功率轉換電子器件的制作方法

功率轉換電子器件的制作方法
【專利摘要】描述了一種功率轉換設備及其個體部件。一般而言，功率轉換設備將從諸如太陽能電池板的串之類的適當源接收的DC輸出轉換成AC輸出。AC輸出可以是單相或三相正弦AC信號。逆變器系統可以包括作為DC到DC轉換器的升壓轉換器以及本質上作為DC?AC轉換器的逆變器。在操作中，升壓轉換器會將來自適當源的DC輸出升壓到期望DC輸出電壓。逆變器會以諸如50或60赫茲之類的期望頻率將DC輸出電壓轉換成期望單相或三相輸出電壓。升壓轉換器和逆變器可以被一起封裝在適當的密封且防風雨的外殼中。
【專利說明】
功率轉換電子器件
技術領域
[0001]本公開涉及功率轉換電子器件。
【背景技術】
[0002]功率轉換電子器件的領域涉及電力的控制和轉換。由于可以以直流(DC)或交流(AC)格式以及在不同電壓或電流級別處提供和使用功率，因此存在針對更高效且更有成本效益的DC到DC轉換器、AC到DC轉換器、AC到AC轉換器和DC到AC逆變器的持續需要。隨著正在進行的收獲綠色能量(諸如太陽能和風能)的運動，存在針對用于在商業和住宅建筑物的屋頂上安裝的太陽能發電系統的DC到DC轉換器和DC到AC逆變器的不斷增長的需求，其中出于安裝和建筑這兩者的原因，功率轉換系統的總體重量變成問題。

【發明內容】

[0003]本公開涉及一種功率轉換設備及其個體部件。一般而言，功率轉換設備將從適當源(諸如，太陽能電池板的串)接收的DC輸出轉換成AC輸出JC輸出可以是單相或三相正弦AC信號。逆變器系統可以包括作為DC到DC轉換器的升壓轉換器以及本質上作為DC-AC轉換器的逆變器。在操作中，升壓轉換器會將來自適當源的DC輸出升壓到期望DC輸出電壓。逆變器會以期望頻率(諸如50或60赫茲)將DC輸出電壓轉換成期望單相或三相輸出電壓。升壓轉換器和逆變器可以被一起封裝在適當的密封且防風雨的外殼中。
[0004]在一個實施例中，功率轉換設備包括外殼、DC-DC轉換電路和逆變器。DC-DC轉換電路被配置成將第一DC信號轉換成第二DC信號，并包括第一主切換電路，所述第一主切換電路具有在轉換過程期間硬切換的碳化硅晶體管。逆變器被配置成將第二 DC信號轉換成正弦AC信號，并包括第二主切換電路，所述第二主切換電路具有在轉換過程期間硬切換的碳化硅晶體管。第一和第二主切換電路兩者的碳化硅晶體管可以與彼此直接并聯耦合。此外，第一切換電路可以包括至少一個主信號路徑，所述至少一個主信號路徑包括在所述至少一個主信號路徑中串聯放置的一對并聯碳化硅二極管。
[0005]在其中包括外殼和電子器件的功率轉換設備具有重量，并可以實現可超過I千瓦/千克的輸出功率與重量比，且特別地可以實現約I千瓦/千克與3千瓦/千克之間的功率與重量比。功率轉換設備可以包括一個或多個控制器，所述一個或多個控制器被配置成在DC到DC轉換期間以70千赫茲與100千赫茲之間的頻率在開和關狀態之間切換第一主切換電路的碳化硅晶體管，并在AC到DC轉換期間以35千赫茲與60千赫茲之間的頻率在開和關狀態之間切換第二主切換電路的碳化硅晶體管。
[0006]在閱讀與附圖各圖相關聯的優選實施例的以下詳細描述之后，本領域技術人員將領會到本公開的范圍并認識到其附加方面。
【附圖說明】
[0007]并入到本說明書中且形成本說明書的一部分的附圖各圖圖示了本公開的若干方面，并與描述一起服務于解釋本公開的原理。
[0008]圖1圖示了根據本公開的一個實施例的太陽能環境。
[0009]圖2是根據本公開的一個實施例的圖1的太陽能環境中的升壓轉換器的示意圖。
[0010]圖3是根據本公開的一個實施例的三相逆變器的示意圖。
【具體實施方式】
[0011]下面闡述的實施例表示使本領域技術人員能夠實踐實施例并說明實踐實施例的最佳模式所必需的信息。在按照附圖各圖閱讀以下描述時，本領域技術人員將理解本公開的概念并將認識到本文未特別地解決的這些概念的應用。應當理解，這些概念和應用落在本公開和所附權利要求書的范圍內。
[0012]將理解的是，盡管本文可以使用術語第一、第二等來描述各種元件，但這些元件不應當被這些術語限制。這些術語僅被用于將一個元件與另一個元件區分開來。例如，在不脫離本公開的范圍的情況下，第一元件可以被稱為第二元件，并且類似地，第二元件可以被稱為第一元件。如本文使用的那樣，術語“和/或”包括關聯列出的項目中的一個或多個中的任一個和所有組合。
[0013]將理解的是，當諸如層、區或襯底之類的元件被稱作“處于”另一元件“上”或延伸“到”另一元件“上”時，該元件可以直接處于該另一元件上或直接延伸到該另一元件上，或者居間元件也可以存在。相比而言，當元件被稱作“直接處于”另一元件“上”或“直接”延伸“到”另一元件“上”時，沒有居間元件存在。同樣地，將理解的是，當諸如層、區或襯底之類的元件被稱作“處于”另一元件“上方”或延伸“在”另一元件“上方”時，該元件可以直接處于該另一元件上方或直接延伸在該另一元件上方，或者居間元件也可以存在。相比而言，當元件被稱作“直接處于”另一元件“上方”或“直接”延伸“在”另一元件“上方”時，沒有居間元件存在。還將理解的是，當元件被稱作“連接”或“耦合”到另一元件時，該元件可以直接連接或耦合到該另一元件，或者居間元件可以存在。相比而言，當元件被稱作“直接連接”或“直接耦合”到另一元件時，沒有居間元件存在。
[0014]本文可以使用諸如“在……之下”或“在……之上”或“上”或“下”或“水平”或“垂直”之類的相對術語來描述一個元件、層或區與另一元件、層或區的關系，如各圖中所示。將理解的是，這些術語和上面討論的那些術語意圖涵蓋除各圖中描繪的取向外器件的不同取向。
[0015]本文使用的術語僅用于描述特定實施例的目的，而不意圖作為本公開的限制。如本文使用的那樣，單數形式“一”、“一個”和“該”意圖也包括復數形式，除非上下文以其他方式清楚地指示。將進一步理解，術語“包含”、“包含著”、“包括”和/或“包括著”在本文中使用時指定所聲明的特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組的存在或添加。
[0016]除非以其他方式定義，本文使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有如本公開所屬領域的普通技術人員通常理解的相同含義。將進一步理解，本文使用的術語應當被解釋為具有與其在本說明書的上下文和相關領域中的含義一致的含義，且不會在理想化或過分正式的意義上解釋，除非本文明確如此定義。
[0017]參照圖1，圖示了示例性太陽能環境10。多個太陽能電池板12給逆變器系統14饋電，逆變器系統14將從太陽能電池板12接收的DC輸入轉換成AC輸出。AC輸出由線路濾波器16濾波并被饋送到三相負載18，三相負載18可以表示電力網、建筑物電力系統、電動機等等。
[0018]逆變器系統14可以包括作為DC到DC轉換器的升壓轉換器20和作為DC-AC轉換器的三相逆變器22。如所示，升壓轉換器20具有兩個DC輸入，其中每一個DC輸入接收串聯連接的太陽能電池板12的對應串S1、S2的DC輸出。每一個串SI的DC輸出電壓被稱作“Vs”。盡管升壓轉換器20被圖示為具有兩個DC輸入，但升壓轉換器20可以具有單個DC輸入或多于兩個DC輸入并可以從除太陽能電池板12外的器件接收功率。
[0019]在操作中，升壓轉換器20會將這兩個串SI和S2的DC輸出電壓Vs升壓到期望DC輸出電壓VB，該期望DC輸出電壓Vb被饋送到三相逆變器22。三相逆變器22會以期望頻率(諸如50或60赫茲)將來自升壓轉換器20的DC輸出電壓Vb轉換成期望三相輸出電壓ν3Φ。升壓轉換器20和三相逆變器22可以被一起封裝在適當的密封且防風雨的外殼24中。
[0020]在一個實施例中，為了實現(線到線測量的)480伏RMS的三相輸出電壓ν3Φ，應當給三相逆變器22呈現至少650伏的(來自升壓轉換器20的)DC輸出電壓Vb、800伏的目標DC輸出電壓VB。照此，升壓轉換器20會將串SI和S2的可變DC輸出電壓Vs升壓到至少650伏的DC輸出電壓Vb，且如果基于串SI和S2的DC輸出電壓Vs的電平可實現的話，升壓到800伏的固定DC輸出電壓Vb。在另一實施例中，為了實現(線到線測量的)690伏RMS的三相輸出電壓ν3Φ，應當給三相逆變器22呈現至少935伏的(來自升壓轉換器20的)DC輸出電壓VB、1000伏的目標DC輸出電壓VB。照此，升壓轉換器20會將串SI和S2的DC輸出電壓Vs升壓到至少935伏的DC輸出電壓Vb，且如果基于串SI和S2的DC輸出電壓Vs的電平可實現的話，升壓到1000伏的DC輸出電壓Vb0
[0021]現在轉至圖2，圖示了示例性升壓轉換器20的高級示意圖。盡管該特定升壓轉換器配置作為示例而被提供，但本公開的概念將等同適用于對本領域技術人員來說已知的任何數目的升壓轉換器配置。所圖示的升壓轉換器20具有四通道交織升壓轉換器配置。每一個通道是利用字母A至D命名的，且合并足夠的電路以提供DC到DC轉換。
[0022]通道A和B被布置成處理來自串SI的DC輸出，并且通道C和D被布置成處理來自串S2的DC輸出。特別地，串SI的太陽能電池板12耦合在端子TMl和TM2之間，端子TMl和TM2分別耦合到共模扼流圈CHl的相對線圈的輸入。大電容器Cl可以跨端子TMl和TM2耦合。共模扼流圈CHl的上線圈的輸出表示針對通道A和B的輸入。大電容器C2耦合在針對通道A和B的輸入與地之間。共模扼流圈CHl的下線圈的輸出連結到地。
[0023]通道A端接于節點NO處，并包括沿串聯路徑的串聯電感器LI以及一對并聯二極管Dl和D2。二極管Dl和D2的陽極耦合到電感器LI，并且陰極耦合到輸出節點NO。在沿主路徑且處于電感器LI與二極管DI和D2之間的點處，提供對地的分流電路。分流電路包括一對并聯晶體管Tl和T2以及至少一個反并聯二極管D3。二極管D3可以表示集成在晶體管Tl和T2內的體二極管，或可以是附加二極管。照此，晶體管Tl和T2的柵極、漏極和源極分別直接耦合到彼此。二極管D3以反并聯的方式跨晶體管Tl和T2的漏極和源極耦合。在該實施例中，分流電路被視為主切換電路。針對轉換器的主切換電路將包括切換最大電流和/或電壓的那些晶體管。
[0024]如所標注的那樣，通道A和通道B共享相同輸入。像通道A那樣，通道B端接于節點NO處，并包括串聯電感器L2以及一對并聯二極管D4和D5。在處于電感器L2與二極管D4和05之間的點處，提供對地的分流電路。分流電路包括一對并聯晶體管T3和T4以及至少一個反并聯二極管D6。二極管D6可以表示集成在晶體管T3和T4內的體二極管，或可以是附加二極管。如上，晶體管T3和T4的柵極、漏極和源極分別直接耦合到彼此。
[0025]通道C和D被布置成處理來自串S2的輸出。串S2的太陽能電池板12耦合在端子TM3和TM4之間，端子TM3和TM4分別耦合到共模扼流圈CH2的相對線圈的輸入。大電容器C3可以跨端子TM3和TM4耦合。共模扼流圈CH2的上線圈的輸出表示針對通道C和D的輸入。另一大電容器C4耦合在針對通道C和D的輸入與地之間。共模扼流圈CH2的下線圈的輸出連結到地。
[0026]像通道A和B那樣，通道C端接于節點NO處，并包括串聯電感器L3以及一對并聯二極管D7和D8。在處于電感器L3與二極管D7和D8之間的點處，提供對地的分流電路。分流電路包括一對并聯晶體管T5和T6以及至少一個反并聯二極管D9。
[0027]像通道A、B和C那樣，通道D端接于節點NO處，并包括串聯電感器L4以及一對并聯二極管D1和D11。在處于電感器L4與二極管Dl O和Dl I之間的點處，提供對地的分流電路。分流電路包括一對并聯晶體管T7和T8以及至少一個反并聯二極管D12。分流電路的晶體管T1-T8一般被稱作針對升壓轉換器20的切換晶體管。一對串聯電容器C5和C6耦合在節點NO與地之間。節點NO表示升壓轉換器20的輸出，并且照此，DC輸出電壓Vb被提供在節點NO處。
[0028]模擬或數字升壓控制器26控制升壓轉換器20的總體升壓功能。一般而言，通道A和B會將串SI的DC輸出電壓Vs轉換成期望DC輸出電壓Vb。通道C和D會將串S2的DC輸出電壓Vs轉換成期望輸出電壓Vb。特別地，不是所有通道都需要同時操作。例如，在某些條件下，這四個通道A至D中的僅一個、兩個或三個需要在任何給定時間處操作。確定要操作的通道A至D的數目可以取決于負載需求、相應串SI和S2的輸出功率等等。
[0029]進一步，串SI和S2的DC輸出電壓Vs可以在任何給定時間處不同以及連續地隨時間變化。照此，為了將串SI和S2的連續變化且潛在地不同的輸出電壓Vs轉換成期望(且公共)輸出電壓Vb，升壓控制器26將動態地控制通道A至D的個體升壓功能。在該實施例中，升壓控制器26監視針對通道A和B的輸入處的第一輸入電流I1、針對通道C和D的輸入處的第二輸入電流12、以及DC輸出電壓Vb，以確定如何控制針對通道A至D中的每一個的個體升壓功能。
[0030]每一個通道A至D是通過利用個體控制信號驅動并聯晶體管Tl-T2(通道A)、T3-T4(通道B)、T5-T6(通道C)和T7-T8(通道D)的對應對的柵極來個體控制的。這些控制信號可以是具有可變占空比的脈沖寬度調制(PWM)信號。實質上，每一個控制信號的占空比控制針對對應通道A至D的有效電壓增益。增加占空比增加了電壓增益，并且反之亦然。通過監視針對給定通道A至D的輸入電流I1J2以及輸出電壓VB，升壓控制器26可以調整針對對應控制信號的占空比，以確保輸出電壓Vb維持期望電平。
[0031]對于通道A，當對應控制信號處于接通晶體管T1-T2的狀態中時，通過晶體管T1-T2將經過電感器LI的電流引導到地。在該階段期間，基于晶體管T1-T2保持接通多長時間，使流經電感器LI的電流向著期望水平增加。二極管D1-D2將阻礙電流從節點NO流回到通道A中。當控制信號處于關斷晶體管T1-T2的狀態中時，流經電感器LI的電流通過二極管Dl和D2而被迫使到節點NO，并給電容器C5、C6充電或驅動三相逆變器22。通道B至D以相同方式操作。
[0032]當所有或多個通道A至D正在操作時，貫穿切換時段，可以使相應控制信號的相位偏移。假定每一個控制信號具有相同操作頻率，則使控制信號的相位偏移使來自通道A至D中的每一個的在節點NO處出現的輸出波形偏移。使來自不同通道A至D的輸出波形偏移往往顯著地減少在節點NO處在輸出電壓Vb中出現的波紋的量。在操作期間，升壓控制器26可以實現最大功率點跟蹤(MPPT)，其是本領域技術人員已知的技術，用以基于太陽能電池板12在任何給定時間處的輸出來收獲來自這些太陽能電池板12的最大功率。
[0033]在一個實施例中，晶體管T1-T8和二極管D1-D12是碳化硅功率器件。晶體管T1-T8可以是半導體場效應晶體管(M0SFET)、絕緣柵雙極結型晶體管(IGBT)等等上的金屬。二極管D1-D12可以是硅PIN或肖特基(Schottky) 二極管。
[0034]與軟切換相反，通過針對晶體管T1-T8和二極管D1-D12使用碳化硅，可以對晶體管進行硬切換，并且晶體管以比硅基系統高得多的切換頻率進行操作。當在從相反狀態接通或關斷晶體管時跨晶體管的電壓和經過晶體管的電流均不為零時，硬切換發生。軟切換一般需要附加電路和更復雜的切換控制來確保在從相反狀態接通或關斷晶體管時跨晶體管的電壓或經過晶體管的電流為零。照此，當允許硬切換時，升壓控制器26不必采用如此復雜的控制方案，并且由于附加軟切換電路不是必要的，因此電子器件簡單得多、占據更少空間且重量更小。示例性碳化硅晶體管是C2M0080120D，并且示例性碳化硅二極管是C4D10120D，其由Durham, NC的Cree公司制造。
[0035]分流電路的晶體管T1-T8的切換頻率可以超過70千赫茲且可以典型地落在70千赫茲到100千赫茲之間的范圍內。示例性切換頻率是75千赫茲。與碳化硅基系統相反，硅基系統一般被限于以25千赫茲或更小進行操作。一般而言，更高切換頻率對應于更高轉換效率。升壓轉換器20可以在800伏、1000伏和更高處針對處于和超過5千瓦、10千瓦和25千瓦的輸出功率水平提供大于99%以及甚至99.25%的輸出效率。
[0036]特別地，可以在單個印刷電路板(PCB)上提供包括相對較大共模扼流圈CHl、CH2和電感器L1、L2、L3、L4的針對升壓轉換器20的電路。在該配置(且包括印刷電路板和所圖示的電子器件)中，升壓轉換器20具有可超過7千瓦每千克且在7千瓦每千克到21千瓦每千克的范圍內操作的功率與重量比。當提供這些水平處的功率時，強制空氣冷卻可能是必要的。
[0037]參照圖3，提供了三相逆變器22的示例性配置。盡管許多不同類型的逆變器可以利用本文公開的概念，但在該示例中使用三級T型逆變器架構。一般而言，三相逆變器22包括三個相腳(phase leg)PLl、PL2和PL3、頂軌TR和底軌BR。針對三個相腳PLl、PL2和PL3的電路以相似方式工作。相腳PLl、PL2和PL3中的每一個起作用以將來自升壓轉換器20的DC輸出電壓Vb轉換成正弦輸出。僅有的區別是:三個相腳PLl、PL2和PL3的輸出(h、02和O3處的AC電壓和電流彼此異相120度。最初詳細描述相腳PLl的電路和操作。
[0038]三相逆變器22包括兩個串聯電容器C7、C8，其耦合在頂軌TR與底軌BR之間。電容器C7、C8之間提供的節點提供中性節點N。中性節點N表示公共點，相腳PLl、PL2和PL3中的每一個從該公共點分支。
[0039]相腳PLl包括串聯連接在中性節點N與輸出0!之間的雙向輔助開關和電感器L5。雙向輔助開關包括兩個晶體管T9、T10以及兩個二極管D12、D13。在下面將進一步描述的某些條件下，雙向輔助開關被配置成使得電流可以從中性節點N經過晶體管T9和二極管D13流到輸出O1，并可以從輸出O1經過晶體管T10和二極管D12流到中性節點N。
[0040]雙向輔助開關與電感器L5之間的節點經由上主開關耦合到頂軌TR且經由下主開關耦合到底軌BR。上主開關是包括兩個并聯連接的晶體管T11、T12和至少一個反并聯二極管D14的切換電路，該至少一個反并聯二極管D14可以是針對晶體管Τ11、Τ12之一的外部二極管或體二極管。類似地，下主開關包括兩個并聯連接的晶體管Τ13、Τ14和至少一個反并聯二極管D15，該至少一個反并聯二極管D15可以是針對晶體管Τ13、Τ14之一的外部二極管或體二極管。晶體管Τ11、Τ12的漏極、柵極和源極各自分別直接耦合在一起。晶體管Τ13、Τ14的漏極、柵極和源極以相同方式耦合。在該實施例中，上和下主開關各自被視為主切換電路。針對逆變器的主切換電路將包括切換最大電流和/或電壓的那些晶體管。
[0041]三相逆變器22還包括逆變器控制器28，該逆變器控制器28可以是模擬的或數字的且被配置成針對腳PL1、PL2和PL3中的每一個的雙向輔助開關、上主開關和下主開關提供獨立控制信號CS。再次主要參照相腳PLl，采用四個控制信號。第一控制信號CSl被提供給上主開關中的兩個晶體管T11、T12的柵極;第二控制信號CS2被提供給下主開關中的晶體管T13、Τ14的柵極;第三控制信號CS3被提供給雙向輔助開關中的晶體管T9的柵極，并且第四控制信號CS4被提供給雙向輔助開關中的晶體管T1的柵極。
[0042]如所指出，針對相腳PLl、PL2和PL3中的每一個的目標是從DC信號創建正弦AC輸出信號，在該情況下，DC信號是來自升壓轉換器20的輸出電壓Vb。對于相腳PLl，本質上存在三個操作狀態。第一狀態對應于正弦AC輸出信號的正半周期，第二狀態對應于正弦AC輸出信號的負半周期，并且第三狀態對應于正弦AC輸出信號的零交叉。
[0043]在當正在生成正半周期時的第一狀態期間，控制信號CS2和CS4被配置成關斷下主開關的并聯晶體管Tl 3、T14以及關斷雙向輔助開關的晶體管TlO。進一步，控制彳g號CS I和CS3被配置成以互補的方式接通和關斷上主開關的并聯晶體管T11、T12和雙向輔助開關的晶體管T9。照此，在正半周期期間在頂軌TR與中性節點N之間快速切換雙向輔助開關與電感器L5之間的節點，以控制經過電感器L5的正電流流動。在一個實施例中，控制信號CSl和CS3是在正半周期的開始和結束處比在正半周期的中間中提供更窄(更低占空比)脈沖的互補正弦PWM信號。
[0044]在當正在生成負半周期時的第二狀態期間，控制信號CSl和CS3被配置成關斷上主開關的并聯晶體管Tll、Τ12以及關斷雙向輔助開關的晶體管T9。進一步，控制信號CS2和CS4被配置成以互補的方式接通和關斷下主開關的并聯晶體管Τ13、Τ14和雙向輔助開關的晶體管Τ10。照此，在負半周期期間在底軌BR與中性節點N之間快速切換雙向輔助開關與電感器L5之間的節點，以控制經過電感器L5的負電流流動。對于正半周期，控制信號CSl和CS3還可以是互補正弦PWM信號。在AC輸出信號中的零交叉(第三狀態)附近，上主開關、下主開關和雙向輔助開關中的所有晶體管可以通過它們的對應控制信號CSl至CS4而關斷。
[0045]相腳PL2和PL3的操作和配置與相腳PLl相似。相腳PL2包括串聯連接在中性節點N與輸出O2之間的雙向輔助開關和電感器L6。雙向輔助開關包括兩個晶體管Τ15、Τ16和兩個二極管D16、D17。雙向輔助開關與電感器L6之間的節點經由上主開關耦合到頂軌TR且經由下主開關耦合到底軌BR。
[0046]上主開關包括兩個并聯連接的晶體管T17、T18和至少一個反并聯二極管D18，該至少一個反并聯二極管D18可以是針對晶體管Τ17、Τ18之一的外部二極管或體二極管。類似地，下主開關包括兩個并聯連接的晶體管Τ19、Τ20和至少一個反并聯二極管D19，該至少一個反并聯二極管D19可以是針對晶體管Τ19、Τ20之一的外部二極管或體二極管。晶體管Τ17、T18的漏極、柵極和源極各自分別直接耦合在一起。晶體管T19、T20的漏極、柵極和源極以相同方式耦合。針對與控制信號的配置相關聯的細節，參考與相腳PLl相關聯的描述。
[0047]相腳PL3也包括串聯連接在中性節點N與輸出O3之間的雙向輔助開關和電感器L7。雙向輔助開關包括兩個晶體管Τ21、Τ22和兩個二極管D20、D21。雙向輔助開關與電感器L7之間的節點經由上主開關耦合到頂軌TR且經由下主開關耦合到底軌BR。
[0048]上主開關包括兩個并聯連接的晶體管T23、T24和至少一個反并聯二極管D22，該至少一個反并聯二極管D22可以是針對晶體管Τ23、Τ24之一的外部二極管或體二極管。類似地，下主開關包括兩個并聯連接的晶體管Τ25、Τ26和至少一個反并聯二極管D23，該至少一個反并聯二極管D23可以是針對晶體管Τ25、Τ26之一的外部二極管或體二極管。晶體管Τ23、Τ24的漏極、柵極和源極各自分別直接耦合在一起。晶體管Τ25、Τ26的漏極、柵極和源極以相同方式耦合。針對與控制信號的配置相關聯的細節，參考與相腳PLl相關聯的描述。還要注意，電容器C9、C10和Cll耦合在相應輸出(h、02和O3之間。
[0049]為了維持在輸出(h、02和O3處提供的三個正弦AC輸出信號的適當相位、頻率和幅度，逆變器控制器28可以監視各種相腳PLl、PL2和PL3的輸出電流1連同來自升壓轉換器20的DC輸出電壓VB，并基于此來生成各種控制信號CS。本領域技術人員將領會到，可替換的逆變器配置是可用的，并且本公開的概念適用于這些配置。進一步，本領域技術人員將認識到用于生成期望AC輸出信號的可替換控制方案。
[0050]如在升壓轉換器20中那樣，三相逆變器22的晶體管T9-T26和二極管D12-D23可以是碳化硅功率器件。晶體管T9-T26可以是M0SFET、IGBT等等。二極管D12-D23可以是硅Pin或肖特基二極管。示例性碳化娃晶體管是C2M0080120D，并且示例性碳化娃二極管是C4D10120D，其由Durham, NC的Cree公司制造。
[0051 ]與軟切換相反，通過針對晶體管T9-T26和二極管D12-D23使用碳化硅，可以對晶體管進行硬切換，并且晶體管以比硅基系統高得多的切換頻率進行操作。照此，當允許硬切換時，逆變器控制器28不必采用如此復雜的控制方案，并且由于附加軟切換電路不是必要的，因此電子器件簡單得多、占據更少空間且重量更小。分流電路的晶體管T9-T26的切換頻率可以超過35千赫茲且可以典型地落在35千赫茲到60千赫茲之間的范圍內。示例性切換頻率是35千赫茲。進一步，對于空氣冷卻系統，在其中包括外殼24和所有電子器件的總體逆變器系統14可以具有重量和大于I千瓦/千克的輸出功率與重量比。在一個實施例中，逆變器系統14可以實現約I千瓦/千克與3千瓦/千克之間的輸出功率與重量比。
[0052]本領域技術人員將認識到對本公開的優選實施例的改進和修改。所有這樣的改進和修改是在本文公開的概念和所附權利要求書的范圍內考慮的。
【主權項】
1.一種功率轉換設備，包括: 夕卜殼； DC-DC轉換電路，被配置成將第一DC信號轉換成第二DC信號，并包括第一主切換電路，所述第一主切換電路具有在轉換過程期間硬切換的碳化硅晶體管；以及 逆變器，被配置成將第二 DC信號轉換成正弦AC信號，并包括第二主切換電路，所述第二主切換電路具有在轉換過程期間硬切換的碳化硅晶體管。2.如權利要求1所述的功率轉換設備，其中所述功率轉換設備具有重量和能夠超過I千瓦/千克的輸出功率與重量比。3.如權利要求1所述的功率轉換設備，其中所述功率轉換設備具有重量和能夠在約I千瓦/千克與3千瓦/千克之間實現的輸出功率與重量比。4.如權利要求1所述的功率轉換設備，其中針對第一和第二主切換電路兩者的碳化硅晶體管中的至少兩個直接與彼此并聯耦合。5.如權利要求4所述的功率轉換設備，其中所述第一主切換電路包括至少一個主信號路徑，所述至少一個主信號路徑包括在所述至少一個主信號路徑中串聯放置的一對并聯碳化娃二極管。6.如權利要求1所述的功率轉換設備，進一步包括:控制器，被配置成在DC到DC轉換期間以70千赫茲與100千赫茲之間的頻率在接通和關斷狀態之間切換所述第一主切換電路的碳化硅晶體管。7.如權利要求1所述的功率轉換設備，進一步包括:控制器，被配置成在AC到DC轉換期間以35千赫茲與60千赫茲之間的頻率在接通和關斷狀態之間切換所述第二主切換電路的碳化硅晶體管。8.如權利要求1所述的功率轉換設備，進一步包括第一控制器和第二控制器，并且其中: 所述功率轉換設備具有重量和能夠在約I千瓦/千克與3千瓦/千克之間實現的輸出功率與重量比； 針對第一和第二主切換電路兩者的碳化硅晶體管中的至少兩個直接與彼此并聯耦合； 所述第一主切換電路包括至少一個主信號路徑，所述至少一個主信號路徑包括在所述至少一個主信號路徑中串聯放置的一對并聯碳化硅二極管； 所述第一控制器被配置成在DC到DC轉換期間以70千赫茲與100千赫茲之間的頻率在接通和關斷狀態之間切換所述第一主切換電路的碳化硅晶體管；以及 所述第二控制器被配置成在AC到DC轉換期間以35千赫茲與60千赫茲之間的頻率在接通和關斷狀態之間切換所述第二主切換電路的碳化硅晶體管。9.一種升壓轉換器，包括: 至少一個串聯路徑，耦合在輸入與輸出之間，并包括能量存儲器件和至少一個串聯連接的碳化硅二極管； 對于所述至少一個串聯路徑中的每一個，分流電路，耦合在所述至少一個串聯路徑上的點與地之間，并包括直接與彼此并聯耦合的至少兩個碳化硅晶體管；以及 控制器，被配置成在接通和關斷狀態之間切換所述分流電路，以提供所述輸入與所述輸出之間的DC到DC轉換，使得在所述DC到DC轉換期間在接通和關斷狀態之間對所述至少兩個碳化硅晶體管進行硬切換。10.如權利要求9所述的升壓轉換器，其中所述至少一個串聯連接的碳化硅二極管包括直接與彼此并聯耦合的至少兩個碳化硅二極管。11.如權利要求9所述的升壓轉換器，其中所述控制器被配置成以70千赫茲與100千赫茲之間的頻率在接通和關斷狀態之間切換所述分流電路。12.如權利要求9所述的升壓轉換器，其中所述控制器被配置成以約75千赫茲的頻率在接通和關斷狀態之間切換所述分流電路。13.如權利要求9所述的升壓轉換器，進一步包括印刷電路板，并且其中能量存儲器件是連同所述至少一個串聯路徑和所述分流電路安裝在所述印刷電路板上的串聯電感器，并且所述升壓轉換器具有能夠超過7千瓦/千克的輸出功率與重量比。14.如權利要求9所述的升壓轉換器，進一步包括印刷電路板，并且其中能量存儲器件是連同所述至少一個串聯路徑和所述分流電路安裝在所述印刷電路板上的串聯電感器，并且所述升壓轉換器具有能夠在約7千瓦/千克與21千瓦/千克之間實現的輸出功率與重量比。15.如權利要求9所述的升壓轉換器，其中所述至少一個串聯路徑包括多個串聯路徑，其中每一個串聯路徑包括作為所述能量存儲器件的串聯電感器，并且每一個分流電路的切換是交織的。16.如權利要求9所述的升壓轉換器，其中所述至少兩個碳化硅晶體管是MOSFET。17.如權利要求9所述的升壓轉換器，進一步包括印刷電路板，其中: 所述至少一個串聯連接的碳化硅二極管包括直接與彼此并聯耦合的至少兩個碳化硅二極管； 所述控制器被配置成以70千赫茲與100千赫茲之間的頻率在接通和關斷狀態之間切換所述分流電路；以及 所述能量存儲器件是連同所述至少一個串聯路徑和所述分流電路安裝在所述印刷電路板上的串聯電感器，并且所述升壓轉換器具有能夠在約7千瓦/千克與21千瓦/千克之間實現的輸出功率與重量比。18.—種逆變器，包括: 頂軌； 底軌； 耦合到第一輸出的第一腳； 耦合在所述第一腳與所述頂軌之間的第一上主開關以及耦合在所述第一腳與所述底軌之間的第一下主開關，其中所述第一上主開關和所述第一下主開關各自包括直接與彼此并聯耦合的至少兩個碳化硅晶體管；以及 控制器，被配置成在接通和關斷狀態之間切換所述第一上主開關和所述第一下主開關，以提供所述頂軌和所述底軌與所述第一輸出之間的第一AC到DC轉換，使得在所述第一AC到DC轉換期間在接通和關斷狀態之間對第一上和主開關的至少兩個碳化硅晶體管進行硬切換。19.如權利要求18所述的逆變器，其中所述第一腳包括由一對串聯連接的晶體管和一對串聯連接的二極管形成的雙向輔助開關，其中串聯連接的二極管中的每一個與該對串聯連接的晶體管中對應的一個晶體管反并聯耦合。20.如權利要求18所述的逆變器，其中所述逆變器是三相逆變器，且進一步包括: 耦合到第二輸出的第二腳； 耦合在所述第二腳與所述頂軌之間的第二上主開關以及耦合在所述第二腳與所述底軌之間的第二下主開關，其中所述第二上主開關和所述第二下主開關各自包括直接與彼此并聯耦合的至少兩個碳化硅晶體管； 耦合到第三輸出的第三腳；以及 耦合在所述第三腳與所述頂軌之間的第三上主開關以及耦合在所述第三腳與所述底軌之間的第三下主開關，其中所述第三上主開關和所述第三下主開關各自包括直接與彼此并聯耦合的至少兩個碳化硅晶體管，并且其中所述控制器進一步被配置成； 在接通和關斷狀態之間切換所述第二上主開關和所述第二下主開關，以提供所述頂軌和所述底軌與所述第二輸出之間的第二 AC到DC轉換，使得在所述第二 AC到DC轉換期間在接通和關斷狀態之間對第二上和下主開關的至少兩個碳化硅晶體管進行硬切換；以及 在接通和關斷狀態之間切換所述第三上主開關和所述第三下主開關，以提供所述頂軌和所述底軌與所述第二輸出之間的第三AC到DC轉換，使得在所述第三AC到DC轉換期間在接通和關斷狀態之間對第二上和下主開關的至少兩個碳化硅晶體管進行硬切換，使得來自第一、第二和第三輸出的正弦AC輸出信號彼此異相120度。21.如權利要求20所述的逆變器，其中第一、第二和第三腳中的每一個: 在中性節點與第一、第二和第三輸出中對應的一個之間延伸;并且 包括由一對串聯連接的晶體管和一對串聯連接的二極管形成的雙向輔助開關，其中串聯連接的二極管中的每一個與該對串聯連接的晶體管中對應的一個晶體管反并聯耦合。22.如權利要求18所述的逆變器，其中所述控制器被配置成以35千赫茲與60千赫茲之間的頻率在接通和關斷狀態之間切換上和下主開關。23.如權利要求18所述的逆變器，其中所述控制器被配置成以約50千赫茲的頻率在接通和關斷狀態之間切換上和下主開關。24.如權利要求18所述的逆變器，其中所述逆變器是T型三相逆變器。25.一種功率轉換設備，包括外殼和將第一 DC信號轉換成正弦AC信號的電路，其中所述功率轉換設備具有重量和能夠超過I千瓦/千克的輸出功率與重量比。26.如權利要求25所述的功率轉換設備，其中所述功率轉換設備具有重量和能夠在約I千瓦/千克與3千瓦/千克之間實現的輸出功率與重量比。27.如權利要求26所述的功率轉換設備，進一步包括:主切換電路，具有在轉換過程期間硬切換的碳化硅晶體管。28.如權利要求27所述的功率轉換設備，其中針對所述主切換電路的碳化硅晶體管中的至少兩個直接與彼此并聯耦合。29.如權利要求28所述的功率轉換設備，進一步包括:控制器，被配置成在轉換過程的DC到DC部分期間以70千赫茲與100千赫茲之間的頻率在接通和關斷狀態之間切換所述主切換電路的碳化硅晶體管。
【文檔編號】H02M7/487GK106063110SQ201580010730
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年2月25日
【發明人】X·C·劉, J·莫克肯
【申請人】科銳