四部分AC MOSFET开关

摘要

本公开的至少一个方面针对AC开关系统。AC开关系统包括第一I/O、第二I/O、包括第一多个开关的第一部分，第一部分被耦合至第一I/O，包括第二多个开关的第二部分，第二部分被与第一部分耦合在一起并被耦合至第二I/O，包括二极管的第三部分，第三部分被耦合至第一I/O并且被耦合至第一部分和第二部分的结合点，以及包括二极管的第四部分，第四部分被耦合至第二I/O并且被耦合至第一部分和第二部分的结合点。

说明书

发明背景

1.发明领域

本文所述的至少某些实施例总体上涉及AC开关系统，并且更特别地涉及AC开关系统的部分内的高速切换以及涉及利用高速开关的设备。

2.相关技术的讨论

传统的功率转换方法(例如AC/DC降压双向转换器、DC/AC逆变器、AC/AC转换器(例如，矩阵转换器)以及双极切换中性点钳位(BSNPC))利用AC开关。典型的AC开关通常包括晶体管和二极管。

发明概述

本公开的至少一个方面针对AC开关系统。AC开关系统包括第一I/O、第二I/O、包括第一多个开关的第一部分(第一部分被耦合至第一I/O)包括第二多个开关的第二部分(第二部分与第一部分耦合并被耦合至第二I/O)、包括二极管的第三部分(第三部分被耦合至第一I/O并且被耦合至第一部分和第二部分的结合点)以及包括二极管的第四部分(第四部分被耦合至第二I/O并且被耦合至第一部分和第二部分的结合点)。

在AC开关系统中，第一多个开关和第二多个开关中的每个可以包括至少一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。此外，至少一个MOSFET可以被配置为低电压MOSFET.4。至少一个MOSFET还可以被配置为高压MOSFET。

在AC开关系统中，第二部分和第三部分中的每个还可以包括至少一个开关设备.6。此外，至少一个开关设备可以是绝缘双极型晶体管(IGBT)。

在AC开关系统中，第一二极管和第二二极管中的每个可以是碳化硅(SiC)二极管。

AC开关系统还可以包括第一开关设备(其中第一开关设备可以被配置成在第一操作模式期间将正电压耦合至第二I/O)和第二开关设备(其中第二开关设备可以被配置成在第二操作模式期间将负电压耦合至第二I/O)。第一开关设备和第二开关设备中的每个可以是碳化硅结栅场效应晶体管(SiC-JFET)。此外，第一开关设备和第二开关设备中的每个可以是IGBT设备。

在一个实施例中，AC开关系统可以被配置为充当AC/DC降压双向转换器。在另一个实施例中，AC开关系统可以被配置为充当矩阵转换器。

本公开的另一个方面针对操作AC开关系统的方法。AC开关系统可以包括第一I/O和第二I/O。方法可以包括以下动作：在第一时间段期间闭合第一开关设备(第一开关设备提供使第一电流通过第一二极管和第二二极管至第二I/O的通路)；在第二时间段期间闭合第二开关设备，第二时间段大于第一时间段，第二开关设备将第一I/O耦合至第一二极管和第二二极管的结合点以提供从第一I/O至第二I/O的第二电流，并且在第三时间段期间闭合第三开关设备，第三开关设备被耦合至第一二极管并提供使第二电流通过第三二极管的通路，其中第三二极管被耦合至第二I/O，并且其中在第二时间段和第三时间段期间大部分第二电流被导通通过第二开关设备，并且在第三时间段期间仅一部分第一电流被第三二极管导通。

方法还可以包括在第四时间段期间闭合第三开关设备，第三开关设备提供使第三电流通过第四二极管和第五二极管至第一I/O的通路。此外，方法还可以包括以下动作：在第五时间段期间闭合第四开关设备(第五时间段大于第四时间段，第四开关设备将第二I/O耦合至第四二极管和第五二极管的结合点以提供从第二I/O至第一I/O的第四电流)以及在第六时间段期间闭合第一开关设备(第一开关设备被耦合至第四二极管并提供使第四电流通过第六二极管的通路)。

在方法中，在第六时间段期间闭合第一开关设备的动作还可以包括将第六二极管耦合至第一I/O，并且其中在第五时间段和第六时间段期间大部分第四电流被导通通过第四开关设备，并且在第六时间段期间仅一部分第四电流被第六二极管导通。

方法还可以包括以下动作：在第一时间段之前断开第五开关设备(第五开关设备被耦合至正DC电压)以及在第四时间段之前断开第六开关设备(第六开关设备被耦合至负DC电压)。

本公开的又一个方面针对AC开关系统。AC开关系统可以包括第一I/O、第二I/O，包括第一多个开关的第一部分(第一部分被耦合至第一I/O)、包括第一开关和第二开关的第二部分(第二部分被耦合至第一部分并且被耦合至第二I/O)、包括二极管的第三部分(第三部分被耦合至第一I/O并且被耦合至第一开关和第二开关的第一结合点)以及包括二极管的第四部分(第四部分被耦合至第二I/O并且被耦合至第一多个开关中的两个开关的第二结合点)。

AC开关系统还可以包括第一开关设备(其中第一开关设备可以被配置为在第一操作模式期间将正电压耦合至第二I/O)以及第二开关设备(其中第二开关设备可以被配置为在第二操作模式期间将负电压耦合至第二I/O)。在AC开关系统中，正电压和负电压中的每个可以低于200伏特。

附图简述

附图不旨在按比例绘制。在附图中，通过相似的数字来表示在各个附图中示出的每个相同的或几乎相同的组件。为了清楚起见，并不是每个组件可以被标记在每个附图中。在附图中：

图1是根据一个实施例的具有AC开关的逆变器的示意图；

图2A是根据一个实施例的操作AC开关的方法的图示；

图2B是根据一个实施例的图1的逆变器在操作期间的时序图；

图3A是根据一个实施例的具有AC开关的逆变器的另一个示意图；

图3B是根据一个实施例的具有AC开关的逆变器的另一个示意图；

图4A是根据一些实施例的在AC/DC降压双向转换器内的AC开关的示意图；以及

图4B是根据一些实施例的在矩阵转换器内的AC开关的示意图。

详细描述

现在将参考附图详细讨论各种实施例及其方面。应认识到，本发明不将其应用限于在下面的描述中阐述出或在附图中示出的结构的细节和组件的布置。本发明能够有其它实施例并能够被以各种方式来实践或执行。另外，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被认为是限制性的。在本文中对“包括(including)”、“包含(comprising)”或“具有(having)”、“含有(containing)”、“涉及(involving)”及其变形的使用旨在包括在其后列出的项及其等同物以及附加的项。

典型的功率转换器布置包括开关设备(例如串联的晶体管)。绝缘双极型晶体管(IGBT)开关可以被用于提供高电流容量和低导通损耗；然而，开关频率通常是低的并且IGBT通常具有高开关损耗。其他解决方案(例如基于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的开关电路)提供具有低开关损耗的高开关频率；然而，电流容量通常是低的并且总体组件成本通常较高。

本文的至少某些实施例为AC开关系统提供AC开关，其减轻先前方法的负面因素并实现高开关频率(并且因此，较小的滤波器组件和较高的功率密度)、高电流容量和与开关设备的导通和换向相关联的最小损耗。关于本文公开的AC开关的应用的非限制性列表包括不间断电源(UPS)、逆变器、给电池进行充电的AC/DC降压转换器、用于智能电网的转换器、电子变压器、用于电机的驱动器以及AC/AC转换器(例如，矩阵转换器)。

本文公开的某些实施例包括克服与传统的功率转换拓扑结构相关联的缺点的不同的可用半导体技术的布置。某些以下实施例提供用于在开关系统内使用的AC开关，其有利地结合MOSFET开关设备的高开关频率来使用IGBT开关设备的高电流容量。此外，某些实施例针对避免总体电流通过碳化硅(SiC)二极管的AC开关，其利用SiC二极管开关特性同时保持SiC二极管相对小(并且因此，不贵)。如以下将被讨论的，这样布置的好处最大化电和热效率，也优化谐波失真以及功率转换设备的总体密度。

图1是被包括在通常被指定为100的单相三电平逆变器中的AC开关的一个实施例的框图。逆变器100包括AC开关102、中性点104、电容器108、开关设备110和112、反并联二极管114和116、输出端106、电感器146以及负载148。如本文使用的，中性点104和输出端106可以各自地被称为第一I/O和第二I/O。I/O可以表示电路的两个或多于两个组件的结合点或仅仅表示参考点或电路或设备的输入或输出节点。在显示的实施例中，AC开关102包括MOSFET晶体管118、120、122和124、本体二极管126-132、IGBT晶体管134和136以及碳化硅(SiC)二极管138和140。在显示的实施例中，MOSFET晶体管118和124被配置为高压MOSFET并且MOSFET晶体管120和122被配置为低压MOSFET。

在显示的实施例中，中性点104可以被配置为被耦合至第一DC电源(未显示)的V+142和第二DC电源(未显示)的V-144的结合点。中性点104还被耦合至AC开关102的第一端。开关设备110被配置以选择地将V+142耦合至输出端106。开关设备110的集电极被耦合至输入端104的第一端同时开关设备110的发射极耦合至输出端106。反并联二极管114被耦合在开关设备110的集电极和发射极之间。同样地，开关设备112被配置成选择地将中性点104的第二端耦合至输出端106。开关设备112的集电极被耦合至输出端106同时发射极被耦合至输入端104的第二端。反并联二极管116被耦合在开关设备112的集电极和开关设备112的发射极之间。在显示的实施例中，开关设备110和112是IGBT晶体管；然而，在其他实施例中，不同类型的开关可以被利用。例如，在一个实施例中，开关设备110和112是SiCFET类型晶体管。电感器146的第一端被耦合至输出端106同时导体146的第二端被耦合至负载148的第一端。负载148的第二端被耦合至中性点104。

仍参考图1，AC开关102配置有被耦合至中性点104的第一端以及被耦合至输出端106的第二端。AC开关102被以四个部分进行配置。开关设备118和120以及它们各自的本体二极管126和128可以在本文被称为第一部分。开关设备122和124以及它们各自的本体二极管130和132可以在本文被称为第二部分。开关设备134和二极管138可以在本文被称为第三部分。开关设备136和二极管140可以在本文被称为第四部分。

在显示的实施例中，第一部分被配置为，开关设备118的漏极被耦合至输入端104的同时开关设备118的源极被耦合至开关设备120的源极。开关设备118的栅极被耦合至开关设备120的栅极(以同时改变开关设备118和120两者的状态)。在第二部分中，开关设备120的漏极被耦合至开关设备122的漏极同时开关设备122的源极被耦合至开关设备124的源极。开关设备122的栅极被耦合至开关设备124的栅极(以同时地改变开关设备122和124两者的状态)。开关设备124的漏极被耦合至输出端106。第一部分和第二部分的每个开关设备118-124被各自配置有从漏极耦合至阴极以及从源极耦合至阳极的本体二极管126-132中的一个。第二部分和第三部分中的开关设备134-136被配置成与第一部分和第二部分中的开关设备118-124并联。第三部分被配置为，开关设备134的集电极被耦合至中性点104、二极管126的阴极以及开关设备118的漏极的结合点。开关设备134的发射极被耦合至开关设备120的漏极和开关设备122的漏极的结合点，也耦合至开关设备136的发射极。在第四部分中，开关设备136的集电极被耦合至输出端106、二极管132的阴极以及开关设备124的漏极的结合点。第三部分和第四部分中的开关设备134和136被各自配置有被从集电极耦合至阴极以及被从发射极耦合至阳极的二极管138和140。

在显示的实施例中，二极管138和140是SiC二极管，然而，在其他实施例中它们可以是其他类型的二极管。还在显示的实施例中，开关设备118和124是高压超级结MOSFET，例如德国Neubiberg的英飞凌科技(InfineonTechnologies)制造的COOLMOS^TM晶体管。典型的超级结能够处理高压(例如，650+伏特)，其中R_DS(ON)范围为20-40mΩ。另外，在显示的实施例中，开关设备120和122是低压MOSFET，其通常能够处理低压(例如，低于60伏特)，其中R_DS(ON)范围为2-4mΩ)。如以下参考图2A和2B将被讨论的，开关设备120和122包括本体二极管128和130，其有利地在导通期间提供低正向电压(例如，0.8/1伏特)、良好的结壳热阻(RthJC)。

参考图2A和2B，以连续模式操作逆变器100的方法通常被指定为200。在动作204、206、208和210期间开关设备114和116、118-124、134和136可以被通过脉冲宽度调制(PWM)信号驱动(即，接通和关断)。应当理解的是，栅极电压可以被PWM提供或者可以来自本领域中已知的任何其他信号产生源。方法开始于动作202。

在动作204中，开关设备110被接通(即：被闭合)(将V+耦合至输出端106)。如图2B中所示，在t0-t1期间正电压被施加至开关设备110的栅极(cdeT3)。随着开关设备110开始导通，电流(IT3)开始升高。

在动作206中，开关设备110被关断(即：被断开)(将V+从输出端106去耦)。在基本上相同的时间，开关设备134连同开关设备118和120被接通(即：被闭合)，将电感器146和负载148钳位至中性点104。通过开关设备118的电流引起开关设备120的本体二极管128变为正向偏置并开始导通。开关设备134(被配置为与开关设备118和开关设备120的本体二极管128并联)然后导通在SIC二极管140上的电流，作为结果，SIC二极管140开始导通。参考图2B，在t1-t2期间通过二极管104的电流被表示为Isic2。如以下将被讨论的，总电流的仅一部分在给定的周期内通过SIC二极管140。

如以上讨论的，MOSFET开关设备具有高开关频率，因此使开关设备118在开关设备114的换向期间能够达到最佳性能。此外，MOSFET设备还具有低开关成本(即：最小的功率损耗)。相比之下，开关设备134可以被配置为提供弱Vce(sat)并且处理大部分电流的IGBT开关设备。然而，如以上讨论的，IGBT设备具有较慢的开关频率以及高开关成本(即：功率损耗)。有鉴于此，MOSFET开关设备和IGBT开关设备并联的组合提供高开关频率同时维持高电流容量。例如，IGBT开关设备134具有基本上不存在的损耗，因为当零伏特在开关两端时IGBT开关设备134被切换(即：零电压切换(ZVS)模式)。在动作206中，MOSFET开关设备(例如开关设备118、124等)在IGBT开关设备(例如开关设备134和136)之前被开启。以这种方式，MOSFET开关设备确保高频率切换同时IGBT开关设备确保高电流容量。在显示的实施例中，开关设备120是低功耗MOSFET设备。因为正向电压非常低(例如，0.8/1伏特)，所以低功耗MOSFET的本体二极管128的使用限制在导通期间的损耗。如以下将被进一步讨论的，在动作204-210中，AC开关102被配置成在导通期间使通过AC开关102的总电流的仅仅一部分经过SIC二极管140。由于这个原因，与原本将被要求使全部电流通过相比，二极管140(被配置为SiC二极管)可以更小(并且因此，使AC开关生产成本更低)。此外，SIC二极管不具有反向恢复电荷，并且因此，SiC二极管的使用限制在AC开关102的切换操作期间的损耗。

在动作208中，开关设备122和124被开启(即：被闭合)。作为结果，电流被提供通过开关设备122和124以及二极管140的并联通路。在这个并联布置中，AC开关102导通在通过开关设备122和开关设备124的本体二极管132的方向上的大部分电流。图2B示出来自t2-t3的穿过SIC二极管140(Isic2)的少量产生的电流。

在动作210中，开关设备120和122被关断(例如被断开)，导致剩余电流通过SIC二极管140。图2B示出来自t3-t4的通过SIC二极管140(Isic2)的电流中的小幅上升。在动作212中，方法结束。

方法200可以在逆变器操作期间被以类似的方式重复以提供来自逆变器的V-输出电压。例如，在动作204中，开关设备112将被接通(即：被闭合)(通过输出端106将V-提供至AC开关102)。在动作204-210中，对于负输出电压，每个开关的称赞将被利用以切换并使大部分电流通过开关设备136以及开关设备124和118。

在至少某些实施例中，当第一部分和第二部分的设备被选择性地与第三部分和第四部分的设备并联耦合时，开关性能、容量和效率是最优的。此外，将SiC二极管包含进来的做法还限制开关损耗并增加图1、3A、3B和5的开关系统的热效率。

参考图3A，根据一个实施例的逆变器被通常以300示出。逆变器300可以被配置类似于图1的逆变器100并且可以以类似于以上论述的图2的方法的方式运行。逆变器300包括AC开关302、中性点104、输出端106、开关设备110和112、反并联二极管114和116、开关设备118-124、本体二极管126-132以及SiC二极管138和140。逆变器300不同于图1的逆变器100之处在于逆变器300的AC开关302缺少图1的开关设备134和136。在至少一个实施例中，开关设备134和136的缺少提高逆变器300的开关频率但是以降低的电流容量为代价。

参考图3B，逆变器通常被通常以340示出。逆变器340可以被配置类似于图1的逆变器100并且可以以类似于上述讨论的图2的方法的方式运行。逆变器340包括AC开关352、中性点104、输出端106、开关设备110和112、反并联二极管114和116、开关设备118-124、本体二极管126-132以及二极管138和140。与图1的逆变器100相比，开关设备134和136被配置为，二极管138的阴极和二极管140的阴极各自耦合至开关设备134的集电极和开关设备136的集电极。类似地，开关设备134和136被配置为，二极管138的阳极和二极管140的阳极被各自耦合至开关设备134的发射极和开关设备136的发射极。此外，二极管138的阴极被耦合至第一I/O同时二极管138的阳极被耦合至开关设备122的源极和开关设备124的源极之间的结合点。另外，二极管140被配置为，阴极被耦合至输出端106并且阳极被耦合至开关设备118的源极和开关设备120的源极的结合点。AC开关352的一个优点是在开关设备118、134和120之间的共享的发射极。同样地，开关设备124、136和122共享发射极。在开关设备之间发射极的共享使AC开关352能够有利地利用仅仅两个辅助电源以操作AC开关352。

图4A示出通常被指定为400的AC/DC降压双向转换器。AC/DC降压双向转换器400包括开关电路402。在各个实施例中，开关电路402可以由被示出在图1、3A和3B中的AC开关102、302和350中的任何一个组成。例如，在AC/DC降压双向转换器400内，开关电路402可以被配置为AC开关102(图1)。包含这样的布置可以增强输出波形的质量，提供功率因数校正(PFC)以及可调节的降压DC电压。在另外的其他实施例中，开关电路402可以由传统开关电路以及图1、3A和3B的AC开关102、302和350的混合组成。

图4B示出通常被指定为440的矩阵转换器。矩阵转换器440包括开关电路442。在各个实施例中，开关电路442可以由被示出在图1、3A和3B中的AC开关102、302和350中的任何一个组成。例如，在矩阵转换器440内，开关电路442可以被配置为AC开关102(图1)。在另外的其他实施例中，开关电路442可以由传统开关电路以及图1、3A和3B的AC开关102、302和350的混合组成。

至此描述了本发明的至少一个实施例的若干方面。将认识到，本领域中的技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在是本公开的部分，并且旨在处于本发明的精神和范围之内。因此，前面的描述和附图仅仅通过示例的方式来进行。