CN110061613A - 具有并联连接的低功率晶体管的高功率转换器 - Google Patents

Abstract

一种用于将第一电压转换为第二电压的系统包括至少两个输入端子和两个输出端子，以及换向部件(16)，其设置在所述输入端子与所述输出端子之间且适合于将所述第一电压转换为所述第二电压。至少一个换向部件(16)包括并联连接的至少两个臂(26)，每个臂具有能够在接通状态与断开状态之间控制的电子开关(34)，所述开关具有一个控制电极(36)和可在所述接通状态下传导电流的两个传导电极(38、40)。所述换向部件(16)包括连接到每个臂的开关的控制电极(36)上的共用控制端子(28)，以及分别连接到所述臂中的每一个的所述开关(34)的第一传导电极(38)和第二传导电极(40)上的第一共用传导端子(30)和第二共用传导端子(32)。所述换向部件(16)针对每个臂进一步包括连接在所述两个传导电极(38、40)中的同一电极与对应的共用传导端子(30、32)之间的电感(42)，并且所述电感(42)大于10nH并且对于每个臂是大致相同的。

Description

具有并联连接的低功率晶体管的高功率转换器

技术领域

本发明涉及一种用于将第一电压转换为第二电压的系统，尤其适用于具有高电功率(诸如大于1MW的功率)的转换系统。

背景技术

已知的电压转换器是三相电压逆变器，其针对三相输出电压的每个相具有两个直流输入电压端子和一个输出端子。所述三相逆变器针对每个相包括两个换向路径。每个换向路径连接于对应的输出端子与一个相应输入端子之间，并且包括换向部件。所述换向部件适合于将直流输入电压转换为交流输出电压。

为了使得较高强度的电流能够循环，每个换向部件包括并联连接的两个可控电子开关，所述两个开关的控制电极和传导电极分别彼此连接。所述开关是相同的，以使得电流在两个开关之间尽可能平等地分配。

然而，两个开关并不总是具有相同的电学特征，并且取决于其自己的布置，一般经受彼此不同的热条件。于是，这导致两个开关之间的电流不平衡，尤其是在开关的换向阶段期间，这种不平衡在一些情况下导致两个开关中的一个开关受到破坏。

发明内容

本发明的目的是提出一种转换系统，其使得能够在开关的换向阶段期间减小布置在换向部件的并联臂中的开关之间的电流不平衡，同时递送具有相同电压和相同强度的电流。

为此，本发明的目的是前述类型的转换系统，其特征在于，所述至少一个换向部件针对并联连接的每个臂进一步包括连接在两个传导电极中的同一电极与对应的共用传导端子之间的电感，所述电感具有超过10nH的值并且对于并联连接的每个臂是大致相同的。

根据本发明的其它有利方面，所述转换系统包括以下特征中的一个或多个，其单独地或以任何技术上可能的组合呈现：

-所述系统包括至少两个换向部件，所述换向部件具有并联连接的至少两个臂，所述换向部件彼此串联连接，并且所述换向部件各自具有连接于第一共用传导端子与第二共用传导端子之间的电容器，

-所述换向部件具有并联连接到所述臂的一个或多个电容器，而没有电阻器串联连接到对应的电容器，

-每个换向部件包括并联连接的至少两个臂，每个臂具有可控电子开关，

-所述电子开关具有来自由以下各项组成的群组的至少一个晶体管：双极晶体管、场效应晶体管、IGBT晶体管和IEGT晶体管，

-当晶体管是双极晶体管、IGBT晶体管或IEGT晶体管时，所述两个传导电极中的所述电极是发射极电极，并且当晶体管是场效应晶体管时，所述两个传导电极中的所述电极是源极电极，

-所述电子开关包括串联连接的多个晶体管，

-所述电感具有介于10nH与100nH之间的值，

-所述系统进一步包括具有互连所述电子开关的条带的印刷电路，并且所述电感是长度超过1cm的条带的一部分，

-所述电感是长度介于1cm与10cm之间的条带的一部分，并且

-所述条带的部分具有介于1mm与5mm之间的宽度。

附图说明

将从以下描述中看到本发明的这些特征和优点，所述描述只是以举例方式给出并且参考附图来提供，其中：

-图1是根据本发明的转换系统的示意性表示，其包括适合于将输入电压转换为输出电压的六个换向部件，

-图2是根据第一实施例的图1的换向部件的电气图，

-图3是根据第二实施例的与图2的视图类似的视图，并且

-图4是根据第三实施例的串联连接的两个换向部件的电气图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于将第一电压转换为第二电压的系统10，其包括至少两个输入端子12和至少两个输出端子14。所述转换系统10包括设置在输入端子12与输出端子14之间的换向(commutation)部件16，并且所述换向部件适合于将第一电压转换为第二电压。

所述转换系统适合于允许高电功率(例如大于1MW)循环。

在图1的实施例中，转换系统10是电压逆变器，其适合于将在两个输入端子12之间接收的连续直流输入电压转换为在输出端子14中的每一个处递送的交流输出电压。

电压逆变器10针对交流输出电压的每一相包括两个换向路径18，每个换向路径18连接于对应的输出端子14与相应的输入端子12之间，并且具有换向部件16。

电压逆变器包括反并联连接到每个换向部件16上的二极管22以及用于控制所述换向部件的构件24。

在图1的实施例中，电压逆变器10是三相逆变器，并且具有三个输出端子14和六个换向路径18，即针对三相输出电压的每一相具有一个输出端子和两个换向路径。

图2所示的换向部件16包括并联连接的至少两个臂26、共用控制端子28、第一共用传导端子30和第二共用传导端子32。

在图2的实施例中，换向部件16包括并联连接的三个臂26。

在图1和图2的实施例中，每个换向部件16包括并联连接的至少两个臂26，优选地，并联连接的三个臂26。

每个臂26连接于第一共用传导端子30与第二共用传导端子32之间，并且包括在接通状态与断开状态之间可控制的电子开关34，所述开关34具有控制电极36、第一传导电极38和第二传导电极40。

根据本发明，每个臂进一步包括电感42，电感42连接于两个传导电极38、40中的同一电极与对应的共用传导端子30、32之间。

另外，每个臂26包括连接于控制电极36与共用控制端子28之间的电阻器44。

转换系统10进一步包括印刷电路(未图示)，其具有互连所述电子开关的导体条带。

共用控制端子28例如借助于电阻器44连接到并联连接的每个臂26的开关的控制电极36。换句话说，共用控制端子28连接到换向部件的每个开关34的控制电极36。

第一共用传导端子30连接到并联连接的每个臂26的开关的第一传导电极38。换句话说，第一共用传导端子30连接到换向部件的每个开关34的第一传导电极38。

第二共用传导端子32借助于电感42连接到并联连接的每个臂26的开关的第二传导电极40。换句话说，第二共用传导端子32借助于电感42连接到换向部件的每个开关34的第二传导电极40。

电子开关34包括来自由以下各项组成的群组的至少一个晶体管：双极晶体管、场效应晶体管、IGBT(绝缘栅极双极晶体管)晶体管和IEGT(注入增强型栅极晶体管)晶体管。在图2的实施例中，每个电子开关34由IGBT晶体管组成。

开关34的每个晶体管例如适合于允许具有电压等于1.2kV或600V且电流等于30或40A的电流循环。

同一换向部件16的开关包括相同类型的晶体管，即双极晶体管、场效应晶体管、IGBT晶体管或IEGT晶体管。虽然同一换向部件16的晶体管具有相同类型，但有可能具有彼此大致不同的电学特征。

当开关34包括双极晶体管时，控制电极36也称为基极电极。作为变型，当开关34包括场效应晶体管、IGBT晶体管或IEGT晶体管时，控制电极36也称为栅电极。

当开关34包括双极晶体管、IGBT晶体管或IEGT晶体管时，第一传导电极38和第二传导电极40相应地也称为集电极电极(发射极电极)。

作为变型，当开关34包括场效应晶体管时，第一传导电极38和第二传导电极40相应地也称为栅极电极(源极电极)。

在图2的实施例中，两个传导电极38、40中连接到电感42的所述电极是第二传导电极40。换句话说，当晶体管是双极晶体管、IGBT晶体管或IEGT晶体管时，两个传导电极中连接到电感42的所述电极是发射极电极。作为变型，当晶体管是场效应晶体管时，两个传导电极中连接到电感42的所述电极是源极电极。

电感42具有超过10nH的值L，并且对于并联连接的每个臂26是大致相同的。电感42具有例如介于10nH与100nH之间的值L。

例如，电感42是长度超过1cm、优选介于1cm与10cm之间且理想地介于2cm与5cm之间的印刷电路条带的一部分。所述印刷电路条带的部分的宽度为大约几毫米，例如介于1mm与5mm之间。

作为变型，电感42是专用无源部件。

电阻器44是专用无源部件，并且具有大约几欧姆的值。

当转换系统正在运作时，在共用控制端子28与第二共用传导端子32之间施加控制脉冲，例如正电压脉冲，以便使得对应开关34处于其接通状态。然后，电流在开关的传导电极38、40之间循环，更广泛来说在共用传导端子30、32之间循环。在共用控制端子28与第二共用传导端子32之间施加的正电压对应于开关34的控制电极36与第二传导电极40之间的第一电压U1以及对应的电感端子42处的第二电压U2的总和，电阻器44的端子处的电压忽略不计。

电感的端子处的第二电压U2例如大于开关的电极的端子处的第一电压U1。当控制脉冲具有15伏的电压时，第一电压U1例如大致等于5伏，而第二电压U2大致等于10伏。

此外，第二电压U2由以下等式定义：

换句话说，电感42的值L使得电流i的斜率得以控制。

于是，开关34的换向性质在一个臂26与另一个臂之间大致相同，这使得能够减小臂26之间的电流不平衡。

因此，可以看到，根据本发明的转换系统10使得能够减小布置在换向部件16的并联臂26中的开关34之间的电流不平衡，同时递送具有相同电压和相同强度的电流。

图3示出本发明的第二实施例，其中与先前描述的第一实施例类似的元件用相同参考标号指示且因此不再描述。

根据第二实施例，电子开关34具有串联连接的多个晶体管46。

第一晶体管的第一传导电极连接到第一共用传导端子30，且第一晶体管的第二传导电极连接到第二晶体管的第一传导电极。第二晶体管的第二传导电极连接到下一个晶体管的第一传导电极，以此类推。串联连接的最后一个晶体管的第二传导电极借助于电感42连接到第二共用传导端子32。

在图3的实施例中，换向部件16具有并联连接的三个臂26。每个臂26包含开关34，并且每个开关34包括串联连接的三个晶体管46。

所述第二实施例的运作与第一实施例的运作相同且因此将不再描述。

晶体管46的串联连接使得能够获得较高的递送电压，例如超过2.5kV，或者针对相同的递送电压，使得能够使用较低电压晶体管。

所述第二实施例的其它优点与第一实施例的优点相同且因此将不再描述。

图4示出本发明的第三实施例，其中与先前描述的第一实施例类似的元件由相同参考符号指示且因此将不再描述。

根据第三实施例，两个换向部件16串联连接。

每个换向路径18包括例如串联连接的两个换向部件16，以便获得较高的递送电压。

每个换向部件16包括位于共用传导端子30、32之间的并联连接的至少两个臂26以及并联连接到所述臂26的一个附加臂50。

在图4的实施例中，每个换向部件16包括并联连接的三个臂26，每个臂26包括电子开关34、电感42和电阻器44。

控制装置24的电力供应是来自每个换向部件的开关34。

附加臂50包括串联连接的电阻器52和电容器54。换句话说，与第一实施例相比，每个换向部件16进一步包括在第一共用传导端子30与第二共用传导端子32之间串联连接的电阻器52和电容器54。

作为变型，附加臂50仅包括电容器，而没有电阻器串联连接到电容器。

电阻器52是用于有可能在高频率下(例如，在高于1MHz的频率下)出现的寄生电压的阻尼电阻器。电阻器52具有大约几欧姆的阻抗。

电容器54能够吸收大部分电流，并且能够限制电压相对于时间的导出。电容器54具有值例如介于N与10×N nF之间且优选等于5×N nF的电容C，其中N表示并联连接的臂26的数目。

作为变型，每个换向部件16包括在共用传导端子30、32之间的并联连接到每个相应臂26的一个附加臂50。换句话说，每个换向部件16包括N个附加臂50，其中N表示并联连接的臂26的数目。每个附加臂50包括串联连接的电阻器52和电容器54。根据这个变型，电容器54具有大约几nF的电容，其中值例如介于1与10nF之间，优选等于5nF。

作为变型，每个附加臂50仅包括一个电容器，而没有电阻器串联连接到所述电容器。

在开关34的IGBT或IEGT晶体管的换向期间，残余电荷保留在晶体管中且形成寄生电流，也称为尾电流。这些尾电流尤其在串联的换向部件16之间的传导端子处产生电压不平衡。

由于过剩电荷引起的这些电压不平衡还出现在反并联连接到每个晶体管的二极管的换向期间，而不管其是包括MOSFET、IGBT还是IEGT晶体管。

电容器54现在使得能够根据以下等式将过剩电荷q转换为电压V：

电容器54的电容C的值越高，电压不平衡将越低。

电感42的存在使得能够将电容器54并联连接到开关34，因为电感限制来自电容器54的放电电流。

电感42使得能够减小并联连接的臂26之间的电流不平衡，并且电容器54使得能够减小串联连接的换向部件16之间的电压不平衡。

根据第三实施例的转换系统还使得能够获得由于换向部件16的串联连接而具有较高值的输出电压，同时限制串联连接的所述换向部件之间的电压不平衡，在每个换向部件16的端子处的电压的相对于时间的导出由每个电容器54的电容的值控制。

这个第三实施例的运作的其它方面与先前描述的第一实施例的方面相似且因此将不再描述。

这个第三实施例的其它优点与先前描述的第一实施例的优点相似且因此将不再描述。

因此，可以看到，根据本发明的转换系统10使得能够在布置在换向部件16的并联臂26中的开关34的换向阶段期间减小开关34之间的电流不平衡，同时递送例如超过2.5kV的高值的输出电压。

Claims (10)

1.一种用于将第一电压转换为第二电压的系统(10)，包括用于高功率的将直流电力转换为交流电流的电压逆变器，其中功率超过1MW，所述电压逆变器为包括下列的类型：

至少两个输入端子(12)和两个输出端子(14)，

设置在所述输入端子(12)与所述输出端子(14)之间的换向部件(16)，适合于将所述第一电压转换为所述第二电压，

至少一个换向部件(16)包括并联连接的至少两个臂(26)，每个臂(26)具有在接通状态与断开状态之间可控制的电子开关(34)，所述开关(34)具有一个控制电极(36)、两个传导电极(38、40)，适合于在所述接通状态下在所述传导电极(38、40)之间循环的电流，

所述至少一个换向部件(16)具有连接到并联连接的所述臂(26)中的每一个的所述开关的所述控制电极(36)上的共用控制端子(28)，以及分别连接到并联连接的所述臂(26)中的每一个的所述开关(34)的第一传导电极(38)和第二传导电极(40)上的第一共用传导端子(30)和第二共用传导端子(32)，

其特征在于，所述至少一个换向部件(16)针对并联连接的所述臂(26)中的每一个进一步包括连接在两个传导电极(38、40)中的同一电极与对应的共用传导端子(30、32)之间的电感(42)，所述电感(42)具有介于10nH与100nH之间的值(L)并且对于并联连接的所述臂(26)中的每一个是大致相同的。

2.根据权利要求1所述的系统(10)，其中所述系统(10)包括至少两个换向部件(16)，所述换向部件具有并联连接的至少两个臂(26)，其中所述换向部件(16)彼此串联连接，并且其中所述换向部件(16)中的每一个具有连接于所述第一共用传导端子(30)与所述第二共用传导端子(32)之间的电容器(54)。

3.根据权利要求2所述的系统(10)，其中所述换向部件(16)具有并联连接到所述臂(26)上的一个或多个电容器(54)，而没有电阻器串联连接到对应的电容器(54)。

4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统(10)，其中每个换向部件(16)包括并联连接的至少两个臂(26)，每个臂(26)具有可控电子开关(34)。

5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统(10)，其中所述电子开关(34)包括以下至少一个晶体管(46)：双极晶体管、场效应晶体管、IGBT晶体管和IEGT晶体管。

6.根据权利要求5所述的系统(10)，其中当所述晶体管是双极晶体管、IGBT晶体管或IEGT晶体管时，所述两个传导电极(38、40)中的所述电极是发射极电极(40)，并且当所述晶体管是场效应晶体管时，所述两个传导电极中的所述电极是源极电极。

7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统(10)，其中所述电子开关(34)包括串联连接的多个晶体管(46)。

8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的系统(10)，其中所述系统(10)进一步包括具有互连所述电子开关的导体条带的印刷电路，其中所述电感(42)是长度超过1cm的条带的一部分。

9.根据权利要求1和8中任一权利要求所述的系统(10)，其中所述电感(42)是长度介于1cm与10cm之间的条带的一部分。

10.根据权利要求9所述的系统(10)，其中所述条带的部分具有介于1mm与5mm之间的宽度。