电源模块中使用的中性点钳位转换器及包含其的电源模块的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于将在正、中性和负输入端提供的DC输入电压转换为要提供 至输出端的AC输出电压的、改进的中性点谢位NPC转换器。本发明还涉及包含所述改进的 NPC转换器的电源模块。
【背景技术】
[0002] DC-AC转换器通常用于不同技术领域中；例如，在可再生能源领域中。由于技术进 步和不断发展的市场，对非常高效的转换器的需要已经变得越来越重要。具体地，在可再生 能源领域中，例如，太阳能设备需要高效DC-AC转换器来将可再生能源转换为通常易用的 形式并允许回授到电网中。在该个方面，期望进一步减小DC-AC转换器内的传导损耗和开 关损耗。
[0003] NPC转换器布局（topology)由于它们的干净和简单的设计W及直接的控制实现 方式而受欢迎。随着功率场效应晶体管FET领域的进步，可W在高电压电源模块中利用NPC 转换器技术。在本发明的上下文中，电源模块应被理解为提供+/-600伏特的AC电压。在 该个方面，NPC转换器可能（至少部分地）需要承受1200伏特的DC电压的额定电压。
[0004] NPC转换器包括H个功能上不同的电路。首先，正开关电路向NPC转换器的输出端 提供在正输入端提供的正电压电平。其次，负开关电路向NPC转换器的输出端提供在负输 入端提供的负电压电平。再次，中性开关电路向NPC转换器的输出端提供在中性电压输入 端提供的中性电压电平。
[0005] 因此，通过相继地使能首先是正开关电路、接着是中性开关电路、之后是负开关电 路、然后是NPC转换器，将H电平AC电压提供至NPC转换器的输出。
[0006] 然而，关于提供无功功率（reactive power)时的续流电流（freewheeling current)的开关效率，传统的NPC转换器布局是不利的。
[0007] 无功功率是指电压和电流异相（即，具有90°的相位差）的状态。例如，在NPC转 换器提供无功功率的情况下，电流相对于在输出端的电压滞后。因此，驱动电流和电压具有 不同极性（即，电流在相对于电压不同的方向上流动）。
[0008] 具体地，在无功功率，续流电流可能正在反方向上流过NPC转换器内的正或负开 关电路。因此，NPC转换器的正或负开关电路的开关元件经历反向电流，因此经受反向恢复 损耗。
[0009] 更详细地，当NPC转换器提供无功功率时，正电压电平流至输出端，并且续流电流 可能从输出端流至正输入端，即，在反方向上。反向续流电流使NPC转换器的开关元件在前 向方向上的阻断能力下降。具体地，反向续流电流将电荷从漏极区域漏出（化ain)，导致前 向方向上较差的漏极电压阻断能力。
[0010] 一般地，将二极管或晶体管的反向恢复时间定义为二极管或晶体管在跨过其的电 压突然反转时恢复至阻断状态所花的时间。在此反向恢复期间，暂时短路可能导致大的反 向电流、W及大的功耗。
【发明内容】
[0011] 本发明的第一目的是通过减少无功功率时的反向恢复损耗来提高NPC转换器的 效率。根据本发明的第二目的，要在不使电路的传导损耗（即，静态损耗）恶化的情况下改 善NPC转换器的开关损耗。
[0012] 所述目的通过独立权利要求的主题解决。有利实施例限定于从属权利要求。
[0013] 在该个方面，根据本发明的第一方面，建议提供具有均利用非常快的开关元件的 正和负开关电路的NPC转换器。然而，相应正和负开关电路中的每个开关元件的体二极管 与开关元件的开关速度相比较慢。在没有任何对策的情况下，在随后的再激活时，高反向恢 复电流将在开关元件内流动。
[0014] 根据本发明的该一方面，提供旁路二极管用于承载续流电流，W代替正和负开关 电路的相应开关元件中的体二极管。由此，在正和负开关电路的开关元件上避免反向恢复 电荷。
[0015] 因此，旁路二极管、而非开关元件易受反向恢复电流效应的影响。然而，因为正和 负开关电路中的旁路二极管仅被提供用于承载续流电流，所W可W对其进行优化（例如， 通过利用快速娃二极管）W进一步减小开关损耗（即，动态损耗）。
[0016] 对于在本发明的该个方面，进一步地，在续流期间，利用正和负开关电路中的开关 元件用于主动整流（active rectification)。换言之，经由开关元件承载续流电流W减小 传导损耗（即，静态损耗），并且，仅在再激活短暂之前，将续流电流重定向W流经旁路二极 管。
[0017] 根据本发明的第二方面，建议在电源模块中采用有利的NPC转换器，电源模块被 配置用于开关高电压（+/-600V)使得开关损耗和传导损耗的减小是有利的。
[0018] 根据符合本发明的第一方面的实施例，建议在电源模块中使用中性点谢位NPC转 换器。NPC转换器包括正和负开关电路W及中性开关电路。正和负开关电路被配置为向NPC 转换器的输出端分别提供在NPC转换器的正和负输入端提供的正和负电压电平。中性开关 电路被配置为向NPC转换器的输出端提供在NPC转换器的中性输入端提供的中性电压电 平。NPC转换器的正和负开关电路的每个包括用于控制所述正和负电压电平向所述输出端 的提供的两个开关元件的串联电路与反向偏置的旁路二极管的并联电路。NPC转换器的正 和负开关电路中包括的每个串联电路由具有体二极管的第一开关元件、W及用于同步整流 的第二开关元件形成。
[0019] 根据NPC转换器的更详细实施例，为了同步整流，NPC转换器的正和负开关电路中 包括的第二开关元件被配置为阻止反向漏极电流（Ids)流过相应正和负开关电路中包括 的第一开关元件的体二极管。
[0020] 根据NPC转换器的另一更详细实施例，正和负开关电路中包括的第二开关元件具 有体二极管，并且第二开关元件的体二极管相对于NPC转换器的相应的正和负开关电路中 包括的第一开关元件的体二极管具有相反方向。
[0021] 根据NPC转换器的又一更详细实施例，正和负开关电路中包括的第二开关元件具 有比NPC转换器的相应的正和负开关电路中包括的旁路二极管的阔值电压（Vth)更高的漏 极电压（Vds)阻断能力。
[002引根据NPC转换器的另一更详细实施例，正和负开关电路中包括的第一和第二开关 元件的栅极被连接。
[0023] 根据NPC转换器的再一更详细实施例，NPC转换器的正和负开关电路中包括的第 一开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管M0SFET。
[0024] 根据NPC转换器的又一更详细实施例，NPC转换器的正和负开关电路中包括的第 二开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管M0SFET。
[0025] 根据NPC转换器的另一更详细实施例，NPC转换器的正和负开关电路中包括的第 一和第二开关元件的栅极被连接。
[0026] 根据NPC转换器的又一更详细实施例，NPC转换器的正和负开关电路的每个的旁 路二极管被配置用于快速开关速度。
[0027] 根据NPC转换器的再一更详细实施例，NPC转换器的正和负开关电路中包括的旁 路二极管是SiC肖特基二极管。
[0028] 根据NPC转换器的进一步更详细实施例，将NPC转换器的正开关电路连接在正输 入端与第一中间节点之间，用于将正电压电平提供至第一中间节点；并且，将NPC转换器 的负开关电路连接在负输入端与第二中间节点之间，用于将负电压电平提供至第二中间节 点。NPC转换器的中性开关电路包括：第一中性二极管，连接在中性输入端与第一中间节点 之间，用于将中性电压电平提供至第一中间节点；第二中性二极管，连接在中性输入端与第 二中间节点之间，用于将中性电压电平提供至第二中间节点；第H开关元件，连接在第一中 间节点与输出端之间，用于将中性电压电平和正电压电平提供至输出端；W及第四开关元 件，连接在第一中间节点与输出端之间，用于将中性电压电平和负电压电平提供至输出端。
[0029] 根据NPC转换器的替代更详细实施例，将NPC转换器的正开关电路连接在正输入 端与输出端之间，用于将正电压电平提供至输出端；并且，将NPC转换器的负开关电路连接 在负输入端与输出端之间，用于将负电压电平提供至输出端。NPC转换器的中性开关电路包 括：由第一中性二极管和第H开关元件形成的第一串联电路，该第一串联电路连接在中性 输入端与输出端之间，用于在负预充电的输出端的情况下将中性电压电平提供至输出端； W及由第二中性二极管和第四开关元件形成的第二串联电路，该第二串联电路连接在中性 输入端与输出端之间，用于在正预充电的输出端的情况下将中性电压电平提供至输出端。