CN113508516A - 用于关断桥式电路的功率半导体开关的方法、桥式电路和包括桥式电路的逆变器 - Google Patents

用于关断桥式电路的功率半导体开关的方法、桥式电路和包括桥式电路的逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于关断桥式电路(1)的功率半导体开关的方法，在所述桥式电路中，第一直流电压连接端(2)通过第一功率半导体开关(T1)与第一中间点(3)连接，所述第一中间点(3)通过第二功率半导体开关(T2)与交流电流连接端(4)连接，所述交流电流连接端(4)通过第三功率半导体开关(T3)与第二中间点(5)连接，并且所述第二中间点(5)通过第四功率半导体开关(T4)与第二直流电压连接端(6)连接，并且在所述桥式电路中，中性连接端(7)通过第五功率半导体开关(T5)与所述第一中间点(3)连接并且通过第六功率半导体开关(T6)与所述第二中间点(5)连接。所述方法包括切断过程，在所述切断过程中制造配置(K‑O)，在所述配置中，所述桥式电路(1)的所有功率半导体开关(T1‑T6)都处在关断的状态中。在所述切断过程的进程中有针对性地制造配置(K‑3，K‑5，K‑9)，在所述配置中，所述第五功率半导体开关(T5)和所述第六功率半导体开关(T6)同时处在接通的状态中，而所述第一功率半导体开关(T1)和所述第四功率半导体开关(T4)处在关断的状态中。另外公开了一种桥式电路(1)，所述桥式电路具有控制单元(8)，所述控制单元设置用于实施这种方法。除此之外还公开了一种逆变器(9)，所述逆变器包括至少一个这种桥式电路(1)。

Description

用于关断桥式电路的功率半导体开关的方法、桥式电路和包 括桥式电路的逆变器
技术领域
本发明涉及一种用于关断桥式电路的功率半导体开关的方法。此外，本发明涉及一种桥式电路，该桥式电路具有控制单元，该控制单元设置用于实施这种方法，本发明还涉及一种逆变器，该逆变器包括这种桥式电路。
背景技术
桥式电路用于电力电子的转换器电路中，用以将一个电流形式转换成另一电流形式，例如在逆变器的情况下用以将直流电流转换成交流电流。桥式电路通常由多个串联连接的和/或并联连接的功率半导体开关的布置组成，其中，功率半导体开关之间的联接点形成桥式电路的连接端(Anschlüsse)。通过不同数量的功率半导体开关的不同布置，得到多个不同的、对于本领域技术人员而言已知的桥式电路拓扑。
为了将一个电流形式转换成另一电流形式，在运行时根据确定的切换模式接通和关断桥式电路的功率半导体开关。尤其是在故障情况下，例如在出现过电流或者过电压的情况下，而且在转换器电路的常规的停止运转的情况下，需要将桥式电路的所有功率半导体开关转变到关断的状态中，在故障情况下甚至需要尽可能快速地进行转变。在此，容易想到并且根据现有技术普遍存在的是，直接并且同时将桥式电路的所有功率半导体开关的操控信号置入到信号状态中，该信号状态将桥式电路的功率半导体开关转变到关断的状态中。
然而，由于构件公差，尤其是当在桥式电路内使用不同技术的功率半导体开关、例如场效应晶体管和双极晶体管时，可能发生：在被操控以转变到关断的状态中之后，桥式电路的个别功率半导体开关比别的功率半导体开关更快速地转变到关断的状态中。
在多级拓扑的桥式电路的情况下，由原理决定地，与在桥式电路的输入连接端上的不同的电势联接的电平被施加到桥式电路的输出连接端上。由此，在同时操控桥式电路的所有功率半导体开关时，能够发生的是：由于不同的功率半导体开关的先前提到的不同速度的、到关断的状态中的转变，结合由于在桥式电路中附加存在的空载二极管而然后出现的电流，与在转换器电路常规运行期间相比，更高的电压短暂地施加在桥式电路的各个功率半导体开关上。这些更高的电压可能能够导致桥式电路的各个功率半导体开关的损伤。
例如由文献EP2779345A1已知一种三点拓扑的桥式电路，在该桥式电路中，第一直流电压连接端通过四个功率半导体开关的串联电路与第二直流电压连接端连接，并且在该桥式电路中，串联电路的第二与第三功率半导体开关之间的联接点形成交流电流连接端。串联电路的第一与第二功率半导体开关之间的联接点和串联电路的第三与第四功率半导体开关之间的联接点分别通过另外的功率半导体开关与中性连接端连接，该中性连接端因此也形成两个另外的功率半导体开关的联接点。这种桥式拓扑也被称为ANPC桥式电路(Active-Neutral-Point-Clamped-Brückenschaltung，有源中性点钳位桥式电路，)。
在ANPC桥式电路的情况下，通常将分离式直流电压中间电路与桥式电路的直流电压连接端连接，其中，分离式直流电压中间电路的中点与桥式电路的中性连接端连接。然后，在ANPC桥式电路的常规运行中，每个功率半导体开关上最大施加中间电路电压的一半。相反，在同时操控所有功率半导体开关以转变到关断的状态中时，可能发生：完整的中间电路电压施加在各个功率半导体开关上，即在运行中出现的电压的两倍的值。
因此，在前述文献EP2779345A1中描述了切断过程的不同形式，在所述切断过程中，以确定的顺序、而不是同时地操控ANPC桥式电路的功率半导体开关以转变到关断的状态中。如果在此在切断过程开始时串联电路的第一或者第四功率半导体开关处在接通的状态中，则在前述文献EP2779345A1中描述的切断过程的进程中，这些功率半导体开关总是在所有其他功率半导体开关之前、即最先转变到关断的状态中。
在在故障情况中尽可能快速地制造安全的状态方面，当在桥式电路内使用不同拓扑的功率半导体开关时可能有利的是：在所有其他功率半导体开关之前首先操控串联电路的第二或者第三功率半导体开关以转变到关断的状态中，而不是像在前述文献EP2779345A1中那样首先操控串联电路的第一或者第四功率半导体开关以转变到关断的状态中。
在前述文献EP2779345A1中描述的切断过程中，尤其也没有考虑，串联电路的第一与第二功率半导体开关之间的和串联电路的第三与第四功率半导体开关之间的联接点上的电势能够浮动，并且由此在切断过程的进程中，在各个功率半导体开关上能够施加大于中间电路电压的一半的电压。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种用于关断桥式电路的功率半导体开关的方法或者一种相应的桥式电路，其中，能够实现制造如下配置(Konstellation)：在所述配置中，桥式电路的所有功率半导体开关都处在关断的状态中，而在此在切断过程的进程中在各个功率半导体开关上不出现与在桥式电路的常规运行中相比更高的电压。
根据本发明，该任务通过根据独立权利要求1所述的方法、通过根据独立权利要求15所述的桥式电路以及通过根据独立权利要求18所述的包括这种桥式电路的逆变器来解决。本发明的有利的方案在从属权利要求中描述。
根据本发明的用于关断桥式电路的功率半导体开关的方法——在所述桥式电路中，桥式电路的第一直流电压连接端通过第一功率半导体开关与第一中间点连接，该第一中间点通过第二功率半导体开关与桥式电路的交流电流连接端连接，该交流电流连接端通过第三功率半导体开关与第二中间点连接，并且该第二中间点通过第四功率半导体开关与桥式电路的第二直流电压连接端连接，并且在桥式电路中，桥式电路的中性连接端通过第五功率半导体开关与第一中间点连接并且通过第六功率半导体开关与第二中间点连接——包括切断过程，在该切断过程中制造以下配置：在该配置中，桥式电路的所有功率半导体开关都处在关断的状态中。在此，在切断过程的进程中有针对性地制造以下配置：在该配置中，第五功率半导体开关和第六功率半导体开关同时处在接通的状态中，而第一功率半导体开关和第四功率半导体开关处在关断的状态中。
由于第五功率半导体开关和第六功率半导体开关同时处在接通的状态中，因此，在这个配置中引起：不仅第一功率半导体开关与第二功率半导体开关之间的第一中间点上的电势、而且第三功率半导体开关与第四功率半导体开关之间的第二中间点上的电势都固定地钳位到存在于桥式电路的中性连接端上的电势上，并且因此能够不再浮动。由此，施加在桥式电路的每个功率半导体开关上的电压最大能够是施加在第一直流电压连接端与中性连接端之间的或者施加在第二直流电压连接端与中性连接端之间的电压。在此，第一功率半导体开关的关断的状态和第四功率半导体开关的关断的状态防止第一直流电压连接端与中性连接端之间的短路和第二直流电压连接端与中性连接端之间的短路。
在桥式电路的常规运行中，例如出现如下配置：在所述配置中，第一功率半导体开关、第六功率半导体开关和要么第二功率半导体开关要么第三功率半导体开关处在接通的状态中并且所有其他的功率半导体开关处在关断的状态中。然后，在根据本发明的方法的一种实施方式中，能够从在切断过程开始时的该配置出发，在第一功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在切断过程的进程中将第五功率半导体开关转变到接通的状态中。
在此，能够在第二功率半导体开关或者第三功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在切断过程的进程中将第一功率半导体开关转变到关断的状态中。
但是，也能够在第一功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在切断过程的进程中将第二功率半导体开关或者第三功率半导体开关转变到关断的状态中。
替代地，也能够在切断过程的进程中，同时操控第二功率半导体开关或者第三功率半导体开关和第一功率半导体开关以转变到关断的状态中。然后，从功率半导体开关的相应的切换速度中得出到关断的状态中的转变的时间关系。
在根据本发明的方法的另一种实施方式中，能够在第五功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到接通的状态中之后，在切断过程的进程中将第二功率半导体开关或者第三功率半导体开关转变到关断的状态中。结合如下条件，即在第一功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在切断过程的进程中将第五功率半导体开关转变到接通的状态中，在这种实施方式中也隐含地在第一功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在切断过程的进程中将第二功率半导体开关或者第三功率半导体开关转变到关断的状态中。
在桥式电路的常规运行中，例如还出现如下配置：在所述配置中，第四功率半导体开关、第五功率半导体开关和要么第二功率半导体开关要么第三功率半导体开关处在接通的状态中并且所有其他的功率半导体开关处在关断的状态中。然后，在根据本发明的方法的另一种实施方式中，能够从在切断过程开始时的该配置出发，在第四功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在切断过程的进程中将第六功率半导体开关转变到接通的状态中。
在此，能够在第二功率半导体开关或者第三功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在切断过程的进程中将第四功率半导体开关转变到关断的状态中。
但是，也能够在第四功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在切断过程的进程中将第二功率半导体开关或者第三功率半导体开关转变到关断的状态中。
替代地，也能够在切断过程的进程中，同时操控第二功率半导体开关或者第三功率半导体开关和第四功率半导体开关以转变到关断的状态中。然后，从功率半导体开关的相应的切换速度中得出到关断的状态中的转变的时间关系。
在根据本发明的方法的另一种实施方式中，在第六功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到接通的状态中之后，在切断过程的进程中将第二功率半导体开关或者第三功率半导体开关转变到关断的状态中。结合如下条件，即在第四功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到接通的状态中之后，在切断过程的进程中将第六功率半导体开关转变到接通的状态中，在这种实施方式中也隐含地在第四功率半导体开关在切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在切断过程的进程中将第二功率半导体开关或者第三功率半导体开关转变到关断的状态中。
在根据本发明的方法的一种构型中，在切断过程的进程中在已制造如下配置之后——在该配置中第五功率半导体开关和第六功率半导体开关处在接通的状态中并且所有其他的功率半导体开关处在关断的状态中——，在切断过程的进程中将第五功率半导体开关和第六功率半导体开关转变到关断的状态中。
在此，在切断过程的进程中从如下配置出发：在该配置中第五功率半导体开关和第六功率半导体开关处在接通的状态中并且所有其他的功率半导体开关处在关断的状态中，当在交流电流连接端上存在正电流时，首先将第三功率半导体开关转变到接通的状态中，并且当在交流电流连接端上存在负电流时，将第二功率半导体开关转变到接通的状态中。然后，在先前在切断过程的进程中第五功率半导体开关和第六功率半导体开关已转变到关断的状态中之后，将第三功率半导体开关或者第二功率半导体开关再次转变到关断的状态中。作为正电流或者负电流的电流方向在此由下述内容得出：相对于在中性连接端上的电势为正的电势施加在第一直流电压连接端上并且相对于在中性连接端上的电势为负的电势施加在第二直流电压连接端上，从正电势到负电势的或者到在中性连接端上的电势的电流流动被称为正电流，或者相反，从负电势到正电势或者到在中性连接端上的电势的电流流动被称为负电流。
在先前描述的实施方式中，能够在切断过程的进程中，自第五功率半导体开关和第六功率半导体开关已转变到关断的状态中的时刻起，在经过了能够预给定的时间和/或在交流电流连接端上已发生的电流的过零(Nulldurchgang)之后，将第三功率半导体开关或者第二功率半导体开关转变到关断的状态中。
根据本发明的桥式电路具有第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关、第五功率半导体开关和第六功率半导体开关，其中，桥式电路的第一直流电压连接端通过第一功率半导体开关与第一中间点连接，该第一中间点通过第二功率半导体开关与桥式电路的交流电流连接端连接，该交流电流连接端通过第三功率半导体开关与第二中间点连接，并且该第二中间点通过第四功率半导体开关与桥式电路的第二直流电压连接端连接，并且另外，桥式电路的中性连接端通过第五功率半导体开关与第一中间点连接并且通过第六功率半导体开关与第二中间点连接。此外，根据本发明的桥式电路具有控制单元，该控制单元用于操控桥式电路的功率半导体开关以从关断的状态转变到接通的状态中，反之亦然，并且该桥式电路的特征在于，该控制单元设置用于实施根据本发明的方法。
在根据本发明的桥式电路的一种实施方式中，功率半导体开关如此定向，使得第一功率半导体开关在接通的状态中能够实现从第一直流电压连接端到第一中间点的电流流动，第二功率半导体开关在接通的状态中能够实现从第一中间点到交流电流连接端的电流流动，第三功率半导体开关在接通的状态中能够实现从交流电流连接端到第二中间点的电流流动，第四功率半导体开关在接通的状态中能够实现从第二中间点到第二直流电压连接端的电流流动，第五功率半导体开关在接通的状态中能够实现从第一中间点到中性连接端的电流流动，并且第六功率半导体开关在接通的状态中能够实现从中性连接端到第二中间点的电流流动。对于每个功率半导体开关，在此分别布置有反并联的二极管，所述二极管分别如此定向，使得所述二极管能够实现以下电流流动方向的电流流动：所述电流流动方向与相应的功率半导体开关在接通的状态中能够实现的电流流动方向相反。
在根据本发明的桥式电路的另一种实施方式中，第二功率半导体开关和第三功率半导体开关实施为场效应晶体管、尤其是SiC-MOSFET，并且其他的功率半导体开关实施为双极晶体管、尤其是Si技术中的IGBT。
像在根据本发明的桥式电路中那样的功率半导体开关的布置例如出现在所谓的ANPC桥式电路中，该布置作为三点拓扑将三个电平施加到桥式电路的交流电压连接端上。但是，该布置也能够是具有多于三个电平的多级拓扑的组成部分。在这种情况中，在第一直流电压连接端和第二直流电压连接端上，另外的功率半导体开关与第一至第四功率半导体开关串联连接，其联接点形成另外的中间点，所述另外的中间点又能够通过二极管或者另外的功率半导体开关与桥式电路的中性连接端或者桥式电路的另外的中性连接端连接。在这种情况中，由本发明的启示也容易推导出用于操控另外的功率半导体开关的启示，根据该启示，在切断过程的进程中有针对性地制造以下配置：在该配置中，与可能的多个中性连接端中的一个中性连接端连接的功率半导体开关同时处在接通的状态中。
根据本发明的逆变器包括至少一个根据本发明的桥式电路。这种根据本发明的逆变器例如能够是单相逆变器，在该单相逆变器中，例如也以交错的方式对两个根据本发明的桥式电路进行时钟控制，但是例如也能够三相逆变器，在该三相逆变器中，以交错的方式对至少三个根据本发明的桥式电路进行时钟控制。
在对根据本发明的方法的当前的描述中，所提到的到状态中的转变的时间关系总是指到接通的或者关断的状态中的转变的结束，这就是说，到接通的或者关断的状态中的转变的过程完全也能够在时间上重叠，只要所述过程的结束满足所提到的关系。但是，也能够在先前所要求的、另一个功率半导体开关到接通的或者关断的状态中的转变完成时，才进行操控以将一个功率半导体开关转变到接通的或者关断的状态中。
附图说明
下面，根据附图更详尽地阐述本发明。在此，附图用于示出本发明的实施方式，但是不将本发明局限于所示出的特征。
图1示出根据本发明的桥式电路；
图2示出在根据本发明的方法的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的表格；
图3示出在根据本发明的方法的另一种实施方式的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的表格；
图4示出在根据本发明的方法的另一种实施方式的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的表格；
图5示出在根据本发明的方法的另一种实施方式的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的表格；
图6示出在根据本发明的方法的另一种实施方式的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的表格；
图7示出在根据本发明的方法的另一种实施方式的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的表格；
图8示出在根据本发明的方法的另一种实施方式的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的表格；
图9示出在根据本发明的方法的另一种实施方式的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的表格；
图10示出在根据本发明的方法的另一种实施方式的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的表格；
图11示出在根据本发明的方法的另一种实施方式的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的表格；和
图12示出根据本发明的逆变器。
具体实施方式
图1示出根据本发明的桥式电路1，在该桥式电路中，桥式电路1的第一直流电压连接端2通过第一功率半导体开关T1、第二功率半导体开关T2、第三功率半导体开关T3和第四功率半导体开关T4的串联电路与桥式电路1的第二直流电压连接端6连接。第一功率半导体开关T1与第二功率半导体开关T2之间的联接点形成第一中间点3，第三功率半导体开关T3与第四功率半导体开关T4之间的联接点形成第二中间点5。桥式电路1的交流电流连接端4通过第二功率半导体开关T2与第三功率半导体开关T3之间的联接点形成。
功率半导体开关T1至T4如此定向，使得第一功率半导体开关T1在接通的状态中能够实现从第一直流电压连接端2到第一中间点3的电流流动，第二功率半导体开关T2在接通的状态中能够实现从第一中间点3到交流电流连接端4的电流流动，第三功率半导体开关T3在接通的状态中能够实现从交流电流连接端4到第二中间点5的电流流动，第四功率半导体开关T4在接通的状态中能够实现从第二中间点5到第二直流电压连接端6的电流流动。对于功率半导体开关T1至T4中的每个功率半导体开关，分别布置有反并联的二极管D1至D4，所述二极管分别能够实现以下电流流动方向的电流流动：所述电流流动方向与相应的功率半导体开关T1至T4在接通的状态中可能的电流流动方向相反。
在第一中间点3与第二中间点5之间布置有第五功率半导体开关T5和第六功率半导体开关T6的串联电路，所述第五功率半导体开关和所述第六功率半导体开关的联接点形成桥式电路1的中性连接端7。功率半导体开关T5和T6如此定向，使得第五功率半导体开关T5在接通的状态中能够实现从第一中间点3到中性连接端7的电流流动，第六功率半导体开关T6在接通的状态中能够实现从中性连接端7到第二中间点5的电流流动。对于功率半导体开关T5和T6中的每个功率半导体开关，分别如此布置反并联的二极管D5或者D6，使得通过二极管D5或者D6能够实现以下电流流动方向的电流流动：所述电流流动方向与在相应的功率半导体开关T5或者T6的接通的状态中能够实现的电流流动方向相反。
根据本发明的桥式电路1具有控制单元8，该控制单元通过控制输入端向功率半导体开关T1至T6提供操控信号G1至G6，借助所述操控信号来操控功率半导体开关T1至T6，用以从关断的状态转变到接通的状态中，或者从接通的状态转变到关断的状态中。控制单元8设置用于，在常规运行中通过使用操控方法来接通和关断功率半导体开关T1至T6。对此，本领域技术人员已知不同的操控方法。然而，尤其是，控制单元8设置用于实施根据本发明的方法，以便在应用切断过程的情况下制造如下配置：在该配置中，功率半导体开关T1至T6全部处在关断的状态中。
在图1中的实施例中，第二功率半导体开关T2和第三功率半导体开关T3实施为场效应晶体管、例如SiC-MOSFET，功率半导体开关T1、T4、T5和T6实施为双极晶体管、例如Si技术中的IGBT。对功率半导体开关T1至T6的技术的这种选择例如能够实现：在选择操控方法时在功率半导体开关T1至T6的开关损耗和传导损耗(Durchlassverluste)方面优化桥式电路，在所述操控方法中，例如在常规运行中，以存在于交流电流连接端4上的交流电流的频率来接通和关断功率半导体开关T1、T4、T5和T6，并且在使用与此相比高频的、脉宽调制的信号(PWM信号)的情况下彼此互补地接通和关断功率半导体开关T2和T3。
在另一操控方法中，例如视在交流电流连接端4上待输出的电压的符号而定地，在使用高频的PWM信号的情况下彼此互补地接通和关断第一和第三功率半导体开关T1和T3、或者第四和第二功率半导体开关T4和T2，而以存在于交流电流连接端4上的交流电流的频率接通和关断功率半导体开关T1至T6中相应其他的功率半导体开关，在应用所述另一操控方法的情况下，完全与所使用的操控方法无关地，但也能够将功率半导体开关T1至T6中的其他的功率半导体开关、例如功率半导体开关T1和T4或者功率半导体开关T1至T4实施为场效应晶体管并且能够将相应其他的功率半导体开关实施为双极晶体管。也能够将所有功率半导体开关T1至T6都实施为场效应晶体管或者将所有功率半导体开关T1至T6都实施为双极晶体管。
在图2中以表格形式示出根据根据本发明的方法的切断过程的一种可能的实施方式，在该方法中，在切断过程开始时存在的配置K-A中，第一、第二和第六功率半导体开关T1、T2和T6处在接通的状态中并且第三、第四和第五功率半导体开关T3、T4和T5处在关断的状态中，从在切断过程开始时存在的该配置出发制造以下配置K-O：在该配置中，所有功率半导体开关T1至T6都处在关断的状态中。为此，首先制造以下配置K-1：在该配置中，第二功率半导体开关T2已转变到关断的状态中。在下一个步骤中，将功率半导体开关T1转变到关断的状态中，由此得到配置K-2。在第三步骤中，将第五功率半导体开关T5转变到接通的状态中。由此得到配置K-3，在该配置中，如对于根据本发明的方法而言表征的那样，第五功率半导体开关T5和第六功率半导体开关T6同时处在接通的状态中，而第一功率半导体开关T1和第四功率半导体开关T4处在关断的状态中。随后，将第五和第六功率半导体开关T5和T6转变到关断的状态中，用以制造配置K-O。在此，如在本示例中所示，能够同时操控功率半导体开关T5和T6以转变到关断的状态中，但是也能够以任意的顺序依次地操控它们以转变到关断的状态中。
在图3中以表格形式示出在根据本发明的方法的一种实施方式的情况下在切断过程的进程中的配置的另一种可能性。在此，在切断过程开始时存在的配置K-B中，第一、第三和第六功率半导体开关T1、T3和T6处在接通的状态中并且第二、第四和第五功率半导体开关T2、T4和T5处在关断的状态中，从在切断过程开始时存在的该配置出发制造配置K-O，其方式是，首先制造以下配置K-4：在该配置中，第一功率半导体开关T1已转变到关断的状态中。通过随后将第三功率半导体开关T3转变到关断的状态中，到达配置K-2，从该配置出发通过将第五功率半导体开关T5转变到接通的状态中来制造配置K-3。随后，为了制造配置K-O，通过同时的操控将第五和第六功率半导体开关T5和T6转变到关断的状态中。替代地，也能够如此操控功率半导体开关T5和T6：以任意的顺序依次地将它们转变到关断的状态中。
图4示出在根据本发明的方法的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的另一个实施例。在此，从在切断过程开始时存在的配置K-A出发制造配置K-O，其方式是，在用于制造配置K-2的第一步骤中，不像在先前的实施例中那样依次地将第一和第二功率半导体开关T1和T2转变到关断的状态中，而是同时操控它们以转变到关断的状态中。然后，由此出发，通过将第五功率半导体开关T5转变到接通的状态中来制造配置K-3。然后，在本实施例中，不像在先前的实施例中那样通过同时操控第五和第六功率半导体开关T5和T6以转变到关断的状态中来到达配置K-O，而是通过以下方式到达配置K-O：在此首先通过将第五功率半导体开关T5转变到关断的状态中来制造配置K-2，然后在另一步骤中通过将第六功率半导体开关T6以转变到关断的状态中来制造配置K-O。当然，同样可能的是，首先将第六功率半导体开关T6、然后将第五功率半导体开关T5转变到关断的状态中，以便制造配置K-O。
在图5中示出的、在根据本发明的方法的情况下在切断过程的进程中的配置的实施例中，从在切断过程开始时存在的配置K-B出发制造配置K-O，其方式是：首先通过将第一功率半导体开关T1转变到关断的状态中来制造配置K-4。然后，在下一个步骤中制造配置K-5，其方式是：将第五功率半导体开关T5转变到接通的状态中，并且在另一个步骤中制造配置K-3，其方式是：将第三功率半导体开关T3转变到关断的状态中。即，在本实施例中，在第五功率半导体开关T5在切断过程的进程中已转变到接通的状态中之后，将第三功率半导体开关T3转变到关断的状态中。在本实施例中，由此以配置K-5和K-3的形式得到两个配置，在所述配置中，如对于根据本发明的方法而言表征的那样，第五功率半导体开关T5和第六功率半导体开关T6同时处在接通的状态中，而第一功率半导体开关T1和第四功率半导体开关T4处在关断的状态中。最后，制造配置K-O，其方式是：将第五和第六功率半导体开关T5和T6转变到关断的状态中，在当前的情况中例如通过同时的操控进行转变。
图6中的实施例以表格形式示出根据根据本发明的方法的切断过程，在该方法中，在切断过程开始时存在的配置K-C中，第三、第四和第五功率半导体开关T3、T4和T5处在接通的状态中并且第一、第二和第六功率半导体开关T1、T2和T6处在关断的状态中，从该配置出发制造配置K-O。为此，首先通过将第三功率半导体开关T3转变到关断的状态中来制造配置K-6，并且在下一个步骤中制造配置K-7，在该情境中，第四功率半导体开关T4已转变到关断的状态中。然后，通过将第六功率半导体开关T6转变到接通的状态中得到配置K-3，从该配置出发，通过将第五和第六功率半导体开关T5和T6转变到关断的状态中来制造配置K-O，在此例如通过同时的操控进行转变。
在图7中的实施例中，在切断过程开始时存在的配置K-D中，第二、第四和第五功率半导体开关T2、T4和T5处在接通的状态中并且第一、第三和第六功率半导体开关T1、T3和T6处在关断的状态中，从在切断过程开始时存在的该配置出发制造配置K-O，其方式是：首先制造配置K-8，在该配置中，第四功率半导体开关T4已转变到关断的状态中，然后通过将第二功率半导体开关T2转变到关断的状态中来制造配置K-7，通过将第六功率半导体开关T6转变到接通的状态中来制造配置K-3，并且最后通过将第五和第六功率半导体开关T5和T6转变到关断的状态中来制造配置K-O，在本实施例中通过同时操控T5和T6进行转变。
在图8中以表格形式示出在根据本发明的方法的情况下具有功率半导体开关的状态的配置的另一个实施例。在此，从在切断过程开始时存在的配置K-C出发制造配置K-O，其方式是：在第一步骤中，同时操控第三和第四功率半导体开关T3和T4以转变到关断的状态中，然后这导致产生配置K-7。然后，由此出发，通过将第六功率半导体开关T6转变到接通的状态中来制造配置K-3。然后，到达配置K-O，其方式是：首先通过将第五功率半导体开关T5转变到关断的状态中来制造配置K-2，然后在另一个步骤中，通过将第六功率半导体开关T6转变到关断的状态中来制造配置K-O。替代地，当然也可能的是，首先将第六功率半导体开关T6、然后将第五功率半导体开关T5转变到关断的状态中，以便制造配置K-O，或者替代地，同时操控两个功率半导体开关T5和T6以转变到关断的状态中，例如在图2、3、5、6和7中的实施方式中那样。
图9中的实施例示出在根据本发明的方法的情况下在切断过程的进程中的配置，在该方法中，从在切断过程开始时存在的配置K-D出发制造配置K-O，其方式是：首先通过将第四功率半导体开关T4转变到关断的状态中来制造配置K-8。然后，在下一个步骤中，通过将第六功率半导体开关T6转变到接通的状态中来制造配置K-9，并且在另一个步骤中，通过将第二功率半导体开关T2转变到关断的状态中来制造配置K-3。即，在这个示例性的切断过程的进程中，在第六功率半导体开关T6已转变到接通的状态中之后，将第二功率半导体开关T2转变到关断的状态中。在本实施例中，由此以配置K-9和K-3的形式得到两个配置，在所述配置中，如对于根据本发明的方法而言表征的那样，第五功率半导体开关T5和第六功率半导体开关T6同时处在接通的状态中，而第一功率半导体开关T1和第四功率半导体开关T4处在关断的状态中。最后，制造配置K-O，其方式是：将第五和第六功率半导体开关T5和T6转变到关断的状态中，在当前的情况中例如通过同时的操控。
在图10中示出根据本发明的方法的另一个实施例，在该方法中，例如从在切断过程开始时存在的配置K-A出发在切断过程的进程中通过配置K-1和K-2制造配置K-3。然后，由此出发，基于在桥式电路1的交流电流连接端4上正电流Iac的存在制造配置K-5，其方式是：将第三功率半导体开关T3转变到接通的状态中。然后，通过将第五和第六功率半导体开关T5和T6转变到关断的状态中(在当前情况中通过同时的操控进行转变)来制造配置K-10，最后，在制造配置K-10之后经过预给定的持续时间T1之后，将第三功率半导体开关T3再次转变到关断的状态中并且由此制造配置K-O。替代于或者附加于预给定的持续时间T1地，也能够将在制造配置K-10之后桥式电路1的交流电流连接端4上的电流Iac的过零用作用于从配置K-10到配置K-O的转变的标准。
在根据本发明的方法的在图11中的实施例中，首先，例如从在切断过程开始时存在的配置K-C出发在切断过程的进程中通过配置K-6和K-7来制造配置K-3。然后，基于在桥式电路1的交流电流连接端4上的负电流Iac的存在，通过将第二功率半导体开关T2转变到接通的状态中来制造配置K-9。然后，通过将第五和第六功率半导体开关T5和T6转变到关断的状态中(在当前的情况中通过同时的操控来进行转变)来制造配置K-11，并且在制造配置K-11之后在桥式电路1的交流电流连接端4上发生电流Iac的过零之后，制造配置K-O，其方式是：将第二功率半导体开关T2再次转变到关断的状态中。替代于或者附加于在桥式电路1的交流电流连接端4上的电流Iac的过零，也能够将在制造配置K-10之后预给定的持续时间T1的流逝用作用于从配置K-10到配置K-O的转变的标准。
除了在图2至图11中示出的实施方式之外，还能够推导出切断过程的多个其他变型，借助所述变型，在根据本发明的方法的情况下从在切断过程开始时存在的配置K-A、K-B、K-C或者K-D出发，以及视在根据本发明的桥式电路1的常规运行中所使用的操控方法而定地也从在切断过程开始时存在的其他配置出发，制造配置K-O，其中，这些切断过程包括配置K-3、K-5或者K-9中的至少一个配置，在所述配置中，如对于根据本发明的方法而言表征的那样，第五功率半导体开关T5和第六功率半导体开关T6同时处在接通的状态中，而第一功率半导体开关T1和第四功率半导体开关T4处在关断的状态中。
在根据本发明的方法中，有利的是，在每个从一个配置转变到下一个配置之后等待，直到在桥式电路1内的电流和电势中的瞬时过程结束，然后，对功率半导体开关T1至T6进行操控以分别转变到下一个配置。这尤其在配置K-3、K-5和K-9的情况下是有利的，以便确保在中间点3和5上的电势的定义的值。
在图12中示出根据本发明的逆变器9。这个逆变器首先具有根据本发明的桥式电路1。在桥式电路1的第一直流电压连接端2与桥式电路1的第二直流电压连接端6之间，布置有分离式直流电压中间电路12，第一直流电压连接端与逆变器9的第一输入连接端10连接，第二直流电压连接端与逆变器9的第二输入连接端11连接。桥式电路1的中性连接端7与分离式直流电压中间电路12的中点13连接。桥式电路1的交流电流连接端4通过扼流阀14与逆变器9的第一输出连接端16连接。在逆变器9的第一输出连接端16与第二输出连接端17之间布置有电容器15，该第二输出连接端与桥式电路1的中性连接端7连接。电容器15和扼流阀14共同形成逆变器9的线路滤波器(Netzfilter)18。
在图12中示出的逆变器9中，在桥式电路1的中性连接端7上存在所谓的中性电势N，与此相比，在桥式电路1的第一直流电压连接端2上存在正电势DC+，并且在桥式电路1的第二直流电压连接端6上存在负电势DC-。
图12中的逆变器9在本示例中实施为单相逆变器，该单相逆变器包括根据本发明的桥式电路1。但是，根据本发明的逆变器作为单相逆变器也能够具有两个根据本发明的桥式电路1，以交错的方式操控所述桥式电路，并且所述桥式电路的第一直流电压连接端2和第二直流电压连接端6连接。根据本发明的逆变器也能够实施为三相逆变器，然后，该三相逆变器具有至少三个根据本发明的桥式电路1，以交错的方式操控所述桥式电路并且所述桥式电路的第一直流电压连接端2和第二直流电压连接端6连接。
本发明不限于明确示出的实施方式，而是能够以多种方式改动，尤其能够与其他示出的或者对于本领域技术人员而言已知的实施方式结合。
附图标记列表
1 桥式电路
2 直流电压连接端
3 中间点
4 交流电流连接端
5 中间点
6 直流电压连接端
7 中性连接端
8 控制单元
9 逆变器
10 输入连接端
11 输入连接端
12 直流电压中间电路
13 中点
14 扼流阀
15 电容器
16 输出连接端
17 输出连接端
18 线路滤波器
T1 功率半导体开关
T2 功率半导体开关
T3 功率半导体开关
T4 功率半导体开关
T5 功率半导体开关
T6 功率半导体开关
D1 二极管
D2 二极管
D3 二极管
D4 二极管
D5 二极管
D6 二极管
G1 操控信号
G2 操控信号
G3 操控信号
G4 操控信号
G5 操控信号
G6 操控信号
K-A 配置
K-B 配置
K-C 配置
K-D 配置
K-1 配置
K-2 配置
K-3 配置
K-4 配置
K-5 配置
K-6 配置
K-7 配置
K-8 配置
K-9 配置
K-10 配置
K-11 配置
K-O 配置
DC+ 电势
DC- 电势
N 电势

Claims (18)

1.一种用于关断桥式电路(1)的功率半导体开关的方法，在所述桥式电路中，所述桥式电路(1)的第一直流电压连接端(2)通过第一功率半导体开关(T1)与第一中间点(3)连接，所述第一中间点(3)通过第二功率半导体开关(T2)与所述桥式电路(1)的交流电流连接端(4)连接，所述交流电流连接端(4)通过第三功率半导体开关(T3)与第二中间点(5)连接，并且所述第二中间点(5)通过第四功率半导体开关(T4)与所述桥式电路(1)的第二直流电压连接端(6)连接，在所述桥式电路中，所述桥式电路(1)的中性连接端(7)通过第五功率半导体开关(T5)与所述第一中间点(3)连接并且通过第六功率半导体开关(T6)与所述第二中间点(5)连接，其中，所述方法包括切断过程，在所述切断过程中制造以下配置(K-O)：在所述配置(K-O)中，所述桥式电路(1)的所有功率半导体开关(T1-T6)都处在关断的状态中，其特征在于，在所述切断过程的进程中有针对性地制造以下配置(K-3，K-5，K-9)：在所述配置(K-3，K-5，K-9)中，所述第五功率半导体开关(T5)和所述第六功率半导体开关(T6)同时处在接通的状态中，而所述第一功率半导体开关(T1)和所述第四功率半导体开关(T4)处在关断的状态中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述切断过程开始时存在的配置(K-A，K-B)中，所述第一功率半导体开关(T1)、所述第六功率半导体开关(T6)和所述第二功率半导体开关(T2)处在接通的状态中，或者所述第一功率半导体开关、所述第六功率半导体开关和所述第三功率半导体开关(T3)处在接通的状态中，并且所有其他的功率半导体开关(T2，T3，T4，T5)处在关断的状态中，从所述切断过程开始时存在的所述配置(K-A，K-B)出发，在所述第一功率半导体开关(T1)在所述切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在所述切断过程的进程中将所述第五功率半导体开关(T5)转变到接通的状态中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述第二功率半导体开关(T2)或者所述第三功率半导体开关(T3)在所述切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在所述切断过程的进程中将所述第一功率半导体开关(T1)转变到关断的状态中。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述第一功率半导体开关(T1)在所述切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在所述切断过程的进程中将所述第二功率半导体开关(T2)或者所述第三功率半导体开关(T3)转变到关断的状态中。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述切断过程的进程中，同时操控所述第二功率半导体开关(T2)和所述第一功率半导体开关(T1)以转变到关断的状态中，或者同时操控所述第三功率半导体开关(T3)和所述第一功率半导体开关(T1)以转变到关断的状态中。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述第五功率半导体开关(T5)在所述切断过程的进程中已转变到接通的状态中之后，在所述切断过程的进程中将所述第二功率半导体开关(T2)或者所述第三功率半导体开关(T3)转变到关断的状态中。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述切断过程开始时存在的配置中，所述第四功率半导体开关(T4)、所述第五功率半导体开关(T5)和所述第二功率半导体开关(T2)处在接通的状态中，或者所述第四功率半导体开关(T4)、所述第五功率半导体开关(T5)和所述第三功率半导体开关(T3)处在接通的状态中，并且所有其他的功率半导体开关(T1，T2，T3，T6)处在关断的状态中，从所述切断过程开始时存在的所述配置出发，在所述第四功率半导体开关(T4)在所述切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在所述切断过程的进程中将所述第六功率半导体开关(T6)转变到接通的状态中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述第二功率半导体开关(T2)或者所述第三功率半导体开关(T3)在所述切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在所述切断过程的进程中将所述第四功率半导体开关(T4)转变到关断的状态中。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述第四功率半导体开关(T4)在所述切断过程的进程中已转变到关断的状态中之后，在所述切断过程的进程中将所述第二功率半导体开关(T2)或者所述第三功率半导体开关(T3)转变到关断的状态中。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述切断过程的进程中，同时操控所述第二功率半导体开关(T2)和所述第四功率半导体开关(T4)以转变到关断的状态中，或者同时操控所述第三功率半导体开关(T3)和所述第四功率半导体开关(T4)以转变到关断的状态中。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述第六功率半导体开关(T6)在所述切断过程的进程中已转变到接通的状态中之后，在所述切断过程的进程中将所述第二功率半导体开关(T2)或者所述第三功率半导体开关(T3)转变到关断的状态中。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述切断过程的进程中在已制造如下配置之后，在所述切断过程的进程中将所述第五功率半导体开关(T5)和所述第六功率半导体开关(T6)转变到关断的状态中：在所述配置中所述第五功率半导体开关(T5)和所述第六功率半导体开关(T6)处在接通的状态中，并且所有其他的功率半导体开关(T1，T2，T3，T4)处在关断的状态中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，相对于在所述中性连接端(7)上的电势为正的电势施加在所述第一直流电压连接端(2)上并且相对于在所述中性连接端(7)上的电势为负的电势施加在所述第二直流电压连接端(6)上，其中，在所述切断过程的进程中在制造如下配置之后：在所述配置中，所述第五功率半导体开关(T5)和所述第六功率半导体开关(T6)处在接通的状态中并且所有其他的功率半导体开关(T1，T2，T3，T4)处在关断的状态中，从所述配置出发，当在所述交流电流连接端(4)上存在正电流时，将所述第三功率半导体开关(T3)转变到接通的状态中，并且当在所述交流电流连接端(4)上存在负电流时，将所述第二功率半导体开关(T2)转变到接通的状态中，其中，在先前在所述切断过程的进程中所述第五功率半导体开关(T5)和所述第六功率半导体开关(T6)已转变到关断的状态中之后，将所述第三功率半导体开关(T3)或者所述第二功率半导体开关(T2)再次转变到关断的状态中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述切断过程的进程中，自所述第五功率半导体开关(T5)和所述第六功率半导体开关(T6)已转变到关断的状态中的时刻起，在经过能够预给定的时间和/或在所述交流电流连接端(4)上已发生电流的过零之后，将所述第三功率半导体开关(T3)或者所述第二功率半导体开关(T2)转变到关断的状态中。
15.一种桥式电路(1)，所述桥式电路具有第一功率半导体开关(T1)、第二功率半导体开关(T2)、第三功率半导体开关(T3)、第四功率半导体开关(T4)、第五功率半导体开关(T5)和第六功率半导体开关(T6)，其中，所述桥式电路(1)的第一直流电压连接端(2)通过所述第一功率半导体开关(T1)与第一中间点(3)连接，所述第一中间点(3)通过所述第二功率半导体开关(T2)与所述桥式电路(1)的交流电流连接端(4)连接，所述交流电流连接端(4)通过所述第三功率半导体开关(T3)与第二中间点(5)连接，并且所述第二中间点(5)通过所述第四功率半导体开关(T4)与所述桥式电路(1)的第二直流电压连接端(6)连接，此外，所述桥式电路(1)的中性连接端(7)通过所述第五功率半导体开关(T5)与所述第一中间点(3)连接并且通过所述第六功率半导体开关(T6)与所述第二中间点(5)连接，所述桥式电路此外还具有控制单元(8)，所述控制单元用于操控所述桥式电路(1)的功率半导体开关(T1-T6)以从关断的状态转变到接通的状态中，或者从接通的状态转变到关断的状态中，其特征在于，所述控制单元(8)设置用于实施根据权利要求1至14中任一项所述的方法。
16.根据权利要求15所述的桥式电路(1)，其中，所述功率半导体开关(T1-T6)如此定向，使得所述第一功率半导体开关(T1)在所述接通的状态中能够实现从所述第一直流电压连接端(2)到所述第一中间点(3)的电流流动，所述第二功率半导体开关(T2)在所述接通的状态中能够实现从所述第一中间点(3)到所述交流电流连接端(4)的电流流动，所述第三功率半导体开关(T3)在所述接通的状态中能够实现从所述交流电流连接端(4)到所述第二中间点(5)的电流流动，所述第四功率半导体开关(T4)在所述接通的状态中能够实现从所述第二中间点(5)到所述第二直流电压连接端(6)的电流流动，所述第五功率半导体开关(T5)在所述接通的状态中能够实现从所述第一中间点(3)到所述中性连接端(7)的电流流动，并且所述第六功率半导体开关(T6)在所述接通的状态中能够实现从所述中性连接端(7)到所述第二中间点(5)的电流流动，其中，对于每个功率半导体开关(T1-T6)，分别布置有反并联的二极管(D1-D6)，所述二极管分别如此定向，使得所述二极管能够实现以下电流流动方向的电流流动：所述电流流动方向与在相应的功率半导体开关(T1-T6)的接通的状态中能够实现的电流流动方向相反。
17.根据权利要求15或16所述的桥式电路(1)，其中，所述第二功率半导体开关(T2)和所述第三功率半导体开关(T3)实施为场效应晶体管，其他的功率半导体开关(T1，T4，T5，T6)实施为双极晶体管。
18.一种逆变器(9)，所述逆变器包括根据权利要求15至17中任一项所述的至少一个桥式电路(1)。
CN202080015472.8A 2019-02-19 2020-02-17 用于关断桥式电路的功率半导体开关的方法、桥式电路和包括桥式电路的逆变器 Pending CN113508516A (zh)

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