CN111193382A - 具有用于电振铃的衰减元件的电力转换器布置结构 - Google Patents
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Abstract
提供了具有用于电振铃的衰减元件的电力转换器布置结构，该电力转换器布置结构包括：半导体开关系统，其包括至少一个可控制开关；电容器单元，其包括具有电容值的至少一个电容器，该电容器单元可操作地连接至半导体开关系统；导体布置结构，其包括适于在电容器单元与半导体开关系统之间传导电流的至少一个导体，至少一个导体具有电阻和电感，通过电阻、电感和电容形成谐振电路，电力转换器布置结构包括用于使谐振电路中的电振铃衰减的至少一个衰减元件，至少一个衰减元件与谐振电路导电性隔离，至少一个衰减元件包括铁磁材料，至少一个衰减元件磁耦合至至少一个导体，使得至少一个导体的电流强度的变化在至少一个衰减元件内感应出涡电流。
Description
技术领域
本发明涉及电力转换器布置结构中的电振铃的衰减，并且更具体地涉及包括用于使电力转换器的谐振电路中的电振铃衰减的磁耦合衰减元件的电力转换器布置结构。
背景技术
由于电路的电抗部件、电容和电感，打开和关闭电路导致电路中的电振铃。电容和电感形成LC电路，也称为谐振电路。LC电路的各个电抗部件通过导体彼此电连接，所述导体通常主要是电阻性的。由于导体的物理特性，导体之间总是存在一定量的寄生电容，导体之中也存在一定量的寄生电感。因此，具有至少两个并联安装的导体的任何电路将总是形成具有电阻特性、电感特性和电容特性的RLC电路。通过电路的打开或关闭或者诸如电路的电流的其他突然变化等导致的电振铃发生是因为存储至电路的电抗部件(L/C)的能量开始在它们之间波动直到谐振能量通过电阻耗散成热量。RLC电路的电阻部件R的电阻值(以ohms为单位)越高，则电振铃衰减得越快。
电振铃现象在电力转换器布置结构中特别有害，其中，电力转换器半导体的开关频率高，通常在几百赫兹直到数十千赫兹的范围内。这样的电力转换器布置结构可以包括逆变器、变频器、DC-DC斩波器等，或者替选地，电力转换器布置结构可以形成所述装置的一部分。例如，一个变频器(变速传动装置)、逆变器、DC-DC斩波器等可以包括一个或更多个所述电力转换器布置结构。
当通过关断(非导通状态)对DC链路与半导体开关之间的操作电流进行控制的半导体开关来突然降低DC链路与半导体开关之间的RLC电路中流动的操作电流时，在电力转换器中可以产生用于谐振的脉冲。因此，当谐振电路中的操作电流突然减小时，不再通过电流来保持存储到导体的电感的磁能，并且在电感的虚拟端子上形成电压(U＝dI/dt)。所产生的高于谐振电路中的电容器电压的电压产生通过电容器的电流以对谐振电路的电容器充电。因为电感器的存储磁能的减少使得电感器的电流强度变化率(dI/dt)降低，因此电感器的虚拟端子上的电压也减小，这导致现在由于所述充电而在其端子之间具有比电感器高的电压的电容器将电抗性电流馈送回电感器，因此循环以谐振方式继续。由于电路中存在电阻，因此谐振电抗能最终耗散成热量并使电路达到平衡。
开关频率越高，则在下一次开关操作之前使振铃衰减的时间越短。在某些情况下，在DC链路电容器与电力转换器开关之间形成的RLC电路的电阻具有小的值(例如小于1mOhm)并且开关频率相对高(例如高于1kHz)的情况下，由电力转换器的半导体的一次开关操作导致的电振铃可能不会衰减，直到下一次开关操作发生。如果振铃(电流或电压)的电相恰好处于不利位置，则半导体的下一次开关操作将放大振铃并增加波动能量，这最终会例如由于在半导体开关的端子处的过电压而导致电力转换器发生故障。
在上述情况下，由于电力转换器通常被设计得尽可能高效，因此不增加转换器的功耗因而通过降低电力转换器布置结构的效率，不能增加RLC电路的电阻值(这会增加衰减)。
减少谐振电路中的电振铃的量的另一种方法是减小RLC电路的电感值和/或电容值。在电力转换器中，DC链路中需要一定量的电容用于操作电力转换器。因此，RLC电路的电容值几乎不能减少。通常将连接电力转换器的半导体(开关)与DC链路电容的正极与负极的导体(汇流条布置)形成为平板，所述平板被布置为尽可能彼此靠近，相反的极通过通常由塑料制成绝缘板彼此分隔开。由于相反极性的导体形成为彼此叠置的板并且尽可能彼此靠近放置，因此这种布置在分隔开的导体之间产生大量的寄生电容。该寄生电容使谐振电路闭合，从而形成包括DC链路电容、导体的电感、导体的电阻以及分隔开的导体之间的寄生电容的CLC电路或CLRC电路。
将彼此叠置的导体彼此尽可能彼此靠近地布置减小了这样形成的汇流条布置具有的电感量。即使以这样的方式布置导体，也不能完全去除电感，并且振铃现象仍旧是个问题，特别是当半导体开关的较高开关频率的趋势持续时。
较高的开关频率是优选的，因为提高了所产生的电力的质量(在THD方面)，并且这减少了对昂贵的滤波(例如电力转换器布置结构的输出处的LCL滤波器)的需求。此外，较新的半导体类型(例如IGBT，尤其是碳化硅SiC)能够实现比以前更高的开关频率，而不会增加用于开关操作的大量损耗。
高频电振铃在电力转换器布置结构的电路中产生电磁干扰、过电压和增加的损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种减轻以上缺点的布置结构。本发明的目的通过下面描述的电力转换器布置结构来实现。
本发明基于如下构思：将铁磁衰减元件布置成与电力转换器布置结构的RLC电路(谐振电路)的导体的电感磁耦合。铁磁衰减元件被配置成使得在铁磁材料内产生涡电流，该涡电流由变化的磁通量引起，该变化的磁通量由通过电力转换器布置结构的RLC电路的导体的电感的电流的变化强度产生。
在本发明的优选实施方式中，铁磁衰减元件被配置成在电力转换器布置结构的RLC电路的电振铃(谐振)的频率范围内产生与在电力转换器布置结构的半导体开关的频率范围内相比的显著较多的涡电流。
在另一个优选实施方式中，铁磁衰减元件被机械地和电气地布置在电力转换器布置结构的相反电压DC链路导体之间，衰减元件通过绝缘体与导体分隔开。替选地，铁磁衰减元件被布置在电力转换器布置结构的相反电压DC链路导体的相对侧上。
本发明的布置结构的优点在于：电力转换器布置结构的谐振电路中的振铃可以被衰减，这减少了EMC发射，减少了有害的过电压尖峰并且减少了谐振电路中的功率损耗。
附图说明
在下文中，将参照附图借助于优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中
图1示出了根据本发明的电力转换器布置结构的简化电气示意图；
图2示出了根据本发明的电力转换器布置结构的简化电气示意图；以及
图3示出了根据本发明的电力转换器布置结构的实施方式。
具体实施方式
图1示出了具有RLC电路的电力转换器布置结构10的简化等效电路。一般地，图1示出了电路，在该电路中半导体开关系统100经由导体布置结构200电子地/操作地/导通地连接至电容器单元300。
半导体开关系统100包括可控半导体开关SW100，其包括具有栅极(未示出)、集电极和发射极的已知的半导体开关单元，例如IGBT、SiC等。半导体开关SW100的集电极与发射极连接至半导体开关系统100端子TE101和TE102，用于将半导体开关SW100导电性地连接至外部电路，例如导体布置结构200。半导体开关系统100还包括配置成经由半导体开关SW100的栅极引脚来控制半导体开关SW100的控制器(未示出)和控制电路(未示出)。
在图1中，为了简化，仅示出了一个半导体开关SW100，然而，有时在电力转换器应用中，将两个或更多个半导体开关彼此串联连接并且将负载(例如电机线圈、栅格相位阻抗等)电连接在两个或更多个半导体开关之间。因此，半导体开关系统100可以包括彼此串联或者并联的一个或更多个半导体开关SW100。
在最简单的形式中，半导体开关系统100包括一个半导体开关SW100，并且半导体开关系统100的端子TE101、TE102包括半导体开关SW100的集电极端子和发射极端子。
电容器单元300包括电容器C301，电容器C301具有例如在典型的转换器应用中可以在0.1mF-20mF的范围内的电容值。将电容器C301相反极性的电极(+与-)导电性地连接至电容器单元300端子TE301与TE302。电容器单元300可以包括串联和并联的一个或更多个电容器C301，以便获得用于电力转换器布置结构10的操作的期望电容值。可以例如通过电力转换器布置结构10的DC链路形成这样的电容器单元300。
导体布置结构200包括与导体布置结构200相关联的电量(C201、L202、L204与R203、R205)。导体布置结构200包括导电性地连接半导体开关系统100端子TE101与电容器单元300端子TE301的导体210。导体布置结构200包括导电性地连接半导体开关系统100端子TE102与电容器单元300端子TE302的导体220。导体布置结构200包括适于在电容器单元300与半导体开关系统100之间传导电流的至少一个导体210、220。
C201表示导体210与导体220之间的寄生电容性质，该寄生电容的电容值可以在例如nF至uF的范围内。在典型情况下，导体210与导体220之间的电容器C201的电容值显著小于电容器C301的电容值。
L202表示导体210的寄生电感性质，并且L204表示导体220的寄生电感性质。例如在典型的电力转换器应用中，电感L202或L204的电感值可以在nH至uH的范围内。
R203表示导体210的电阻性质，R205表示导体220的电阻性质。例如在典型的电力转换器应用中，R203或R205的电阻值可以在0.1mOhm至10mOhms的范围内。在典型的电力转换器布置结构中，导体210、220由片状金属(例如铜或铝)或者由类似的平面型或板型金属制成，其中相反极性的导体210、220彼此叠置以减少电路的电感(L202、L204)。相反极性(+/-)导体通常由片状塑料绝缘体等分隔开。当被置于所述布置结构中时，相反极性连接的导体210、220中的电流方向也彼此相反。
从图1中可以看出如何通过电容器单元300的电容C301，导体210、220的电阻R203、R205，导体210、220的电感器L202、L204和导体210、220之间的电容器C201来形成谐振(RLC)电路。
RLC电路具有取决于形成RLC电路的部件的电量值的谐振频率fres。谐振电路具有至少一个谐振频率fres或者至少一个谐振频率范围fres_range。典型地，在电力转换器布置结构中，谐振频率fres可以在10kHz到1MHz的范围内。
通过控制器(未示出)控制半导体开关SW100的开关操作，控制器可以例如根据已知的调制方案(PWM等)以预定的开关频率fSW将半导体开关SW100控制成导通状态(ON)或非导通状态(OFF)。半导体开关系统100具有至少一个开关频率fSW或至少一个开关频率范围fSW_range。典型电力转换器应用中的半导体开关SW100的开关频率fSW可以在1kHz至100kHz的范围内。可以允许开关频率fSW在预定频率范围fSW_range之间例如在1kHz与10kHz之间变化，其中，可以通过控制器设置实际施加的开关频率fSW。
因此，电力转换器布置结构10的RLC电路谐振频率fres可以是电力转换器布置结构10的半导体开关SW100的开关频率fSW的大约5-15倍、或者8-12倍、或者大致10倍。
图2示出了根据本发明的电力转换器布置结构10的实施方式的简化等效电路。
除了添加磁耦合至电力转换器布置结构10的谐振电路的至少一个导体210、220的至少一个电感L202、L204的衰减元件400，图2中示出的电路在其他方面与图1的电路相同。电力转换器布置结构10包括用于使谐振电路中的电振铃衰减的至少一个衰减元件400。
至少一个衰减元件400磁耦合至至少一个导体210、220，使得至少一个导体210、220的电流强度中的变化在至少一个衰减元件400内感应出涡电流。衰减元件400包括电感L401和电阻R402。电感L401由衰减元件400的铁磁材料产生，当衰减元件400经由电磁感应与波动的磁场耦合时，在该衰减元件400内形成铁磁材料涡电流。至少一个衰减元件400与电力转换器布置结构10的谐振电路导电性隔离。
所述波动磁场在导体210、220电感L202、L204附近形成。由于电感L202、L204沿导体210、220的整个长度扩展，因此为了实现衰减元件的电感L401与导体210、220的电感L202、L204中的至少之一之间的有效耦合，衰减元件400也应当延伸导体210、220的大部分长度。由于导体210、220通常是片或平面型，为了实现衰减元件400与导体210、220之间的有效耦合，衰减元件400也可以制成片或平面形式，衰减元件400基本上覆盖导体210、220的至少之一平面侧。通过将片型衰减元件400放置在仅由片型绝缘体例如塑料片状绝缘体分隔开的片型导体210、220中的至少之一的顶部上，在衰减元件400与导体210、220的至少之一之间实现非常有效的磁耦合。根据导体210、220的形式，至少一个衰减元件(400)可以具有片状、板或者杆的形式。
根据本发明的实施方式，衰减元件400形成为导体210、220中的至少之一的绝缘体410上的涂层。至少一个衰减元件400可以包括在至少一个导体210、220的至少一个绝缘体410的表面上的铁磁涂层。替选地，衰减元件400可以在绝缘片的两层之间形成，从而形成在绝缘体之间具有铁磁材料的夹层型布置结构。后一种方法使得可以将衰减元件400布置在相反极性的导体210、220之间，而不在衰减元件400与导体210、220中的任一者之间形成电导性耦合。至少一个导体210、220可以包括第一导体210、220和第二导体210、220，至少一个衰减元件400可以位于第一导体210、220与第二导体210、220之间。
电阻R402代表衰减元件400的电阻性质。在铁磁材料内形成涡电流，并且通过欧姆定律，涡电流在经由电阻流动时造成功率损耗，从而消耗电感器L401的能量。铁磁基础材料可以是例如具有9.71×10-8Ωm的电阻率ρ值的铁。通过将铁磁基础材料(铁)与具有高于铁的电阻率值的材料例如碳(ρ＝3-60×10-5Ωm)或者锰(ρ＝1.44×10-6Ωm)铸成合金，可以将电阻R402值修改得更高。铁磁材料是包括作为合金的基础材料的具有第一电阻值的铁与至少一个具有第二电阻值的添加元素的合金，并且第二电阻值高于第一电阻值。至少一种添加元素可以是碳、锰或者这两者。
衰减元件400还可以包括电容性质(未示出)。电容性质可以有助于向衰减元件400电路产生次级谐振电流。例如，可以通过使铁磁材料分层并通过使它们彼此隔离来实现电容性质。不同的层可以具有不同的电阻率值，以便产生合适的衰减频率响应。
通过修改衰减元件400的电量的值，可以调谐这样产生的电路以响应特定的磁通频率。通过将电阻R402值修改为较高的值，衰减电路将产生较多损耗，并且因此更有效地衰减感应电流。
衰减元件400电量的修改例如可以包括：将元件放置在距导体210、220预定距离处，包括合金材料的衰减元件400或者包括具有不同的电阻率值的铁磁层的衰减元件400。
通过将衰减元件400磁耦合至电力转换器布置结构10的谐振电路，可以比仅通过谐振电路的导体210、220的电阻R203、R205更有效地衰减谐振电路的谐振电流。由于衰减元件400并非电导性耦合至谐振电路并且可以被调谐以响应预定的谐振频率fres或者谐振频率范围fres_range，因此衰减元件400不会在半导体开关频率fSW处干扰谐振电路。至少一个衰减元件400适于在谐振电路的至少一个谐振频率fres处或者至少一个谐振频率范围fres_range处产生与在半导体开关系统100的至少一个开关频率fSW处或者至少一个开关频率范围fSW_range处相比的显著较多的涡电流。
根据本发明的实施方式，缓冲电容器450(未示出)可以可操作地且导电性地连接至半导体开关系统100的端子TE101、TE102。如果半导体开关系统包括多个半导体开关SW100，则它们中的每个都可以具有分别可操作地且导电性地连接至每个半导体开关SW100的集电极和发射极的单独的缓冲电容器450。因此，缓冲电容器450将与开关SW100和电容器C201电并联。添加缓冲电容器450的目的是减小半导体开关系统100的端子TE101、TE102处的电压应力，从而防止由于过电压而损坏半导体开关SW100。通常，在电力转换器布置结构10中，寄生电容C201不具有足够高的电容值来减小在半导体开关SW100的开路(关断状态)期间由存储到电感L202、L204的能量导致的电压尖峰。因此，可以将具有与电容器C201相比的显著较高的电容值的缓冲电容器450添加至谐振电路。
图3示出了根据本发明的电力转换器布置结构10的实施方式。
在图3中，半导体开关系统100布置成与散热器460热连接。半导体开关系统100的端子TE101经由导体210导电性地连接至电容器单元300的端子TE301。半导体开关系统100的端子TE102经由导体220导电性地连接至电容器单元300的端子TE302。电容器单元300包括两个串联连接的电容器。缓冲电容器450可操作地且导电性地连接至半导体开关系统100的端子TE101和TE102。塑料绝缘片410布置在相反极性的导体210、220之间，用于使导体210、220彼此电隔离。0.1mm厚的铁磁衰减元件400被布置在导体210、220之间。
针对与图3所示出的布置结构类似的布置结构进行电子测量，其中根据如图1和图2所示出的谐振电路来测量谐振电流。在半导体开关SW100的非导通(关断)状态期间，通过控制器将半导体开关SW100的开关频率fSW设定为约110kHz，并且将谐振电流频率fres创建为约1MHz。
在未将衰减元件400应用于电力转换器布置结构10的情况下，在将半导体开关SW100再次控制到导通(接通)状态之前的大约九次振荡(～9us)期间，谐振电路中的谐振电流在大约300A处达到峰值，最低衰减至大约79A。
在将衰减元件400应用于电力转换器布置结构10的情况下，在将半导体开关SW100再次控制到导通(接通)状态之前的大约九次振荡(～9us)期间，谐振电路中的谐振电流在大约170A处达到峰值，最低衰减至大约10A。
根据这些测量结果，衰减元件400的益处变得明显清楚，在将半导体开关SW100再次切换到导通(接通)状态之前，谐振电路的谐振电流峰值水平减小了接近50％并且振荡电流衰减至接近零。
对于本领域技术人员明显的是，本发明构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。
Claims (10)
1.一种电力转换器布置结构(10)，包括：
半导体开关系统(100)，其包括至少一个可控制开关(SW100)；
电容器单元(300)，其包括具有电容值的至少一个电容器(C301)，所述电容器单元(300)可操作地连接至所述半导体开关系统(100)；
导体布置结构(200)，其包括适于在所述电容器单元(300)与所述半导体开关系统(100)之间传导电流的至少一个导体(210、220)，其中，所述至少一个导体(210、220)具有电阻(R203、R205)和电感(L202、L204)，并且其中，通过所述电阻(R203、R205)、所述电感(L202、L204)和所述电容(C301)形成谐振电路，
其特征在于，所述电力转换器布置结构(10)包括用于使所述谐振电路中的电振铃衰减的至少一个衰减元件(400)，其中
所述至少一个衰减元件(400)与所述谐振电路导电性隔离，并且
其中，所述至少一个衰减元件(400)包括铁磁材料，并且
其中，所述至少一个衰减元件(400)磁耦合至所述至少一个导体(210、220)，使得所述至少一个导体(210、220)的电流强度的变化在所述至少一个衰减元件(400)内感应出涡电流。
2.根据权利要求1所述的电力转换器布置结构(10)，其中，所述半导体开关系统(100)具有至少一个开关频率fSW或者至少一个开关频率范围fSW_range，并且
所述谐振电路具有至少一个谐振频率fres或者至少一个谐振频率范围fres_range，其中
所述至少一个谐振频率fres或者至少一个谐振频率范围fres_range与所述至少一个开关频率fSW或者所述至少一个开关频率范围fSW_range不同，并且其中
所述至少一个衰减元件(400)适于在所述谐振电路的所述至少一个谐振频率fres处或者所述至少一个谐振频率范围fres_range处产生与在所述半导体开关系统(100)的所述至少一个开关频率fSW处或者所述至少一个开关频率范围fSW_range处相比的显著较多的涡电流。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换器布置结构(10)，其中，所述铁磁材料是合金，所述合金包括具有第一电阻值的合金的基础材料和具有第二电阻值的至少一种添加元素，并且所述第二电阻值高于所述第一电阻值。
4.根据权利要求3所述的电力转换器布置结构(10)，其中，所述合金的基础材料包括铁，并且所述至少一种添加元素包括碳和/或锰。
5.根据权利要求1所述的电力转换器布置结构(10)，其中，所述至少一个导体(210、220)包括第一导体(210、220)和第二导体(210、220)，并且所述至少一个衰减元件(400)位于所述第一导体(210、220)与所述第二导体(210、220)之间。
6.根据权利要求1所述的电力转换器布置结构(10)，其中，所述至少一个衰减元件(400)包括在所述至少一个导体(210、220)的至少一个绝缘体(410)的表面上的铁磁涂层。
7.根据权利要求1所述的电力转换器布置结构(10)，其中，所述至少一个衰减元件(400)具有片、板或杆的形式。
8.根据权利要求1所述的电力转换器布置结构(10)，其中，所述电力转换器布置结构(10)的所述谐振电路还包括可操作地连接至所述半导体开关系统(100)的端子(TE101、TE102)的缓冲电容器(450)，并且所述谐振电路还包括所述缓冲电容器(450)。
9.根据权利要求1所述的电力转换器布置结构(10)，其中，所述电容器单元(300)是所述电力转换器的DC链路的一部分。
10.根据权利要求1所述的电力转换器布置结构(10)，其中，所述电力转换器布置结构(10)是变频器、逆变器或DC-DC斩波器的一部分。
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