CN111670541A - 开关设备 - Google Patents

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Abstract

一种开关设备(20)包括第一电流路径和第二电流路径，每个电流路径配置成能够传导电流，该第一电流路径包括与第一无源电流检查元件(30)并联连接的第一开关元件(28)，该开关设备(20)还包括开关控制器，该开关控制器配置成选择性地控制第一开关元件(28)的开关，其中该开关控制器配置成以第一电流路径内开关速度选择性地开关第一开关元件(28)来使第一开关元件(30)与第一无源电流检查元件(32)之间的电流换向，该开关控制器配置成以第一电流路径间开关速度选择性地开关第一开关元件(28)来使第一电流路径与第二电流路径之间的电流换向，且第一电流路径内开关速度比第一电流路径间开关速度更快或更慢。

Description

开关设备
技术领域
该发明涉及一种开关设备和一种操作开关设备的方法。
背景技术
已知使用开关设备来使多个电流路径之间的电流换向(commutate)。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种开关设备，该开关设备包括第一电流路径和第二电流路径，每个电流路径配置成能够传导电流，该第一电流路径包括与第一无源(passive)电流检查元件并联连接的第一开关元件，该开关设备还包括开关控制器，该开关控制器配置成选择性地控制第一开关元件的开关，其中该开关控制器配置成以第一电流路径内开关速度选择性地开关第一开关元件来使第一开关元件与第一无源电流检查元件之间的电流换向，该开关控制器配置成以第一电流路径间开关速度选择性地开关第一开关元件来使第一电流路径与第二电流路径之间的电流换向，且第一电流路径内开关速度比第一电流路径间开关速度更快或更慢。
将理解的是，本发明能够适用于包括两个或更多个电流路径的开关设备，该电流路径中的每个配置成能够传导电流，即，电流不限于在第一电流路径和第二电流路径中流动。例如，开关设备可包括第一电流路径、第二电流路径和至少一个其它电流路径。
由电流换向所产生的电感(或也称为换向电感)影响开关设备的开关性能，诸如开关损耗和电压瞬变。对于第一开关元件与第一无源电流检查元件之间的电流换向的换向电感可与对于第一电流路径与第二电流路径之间的电流换向的换向电感不同。这可导致当相同的开关速度用于两种开关换向操作时开关设备的开关性能低于期望。
本发明的开关设备的开关控制器的设置允许相对于对应的换向电感来调整对于开关换向操作中每种的相应开关速度，以提供开关设备的更优(在与为两种开关换向操作使用相同开关速度相比时)的性能，且因此允许优化开关设备在执行使第一开关元件与第一无源电流检查元件之间以及第一电流路径与第二电流路径之间的电流换向的开关换向操作时的开关性能。例如，开关控制器可配置成设置电流路径内开关速度来调节(优选地最大限度地减小)开关设备中的开关损耗，且/或开关控制器可配置成设置电流路径间开关速度来调节(优选地最大限度地减小)开关设备中的电压瞬变和/或振荡(ring)。
在本发明的实施例中，第二电流路径可包括第二开关元件。开关控制器可配置成以第二电流路径间开关速度选择性地开关第二开关元件来使第一电流路径与第二电流路径之间的电流换向。第一电流路径内开关速度可比第二电流路径间开关速度更快或更慢。
在采取使用第二开关元件的本发明的另外的实施例中，第二电流路径可包括与第二无源电流检查元件并联连接的第二开关元件。开关控制器可配置成以第二电流路径内开关速度选择性地开关第二开关元件来使第二开关元件与第二无源电流检查元件之间的电流换向。第二电流路径内开关速度可比第一电流路径间开关速度更快或更慢。第二电流路径内开关速度可比第二电流路径间开关速度更快或更慢。
本发明可用来改进开关设备的开关性能，在该开关设备中，两个电流路径包括相应的开关元件且还包括相应的无源电流检查元件。
可对电流路径内开关速度和电流路径间开关速度执行另外的调整来优化开关设备的开关性能。例如，第一电流路径内开关速度可比第二电流路径内开关速度更快或更慢或与其相同，且/或第一电流路径间开关速度可比第二电流路径间开关速度更快或更慢或与其相同。
在本发明的还另外的实施例中，开关控制器可配置成当电流低于预先限定的电流阈值时将电流路径内开关速度和电流路径间开关速度选择性地设置为相同或基本相同。
在其中关于开关设备中的电流方向存在不确定的情况下，在低电流水平下将电流路径内开关速度和电流路径间开关速度设置为相同或基本相同允许开关设备在不显著影响开关设备的整体开关性能的情况下的受控开关。这是因为使用不同开关速度与使用相同开关速度之间的开关设备的开关性能上的差异可在低电流水平下(尤其是当电流接近零时)最小。
开关控制器可在配置上不同。例如，开关控制器可包括：多个单开关速度控制电路，每个单开关速度控制电路配置成以相应的单开关速度提供开关信号；或可变开关速度控制电路，其配置成以两个或更多个开关速度提供开关信号。
本发明的该或每个开关元件以及该或每个无源电流检查元件可在配置上不同，其非限制性示例描述如下。该或每个开关元件可配置成可切换到反向传导状态，使得在对应的电流路径中流动的反向电流优先地流过该开关元件，而不是流过对应的并联连接的无源电流检查元件。该或每个开关元件可包括晶体管，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。晶体管可由碳化硅形成。该或每个无源电流检查元件可包括二极管。二极管可为体二极管或紧密耦合式二极管。
根据本发明的第二方面，提供一种操作开关设备的方法，该开关设备包括第一电流路径和第二电流路径，每个电流路径配置成能够传导电流，该第一电流路径包括与第一无源电流检查元件并联连接的第一开关元件，该方法包括如下步骤：
以第一电流路径内开关速度开关第一开关元件来使第一开关元件与第一无源电流检查元件之间的电流换向；以及
以第一电流路径间开关速度开关第一开关元件来使第一电流路径与第二电流路径之间的电流换向，
其中第一电流路径内开关速度比第一电流路径间开关速度更快或更慢。
本发明的第一方面的开关设备和其实施例的优点适用于(加以必要的变更)本发明的第二方面的方法和其实施例。
本发明的方法可包括设置电流路径内开关速度来调节(优选地最大限度地减小)开关设备中的开关损耗的步骤。
本发明的方法可包括设置电流路径间开关速度来调节(优选地最大限度地减小)开关设备中的电压瞬变的步骤。
当第二电流路径包括第二开关元件时，本发明的方法可包括以第二电流路径间开关速度开关第二开关元件来使第一电流路径与第二电流路径之间的电流换向的步骤，且第一电流路径内开关速度可比第二电流路径间开关速度更快或更慢。
当第二电流路径包括与第二无源电流检查元件并联连接的第二开关元件时，本发明的方法可包括以第二电流路径内开关速度开关第二开关元件来使第二开关元件与第二无源电流检查元件之间的电流换向的步骤。第二电流路径内开关速度可比第一电流路径间开关速度更快或更慢。第二电流路径内开关速度可比第二电流路径间开关速度更快或更慢。
在本发明的方法中，第一电流路径内开关速度可比第二电流路径内开关速度更快或更慢或与其相同。
在本发明的方法中，第一电流路径间开关速度可比第二电流路径间开关速度更快或更慢或与其相同。
本发明的方法可包括当电流低于预先限定的电流阈值时将电流路径内开关速度和电流路径间开关速度设置为相同或基本相同的步骤。
本发明的方法可使用开关控制器来执行。例如，开关控制器可包括：多个单开关速度控制电路，每个单开关速度控制电路配置成以相应的单开关速度提供开关信号；和/或可变开关速度控制电路，其配置成以两个或更多个开关速度提供开关信号。
在本发明的方法中，该或每个开关元件可包括晶体管，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，可选地其中该晶体管可由碳化硅形成，且/或该或每个无源电流检查元件可包括二极管，可选地其中二极管可为体二极管或紧密耦合式二极管。
将了解的是，在该专利说明书中用语“第一”和“第二”等的使用仅意在有助于区别类似的特征(例如，第一电流路径与第二电流路径，第一开关元件与第二开关元件)，且除非另外指定，否则不意在指示一个特征对于另一特征的相对重要性。
附图说明
现在将通过非限制性示例参照附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示意性地示出根据本发明的实施例的开关设备；
图2示出图1的开关设备中电流的不同流动；以及
图3示意性地示出图1的开关设备的开关控制器的示例。
具体实施方式
根据本发明的实施例的开关设备在图1中示出，且大体上由参考标号20来表示。
开关设备20包括第一开关元件和第二开关元件，其以半桥布置与电容器22并联连接，以限定可提供零电压或正电压且可在两个方向上传导电流的半桥模块。半桥布置配置成使得第一开关元件在两个输出端子24、26之间第一电流路径中与电容器22串联连接，而第二开关元件在两个输出端子24、26之间第二电流路径中连接。
第一开关元件构成与整体的第一体二极管30并联连接的第一MOSFET 28。第二开关元件构成与整体的第二体二极管34并联连接的第二MOSFET 32。每个MOSFET 28、32限定可在两个方向上传导电流的电阻通道。使用中，每个MOSFET 28、32可切换到反向传导状态，使得在对应的电流路径中流动的反向电流优先地流过该MOSFET 28、32，而不是流过对应的并联连接的体二极管30、34。MOSFET 28、32可由碳化硅形成。
开关设备20还包括开关控制器38，其配置成选择性地控制第一MOSFET 28和第二MOSFET 32的开关。
使用中，开关控制器38控制第一MOSFET 28和第二MOSFET 32的开关来接通和关断，以便控制通过开关设备20的电流的流动。当电流流过第一电流路径且绕过第二电流路径时，半桥模块向输出端子24、26提供(present)正电压。当电流流过第二电流路径且绕过第一电流路径时，半桥模块向输出端子24、26提供零电压。为了在向输出端子24、26提供正电压与提供零电压之间切换，操作半桥模块来执行换向过程，其中在第一电流路径与第二电流路径之间电流换向。
图2示出对于半桥模块的换向过程。更特别地，图2(a)示出通过第一MOSFET 28的反向电流36的流动，图2(b)示出通过第一体二极管30的反向电流36的流动，图2(c)示出通过第二MOSFET 32的正向电流36的流动，图2(d)示出通过第二MOSFET 32的反向电流36的流动，图2(e)示出通过第二体二极管34的反向电流36的流动，且图2(f)示出通过第一MOSFET28的正向电流36的流动。
为避免电流击穿的风险，换向过程涉及关断传送反向电流36的MOSFET 28、32使得它在接通相反的MOSFET 28、32之前从关断的MOSFET 28、32换向到对应的体二极管30、34，或关断传送正向电流36的MOSFET 28、32使得它在接通相反的MOSFET 28、32之前从关断的MOSFET 28、32换向到相反的体二极管30、34。
图2(a)、图2(b)和图2(c)依次示出开关换向操作，其中在接通第二MOSFET 32来使电流36从第一体二极管30换向到第二MOSFET 32之前关断第一MOSFET 28来使反向电流36从第一MOSFET 28换向到第一体二极管30。图2(d)、图2(e)和图2(f)依次示出开关换向操作，其中在接通第一MOSFET 28来使电流36从第二体二极管34换向到第一MOSFET 28之前关断第二MOSFET 32来使反向电流36从第二MOSFET 32换向到第二体二极管34。
图2(c)、图2(b)和图2(a)依次示出开关换向操作，其中在接通第一MOSFET 28来使电流36从第一体二极管30换向到第一MOSFET 28之前关断第二MOSFET 32来使正向电流36从第二MOSFET 32换向到第一体二极管30。图2(f)、图2(e)和图2(d)依次示出开关换向操作，其中在接通第二MOSFET 32来使电流36从第二体二极管34换向到第二MOSFET 32之前关断第一MOSFET 28来使正向电流36从第一MOSFET 28换向到第二体二极管34。
常规地，当使用单开关速度栅极驱动器来驱动MOSFET时，开关速度必须设置成避免在电流36的任何换向中的破坏性电压尖峰或谐振。然而，这减慢对于MOSFET与对应的体二极管30、34之间电流36换向的开关速度，结果是体二极管30、34必须更久地传送电流36以避免电流击穿的风险，其继而由于更长的二极管传导期导致更大的开关损耗，因为在与MOSFET 28、32相比时体二极管30、34提供高损耗的传导路径。因此优选的是，在开关周期期间尽可能长地保持一个MOSFET或另一MOSFET 28、32接通。
为解决在使用常规的单速栅极驱动器时所面临的高传导损耗，开关控制器38配置成能够以不同的开关速度控制MOSFET 28、32的开关。以该方式配置的开关控制器38的示例在该说明书中随后描述。
开关控制器38配置成以第一电流路径内开关速度选择性地开关第一MOSFET 28来使电流36从第一MOSFET 28换向到第一体二极管30/从第一体二极管30换向到第一MOSFET28，且以第二电流路径内开关速度选择性地开关第二MOSFET 32来使电流36从第二MOSFET32换向到第二体二极管34/从第二体二极管34换向到第二MOSFET 32。用语“电流路径内”是指保持在相同的电流路径中同时在MOSFET 28、32与对应的体二极管30、34之间换向的电流36。
开关控制器38还配置成以第一电流路径间开关速度选择性地开关第一MOSFET 28来使电流36从第一MOSFET 28换向到相反的体二极管34/从相反的体二极管34换向到第一MOSFET 28，且以第二电流路径间开关速度选择性地开关第二MOSFET 32来使电流36从第二MOSFET 32换向到相反的体二极管30/从相反的体二极管30换向到第二MOSFET 32。用语“电流路径间”是指在第一电流路径与第二电流路径之间换向同时在MOSFET 28、32与相反的体二极管30、34之间换向的电流36。
在示出的实施例中，由开关控制器38将第一电流路径内开关速度和第二电流路径内开关速度中的每个设置成比第一电流路径间开关速度和第二电流路径间开关速度中的每个更快。在第一或第二MOSFET 28、32与对应的体二极管30、34之间的电流36的换向产生小的换向电感，其可适应高的电流改变率(且因此允许使用较快的电流路径内开关速度)，而没有生成不期望电压尖峰的风险。在另一方面，在第一或第二MOSFET 28、32与相反的体二极管30、34之间的电流36的换向产生大的换向电感，其仅可适应低的电流改变率(且因此仅允许使用较慢的电流路径间开关速度)，以便避免生成不期望电压尖峰的风险。
使用较快的电流路径内开关速度来用于使相同电流路径中MOSFET 28、32与对应的体二极管30、34之间的电流36换向的开关换向操作允许保持低的二极管传导期以最大限度地减小开关损耗，而使用较慢的电流路径间开关速度来用于使电流路径之间的电流36换向的开关换向操作防止电压尖峰和振荡的出现。这提供开关设备20的更优且高效(在与为两种开关换向操作使用相同开关速度相比时)的性能。
可由开关控制器38将第一电流路径内开关速度设置成比第二电流路径内开关速度更快或更慢或与其相同，且可由开关控制器38将第一电流路径间开关速度设置成比第二电流路径间开关速度更快或更慢或与其相同。因此，第一电流路径内开关速度和第二电流路径内开关速度以及第一电流路径间开关速度和第二电流路径间开关速度的不同组合是可能的。
开关控制器38可在配置上不同，以便能够以不同的开关速度控制MOSFET 28、32的开关。
开关控制器38可包括多个单开关速度栅极驱动器，以提供开关信号来以相应的不同开关速度控制给定MOSFET 28、32的开关。图3(a)示出单开关速度栅极驱动器的示例。图3(a)的单开关速度栅极驱动器包括成对的开关电阻器串联连接40，其以半桥布置与DC电压源42并联连接，该半桥布置连接到开关设备20的MOSFET 28、32的栅极端子44和源极端子46。
开关控制器38可包括可变开关速度栅极驱动器，其配置成提供开关信号来以不同的开关速度控制给定MOSFET 28、32的开关。图3(b)示出用于以两种开关速度控制MOSFET28、32的开关的可变开关速度栅极驱动器的示例。除了在图3(b)的可变开关速度栅极驱动器中每个开关电阻器串联连接40由开关和开关电阻器串联连接的并联连接48所代替(其中每个并联连接48与相应另外的电阻器50串联连接)，图3(b)的可变开关速度栅极驱动器与图3(a)的单开关速度栅极驱动器相同。
图3(c)示出用于以三个开关速度控制给定MOSFET 28、32的开关的可变开关速度栅极驱动器的示例。图3(c)的可变开关速度栅极驱动器包括两对开关电阻器串联连接52，其以全桥布置与DC电压源42并联连接，该全桥布置连接到开关设备20的MOSFET的栅极端子44和源极端子46。前两个开关速度可分别用作较快的电流路径内开关速度和较慢的电流路径间开关速度，而第三开关速度可用于在开关设备20中存在故障电流的情况下缓慢地关断MOSFET 28、32，以便限制电压尖峰。
在开关控制器38的上面三个示例中，每个开关构成与体二极管并联连接的MOSFET，但在本发明的其它实施例中可具有不同的开关配置。
必须已知电流36的方向，以便确定给定开关换向操作中涉及的构件和电流路径以及给定开关换向操作中涉及的MOSFET 28、32的状态上的改变(接通到关断或关断到接通)。因为关于开关设备20中的电流36的方向可存在不确定，当电流36低于预先限定的电流阈值接近零时，由于开关损耗在接近零的电流水平下最小，开关控制器38可将电流路径内开关速度增加到与电流路径间开关速度相同(或基本相同)。如果在此类低的电流水平下预期不出现过大的电压瞬变或振荡，开关控制器38可改为将电流路径间开关速度减小到与电流路径内开关速度相同(或基本相同)，以便加快开关换向操作。
将了解的是，在示出的实施例中，开关设备20选择成有助于示出本发明的工作，且不意在对开关设备20可适用于的应用范围进行限制。开关设备20可能够适用于需要在多个电流路径之间电流换向的其它类型的开关设备。
还将了解的是，取决于它的设计要求，开关设备20中构件的类型和数量可不同。设想到，在本发明的其它实施例中，第一开关元件可由多个第一开关元件(例如串联连接和/或并联连接的第一开关元件)所代替，第二开关元件可由多个第二开关元件(例如串联连接和/或并联连接的第二开关元件)所代替，第一无源电流检查元件可由多个第一无源电流检查元件(例如串联连接和/或并联连接的第一无源电流检查元件)所代替，且第二无源电流检查元件可由多个第二无源电流检查元件(例如串联连接和/或并联连接的第二无源电流检查元件)所代替。
还设想到，在本发明的还其它的实施例中，每个MOSFET 28、32可由另一类型的半导体开关装置所代替，每个二极管可由将电流限于仅一个方向的另一类型的无源电流检查元件所代替，且/或每个电容器22可由能够存储和释放能量来选择性地提供电压的另一类型的能量存储装置(例如燃料电池或电池)所代替。

Claims (15)

1.一种开关设备(20)，所述开关设备(20)包括第一电流路径和第二电流路径，每个电流路径配置成能够传导电流，所述第一电流路径包括与第一无源电流检查元件(30)并联连接的第一开关元件(28)，所述开关设备(20)还包括开关控制器(38)，所述开关控制器(38)配置成选择性地控制所述第一开关元件(28)的开关，其中所述开关控制器(38)配置成以第一电流路径内开关速度选择性地开关所述第一开关元件(28)来使所述第一开关元件(30)与所述第一无源电流检查元件(32)之间的电流(36)换向，所述开关控制器(38)配置成以第一电流路径间开关速度选择性地开关所述第一开关元件(28)来使所述第一电流路径与所述第二电流路径之间的电流(36)换向，且所述第一电流路径内开关速度比所述第一电流路径间开关速度更快或更慢。
2.根据权利要求1所述的开关设备(20)，其特征在于，所述开关控制器(38)配置成设置所述电流路径内开关速度来调节所述开关设备(20)中的开关损耗。
3.根据权利要求1或2所述的开关设备(20)，其特征在于，所述开关控制器(38)配置成设置所述电流路径间开关速度来调节所述开关设备(20)中的电压瞬变和/或振荡。
4.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备(20)，其特征在于，所述第二电流路径包括第二开关元件(32)，所述开关控制器(38)配置成以第二电流路径间开关速度选择性地开关所述第二开关元件(32)来使所述第一电流路径与所述第二电流路径之间的电流(36)换向，且所述第一电流路径内开关速度比所述第二电流路径间开关速度更快或更慢。
5.根据权利要求4所述的开关设备(20)，其特征在于，所述第二电流路径包括与第二无源电流检查元件(34)并联连接的所述第二开关元件(32)，所述开关控制器(38)配置成以第二电流路径内开关速度选择性地开关所述第二开关元件(32)来使所述第二开关元件(32)与所述第二无源电流检查元件(34)之间的电流(36)换向，且其中所述第二电流路径内开关速度比所述第一电流路径间开关速度更快或更慢，且/或所述第二电流路径内开关速度比所述第二电流路径间开关速度更快或更慢。
6.根据权利要求5所述的开关设备(20)，其特征在于，所述第一电流路径内开关速度比所述第二电流路径内开关速度更快或更慢或与其相同。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的开关设备(20)，其特征在于，所述第一电流路径间开关速度比所述第二电流路径间开关速度更快或更慢或与其相同。
8.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备(20)，其特征在于，所述开关控制器(38)配置成当所述电流(36)低于预先限定的电流阈值时将所述电流路径内开关速度和所述电流路径间开关速度选择性地设置为相同或基本相同。
9.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备(20)，其特征在于，所述开关控制器(38)包括：多个单开关速度控制电路，每个单开关速度控制电路配置成以相应的单开关速度提供开关信号；和/或可变开关速度控制电路，其配置成以两个或更多个开关速度提供开关信号。
10.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备(20)，其特征在于，所述开关元件或每个开关元件(28、32)配置成可切换到反向传导状态，使得在对应的电流路径中流动的反向电流优先地流过该开关元件(28、32)，而不是流过对应的并联连接的无源电流检查元件(30、34)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备(20)，其特征在于，所述开关元件或每个开关元件(28、32)包括晶体管。
12.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备(20)，其特征在于，所述晶体管由碳化硅形成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备(20)，其特征在于，所述无源电流检查元件或每个无源电流检查元件(30、34)包括二极管。
14.根据权利要求13所述的开关设备(20)，其特征在于，所述二极管是体二极管或紧密耦合式二极管。
15. 一种操作开关设备(20)的方法，所述开关设备(20)包括第一电流路径和第二电流路径，每个电流路径配置成能够传导电流，所述第一电流路径包括与第一无源电流检查元件(30)并联连接的第一开关元件(28)，所述方法包括如下步骤：
以第一电流路径内开关速度开关所述第一开关元件(28)来使所述第一开关元件(28)与所述第一无源电流检查元件(30)之间的电流(36)换向；以及
以第一电流路径间开关速度开关所述第一开关元件(28)来使所述第一电流路径与所述第二电流路径之间的电流(36)换向，
其中所述第一电流路径内开关速度比所述第一电流路径间开关速度更快或更慢。
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