换向单元、电力变换器和具有动态控制的电压增益的补偿电路制造技术

本公开涉及被配置用于限制切换过压的换向单元。该换向单元包括电力电子开关，具有寄生发射极电感，在该电力电子开关关断时，通过该寄生发射极电感生成电压。该换向单元还包括与该寄生发射极电感连接的动态控制的补偿电路。该补偿电路施加在该电力电子开关关断时通过该寄生发射极电感生成的电压的可控制部分，以控制通过该寄生发射极电感生成的电压。还公开了包括一对换向单元的电力变换器和该换向单元的补偿电路。

Commutation unit, power converter and compensation circuit with dynamic control voltage gain

The disclosure relates to a switching unit configured to limit switching overvoltage. The switching unit comprises a power electronic switch and a parasitic emitter inductance. When the power electronic switch is turned off, the voltage is generated by the parasitic emitter inductance. The reversing unit also includes a dynamically controlled compensation circuit connected to the parasitic emitter inductance. The compensation circuit is applied to control the voltage generated by the parasitic emitter inductance when the power electronic switch is turned off to control the voltage generated by the parasitic emitter inductance. A power converter comprising a pair of commutation units and a compensation circuit for the commutation unit are also disclosed.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及电力电子装置的领域。更具体地，本公开涉及被配置用于在电力电子开关的关断时限制切换过压的换向单元(commutationcell)。本公开进一步涉及用于在换向单元中使用的动态控制的补偿电路、和包括具有动态控制的补偿电路的换向单元的电力变换器。
技术介绍
换向单元通常在需要电压源的变换的电力电子系统中使用，该电力电子系统包括DC-DC变换器和DC-AC变换器两者，所述DC-AC变换器通常被称为逆变器。具有为电力变换器电路(诸如在电力和/或电力混合汽车应用中使用的电路)预留的有限空间，并且给定半导体的高成本，对于这些换向单元的集成的需求增加。降低电力变换器电路中半导体占用的空间的已知方式是增加它们的效率，以由此允许降低它们的冷却表面的尺寸。传统电力变换器电路中存在的电力电子开关中的损耗主要由两个来源引起；传导损耗和切换损耗。降低切换损耗的一种方式一般通过加速电力电子开关的接通和关断。然而，电力电子开关的快速关断生成它们的高频环路的寄生(杂散)电感中的过压。由此通常需要减慢电力电子开关的关断，以保护它们免受过压。这可严重影响传统电力变换器电路的总体效率。图1是诸如在传统电力变换器电路中使用的那些的、传统换向单元的理想化电路图。换向单元10将来自电压源12(或来自电容器)的DC电压Vbus变换为通常生成对于负载14合适的电压Vout的电流源Iout(或电感)，所述负载14可以是阻性负载、电机等。换向单元10包括续流二极管16和受控电力电子开关18，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。使用电容器20(Cin)来限制电压源12的电压Vbus的变化，并且使用电感器32来限制输出电流Iout的变化。栅极驱动器(图1中未示出但是后面图上示出)控制电力电子开关18的接通和关断。图1图示了换向单元10、负载14、和电压源12的配置，其中能量从电压源12流到负载14，即在图上从左到右。换向单元10也能在其中能量按照相对方向流动的相反配置中使用。当接通时，电力电子开关18允许电流经过其从其集电极22流到其发射极24；这时，电力电子开关18能被近似为闭合电路。当关断时，电力电子开关18不允许电流流经并成为开路。栅极驱动器在电力电子开关18的栅极26和发射极24之间施加可变控制电压。对于诸如双极晶体管的一些类型的电力电子开关，栅极驱动器可担当电流源代替电压源。一般来说，当栅极26和发射极24之间施加的电压为“高”时，电力电子开关18允许从集电极22到发射极24的电流经过。当栅极26和发射极24之间施加的电压为“低”时，电力电子开关18阻止电流经过。更详细地，栅极26和发射极24之间的压差(标注为Vge)由栅极驱动器控制。当Vge大于电力电子开关18的阈值Vge(th)时，开关18接通并且集电极22和发射极24之间的电压Vce变为接近零。当Vge低于Vge(th)时，电力电子开关18关断并且Vce最终达到Vbus。当电力电子开关18接通时，电流Iout从电压源12(并暂时从电容器20)流经负载14并流经集电极22和发射极24。当电力电子开关18关断时，电流Iout从负载14循环并在续流二极管16中经过。由此可观察到，电力电子开关18和续流二极管16级联操作。按照高频率的电力电子开关18的接通和关断允许输出电感Lout32中的电流Iout保持相当恒定。应观察到，在其他电力电子开关类型(例如，双极晶体管)的情况下，术语“栅极”可由“基极”替换，与电压控制的栅极相对，基极由电流控制。这些区别不改变换向单元10的总体操作原理。图2是示出了寄生(杂散)电感的、图1的传统换向单元的另一电路图。与图1的理想化模型相反，实际换向单元的组件之间的连接定义寄生电感。尽管寄生电感分布在换向单元10内的各个地点，但是图2中呈现的适当模型示出了代表总体寄生电感的两(2)个区别电感，包括电力电子开关18的发射极电感30、和代表由续流二极管16、电力电子开关18和电容器20形成的高频环路36周围的所有其他寄生电感(除了发射极电感30之外)的电感34。高频环路36是其中在电力电子开关18的切换时电流显著改变的路径。应注意到，输出电感Lout32不是高频环路的一部分，因为其电流贯穿换向周期保持相当恒定。图3是进一步示出了栅极驱动器40的传统换向单元的电路图。为了简化说明，换向单元10的一些元件没有在图3上示出。图3进一步示出了具有正电源电压42和负电源电压44的栅极驱动器40，栅极驱动器40的输出端46经由栅极电阻器Rg连接到电力电子开关18的栅极26。栅极驱动器40的正电源电压42具有标注为+Vcc的值，例如地基准(后面图中示出)之上的+15伏，而负电源电压44具有标注为-Vdd的值，例如地基准之下的-5伏。栅极驱动器40的输入端48连接到换向单元10的控制器(未示出)，如本领域公知的那样。栅极驱动器40的输出端46处的电压增大到+Vcc并降低到-Vdd，以便控制栅极26处的电压。栅极26到发射极的输入电阻可非常高，特别是在IGBT的情况下。然而，当栅极驱动器40在+Vcc和-Vdd之间交替时，在栅极22和发射极24之间存在的寄生密勒电容Cge(后面图上示出)使得一些电流从输出端46流出。作为电力电子开关18的寄生电容Cge和期望切换速率的函数，来选择栅极电阻器的值Rg，使得栅极26处的电压按照对于期望切换速率合适的速率改变。在图3上，流经电力电子开关18和发射极寄生电感30的电流Iigbt，当电力电子开关18闭合时，本质上等于Iout，并且当电力电子开关18断开时，迅速降低为零(基本上)。当电力电子开关18接通或关断时，流经其的电流Iigbt按照快速率增加或减少。Iigbt的这些变化(标注为di/dt)根据公知公式(1)生成电感30和34两端的电压：VL=L·didt---(1)]]>其中VL是电感两端感应的电压并且L是电感值。在寄生电感34两端生成电压VLs，并且在发射极寄生电感30两端生成电压VLe。在图2和3上，当Iigbt电流非常快地减少、di/dt由此取负值时，包括发射极电感30的高频环路电感34两端示出的极性反映在电力电子开关18关断时获得的电压。在电力电子开关18的接通时，包括发射极电感30的高频环路电感34两端的电压处于相对方向。这些电压VLs和VLe与来自电压源12的Vbus串联。当电力电子开关18关断时，集电极22到发射极24电压增加，直到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种被配置用于限制切换过压的换向单元，包括：电力电子开关，具有寄生发射极电感，在该电力电子开关关断时，通过该寄生发射极电感生成电压；和与该寄生发射极电感连接的动态控制的补偿电路，该补偿电路施加在该电力电子开关关断时通过该寄生发射极电感生成的电压的可控制部分，以控制通过该寄生发射极电感生成的电压。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.14 US 61/904,0501.一种被配置用于限制切换过压的换向单元，包括：
电力电子开关，具有寄生发射极电感，在该电力电子开关关断时，通过
该寄生发射极电感生成电压；和
与该寄生发射极电感连接的动态控制的补偿电路，该补偿电路施加在该
电力电子开关关断时通过该寄生发射极电感生成的电压的可控制部分，以控
制通过该寄生发射极电感生成的电压。
2.根据权利要求1的换向单元，其中该补偿电路包括定义所施加的电压
部分的、动态控制的增益适配器。
3.根据权利要求1或2的换向单元，其中该补偿电路包括第一和第二可
控制电阻器。
4.根据权利要求3的换向单元，其中该补偿电路进一步包括与该第一可
控制电阻器并行放置的接通二极管，在该电力电子开关接通时，该接通二极
管成为导通。
5.根据权利要求3或4的换向单元，其中所述第一和第二可控制电阻器
之和恒定。
6.根据权利要求1到5的任一个的换向单元，其中该电力电子开关是从
绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管和双极晶体管中选择
的。
7.根据权利要求1到6的任一个的换向单元，包括与电力电子开关级联
操作的续流二极管。
8.根据权利要求1到7的任一个的换向单元，包括连接到该补偿电路和
该电力电子开关的栅极的栅极驱动器，该栅极驱动器控制向该电力电子开关
施加的栅极到发射极电压。
9.根据权利要求8的换向单元，其中该栅极驱动器包括基准，并且其中
在该栅极驱动器的基准和该电力电子开关的栅极之间，添加所述通过该寄生
发射极电感生成的电压的部分。
10.根据权利要求1到9的任一个的换向单元，包括：
向该换向单元施加的电压的传感器；和
控制器，可操作地连接到该传感器，并调整在该电力电子开关关断时通

\t过该寄生发...

【专利技术属性】
技术研发人员：C普罗诺沃斯特，JM西尔，
申请(专利权)人：TM四股份有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA