CN113852288A - 有源整流器电路 - Google Patents

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Abstract

在维也纳型整流器电路中，相脚桥式电路(phase leg bridge circuit)使用共源共栅布置，该共源共栅布置具有由单个栅极驱动器单元驱动的三个串联连接的可控半导体开关。

Description

有源整流器电路
技术领域
本发明涉及用于在单相或多相AC电压和DC电压之间进行转换的有源整流器电路。
背景技术
典型的并网(grid connected)电力电子设备，例如电池充电器、电机驱动器或AC耦合开关模式电源(Switch mode power supplies，SMPS)，采用有源或无源功率因数校正单元，以满足不同的电网规范。有源功率因数校正单元或有源前端转换器——通常被称为有源整流器——使用可控半导体开关来实现其功能。
一种众所周知的三相功率因数校正拓扑是被称为维也纳(Vienna)整流器的单向三电平整流器，其比传统的六开关桥式拓扑具有优势。维也纳整流器拓扑使用开关布置来提供可控升压连接。这种可控连接必须能够阻断两种极性的电压。在基本的维也纳整流器设置中，这是通过在整流二极管桥中布置单个可控半导体开关来实现的。替代的维也纳型拓扑(NPFC、SPFC、ANPFC)使用一个以上的功率半导体和伴随的栅极驱动器单元。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有降低的复杂性和减少的元件数量的有源整流器电路。
根据本发明的整流器电路包括一个或多个桥式电路。每个桥式电路依次包括：第一串联，包括第一二极管和第二二极管的；第一二极管与第二二极管之间的第一中点，形成整流器电路的AC端子；以及第二串联，包括第一半导体开关布置和第二半导体开关布置。第一串联和第二串联通过在上部节点和下部节点处连接而并联布置。第三二极管连接到上部节点，第四二极管连接到下部节点。
第一半导体开关布置包括第一可控半导体开关和第二可控半导体开关的串联，其中第二可控半导体开关的栅极节点连接到第一可控半导体开关的第一负载端子，并且第一负载端子连接到下部节点。第二半导体开关布置包括第三可控半导体开关，其中第三可控半导体开关的栅极节点连接到下部节点。
整流器电路还包括电容器串联，其包括在第三二级管与第四二极管之间连接的两个电容器，电容器之间的第二中点连接到半导体开关布置之间的第三中点。
有利地，本发明的整流器电路将共源共栅结构(cascode structure)用于第一、第二和第三可控半导体开关。以这种方式，如对称升压PFC中所使用的两个可控半导体开关的传统设置(它们两者都需要自己的栅极驱动器单元)被三个串联连接的可控半导体开关的设置所代替，该三个串联连接的可控半导体开关中仅一个需要栅极驱动器单元。以这种方式，与为整流器电路提供栅极驱动器单元相关联的复杂性和成本得以降低。保留了三电平拓扑相对于传统6-开关桥的优势以及对称升压PFC的优势。
术语“可控半导体开关”用于表示诸如JFET、MOSFET或IGBT的功率半导体元件，其包括两个负载端子和允许控制跨负载端子的导通状态的控制(栅极)端子。
在本发明的示例性实施例中可以单独或一起添加的其他特征包括：
通过具有单个桥式电路，整流器可以适合于以单相AC电压工作。通过提供一个以上的桥式电路，它也可以替代地适合用于以多相AC电压工作。在这种情况下，桥式电路并联连接，每个桥式电路连接到相应的AC电压相位，并且每个桥式电路的第三中点互连。
AC端子可以跨电感元件连接到AC电压，以提供升压功能。
整流器电路可以包括雪崩二极管或齐纳二极管形式的电压控制二极管，或者在第三可控半导体开关的栅极节点和下部节点之间的那些电压控制二极管的串联。该电压控制二极管用于保护第三可控半导体开关的栅极节点免受到其(源极)负载节点的过大电压差的影响。
第一可控半导体开关可以是增强型半导体开关。这有利地为第一和第二开关布置的设置提供了常关(normally-off)功能，因为第二和第三可控半导体开关的栅极连接确保了当第一可控半导体开关截止时这些器件截止。
第二和第三可控半导体开关可以是耗尽型半导体开关。一些技术上最先进的开关目前只能作为常开(normally-on)器件可用或者是把常开器件作为其最有利的形式。
第二和第三可控半导体开关可以是氮化镓(GaN)HEMT或碳化硅(SiC)JFET型开关。此外，第二和第三可控半导体开关可以具有相同的类型和电压额定。第一可控半导体开关可以是硅-MOSFET器件。第一可控半导体开关可以具有比第二和第三可控半导体开关更低的电压额定。例如，第一可控半导体开关可以具有仅30V的电压额定，而第二和第三可控半导体开关可以具有650V的电压额定。以这种方式，整流器可以被构建为在例如800伏的DC环节(DC link)电压下操作，同时仍然仅使用驱动低压开关的单个栅极驱动器单元。
整流器电路可以包括连接到第一可控半导体开关的栅极节点的栅极驱动器单元。以这种方式，类共源共栅结构被用作第一开关布置。第一和第二开关布置也用作扩展的共源共栅结构。通过栅极驱动器单元截止第一可控半导体开关将导致第二和第三可控半导体开关也截止。导通第一可控半导体开关将导致第二和第三可控半导体开关导通。单个栅极驱动器单元可以有利地是用于一个桥式电路的唯一栅极驱动器单元。
栅极驱动器单元连接到控制器件，该控制器件控制一个栅极驱动器单元或(在多个的情况下)多个栅极驱动器单元的操作，从而控制整流器电路的操作。控制器件被布置成控制栅极驱动器单元以执行脉冲宽度调制开关方案，该脉冲宽度调制开关方案在连接的AC电压的两个半波中操作，并且跨电容器执行电压提升到预定义的DC电压，从而导致预定义的DC输出电压。
在替代设置中，整流器电路可以包括连接到第二可控半导体开关的栅极节点的栅极驱动器单元以及在第二可控半导体开关的栅极节点和下部节点之间连接的分离二极管。在这种设置中，直接控制第二可控半导体开关，而不是通过第一可控半导体开关间接控制，这导致开关时间减少。第三可控半导体开关再次被间接控制，如在共源共栅结构中。
在该设置中，如果第一可控半导体开关是增强型器件，则第一可控半导体开关的栅极节点可以连接到固定的电源电压。以这种方式，第一可控半导体开关在整个操作过程中保持导通状态。如果电源电压从操作中移除，例如在故障情况下，第一可控半导体开关将自动截止，这将自动导致第二和第三可控半导体开关也截止。
此外，第一可控半导体开关的栅极节点与电源电压之间的连接可以包括开关部件，以在某些操作情况下切断连接。该开关部件可以是不是栅极驱动器单元的低速开关部件。
附图说明
现在参考附图描述本发明的实施例，本发明不限于附图。附图的说明是示意性的。注意，在不同的附图中，相似或相同的元件使用相同的附图标记。
图1示出了现有技术已知的维也纳整流器电路；
图2示出了现有技术已知的维也纳型整流器的桥式电路；
图3至图5示出了根据本发明实施例的整流器电路。
附图标记列表
10 维也纳整流器
30、50、100 整流器
121…123、32、51 桥式电路
131…133 AC电压相位
14 DC环节
151、152 DC端子
16 DC环节中点
171…173 二极管桥式整流器
181…183、241、242 可控半导体开关
221 桥式电路
222 四-元件-桥式整流器
231、232、331、332、381、382 二极管
239、251、252 栅极驱动器单元
34 电感元件
35、36 耗尽型开关
37 增强型开关
52 电源电压端子
53 去耦合二极管
102 共源共栅电路
103…106 整流开关
107、108 可控开关
具体实施方式
图1中示出了现有技术已知的维也纳整流器10。该示例的整流器10适合用于连接到三相AC网络。它包括用于三个相位131…133的三个并联的臂。这些臂连接到具有上部和下部DC端子151、152的DC环节14。DC环节14包括布置为与中点16串联连接的两个电容器，其中中点16也连接到这些臂上。
每个臂包括具有4-二极管-桥式整流器171…173的桥式电路121…123，其一个输入端子连接到相应的AC电压相位131…133，并且另一个输入端子连接到DC环节中点16。可控半导体开关181…183布置在4-二极管-桥式整流器171…173的输出端子之间。4-二极管-桥式整流器171…173的输出端子跨另外的二极管连接到上部和下部DC端子151、152。
图2示出了现有技术已知的用于图1中所示整流器的替代桥式电路221。图2的桥式电路221可以用来代替桥式电路121…123。桥式电路221以类似于桥式电路121…123的方式构建。代替4-二极管-桥式整流器171…173，它具有4-元件-桥式整流器222，该4-元件-桥式整流器222包括两个二极管231、232和两个可控半导体开关241、242。桥式电路221不具有可控半导体开关181…183。
尽管图2的替代桥式电路221总体上使用比图1的桥式电路121…123更少的元件，但是对于两个可控半导体开关241、242，其需要使用两个栅极驱动器单元251、252。
图3示出了本发明的广义概念的实施例。图3示出了单相整流器电路100。该整流器电路100基于整流器电路221，但是使用共源共栅电路102来代替图1和2中所示的桥式电路。
共源共栅电路102包括两个可控开关107、108的串联，其中开关107的上部的栅极触点跨雪崩二极管40连接到可控开关108的下部的源极端子。整流器电路100还包括以类似于桥式电路221的布置的整流开关103…106。这种一般概念的更具体的实施例在图4和图5中示出和解释。
图4示出了根据本发明实施例的单相整流器电路30。该整流器电路30使用相应的桥式电路32来代替图1和图2中所示的桥式电路。
桥式电路32包括两个二极管331、332的第一串联。二极管331、332之间的第一中点形成AC输入端子，该AC输入端子跨电感元件34连接到AC电压的相位。
桥式电路32还包括与第一串联并联的第二串联。第二串联包括以串联连接方式连接的第一和第二下部可控半导体元件36、37以及上部的第三可控半导体元件35。上部和下部可控半导体元件35…37之间的第二中点连接到DC环节14的中点16。
第一和第二串联的上部连接点跨二极管381连接到上部DC端子151。第一和第二串联的下部连接点跨二极管382连接到下部DC端子152。
第二串联的上部可控半导体元件35和第二下部可控半导体元件36是常开(耗尽型)半导体。这种器件的一个示例是常开氮化镓HEMT(gallium nitride high electronmobility transistor，氮化镓高电子迁移率晶体管)。反过来第一下部可控半导体元件37是常关(增强型)半导体，例如增强型硅-MOSFET。在该实施例中，第二和第三半导体元件35、36各自具有650伏的电压额定，而第一半导体元件37是仅具有30伏电压额定的低压器件。
桥式电路32包括单个栅极驱动器单元39，其连接到第一下部可控半导体元件37的栅极触点，并允许完全控制该半导体元件37的操作。
上部可控半导体元件35和第二下部可控半导体元件36两者的栅极触点都连接到第一下部可控半导体元件37的源极触点，并且因此连接到第一和第二串联的下部连接点。在上部可控半导体元件35的情况下，该连接包括雪崩二极管40，选择该雪崩二极管40来偏移下部DC环节电容器在整流器操作期间保持的大部分电压，以保护栅极免受过电压，在第二半导体元件36的栅极和源极触点之间仅留下10-20V的电压。例如，在跨两个电容器的DC环节电压为800伏的整流器电路中，可以选择雪崩二极管以偏移380伏。雪崩二极管40可以包括两个或更多个二极管的串联，以获得所需的电压。
在操作期间，由第一至第三半导体元件35…37形成的桥的所有开关由栅极驱动器单元39通过第一半导体元件37以共源共栅操作的形式控制。所有三个开关35…37因此一起被接通和切断。
图5示出了根据本发明另一实施例的替代设置。图5示出了单相整流器电路50，其很大程度上类似于单相整流器电路30。与单相整流器电路30相反，单个栅极驱动器单元39连接到第二半导体开关36的栅极节点。此外，去耦合二极管53连接在第二半导体开关36的栅极节点与第一和第二串联的下部连接点之间。
在该实施例中，栅极驱动器单元39直接驱动第二下部可控半导体元件36，而不是通过第一半导体元件37间接驱动。为了使其成为可能，第一下部可控半导体元件37的栅极节点直接连接到电源电压端子52。因此，只要电源电压存在，第一下部可控半导体元件37就处于永久导通状态(on-state)。
当电源电压不存在时，例如由于整流器电路内的故障，第一下部可控半导体元件37将截止。由于第二半导体元件36的栅极节点通过去耦合二极管53连接，并且在存在AC输入电压的情况下，该栅极节点将处于比第二半导体元件36的源极节点更低的电压，从而截止第二半导体元件36。第三半导体元件35也将如图4所描述的那样截止。以这种方式，实现了如图4的实施例的常闭操作，同时仅使用单个栅极驱动器单元39。此外，第二半导体元件36由栅极驱动器单元39直接控制。
因此，本发明的两个所描述的实施例均使得在单个栅极驱动器单元39的情况下驱动维也纳型整流器电路中的两个半导体开关35、36的串联组合成为可能。这导致了高效的电路，允许相较于单个开关维也纳整流器拓扑的更高的电压能力，同时保持了电路复杂性低。

Claims (8)

1.一种整流器电路(30、50)，包括一个或多个桥式电路(32、51)，每个桥式电路(32、51)包括：
-第一串联，包括第一二极管和第二二极管(231、331，232、332)，所述第一二极管与第二二极管(231、331，232、332)之间的第一中点形成所述整流器电路(30、50)的AC端子，
-第二串联，包括第一半导体开关布置和第二半导体开关布置，所述第一串联和所述第二串联并联布置，
-第三二极管(381)，连接到所述第一串联和所述第二串联的上部节点，
-第四二极管(382)，连接到所述第一串联和所述第二串联的下部节点，
其中
-所述第一半导体开关布置包括第一可控半导体开关和第二可控半导体开关(36，37)的串联，其中所述第二可控半导体开关(36)的栅极节点连接到所述第一可控半导体开关(37)的第一负载端子，并且所述第一负载端子连接到所述下部节点，以及
-所述第二半导体开关布置包括第三可控半导体开关(35)，其中所述第三可控半导体开关(35)的栅极节点连接到所述下部节点，
以及其中所述整流器电路(30，50)还包括电容器串联，该电容器串联包括连接在所述第三二极管与第四二极管(381，382)之间的两个电容器，所述电容器之间的第二中点(16)连接到半导体开关布置之间的第三中点。
2.根据权利要求1所述的整流器电路(30，50)，包括在所述第三可控半导体开关(35)的栅极节点与所述下部节点之间的雪崩二极管(40)或齐纳二极管。
3.根据权利要求1或2所述的整流器电路(30，50)，其中所述第一可控半导体开关(37)是增强型半导体开关。
4.根据前述权利要求中任一项所述的整流器电路(30，50)，其中所述第二可控半导体开关和所述第三可控半导体开关(35，36)是耗尽型半导体开关。
5.根据权利要求4所述的整流器电路(30，50)，其中所述第二可控半导体开关和所述第三可控半导体开关(35，36)是氮化镓HEMT或碳化硅JFET开关。
6.根据前述权利要求中任一项所述的整流器电路(30，50)，包括连接到所述第一可控半导体开关(37)的栅极节点的栅极驱动器单元(39)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的整流器电路(30，50)，包括连接到所述第二可控半导体开关(36)的栅极节点的栅极驱动器单元(39)和连接在所述第二可控半导体开关(36)的栅极节点与所述下部节点之间的去耦合二极管(53)。
8.根据权利要求7所述的整流器电路(30，50)，其中所述第一可控半导体开关(37)的栅极节点连接到电源电压端子(52)。
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