整流单元及其补偿电路的制作方法

文档序号:9553494阅读:584来源:国知局
整流单元及其补偿电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及电力电子学领域。更具体地说,本公开涉及一种整流单元 (commutationcell),配置该整流单元,以限制使电力电子开关导通和断开时的开关过电 压并且在电力电子开关导通时控制整流单元的续流二极管中的恢复电流。本公开还涉及一 种用于整流单元中的补偿电路和包含具有补偿电路的整流单元的功率变换器。
【背景技术】
[0002] 整流单元通常用于要求变换电压源、包含通常称为变换器的直流一直流变换器和 直流一交流变换器的电子系统中。由于对功率变换电路留出有限空间,诸如用于例如电动 汽车或者混合动力汽车应用的功率变换电路,并且考虑到半导体的高成本,所以对集成这 些整流单元的需要日益增大。
[0003] 减小功率变换电路中的半导体占据的空间的公知方式是提高其效率,从而使冷却 面的尺寸减小。
[0004] 存在于传统功率变换电路中的电力电子开关的损耗主要由两个来源导致,S卩,传 导损耗和开关损耗。降低开关损耗的一种方式通常是使电力电子开关的导通和断开加速。 然而,快速断开电力电子开关将在其高频回路的杂散电感中产生过电压。因此,通常要求降 低断开电力电子开关的速度,以防止其发生过电压。这样可能严重影响传统功率变换电路 的总效率。
[0005] 图1是诸如传统功率变换电路中使用的整流单元的传统整流单元的理想化电路 图。整流单元10将来自电压源12 (或者来自电容器)的直流电压Vbus变换为通常产生适合 负载14的电压〇勺电流源I_ (或者电感),该负载14可以是电阻性负载、电动机等。整 流单元10包括:续流二极管16和受控电力电子开关18,例如,隔离栅双极晶体管(IGBT)。 电容器20 (Cin)用于限制电压源12的电压Vbus的变化,并且电感器32用于限制输出电流I_ 的变化。(图1中未示出而示于后面的图中的)栅极驱动器控制电力电子开关18的导通和 断开。图1示出整流单元10的、负载14的以及电压源12的配置,其中能量从电压源12流 到负载14,S卩,从该图的左侧流到右侧。整流单元10还能够用于能量以相反方向流动的相 反的配置中。
[0006] 当导通时,电力电子开关18允许电流从其集电极22到其发射极24流过。电力电 子开关18能够接近闭路。当断开时,电力电子开关18不允许电流流过并且变成开路。
[0007] 栅极驱动器在电力电子开关18的栅极26与发射极24之间施加可变控制电压。 对于诸如双极晶体管的某些类型的电力电子开关,栅极驱动器可以用作电流源,而非用作 电压源。通常,当在栅极26与发射极24之间施加的电压是"高"时,电力电子开关18允许 电流从集电极22流到发射极24。当在栅极26与发射极24之间施加的电压是"低"时,电 力电子开关18阻断电流流过。更具体地说,表示为V#的、栅极26与发射极24之间的电压 差由栅极驱动器控制。当V#大于电力电子开关18的阈值V^th)时,开关18导通,并且集 电极22与发射极24之间的电压V。/变得接近零。当Vg/J、于V 时,电力电子开关18断 开,并且最终达到vbus。
[0008] 当电力电子开关18导通时,电流1_从电压源12 (并且瞬间从电容器20)流过负 载14并且流过集电极22和发射极24。当电力电子开关18断开时,电流从负载14并 且通过续流二极管16循环。因此,可以看到电力电子开关18和续流二极管16串联工作。 以高频率使电力电子开关18导通和断开使得输出电感32中的电流1_保持非常恒定。
[0009] 应当明白,对于其他电力电子开关,例如,双极晶体管,术语"栅极"可以由"基极" 代替,基极由电流控制,与由电压控制的栅极相反。这些不同不改变整流单元10的整体工 作原理。
[0010] 图2是示出寄生电感的、图1所示传统整流单元的另一个电路图。与图1所示理 想化模型相反,实际整流单元的部件之间的连接限定寄生(杂散)电感。尽管寄生电感分 布于整流单元10内的各种地方,但是图2所示的适当模型示出代表总寄生电感的两个(2) 不同电感,包括:电力电子开关18的发射极电感30 ;以及代表续流二极管16、电力电子开 关18以及电容器20形成的高频回路36周围的所有其他寄生电感(发射极电感30之外) 的电感34。高频回路36是在电力电子开关18导通和断开时电流发生显著变化的通路。应 当注意,输出电感32不是高频回路的一部分,因为在整个整流时段,其电流保持非常恒 定。
[0011] 图3是还示出栅极驱动器40的传统整流单元的电路图。为了简化说明,整流单元 10的一些元件未示于图3上。图3还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46通过栅极电阻器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具有高于地线基准电压(后面的图中示出)、被表示为+VCC 的例如+15伏的值,而负电源电压44具有低于地线基准电压、被表示为-Vdd的例如-5伏的 值。在本技术领域内众所周知,栅极驱动器40的输入50连接到整流单元10的控制器(未 示出)。为了控制栅极26处的电压,栅极驱动器40的输出46的电压升高到+V。。并且降低 到_Vdd。特别是对于IGBT,栅极26到发射极的输入电阻可以非常高。然而,当栅极驱动器 40在+V。。与-Vdd之间交替时,栅极26与发射极24之间存在的寄生电容Cge (示于后面的图 上)导致一些电流从输出46流出。作为寄生电容Cge的函数和电力电子开关18的要求开 关速率的函数,选择栅极电阻器的值Rg,使得栅极26的电压以适合要求的开关速率的速率 变化。
[0012] 在图3上,流过电力电子开关18的并且流过发射极寄生电感30的电流Ilgbt当电 力电子开关18闭合时基本上与相等,而当电力电子开关18断开时迅速降低到零(基 本上)。
[0013] 当电力电子开关18导通或者断开时,流过的电流Ilgbt以非常快的速率升高或者降 低。根据众所周知的等式(1),Ilgbt的被表示为di/dt的这些变化在电感30和34的两端 产生电压· _4] ⑴
[0015] 其中\是电感两端感应的电压,并且L是电感值。
[0016] 在寄生电感34的两端产生电压\s,而在发射极寄生电感30的两端产生电压\e。 在图2和图3上,在包括发射极电感30的高频回路电感34的两端示出的极性反映当Ilgbt 电流非常快速降低并且因此使di/dt有负值时,在电力电子开关18断开后获得的电压。在 电力电子开关18导通后,包括发射极电感30的高频回路电感34的两端的电压处于反向。
[0017] 这些电压\s和V&与来自电压源12的Vbus串联。当电力电子开关18断开时,集 电极22到发射极24的电压升高,直到续流二极管16导通。此时,施加Vbus、\s和V&导致 在电力电子开关18的集电极22与发射极24之间施加显著过电压。尽管认为电力电子开 关在某个电压电平下工作,但是极端过电压能够缩短任何电力电子开关的寿命,并且因此 导致其过早发生故障甚或击穿器件。
[0018] 图4是两个传统整流单元形成的传统IGBT分支的电路图。在上面对图1至图3 所做的描述中介绍的、在图4所示的例子中IGBT用作电力电子开关18的两个整流单元10 连接在单个回路中,以形成IGBT支路70。第一电力电子开关(底部的IGBTQJ与第一续 流二极管(顶部续流二极管D2)串联工作,而第二电力电子开关(顶部的IGBTQ2)与另一 个续流二极管(底部续流二极管DD串联工作。每个IGBT都有自己的栅极驱动器40。电 压源(未示出)通过寄生电感L。以并联方式将电压VbJi加到与IGBT支路70相连的输入 电容20(Cin)。图4中已经示出功率变换器的线路、连接、去耦电容器和电路板迹线中固有的 电感。用于由电池(也未不出)对三相电动机(未不出)供电的三相功率变换器包括三个 (3)IGBT支路70,如图4所示。由于认为这种功率变换器众所周知,所以在此不进一步详细 描述。
[0019] 从图4能够看出,每个栅极驱动器的基准电压都连接到IGBTQJPQ2的发射极,通 常称为IGBT〇1和仏的逻辑管脚。出于简明的目的,对图4的描述集中在其包括底部IGBT 其底部部分。
[0020] 过电压对上面在对图2和图3的描述中讨论的电力电子开关18的影响也适用于 IGBTQ0PQ2。当底部IGBTQi断开时,在过电压时段内,电流从底部IGBTQi传输到顶部 续流二极管D2。准确选择IGBT能够支持存在于IGBT支路70中的各种寄生电感(Le、L+vbus、 Uc high、Lehigh、L。l〇w、Le i〇w和!^ vbus)的两端之间的电流变化(di/dt)产生的过电压。的确,由 于电感抵抗其内的电流的变化,所以在IGBT支路70中展现加性电压,如图4上示出的寄生 电感的极性所示。加到电源的电压Vbus的这些电压通常导致电压超过对IGBTQJ*计的最 大集电极一发射极电压顶部IGBTQ2存在同样的问题。
[0021] 图5是示出图4的IGBT断开时的电流和电压波形的示意图。示出断开时的集电 极一发射极电压L、栅极一发射极电压V#以及从IGBTQi的集电极流到发射极的电流I。 可以看出,在断开时,存在高于电源电压Vbus的主过电压(峰值)V。
[0022] 存在往往通过降低栅极一发射极电压的斜率限制电力电子开关中的过电压的解 决方案。然而,过度限制过电压意味着较长的电流开关时间,降低了整流单元的性能。
[0023] 此外,当当电力电子开关18导通时,电流开始在集电极22与发射极24之间流动。 同时,流过续流二极管16的电流减小,直到整个电流流过电力电子开关18。被称为恢 复电流的附加电流在电力电子开关18内循环,使得一些电流以续流二极管16的相反方向 循环,直到去除沉积在其结(junction)上的所有电荷。然后,续流二极管16断开,使得在 其上形成电压,而电力电子开关18的集电极22与发射极24之间的电压基本上降低到零。 当续流二极管16阻断时,反向流动电流使突变电压升高,这样继而导致在续流二极管16的 寄生电容(未明确示出)与高频回路36的电感30和34之间发生振荡。
[0024] 因此,重要的是,当使电力电子开关18导通时,控制di/dt,因为电压的过度突然 降低可能使电流注入反向电力电子开关(未示出)的栅极,导致反向电力电子开关导通,而 电力电子开关18仍导通。di/dt还产生显著并且不希望的电磁干扰(EMI)。
[0025] 因此,需要在整流单元内导通或者断开时,能够减少过
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