CN108886326A - 使用成排的双向开关的功率分组交换电路 - Google Patents

使用成排的双向开关的功率分组交换电路 Download PDF

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威廉·C·亚历山大
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Abstract

功率分组交换电路(以及方法和系统)，其中至少一个端口使用双向开关的串联连接的组合以通过可选择极性将连结电感器(或变压器)连接到外部线路。视情况，双向开关的串联连接的组合用于一些端口中的相脚，而单个双向开关用于其它端口中的相脚。这在转换器介接在显著不同的操作电压下的线路之间时可能特别有利。通过将B‑TRAN用作开关的组合的串联组合的元件，不需要分压电路来均衡每一组合中的各个装置所见的电压。

Description

使用成排的双向开关的功率分组交换电路
发明专利申请：
威廉·C·亚历山大，
发明人
理想能量有限公司，
转让人
代理人档案号IPB-269
罗伯特·O·格鲁尔，专利代理律师
格温多林·G·科科伦，专利代理人
格鲁尔联营有限责任公司
使用成排的双向开关的功率分组交换电路
交叉引用
本申请主张US 62/329,876的优先权，所述专利文献以引用方式并入本文。
背景技术
本申请涉及功率分组交换功率转换器。
应注意，下文所论述的要点可反映从所公开的发明得到的领悟，并且未必被认为是现有技术。
第7,599,196号美国专利中公开了一种新功率转换器，该美国专利名为“通用功率转换方法(Universal power conversion methods)”，该美国专利全文以引用方式并入本申请中。此专利描述一种双向(或多向)功率转换器，其将电力泵送到由电容器分路的连结电感器中以及从所述连结电感器泵送出。
端口处的开关阵列操作以通过在希望连结电感器+电容器组合的电压改变时完全隔离连结电感器+电容器组合来实现零电压切换。(当电感器+电容器组合在这些时间被隔离时，如同在谐振电路中那样，电感器的电流将改变电容器的电压。这甚至可改变电压的极性，而能量未损耗。)此架构现被称为“电流调制”或“功率分组交换”架构。双向电力开关用于在每一端口处提供从多条线路中的每一条到电轨(即内部线路，连结电感器与其电容器跨过该内部线路连接在一起)的全双极(可逆)连接。
应注意，第7,599,196号专利例如在图22中明确预期PPSA的连结电感器可实施为连结变压器。此实例示出双端口转换器，其中每一端口可以是AC或DC。所述申请中所使用的术语略微不同，而在本申请的术语中，变压器的左侧的电路将被称为一个端口，所述一个端口包含两个相脚，所述两个相脚中的每一个包含两个双向开关；变压器的右侧的电路将被称为另一端口，所述另一端口包含另两个相脚。因此，如此处所说明，具有两个DC端口的转换器将大概实施有四个相脚或总计8个双向开关。(双向开关各自被示出为相对的一对IGBT，当然也可使用其它固态开关实施方案。)
如先前共同拥有的申请所教示，B-TRAN通常在最小导通状态压降的周期之前和之后通过二极管模式开关相来操作。二极管模式开关相强加较大压降(例如，在硅中，约1伏特)，而在全双极传导下，压降是十分之几伏特。这些二极管模式开关相帮助确保进入和离开全双极传导的周期的稳定过渡。
B-TRAN可通过增大半导体衬底的厚度和/或减少半导体衬底的掺杂而定标到较高击穿电压。然而，定标也倾向于减小开关速度。
使用成排的双向开关的功率分组交换电路
本申请特别教示功率分组交换电路，其中至少一个端口使用双向开关的串联连接的组合以将连结电感器连接到外部线路。因此，单个相脚(连接到外部端口的单条线路)将通常预期包含双向开关的两个分开的串联连接的组合：一个将外部线路可选择地连接到连结电感器的一个端子，并且另一个将同一外部线路可选择地连接到连结电感器的另一端子。
在一些但非全部实施方案中，双向开关的串联连接的组合用于连接到一些端口，而单个双向开关用于连接到其它端口。
在一些但非全部实施方案中，连结电感器是变压器，并且双向开关的串联连接的组合用于一些端口中的相脚，而单个双向开关用于其它端口中的相脚。在转换器介接在显著不同的操作电压下的线路之间时，这是特别有利的。
在一些但非全部实施方案中，双向开关的串联连接的组合用于连接到一些端口，而不需要任何分压电路来均衡每一组合中的各个装置所见的电压。
开关的串联连接的组合已用于切换中等电压或高电压。然而，这些配置通常需要特殊措施来均衡跨越各个装置的断开状态压降和/或使导通和/或断开同步。断开状态电压均衡可例如由电阻分压器实施，如图3所示。
本发明者已意识到PPSA架构与成排的装置的使用协同组合。因为PPSA架构固有地提供零电压开关，所以导通和断开被简化。常规硬开关式转换器通常使开关在高正向电压下导通。此举难以使用串联的开关来实现，这是因为开关无法准确地同时导通，从而使最后一个开关仍承受整个总线电压，如此将损坏此最后一个开关。在PPSA中，开关在正向电压下绝不导通，因此导通串联的两个或更多个开关是不困难的。
在一些但非全部实施例中，此能力仅用于连接到不同电压下的端口的转换器的较高电压端口上。例如，当转换器用于从480V线路驱动2400V电动机时，额定值例如为1200V的开关对于480V侧上的每一个脚中的上拉装置和下拉装置来说可能是充足的，而由六个此种开关构成的排以及电容分压器可用于2400V侧上。在这些状况下，连结变压器优选用作连结电感器，其具有与两种端口上的电压额定值(或装置额定值)相匹配的匝数比。
另一可选教示在于分压器可被简化或省去。在一类实施例中，成排的装置在没有任何分压器的情况下操作。在另一类实施例中，电容器梯用于提供电容分压器。不同于电阻分压器，这不具有任何静态功耗。
在PPSA中的双向开关实施为“B-TRAN”开关时，这特别具有增效。B-TRAN是相对新的功率开关装置，其中两个发射极/集电极区域设置在半导体块体的两个相对面上，并且两个基极接触区域分别设置在两个面上。两个基极接触区域并未连在一起，而是独立地操作以提供低导通状态电阻与相对高的电流增益的组合。因为传导是双极的，所以B-TRAN实现极低的正向电压；同时，B-TRAN也与所切换的功率相联系地提供高击穿电压。
附图说明
现将参照附图来描述本发明，附图示出重要的示例实施例，并以引用方式并入本说明书中，其中：
图1示意性地示出一个实例实施方案，其中成排的双向开关用于双端口功率转换器的两个端口上。
图2示出另一实例实施方案，其中成排的双向开关用于变压器耦合式双端口功率转换器的一侧上。
图3示出另一示例实施方案的一个相脚，其中电阻梯用于控制双端口功率转换器中的成排的双向开关中的压降。
图4示出与图1类似的另一示例实施方案，其使用与图3类似的电阻梯。
图5示出又一示例实施方案，其中成排的双向开关用于变压器耦合式双端口功率转换器的两侧上。
具体实施方式
将具体参考当前优选的实施例来描述本申请的各种创新教示(借助实例方式，并且不构成限制)。本申请描述了若干发明，并且下文的陈述总的来说不应视为对权利要求书的限制。
本申请公开功率分组交换功率转换的新方法。
本申请特别教示了功率分组交换电路，其中至少一个端口使用双向开关的串联连接的组合以将连结电感器连接到外部线路。因此，单个相脚(连接到外部端口的单条线路)将通常预期包含双向开关的两个分开的串联连接的组合：一个将外部线路可选择地连接到连结电感器的一个端子，并且另一个将同一外部线路可选择地连接到连结电感器的另一端子。因为两个组合存在于此相脚中，所以至少四个开关必定存在于一个相脚中。
在一些但非全部实施方案中，双向开关的串联连接的组合用于连接到一些端口，而单个双向开关用于连接到其它端口。
在一些但非全部实施方案中，连结电感器是变压器，并且双向开关的串联连接的组合用于一些端口中的相脚，而单个双向开关用于其它端口中的相脚。在转换器介接在显著不同的操作电压下的线路之间时，这可能特别有利。
在一些但非全部实施方案中，双向开关的串联连接的组合用于连接到一些端口，而不需要任何分压电路来均衡每一组合中的各个装置所见的电压。
开关的串联连接的组合已用于切换中等电压或高电压。然而，这些配置通常需要特殊措施来均衡各个装置两侧的断开状态压降和/或使导通和/或断开同步。断开状态电压均衡可例如由电阻分压器实施，如图3所示。
本发明者已意识到PPSA架构与成排的装置的使用协同组合。因为PPSA架构固有地提供零电压开关，所以导通和断开被简化。按照惯例，硬开关式转换器通常使开关在高的正向电压下导通。此举难以使用串联的开关来实现，这是因为开关无法精确地同时开启，从而使最后一个开关仍承受整个总线电压，如此将损坏此最后一个开关。在PPSA中，开关在正向电压下绝不导通，因此导通串联的两个或更多个开关是不困难的。
在一些但非全部实施例中，此能力仅用于连接到不同电压下的端口的转换器的较高电压端口上。例如，当转换器用于从480V线路驱动2400V电动机时，额定值例如为1200V的开关对于480V侧上的每一支脚的上拉装置和下拉装置来说可能是充足的，而六个此种开关的排以及电容分压器可用于2400V侧上。在这些状况下，连结变压器优选用作连结电感器，其具有与两种端口上的电压额定值(或装置额定值)相匹配的匝数比。
另一可选教示在于分压器可被简化或省去。在一类实施例中，成排的装置在没有任何分压器的情况下操作。在另一类实施例中，电容器梯用于提供电容分压器。不同于电阻分压器，这不具有任何静态功耗。
在PPSA中的双向开关实施为“B-TRAN”开关时，这特别具有增效。B-TRAN是相对新的功率开关装置，其中两个发射极/集电极区域设置在半导体块体的两个相对面上，并且两个基极接触区域分别设置在两个面上。两个基极接触区域并未连在一起，而是独立地操作以提供低导通状态电阻与相对高的电流增益的组合。因为传导是双极的，所以B-TRAN实现极低的正向电压；同时，B-TRAN也与所切换的功率相联系地提供高击穿电压。
如先前共同拥有的申请所教示，B-TRAN通常在最小导通状态压降的周期之前和之后通过二极管模式开关相来操作。二极管模式开关相强加较大压降(例如，在硅中，约1伏特)，而在全双极传导下，压降是十分之几伏特。这些二极管模式开关相帮助确保进入和离开全双极传导的周期的稳定过渡。然而，次要益处在于，两个B-TRAN可通过相同基极驱动信号来串联地操作，并且二极管模式开关相有助于使两个B-TRAN的串联组合进入和离开最小压降的周期的过渡变得稳定。
B-TRAN可通过增大半导体衬底的厚度和/或减少半导体衬底的掺杂而定标到较高击穿电压。然而，定标也倾向于减小开关速度。因此，使用B-TRAN的串联连接的组合的另一优点在于，串联组合的开关速度可比较高电压下的单个B-TRAN将具有的开关速度更快。
图1示意性地示出一个实例实施方案，其中六个成排的双向开关用于双端口功率转换器的两个端口上。在此实例中，各个开关是B-TRAN装置。两个栅极受到控制以实施先前B-TRAN申请中所述的开关相的序列。
图2示出另一实例实施方案，其中六个成排的双向开关用于变压器耦合式双端口功率转换器的一侧上。变压器耦合将固有地提供更多隔离，并且也可用于提供在变压器的两侧上介接的不同电压。
图3示出另一示例实施方案的一个相脚，其中电阻梯用于控制双端口功率转换器中的成排的双向开关中的压降。此实施方案较不优选，但仍可提供优点。
图4示出与图1类似的另一示例实施方案，其使用与图3类似的电阻梯。此实施方案较不优选，但仍可提供优点。
图5示出又一示例实施方案，其中成排的双向开关用于变压器耦合式双端口功率转换器的两侧上。此处，四个成排的双向开关用于每一相脚上。同样，此实施方案某种程度上并非优选的，但仍可提供优点。
在各种实施例中，所公开的创新提供至少以下优点中的一个或更多个。然而，并不是所有这些优点都源自所公开的创新中的每一个，并且此优点列表不限制各种要求保护的发明。
·功率转换系统中提高的效率；
·具有较高耐用性的功率转换系统；
·具有较高击穿电压的功率转换系统；
·具有较低导通电阻的功率转换系统；
·具有较低成本的功率转换系统。
根据一些但未必全部的实施例，提供：功率分组交换电路(以及方法和系统)，其中至少一个端口使用双向开关的串联连接的组合以通过可选择极性将连结电感器(或变压器)连接到外部线路。视情况，双向开关的串联连接的组合用于一些端口中的相脚，而单个双向开关用于其它端口中的相脚。在转换器介接在显著不同的操作电压下的线路之间时，这可能特别有利。通过将B-TRAN用作开关的组合的串联组合的元件，不需要分压电路来均衡每一组合中的各个装置所见的电压。
根据一些但未必全部的实施例，提供：一种功率转换方法，包括以下重复动作：a1)将连结电感器与外部连接完全断开，以因此改变所述连结电感器的电压；以及接着a2)使用第一相脚而将能量驱动到所述连结电感器中，其中所述第一相脚包含将相应外部线路可选择地连接到所述连结电感器的第一端子的双向开关并且还包含将所述同一外部线路可选择地连接到所述连结电感器的第二端子的另一双向开关；b1)将所述连结电感器与外部连接完全断开，以因此再次改变所述连结电感器的所述电压；以及接着b2)经由第二相脚而从所述连结电感器提取能量，其中所述第二相脚包含将另一相应外部线路可选择地连接到所述连结电感器的所述第一或第二端子的双向开关；其中步骤a1持续时间足够长，以使得步骤a2开始时的导通在约零电压下发生；并且其中步骤b1持续时间足够长，以使得步骤b2开始时的断开在约零电压下发生；其中所述相脚中的至少一个包含连接以同步地切换的双向开关的两个串联连接的组合。
根据一些但未必全部的实施例，提供：一种功率转换方法，包括以下重复动作：a1)将连结变压器与外部世界完全断开，以因此改变所述连结变压器的绕组两侧的电压；以及接着a2)使用第一相脚而将能量驱动到所述连结变压器中，其中所述第一相脚包含将相应外部线路可选择地连接到所述连结变压器的第一端子的双向开关并且还包含将所述同一外部线路可选择地连接到所述连结变压器的第二端子的另一双向开关；b1)将所述连结变压器与所述外部世界完全断开，以因此再次改变所述连结变压器的所述电压；以及接着b2)经由第二相脚而从所述连结变压器提取能量，其中所述第二相脚包含将另一相应外部线路可选择地连接到所述连结变压器的可选择端子的两个双向开关；其中步骤a1持续时间足够长，以使得步骤a2开始时的导通在约零电压下发生；并且步骤b1持续时间足够长，以使得步骤b2开始时的断开在约零电压下发生；并且其中所述相脚中的至少一个而不是两个包含两个双向开关的串联连接的组合，它们连接以相互同步地切换而因此作为单个双向开关操作。
根据一些但未必全部的实施例，提供：一种功率转换方法，包括以下重复动作：a)将连结变压器与外部世界完全断开，以因此改变所述连结变压器的绕组两侧的电压；以及接着使用第一相脚而将能量驱动到所述连结变压器中，其中所述第一相脚包含两个双向开关，这两个双向开关各自包括多个双独立基极接触双极晶体管的串联组合；b)将所述链路变压器与所述外部世界完全断开，以因此再次改变所述链路变压器的所述电压；以及接着经由第二相脚而从所述连结变压器提取能量，其中所述第二相脚包含两个双向开关，这两个双向开关各自包括双独立基极接触双极晶体管的串联组合；其中两个相脚在约零电压下导通和断开。
根据一些但未必全部的实施例，提供：一种功率转换器，包括：各自连接到第一外部功率连接的相应线路的多个相脚；每一所述相脚包括两个全双向开关装置，以使得连接到此相脚的所述线路可将电流供给到与电容器并联的连结电感器的任一端子或从该端子接收电流；功率连接多个相脚，各自连接到第二外部功率连接的相应线路；每一所述相脚包括两个双向开关装置，以使得连接到此相脚的所述线路可将电流供给或吸收到所述连结电感器的任一端子或从该端子接收电流；控制电路，其连接以驱动所述开关，以使得在所述连结逆变器的AC振荡的每一完整循环期间，所述连结电感器通过相反极性耦合到所述第一和第二端口的每一所述线路至少两次；其中至少一个所述相脚上的所述双向开关各自包括双向开关的串联连接的组合，所述双向开关的串联连接的组合连接以相互同步地切换而因此作为单个双向开关操作。
如本领域的技术人员所了解，本申请所述的创新概念可在极大范围的应用上修改和变化，并且因此要求专利保护的主题的范围不受任何给出的具体示范性教示限制。希望涵盖落入随附权利要求书的精神和广泛范围内的所有这些替代、修改和变化。
在当前优选的示例实施例中，相脚可具有四个或六个成排的双向开关。在其它实施例中，这可以是不同的。
本申请中的描述的任何内容不应被解读为暗示任何特定元件、步骤或功能是必须包含在权利要求书范围中的必要元素。要求专利保护的主题的范围仅由所允许的权利要求书界定。此外，权利要求书中任何内容不希望援引35USC112的第六段，除非准确用词“用于……的装置”之后接着分词。
本领域的一般技术人员应了解，其它创新概念也可在前文中直接地或推断性地公开。所提交的权利要求书希望尽可能详尽，并且无意将任何主题让出、捐赠、弃权或放弃。

Claims (21)

1.尤其主张(并且除了被本文中被表示为创新性的和/或令人惊讶的和/或有优势的任何 其它要点，不排除其它要点)：
一种功率转换方法，包括以下重复动作：
a1)将连结电感器与外部连接完全断开，以因此改变所述连结电感器的电压；以及接着
a2)使用第一相脚而将能量驱动到所述连结电感器中，其中所述第一相脚包含将相应外部线路可选择地连接到所述连结电感器的第一端子的双向开关并且还包含将所述同一外部线路可选择地连接到所述连结电感器的第二端子的另一双向开关；
b1)将所述连结电感器与外部连接完全断开，以因此再次改变所述连结电感器的所述电压；以及接着
b2)经由第二相脚而从所述连结电感器提取能量，其中所述第二相脚包含将另一相应外部线路可选择地连接到所述连结电感器的所述第一或第二端子的双向开关；
其中步骤a1持续时间足够长，以使得步骤a2开始时的导通在约零电压下发生；并且其中步骤b1持续时间足够长，以使得步骤b2开始时的断开在约零电压下发生；
其中所述相脚中的至少一个包含连接以同步地切换的双向开关的两个串联连接的组合。
2.根据权利要求1所述的功率转换方法，其中所述双向开关是B-TRAN。
3.根据权利要求1所述的功率转换方法，其中所述连结电感器与电容器并联，所述电容器在所述步骤a1)和b1)期间保持连接到所述连结电感器。
4.根据权利要求1所述的功率转换方法，其中所述连结电感器包括变压器。
5.根据权利要求1所述的功率转换方法，其中所述连结电感器包括变压器；并且其中所述变压器由电容器分路，所述电容器在所述步骤a1)和b1)期间保持连接到所述变压器。
6.根据权利要求1所述的功率转换方法，其中双向开关的每一所述串联连接的组合包括至少三个双向开关。
7.一种功率转换方法，包括以下重复动作：
a1)将连结变压器与外部世界完全断开，以因此改变所述连结变压器的绕组两侧的电压；以及接着
a2)使用第一相脚而将能量驱动到所述连结变压器中，其中所述第一相脚包含将相应外部线路可选择地连接到所述连结变压器的第一端子的双向开关并且还包含将所述同一外部线路可选择地连接到所述连结变压器的第二端子的另一双向开关；
b1)将所述连结变压器与所述外部世界完全断开，以因此再次改变所述连结变压器的所述电压；以及接着
b2)经由第二相脚而从所述连结变压器提取能量，其中所述第二相脚包含将另一相应外部线路可选择地连接到所述连结变压器的可选择端子的两个双向开关；
其中步骤a1持续时间足够长，以使得步骤a2开始时的导通在约零电压下发生；并且其中步骤b1持续时间足够长，以使得步骤b2开始时的断开在约零电压下发生；
并且其中所述相脚中的至少一个而不是两个包含双向开关的两个串联连接的组合，所述双向开关的两个串联连接的组合被连接以相互同步地切换而因此作为单个双向开关操作。
8.根据权利要求7所述的功率转换方法，其中所述双向开关是B-TRAN。
9.根据权利要求7所述的功率转换方法，其中所述连结电感器与电容器并联，所述电容器在所述步骤a1)和b1)期间保持连接到所述连结电感器。
10.根据权利要求7所述的功率转换方法，其中双向开关的每一所述串联连接的组合包括至少三个双向开关。
11.一种功率转换方法，包括以下重复动作：
a)将连结变压器与外部世界完全断开，以因此改变所述链路变压器的绕组两侧的电压；以及接着使用第一相脚而将能量驱动到所述连结变压器中，其中所述第一相脚包含两个双向开关，所述两个双向开关各自包括多个双独立基极接触双极晶体管的串联组合；
b)将所述连结变压器与所述外部世界完全断开，以因此再次改变所述连结变压器的所述电压；以及接着经由第二相脚而从所述连结变压器提取能量，其中所述第二相脚包含两个双向开关，所述两个双向开关各自包括双独立基极接触双极晶体管的串联组合；
其中两个相脚在约零电压下导通和断开。
12.根据权利要求11所述的功率转换方法，其中所述双向开关是B-TRAN。
13.根据权利要求11所述的功率转换方法，其中所述连结电感器与电容器并联，所述电容器在所述步骤a1)和b1)期间保持连接到所述连结电感器。
14.根据权利要求11所述的功率转换方法，其中所述连结电感器包括变压器。
15.根据权利要求11所述的功率转换方法，其中所述连结电感器包括变压器；并且其中所述变压器由电容器分路，所述电容器在所述步骤a1)和b1)期间保持连接到所述变压器。
16.根据权利要求11所述的功率转换方法，其中双向开关的每一所述串联连接的组合包括至少三个双向开关。
17.一种功率转换器，包括：
各自连接到第一外部功率连接的相应线路的多个相脚；每一所述相脚包括两个全双向开关装置，以使得连接到此相脚的所述线路可将电流供给到与电容器并联的连结电感器的任一端子或从所述端子接收电流；
各自连接到第二外部功率连接的相应线路的多个相脚；每一所述相脚包括两个双向开关装置，以使得连接到此相脚的所述线路可将电流供给到所述连结电感器的任一端子或从所述端子接收电流；
控制电路，连接以驱动所述开关，以使得在所述连结逆变器的AC振荡的每一完整循环期间，所述连结电感器通过相反极性耦合到所述第一和第二端口的每一所述线路至少两次；
其中至少一个所述相脚上的所述双向开关各自包括双向开关的串联连接的组合，所述双向开关的串联连接的组合被连接以相互同步地切换而因此作为单个双向开关操作。
18.根据权利要求17所述的功率转换器，其中所述双向开关是B-TRAN。
19.根据权利要求17所述的功率转换器，其中所述连结电感器包括变压器。
20.根据权利要求17所述的功率转换器，其中双向开关的每一所述串联连接的组合包括至少三个双向开关。
21.根据权利要求17所述的功率转换器，还包括并联连接到双向开关的每一所述串联连接的组合的电阻梯。
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