ES2317731B1 - BIDIRECTIONAL, INTELLIGENT AND MODULAR POWER SWITCH. METHOD AND REALIZATION - Google Patents

BIDIRECTIONAL, INTELLIGENT AND MODULAR POWER SWITCH. METHOD AND REALIZATION Download PDF

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Abstract

Interruptor de potencia bidireccional, inteligente y modular. Método y realización.Bidirectional power switch, intelligent and modular. Method and realization.

La presente invención constituye un método de fabricación de un interruptor modular e inteligente, bidireccional en corriente y tensión eléctrica con aplicación principal en las fuentes de potencia. Las características más destacables de este nuevo dispositivo es que integra las distintas etapas de potencia, control y protección de los circuitos para garantizar la bidireccionalidad en tensión y en corriente, junto con los circuitos y algoritmos de control necesarios para una conmutación segura y robusta. Su modularidad también permite al usuario una combinación de electos para constituir circuitos complejos y de amplias aplicaciones prácticas como los convertidores matriciales de potencia, así como una fácil sustitución en caso de reparación.The present invention constitutes a method of manufacture of a modular and intelligent, bidirectional switch in current and electrical voltage with main application in power sources The most outstanding features of this new device is that it integrates the different power stages, control and protection of the circuits to guarantee the bidirectionality in voltage and current, together with the control circuits and algorithms necessary for a switching Safe and robust Its modularity also allows the user a combination of elected to constitute complex circuits and of extensive practical applications such as matrix converters of power, as well as an easy replacement in case of repair.

Description

Interruptor de potencia bidireccional, inteligente y modular. Método y realización.Bidirectional power switch, intelligent and modular. Method and realization.

Sector de la técnicaTechnical sector

La invención propuesta se enmarca en el campo de la electrónica de potencia. En concreto el interruptor bidireccional que se describe en esta Memoria de Invención, permite la realización de convertidores matriciales con más facilidad y mayores prestaciones que las obtenidas con las soluciones tecnológicas actuales. La invención presentada puede también aplicarse en otros tipos de convertidores de potencia, como los multinivel. Entre las aplicaciones de estos convertidores figuran: fuentes de alimentación ininterrumpida, circuitos de accionamiento de motores de alterna (locomotoras, grúas, elevadores, equipos de la industria de procesos, propulsión submarina, etc.), sistemas de conexión a red de aerogeneradores, accionamientos para aplicaciones aeronáuticas, etc.The proposed invention is framed in the field of power electronics . Specifically, the bidirectional switch described in this Invention Report allows matrix converters to be carried out more easily and with greater performance than those obtained with current technological solutions. The presented invention can also be applied in other types of power converters, such as multilevel. Applications of these converters include: uninterruptible power supplies, alternating motor drive circuits (locomotives, cranes, elevators, process industry equipment, underwater propulsion, etc.), wind turbine grid connection systems, drives for aeronautical applications, etc.

Estado de la técnicaState of the art

Los convertidores de potencia son circuitos que gestionan el flujo de potencia eléctrica entre una fuente primaria de energía y una determinada carga. Pueden clasificarse según las características de las variables eléctricas de entrada y de salida (niveles de tensión y corriente, frecuencia, etc.). Los dos tipos de convertidores de mayor interés industrial y económico según este criterio, son los convertidores de tensión continua a tensión continua (DC-DC) para fuentes de alimentación (principalmente en ordenadores) y los convertidores de tensión alterna a tensión alterna (AC-AC) para el accionamiento de motores trifásicos (variadores de velocidad) [1]. En la práctica, la estructura de estos últimos es la de un convertidor AC-DC-AC, es decir, la tensión alterna de entrada (trifásica o monofásica) se rectifica a una tensión continua intermedia (AC-DC) y de ésta se obtiene la tensión alterna de salida que alimenta la carga a amplitud y frecuencia controlables (DC-AC). En contraposición a esta estructura, los convertidores matriciales (en adelante, CM) o matrix converters, son convertidores de potencia directos entre una red AC n-fásica de entrada y otra m-fásica de salida [2]. El convertidor presenta n x m interruptores bidireccionales (en adelante, IBD) configurados para que cualquiera de las fases de salida pueda conectarse con cualquiera de las fases de entrada. La idea de base data de finales de los años 70 de la centuria pasada. M. Venturini la desarrolló a principios de los años 80 y desde entonces, la evolución de los circuitos de control digital y de los componentes de potencia ha permitido conseguir las primeras realizaciones industriales. Los convertidores de potencia son, por tanto, dispositivos electrónicos de actualidad y en vía de desarrollo práctico. Los algoritmos de control son, sin embargo, más complejos que en los inversores convencionales AC-DC-AC al tratar con más interruptores controlables y al tratarse también de tensiones eléctricas de entrada alternas. Los trabajos de desarrollo, más extendidos recientemente, se han concentrado en convertidores trifásico-trifásico, incluyendo nueve IBDs.Power converters are circuits that manage the flow of electrical power between a primary source of energy and a certain load. They can be classified according to the characteristics of the electrical input and output variables (voltage and current levels, frequency, etc.). The two types of converters of greater industrial and economic interest according to this criterion, are the converters of direct voltage to direct voltage (DC-DC) for power supplies (mainly in computers) and the converters of alternating voltage to alternating voltage (AC- AC) for the operation of three-phase motors (variable speed drives) [1]. In practice, the structure of the latter is that of an AC-DC-AC converter, that is, the alternating input voltage (three-phase or single-phase) is rectified to an intermediate continuous voltage (AC-DC) and is obtained from it the alternating output voltage that feeds the load at controllable amplitude and frequency (DC-AC). In contrast to this structure, matrix converters (hereinafter, CM) or matrix converters , are direct power converters between a n-phase AC input network and another m-phase output [2]. The converter has nxm bidirectional switches (hereinafter, IBD) configured so that any of the output phases can be connected to any of the input phases. The basic idea dates from the late 70s of the last century. M. Venturini developed it in the early 80's and since then, the evolution of digital control circuits and power components has allowed the first industrial achievements to be achieved. The power converters are, therefore, current electronic devices and in the process of practical development. The control algorithms are, however, more complex than in conventional AC-DC-AC inverters when dealing with more controllable switches and also in the case of alternating electrical input voltages. Development work, more recently extended, has focused on three-phase-three-phase converters, including nine IBDs.

Los CM presentan una serie de ventajas sobre los variadores de velocidad convencionales. Dado que no hacen uso de enlace de tensión continua, no necesitan voluminosos componentes de almacenaje de energía (bancos de condensadores electrolíticos principalmente), quedando limitado el uso de componentes reactivos a pequeños filtros de entrada. Por ello, se suele considerar que los CM constituyen una solución compacta all-silicon (todo-silicio). Por otra parte, las corrientes que absorben en la entrada son sinusoidales (salvo por los armónicos correspondientes a la frecuencia de conmutación, que pueden reducirse hasta valores aceptables mediante filtrado). Además, la mayoría de los algoritmos de control permite que el factor de potencia a la entrada tenga valor unidad. El único inconveniente digno de mención que presentan los CM, consiste en una relación máxima entre amplitudes de tensión de salida y entrada de 0.866.CMs have a number of advantages over conventional speed drives. Since they do not use a continuous voltage link, they do not need bulky energy storage components (mainly electrolytic capacitor banks), the use of reactive components being limited to small input filters. Therefore, CMs are generally considered to be a compact all-silicon solution. On the other hand, the currents they absorb at the input are sinusoidal (except for the harmonics corresponding to the switching frequency, which can be reduced to acceptable values by filtering). In addition, most control algorithms allow the input power factor to have unit value. The only drawback worth mentioning the CM, is a maximum ratio between amplitudes of output and input voltage of 0.866.

La implementación práctica de los CM requiere el uso de IBDs en tensión y corriente, es decir, dispositivos capaces de soportar tanto tensiones de bloqueo positivas como negativas y conducir corrientes en ambos sentidos. Las soluciones más extendidas en la literatura técnica para conseguir IBDs se basan en el uso de dispositivos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) y diodos rápidos FRD (Fast Recovery Diode) tradicionales. También existen referencias donde se usan MCTs (MOS Controlled Thyristors). Existen tres combinaciones básicas de dichos dispositivos discretos para poner en funcionamiento un IBD [3]:The practical implementation of CM requires the use of voltage and current IBDs, that is, devices capable of supporting both positive and negative blocking voltages and conducting currents in both directions. The most widespread solutions in the technical literature to obtain IBDs are based on the use of traditional IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ) devices and traditional FRD ( Fast Recovery Diode ) fast diodes. There are also references where MCTs ( MOS Controlled Thyristors ) are used. There are three basic combinations of such discrete devices to operate an IBD [3]:

\bullet?
Configuración en puente de diodos: cuatro FRDs y un IGBT.Bridge Configuration diodes: four FRDs and an IGBT.

\bullet?
Configuración en emisor común: dos IGBTs y dos FRDs.Common transmitter configuration: two IGBTs and two FRDs.

\bullet?
Configuración en colector común: dos IGBTs y dos FRDs.Common Collector Configuration: two IGBTs and two FRDs.

En las tres opciones, los diodos proporcionan la capacidad de soportar tensión en inversa que no posee el IGBT. La opción en puente de diodos prácticamente no se utiliza pues la corriente circula por tres dispositivos en serie (dos FRDs y el IGBT) aumentándose las pérdidas en conducción. En las otras dos opciones la corriente siempre circula por un IGBT y un FRD. Ambas tienen la ventaja añadida de que se pueden controlar los dos IGBTs del IBD por separado, lo que da mayor flexibilidad para implementar distintas estrategias de conmutación. Otra solución más sencilla es la ofrecida por determinados dispositivos en fase de desarrollo. Se trata básicamente de IGBTs con capacidad de bloqueo de tensión en inversa o RB-IGBT [4]. La combinación de dos de estos dispositivos en modo anti-paralelo permite integrar un IBD en configuración mínima, aunque sus características dinámicas son por el momento inferiores a las de los IGBTs estándar.In all three options, the diodes provide the ability to withstand reverse voltage that the IGBT does not have. The diode bridge option is practically not used as the current flows through three devices in series (two FRDs and the IGBT) increasing driving losses. In the other two options the current always circulates through an IGBT and an FRD. Both they have the added advantage that both IGBTs can be controlled of the IBD separately, which gives greater flexibility to implement Different switching strategies. Another simpler solution is that offered by certain devices under development. Be It is basically about IGBTs with voltage blocking capability in inverse or RB-IGBT [4]. The combination of two of these devices in anti-parallel mode allows integrate an IBD in minimal configuration, although its characteristics dynamics are currently inferior to those of the IGBTs standard.

En los CM deben cumplirse dos normas básicas: dos fases de entrada no pueden conectarse simultáneamente a la misma fase de salida para evitar el cortocircuito de las líneas de entrada, y todas las fases de salida deben estar siempre conectadas a una fase de entrada para evitar circuitos abiertos en las cargas inductivas. Dado que en los CM no existen caminos naturales de retorno para la corriente como en los convertidores convencionales, los interruptores deben controlarse en todo momento para garantizar una operación segura, incluso durante los procesos de conmutación de los dispositivos de potencia. Tanto los IGBTs como los FRDs presentan tiempos finitos de conmutación que deben ser tomados en cuenta para evitar cortocircuitos o circuitos abiertos instantáneos durante las conmutaciones. En este sentido, existen distintas estrategias de conmutación de la corriente entre IBDs que permiten evitar estos problemas. Las más extendidas son las de 4 ó 2 pasos [5, 6]. Se trata de algoritmos que establecen la secuencia adecuada de cierre y apertura de los interruptores en función del sentido de circulación de la corriente y del estado de los otros IBDs. A nivel práctico, dado el elevado número de transistores a controlar (18 en un CM trifásico a trifásico), las estrategias de conmutación consumen un tiempo de procesado relativamente elevado y se suelen implementar fuera de los circuitos de control de alto nivel, en circuitos lógicos programables o memorias con tablas.In the CM two basic rules must be met: two input phases cannot connect simultaneously to the same output phase to avoid short circuiting lines input, and all output phases must always be connected to an input phase to avoid open circuits in the loads inductive Since in the CM there are no natural paths of return for current as in conventional converters, the switches must be controlled at all times to ensure safe operation, even during the switching processes of  The power devices. Both IGBTs and FRDs present finite switching times that must be taken in account to avoid short circuits or instantaneous open circuits during commutations. In this sense, there are different current switching strategies between IBDs that allow Avoid these problems. The most widespread are those of 4 or 2 steps [5, 6]. These are algorithms that establish the proper sequence closing and opening of the switches depending on the direction of current and state circulation of the other IBDs. To level practical, given the high number of transistors to control (18 in a three-phase to three-phase CM), switching strategies they consume a relatively high processing time and are usually implement outside of high-level control circuits, in Programmable logic circuits or memories with tables.

La complejidad del control de los CM ha retrasado su aplicación en el dominio industrial, aunque empiezan a aparecer nuevos productos que evitan esta dificultad. En este sentido la empresa Yaskawa ha anunciado el primer CM comercial para variadores de velocidad a mediados de 2006. Por otro lado, bastantes fabricantes de módulos de potencia empiezan también a proponer productos adaptados a la construcción de CM. Podemos citar a Semikron y Dynex, que ofrecen en su catálogo un par de módulos IGBT que incluyen la etapa de potencia de un IBD (configuración emisor común), desde el Semitop SK80GM063 de 600V-81A de Semikron, hasta el DIM400PBM17-A de 1700V-400A de Dynex. Powerex ofrece también una gama denominada Common Emitter de este tipo de módulos, con componentes desde los 250V-120A hasta 1200V-80A. APT propone una amplia gama de módulos similares (familia Dual Common Source) algunos con transistores MOSFET como tipo de interruptor controlable. Por su lado, Eupec y Semelab han presentado módulos IGBT que incluyen la etapa de potencia entera de un CM (EconoMAC en el caso de Eupec). En todos los casos mencionados, tan sólo se ofrecen las etapas de potencia sin control alguno.The complexity of CM control has delayed its application in the industrial domain, although new products that avoid this difficulty begin to appear. In this sense, Yaskawa has announced the first commercial CM for variable speed drives in mid-2006. On the other hand, many manufacturers of power modules also start to propose products adapted to the construction of CM. We can mention Semikron and Dynex, which offer in their catalog a pair of IGBT modules that include the power stage of an IBD (common emitter configuration), from the Semitop SK80GM063 of 600V-81A of Semikron, to the DIM400PBM17-A of 1700V Dynex -400A. Powerex also offers a range called Common Emitter of this type of modules, with components from 250V-120A to 1200V-80A. APT proposes a wide range of similar modules ( Dual Common Source family) some with MOSFET transistors as a type of controllable switch. On the other hand, Eupec and Semelab have presented IGBT modules that include the entire power stage of a CM (EconoMAC in the case of Eupec). In all the cases mentioned, only the power stages are offered without any control.

[1] A. Lidow, D. Kinzer, G. Sheridan, D. Tam. "The Semiconductor Roadmap for Power Management in the New Millennium". Proceedings of the IEEE, Vol. 89, No. 6, June 2001, p. 803-812.[1] A. Lidow , D. Kinzer , G. Sheridan , D. Tam . "The Semiconductor Roadmap for Power Management in the New Millennium." Proceedings of the IEEE , Vol. 89, No. 6, June 2001 , p. 803-812.

[2] P. W. Wheeler, J. Rodríguez, J. C. Clare, L. Empringham, A. Weinstein. "Matrix Converters: A Technology Review". IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 2, April 2002, p. 276-288.[2] PW Wheeler , J. Rodríguez , JC Clare , L. Empringham , A. Weinstein . "Matrix Converters: A Technology Review". IEEE Trans. on Industrial Electronics , Vol. 49, No. 2, April 2002 , p. 276-288.

[3] J. Adamek, W. Hofmann, M. Ziegler. "Fast Commutation Process and Demand of Bidirectional Switches in Matrix Converters". IEEE 39th Annual Conference on Power Electronics Specialists PESC 2003, Vol. 3, 15-19 June 2003, p. 1281-1286.[3] J. Adamek , W. Hofmann , M. Ziegler . "Fast Commutation Process and Demand of Bidirectional Switches in Matrix Converters". IEEE 39th Annual Conference on Power Electronics Specialists PESC 2003 , Vol. 3, 15-19 June 2003 , p. 1281-1286.

[4] M. Takei, T. Naito, K. Ueno. "The Reverse Blocking IGBT for Matrix Converter With Ultra-Thin Wafer Technology". ISPSD 2003, 14-17 April 2003, p. 156-159.[4] M. Takei , T. Naito , K. Ueno . "The Reverse Blocking IGBT for Matrix Converter With Ultra-Thin Wafer Technology". ISPSD 2003 , 14-17 April 2003 , p. 156-159.

[5] N. Burany. "Safe Control of Four-Quadrant Switches". IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 1-5 October 1989, p. 1190-1194.[5] N. Burany . "Safe Control of Four-Quadrant Switches". IEEE Industry Applications Society Annual Meeting , 1-5 October 1989 , p. 1190-1194.

[6] M. Ziegler, W. Hofmann. "Semi Natural Two Steps Commutation Strategy for Matrix Converters". IEEE 29th Annual Conference on Power Electronics Specialists PESC 1998, Vol. 1, 17-22 May 1998, p. 727-731.[6] M. Ziegler , W. Hofmann . "Semi Natural Two Steps Commutation Strategy for Matrix Converters". IEEE 29th Annual Conference on Power Electronics Specialists PESC 1998 , Vol. 1, 17-22 May 1998 , p. 727-731.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

La realización práctica de un convertidor matricial (CM) implica un número relativamente elevado de interruptores bidireccionales (IBD) y, por lo tanto, un número aún mayor de dispositivos de potencia (controlados y no controlados). Por ejemplo, en un CM trifásico a trifásico, se requieren 9 IBDs. Si estos se implementan con dos IGBTs y dos FRDs, se requieren 18 dispositivos de ambos tipos. La interconexión de un número tan elevado de componentes resulta una tarea ardua, costosa y delicada, tanto por la etapa de potencia (elevados valores de tensión, corriente, dl/dt) como por las numerosas señales de control en ambiente ruidoso que se manejan. Además, si se utilizan componentes discretos, el conjunto con su sistema de refrigeración incluido, puede ser muy voluminoso. Por ello, cualquier solución que minimice estos problemas es de máximo interés para los diseñadores de convertidores. Recientemente se han anunciado módulos de potencia que integran las etapas de potencia de un CM entero (Eupec y Semelab), lo que compacta el sistema final. Sin embargo, el deterioro de uno solo de los componentes del módulo, inhabilita a la totalidad. Por otro lado, el control de los procesos de conmutación de los interruptores en los CM es extremadamente crítico y se hacen necesarias estrategias de conmutación segura, adecuadas a las características de los dispositivos empleados (tiempos de conmutación, etc.).The practical realization of a converter Matrix (CM) implies a relatively high number of bidirectional switches (IBD) and, therefore, a number still higher power devices (controlled and uncontrolled). For example, in a three-phase to three-phase CM, 9 IBDs are required. If these are implemented with two IGBTs and two FRDs, 18 are required Devices of both types. The interconnection of such a number elevated components are an arduous, expensive and delicate task, both for the power stage (high voltage values, current, dl / dt) as per the numerous control signals in Noisy environment that is handled. In addition, if components are used discrete, the set with its cooling system included, It can be very bulky. Therefore, any solution that minimizes these problems is of maximum interest to designers of converters Recently power modules have been announced that integrate the power stages of an entire CM (Eupec and Semelab), which compacts the final system. However the deterioration of only one of the module components, disables the totality. On the other hand, the control of the processes of switching of the switches in the CMs is extremely critical and safe switching strategies are necessary, appropriate to the characteristics of the devices used (switching times, etc.).

- Breve descripción de la invención - Brief description of the invention

La invención que se propone pretende facilitar al máximo la realización práctica de convertidores matriciales, u otro tipo de convertidores como los multinivel, gracias a unos módulos que proporcionan la función de interruptor bidireccional en tensión y corriente de forma compacta. Estos IBD (interruptores bidireccionales) integran los circuitos de control que se encargan de aplicar la estrategia de conmutación segura de corriente, los circuitos de control de puerta (drivers) de los interruptores controlados (IGBTs u otros), el aislamiento galvánico necesario entre la etapa de control y la de potencia, las fuentes de alimentación flotantes necesarias y dispositivos de protección (supresores de sobretensiones, etc.). Además, el carácter modular de los IBDs propuestos, permite que sean fácilmente combinables para construir un convertidor más complejo, facilitando la interconexión de las líneas de control y potencia. Otra ventaja adicional de la modularidad es que permite una fácil reparación del convertidor y respecto a los módulos que integran el CM entero, en caso de avería se puede reemplazar el IBD averiado sin tener que desechar el resto de componentes operativos. Tanto la robustez como la modularidad de los dispositivos son demandas técnicas del mercado microelectrónico y se manifiestan, respectivamente, por el alargamiento de la vida útil de estos, la primera cualidad, cómo por el abaratamiento de los costes de fabricación, la segunda.The proposed invention aims to facilitate the practical realization of matrix converters, or other types of converters such as multilevel, thanks to modules that provide the function of bidirectional switch in voltage and current in a compact way. These IBDs (bidirectional switches) integrate the control circuits that are responsible for applying the safe current switching strategy, the door control circuits ( drivers ) of the controlled switches (IGBTs or others), the galvanic isolation necessary between the stage control and power, the necessary floating power supplies and protection devices (surge suppressors, etc.). In addition, the modular nature of the proposed IBDs allows them to be easily combined to build a more complex converter, facilitating the interconnection of control and power lines. Another additional advantage of modularity is that it allows an easy repair of the converter and with respect to the modules that make up the entire CM, in case of failure, the damaged IBD can be replaced without having to discard the rest of the operating components. Both the robustness and the modularity of the devices are technical demands of the microelectronic market and are manifested, respectively, by the lengthening of their useful life, the first quality, and by the lowering of manufacturing costs, the second.

- Descripción detallada de la invención - Detailed description of the invention

Los circuitos de control de alto nivel de los CM determinan los instantes de cierre y apertura de los IBDs en función de estrategias de modulación relativamente complejas (modulación de Venturini, modulación vectorial, etc.) para obtener a la salida del convertidor las tensiones y corrientes deseadas en la carga. Estas señales de control de los IBDs deben ser tratadas por la estrategia de conmutación adecuada (4 pasos, 2 pasos, etc.) y así poder determinar con exactitud la secuencia correcta de apertura y cierre de los interruptores involucrados en una conmutación de la corriente entre IBDs. Para lograr los objetivos perseguidos en esta invención proponemos el método o procedimiento que se describe mediante el diagrama de bloques del IBD que aparece en la Figura 1. Los componentes descritos en dicha figura son los siguientes: A, fuentes de alimentación flotantes (convertidores DC/DC), B, circuitería de control local, C, circuitos de aislamiento, controladores (drivers) de puerta y dispositivos de protección, D, etapa de potencia del interruptor bidireccional, Vcc, tensión de alimentación común con el control de alto nivel, In, señal lógica de control (apertura y cierre) del interruptor bidireccional, Isign, señal lógica del signo de la corriente. O1 y O2, conexión de las señales de control de apertura y cierre de los transistores de la etapa de potencia, G1 y G2, conexión de las señales de control de puerta de los transistores de la etapa de control, aisladas galvánicamente del control de alto nivel, T1 y T2, Terminales de potencia del interruptor bidireccional. La interconexión de los distintos módulos o partes, en el modo reseñado, permite fabricar distintos interruptores en función de las demandas del usuario. Las señales de control de los IBDs, que provienen de los circuitos de control de alto nivel, se pueden enviar directamente hacia cada uno de los IBDs donde serán debidamente tratadas por los circuitos de control locales. En concreto, en la Figura 1 se representan dos de estas señales de control, "In" que corresponde a la señal lógica de apertura y cierre del IBD e "Isign" que es la señal lógica asociada al signo de la corriente en la fase de salida a la que está conectado el IBD en cuestión. Evidentemente, podría haber otras señales (estado de otros IBDs, señales de alarma, etc.) dependiendo de las funciones adicionales con que se dote al IBD modular en cada aplicación concreta, aunque también sería posible hacer que la única señal que le llega al IBD fuera la correspondiente a su encendido/apagado, incluyéndose en el propio módulo los circuitos encargados de la detección del sentido de la corriente. La presencia final de una o más señales de control se decidirá en función de la independencia con que se quiera dotar al IBD. Junto a las señales de control establecidas, llegará también a los distintos IBDs del sistema la línea de alimentación de los circuitos de control de alto nivel (Vcc), para alimentar los circuitos de control locales y las fuentes de alimentación flotante auxiliares. Es importante resaltar que en la mayoría de las aplicaciones prácticas no será necesario desarrollar una fuente de alimentación específica para los bloques IBD modulares, sino que se usará directamente la misma que se emplea para el control de alto nivel; en cualquier caso la referencia de dicha alimentación, siempre es la misma que la de las señales de control de alto
nivel.
The high-level control circuits of the CMs determine the closing and opening moments of the IBDs based on relatively complex modulation strategies (Venturini modulation, vector modulation, etc.) to obtain the voltages and currents at the output of the converter desired in the load. These IBD control signals must be treated by the appropriate switching strategy (4 steps, 2 steps, etc.) and thus be able to determine exactly the correct opening and closing sequence of the switches involved in a current switching between IBDs To achieve the objectives pursued in this invention, we propose the method or procedure described by the block diagram of the IBD that appears in Figure 1. The components described in this figure are the following: A, floating power supplies (DC / converters DC), B, circuitry local control, C, insulation circuits, drivers (drivers) door and protection devices D, power stage bidirectional switch, Vcc voltage supply common with the high level control, in , logic control signal (opening and closing) of the bidirectional switch, Isign, logic signal of the current sign. O1 and O2, connection of the opening and closing control signals of the power stage transistors, G1 and G2, connection of the door control signals of the control stage transistors, galvanically isolated from the high control level, T1 and T2, Bidirectional switch power terminals. The interconnection of the different modules or parts, in the review mode, allows different switches to be manufactured according to the user's demands. The control signals of the IBDs, which come from the high-level control circuits, can be sent directly to each of the IBDs where they will be properly processed by the local control circuits. Specifically, in Figure 1 two of these control signals are represented, "In" corresponding to the opening and closing logic signal of the IBD and "Isign" which is the logical signal associated with the sign of the current in the phase of output to which the IBD in question is connected. Obviously, there could be other signals (status of other IBDs, alarm signals, etc.) depending on the additional functions that the modular IBD is endowed in each specific application, although it would also be possible to make the only signal that reaches the IBD it was the corresponding one to its on / off, including in the module itself the circuits responsible for the detection of the direction of the current. The final presence of one or more control signals will be decided based on the independence with which the IBD is to be endowed. Together with the established control signals, the power line of the high level control circuits (Vcc) will also reach the various IBDs of the system, to power the local control circuits and auxiliary floating power supplies. It is important to highlight that in most practical applications it will not be necessary to develop a specific power supply for the modular IBD blocks, but that the same one used for high level control will be used directly; in any case the reference of said power supply is always the same as that of the high control signals
level.

Los circuitos de control local (bloque B en la Figura 1) se encargan de ejecutar el algoritmo correspondiente a la estrategia de conmutación elegida, determinando las dos señales de control de los interruptores de la etapa de potencia del IBD (IGBTs, MOSFETs, etc.) con los retrasos adecuados entre ellas. La elaboración de esta secuencia de conmutación se basa en el signo de la corriente de fase y eventualmente en otras señales, dependiendo de cada estrategia de conmutación particular. Los algoritmos de conmutación más empleados son los denominados de 4 pasos, aunque la implementación de unos circuitos de control programables permite adoptar el algoritmo más adecuado a cada aplicación. El control local puede realizarse a nivel práctico con circuitos digitales programables, tablas programadas en memorias, puertas lógicas, microprocesadores, etc., y pretende independizar en la medida de lo posible (según las aplicaciones) al IBD del resto de los componentes a la hora de llevar a cabo las conmutaciones En cada caso deberán integrarse en el IBD los componentes auxiliares necesarios (cristales de cuarzo, condensadores, etc.) para que éste sea lo más modular posible. Los circuitos de control locales, pueden también incorporar algoritmos de protección de los dispositivos de potencia, como por ejemplo ante sobrecorriente o temperatura que sobrepase ciertos límites aceptables. El método o sistema propuesto permite disponer de una "inteligencia" cercana a la etapa de potencia para gestionar las situaciones de fallo, o circunstancias anormales, de manera óptima, enviando además señales de alarma hacia el control de alto nivel para que este actúe en consecuencia.The local control circuits (block B in the Figure 1) are responsible for executing the algorithm corresponding to the chosen switching strategy, determining the two signals of control of the IBD power stage switches (IGBTs,  MOSFETs, etc.) with appropriate delays between them. The elaboration of this switching sequence is based on the sign of phase current and eventually other signals, depending of each particular switching strategy. The algorithms of switching more employees are the so-called 4-step, although the implementation of programmable control circuits allows adopt the most appropriate algorithm for each application. The control Local can be done on a practical level with digital circuits programmable, tables programmed in memories, logic gates, microprocessors, etc., and intends to become independent as far as possible (depending on the applications) to the IBD of the rest of the components at the time of carrying out the commutations In each case they must integrate the necessary auxiliary components into the IBD (quartz crystals, capacitors, etc.) so that this is the most Modular possible. Local control circuits can also incorporate power device protection algorithms, such as overcurrent or temperature exceeding Certain acceptable limits. The proposed method or system allows have an "intelligence" close to the power stage to manage failure situations, or abnormal circumstances, optimally, also sending alarm signals to the high level control so that it acts accordingly.

Las señales de control generadas por los circuitos de control local se conducen a continuación hacia algún dispositivo de aislamiento galvánico (optoacoplador, transformador de impulsos, etc.) de modo que la etapa de control de alto nivel esté aislada y protegida de la de potencia. Las señales aisladas se dirigen hacia los circuitos de control de puerta (controladores o drivers) adaptados a cada tipo de interruptor (IGBT, MOSFET, transistor bipolar, etc.) y desde estos se conectan a los terminales de control (puerta, base, etc.). Dada su proximidad con los dispositivos de potencia, los drivers pueden también incorporar protecciones (sobrecorriente, sobretemperatura, etc.). En todo caso, se incorporan dispositivos específicos de protección como por ejemplo supresores de sobretensiones entre puerta y emisor de los transistores de control MOS. Todos estos elementos (aislamiento, drivers y protección) se incluyen en el bloque C de la Figura 1.The control signals generated by the local control circuits are then led to some galvanic isolation device (optocoupler, pulse transformer, etc.) so that the high level control stage is isolated and protected from the power. The isolated signals are directed to the door control circuits (controllers or drivers ) adapted to each type of switch (IGBT, MOSFET, bipolar transistor, etc.) and from these they are connected to the control terminals (door, base, etc. .). Given their proximity to the power devices, the drivers can also incorporate protections (overcurrent, over temperature, etc.). In any case, specific protection devices are incorporated, such as surge suppressors between gate and emitter of MOS control transistors. All these elements (isolation, drivers and protection) are included in block C of Figure 1.

Para el correcto funcionamiento de este bloque, son necesarias fuentes de alimentación flotantes (bloque A en la Figura 1) que mantengan el aislamiento galvánico entre las etapas de control y de potencia. Como se representa en la Figura 1, estas fuentes se conectan a la línea de alimentación de la etapa de control de alto nivel y generan en salida las tensiones aisladas necesarias para los controladores, etc. Estas fuentes flotantes se basan en convertidores DC/DC de alta densidad de integración.For the correct functioning of this block, floating power supplies are needed (block A in the Figure 1) that maintain galvanic isolation between the stages of control and power. As depicted in Figure 1, you are sources connect to the power line of the stage of high level control and generate isolated voltages at output necessary for controllers, etc. These floating fountains are based on high density integration DC / DC converters.

Finalmente, la etapa de potencia (bloque D en la Figura 1) implementa la función del interruptor bidireccional propiamente dicha. Se realiza combinando los dispositivos de potencia necesarios para adaptarse a los requerimientos de tensión, corriente, velocidad de conmutación, etc. solicitados en cada aplicación. Estos dispositivos se conectan sobre substratos adecuados como los IMS (Insulated Metal Substrate), DBC cerámicos (Direct Bonded Copper) u otros, que permitan manejar elevados valores de tensión y corriente así como disipar los niveles de potencia requeridos. La interconexión y distribución de los distintos componentes de potencia se optimiza para disminuir al mínimo las inductancias parásitas (evitando picos de tensión, aumentando así la fiabilidad), para garantizar una gestión térmica adecuada (evitar calentamientos cruzados entre componentes, puntos calientes, etc.) y la radiación electromagnética parásita.Finally, the power stage (block D in Figure 1) implements the function of the bidirectional switch itself. It is done by combining the necessary power devices to adapt to the requirements of voltage, current, switching speed, etc. requested in each application. These devices are connected on suitable substrates such as IMS ( Insulated Metal Substrate ), ceramic DBC ( Direct Bonded Copper ) or others, which allow to handle high voltage and current values as well as dissipate the required power levels. The interconnection and distribution of the different power components is optimized to minimize parasitic inductances (avoiding voltage spikes, thus increasing reliability), to ensure proper thermal management (avoid cross-heating between components, hot spots, etc.) and parasitic electromagnetic radiation.

Como puede observarse, los IBDs propuestos se presentan para el diseñador de convertidores como un módulo con dos terminales de potencia, T1 y T2, uno o varios terminales de control y una línea de alimentación con la misma referencia que las señales de control. Este módulo realiza la función de interruptor bidireccional en tensión y corriente entre los terminales T1 y T2, de manera segura y robusta, en función de las señales de control enviadas. Además, los detalles ligados a la estrategia de conmutación son transparentes para el usuario.As can be seen, the proposed IBDs are presented to the converter designer as a module with two power terminals, T1 and T2, one or more control terminals and a power line with the same reference as the signals of control. This module performs the switch function bidirectional in voltage and current between terminals T1 and T2, safely and robustly, depending on the control signals sent. In addition, the details linked to the strategy of Switching are transparent to the user.

La geometría del IBD se ha diseñado también para permitir una utilización modular del mismo. Así, los terminales de potencia y de control se distribuyen en la parte superior y la parte inferior se deja libre para poder disipar el calor generado por autocalentamiento.The geometry of the IBD has also been designed to allow a modular use of it. Thus, the terminals of power and control are distributed on top and the bottom is left free to dissipate the heat generated by self-heating

Descripción detallada de las FigurasDetailed Description of the Figures

Figura 1: Diagrama de bloques del Interruptor de potencia bidireccional, inteligente y modular, mostrando sus principales partes y variables eléctricas.Figure 1: Block diagram of the Power Switch bidirectional, intelligent and modular power, showing its Main parts and electrical variables.

Figura 2: Esquema electrónico del ejemplo de interruptor bidireccional inteligente realizado.Figure 2: Electronic scheme of the example of Smart bidirectional switch performed.

Figura 3: Vista lateral del interruptor bidireccional inteligente y modular, mostrando sus dimensiones principales y sus tres niveles de realización.Figure 3: Switch side view intelligent and modular bidirectional, showing its dimensions main and its three levels of achievement.

Figura 4: Vista superior de un esquema del substrato IMS del interruptor bidireccional, mostrando sus principales dimensiones.Figure 4: Top view of an outline of the IMS substrate of the bidirectional switch, showing its main dimensions

Figura 5: Oscilograma mostrando la evolución de las señales de control del interruptor bidireccional cuando el signo de la corriente es positivo (Isign=5V).Figure 5: Oscillogram showing the evolution of the control signals of the bidirectional switch when the Sign of the current is positive (Isign = 5V).

Figura 6: Oscilograma mostrando la evolución de las señales de control del interruptor bidireccional cuando el signo de la corriente es negativo (Isign=0V).Figure 6: Oscillogram showing the evolution of the control signals of the bidirectional switch when the Sign of the current is negative (Isign = 0V).

Figura 7: Característica estática tensión - corriente del interruptor bidireccional.Figure 7: Static voltage characteristic - bidirectional switch current.

Figura 8: Esquema del circuito de test usado para demostrar el funcionamiento conjunto de dos interruptores bidireccionales inteligentes.Figure 8: Scheme of the test circuit used to demonstrate the joint operation of two switches bidirectional smart.

Figura 9: Oscilograma mostrando la evolución de las principales variables de los interruptores bidireccionales de la Figura 8 durante un bloqueo "duro" del IGBT activo del IBD-A, con 10A de corriente y una tensión aplicada de 300 V. Se muestra la señal de control de puerta G1 como referencia.Figure 9: Oscillogram showing the evolution of the main variables of the bidirectional switches of Figure 8 during a "hard" block of the active IGBT of the IBD-A, with 10A of current and an applied voltage 300V. Gate control signal G1 is displayed as reference.

Figura 10: Oscilograma mostrando la evolución de las principales variables de los interruptores bidireccionales de la Figura 8 durante una puesta en conducción "dura" del IGBT activo del IBD-A, con 10A de corriente y una tensión aplicada de 300 V. Se muestra la señal de control de puerta G1 como referencia.Figure 10: Oscillogram showing the evolution of the main variables of the bidirectional switches of Figure 8 during a "hard" start-up of the IGBT active of the IBD-A, with 10A of current and a voltage applied from 300 V. The gate control signal G1 is displayed as reference.

Ejemplo de realización de la invenciónExample of embodiment of the invention

Ejemplo de realizaciónExample of realization

Interruptor bidireccional modular inteligente sobre substrato de base metálica aislada y tecnología de integración híbridaIntelligent modular bidirectional switch on substrate Insulated metal base and hybrid integration technology

El diagrama de bloques del IBD modular propuesto en la Figura 1 se ha realizado como muestra la Figura 2. Los parámetros eléctricos y los componentes en este montaje son: PIC, Microcontrolador (dispositivo de control local), C3, condensador de desacoplo del PIC, XTL, cristal de cuarzo para el reloj del PIC, DC/DC, convertidor para proporcionar las tensiones flotantes de alimentación V_{CC1} y -V_{CC2}, V_{CC1}, tensión de alimentación de los drivers, positiva respecto a la referencia Ref2, V_{CC2}, tensión de alimentación de los drivers, negativa respecto a la referencia Ref2, Ref2, referencia de las tensiones de alimentación V_{CC1} y V_{CC2}, Opto1 y Opto2, optoacopladores para garantizar aislamiento galvánico entre las etapas de control y de potencia, R1 y R2, resistencia de limitación de la corriente de entrada de los optoacopladores, Driv1 y Driv2, drivers de control de puerta de los transistores de potencia IGBT, C1 y C2, condensadores de desacoplo de los drivers de puerta, Rg1 y Rg2, resistencias de puerta de los transistores de potencia IGBT, Dz1 y Dz2, supresores de picos de tensión transitorios entre puerta y emisor de los IGBTs, S1 y S2, transistores de potencia IGBT, D1 y D2, Diodos de potencia de recuperación rápida (FRD), Vcc, tensión de alimentación común con el control de alto nivel, Ref1, referencia de la tensión de alimentación Vcc, In, señal lógica de control (apertura y cierre) del interruptor bidireccional, Isign, señal lógica del signo de la corriente, O1 y O2: señales de control de apertura y cierre de los transistores de la etapa de potencia, G1 y G2, señales de control de puerta de los transistores de la etapa de control, aisladas galvánicamente del control de alto nivel, T1 y T2, terminales de potencia del interruptor bidireccional. El objetivo de este prototipo ha sido demostrar la viabilidad y las ventajas de la invención. Como criterio general de diseño se ha intentado realizar un sistema lo más compacto posible, basado en tecnología híbrida de montaje, combinando componentes SMD y chips con wire-bonding. La estructura básica del IBD se ha dividido en tres niveles: una placa PCB (Printed Circuit Board) con los circuitos de control, aislamiento y controladores (PCB1), una segunda placa PCB donde se encuentra la alimentación flotante (PCB2) y, finalmente, un substrato IMS (Insulated Metal Substrate) con la etapa de potencia y los dispositivos de protección. La Figura 3 muestra un esquema del IBD modular fabricado, visto de perfil, con sus dimensiones más representativas y la disposición de los tres niveles mencionados. Así, PCB1 es el circuito impreso con el PIC, los controladores de puerta (drivers) y los optoacopladores, también, PCB2 es le circuito impreso con el convertidor DC/DC de las fuentes de tensión flotantes. IMS es el substrato de base metálica aislada con la etapa de potencia, dispositivos de protección y resistencias de puerta. Como puede observarse, los terminales T1 y T2 están soldados a las pistas correspondientes del IMS y atraviesan las placas PCB1 y PCB2 para permitir la conexión superior de las líneas de potencia. En las versiones definitivas de los IBDs, las señales de control partirían desde las placas PCB también hacia la parte superior, alejadas de T1 y T2. Esta configuración permite una fácil conexión del IBD en una placa PCB en la parte superior que contendría el layout del convertidor, mientras que por debajo, la base de los substratos IMS de todos los IBDs se atornillaría a un radiador o sistema de refrigeración. En los prototipos realizados hasta ahora, las señales de control y la alimentación Vcc se cablean directamente en la placa PCB que corresponda. En las versiones definitivas, también se protegerán todos los componentes y circuitos con los encapsulantes adecuados (epoxy u otros).The block diagram of the modular IBD proposed in Figure 1 has been carried out as shown in Figure 2. The electrical parameters and components in this assembly are: PIC, Microcontroller (local control device), C3, PIC decoupling capacitor, XTL, quartz crystal for the PIC clock, DC / DC, converter to provide the floating supply voltages V_ {CC1} and -V_ {CC2}, V_ {CC1}, driver supply voltage, positive with respect to the reference Ref2, V_ {CC2}, supply voltage of the drivers , negative with respect to reference Ref2, Ref2, reference of the supply voltages V_ {CC1} and V_ {CC2}, Opto1 and Opto2, optocouplers to ensure galvanic isolation between the control and power stages, R1 and R2, resistance limitation of the input current of the optocouplers, Driv1 and Driv2, door control drivers of the power transistors IGBT, C1 and C2, drivers decoupling capacitors D.E.P uerta, Rg1 and Rg2, door resistors of the IGBT, Dz1 and Dz2 power transistors, transient voltage surge suppressors between the IGBTs and emitter of the IGBTs, S1 and S2, IGBT, D1 and D2 power transistors, Power diodes fast recovery (FRD), Vcc, common supply voltage with high level control, Ref1, reference of the supply voltage Vcc, In, control logic signal (opening and closing) of the bidirectional switch, Isign, logic signal of the current sign, O1 and O2: opening and closing control signals of the power stage transistors, G1 and G2, door control signals of the control stage transistors, galvanically isolated from the high level control , T1 and T2, bidirectional switch power terminals. The objective of this prototype has been to demonstrate the feasibility and advantages of the invention. As a general design criterion an attempt has been made to make the system as compact as possible, based on hybrid mounting technology, combining SMD components and chips with wire-bonding . The basic structure of the IBD has been divided into three levels: a PCB ( Printed Circuit Board ) with control, isolation and controller circuits (PCB1), a second PCB board where the floating power supply (PCB2) is located, and finally an IMS ( Insulated Metal Substrate ) substrate with the power stage and protection devices. Figure 3 shows a diagram of the manufactured modular IBD, seen in profile, with its most representative dimensions and the arrangement of the three levels mentioned. Thus, PCB1 is the printed circuit with the PIC, the door controllers ( drivers ) and the optocouplers, also, PCB2 is the printed circuit with the DC / DC converter of the floating voltage sources. IMS is the metal base substrate insulated with the power stage, protection devices and door resistors. As can be seen, terminals T1 and T2 are welded to the corresponding tracks of the IMS and cross the PCB1 and PCB2 boards to allow the upper connection of the power lines. In the final versions of the IBDs, the control signals would start from the PCB boards also towards the top, away from T1 and T2. This configuration allows an easy connection of the IBD on a PCB board at the top that would contain the layout of the converter, while below, the base of the IMS substrates of all IBDs would be screwed to a radiator or cooling system. In the prototypes carried out so far, the control signals and the Vcc power supply are directly wired on the corresponding PCB board. In the final versions, all components and circuits will also be protected with the appropriate encapsulants (epoxy or others).

Por otra parte, la Figura 4 muestra un esquema con la vista superior de la etapa de potencia sobre el substrato IMS. Este presenta dos orificios de 3 mm de diámetro para permitir la fijación del módulo sobre un radiador. Eléctricamente, la etapa de potencia se basa en la combinación de 2 IGBTs (Ixys IXGD 24N60A) y 2 FRDs (Ixys DWEP 25-06), todos ellos de 600 V de tensión de ruptura y en formato chip, soldados sobre las pistas de cobre del substrato IMS. Las conexiones superiores (puerta y emisor del IGBT y ánodo del FRD) se han realizado con hilo de aluminio de 127 \mum de diámetro (wire-bonding). La configuración de los IGBTs es en emisor común (como se puede apreciar en las Figuras 2 y 4), lo que simplifica las conexiones con la PCB1 (que contiene los controladores de puerta) y permite además disminuir el número de fuentes de alimentación flotantes para aplicar tensiones entre puerta y emisor negativas. En la etapa de potencia se han colocado también dos supresores de sobretensiones (TransZorb SMBJ24CA de General Semiconductor) entre puerta y emisor (Dz1 y Dz2 en la Figura 2), más las dos resistencias de puerta de los IGBTs (Rg1 y Rg2), todos ellos en formato SMD. Finalmente, se han soldado los 2 terminales de potencia (T1 y T2) y los 4 terminales de señal que permiten la interconexión con PCB1, en particular de las tensiones de salida de los controladores hacia la puerta y el emisor de cada IGBT. Cabe señalar que se ha habilitado una conexión del emisor de cada IGBT hacia el controlador (driver), separada del camino de la corriente principal del dispositivo, lo que reduce el peligro de picos indeseados en la tensión de puerta.On the other hand, Figure 4 shows a diagram with the top view of the power stage on the IMS substrate. It has two 3 mm diameter holes to allow the module to be fixed on a radiator. Electrically, the power stage is based on the combination of 2 IGBTs (Ixys IXGD 24N60A) and 2 FRDs (Ixys DWEP 25-06), all of them of 600 V breaking voltage and in chip format, welded on the copper tracks of the IMS substrate. The upper connections (door and emitter of the IGBT and anode of the FRD) have been made with 127 mm diameter aluminum wire ( wire-bonding ). The configuration of the IGBTs is in common emitter (as can be seen in Figures 2 and 4), which simplifies the connections with the PCB1 (which contains the door controllers) and also reduces the number of floating power supplies for Apply voltages between negative gate and emitter. In the power stage, two surge suppressors (TransZorb SMBJ24CA from General Semiconductor) have also been placed between door and emitter (Dz1 and Dz2 in Figure 2), plus the two door resistors of the IGBTs (Rg1 and Rg2), all them in SMD format. Finally, the 2 power terminals (T1 and T2) and the 4 signal terminals that allow the interconnection with PCB1, in particular of the output voltages of the controllers to the door and the emitter of each IGBT, have been soldered. It should be noted that a connection from the transmitter of each IGBT to the controller ( driver ) has been enabled, separated from the path of the main current of the device, which reduces the danger of unwanted peaks in the door voltage.

El control local en este caso concreto lo realizó un microcontrolador tipo PIC (Microchip PIC12F675) montado en la PCB1. Para el desarrollo de los prototipos del IBD, este componente se ha usado en encapsulado through hole DIL-8, aunque las versiones definitivas contarán con un encapsulado SMD. En los citados prototipos, el PIC recibe la señal de control de cierre y apertura del IBD (In), así como la señal representativa del signo de la corriente del módulo (Isign) desde el control de alto nivel, ambas entre 0 y 5 V. Junto al PIC se ha montado también un oscilador de cuarzo de 20 MHz, necesario para el funcionamiento del reloj interno a una frecuencia lo suficientemente elevada. El programa introducido en el microcontrolador, ejecuta una estrategia de conmutación de 4 pasos que tan sólo requiere las dos señales antes mencionadas. Dos pines de salida del PIC se destinan a las señales de activación de las puertas de los IGBTs (O1 y O2). Los retardos entre estas señales se determinan y se programan en el PIC en función del tipo de dispositivo de potencia utilizado y en concreto, de sus tiempos de conmutación. Las señales O1 y O2 se envían hacia los dispositivos de aislamiento. En el caso que nos ocupa, se ha utilizado un componente (Agilent HCPL-J312) que combina un optoacoplador y un controlador de puerta para IGBTs y MOSFETs. Así pues, las resistencias R1 y R2 fijan la corriente de entrada a los diodos del optoacoplador, mientras que los condensadores de desacoplo C1 y C2 estabilizan las tensiones de alimentación cuando se suministran los picos de corriente necesarios para cargar y descargar las capacidades de entrada de los IGBTs. A la salida de ambos controladores, encontramos las señales G1 y G2 que se conectan a las puertas de los IGBTs a través de las resistencias Rg1 y Rg2. Estas resistencias son de gran importancia pues determinan la rapidez de conmutación de los transistores y como se ha mencionado anteriormente, se han situado sobre el substrato IMS en formato SMD. En las Figuras 5 y 6 pueden verse los oscilogramas que demuestran el funcionamiento básico de la estrategia de conmutación programada. En la Figura 5, el signo de la corriente es positivo (Isign=5V) y puede observarse cómo en el instante en que la señal In pasa de 0 a 5 V (cierre del interruptor bidireccional), la estrategia de conmutación programada en el PIC hace que la tensión puerta-emisor del IGBT S1 (V_{GE(S1)}) pase de -15 V a +15 V 3 \mus más tarde, mientras que la de S2 (V_{GE(S2)}) lo hace 6 \mus más tarde. Por otro lado, cuando la señal In pasa de 5 V a 0 (apertura del interruptor bidireccional), la estrategia de conmutación programada en el PIC hace que la tensión puerta-emisor del IGBT S2 (V_{GE(S2)}) pase de +15 V a -15 V 2 \mus más tarde, mientras que la de S1 (V_{GE(S1)}) lo hace 5 \mus más tarde. Cuando el signo de la corriente es negativo (Isign=0V), los papeles de S1 y S2 se invierten, como puede observarse en la Figura 6.Local control in this specific case was carried out by a PIC microcontroller (Microchip PIC12F675) mounted on PCB1. For the development of IBD prototypes, this component has been used in DIL-8 through hole encapsulation, although the final versions will have an SMD package. In the aforementioned prototypes, the PIC receives the closing and opening control signal of the IBD (In), as well as the signal representative of the module current sign (Isign) from the high level control, both between 0 and 5 V A 20 MHz quartz oscillator, necessary for operating the internal clock at a sufficiently high frequency, has also been mounted next to the PIC. The program introduced in the microcontroller executes a 4-step switching strategy that only requires the two signals mentioned above. Two PIC output pins are used for the activation signals of the IGBTs doors (O1 and O2). The delays between these signals are determined and programmed in the PIC based on the type of power device used and in particular, on their switching times. The O1 and O2 signals are sent to the isolation devices. In the case at hand, a component (Agilent HCPL-J312) has been used that combines an optocoupler and a door controller for IGBTs and MOSFETs. Thus, resistors R1 and R2 set the input current to the optocoupler diodes, while decoupling capacitors C1 and C2 stabilize the supply voltages when the current peaks necessary to load and unload the input capacities of the IGBTs. At the output of both controllers, we find the G1 and G2 signals that are connected to the IGBTs doors through resistors Rg1 and Rg2. These resistors are of great importance as they determine the switching speed of the transistors and as mentioned above, they have been placed on the IMS substrate in SMD format. Figures 5 and 6 show the oscillograms that demonstrate the basic operation of the programmed switching strategy. In Figure 5, the sign of the current is positive (Isign = 5V) and it can be seen that at the moment when the In signal passes from 0 to 5 V (closing of the bidirectional switch), the switching strategy programmed in the PIC causes the IGBT door-emitter voltage S1 (V_ {GE (S1)}) to go from -15 V to +15 V 3 \ mus later, while that of S2 (V_ {GE (S2)}) does 6 \ mus later. On the other hand, when the In signal goes from 5 V to 0 (bidirectional switch opening), the switching strategy programmed in the PIC causes the door-emitter voltage of the IGBT S2 (V_ {GE (S2)}) to pass from +15 V to -15 V 2 \ mus later, while that of S1 (V_ {GE (S1)}) does 5 \ mus later. When the sign of the current is negative (Isign = 0V), the roles of S1 and S2 are reversed, as can be seen in Figure 6.

En la placa PCB2 se han acomodado las fuentes de alimentación flotantes que alimentan los drivers. Se han experimentado varios tipos de fuentes, aunque todas ellas se basan en convertidores DC/DC de alta densidad de integración (por ejemplo los TDS0515D de Traco). La elección de la etapa de potencia del IBD en configuración de emisor común, permite tener una referencia común a los circuitos de control de los transistores (Ref2). De este modo, con un convertidor que proporcione dos tensiones de salida (Vcc1 y -Vcc2), se pueden aplicar tensiones positivas y negativas entre puerta y emisor de ambos IGBTs, conectando las líneas de alimentación de los drivers tal como muestra la Figura 2. En nuestro caso, Vcc1=15 V y -Vcc2=-15 V, ambas tensiones referenciadas a Ref2. Puede observarse también, cómo el convertidor DC/DC debe garantizar el aislamiento galvánico entre la fuente de alimentación de la etapa de control de alto nivel (Vcc con referencia Ref1) y las tensiones de alimentación de los drivers. En la placa PCB2 se han montado también los condensadores de desacoplo tanto de la alimentación Vcc como de Vcc1 y -Vcc2.On the PCB2 board, the floating power supplies that power the drivers have been accommodated . Several types of sources have been experienced, although all of them are based on high density integration DC / DC converters (for example Traco TDS0515D). The choice of the power stage of the IBD in a common emitter configuration allows a common reference to the transistor control circuits (Ref2). Thus, with a converter that provides two output voltages (Vcc1 and -Vcc2), positive and negative voltages can be applied between the door and emitter of both IGBTs, connecting the power supply lines of the drivers as shown in Figure 2. In our case, Vcc1 = 15 V and -Vcc2 = -15 V, both voltages referenced to Ref2. It can also be observed how the DC / DC converter must guarantee galvanic isolation between the power supply of the high-level control stage (Vcc with reference Ref1) and the driver supply voltages. The decoupling capacitors of both the Vcc and Vcc1 and -Vcc2 power supplies have also been mounted on the PCB2 board.

Para verificar el correcto funcionamiento eléctrico del IBD modular propuesto, se han realizado ensayos estáticos y dinámicos. La Figura 7 muestra las curvas características estáticas de corriente del IBD frente a la caída de tensión del mismo a 25°C. Cuando la señal de control In se activa (In=5V), el IBD permite el paso de corriente en ambos sentidos y la caída de tensión en sus bornes corresponde a la suma de la caída del IGBT más la del FRD activos. Con los dispositivos que se han utilizado en el prototipo presentado, la caída de tensión alcanza los 3.8 V a 20A. Cuando In=0V, los IGBTs están en corte, por el IBD no circula corriente en ningún sentido y la tensión aplicada al mismo es soportada por los FRDs, hasta que se alcance su tensión de ruptura. A nivel dinámico, los IBDs funcionando en un CM con carga inductiva (el caso más usual a nivel práctico) presentan tan sólo dos tipos distintos de conmutaciones desde el punto de vista del comportamiento de los dispositivos de potencia. Cualesquiera que sean el número de fases de entrada y de salida, estos dos tipos de conmutaciones se pueden reproducir en un CM con dos fases de entrada y una de salida, con dos IBDs en total, tal y como se muestra en la Figura 8. Aquí, V representa la tensión externa aplicada, L_{L} la Inductancia de carga. A su vez, V_{IBD-A}, V_{IBD-B}, I_{IBD-A} y I_{IBD-B} son, respectivamente, la caída de tensión de los interruptores IBD-A y IBD-B, las corrientes a través del interruptores IBD-A y IBD-B. Se ha realizado un circuito de comprobación en estas condiciones y las Figuras 9 y 10 muestran los oscilagramas de las principales variables durante procesos de conmutación a 10A de corriente y 300 V de tensión en bornes de los IBDs. En ambas figuras se muestra como referencia la señal de control G1 a la salida del driver que controla el IGBT activo del IBD-A. En la Figura 9 se produce un bloqueo "duro" (hard turn-off) del IGBT activo del IBD estudiado (el IBD-A). Puede apreciarse la extinción de la corriente del IBD-A (I_{IBD-A}) en unos 100 ns mientras la del IBD-B (I_{IBD-B}) toma el relevo y evoluciona de 0 a 10A. La caída de tensión del IBD-A (V_{IBD-A}) pasa del valor de conducción (unos 3 V) hasta los 300 V cuando el interruptor bidireccional está bloqueado, con un pequeño sobrepico debido a las inductancias parásitas. En la Figura 10 se aprecia un proceso de cierre duro (hard turn-on) del IGBT activo del IBD-A que completa el proceso de verificación. Se observa el aumento de la corriente del IBD-A (I_{IBD-A}) en unos 50 ns mientras la del IBD-B (I_{IBD-B}) pasa de 10A a 0. Se observa también un pico de sobrecorriente debido a las características dinámicas de los diodos. La caída de tensión del IBD-A (V_{IBD-A}) evoluciona desde 300 V cuando está bloqueado inicialmente, hasta el valor de conducción (unos 3 V). Estos resultados prácticos avalan la utilidad industrial de esta invención.To verify the correct electrical operation of the proposed modular IBD, static and dynamic tests have been carried out. Figure 7 shows the static characteristic current curves of the IBD against the voltage drop of it at 25 ° C. When the control signal In is activated (In = 5V), the IBD allows the passage of current in both directions and the voltage drop in its terminals corresponds to the sum of the drop of the IGBT plus that of the active FRD. With the devices that have been used in the presented prototype, the voltage drop reaches 3.8 V at 20A. When In = 0V, the IGBTs are cut off, the IBD does not circulate current in any direction and the voltage applied to it is supported by the FRDs, until its breaking voltage is reached. On a dynamic level, IBDs operating on a CM with inductive load (the most usual case at practical level) present only two different types of switching from the point of view of the behavior of power devices. Whatever the number of input and output phases, these two types of switching can be reproduced in a CM with two input and one output phases, with two IBDs in total, as shown in Figure 8. Here, V represents the applied external voltage, L_ {L} the Load Inductance. In turn, V_ {IBD-A}, V_ {IBD-B}, I_ {IBD-A} and I_ {IBD-B} are, respectively, the voltage drop of switches IBD-A and IBD-B, the currents through the switches IBD-A and IBD-B. A test circuit has been carried out under these conditions and Figures 9 and 10 show the oscillations of the main variables during switching processes at 10A of current and 300 V of voltage at terminals of the IBDs. In both figures the control signal G1 is shown as a reference to the output of the driver that controls the active IGBT of the IBD-A. In Figure 9 there is a " hard turn-off " block of the active IGBT of the IBD studied (the IBD-A). The extinction of the current of the IBD-A (I_ {IBD-A}) in about 100 ns can be seen while that of the IBD-B (I_ {IBD-B}) takes over and evolves from 0 to 10A. The voltage drop of the IBD-A (V_ {IBD-A}) goes from the conduction value (about 3 V) to 300 V when the bidirectional switch is blocked, with a small overlap due to parasitic inductances. Figure 10 shows a hard turn-on process of the active IGBT of the IBD-A that completes the verification process. The increase in the current of the IBD-A (I_ {IBD-A}) is observed in about 50 ns while that of the IBD-B (I_ {IBD-B}) goes from 10A to 0. An overcurrent peak is also observed due to the dynamic characteristics of the diodes. The voltage drop of the IBD-A (V_ {IBD-A}) evolves from 300 V when initially blocked, to the conduction value (about 3 V). These practical results support the industrial utility of this invention.

Claims (3)

1. Interruptor de potencia bidireccional tanto en corriente, como en tensión eléctrica, inteligente y modular caracterizado porque comprende, las partes siguientes:1. Bidirectional power switch both in current, as in electric, intelligent and modular voltage characterized in that it comprises the following parts:
a)to)
Fuentes de alimentación eléctrica flotantes (convertidores DC/DC).Power supplies floating (DC / DC converters).
b)b)
Circuitos de control local.Local control circuits
c)C)
Circuitos de aislamiento y controladores (también denominados comúnmente "drivers") de puerta.Isolation circuits and controllers (also commonly referred to as "door drivers ").
d)d)
Dispositivos de protección.Protection devices.
e)and)
Dispositivo de potencia del interruptor bidireccional.Switch power device bidirectional
f)F)
Conexiones y terminales, eléctricos, integrados, entre partes.Electrical connections and terminals, integrated, between parts.
2. Interruptor de potencia bidireccional tanto en corriente, como en tensión eléctrica, inteligente y modular, según la reivindicación 1, caracterizado porque:2. Bidirectional power switch both in current and in electric, intelligent and modular voltage according to claim 1, characterized in that:
a)to)
Integra la etapa de potencia necesaria para garantizar la bidireccionalidad en tensión y en corriente junto con los circuitos y algoritmos de control y protección necesarios,Integrate the necessary power stage to guarantee bidirectionality in voltage and current together with control and protection circuits and algorithms necessary,
b)b)
Integra los circuitos de protección necesarios para aumentar la robustez del dispositivo, ante posibles fallos de operación,Integrate protection circuits necessary to increase the robustness of the device, before possible operation failures,
c)C)
Integra las fuentes de tensión flotantes necesarias para el funcionamiento correcto y autónomo de los circuitos de control, así como el aislamiento galvánico necesario entre distintas etapas de control y potencia,Integrate voltage sources Floats needed for proper and autonomous operation of control circuits, as well as galvanic isolation necessary between different stages of control and power,
d)d)
Tiene carácter modular, que permite al operador una fácil combinación con otros elementos o partes similares, para fabricar circuitos más complejos como los convertidores matriciales, así como hacer posible la reparación fácil de los convertidores, substituyendo un módulo por otro.Have modular character, which allows the operator an easy combination with other similar elements or parts, to make more circuits complexes like matrix converters as well as do possible easy repair of the converters, replacing a module for another.
3. Interruptor de potencia bidireccional tanto en corriente, como en tensión eléctrica, inteligente y modular, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque puede formar parte, o ser un elemento constituyente, de convertidores matriciales de potencia, así como de otros dispositivos convertidores de potencia que gestionen el flujo de potencia entre una fuente primaria de energía y una determinada carga o impedancia eléctrica.3. Bidirectional power switch both in current, as in electric, intelligent and modular voltage, according to claims 1 and 2, characterized in that it can be part, or be a constituent element, of power matrix converters, as well as other converter devices of power that manage the power flow between a primary source of energy and a certain electrical load or impedance.
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