对电接收器的正相电流的、逆变器H桥的操作中的电压的切换时段的五个时刻。正相电流表示经由相位的有源端子(其由图中的大的点标识)进入并且经由相位的返回端子离开的电流。相位的端子的有源和返回表示由电接收器的制造商根据由电接收器内的相位所产生的磁场的方向来确定。
图1a表示控制诸如电动机之类的电接收器的相位Phase的逆变器H桥，其包括正电源DCBUS+和负电源DCBUS-，以及H桥的两个臂Bras_1和Bras_2。
H桥的第一臂Bras_1包括两个开关I1a、I1b以及两个二极管D1a、D1b，并且H桥的第二臂Bras_2包括两个开关I2a、I2b以及两个二极管D2a、D2b。
图1b表示针对分别在点S1和S2处测量的相对于两个臂Arm_1、Arm_2的DCBUS-电源线的电压的、H桥中的正相电流的切换时段的五个连续时刻T1、T2、T3、T4和T5。
时刻T1和T5对应于第一臂Arm_1的开关I1a和第二臂Arm_2的开关I2a闭合或有效的情况，其中相电流通过正电源线DCBUS+回送；这些延迟对应于正“续流(freewheel)”，如虚线箭头F1所示出。
“续流”应理解为如下意思。如果需要将电流的某个电平从电压源传送到电感或感应线圈中，则最优的方式是采用开关并且递送至电感常规电压脉冲，其值(单位为伏)和持续时间(单位为秒)使得电感中的电流根据定理而增加，其中i表示电流强度(单位为安)，L表示电感(单位为亨)，并且e表示电动势(单位为伏)。电感的问题在于电流不能被突然中断；实际上，根据同一定理，快速地抵消现有电流需要在电感的端子处产生无穷大电压。另外，电流i通过的电感包含存储的能量W＝1/2Li2；只要电流循环，该能量就保持存储在电感中，包括其被短路的情况；相比之下，如果外部电路迫使其产生电压，则其能量降低。另外，为了给电感供电，需要使电感的电源时段与所谓的“续流”时段交替，在“续流”时段期间先前在电感中循环的电流在可能的最低电压下由外部电路维持，以便在电感中保存能量。
在某种程度上如在自行车的情况中那样，“续流”是这样的时段，在该时段期间电流循环而不导致电感中存储的能量的显著增加或减少。
时刻T2和T4对应于第一臂Arm_1的开关I1a和第二臂Arm_2的开关I2b闭合或有效的情况，其中相电流源自正电源线DCBUS+到负电源线DCBUS-；这些延迟对应于能量的传输，如虚线箭头F2所示出。
时刻T3对应于第一臂Arm_1的开关I1b和第二臂Arm_2的开关I2b闭合或有效的情况，其中相电流通过负电源线DCBUS-回送；该延迟对应于负“续流”，如实线或连续线箭头F3所示出。
图2a和图2b表示针对电接收器的负相电流的、逆变器H桥的操作中的电压的切换时段的五个时刻。负相电流表示通过经由相位的返回端子进入并且经由相位的有源端子离开的电流，其由图中的点标识。相位的端子的有源和返回表示由电接收器的制造商根据由电接收器内的相位所产生的磁场的方向来确定。
图2a表示控制诸如电动机之类的电接收器的相位Phase的逆变器H桥，其包括正电源DCBUS+和负电源DCBUS-，以及H桥的两个臂Bras_1和Bras_2。
H桥的第一臂Arm_1包括两个开关I1a、I1b以及两个二极管D1a、D1b，并且H桥的第二臂Arm_2包括两个开关I2a、I2b以及两个二极管D2a、D2b。
图2b表示针对分别在点S1和S2处测量的相对于两个臂Arm_1、Arm_2的DCBUS-电源线的电压的、H桥中的负相电流的切换时段的五个连续时刻T1、T2、T3、T4和T5。
时刻T1和T5对应于第一臂Arm_1的开关I1a和第二臂Arm_2的开关I2a闭合或有效的情况，其中相电流通过正电源线DCBUS+回送；这些延迟对应于正“续流”，如虚线箭头F4所示出。
时刻T2和T4对应于第一臂Arm_1的开关I1b和第二臂Arm_2的开关I2a闭合或有效的情况，其中相电流源自正电源线DCBUS+到负电源线DCBUS-；这些延迟对应于能量的传输，如虚线箭头F5所示出。
时刻T3对应于第一臂Arm_1的开关I1b和第二臂Arm_2的开关I2b闭合或有效的情况，其中相电流通过负电源线DCBUS-回送；该延迟对应于负“续流”，如实线或连续线箭头F6所示出。
图3a和图3b表示针对电接收器的、具有三个臂的逆变器的操作中的电压的切换时段的七个时刻，该电接收器例如为具有三个相位Phase1、Phase2、Phase3以及中性点Neutral的电动机。
图3a表示具有三个臂Arm_1、Arm_2和Arm_3的逆变器，其包括正电源DCBUS+和负电源DCBUS-。
逆变器的第一臂Arm_1包括两个开关I1a、I1b以及两个二极管D1a、D1b，H桥的第二臂Arm_2包括两个开关I2a、I2b以及两个二极管D2a、D2b，并且第三臂Arm_3包括两个开关I3a、I3b以及两个二极管D3a、D3b。
图3b表示针对分别在点S1、S2和S3处测量的相对于三个臂Arm_1、Arm_2和Arm_3的DCBUS-电源线的电压的、逆变器中的正相电流的切换时段的七个连续时刻T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7。
将具有M个相位的逆变器的操作分解成2M+1个时段，在所描述的情况中的该特定情况下，具有三个相位的逆变器的操作分解成七个时刻或者七个连续的延迟T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7。
以下图3b示出了具有三个臂Arm_1、Arm_2和Arm_3的三相逆变器Phase1、Phase2、Phase3的操作，其包括七个操作时段T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7(为了说明的需要，其操作被设置在+15°，这使得电流在其余弦三相参考坐标系中以+97％、-70％以及-27％的相应比例分布)。
时刻T1和T7对应于第一臂Arm_1的开关I1a、第二臂Arm_2的开关I2a和第三臂Arm_3的开关I3a闭合或有效的情况，其中相电流通过正电源线DCBUS+回送，该时间对应于正“续流”，如箭头F7、F8和F9所示出。
时刻T2和T6对应于第一臂Arm_1的开关I1a、第二臂Arm_2的开关I2a和第三臂Arm_3的开关I3b闭合或有效的情况，其中相位Phase3的电流源自于DCBUS+电源，在该时间期间应用能量的传输，同时相位Phase2的电流仍然处于正“续流”模式中；相位Phase1的电流为其它两个电流的和，如箭头F10、F8和F12所示出。
时刻T3和T5对应于第一臂Arm_1的开关I1a、第二臂Arm_2的开关I2b和第三臂Arm_3的开关I3b闭合或有效的情况，其中相位Phase2和Phase3的电流源自于DCBUS+电源，在该时间期间应用能量的传输；相位Phase1的电流为其它两个电流的和，如箭头F10、F11和F12所示出。
时刻T4对应于第一臂Arm_1的开关I1b、第二臂Arm_2的开关I2b和第三臂Arm_3的开关I3b闭合或有效的情况，其中相位Phase1、Phase2、Phase3的相电流通过负电源线DCBUS-回送，该延迟对应于负“续流”，如箭头F13、F14和F15所示出。
如上所述，相电流继而传递通过臂Arm_1和Arm_2的“顶部”和“底部”，具有大约1A/ns的上升和下降时间。另外，分布在电路中的杂散电感以1伏特/nH的速率生成过电压。这些杂散电感分布在逆变器臂中，并且还分布在“DCBUS”链路中。
给定单个线路发展出10nH/cm，在没有预防措施的情况下，15厘米的逆变器半臂为具有大约150V的过电压的基座，换言之，超过航空电压(270V dc)的一半，甚至是一些运载载具应用的整个电源电压(Ariane 5ME和Ariane6，顶层阶段：150V)。
这些过电压要求部件的尺寸超大并且设备的产生技术也能够承受部件中它们生成电荷的速率。
例如，由320V电池供电的逆变器可以以650V芯片来产生，其中对于IGBT而言表面积为100mm2，对于二极管而言表面积为38mm2。当过电压要求使用具有较高电压承受强度的部件时，必须使用1200V芯片；对于较高电压的承受力意味着具有较厚的芯片。现在，如IGBT的二极管在芯片的厚度中传导电流，使得为了保存相同的传导损耗而将IGBT的表面积改变为193mm2并且将二极管的表面积改变为81mm2。
当前，市场上没有提供产品目录可用的、具有高可靠性、甚至具有工业等级的混合模块，其通过冗余而并入对故障的容忍。
因此有必要构建分立解决方案，其本质上将既不是极度紧凑并且因此遭受过电压的，也不是热优化并且因此尺寸过大的，即，开发特定的混合电路，这将使得有可能利用本发明的所有优点。
本发明实现了在不重新配置的情况下解决对故障的容忍问题所需的功率部件的最小冗余。
通过对冗余的优化，本发明使得有可能定义紧凑的实施方式，其通过大幅减小杂散电感来在减小其切换过电压的同时增强逆变器的性能水平。
提出的架构应用于具有由H桥控制的至少三个相位的电动机；其基于以下三点观察：
-具有由矢量控制技术(Park、Concordia变换)控制的n个相位的多相电动机具有能够在失效相位通过开路而损耗时在n-1相位上自然运行的设施；
-没有故障模式可以使电池短路而不会造成故障传播的风险；以及
-续流二极管的损耗导致电动机的对应相位的电感发展出电压，所述电压造成传播故障的风险。
在此基础上，对提出的解决方案的简单故障的容忍依赖于两个手段：
-电源开关串联冗余。
因此，开关的开路故障对应于开路相位，这是可接受的，并且短路故障由串联冗余规避，这是被要求的。此外，开关的短路故障不会导致电池或电动机相位的短路，这是被要求的。
-功率二极管串联和并联冗余。
因此，二极管的开路故障由并联二极管补偿，这是被要求的，并且短路故障由串联冗余规避，这是被要求的。此外，二极管的短路故障不会导致电池或电动机相位的短路，这是被要求的。
本发明中发展出的所有构思可适用于用分立部件产生的逆变器，但是，本发明在功率混合方面的实施方式使得有可能凭借通过混合化的解决方案的增大的紧凑性的倍增效应从杂散电感减小技术中得到最大益处。
而且，根据功率部件的负或正温度系数将功率部件分组在一起或分开使得有可能优化部件之间的电流划分。
图4a和4b分别示出了当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时诸如逆变器、斩波器或调光器的开关模式功率转换器的详细半臂4a和合成半臂4b，开关模式功率转换器被配置为控制具有至少三个相位的多相电接收器的至少一个相位，所述多相电接收器例如电动机或变压器，其包括至少两个转换器臂。该实施例决不是限制性的。
开关可以包括至少一个绝缘栅双极型晶体管或IGBT，和/或至少一个绝缘栅场效应晶体管或MOSFET，其代表“金属氧化物半导体场效应晶体管”。在所描述的示例中，以非限制性方式，开关是绝缘栅双极型晶体管或IGBT。
图4a示出了当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时开关模式功率转换器的半臂40的详细表示。
开关模式功率转换器臂的这种半臂40包括：第一组ENS1P2≥2个串联的开关，在该情况下两个开关I1、I2串联布置；第二组ENS2P≥2个串联的开关，在该情况下两个开关I3、I4串联布置；以及第三组ENS3二极管，其布置在第一组ENS1和第二组ENS2之间，包括M≥2个子集SE1、SE2、...SEM，被标为i∈[[1；M]]，在该情况下，两个子集SE1、SE2串联，分别包括并联的Ni≥2个二极管，在该情况下分别是并联的两个二极管，D1和D2以及D3和D4。
各种连接由连接电线41a表示，并且由低级连接电线41b表示。
开关I1、I2、I3、I4的发射极连接E1、E2被用作用于开关I1、I2、I3、I4的控制的返回。
晶体管开关I1、I2、I3、I4的栅极连接G1、G2、G3、G4用于开关I1、I2、I3、I4的控制。
二极管的子集SE1、SE2的串联连接的中点DT1可以用于自测试。
该半臂40的外部连接被引用为A、B、C、D、E和F，以便能够在以下概要表示中识别它们。
图4b是图4a的概要版本。
二极管的主要特性之一是其负温度系数。那意味着在给定电流通过的二极管的端子处记录的正向电压随着二极管的温度升高而减小。
在并联二极管连接的情况下，它们之间的电流的划分取决于它们各自的电流/电压特性。如果二极管之间出现温度差，则最热的二极管被通过更大的电流，这反过来进一步加热所述二极管，从而具有失控的可能性。
此外，提出的实施方式规定将相同铜表面上的并联的二极管分组在一起，使得当一个二极管加热时，其也加热其它二极管，从而往往保持良好的电流分布。
与二极管不同，IGBT或开关的主要特性之一是其正温度系数。那意味着在给定的集电极电流通过的饱和IGBT的端子处记录的集电极和发射极之间的电压随着IGBT的温度的升高而增大。
仅就二极管而言，在并联IGBT连接的情况下，它们之间的电流的划分取决于它们各自的电流/电压特性。相比之下，如果IGBT之间出现温度差，则最热的IGBT被通过较低的电流，这反过来更少加热所述IGBT，这使其有可能在每个IGBT可以将其温度自由改变的情况下稳定IGBT之间的电流的划分。
此外，提出的实施方式规定了在不同的和单独的铜表面上将并联的IGBT分离，使得在其中一个IGBT加热的情况下，与其它IGBT的热隔离允许其自由地加热，而不干扰其它IGBT，从而往往保持良好的电流分布。
这里应当注意的是，所使用的衬底由其上焊接有芯片的铜层组成，所述铜层处于氧化铝类型的陶瓷上，所述氧化铝类型的陶瓷被安装在与散热器直接或间接接触的第二铜层上。通过具有比功率混合的堆叠体中的顶部铜面的热阻更高的热阻的陶瓷的存在，热功率优选地在所有顶部铜表面中(水平地)，这使得其它元件的加热对于该铜层而言是共同的，并且具体而言这是针对二极管寻求的效果。
相比之下，由于陶瓷下面的接口是良好的热导体，所以热量在陶瓷中大体上等同地水平和垂直传输，使得从与陶瓷厚度相等的距离处，将不存在“热串扰”；这是针对IGBT寻求的效果。如前所述，相电流在二极管和功率开关之间切换，所以，由于电流的变化速率是迅速的，所以越小的杂散电感生成越小的切换过电压。
在正电流的情况下，相电流分别在组ENS1和ENS2(在一方面)和组ENS3之间切换，以用于图4C中的输出42。
本发明规定了：
-将并联连接的二极管组组装在单个表面上；以及
-将二极管组置于开关组的中间，所述开关组被分成其中分布电流的两个分支。方案的其余部分根据相同原则来实施。
相电流在由二极管组ENS3的组组成的中央分支中循环，或者在IGBT的两个分支ENS1、ENS2之间被划分。
分支ENS3与具有IGBT的单元ENS1、ENS2上的二极管之间的强互感耦合(反之亦然)使切换电感非常低，这是寻求的目标。
先前阐述的原则使得有可能设计出允许对功率混合的设计进行有力优化的电路。
在切换期间，在所谓的续流相位，电流通过电源线在H桥的逆变器臂之间交换。
根据这些线的杂散电感，在有源部件的端子处生成过电压。
本发明提出了背靠背放置逆变器臂，使得两个逆变器臂之间的电流的交换尽可能直接，因此具有尽可能小的电感。
图4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j交替地以详细和示意性的方式示出根据本发明的各个方面的当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时例如逆变器、斩波器或调光器的开关模式功率转换器的半臂，开关模式功率转换器被配置为控制具有至少三个相位的多相电接收器的至少一个相位，所述多相电接收器例如电动机或变压器，其包括至少两个转换器臂。
这些图示出了图4a和图4b的半臂40，其以各种方式与功率接口和共面电源DCBUS连接。
图4c表示左边实施方式中的当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时的开关模式功率转换器的正半臂41，其用于正用途，即，其中第一和第二组ENS1、ENS2连接到正电源线DCBUS+。
这种正半臂41包括半臂40，其第一和第二组ENS1、ENS2连接到共面电源DCBUS的正电源线DCBUS+，所述DCBUS包括正线DCBUS+和负线DCBUS-，其被布置为将转换器的两臂分开，并且包括用于每个臂的功率接口，例如汇流条或配电条。
每个功率接口被布置为使得对应臂的两个半臂位于共面电源DCBUS和对应的功率接口之间。不同的连接由连接电线41a表示，并且由低级连接电线41b表示。
在半臂的当前实施方式中，功率接口或相位输出42被表示在左边。
图4d是图4c的概要版本。
图4e表示右边实施方式中的当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时的开关模式功率转换器的正半臂43，其用于正用途，即，其中第一和第二组ENS1、ENS2连接到正电源DCBUS+。
这种正半臂43包括半臂40，其第一和第二组ENS1、ENS2连接到共面电源DCBUS的正线DCBUS+，所述DCBUS包括正线DCBUS+和负线DCBUS-，其被布置为将转换器的两臂分开，并且包括用于每个臂的功率接口，例如汇流条或配电条。
每个功率接口被布置为使得对应臂的两个半臂位于共面电源DCBUS和对应的功率接口之间。各种连接由连接电线41a表示，并且由低级连接电线41b表示。
在当前的半臂实施方式中，功率接口44被表示在右边。
图4f是图4e的概要版本。
图4g表示左边实施方式中的当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时的开关模式功率转换器的负半臂45，其用于负用途，即，其中第一和第二组ENS1、ENS2连接到负电源线DCBUS-。
这种负半臂45包括半臂40，其第一和第二组ENS1、ENS2连接到共面电源DCBUS的负电源线DCBUS-，所述DCBUS包括正线DCBUS+和负线DCBUS-，其被布置为将转换器的两臂分开，并且包括用于每个臂的功率接口，例如汇流条或配电条。
每个功率接口被布置为使得对应臂的两个半臂位于共面电源DCBUS和对应的功率接口之间。各种连接由连接电线41a表示，并且由低级连接电线41b表示。
在半臂的当前实施方式中，功率接口或相位输出46被表示在左边。
图4h是图4g的概要版本。
图4i表示右边实施方式中的当P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2时的开关模式功率转换器的负半臂47，其用于负用途，即，其中第一和第二组ENS1和ENS2连接到负电源线DCBUS-。
这种负半臂47包括半臂40，其第一和第二组ENS1、ENS2连接到共面电源DCBUS的负线DCBUS-，所述DCBUS包括正线DCBUS+和负线DCBUS-，其被布置为将转换器的两臂分开，并且包括用于每个臂的功率接口，例如汇流条或配电条。
每个功率接口被布置为使得对应臂的两个半臂位于共面电源DCBUS和对应的功率接口之间。各种连接由连接电线41a表示，并且由低级连接电线41b表示。
在半臂的当前实施方式中，功率接口48被表示在右边。
图4f是图4e的概要版本。
针对以下附图，出于表示的目的，仅使用了概要版本。
图5a和图5b以详细和概要的形式表示根据本发明的一个方面的开关模式功率转换器的臂，其中P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2，并且图5c表示可以例如用作H桥或开关模式功率转换器的双臂的两个臂的块。
图5b表示利用左边实施方式的开关模式功率转换器的臂50，其中P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2，其由两个半臂41、45组成，它们中的一者41(正半臂)是根据图4c或图4d，并且另一者45(负半臂)是根据图4g或图4h。功率接口DCBUS对应于功率接口42或46，在该情况下是等同的。
图5a表示利用右边实施方式的开关模式功率转换器的臂52，其中P＝2、M＝2、N1＝2且N2＝2，其由两个半臂47、43组成，它们中的一者43(正半臂)是根据图4d或图4e，并且另一者47(负半臂)是根据图4i或图4j。功率接口53对应于功率接口44或48，在该情况下是等同的。
图5c表示根据本发明的一个方面的两个臂50、52的块55，其是根据图5b的在左边实现的臂50和根据图5a的在右边实现的臂52的组合，所述块55可以例如用作H桥或开关模式功率转换器的双臂。显然，所有这些实施例都是非限制性的，这是因为它们可以被改造成不同的几何形状。
图6a和图6b表示根据两个非限制性实施例的包括根据图5c的两个臂的块55的块60的产生的示例，所述块60被提供有用于奇数总数的臂的附加臂57、62。
图6a的实施例表示包括根据图5c的两个臂的块55的块60，所述块60被提供有附加臂57，附加臂57包括布置在扩展共面电源DCBUS的任一侧上的两个半臂57a、57b。在实施例中，附加臂57包括利用左边实施方式57a的负半臂以及利用右边实施方式57b的正半臂。附加臂57还包括功率接口58，功率接口58分别包括用于两个半臂57a、57b中的每个半臂的部分58a、58b，其被布置为使得对应的半臂57a、57b位于共面电源DCBUS和功率接口的对应部分(或者换言之，功率接口58a、58b的延伸)之间。在该情况下，附加臂57的功率接口58因此包括形成U的三个部分58a、58b和58c。
图6b的实施例表示包括根据图5c的两个臂的块55的块60，所述块60被提供有附加臂62。块60还包括共面电源的附加部分DCBUSadd以及附加臂62的功率接口63，附加部分DCBUSadd被布置在一端并且沿与共面电源DCBUS的其余部分不同的方向，功率接口63被布置为使得附加臂62位于共面电源的所述附加部分DCBUSadd与所述对应的功率接口63之间。
共面电源的附加部分DCBUSadd可以有利地与共面电源DCBUS的其余部分大体上成直角。
在该情况下，共面电源DCBUS、DCBUSadd形成颠倒的T。
在切换期间，在所谓的“续流”相位中，电流通过电源线DCBUS+、DCBUS-在H桥的逆变器臂之间交换。取决于这些线的杂散电感，其中会生成过电压。
本发明提出了背靠背放置逆变器臂，使得两个逆变器臂之间的电流交换尽可能直接，因此具有尽可能小的电感。
图7a示出了在正相电流的情况下在用作用于电接收器相位Phase的H桥的两个臂的块55中的电流的循环。
对于正电源条DCBUS+中的“续流”，电流跟随由点线箭头指示的路径。
对于负电源条DCBUS-中的“续流”，电流跟随由实线或连续线箭头指示的路径。
虚线箭头指示在有效时段期间电流的循环。在该时段期间，电流源自电压为VDCBUS的DCBUS源，所述VDCBUS对应于由源向相位递送的能量。
图7b示出了在负相电流的情况下在用作用于电接收器相位Phase的H桥的两个臂的块55中的电流的循环。
对于正电源条中的“续流”，电流跟随由虚线箭头指示的路径。
对于负电源条中的“续流”，电流跟随由实线或连续线箭头指示的路径。
虚线箭头指示在有效时段期间电流的循环。在该时段期间，电流源自电压为VDCBUS的DCBUS源，所述VDCBUS对应于由源向相位递送的能量。
图8a示出了电接收器的奇数(2M+1)个相位的情况，在该情况下是电接收器的三个相位Phase1、Phase2、Phase3和中性点。
例如旋转360°的电动机的电接收器，每个相位(取三相的情况)相移120°，但每个相位看到类型I＝Io cos(ωt+θ)的电流，其中θ分别为0、120°和240°。
跟随图8a的表格可以找到值得注意的角度(每60°)，所以有可能更容易地研究用于值得注意的角度的切换电流的循环。
此外，如图8b的图中表示的，自动地与中性点Neutral连接。
图8b和图8c示出了在值得注意的角度0°的情况下(其中，三个电流具有各自的比例：1、-0.5、-0.5)的图6a和图6b的块中的电流的循环，其中电接收器具有三个相位和中性点。
根据电流循环的两个图8b和图8c，奇数相位的电切换电流通过DCBUS汇流条(DCBUS+和DCBUS-)返回；如果共面汇流条质量良好，则电感非常低，这是由于实线或连续线、虚线和点线图之间的路径差异极小。
在图8c的倒T型设计和图8b的U型设计之间的选择将由实施方式来决定，对于所述实施方式，为奇数相位的两个半臂供电所需的DCBUS段的杂散电感将是最低的。
而且，本发明解决了故障容忍要求，包括控制电路的故障。
通过将杂散电感减小到最小值，解决方案使得有可能使用根据电压更好地设定尺寸的部件，这带来功率转换器中的更低的焦耳损耗，因此带来更高的效率和最佳的热尺寸设定。
通过将杂散电感减小到它们的最小值，本发明使得有可能更好地利用电源电压。
通过促进解决方案的紧凑性，本发明减轻了其重量，这是在运载载具和卫星领域中重要的标准。

Claims (20)

1.一种开关模式功率转换器，其被配置为控制具有至少三个相位的多相电接收器的至少一个相位，所述开关模式功率转换器包括两个转换器臂的至少一个块，其中，转换器臂的半臂(40、41、43、45、47)包括：
-第一组(ENS1)P≥2个串联的开关(I1、I2)；
-第二组(ENS2)P≥2个串联的开关(I3、I4)，所述第二组(ENS2)并联电连接在共面电源(DCBUS)的电源线(DCBUS+、DCBUS-)与功率接口(51、53)之间；以及
-第三组(ENS3)二极管(D1、D2、D3、D4)，所述第三组(ENS3)被布置在所述第一组(ENS1)和所述第二组(ENS2)之间，包括串联的M≥2个子集(SE1、SE2、...、SEM)，被标为所述子集分别包括并联的Ni≥2个二极管，所述第三组(ENS3)电连接在所述功率接口(51、53)和所述共面电源(DCBUS)的另一电源线(DCBUS+、DCBUS-)之间。
2.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中，所述M个子集(SE1、SE2)包括相同数量Ni的并联的二极管。
3.根据前述权利要求中的一项所述的开关模式功率转换器，包括至少一个温度传感器。
4.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中，所述第一组(ENS1)的开关是对齐的和/或所述第二组(ENS2)的开关是对齐的和/或所述第三组(ENS3)的二极管的所述子集(SE1、SE2)是对齐的。
5.根据前述权利要求中的一项所述的开关模式功率转换器，其中，两个臂的块(55)包括共面电源(DCBUS)，所述共面电源(DCBUS)被提供有正线(DCBUS+)和负线(DCBUS-)，被布置为将所述转换器的两个臂(50、52)分开，并且包括用于每个臂的功率接口(51、53)，每个功率接口被布置为使得对应的臂的两个半臂((41、45)、(43、47))位于所述共面电源(DCBUS)和对应的功率接口(51、53)之间。
6.根据权利要求5所述的开关模式功率转换器，其中，形成所述转换器的两个臂的块(52)的臂(50、52)的两个半臂包括：
-正半臂(41、43)，其包括连接在所述共面电源(DCBUS)的所述负线(DCBUS-)和对应的功率接口(51、53)之间的第三组(ENS3)，以及连接在所述共面电源(DCBUS)的所述正线(DCBUS+)和对应的功率接口(51、53)之间的第一组(ENS1)和第二组(ENS2)，以及
-负半臂(45、47)，其包括连接在所述共面电源(DCBUS)的所述正线(DCBUS+)与对应的功率接口(51、53)之间的第三组(ENS3)，以及连接在所述共面电源(DCBUS)的所述负线(DCBUS-)和对应的功率接口(51、53)之间的第一组(ENS1)和第二组(ENS2)。
7.根据权利要求6所述的开关模式功率转换器，其中，所述转换器的两个臂的块(55)的臂(50、52)的负半臂(45、57)被布置成相对于所述共面电源(DCBUS)面对所述转换器的两个臂的块中的另一臂的正半臂(41、43)。
8.根据前述权利要求中的一项所述的开关模式功率转换器，其中，当臂的数量为奇数时，所述转换器包括两个臂的所述块(55)，并且两个臂的块(55)被提供有附加臂(57、62)。
9.根据权利要求8所述的开关模式功率转换器，其中，两个臂的所述块(55)被提供有附加臂(57)，所述附加臂(57)包括被布置在扩展共面电源(DCBUS)的任一侧上的两个半臂(57a、57b)、以及所述附加臂(57)的功率接口(58)，所述功率接口(58)分别包括用于所述两个半臂(57a，57b)中的每个半臂的部分(58a，58b)，所述部分(58a，58b)被布置为使得对应的半臂(57a，57b)位于所述共面电源(DCBUS)和对应的功率接口(58)的所述部分(58a，58b)之间。
10.根据权利要求8所述的开关模式功率转换器，其中，被提供有附加臂(62)的两个臂的所述块(55)还包括：共面电源(DCBUS)的附加部分(DCBUSadd)，所述附加部分(DCBUSadd)被布置在一端并且在与所述共面电源的其余部分不同的方向上；以及所述附加臂(62)的功率接口(63)，所述功率接口(63)被布置为使得所述附加臂(62)位于共面电源的所述附加部分(DCBUSadd)和所述对应的功率接口(63)之间。
11.根据权利要求10所述的开关模式功率转换器，其中，共面电源(DCBUS)的所述附加部分(DCBUSadd)大体上与所述共面电源的其余部分成直角。
12.根据前述权利要求中的一项所述的开关模式功率转换器，其特性在于，所述开关模式功率转换器是混合的。
13.根据前述权利要求中的一项所述的开关模式功率转换器，其中，所述开关(I1、I2、I3、I4)包括至少一个绝缘栅双极晶体管和/或至少一个绝缘栅场效应晶体管。
14.根据前述权利要求中的一项所述的开关模式功率转换器，所述转换器是逆变器或斩波器。
15.一种空间运载载具的至少一个电汽缸致动器的控制系统，包括至少一个根据前述权利要求中的一项所述的开关模式功率转换器，所述电接收器是电动机并且所述功率转换器是逆变器。
16.一种空间运载载具，被提供有根据权利要求15所述的系统。
17.一种用于卫星的天线或太阳能板的至少一个转向设备的控制系统，包括至少一个根据权利要求1至15中的一项所述的开关模式功率转换器，所述电接收器是电动机，并且所述功率转换器是逆变器。
18.一种卫星，被提供有根据权利要求17所述的控制系统。
19.一种卫星的电源系统，包括至少一个根据权利要求1至14中的一项所述的开关模式功率转换器，所述电接收器是多相变压器，并且所述功率转换器是逆变器或斩波器。
20.一种卫星，被提供有根据权利要求19所述的电源系统。
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