CN112838773A - 具有不对称半导体额定值布置的功率模块和转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有不对称半导体额定值布置的功率模块和转换器。提供用于操作整流器的系统。这些方面包括整流器，该整流器包括：桥式结构的集合，所述桥式结构配置成接收电源的输入电流，其中桥式结构的集合中的每个桥式结构包括二极管的集合和有源开关的集合，其中有源开关的集合中的每个有源开关配置成当处于PWM状态中时提供围绕二极管的集合中的每个二极管的并行通路；控制器，其配置成确定用于整流器的阈值电流，并且基于输入电流小于阈值电流来将整流器中的一个或多个有源开关操作在PWM状态中。

Description

具有不对称半导体额定值布置的功率模块和转换器
技术领域
示范实施例涉及AC-DC转换器的领域，以及更特别地涉及具有不对称半导体额定值（rating）布置的功率模块和转换器。
背景技术
冷却器是一种机器，该机器经由蒸汽压缩或吸收制冷循环从液体去除热量。这个液体然后能够经过热交换机循环以冷却设备或者另一个过程流(例如空气或过程水)。作为副产品，制冷造成废热，所述废热必须被排放到环境，或者为了更大效率而被回收以用于加热目的。在空气调节系统中，冷却水通常被分配到空气处理机或其他类型的终端装置中的热交换机或线圈，它们冷却其(一个或多个)相应空间中的空气。水然后被再循环到冷却器以便重新冷却。这些冷却线圈将显热和潜热从空气传递给冷却水，因此对空气流进行冷却并且通常进行除湿。
冷却器利用交流(AC)马达来驱动压缩器(该压缩器用来压缩和加热冷却器中使用的冷却剂)，并且经过冷凝器来传递这个制冷剂，并且以后被蒸发以提供HVAC系统中的冷却空气。对于高层（high tier）冷却器应用，需要来自驱动AC马达的转换器的低总谐波电流失真(THD)。
发明内容
本公开的实施例针对一种装置。该装置的非限制性示例包括一个或多个有源开关、一个或多个二极管，其中一个或多个有源开关中的每个有源开关与一个或多个二极管中的对应二极管并行，其中一个或多个有源开关的每个有源开关包括第一电流额定值，其中一个或多个二极管中的每个二极管包括第二电流额定值，以及其中第一电流额定值比第二电流额定值要小至少一个数量级。
本公开的实施例针对一种系统。该系统的非限制性示例包括整流器，该整流器包括：桥式结构的集合，所述桥式结构配置成接收电源的输入电流，其中桥式结构的集合中的每个桥式结构包括二极管的集合和有源开关的集合，其中有源开关的集合中的每个有源开关配置成当处于PWM状态中时提供围绕二极管的集合中的每个二极管的并行通路；控制器，其配置成确定用于整流器的阈值电流，并且基于输入电流小于阈值电流来将整流器中的一个或多个有源开关操作在PWM状态中。
本公开的实施例针对一种系统。该系统的非限制性示例包括：整流器，其包括第一桥式结构，该第一桥式结构配置成接收来自电源的输入电流，其中第一桥式结构包括第一二极管和第二二极管、第一有源开关和第二有源开关，其中第一有源开关当处于PWM状态中时提供围绕第一二极管的第一并行通路；并且其中第二有源开关当处于PWM状态中时提供围绕第二二极管的第二并行通路；以及控制器，其配置成确定用于整流器的阈值电流，并且基于输入电流小于阈值电流来将整流器中的第一有源开关操作在PWM状态中。
通过本公开的技术来实现附加技术特征和有益效果。本公开的实施例和方面在本文中详细描述，并且被认为是要求保护主题的一部分。为了更好地理解，参照详细描述并且参照附图。
附图说明
以下描述都不应当被视为以任何方式进行限制。参照附图，相似元件相似地被编号：
图1图示按照一个或多个实施例的包括耦合到压缩器的变速马达的示范冷却器系统的基本框图；
图2描绘按照一个或多个实施例的整流器的电路拓扑；
图3描绘按照一个或多个实施例的具有单相电源的整流器拓扑；
图4a和图4b描绘按照一个或多个实施例的整流器电路中的双向开关的电路拓扑；以及
图5描绘按照一个或多个实施例的用于操作整流器的方法的流程图。
具体实施方式
本文参照附图作为例示而不是限制来提出所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述。
术语“大约”意在包括与基于提交本申请时可用的设备的特定量的测量关联的误差程度。
本文中所使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的，并不旨在成为本公开的限制。如本文中所使用的，单数形式“一（a/an）”和“该（the）”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚地指示。还将理解的是，术语“包括（comprise和/或comprising）”当在本说明书中使用时规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件组件和/或其群组的存在或添加。
现在来看与本公开的方面相关的技术。高层冷却器应用通常要求低总谐波电流失真以用于更好操作。当对这些高层冷却器应用要求低总谐波电流失真(THD)时，能够利用维也纳（Vienna）整流器。维也纳整流器具有在仍然保持高电流质量的同时的低有源装置计数的有益效果。但是，当电流低于某个阈值(例如10%)时，维也纳整流器的谐波性能退化。T型整流器能够跨整个电流范围满足谐波电流要求，但是具有更高总成本。
按照一个或多个实施例，本公开的方面通过提供用于T型整流器的不对称半导体布置来解决上述问题的缺点。特别地，T型整流器中的半桥的绝缘栅双极晶体管(IGBT)电流额定值被确定大小成比同一桥式结构中的二极管电流额定值要小得多。在当前整流器电路中，当电流失真成为问题时，仅当负载功率低于某个阈值时才启用桥式结构中的IGBT。在这种情况下，对于跨整个工作范围具有令人满意的电流谐波性能的桥式结构，能够选择小电流和低成本IGBT。
现在参照附图，图1图示按照一个或多个实施例的包括耦合到压缩器104的变速马达102的示范冷却器系统100的基本框图。压缩器104包括推进器/转子，它旋转并且将液体冷却剂压缩成过热制冷剂蒸汽，以用于输送给冷凝器106。在冷凝器106中，制冷剂蒸汽在高压力下被液化，并且排斥热量(例如经由空气冷却冷却器应用中的冷凝器风扇来排斥到外部空气)。离开冷凝器106的液体制冷剂经过膨胀阀(未示出)来输送到蒸发器108。制冷剂经过膨胀阀传递，其中压力降使高压力液体制冷剂取得液体和蒸汽的更低压力组合。当冷却水经过蒸发器108传递时，低压力液体制冷剂蒸发，吸收来自水的热量，由此进一步冷却水并且蒸发制冷剂。低压力制冷剂再次被输送到压缩器104，其中它被压缩成高压力、高温度气体，并且被输送到冷凝器106，以再次开始制冷循环。要领会，虽然图1中示出特定制冷系统，但是本教导可适用于任何制冷或HVAC系统。
在图1中还示出，冷却器系统100包括压缩器104，该压缩器104由变速马达102根据从电网120(或干线)经过AC-DC转换器(整流器)200和逆变器驱动器(有时称作“DC-AC马达驱动器”)110所供应的功率来驱动。逆变器驱动器110包括固态电子器件，其用来调制线路上的电功率的频率。在实施例中，逆变器驱动器110使用整流器200将从电网120所接收的AC电功率从AC转换成直流(DC)，并且然后使用逆变器110将电功率从DC转换成预期频率下的脉宽调制(PWM)电压，以便驱动电动机102。
整流器200在图2中进一步描绘。图2描绘按照一个或多个实施例的整流器200的电路拓扑。整流器200配置有三个桥式结构，每个桥式结构包括旁路开关202的集合和二极管204的集合。在所图示的示例中，桥式结构按照半桥配置，并且各自包括两个有源开关202和两个二极管204。但是，在一个或多个实施例中，能够利用全桥结构。而且，在一个或多个实施例中，有源开关202能够是任何类型的开关，包括但不限于绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。三个桥式结构耦合到过滤器电路230。过滤器电路230耦合到三相交流(AC)电源220。三相电源220和过滤器230的组合向桥式结构供应三个不同相(通常偏移了120度)中的功率。桥式结构各自接收不同相中的功率，并且然后将AC功率信号整流成DC功率信号。整流器200还包括由两个电容器222、224所组成的电容器桥，所述两个电容器222、224用来平滑DC输出功率信号。整流器200还包括双向开关206的集合。这些双向开关206允许一种有源过滤器的创建，所述有源过滤器与半桥二极管整流器并行操作。通过中间分支双向开关206的有源控制，它为输入电流提供附加通路。因此，电网侧220处的电流成为具有低谐波含量的正弦。注意的是，三个双向开关206在电容器桥的中点处互连，该电容器桥由对于确保电压平衡所需的两个电容器222、224所组成。RLoad是整流器200上的负载。
在一个或多个实施例中，整流器200还包括控制器240，该控制器240用来操作有源开关202和双向开关206。在一个或多个实施例中，当有源开关202操作在断态中时，整流器200能够作为标准维也纳类型整流器进行操作。当有源开关202按照脉宽调制(PWM)方式来控制时，整流器200能够作为T型整流器来操作。在一个或多个实施例中，控制器240控制有源开关202和双向开关206两者的操作。控制器240能够确定（或接收）阈值电流以用于整流器200的操作中的使用。阈值电流能够基于AC电源的更低电流开始引起电流失真的位置来确定。当对桥式结构的输入电流小于或低于这个阈值电流时，整流器200作为T型整流器来操作，并且有源开关202与二极管204并行地操作。当对桥式结构的输入电流大于阈值电流时，整流器200作为维也纳整流器来操作，以及电流只能够流经二极管204，并且有源开关202处于断态中。在一个或多个实施例中，整流器200的这些桥式结构中的有源开关202的电流额定值比二极管204的电流额定值要小得多。在一个或多个实施例中，有源开关202的电流额定值能够比二极管204的电流额定值要小一个数量级。当操作在维也纳整流器模式时，谐波失真在轻负载条件下变大，因为输入电流因单向功率流特征而变成不连续。如果有源开关在PWM模式中被启用，则能够校正这个谐波失真。在这种情况下，有源开关提供附加电流通路，从而使输入电流的谐波降低许多。
图3描绘按照一个或多个实施例的具有单相电源的整流器拓扑。整流器300包括单个桥式结构，该桥式结构包括两个有源开关302的集合和两个二极管304的集合。在所图示的示例中，桥式结构按照半桥配置，并且各自包括两个有源开关302和两个二极管304。但是，在一个或多个实施例中，能够利用全桥结构。而且，在一个或多个实施例中，有源开关320能够是任何类型的开关，包括但不限于绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。桥式结构耦合到过滤器电路330。过滤器电路330耦合到单相交流(AC)电源320。桥式结构经过过滤器220从电源320接收功率，并且然后将AC功率信号整流成DC功率信号。整流器300还包括由两个电容器322、324所组成的电容器桥，所述两个电容器322、324用来平滑DC输出功率信号。整流器300还包括双向开关306的集合。这些双向开关306允许一种有源过滤器的创建，所述有源过滤器与半桥二极管整流器并行操作。通过中间分支双向开关306的有源控制，它为电流提供附加通路。因此，电网侧320处的电流成为具有低谐波含量的正弦。注意的是，三个双向开关306在电容器桥的中点处互连，该电容器桥由对于确保电压平衡所需的两个电容器322、324所组成。整流器300驱动DC负载(DLoad)。
在一个或多个实施例中，整流器300还包括控制器340，该控制器340用来操作有源开关302和双向开关306。在一个或多个实施例中，控制器340控制有源开关302和双向开关306两者的操作。控制器340能够确定（或接收）阈值电流以用于整流器300的操作中的使用。阈值电流能够基于AC电源的更低电流开始引起电流失真的位置来确定。当对桥式结构的输入电流小于或低于这个阈值电流时，整流器300作为T型整流器来操作，并且操作有源开关302的一个或多个，以创建围绕二极管304的旁路通路。当对桥式结构的输入电流大于阈值电流时，整流器300将有源开关302操作在断态中，以及电流能够经过正向偏置来流经二极管304。在一个或多个实施例中，整流器300的这些桥式结构中的有源开关302的电流额定值比二极管304的电流额定值要小得多。在一个或多个实施例中，有源开关302的电流额定值能够比二极管304的电流额定值要小一个数量级。
图4a和图4b描绘按照一个或多个实施例的整流器电路中的双向开关的电路拓扑。电路拓扑400a包括双向开关402，其中IGBT按照共发射极方式来连接。电路拓扑400b包括双向开关404，其中IGBT按照共集电极方式来连接。402优于404的有益效果在于，它简化双向开关中的两个IGBT的栅驱动装置电源设计。
图5描绘按照一个或多个实施例的用于操作整流器的方法的流程图。方法500包括提供整流器，该整流器包括耦合到电源的输入电流的桥式结构的集合，其中桥式结构的集合中的每个桥式结构包括二极管的集合和有源开关的集合，其中有源开关的集合中的每个有源开关配置成当处于通态中时提供围绕二极管的集合中的每个二极管的并行通路，如在框502处所示。在框504处，方法500包括由控制器来确定用于整流器的阈值电流。并且在框506处，方法500包括由控制器基于输入电流小于阈值电流来将整流器中的一个或多个有源开关操作在PWM状态（stage）中。
还可包括附加过程。应当理解，图5中所描绘的过程表示图示，并且可添加其他过程，或者可去除、修改或重新布置现有过程，而没有背离本公开的范围和精神。
虽然参照一个或多个示范实施例描述了本公开，但是由本领域的技术人员将理解，可进行各种变更，并且等同物可代替其元件，而没有背离本公开的范围。另外，可进行多种修改以使特定状况或材料适合本公开的教导，而没有背离其实质范围。因此，预计本公开并不局限于作为对于执行本公开所考虑的最佳模式所公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求书的范围之内的全部实施例。

Claims (20)

1.一种功率装置组合件，包括：
一个或多个有源开关；
一个或多个二极管；
其中所述一个或多个有源开关中的每个有源开关与所述一个或多个二极管中的对应二极管并行；以及
其中所述一个或多个有源开关的每个有源开关包括第一电流额定值；
其中所述一个或多个二极管中的每个二极管包括第二电流额定值；
其中所述第一电流额定值比所述第二电流额定值要小至少一个数量级。
2.如权利要求1所述的功率装置，进一步包括：
控制器，其配置成：
确定用于所述功率组合件的阈值电流；以及
基于所述输入电流小于所述阈值电流来将一个或多个有源开关操作在脉宽调制(PWM)状态中。
3.如权利要求2所述的功率装置组合件，其中，所述控制器进一步配置成：
基于所述输入电流超过所述阈值电流来将所述一个或多个有源开关操作在断态中。
4.如权利要求1所述的功率装置组合件，进一步包括电源，所述电源包括三相电源，所述三相电源配置成向所述一个或多个二极管和所述一个或多个有源开关供应三个输入电流。
5.如权利要求1所述的功率装置组合件，其中，所述一个或多个有源开关包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
6.一种系统，包括
整流器，包括下列集合：
多个桥式结构，其配置成接收电源的输入电流，其中所述多个桥式结构中的每个桥式结构包括多个二极管和多个有源开关，其中所述多个有源开关中的每个有源开关配置成当处于PWM状态中时提供围绕所述多个二极管中的每个二极管的并行通路；
控制器，其配置成：
确定用于所述整流器的阈值电流；以及
基于所述输入电流小于所述阈值电流来将所述整流器中的一个或多个有源开关操作在PWM状态中。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述控制器进一步配置成：
基于所述输入电流超过所述阈值电流来将所述整流器的每个整流器中的所述多个有源开关操作在断态中。
8.如权利要求6所述的系统，其中，所述电源包括三相电源，所述三相电源配置成向所述整流器供应三个输入电流。
9.如权利要求6所述的系统，其中，所述多个有源开关包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述多个有源开关的电流额定值比所述多个二极管的电流额定值要小一个数量级。
11.如权利要求6所述的系统，进一步包括耦合到所述多个桥式结构的多个双向开关。
12.如权利要求6所述的系统，其中，每个双向开关包括两个IGBT和两个二极管。
13.如权利要求6所述的系统，其中，所述多个桥式结构包括半桥结构。
14.如权利要求6所述的系统，其中，所述多个桥式结构包括全桥结构。
15.如权利要求6所述的系统，其中，所述多个旁路开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
16.一种系统，包括：
整流器，其包括第一桥式结构，所述第一桥式结构配置成接收来自电源的输入电流，其中所述第一桥式结构包括：
第一二极管和第二二极管；
第一有源开关和第二有源开关，其中所述第一有源开关当处于PWM状态中时提供围绕所述第一二极管的第一并行通路；以及其中所述第二有源开关当处于PWM中状态时提供围绕所述第二二极管的第二并行通路；以及
控制器，其配置成：
确定用于所述整流器的阈值电流；以及
基于所述输入电流小于所述阈值电流来将所述整流器中的所述第一有源开关操作在PWM状态中。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述控制器进一步配置成：
基于所述输入电流小于所述阈值电流来将所述整流器中的所述第一有源开关操作在断态中。
18.如权利要求16所述的系统，其中，所述电源包括三相电源，所述三相电源配置成向所述整流器供应三个输入电流。
19.如权利要求16所述的系统，其中，所述第一有源开关包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述第一有源开关的电流额定值比所述第一二极管的电流额定值要小一个数量级。
CN202011328453.9A 2019-11-25 2020-11-24 具有不对称半导体额定值布置的功率模块和转换器 Pending CN112838773A (zh)

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