用于功率转换器的可调混合开关及其操作方法技术

一种用于功率转换器的混合开关以及一种对所述混合开关进行操作的方法，所述混合开关包括：包括第一半导体类型的一个或多个开关器件的最少第一元件和第二元件，和包括第二半导体类型的一个或多个开关器件的最少第三元件，其中第二半导体类型不同于第一半导体类型，并且其中每个元件能够独立地配置并连接到分开的相应的控制端；以及，连接到控制端的控制器，其中控制器被配置为通过每个相应的控制端来独立地控制每个元件，并且其中控制器进一步被配置为基于测量到的或估计出的转换器的操作条件所要求的电流和/或功率来激励元件。条件所要求的电流和/或功率来激励元件。条件所要求的电流和/或功率来激励元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于功率转换器的可调混合开关及其操作方法


[0001]本文所公开的主题涉及转换器电路领域，尤其是，涉及用于转换器电路的混合开关配置。

技术介绍

[0002]在多数功率电子转换器中，操作条件十分依赖于应用，并且关于电负荷水平方面可存在有很大的差异。例如，许多应用在大部分时间内都在具有突发的过载瞬变(高达标称电流的200％)的满负荷的条件下运行，而许多其他应用则包含其中转换器在不满负载的条件下运行或者处于空闲模式下(低于标称电流的10％)的较长阶段。然而，这种条件下的损失可能代表了该特定应用的总体损失中的很大一部分。
[0003]传统上，几乎全部应用都采用一组在整个操作条件范围内以相同面积和特性操作的器件。因此，在操作期间的特定条件下，从损失和可控性的角度来看，它们确实经受到了非最佳行为的困扰。例如，硅基功率器件可以在标称操作条件期间提供合理的转换器效率。由于半导体器件成本较低，因此应对过载情况相对直截了当，通过简单地并联地添加更多的器件，这也增加了系统的尺寸。然而，在这种设计条件下，不满负载的条件下的运行模式将受到负面影响。SiC(碳化硅)及其他的宽带隙功率器件可以提供更高的功率转换器效率和功率密度，因为它们可以在更高的开关频率和温度下操作。然而，仅仅使用SiC功率器件构建的功率转换器将会显著增加半导体器件的成本，特别是，在功率转换器需要满足任何过载要求并且半导体器件的尺寸取决于过载要求的情况下。
[0004]先前已经提出了混合开关(1)型解决方案，使得功率转换器可以优化半导体器件的成本，并且在一系列不同的操作条件下具有最佳性能。这些混合开关解决方案将不同类型的功率半导体器件组合在一起，通常以2015年9月第30卷第9期IEEE电力电子通讯汇刊(IEEE Transaction on Power Electronics Letters,Vol.30,No.9,Sept 2015)中的、题为“硅IGBT和碳化硅MOSFET交叉开关混合的特性(Characterization of a Silicon IGBT and Silicon Carbide MOSFET Cross Switch Hybrid)”的文章中所描述的交叉开关XS混合解决方案中的图1和图2所示的并联配置来进行布置。在该现有技术中，Si IGBT(3)器件与SiC MOSFET(2)器件并联，分别使用以及不使用额外的分开的二极管(5)。可以使用分开的或同一栅极驱动单元(4)来对这两个器件进行驱动。然而，这种混合开关解决方案在不同器件之间保持给定或恒定的面积比。已经表明，器件性能因所选面积比的不同而千差万别，因此对于这类构思，在特定条件下仍将存在非最佳性能。
[0005]其他现有技术解决方案如图3所示，并在美国专利第9,397,657号中或者在2016年11月23日提交的美国申请第15/359,850号中被公开，并且提供了在混合开关配置(10)中包括两个元件的选项：SiC MOSFET元件(2)、Si IGBT元件(3)和(3`)、与SiC MOSFET元件(2)相关联的第一栅极、以及与IGBT元件(3)和(3`)相关联的第二栅极。混合开关(10)的SiC MOSFET元件(2)和Si IGBT元件(3)和(3`)被配置为经由控制单元(7)和由第一Si IGBT栅极和第二SiC MOSFET栅极组成的栅极驱动单元(8)被独立地控制。操作机构在仅使用一种类
型的元件或另一种类型的元件、或者两种类型的元件(即，分开的使用SiC MOSFET元件、使用两种类型的元件(SiC MOSFET/Si IGBT)、以及分开的使用Si IGBT元件)之间切换。与其他现有技术类似，这种方法的一个主要限制在于，SiC MOSFET与Si IGBT的半导体面积比在设计阶段由在混合开关中使用的相应器件芯片的数量来定义，并且不能在使用这种混合开关的转换器的后续操作期间被进一步地修改或调整。
[0006]此外，大多数混合开关解决方案并未解决二极管的性能问题，因为标准二极管无法经由栅极电压来进行控制。因此，应用这种混合开关的构思必须考虑二极管的活动方式，而不仅仅考虑栅极可控功率器件的性能。该问题的先前解决方案是，确保在混合开关配置中使用的两种功率器件均为反向传导型，这意味着二极管功能被集成在同一器件中，并且所述二极管对栅极电压偏置具有强性能依赖性。这在例如2015年5月德国纽伦堡PCIM会议论文集(PCIM Conference Proceedings,NURNBERG,GERMANY,May 2015)中的、题为“交叉开关“XS”硅和碳化硅混合概念(The Cross Switch“XS”Silicon and Silicon Carbide Hybrid Concept)”的文章中公开。这里提出的解决方案也将两个元件，即SiC MOSFET元件和硅反向传导RC
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IGBT(6)元件结合在一起，如图4所示。通过设计具有强MOS依赖性的RC
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IGBT，可以强烈影响二极管在正栅极电压偏置下的通态电压，以便确保与沟道MOSFET传导所要求的电流共享。
[0007]然而，仍然需要更为有效的配置并操作混合开关的方法，这些方法还考虑到续流二极管的性能，并且可以受益于不同类型的功率半导体的贡献，用以实现更高的效率、更长的操作使用寿命、以及更低的总成本。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的可以是，提供一种具有至少三个元件的混合开关，其中第一元件和第二元件包括基于第一半导体材料的功率半导体器件，并且至少第三元件包括基于第二半导体材料的功率半导体器件。合适的半导体材料的示例包括硅(Si)、碳化硅(SiC)、金刚石、氧化镓(Ga2O3)、氮化镓(GaN)和氧化锌(ZnO)。本专利技术的目的还可以是，提供一种对混合开关配置进行操作的方法。
[0009]这些目的可以通过独立权利要求的主题来实现。描述了关于从属权利要求的本专利技术的实施例。
[0010]该问题由具有权利要求1所述的特征的混合开关来解决。
[0011]根据本专利技术的一些实施例的混合开关配置包括多个元件(其可以是开关器件和二极管)，每个元件具有分开的控制端。不同半导体材料类型的最少第一、第二和第三元件被使用。这些第一、第二和第三元件被电耦接在一起，以响应于分别在第一、第二和第三元件的相应第一、第二和第三控制端(例如，栅极端)处接收到的相应的控制信号来支持其中的并联电流。在本专利技术公开的思想中，混合开关的元件可以是半导体材料类型的单个芯片，或者是被互连到同一个控制端(而不是到独立的控制端)的多个半导体芯片。在本专利技术的一些实施例中，第一、第二和第三元件可以包括与硅开关器件组合的宽带隙半导体开关器件，其中至少一个开关器件与其他两个开关器件相比具有不同的特性。典型的宽带隙半导体开关器件包括SiC MOSFET和JFET，典型的硅开关器件包括Si
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RC
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IGBT，然而，开关器件的其他组合也是可行的。
[0012]本专利技术的这些实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于功率转换器的混合开关，包括：包括第一半导体类型的一个或多个开关器件的最少第一元件和第二元件，和包括第二半导体类型的一个或多个开关器件的最少第三元件，其中所述第二半导体类型不同于所述第一半导体类型，并且其中每个元件能够独立地配置并连接到分开的相应的控制端；以及连接到所述控制端的控制器，其中所述控制器被配置为通过每个相应的控制端来独立地控制每个元件，并且其中所述控制器进一步被配置为基于测量到的或估计出的所述转换器的操作条件来激励元件。2.根据权利要求1所述的混合开关，其中，所述元件的激励的特征在于实时地对所述第一半导体类型与所述第二半导体类型的半导体面积比进行调整。3.根据权利要求1或2所述的混合开关，其中，所述控制器进一步被配置为根据优化标准来激励元件。4.根据权利要求1或2所述的混合开关，其中，所述控制器基于所述转换器的电流和/或功率范围来激励多个预定义的元件组合当中的所述混合开关的元件的配置，所述多个预定义的元件组合包括两种半导体类型的开关器件。5.根据权利要求4所述的混合开关，其中，所述配置是根据优化标准来选择的。6.根据权利要求3或5所述的操作方法，其中，对于每个电流和/或功率范围，所述优化标准包括以下之一：最小化开关损耗和/或传导损耗；延长所述转换器的操作使用寿命。7.根据前述权利要求中的任一项所述的混合开关，其中，第一半导体类型的所述开关器件中的一个或多个包括具有集成二极管功能的硅反向传导IGBT，并且其中第二半导体类型的所述开关器件中的一个或多个包括MOSFET。8.根据权利要求7所述的混合开关，其中，第二半导体类型的所述开关器件中的一个或多个包括SiC MOSFET。9.根据前述权利要求中的任一项所述的混合开关，其中，第一半导体类型的所述开关器件中的一个或多个包括分开的硅IGBT与独立的硅二极管或SiC二极管的并联布置。10.一种操作用于功率转换器的混合开关的方法，包括：使用控制器来独立地对以下中的每个进行控制：包括第一半导体类型的一个或多个开关器件的最少第一元件和第二元件；和包括第二半导体类型的一个或多个开关器件的最少第三元件，其中所述第二半导体类型不同于所述第一半导体类型，其中所述控制器通过相应的控制端来独立地控制每个元件；并且其中所述控制器基于测量到的或估计出的所述转换器的操作条件来激励元件。11.根据权利要求10所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆纳福，
申请(专利权)人：MTAL有限公司，
类型：发明
国别省市：