CN115211019A - 飞跨电容开关单元系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞跨电容开关单元系统(1)，包括至少两个飞跨电容开关单元(2)，其中每个单元(2)包括至少一个半导体系统的装置，其中单元(2)在电路(3)中并联。本发明还涉及包括飞跨电容开关单元系统(1)的转换器系统。

Description

飞跨电容开关单元系统

技术领域

本发明涉及一种飞跨电容开关单元系统。

此外，本发明涉及包括飞跨电容开关单元系统的转换器系统。

多电平逆变器的拓扑之一是飞跨电容(FC)多电平逆变器。在本申请的上下文中，飞跨电容(FC)多电平逆变器也被称为飞跨电容开关单元系统。逆变器将DC源转换为AC源。DC源可以由任何源提供，例如太阳能或风能。由于电容器相对于地电势浮动，FC多电平逆变器已经获得了它们的名称。FC多电平逆变器是确保模块化设计的拓扑。

FC多电平逆变器的设置类似于二极管箝位多电平逆变器的设置。这种类型的多电平逆变器需要对电容器预充电。该拓扑由二极管、电容器和开关器件组成。每个支路由作为半导体开关的开关器件组成。每个逆变器支路由向内嵌套串联连接的单元组成。每个单元具有单个电容器和两个功率开关。功率开关是与反并联二极管连接的晶体管的组合。具有N个单元的逆变器将具有2N个开关和N+1个不同的电压电平(包括零)。电平的数目取决于每个分支中导电开关的数目。

背景技术

FR 2679715 A1涉及一种用于在电压源和电流源之间转换电能的电子装置。该装置包括级联的开关单元，每个开关单元具有两个开关，并且包括与所述单元结合以将电源电压分配给开关的电容器，以及确保能量交换同步的控制逻辑，以便将每个开关承载的电压限制为电源电压的一部分，将输出电压纹波幅度限制为相同的部分，并且将为开关的开关频率的倍数的频率赋予所述电压纹波。

US 2015/280608 A1涉及一种设备，该设备包括：多电平逆变器，包括第一相位电路和第二相位电路，所述第一和第二相位电路中的每一个包括飞跨电容电路；第一组开关，其将所述第一相位电路连接在电压输入端子之间，以及第二组开关，其将所述第二相位电路连接在所述电压输入端子之间；以及相间平衡电路，包括并联连接在所述第一相位电路两端的第一对端子和并联连接在所述第二相位电路两端的第二对端子。

EP 0735634 A1涉及一种脉冲生成器电路，其包括用于输出高电压信号的电源。第一电容器由电源输出的高电压信号充电。向负载装置提供在第一电容器中充电的高电压信号。半导体开关与第一电容器和负载一起构成闭环。第一二极管被插入在电源和闭环之间。第二二极管被插入到闭环中并用于抑制电振动。第二二极管具有与第一二极管相反的极性。缓冲器电路与第二二极管并联设置。该缓冲电路包括具有与所述第一二极管相反极性的第二二极管，与所述第二二极管串联的第二电容器，以及与所述第二电容器并联的第一电阻器。

US 2013/249514 A1涉及用于替代驱动器的电压转换电路中的高电压晶体管的串联连接的低电压晶体管，或者使用并联连接的子晶体管来建立具有根据驱动器的负载动态调整的有效尺寸的高电压晶体管，以降低开关损耗并由此提高驱动器的效率。

US 7499290 B1涉及用于从DC电源产生可变频率AC电压的部件、系统和方法。这些部件包括以不连续导电模式工作的全桥(FB)并联负载谐振(PLR)转换器。PLR转换器包括H桥配置的MOSFET，并采用使电感最小的拓扑结构。PLR转换器可以被耦合到用作逆变器的单相或多相桥。逆变器可用于从低电压、高电流DC源产生AC正弦波形。还提供了用于调制PLR转换器的输出以产生具有期望特性(包括频率和电压)的AC正弦波形的系统和技术。PLR转换器还可以耦合到整流器以用作DC－DC转换器。

WO 2019/092926 A1涉及一种具有减小的寄生电感和散热特性的效果的电子电路装置。该电子电路装置被形成为使得：包括开关元件的电路元件沿预定方向安装在电路板(PCB)的第一主表面上；形成包括用于沿该方向连接各个电路元件的虚拟最短电流路径的第一布线图；在第二主表面上形成包括面对虚拟最短电流路径的形成区域的面对电流路径的第二布线图案；提供通路和热传递通路，所述通路电连接第一和第二布线图，所述热传递通路连接第一主表面的开关元件安装区域和第二主表面的面对的电流通路侧部分区域；散热件接触第二主表面。

EP 0144583 A2涉及一种用于传输在电报和数据交换机(EDS)中确定的关于到主叫用户设备的连接的存在持续时间的数据的方法，该主叫用户设备参与该连接并启动该连接的建立，并且该主叫用户设备经由连接到电报和数据交换机的信号转换器连接到被叫用户设备并参与该连接，并且该主叫用户设备以这样的方式输出或接收具有与主叫用户设备的数据传输过程不同的数据传输过程的数据信号，使得最初在主叫用户设备和信号转换器之间存在第一部分连接的过程中，将要发送的数据信号被存储在该信号转换器中，并且随后在转换之后，存储在信号转换器中的数据信号在第二部分连接的过程中经由电报和数据交换从所述转换器被转发到主叫用户设备，由于主叫用户设备输出的控制信号，将该信号转换器包括在各个连接中受到电报和数据交换的影响，其特征在于，由主叫用户设备输出并实现将信号转换器包括在连接中的控制信号与请求传输关于所述部分连接的存在持续时间的数据的分配信号一起存储在电报和数据交换中，其中，在两个部分连接中的第一部分连接清除之后的电报和数据交换中，考虑到所存储的控制信号，首先临时存储关于该部分连接的存在持续时间确定的数据，并且这些数据与关于第二部分连接清除之后的该第二部分连接的存在持续时间确定的数据一起存储。在为两个部分连接确定的数据的传输服务的单独连接的过程中，在所存储的分配信号的控制下将所述数据发送到主叫用户设备。

US 2018/226886A1涉及一种半桥装置，其具有电路板和电容器装置，该电路板具有至少四个迹线层和两个开关元件，该电容器装置被布置在电路板的相对侧上并互连，以便在半桥装置的换向事件期间产生具有相反空间方向的至少两个偶极子。

US 2004/208030A1涉及一种适合于大规模制造技术的高功率纯正弦波逆变器。用于提高具有半桥或全桥拓扑结构的正弦波调制脉冲宽度调制(PWM)逆变器的额定功率、功率密度和/或功率转换效率的方法，包括通过采用具有高截面纵横比的带状导体使初级绕组中的未耦合电感和环路电感最小化。一种紧凑的线性散热器，适于冷却安装在大电流印刷电路板上的一排半导体器件(例如逆变器开关)。用于流体冷却的线性散热器的廉价制造的方法。一种包括滤波电感器芯的变压器。

在飞跨电容级中，可使用低电压MOSFET，其为低成本装置且提供高电流能力。MOSFET是具有至少三个端子的有源器件，这意味着三个电极是栅极、漏极和源极。在一些设计中，诸如体或衬底的附加端子被引导到外部，其连接到芯片的背面。由于芯片背面的电压产生作用在沟道上的附加电场，改变附加端子处的电压使MOSFET的阈值电压偏移。然而，在大多数情况下，衬底被内部连接到源极。

与其他场效应晶体管一样，MOSFET用作电压控制的电阻器，这意味着栅极－源极电压可用于改变漏极与源极之间的电阻，并且因此改变通过电阻的电流若干数量级。理解MOS结构中的这种电阻变化的关键是在栅极下产生(增强类型)或夹断(耗尽类型)导电沟道(详见下文)。

MOSFET被布置在开关单元中，其中飞跨电容级由几个连续连接的开关单元组成，以实现期望的阻断电压。

单个MOSFET管芯仅具有有限的电流承载能力。为了构建更高功率的转换器，这些MOSFET必须并联以增加电流容量。然而，该拓扑的应用不限于这样的技术领域，而是可以用于需要三相逆变器的任何地方，如驱动器、电力质量(有源滤波器)、不间断电源(UPS)以及作为用于电动车辆(EV)充电系统的电网接口。

为了实现转换器系统的增加的功率容量，通常选择硬并联MOSFET的方法。然而，这经常导致寄生电感的不希望的增加以及器件中不均匀共享的电流和损耗。因此，必须降低转换器系统的功率容量。

发明内容

因此，本发明的目的是提供改进的飞跨电容单元系统。特别地，在飞跨电容单元系统中电流应该更平衡。特别地，本发明还应当提供的是，开关损耗应当被减小。

本发明的目的通过独立权利要求的特征来解决。优选实施例在从属权利要求中详述。

因此，该目的通过一种飞跨电容开关单元系统来解决，该飞跨电容开关单元系统包括至少两个飞跨电容开关单元，其中每个单元包括至少一个半导体系统的装置，其中单元在电路中并联。单元可以包括一系列低电压MOSFET器件，半导体器件的并联和/或串联连接。特别地，单元包括一系列低电压MOSFET器件，和/或半导体器件的串联连接。

换句话说，根据本发明的并联布置是指并联的单元，而根据本发明的并联布置不是指会增加多级转换器中的电压电平数目的单元。

该目的还通过包括根据本发明的飞跨电容开关单元系统的转换器系统来解决。另外，转换器系统可以包括根据任一优选实施例的飞跨电容开关单元系统的特征。

本发明的关键点是金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)的布局和布置，其将用于通过并联飞跨电容开关单元来构建上述拓扑的功率放大版本。本发明改进了MOSFET开关单元的布置，飞跨电容转换器的功率被缩放，特别还允许使用印刷电路板技术，使得如果需要更高的输出电流能力，则单元的构造是可扩展的。

本发明还公开了：如果并联MOSFET中的电流电流在开关期间和开关之后是相同的，则将确保并联MOSFET中的平衡传导和开关损耗。

此外，用于每个并联连接的半导体系统，更具体地用于每个并联连接的MOSFET的换向回路是对称的。由此，可以确保切换期间的相同电流。

此外，每个半导体系统的换向回路，特别是每个MOSFET的换向回路可以被制造得尽可能小。这也将确保低开关损耗。

另一个优点在于，系统仅需被配置为在切换期间平衡电流。一旦并联半导体系统中的电流，特别是并联MOSFET中的电流在开关期间具有相同的电流，它们在开关之后也将具有相同的电流。特别地，半导体系统，更特别地MOSFET具有相同的对散热器的热阻。

根据本发明的优选实施例，单元被配置为使得一个单元的磁场指向与其他并联和相邻单元的磁场不同的方向。这意味着在相邻单元中产生的磁场具有不同的符号。相邻单元的磁场指向不同方向的排列和设计也意味着单元以交替布置的方式布置。飞跨电容开关单元的交替布置削弱了由各个单元产生的磁场的耦合，并且在最佳情况下消除了磁场耦合，并且特别在开关瞬态期间实现了均匀共享的电流。结合单元的并联布置，电流的均匀分布尤其明显。

当多个单元并联连接时，交替布置允许避免不平衡电流。当单元并联连接时，电流从开关单元内的一个分支切换或转换到另一个。这在开关单元内引入了循环电流并因此引入了磁场。在没有交替单元布局的布置中，由并联的开关单元中的该磁场产生的感应电流在这些开关单元中实施实际的电流转换。这种效应导致在开关瞬态期间开关单元不均匀地共享电流，并且主要取决于电流上升和下降速率。

前述交替布置可以以连续的方式应用于几个并联的开关单元。此外，如果开关单元由单个器件或任意数目的串联或并联连接的器件组成，则也可以应用该概念，而不是具有低电压器件的串联连接。特别地，如果开关单元由单个器件或任意数目的串联连接的器件组成，则应用该概念。

上述优选实施例允许不需要磁屏蔽，例如导电片或自然地通过散热器，其中通过涡电流产生抵消磁场。优点是更紧凑的单元布置也是可能的。

根据本发明的优选实施例，单元被配置为使得一个单元的磁场指向的方向与另一个并联的相邻单元的磁场方向相反。这样，可以特别有效地避免由各个单元产生的磁场的耦合，并且同时可以有利于单元中电流的均匀分布。结合单元的并联布置，电流的均匀分布尤其明显。这意味着可以平衡并联单元中MOSFET的加热。

根据本发明的优选实施例，每个并联的相邻单元被布置成彼此成镜像。例如，第一小区的分量可以相对于它们的正向或反向与第二小区的分量相对于它们的正向或反向成镜像。正向和反向是指单个飞跨电容单元中的半导体器件的两个分支。所描述的有利设计减少了由于相邻的并联单元而导致的给定单元中磁场的增强。

根据本发明的优选实施例，单元在轴线上被镜像，其中所述轴线在所述单元之间。这可以意味着例如以下各项：在包括连接到电路以充当阻挡元件的至少一个MOSFET和连接到电路以充当导电元件的至少一个MOSFET的单元中，具有与第一单元的部件并联连接的部件的相邻单元被连接，使得相邻单元的阻挡MOSFET被放置为与第一单元的阻挡MOSFET相邻，并且相邻单元的导电MOSFET被放置为远离第一单元的导电MOSFET，使得两个单元相对于轴线彼此镜像反射。所述有利设计减小了相邻单元的磁场增强。

根据本发明的优选实施例，一个单元的MOSFET相对于其源极和漏极关于并联的相邻单元的MOSFET在轴线上被镜像。所述有利设计减小了相邻单元的磁场增强。

根据本发明的优选实施例，每个半导体系统包括一个半导体器件；或彼此并联或串联连接的多个半导体器件。特别地，并联连接的几个MOSFET对于高功率电平应用是有利的。

根据本发明的优选实施例，半导体系统包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和/或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

根据本发明的优选实施例，该系统包括印刷电路板(PCB)，至少两个飞跨电容开关单元被并联地安装在该印刷电路板上。印刷电路板(PCB)是用于电子元件的载体。用于机械紧固和电连接。几乎每个电子装置都包括一个或多个印刷电路板。印刷电路板由具有附着到其上的导电连接(导体路径)的电绝缘材料组成。纤维增强塑料用作绝缘材料，而硬纸用于更便宜的装置。导体迹线通常由通常为35μm的铜薄层蚀刻而成。这些部件被焊接在焊垫上或焊垫中。这样，它们同时被机械地保持和电连接。较大的部件也可以用电缆扎带、粘合剂或螺钉连接被附接到电路板。

印刷电路板的类型范围从单面印刷电路板到多层和特殊技术，例如标准印刷电路板，单面和双面印刷电路板，具有若干层的多层，其根据制造商、特殊技术而不同，其中特殊技术用于工业的所有分支并且具有特殊性质和要求，高密度互连(HDI)印刷电路板，绝缘金属衬底(IMS)电路板，玻璃上的印刷电路板。使用PCB能够机械安装电子元件、增加可靠性、精度并降低生产成本。

在本专利申请的上下文中，表述“至少两个”包括多个。特别地，这包括多个单元的布置。换句话说，本发明包括提供并联的多个单元。特别地，更多的单元在多电平转换器中产生更多数目的电平。因此，应用不限于仅3个电平(2个单元+1)。

本领域技术人员可以从上述系统中直接地、毫无疑义地得出该方法的其他实施例和优点。

附图说明

参考下面描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。

在附图中：

图1示出了根据第一实施例的飞跨电容开关单元系统；

图2示出了根据第二实施例的飞跨电容开关单元系统；

图3示出了根据实施例的PCB上的飞跨电容开关单元的交替配置；

图4A示出了根据本发明第一实施例的四个并联开关单元的输入电流的示意图；以及

图4B示出了根据本发明第二实施例的四个并联开关单元的输入电流的示意图。

具体实施方式

设计示例描述了相对小的单元和具有相对少的单元的布置。本发明还包括具有多个半导体器件的较大单元，这些半导体器件可以根据下面描述的原理或根据描述为有利的实施例中的一个来布置。同样，任何数目的单元可以彼此并联连接。

图1示出了根据第一实施例的飞跨电容开关单元系统1。飞跨电容开关单元系统1包括四个飞跨电容开关单元2，其将被简称为“单元”2。每个单元2包括四个半导体系统的装置。

根据该实施例，每个半导体系统是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)4。每个单元2的MOSFET 4由字母a、b、c和d表示。

在电路3中，相邻单元2并联连接。电路3包括输入侧5和输出侧6。单元2的输入侧5可以用另一个飞跨电容开关单元、或直流电压源或另一种开关配置如有源中性点箝位(ANPC)配置来端接。输出侧6可由另一单元2端接，或者具有电容器7或者不具有电容器7，并且输出侧6处的端子短路以形成相位输出。

图2示出了根据第二实施例的飞跨电容开关单元系统1。飞跨电容开关单元系统1包括三个飞跨电容开关单元2。每个单元2包括四个半导体系统的装置。根据该实施例，每个半导体系统是MOSFET 4。此外，每个单元2包括不具有参考符号的电容器。电容器装置在两个并联连接的MOSFET对之间，其中所述对串联连接。电流流动方向由电路中的箭头用附图标记C表示。

单元2被配置为使得一个单元2的磁场指向与另一相邻单元2的磁场不同的方向。在单元2之间，可以实现磁场的抵消。由每个单元2产生的磁场的场线M由虚线示意性地表示。此外，在每个单元2中，所产生的涡电流的方向由附图标记为“E”的圆形箭头示意性地表示。

单元2以交替方式装置，使得磁场自然抵消。这意味着相邻单元2的设备的装置相对于彼此是镜像的。单元2在轴线X上被镜像，其中轴线X在单元2之间。在图2的示例中，可以看出在相邻单元2中产生的磁场具有不同的符号。因此，单元之间的磁场被抵消，使得它们不能感应电流。

图1和图2示出了具有四个半导体器件的单元。此外，每个单元2可以有更多的半导体器件。此外，在本示例中，单元2并联地单个连接。还可以通过总是交替相邻单元2来装置更多的单元2。

图3示出了根据实施例的PCB 8上的飞跨电容开关单元2的交替配置。为了说明MOSFET 4的可能的交替装置，对于每个单元2示出了图1中标识MOSFET 4的字母a、b、c、d。这里，并联连接的相邻单元2的MOSFET 4彼此镜像反转装置。

图4A示出了根据本发明第一实施例的四个并联开关单元2的输入电流的示意图。

图4B示出了根据本发明第二实施例交替装置的四个并联开关单元2的输入电流的示意图。在图中可以看出，通过以交替的方式装置单元，可以完全平衡不同单元2的电流。

虽然已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述应被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。

附图标记列表

1 飞跨电容开关单元系统

2 飞跨电容开关单元(单元)

3 电路

4 MOSFET

5 输入侧

6 输出侧

7 电容器

8 PCB

a 单元的第一MOSFET

b 单元的第二MOSFET

c 单元的第三MOSFET

d 单元的第四MOSFET

c 电流流动方向

E 涡电流

M 磁场的磁场线

X 轴线

Claims (10)

1.一种飞跨电容开关单元系统(1)，包括：

至少两个飞跨电容开关单元(2)，

其中每个单元(2)包括至少一个半导体系统的装置，

其中所述单元(2)在电路(3)中是并联的。

2.根据权利要求1所述的系统(1)，其中所述单元(2)被配置为使得一个单元(2)的磁场指向与其他并联且相邻的单元(2)的磁场不同的方向。

3.根据权利要求1或2所述的系统(1)，其中所述单元(2)被配置为使得一个单元(2)的磁场指向与其他并联相邻单元(2)的磁场相反的方向。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中所述并联相邻单元(2)中的每个单元彼此镜像布置。

5.根据前述权利要求所述的系统(1)，其中所述单元(2)在轴线(X)上被镜像，

其中所述轴线(X)在所述单元(2)之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中所述半导体系统中的每个半导体系统包括：

一个半导体器件；或

多个半导体器件，所述多个半导体器件彼此并联或串联连接。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中所述半导体系统包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(4)和/或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

8.根据前述权利要求所述的系统(1)，其中一个单元(2)的MOSFET(4)关于所述并联相邻单元(2)的MOSFET(4)关于其源极和漏极在所述轴线(X)上被镜像。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，包括

印刷电路板PCB(8)，所述至少两个飞跨电容开关单元(2)被并联安装在所述印刷电路板PCB上。

10.一种转换器系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的飞跨电容开关单元系统(1)。

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