CN116683753A - 开关系统和包括这样的开关系统的电力变换器 - Google Patents

Abstract

一种开关系统，包括：开关(104₁)，其包括第一端子(D₁)，第二端子(S₁)和控制端子(G₁)，第一电压(Vds₁)存在于第一端子(D₁)和第二端子(S₁)之间，第二电压(Vgs₁)存在于控制端子(G₁)和第二端子(S₁)之间；包括第一端子(136₁)的电压限制器电路(128₁)；第一端子(136₁)与控制端子(G₁)之间的反馈连接(CR₁)。电压限制器电路(128₁)被设计成以执行第一电压(Vds₁)到第二电压(Vgs₁)的反馈以便限制第一电压(Vds₁)。此外，电压限制器电路(128₁)被设计成以在其第一端子(136₁)处传送电流(i₁)。开关系统还包括电流阻断装置(122₁)，其被设计成防止由电压限制器电路(128₁)传送的电流(i₁)经由反馈连接(CR₁)流动到开关(104₁)的控制端子(G₁)。

Description

开关系统和包括这样的开关系统的电力变换器

本申请是申请号为201710328952.X、题为“开关系统和包括这样的开关系统的电力变换器”的分案申请，申请日为2017年05月11日。

技术领域

本发明涉及控制开关领域，特别涉及其中所述开关被设计为承载超过100A的电流的应用中。

背景技术

在EP2 549 649A1中公布的欧洲专利申请描述了一种开关系统，包括：

-开关，包括：

-第一端子，

-第二端子，和

-控制端子，

第一电压存在于第一端子和第二端子之间，

控制第一电压的第二电压存在于控制端子和第二端子之间，

-包括第一端子的电压限制器电路，

-电压限制器电路的第一端子和开关的控制端子之间的反馈连接，

所述电压限制器电路被设计为处于有源(active)模式，以执行所述第一电压到所述第二电压的反馈，以便限制所述第一电压，

电压限制器电路被设计成处于其有源模式，以在其第一端子处传送电流。

在上述公布中，电压限制器电路被设计成在开关断开时限制第一电压。然而，当开关处于断开状态并且在第一端子和第二端子之间施加高电压时，发明人已经观察到，在开关上会发生不期望的再导通(reconduction)，即，电流在开关的第一端子和第二端子之间的流动。

本发明的目的是披露一种开关系统，其允许在开关上的不期望的再导通的至少部分地整流。

发明内容

为此，提出了一种开关系统，包括：

-开关，包括：

-第一个端子，

-第二个端子，和

-控制端子，

第一电压存在于第一端子和第二端子之间，

控制第一电压的第二电压存在于控制端子和第二端子之间，

-电压限制器电路，包括第一端子，

-电压限制器电路的第一端子和开关的控制端子之间的反馈连接，

所述电压限制器电路被设计为处于有源模式，以执行所述第一电压到所述第二电压的反馈，以便限制所述第一电压，

该电压限制器电路还被设计成处于其有源模式以在其第一端子处传送电流，

其特征在于，它还包括：

-电流阻断装置，其被设计成防止由电压限制器电路传送的电流经由反馈连接流动到开关的控制端子。

实际上，发明人已经观察到，不预期的再导通源自于通过由电压限制器电路以有源模式传送的电流对开关的控制端子的充电。通过本发明，该电流不能再经由反馈连接流动到控制端子，因此不再对后者充电。

以可选方式，反馈连接包括电流阻断装置。

以同样可选的方式，开关系统还包括接口，包括第一控制连接，该第一控制连接在一端连接到开关的控制端子并被设计成在另一端接收控制电压，第一控制连接与所述反馈连接共享共同元件并且包括第一电阻器，和在所述共用元件上的电流阻断装置。

以同样可选的方式，接口还包括第二控制连接，其一端连接到开关的控制端子并被设计成在另一端接收控制电压，该控制连接包括第二电阻器。

以同样可选的方式，第二控制连接还包括被设计成防止电流从开关的控制端子流动到第二控制连接的二极管。

以同样可选的方式，电流阻断装置包括二极管。

在同样可选的方式中，电压限制器电路包括连接到开关的第一端子的第二端子，以及齐纳二极管，其被设计成在击穿之前以防止电流经由其第二端子到电压限制器电路的流入。

以同样可选的方式，电压限制器电路包括二极管，其被设计成防止电流经由其第一端子到电压限制器电路的流入。

以同样可选的方式，开关包括MOSFET。

进一步公开了一种电力变换器，其包括至少两个开关臂，每个开关臂具有在中点处相互连接的两个开关，以及其中至少一个，优选地所有的开关形成根据本发明的开关系统的一部分。

附图说明

图1示出了用于本发明的部署的电力变换器的电路图；

图2示出了一系列时序图，其示出了图1的电力变换器中各种电变量随时间的移动。

具体实施方式

参考图1，现在将描述用于本发明的部署的电力变换器100。

电力变换器100包括多个开关臂。在所描述的示例中，电力变换器100包括分别由附图标记102₁和102₂表示的两个开关臂。在说明书的其余部分中，下标(index)“1”将被施加到与第一开关臂102₁相关联的元件，而下标“2”将被施加到与第二开关臂102₂相关联的元件。

每个开关臂102₁，102₂包括高侧开关104₁，104₂和低侧开关104₁'，104₂'。在说明书的其余部分中，撇号符号“'”将用于表示与低侧相关的元件。

每个开关104₁，104₁'，104₂，104₂'具有第一端子D₁，D₁'，D₂，D₂'，第二端子S₁，S₁'，S₂，S₂'和控制端子G₁，G₁'，G₂，G₂’，并且被设计成根据其第二端子S₁，S₁'，S₂，S₂'和其控制端子G₁，G₁'，G₂，G₂'之间的电压选择性地呈现断开状态和闭合状态。

在所描述的示例中，开关104₁，104₁'，104₂，104₂'是具有分别形成第一端子、第二端子和控制端子的漏极、源极和栅极的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。为了清楚起见，术语“漏极”、“源极”和“栅极”在说明书的其余部分中将用于替代术语“第一端子”、“第二端子”和“控制端子”。

对于每个开关104₁，104₁'，104₂，104₂'，漏极-源极电压Vds₁，Vds₁'，Vds₂，Vds₂'存在于漏极D₁，D₁'，D₂，D₂'和源极S₁，S₁'，S₂，S₂'之间。在G₁，G₁'，G₂，G₂'和源极S₁，S₁'，S₂，S₂'之间存在专门控制漏极-源极电压Vds₁，Vds₁'，Vds₂，Vds₂'的栅极-源极电压Vgs₁，Vgs₁'，Vgs₂，Vgs₂'。

对于每个开关臂102₁，102₂，高侧开关104₁，104₂的源极和低侧开关104₁'，104₂'的漏极在中点(由图1中的虚线表示)互连，其被设计成用于连接到诸如电动机的电机的绕组。

开关臂102₁，102₂被连接到输送电压Vb的直流电压源108，例如电池或充电电容器。更具体地，对于每个开关臂102₁，102₂，高侧(high side)开关104₁，104₂的漏极D₁，D₂被连接到直流电压源108的正极端子，而低侧(low side)开关104₁’，104₂’的源极S₁'，S₂'被连接到DC电压源108的负端子(通常连接到电接地)。这些到DC电压源108的连接不是完美的，并且涉及在开关臂102₁，102₂和DC电压源108之间存在杂散电感110。

电力变换器100还包括用于每个开关104₁，104₁'，104₂，104₂'的相应的控制电路112₁，112₁'，112₂，112₂'。

在图1中，并且在下文的描述中，考虑到其他控制电路112₁'，112₂，112₂'相同的事实，仅详细示出了高侧开关1041的控制电路112₁。

控制电路112₁首先包括导引单元116₁，其被设计成传送控制电压Vc₁，其选择性地呈现用于关闭高侧开关104₁的第一值(在所描述的示例中为10V)，和用于高侧开关104₁的断开(在所描述的示例中为零)的第二值。

控制电路112₁还包括接口118₁，其被设计为限定高侧开关104₁的不同的闭合和断开速度。

更具体地，接口118₁包括将导引单元116₁连接到栅极G₁的第一控制连接CA₁。控制连接CA₁被设计成在开关104₁断开时从栅极G₁接收放电电流的流入。在所描述的示例中，第一控制连接CA₁包括限定开关104₁的断开速度的第一电阻器120₁，以及第一二极管122₁，其设计成防止电流从第一控制连接CA₁流动到栅极G₁。

接口118₁还包括将导引单元116₁连接到栅极G₁的第二控制连接CB₁。该控制连接CB₁被设计成在开关104₁闭合时从栅极G₁接收充电电流的流入。在所描述的示例中，第二控制连接CB₁包括限定开关104₁的闭合速度的第二电阻器124₁，以及第二二极管126₁，其被设计成防止电流从第二控制连接CB₁流动到导引单元116₁。

因此，二极管122₁，126₁确保所期望的电阻器120₁，124₁分别用于高侧开关104₁的断开和闭合。

此外，第二电阻器124₁和第一电阻器120₁优选地具有不同的额定值，以便限定不同的断开和闭合速度。

控制电路112₁还包括电压限制器电路128₁(或有源钳位电路)，其被设计为限制漏极-源极电压Vds₁。

在所描述的示例中，电压限制器电路128₁包括串联布置在第一端子136₁和第二端子138₁之间的齐纳二极管130₁、电阻器132₁和二极管134₁，以及输入电压V₁被设计为存在于相对于第一端子136₁的第二端子138₁上。

因此，忽略二极管134₁的阈值电压，其中电压V₁低于齐纳二极管130₁的击穿电压Vz，后者处于其阻断区，并且防止电流经由第二端子138₁的流入。反过来，二极管134₁防止电流经由第一端子136₁的流入。因此，电压限制器电路128₁呈现无源模式，其中它被设计为表现为开路(在两个端子136₁，138₁之间具有非常高的电阻，例如至少100kΩ，以及优选地至少1MΩ)。具体地说，在该无源模式下，电压限制器电路128₁被设计成不限制电压V₁。

其中电压V₁达到击穿电压Vz，齐纳二极管130₁进入其击穿区域，并允许电流经由第二端子138₁的流入，其经由第一端子136₁离开。此外，电压V₁由齐纳二极管二极管130₁保持处于相对恒定的电平，等于其击穿电压Vz。因此，电压限制器电路128₁处于有源模式，其中它被设计为呈现非常低的电阻(例如小于100Ω，优选小于10Ω)，因此将电压V₁限制为接近击穿电压Vz的值。

第二端子138₁被连接到漏极D₁，并且第一端子136₁借助于反馈连接CR₁(在图1中以粗线表示)被连接到栅极G₁。更具体地，第一端子136₁被连接到二极管122₁的阻断侧上的接口118₁的第一控制连接CA₁。因此，第一控制连接CA₁和反馈连接CR₁共享共同的元件，其包括二极管122₁。因此二极管122₁防止由电压限制器电路128₁传送的电流i₁经由反馈连接CR₁流动到栅极G₁。

参照图2，现在将描述在断开开关104₂而开关104₁处于闭合状态时的电气系统100的操作。下面，忽略二极管的阈值电压。

最初，在时刻t0之前，在第一开关臂102₁中，高侧开关104₁处于断开状态(零漏极电流id₁和零栅极-源极电压Vgs₁)，低压侧开关104₁'处于闭合状态(零漏极-源极电压Vds₁')。在第二开关臂102₂中，高侧开关104₂处于闭合状态(与电机的绕组的高电感相关联的恒定漏极电流id₂，恒定栅极-源极电压Vgs₂和零漏极-源极电压Vds₂)，低侧开关104₂'处于断开状态(漏极-源极电压Vds₂'等于电压Vb)。此外，电感110承载等于漏极电流id₂的电感电流i_L，因此是恒定的。因此，电感110具有零电感电压V_L。

在时刻t0，导引单元1162指示高侧开关1042的闭合并在接口1182施加零控制电压Vc2。

在时刻t1处，在时间延迟(t1-t0)之后，栅极-源极电压Vgs₂开始减小。

在时刻t2，栅极-源极电压Vgs₂达到阈值，从而导致漏极-源极电压Vds₂的增加。同时，由于两个开关104₂，104₂'经受电压Vb，所以低侧开关104₂'上的漏极-源极电压Vds₂'减小。

在时刻t3，漏极-源极电压Vds₂变得大于电压Vb。因此，漏极-源极电压Vds₂'为零，并且电感电压V_L变得越来越负。结果，电感电流i_L开始减小。当漏极电流id₂等于电感电流i_L时，漏极电流id₂也开始减小。此外，负电感电压V_L产生与高侧开关1041的漏极D₁和源极S₁之间的电压Vb组合的过电压|V_L|，使得漏极-源极电压Vds₁开始增加。

在时刻t4处，漏极-源极电压Vds₁达到齐纳二极管130₁的击穿电压Vz。由于栅极-源极电压Vgs₁为零，电压V₁等于漏极-源极电压Vds₁，因此也达到击穿电压Vz，使得电压限制器电路128₁变为有源的。因此，在其第一端子136₁处产生电流输出i1。由于二极管122₁的存在，该电流i₁没有流到栅极G₁，结果没有对后者充电。相反地，电流i₁流过电阻器120₁朝向源极S₁。通常，导引单元116₁具有不等于零但是与电阻器120₁和电阻器124₁相比较低(至少低10倍)的内部电阻。因此，电流i₁的一小部分经由二极管126₁和电阻器124₁到达栅极G₁，导致栅极-源极电压Vgs₁略微增加。然而，栅极-源极电压Vgs₁的该增加不足以在高侧开关104₁上引起任何显著的再导通。因此，漏极电流id₁保持为零。

在时刻t5处，漏极-源极电压Vds₂达到击穿电压Vz和栅极-源极电压Vgs₂之和，电压限制器电路128₂变为有源的并且执行以下反馈。当漏极-源极电压Vds₂增加时，栅极-源极电压Vgs₂增加，因为漏极-栅极电压Vdg₂被电压限制器电路128₂维持在相对恒定的水平。然而，栅极-源极电压Vgs₂的该增加趋于导致漏极-源极电压Vds₂的下降。漏源电压Vds₂相应地被限制。

在时刻t6处，电感电流i_L被抵消，并保持为零。因此，电感电压V_L也变为零。栅极-源极电压Vgs₂下降到零，以及漏极-源极电压Vds₂下降到电压Vb。

本发明不限于上述形式的实施例，相反地，由权利要求书限定。对于本领域技术人员显而易见的是可以对其进行修改。

例如，电阻器120₁可以布置在二极管122₁和栅极G₁之间。

此外，权利要求书中使用的术语不能被理解为限于前述形式的实施例的元件，而相反地，必须被理解为包括可以由本领域内的技术人员从他们的一般知识中推断出的任何等同元件。

Claims (7)

1.一种开关系统，包括：

-开关(104₁)，包括：

-第一端子(D₁)，

-第二端子(S₁)，以及

-控制端子(G₁)，

第一电压(Vds₁)存在于第一端子(D₁)和第二端子(S₁)之间，

控制第一电压(Vds₁)的第二电压(Vgs₁)存在于控制端子(G₁)和第二端子(S₁)之间，

-包括第一端子(136₁)的电压限制器电路(128₁)，

-在电压限制器电路(128₁)的第一端子(136₁)和开关(104₁)的控制端子(G₁)之间的反馈连接(CR₁)，

所述电压限制器电路(128₁)被设计为有源模式以执行第一电压(Vds₁)到第二电压(Vgs₁)的反馈，以便限制第一电压(Vds₁)，

所述电压限制器电路(128₁)此外设计成处于其有源模式下以在其第一端子(136₁)处传送电流(i₁)，

其特征在于，还包括：

-二极管(122₁)，其被设计成防止由电压限制器电路(128₁)传送的电流(i₁)经由反馈连接(CR₁)流动到开关(104₁)的控制端子(G₁)；

-接口(118₁)，该接口包括：第一控制连接(CA₁)及第二控制连接(CB₁)，所述第一控制连接在一端连接到所述开关(104₁)的控制端子(G₁)并被设计为在另一端连接至导引单元(116₁)以接收一控制电压(Vc₁)，所述第一控制连接(CA₁)与所述反馈连接(CR₁)仅共享所述二极管(122₁)并且包括第一电阻器(120₁)以及所述二极管(122₁)；所述第二控制连接在一端连接到所述开关(104₁)的控制端子(G₁)并被设计为在另一端连接至所述导引单元(116₁)以接收一控制电压(Vc₁)，所述控制连接(CB₁)包括第二电阻器(124₁)；且所述第二电阻器(124₁)和第一电阻器(120₁)具有不同的额定值，以便限定不同的断开和闭合速度；

且其中，在所述电压限制器电路(128₁)处于有源模式下，所述电压限制器电路(128₁)的第一端子(136₁)处传送的电流(i₁)不会经由反馈连接(CR₁)流动到开关(104₁)的控制端子(G₁)，所述电压限制器电路(128₁)的第一端子(136₁)处传送的电流(i₁)将通过第一电阻器(120₁)流向所述开关(104₁)的第二端子(S₁)。

2.根据权利要求1所述的开关系统，其中所述反馈连接(CR₁)包括所述二极管(122₁)。

3.根据权利要求1所述的开关系统，其中所述第二控制连接(CB₁)还包括二极管(126₁)，该二极管被设计成防止电流从开关(104₁)的所述控制端子(G₁)流动到第二控制连接(CB₁)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关系统，其中所述电压限制器电路(128₁)包括连接到所述开关(104₁)的第一端子(D₁)的第二端子(138₁)，以及齐纳二极管(130₁)，该齐纳二极管被设计成在击穿之前防止电流经由其第二端子(138₁)流入到电压限制器电路(128₁)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的开关系统，其中所述电压限制器电路(128₁)包括二极管(134₁)，该二极管被设计成防止电流经由其第一端子(136₁)流入到所述电压限制器电路(128₁)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的开关系统，其中所述开关(104₁)包括MOSFET。

7.一种电力变换器(100)，包括至少两个开关臂(102₁，102₂)，每个开关臂具有两个在中点处相互连接的开关(104₁，104₁'；104₂，104₂')，以及其中至少一个，优选地，所有的开关(104₁，104₁'；104₂，104₂')形成根据权利要求1至6中任一项所述的开关系统的一部分。