专利名称：可关断功率半导体器件阀及其串联式拓扑结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子用可关断功率半导体器件阀领域，具体为一种可关断功率半导体器件阀及其串联式拓扑结构。
背景技术：
在电力电子领域，由于缺乏高压可关断器件，在电能转换器的全控桥装置、直流斩波器以及类似的需要可关断器件的场合，它们的工作电压等级最高只能做到几千伏。达到几十千伏以上的应用中，采用模块化的多电平技术，它是利用多模块串联组成一个可控电压源实现电能的AC/DC或DC/AC变换，具体结构和控制模式见公开文献“级联型逆变器的新进展”。开关器件只能采用IGBT，每个基本单元的IGBT数量需要4个，并且电容的容量较大；使得整个级联造价提高。西门子公司专利号为PCT/DE2006/002247的国际发明专利，它是利用多模块串联组成一个可控电压源实现电能的AC/DC或DC/AC变换，具体结构和控制模式具体见专利PCT/DE2006/002M7 ；这种结构使每个基本单元的开关数量减少1半，每个单元需要2个IGBT，由于每个单元的功能是电压源，所以各单元的电容器的容量仍然很大， 占用较大空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种可关断功率半导体器件阀及其串联式拓扑结构，以解决现有技术高压可关断器件只能采用IGBT造成成本较高，占用空间大的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为
可关断功率半导体器件阀，包括有电流正向入口、电流反向入口，其特征在于所述电流正向入口、电流反向入口之间接有相互并联的两个可关断功率半导体器件，其中一个可关断功率半导体器件正向导通，另一个可关断功率半导体器件反向导通，且反向导通的可关断功率半导体器件串接有电容，每个可关断功率半导体器件上还分别各自反向并联有二极管。所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述正向导通的可关断功率半导体器件有多个，彼此相互并联；反向导通的可关断功率半导体器件有多个，彼此亦相互并联；每个可关断功率半导体器件上分别各自反向并联有二极管。所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述正向导通的可关断功率半导体器件有多个，彼此相互串联；反向导通的可关断功率半导体器件有多个，彼此亦相互串联；每个可关断功率半导体器件上分别各自反向并联有二极管。所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述正向导通的可关断功率半导体器件有多个，均分为相互并联的多组，每组中的正向导通的可关断功率半导体器件彼此相互串联；反向导通的可关断功率半导体器件有多个，亦均分为成相互并联的多组，每组中的反向导通的可关断功率半导体器件彼此相互串联；每个可关断功率半导体器件上分别各自反向并联有二极管。
所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述正向导通的可关断功率半导体器件有多个，构成串并联阵列；反向导通的可关断功率半导体器件有多个，亦构成串并联阵列；每个可关断功率半导体器件上分别各自反向并联有二极管。所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述电容有多个，彼此相互串联。所述的串联式可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述电容有多个，均分为相互并联的多组，每组中的多个电容彼此相互串联。所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述电容有多个，构成串并联阵列。一种串联式可关断功率半导体器件阀拓扑结构，其特征在于包括有多个可关断功率半导体器件阀，多个可关断功率半导体器件阀的电流正向入口、电流反向入口依次相互连接，构成串联式拓扑结构。本发明中，可关断功率半导体器件阀指由2个端子限定的一个或多个可关断功率半导体器件及辅助单元构成的一组功率半导体器件。它们作为一个单元工作，并且有能在双向上传输电流的特性。本发明中的可关断功率半导体器件是指一种功率半导体器件，它能通过施加到控制输入的控制信号变成导电及非导电状态。如绝缘栅双极型晶体管(IGBT insulated Gate Bipolar Transistor),集成门极换流晶间管(IGCT: Integrated gate-commutated thyristor )、电子注入增强栅晶体管(IEGT: Injection Enhanced Gate Transistor)和金属氧化物半导体控制晶闸管(MCT: MOS Controlled Thyristor )，等；也可以是其它类型的可关断功率器件。本发明可应用于高电压的AC/DC、DC/AC、DC/DC和AC/AC电能转换装置使用的高压可关断功率半导体器件阀，它的工作电压可以从IkV到IOOOkV范围。特别是应用在柔性直流输电、静止同步补偿器(STATC0M: static synchronous compensator)和统一潮流控制器(UPFC: unified power flow controller )的电压源换流器(VSC: voltage source converter)，工作电压超过IkV的全控桥的桥臂，还可应用于直流斩波器的高压可控开关等领域。本发明所采用的可关断功率半导体器件不仅限于IGBT，还可以采用其它类型的可关断功率半导体器件，如IGCT、IEGT和MCT等；本发明的串联式拓扑结构是采用数量多于1 组的可关断功率半导体器件阀串联而成，允许各可关断功率半导体器件阀中的可关断功率半导体器件导通或关断的时间有差异，具体的时间差可以根据电气设计来确定，由各可关断功率半导体器件阀自主控制；整个串联式拓扑结构的功能可以等效为一个可关断功率半导体器件，在可关断功率半导体器件断开时刻引起的端电压过冲问题通过可关断功率半导体器件阀内部的电容吸收。串联式拓扑结构可采用液体冷却也可以风冷。
图1为本发明可关断功率半导体器件阀电路原理图。图2为本发明可关断功率半导体器件阀中可关断功率半导体器件衍生结构电路原理图，其中
图加为可关断功率半导体器件并联结构，图2b为可关断功率半导体器件串联结构，图2c为可关断功率半导体器件先串联再并联结构，图2d为可关断功率半导体器件串并联阵列结构。图3为本发明可关断功率半导体器件阀中电容衍生结构电路原理图，其中
图3a为电容串联结构，图北为电容串联之后再并联结构，图3c为电容串并联阵列结构。图4为本发明可关断功率半导体器件阀串联式拓扑结构电路原理图。图5为应用本发明串联式拓扑结构的电压源换流器拓扑结构电路原理图。图6为应用本发明串联式拓扑结构的DC/DC能量变换拓扑结构电路原理图，其中
图6a为直流升压拓扑结构，图6b为直流降压拓扑结构。
具体实施例方式如图1、图2、图3所示，可关断功率半导体器件阀M是由可关断功率半导体器件 Si、S2，二极管Dl、D2和电容C组成。二极管Dl与可关断功率半导体器件Sl反向并联，二极管D2与可关断功率半导体器件S2反向并联，它们共同组成一个开关单元，可关断功率半导体器件阀M的正向电流由可关断功率半导体器件Sl控制其导通或截至，反向电流从二极管Dl或电容C流过。可关断功率半导体器件S2与电容C串联之后与可关断功率半导体器件Sl并联，就组成了一个可关断功率半导体器件阀M。可关断功率半导体器件阀M中可关断功率半导体器件的结构可以衍生出其他几个结构；可关断功率半导体器件阀M内部电容 C也可以衍生出其他几个结构；这几种不同的结构主要是利用多只开关器件分别进行串并联组成不同的拓扑结构，电容器C因为容量和耐压的关系，也可以使用多只电容器进行串并联组成一个大的电容器组，等效为一个电容C使用。可关断功率半导体器件阀M的主回路两个端口分别是A和B，A是电流正向入口， B是电流反向入口。所有可关断功率半导体器件阀M的两个端口是相同。可关断功率半导体器件阀M的工作原理是主回路需要正向电流，当可关断功率半导体器件Sl导通时，正向电流从A进入，通过可关断功率半导体器件Sl到B ；如果可关断功率半导体器件Sl截至， 那么正向电流就截至，可关断功率半导体器件阀M的正向电流为零。主回路需要反向电流， 可关断功率半导体器件Sl截止，反向电流从B流入，经过可关断功率半导体器件Sl的反并联二极管Dl到A ；如果可关断功率半导体器件S2导通，那么反向电流从B流入，经过电容 C通过可关断功率半导体器件S2到A。可关断功率半导体器件阀M在可关断功率半导体器件Sl关断时刻产生的电压过冲由电容C吸收，也就可关断功率半导体器件阀M流过正向电流，需要关断该电流时，关断可关断功率半导体器件Si，使正向电流通过可关断功率半导体器件阀M的二极管D2和电容C的串联支路流到B，正向电流给电容C充电，主回路电流逐渐下降到零；此时电容C的充电电压高于供电电压时，再闭合可关断功率半导体器件S2，使电容C的储能向主回路释放；这时可关断功率半导体器件阀M流过反向电流，路径是从B流入，经过电容C和可关断功率半导体器件S2的串联支路到A ；当电容C的电压和主回路供电电压相等时，可关断功率半导体器件阀M的电流变为零。如图4所示。如果串联的可关断功率半导体器件阀M数量为N (N是大于1的自然数)，组成一个串联阀，串联方式如下第一个可关断功率半导体器件阀M的A与主回路的设计点相连接，第二个可关断功率半导体器件阀M的A与第一个可关断功率半导体器件阀 M的B相连接，它的B与第三个可关断功率半导体器件阀M的A相连接；以此类推，第N个可关断功率半导体器件阀M的A与第N — 1个可关断功率半导体器件阀M的B相连接，它的B与主回路的设计点相连接。N个可关断功率半导体器件阀M的可关断功率半导体器件 Sl同步动作，可关断功率半导体器件S2也同步动作，它们的投入运行的逻辑与上述单个可关断功率半导体器件阀M的相同。从串联阀来看，它可以等效为一个可关断功率半导体器件阀M的运行模式。如图5所示。利用串联阀组成全控桥的上下桥臂，通过控制系统使电压源换流器进行AC/DC能量变换，也可以进行DC/AC的能量变换。图5中，V是交流电压源，L是电感， C是直流测电容器。如图6所示。图中E是直流电压源，L是电感，D是二极管，C是电容，R是负载；S 是串联阀，它的结构与图4中的拓扑结构相同。
权利要求
1.可关断功率半导体器件阀，包括有电流正向入口、电流反向入口，其特征在于所述电流正向入口、电流反向入口之间接有相互并联的两个可关断功率半导体器件，其中一个可关断功率半导体器件正向导通，另一个可关断功率半导体器件反向导通，且反向导通的可关断功率半导体器件串接有电容，每个可关断功率半导体器件上还分别各自反向并联有二极管。
2.根据权利要求1所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述正向导通的可关断功率半导体器件有多个，彼此相互并联；反向导通的可关断功率半导体器件有多个，彼此亦相互并联；每个可关断功率半导体器件上分别各自反向并联有二极管。
3.根据权利要求1所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述正向导通的可关断功率半导体器件有多个，彼此相互串联；反向导通的可关断功率半导体器件有多个，彼此亦相互串联；每个可关断功率半导体器件上分别各自反向并联有二极管。
4.根据权利要求1所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述正向导通的可关断功率半导体器件有多个，均分为相互并联的多组，每组中的正向导通的可关断功率半导体器件彼此相互串联；反向导通的可关断功率半导体器件有多个，亦均分为成相互并联的多组，每组中的反向导通的可关断功率半导体器件彼此相互串联；每个可关断功率半导体器件上分别各自反向并联有二极管。
5.根据权利要求1所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述正向导通的可关断功率半导体器件有多个，构成串并联阵列；反向导通的可关断功率半导体器件有多个， 亦构成串并联阵列；每个可关断功率半导体器件上分别各自反向并联有二极管。
6.根据权利要求1所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述电容有多个，彼此相互串联。
7.根据权利要求1所述的串联式可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述电容有多个，均分为相互并联的多组，每组中的多个电容彼此相互串联。
8.根据权利要求1所述的可关断功率半导体器件阀，其特征在于所述电容有多个，构成串并联阵列。
9.一种串联式可关断功率半导体器件阀拓扑结构，其特征在于包括有多个可关断功率半导体器件阀，多个可关断功率半导体器件阀的电流正向入口、电流反向入口依次相互连接，构成串联式拓扑结构。
全文摘要
本发明公开了一种可关断功率半导体器件阀及其串联式拓扑结构。可关断功率半导体器件阀由电流正向入口、电流反向入口之间相互并联的两个可关断功率半导体器件及电容、关断功率半导体器件各自对应反向并联的二极管构成。多个可关断功率半导体器件阀，依次串联构成串联式的拓扑结构。本发明所采用的可关断功率半导体器件不仅限于IGBT，还可以采用其它类型的可关断功率半导体器件；本发明的串联式拓扑结构允许各可关断功率半导体器件阀中的可关断功率半导体器件导通或关断的时间有差异；整个串联式拓扑结构的功能可以等效为一个可关断功率半导体器件，端电压过冲通过电容吸收。
文档编号H02M1/36GK102158064SQ20111002771
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者傅鹏, 杨雷 申请人:中国科学院等离子体物理研究所