CN111919386B - 具有串联连接的半导体开关的电路装置和变流器模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电路装置(3)，其具有偶数数量的串联连接的半导体开关(5，6)，所述半导体开关分别具有两个负载接头(7，8)和控制接头(9)，并且彼此成对地相关联。此外，电路装置(3)包括：用于每个半导体开关(5，6)的驱动器(11)，用于通过半导体开关的控制接头(9)对半导体开关(5，6)进行控制；以及用于形成开关对(15)的每两个半导体开关(5，6)的开关电源(17)，由所述开关对(15)中的第一半导体开关(5)的两个负载接头(7，8)之间的电压对所述开关电源供应能量，并且所述开关电源不仅对所述第一半导体开关(5)的驱动器(11)、而且对所述开关对(15)中的第二半导体开关(6)的驱动器(11)供应能量。

Description

具有串联连接的半导体开关的电路装置和变流器模块
技术领域
本发明涉及一种具有串联连接的半导体开关的电路装置和具有这种电路装置的变流器模块。
背景技术
诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT＝Insulated-Gate Bipolar Transistor)的半导体开关通过驱动器来控制，必须向驱动器供应电能。特别是变流器模块经常具有半导体开关的串联电路。本发明特别是涉及这种串联电路的半导体开关的驱动器的能量供应。例如经常由与半导体开关连接的电容器，来对单个半导体开关的驱动器供应能量。然而，在半导体开关的串联电路中，半导体开关的驱动器的这种方式的能量供应与一定的困难相关联，因为从用于半导体开关的整个串联电路的电容器电路、由此从通常非常高的电压耦合输出能量，或者仅从串联连接的多个电容器中的一个电容器耦合输出能量，而这些电容器的电压遭受电容器之间的电压分配的波动。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，给出一种具有串联连接的半导体开关的电路装置和变流器模块，特别是在对半导体开关的驱动器的能量供应方面，对电路装置和变流器模块进行改进。
根据本发明，上述技术问题通过具有根据本发明的特征的电路装置以及具有根据本发明的特征的变流器模块来解决。
根据本发明的电路装置包括：偶数数量的串联连接的半导体开关，所述半导体开关分别具有两个负载接头和控制接头，并且彼此成对地相关联；用于每个半导体开关的驱动器，用于通过半导体开关的控制接头对半导体开关进行控制；以及用于形成开关对的每两个半导体开关的开关电源，由所述开关对中的第一半导体开关的两个负载接头之间的电压对所述开关电源供应能量，并且所述开关电源不仅对所述第一半导体开关的驱动器、而且对所述开关对中的第二半导体开关的驱动器供应能量。
也就是说，本发明设置为，通过相应的开关电源成对地对串联连接的半导体开关的驱动器供应能量。通过第一半导体开关的负载接头之间的电压对开关电源供应能量。在此，使用在每一个开关对中的第一半导体开关的断开状态下施加在该第一半导体开关上的电压，来对相应的开关对的开关电源供应能量，从而不出现上面提到的由电容器电路供应能量的问题。
本发明的一个设计方案设置为，每个半导体开关并联连接有续流二极管。由此针对半导体开关的开关状态改变时的过电压，对半导体开关进行保护。
在本发明的另一个设计方案中，每个半导体开关是绝缘栅双极晶体管，其负载接头是其发射极和其集电极，并且其控制接头是其栅极。在此，特别是，串联电路中的每两个连续的半导体开关，通过这两个半导体开关中的一个的发射极与这两个半导体开关中的另一个的集电极的电连接而彼此电连接。绝缘栅双极晶体管兼有双极型晶体管和场效应晶体管的优点，因此是特别合适的半导体开关，特别是用于针对变流器模块的电路装置的半导体开关。
本发明的另一个设计方案设置为，半导体开关以按照其串联连接的顺序而(上下重叠或者并排)堆叠的方式布置。这产生节省空间的电路装置的实施方式，并且能够实现半导体开关的简单的接线。
具有至少四个半导体开关的电路装置的另一个设计方案设置为，开关对的第一半导体开关形成子串联电路，该子串联电路在半导体开关的串联电路中，布置在开关对的第二半导体开关的第一子集和开关对的第二半导体开关的第二子集之间。在此，第二半导体开关的两个子集的基数优选在偶数数量的开关对的情况下一样大，而在奇数数量的开关对的情况下相差1。此外，在半导体开关的串联电路中的每一个开关对的两个半导体开关之间，优选布置有如下数量的半导体开关，该数量比开关对的第二半导体开关所属的第二半导体开关的子集的基数小1。本发明的该设计方案考虑到，一个开关对的两个半导体开关的彼此对应的负载接头，由于半导体开关的串联连接，而处于彼此不同的电势。必须由对两个半导体开关的驱动器供应能量的开关电源来平衡该电势差。因此，有利的是，保持每个开关对的两个半导体开关之间的电势差尽可能小。这通过前面提到的半导体开关的布置来实现，该布置实现连接在每一个开关对的两个半导体开关之间的其它开关对的半导体开关的尽可能小的数量，其中，第一半导体开关形成子串联电路。
根据本发明的变流器模块包括：根据前面描述的设计方案中的一个的电路装置；与半导体开关的串联电路的两端连接的电容器电路，所述电容器电路具有至少一个电容器；以及两个模块接头，所述模块接头是由开关对中的第一半导体开关形成的子串联电路的端接头。在此，所述电容器电路可以是多个电容器的串联电路。特别是，所述电容器电路可以具有如下数量的电容器，该数量与所述电路装置的开关对的数量一致。根据本发明的变流器模块的优点从上面提到的电路装置的优点得到。
附图说明
上面描述的本发明的特性、特征和优点以及其实现方式，结合对下面结合附图详细说明的实施例的描述，将变得更清楚并且更容易理解。在此附图中：
图1示出了具有四个串联连接的半导体开关的变流器模块，
图2示出了具有八个串联连接的半导体开关的变流器模块。
在附图中，对彼此对应的部分设置相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了具有根据本发明的电路装置3的根据本发明的变流器模块1的电路图，该电路装置3具有四个串联连接的半导体开关5、6。
每个半导体开关5、6被构造为IGBT，并且具有两个负载接头7、8(发射极7和集电极8)以及控制接头9(栅极)。串联电路中的每两个连续的半导体开关5、6，通过这两个半导体开关5、6中的一个的发射极7与这两个半导体开关5、6中的另一个的集电极8的电连接，而彼此电连接。
此外，对于每一个半导体开关5、6，电路装置3具有驱动器11和续流二极管13。利用驱动器11，通过控制接头9来控制半导体开关5、6。续流二极管13与半导体开关5、6并联连接，其中，续流二极管13的阳极与半导体开关5、6的发射极7连接，并且续流二极管13的阴极与半导体开关5、6的集电极8连接。
半导体开关5、6彼此成对地相关联，由此形成两个开关对15。对于每个开关对15，电路装置3具有开关电源17，由开关对15的第一半导体开关5的两个负载接头7、8之间的电压来对开关电源17供应能量，并且开关电源17不仅对开关对15的第一半导体开关5的驱动器11、而且对第二半导体开关6的驱动器11供应能量。分别通过箭头示出了对开关电源17的能量供应以及通过开关电源17对第二半导体开关6的能量供应。
开关对15的两个第一半导体开关5形成子串联电路，该子串联电路在半导体开关5、6的串联电路中，布置在开关对15的两个第二半导体开关6之间，其中，每个开关对15的两个半导体开关5、6连续地布置。
此外，变流器模块1具有两个模块接头19和电容器电路21。模块接头19是由开关对15的第一半导体开关5形成的子串联电路的端接头。电容器电路21与半导体开关5、6的串联电路的两端连接，并且具有两个串联连接的电容器23。
半导体开关5、6以按照其串联连接的顺序而上下重叠或者并排地堆叠的方式布置。
图2示出了具有根据本发明的电路装置3的根据本发明的变流器模块1的电路图，该电路装置3具有八个串联连接的半导体开关5、6。
每个半导体开关5、6被构造为IGBT，并且具有两个负载接头7、8(发射极7和集电极8)以及控制接头9(栅极)。串联电路中的每两个连续的半导体开关5、6，通过这两个半导体开关5、6中的一个的发射极7与这两个半导体开关5、6中的另一个的集电极8的电连接，彼此电连接。
此外，对于每一个半导体开关5、6，电路装置3具有驱动器11和续流二极管13。利用驱动器11，通过控制接头9来控制半导体开关5、6。续流二极管13与半导体开关5、6并联连接，其中，续流二极管13的阳极与半导体开关5、6的发射极7连接，并且续流二极管13的阴极与半导体开关5、6的集电极8连接。
半导体开关5、6彼此成对地相关联，由此形成四个开关对15。对于每个开关对15，电路装置3具有开关电源17，由开关对15的第一半导体开关5的两个负载接头7、8之间的电压来对开关电源17供应能量，并且开关电源17不仅对开关对15的第一半导体开关5的驱动器11、而且对第二半导体开关6的驱动器11供应能量。分别通过箭头示出了对开关电源17的能量供应以及通过开关电源17对第二半导体开关6的能量供应。
开关对15的四个第一半导体开关5形成子串联电路，该子串联电路在半导体开关5、6的串联电路中，布置在开关对15的第二半导体开关6的第一子集25和开关对15的第二半导体开关6的第二子集26之间，其中，每个子集25、26具有两个第二半导体开关6，并且另一个开关对15的一个半导体开关5、6正好布置在每个开关对15的两个半导体开关5、6之间。
此外，变流器模块1具有两个模块接头19和电容器电路21。模块接头19是由开关对15的第一半导体开关5形成的子串联电路的端接头。电容器电路21与半导体开关5、6的串联电路的两端连接，并且具有四个串联连接的电容器23。
半导体开关5、6以按照其串联连接的顺序而上下重叠或者并排地堆叠的方式布置。
在图1和图2中示出的两个变流器模块1中，每个开关电源17被构造为用于测量施加在相应的第一半导体开关5的两个负载接头7、8之间的电压，并且当第一半导体开关5断开(截止)时，从该电压耦合输出能量。此外，开关电源17平衡相应的开关对15的两个半导体开关5、6的彼此对应的负载接头7、8之间(例如发射极7之间)的电势差。在图1中示出的电路装置3的情况下的开关对15的两个半导体开关5、6的彼此相邻的布置，以及在图2中示出的电路装置3的情况下的一个开关对15的两个半导体开关5、6与布置在这两个半导体开关5、6之间的另一个开关对15的相应的仅一个半导体开关5、6的布置，相应地有利地在开关对15的两个半导体开关5、6之间产生相对小的电势差。
此外，在图1和图2中示出的两个变流器模块1中可以设置为，使得除了由施加在第一半导体开关5上的电压对开关电源17供应能量之外，还能够例如由可以根据需要使用的电流或者电容器电路21来对开关电源17进行冗余的能量供应。
虽然通过优选实施例进一步详细示出并描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，本领域技术人员可以从中推导出其它变形，而不脱离本发明的保护范围。
附图标记列表
1 变流器模块
3 电路装置
5,6 半导体开关
7,8 负载接头
9 控制接头
11 驱动器
13 续流二极管
15 开关对
17 开关电源
19 模块接头
21 电容器电路
23 电容器
25,26 子集

Claims (11)

1.一种电路装置(3)，其包括：
-偶数数量的串联连接的半导体开关(5，6)，所述半导体开关分别具有两个负载接头(7，8)和控制接头(9)，并且彼此成对地相关联，
-用于每个半导体开关(5，6)的驱动器(11)，用于通过半导体开关的控制接头(9)对半导体开关(5，6)进行控制，以及
-开关电源(17)，
其中，所述串联连接的半导体开关形成多个半导体开关对，每个半导体开关对包括第一半导体开关和第二半导体开关，所述多个半导体开关对中的每一个半导体开关对都由所述开关电源中的相应一个开关电源驱动；
其中，所述开关电源中的每一个开关电源都由所述多个半导体开关对中的相应一个半导体开关对中的第一半导体开关的两个负载接头之间的电压供应能量，并且所述开关电源中的一个开关电源被配置为既向所述多个半导体开关对中的相应一个半导体开关对的第一半导体开关的驱动器又向第二半导体开关的驱动器供应能量；
其中，第一对开关由两个所述串联连接的半导体开关形成，第二对开关由另外两个所述串联连接的半导体开关形成；
其中，所述第一对开关由所述开关电源中的一个开关电源驱动，所述第二对开关由所述开关电源中的另一个开关电源驱动；以及
其中，所述第一对开关中的第一半导体开关和所述第一对开关中的第二半导体开关通过所述第二对开关中的第一半导体开关或第二半导体开关相互串联起来。
2.根据权利要求1所述的电路装置(3)，其中，每个半导体开关(5，6)并联连接有续流二极管(13)。
3.根据权利要求1或2所述的电路装置(3)，其中，每个半导体开关(5，6)是绝缘栅双极晶体管，其负载接头(7，8)是其发射极和其集电极，并且其控制接头(9)是其栅极。
4.根据权利要求3所述的电路装置(3)，其中，串联电路中的每两个连续的半导体开关(5，6)通过这两个半导体开关(5，6)中的一个的发射极与这两个半导体开关(5，6)中的另一个的集电极的电连接而彼此电连接。
5.根据权利要求1或2所述的电路装置(3)，其中，半导体开关(5，6)以按照其串联连接的顺序而堆叠的方式布置。
6.根据权利要求1或2所述的电路装置(3)，所述电路装置具有至少四个半导体开关(5，6)，其中，开关对(15)的第一半导体开关(5)形成子串联电路，所述子串联电路在半导体开关(5，6)的串联电路中，布置在开关对(15)的第二半导体开关(6)的第一子集(25)和开关对(15)的第二半导体开关(6)的第二子集(26)之间。
7.根据权利要求6所述的电路装置(3)，其中，第二半导体开关(6)的两个子集(25，26)的基数在偶数数量的开关对(15)的情况下一样大，而在奇数数量的开关对(15)的情况下相差1。
8.根据权利要求6所述的电路装置(3)，其中，在半导体开关(5，6)的串联电路中的每一个开关对(15)的两个半导体开关(5，6)之间，布置有如下数量的半导体开关(5，6)，该数量比开关对(15)的第二半导体开关(6)所属的第二半导体开关(6)的子集(25，26)的基数小1。
9.一种变流器模块(1)，其包括：
-根据权利要求6至8中任一项所述的电路装置(3)，
-与半导体开关(5，6)的串联电路的两端连接的电容器电路(21)，所述电容器电路具有至少一个电容器(23)，以及
-两个模块接头(19)，所述模块接头是由开关对(15)中的第一半导体开关(5)形成的子串联电路的端接头。
10.根据权利要求9所述的变流器模块(1)，其中，所述电容器电路(21)是多个电容器(23)的串联电路。
11.根据权利要求10所述的变流器模块(1)，其中，所述电容器电路(21)具有如下数量的电容器(23)，该数量与所述电路装置(3)的开关对(15)的数量一致。
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