本文所公開的主題涉及電壓轉換器系統(tǒng)。更具體來說，本公開一般涉及使用電壓轉換器系統(tǒng)中的不同類型的開關來降低損耗并且改進效率。

背景技術：

碳化硅(sic)是一種半導體，其越來越多地用于功率電子裝置、例如金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)中。與沒有在相應裝置中采用碳化硅的其他功率電子裝置相比，sic功率電子裝置一般在較高切換速率(例如千赫茲(khz)范圍)具有較低切換損耗，工作在較高結溫度，并且工作在較高電壓。因此，近年來，sic功率電子裝置鑒于其切換性能和高溫操作能力而獲得關注。但是，由于制造sic功率電子裝置的成本與其他功率電子裝置不可比，所以其他硅基功率電子裝置用作使用具有sic功率電子裝置的系統(tǒng)的低成本備選方案。

技術實現(xiàn)要素：

在一個實施例中，一種電壓轉換器可包括耦合到第一直流(dc)電壓源的硅(si)基功率裝置的第一組以及耦合到第二dc電壓源的si基功率裝置的第二組。該電壓轉換器還可包括碳化硅(sic)基功率裝置的第一組，所述碳化硅(sic)基功率裝置的第一組耦合到si基功率裝置的第一組并且耦合到si基功率裝置的第二組。sic基功率裝置的第一組的每個sic基功率裝置與si基功率電子裝置的第一組和第二組的每個si基功率裝置相比可以以較高頻率進行切換。

在另一個實施例中，一種將直流(dc)電壓信號轉換為交流(ac)電壓信號的設備可包括耦合到第一直流(dc)電壓源的碳化硅(sic)基功率電子裝置的第一組以及耦合到第二直流(dc)電壓源的碳化硅基功率電子裝置的第二組。該設備還可包括硅基功率電子裝置的第一組，所述硅基功率電子裝置的第一組耦合到sic基功率電子裝置的第一組并且耦合到sic基功率電子裝置的第二組，其中sic基功率電子裝置的第一組和第二組的每個sic基功率電子裝置配置成與si基功率電子裝置的第一組的每個硅基功率電子裝置相比以更高頻率進行切換。

在又一個實施例中，一種電壓轉換器可包括耦合到第一dc電壓源的硅(si)基功率裝置的第一組以及耦合到第二dc電壓源的si基功率裝置的第二組。該電壓轉換器還可包括碳化硅(sic)基功率裝置的第一組，所述碳化硅(sic)基功率裝置的第一組耦合到si基功率裝置的第一組并且耦合到si基功率裝置的第二組。電壓轉換器還可包括處理器，所述處理器可控制sic基功率裝置的第一組的每個sic基功率裝置以及si基功率裝置的第一組和第二組的每個si基功率裝置的切換，使得sic基功率電子裝置的第一組的一個sic基功率裝置在任何給定時間與硅基功率電子裝置的第一組或第二組的一個si基功率電子裝置串聯(lián)地傳導電流。

技術方案1：一種電壓轉換器(10)，包括：

耦合到第一直流(dc)電壓源(20)的硅(si)基功率裝置的第一組(12)；

耦合到第二dc電壓源(22)的si基功率裝置的第二組(12)；以及

碳化硅(sic)基功率裝置的第一組(14)，耦合到si基功率裝置的所述第一組(12)并且耦合到si基功率裝置的所述第二組(12)，其中sic基功率裝置的所述第一組(14)的每個sic基功率裝置配置成與所述si基功率電子裝置的所述第一組和第二組(12)的每個si基功率裝置(12)相比以更高頻率進行切換。

技術方案2：如技術方案1所述的電壓轉換器，其中，si基功率裝置的所述第一組和第二組的每個組包括一個或多個絕緣柵雙極晶體管(igbt)。

技術方案3：如技術方案1所述的電壓轉換器，其中，sic基功率裝置的所述第一組包括一個或多個金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)。

技術方案4：如技術方案1所述的電壓轉換器，包括處理器，所述處理器配置成向si基功率裝置的所述第一組和第二組和sic基功率裝置的所述第一組提供多個柵信號，其中所述多個柵信號配置成使sic基功率裝置的所述第一組與si基功率裝置的所述第一組和第二組相比以更高頻率進行切換。

技術方案5：如技術方案1所述的電壓轉換器，其中，硅基功率電子裝置的所述第一組和第二組的每個si基功率裝置配置成以基頻進行切換。

技術方案6：如技術方案5所述的電壓轉換器，其中，所述基頻為60hz。

技術方案7：如技術方案1所述的電壓轉換器，包括：

電容器，耦合到sic基功率裝置的所述第一組；以及

sic基功率裝置的第二組，耦合到所述電容器和碳化硅基功率電子裝置的所述第一組。

技術方案8：如技術方案1所述的電壓轉換器，其中，碳化硅基功率電子裝置的所述第一組的每個碳化硅基功率電子裝置配置成以1khz或更大進行切換。

技術方案9：一種配置成將直流(dc)電壓信號轉換為交流(ac)電壓信號的設備(60)，包括：

耦合到第一直流(dc)電壓源(20)的碳化硅(sic)基功率電子裝置的第一組(14)；

耦合到第二直流(dc)電壓源(22)的sic基功率電子裝置的第二組(14)；以及

硅基功率電子裝置的第一組(12)，耦合到sic基功率電子裝置的所述第一組(14)并且耦合到sic基功率電子裝置的所述第二組(14)，其中sic基功率電子裝置的所述第一組和第二組(14)的每個sic基功率電子裝置(14)配置成與所述si基功率電子裝置的所述第一組(12)的每個si基功率電子裝置(12)相比以更高頻率進行切換。

技術方案10：如技術方案9所述的設備，其中，si基功率電子裝置的所述第一組包括一個或多個絕緣柵雙極晶體管(igbt)。

技術方案11：如技術方案9所述的設備，其中，sic基功率電子裝置的所述第一組和第二組的每個組包括一個或多個金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)。

技術方案12：如技術方案9所述的設備，其中，si基功率電子裝置的所述第一組包括相互串聯(lián)耦合的至少兩個絕緣柵雙極晶體管(igbt)。

技術方案13：如技術方案9所述的設備，其中，sic基功率電子裝置的所述第一組和第二組的每個組包括相互串聯(lián)耦合的至少兩個金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)。

技術方案14：如技術方案9所述的設備，其中，硅基功率電子裝置的所述第一組的每個si基功率電子裝置配置成以基頻進行切換。

技術方案15：如技術方案9所述的設備，其中，sic基功率電子裝置的所述第一組和第二組的每個sic基功率電子裝置配置成以基本周期的一半進行切換。

技術方案16：一種電壓轉換器，包括：

耦合到第一dc電壓源的硅(si)基功率裝置的第一組；

耦合到第二dc電壓源的si基功率裝置的第二組；

碳化硅(sic)基功率裝置的第一組，耦合到si基功率裝置的所述第一組并且耦合到si基功率裝置的所述第二組；以及

處理器，配置成控制sic基功率裝置的所述第一組的每個sic基功率裝置以及所述si基功率裝置的所述第一組和第二組的每個si基功率裝置的切換，使得sic基功率電子裝置的所述第一組的一個sic基功率裝置在任何給定時間與所述硅基功率電子裝置的所述第一組或第二組的一個si基功率電子裝置串聯(lián)地傳導電流。

技術方案17：如技術方案16所述的電壓轉換器，其中，所述處理器配置成移除來自所述si基功率裝置的所述第一組的第一si基功率裝置的第一柵信號，并且向所述si基功率裝置的所述第二組的第二si基功率裝置提供第二柵信號。

技術方案18：如技術方案17所述的電壓轉換器，其中，所述處理器配置成當所述轉換器的電壓輸出過零時移除所述第一信號并且提供所述第二信號。

技術方案19：如技術方案1所述的電壓轉換器，其中，si基功率裝置的所述第一組和第二組的每個組包括一個或多個絕緣柵雙極晶體管(igbt)。

技術方案20：如技術方案1所述的電壓轉換器，其中，sic基功率裝置的所述第一組包括一個或多個金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)。

附圖說明

通過參照附圖閱讀以下詳細描述，將會更好地了解本發(fā)明的這些及其他特征、方面和優(yōu)點，附圖中，相似標號在附圖中通篇表示相似部件，附圖包括：

圖1是按照一實施例的三級混合轉換器系統(tǒng)的示意圖；

圖2是按照一實施例、由混合轉換器系統(tǒng)所輸出的電壓信號的圖表連同提供給圖1的混合轉換器系統(tǒng)中的切換裝置的柵信號的時序圖；

圖3示出按照一實施例、比較不同類型的轉換器系統(tǒng)的能量損耗的條形圖；

圖4是按照一實施例的另一個三級混合轉換器系統(tǒng)的示意圖；以及

圖5是按照一實施例的五級混合轉換器系統(tǒng)的示意圖。

具體實施方式

下面將描述一個或多個具體實施例。在提供這些實施例的簡要描述的過程中，在本說明書中并非描述實際實現(xiàn)的所有特征。應當理解，在任何這種實際實現(xiàn)的開發(fā)中，如同任何工程或設計項目中那樣，必須進行許多實現(xiàn)特定的判定以便實現(xiàn)開發(fā)人員的特定目標，例如符合系統(tǒng)相關和業(yè)務相關限制，這些限制可對每個實現(xiàn)而改變。此外，應當理解，這種開發(fā)工作可能是復雜且費時的，但仍然是獲益于本公開的技術人員進行的設計、制作和制造的日常事務。

在介紹本公開的各個實施例的元件時，限定詞“一”、“一個”、“該”和“所述”意指表示存在元件的一個或多個。術語“包含”、“包括”和“具有”意指包含在內，并且表示可存在除了列示元件之外的附加元件。

硅(si)功率電子裝置在各種功率轉換系統(tǒng)(例如整流器、逆變器)中廣泛用來把來自交流(ac)電壓信號的電壓信號轉換成直流(dc)電壓信號或者反過來。但是，硅基功率電子裝置、例如硅絕緣柵雙極晶體管(igbt)可在高頻切換期間作為熱損耗而損失其能量的越來越多的部分。因此，硅基功率電子裝置的性能可限制到某種切換頻率(例如1khz)。

與硅基功率電子裝置形成對照，碳化硅基功率電子裝置、例如碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)與硅基功率電子裝置相比可呈現(xiàn)明顯更低的切換損耗。因此，sic功率電子裝置在頻繁切換(例如>1khz)時并且在較高溫度可比si功率電子裝置更為有效地操作。

雖然si功率電子裝置的切換損耗可大于sic功率電子裝置的切換損耗，但是與sic功率電子裝置的傳導損耗相比，跨si功率電子裝置的傳導損耗(或電壓降)可保持為比較恒定或者以較慢速率增加。也就是說，由于si功率電子裝置、例如siigbt的結構，對于相同額定電流，跨si功率電子裝置的電壓降與sic功率電子裝置、例如sicmosfet相比一般可更低。

鑒于以上所述，在一個實施例中，si功率電子裝置和sic功率電子裝置均可共同在電路中用來更有效地執(zhí)行功率轉換操作。也就是說，當前所公開的混合轉換器系統(tǒng)一般采用在某個低頻范圍(例如0-1khz、線路頻率、基頻)中切換的si功率電子裝置連同以更高頻率范圍(例如>1khz)切換的sic功率電子裝置。通過以線路頻率或基頻切換si功率電子裝置并且使用sic功率電子裝置以高頻進行切換，混合轉換器系統(tǒng)可產生高質量電壓輸出，該高質量電壓輸出使sic功率電子裝置的低切換損耗性質的有益效果為最大。此外，混合轉換器系統(tǒng)可協(xié)調提供給si功率電子裝置和sic功率電子裝置的柵信號，使得si功率電子裝置可在切換時攜帶零電流。因此，si功率電子裝置可沒有切換損耗。

作為介紹，圖1示出按照本方式的一實施例的三級混合轉換器系統(tǒng)10(其結合si功率電子裝置和sic功率電子裝置以便將dc電壓信號轉換成ac電壓信號)的示意圖。三級混合轉換器系統(tǒng)10(混合轉換器系統(tǒng)10)可表征為具有混合開關組合件(其使用si功率電子裝置和sic功率電子裝置)的有源中性點鉗位多級轉換器。應當注意，圖1的示意圖可表示多相轉換器系統(tǒng)的一個相臂。因此，三級混合轉換器系統(tǒng)10可用于這種多相轉換器系統(tǒng)的一個或多個臂上。

在一個實施例中，混合轉換器系統(tǒng)10的si功率電子裝置和sic功率電子裝置可以分別是siigbt12和sicmosfet14。siigbt12可包括不同額定值的各種類型的igbt(例如1.7kv、3.3kv、4.5kv或6.5kvigbt)，該igbt使用si作為半導體材料在傳導與非傳導狀態(tài)之間進行切換。按照同樣的方式，sicmosfet可包括不同額定值的各種類型的mosfet，該mosfet使用sic作為半導體材料在傳導與非傳導狀態(tài)之間進行切換。雖然各種混合轉換器系統(tǒng)的以下描述將針對所示siigbt12和sicmosfet14來論述，但是應當注意，在其他實施例中，任何適當類型的si功率電子裝置和sic功率電子裝置可用來代替siigbt12和sicmosfet14。

在一些實施例中，多個siigbt12可作為模塊16的部分編組在一起。例如，在混合轉換器系統(tǒng)10中，兩個siigbt12可相互串聯(lián)電耦合，并且提供三個互連結點(例如11、13、15)，其中模塊16可耦合到其他電組件?；ミB結點可位于siigbt12其中之一的集電極側、siigbt12其中之一的發(fā)射極側以及兩個siigbt12之間。

按照同樣的方式，多個sicmosfet14可作為模塊18的部分編組在一起，使得兩個sicmosfet14可相互串聯(lián)電耦合。此外，模塊18還可具有三個互連結點(例如13、17、19)，其中模塊18可耦合到其他電組件。模塊18的互連結點可位于sicmosfet14其中之一的漏極側、sicmosfet14其中之一的源極側以及兩個sicmosfet14之間。

在某些實施例中，模塊16和模塊18均可以是標準化可互換組件，這些組件可用來構建混合系統(tǒng)10。因此，模塊16和模塊18各可單獨制造，并且可被裝配者用于使用標準構建組件來創(chuàng)建具有不同電壓和電流額定值的不同混合轉換器系統(tǒng)。

有鑒于此，混合轉換器系統(tǒng)10的每個siigbt模塊16可耦合于dc電壓源(例如dc電壓源20、dc電壓源22)。相交結點(例如13、19)或者每個siigbt模塊16的輸出則可與sicmosfet模塊18串聯(lián)耦合。例如，模塊16的兩個siigbt12之間的互連結點可耦合到模塊18的sicmosfet的源極側和漏極側。

混合轉換器系統(tǒng)10的ac輸出電壓可在輸出端子(例如21、23)來提供，輸出端子連接到模塊18的sicmosfet之間的互連結點(例如17)并且連接到電壓源20與電壓源22之間的互連結點(例如15)。在一些實施例中，電壓源20和電壓源22均提供相同量的dc電壓。因此，siigbt12和sicmosfet14可按照可控方式來接通和關斷，以便將經由電壓源20和22所提供的dc電壓信號轉換成混合轉換器系統(tǒng)10所輸出的ac電壓信號。ac電壓信號輸出然后可被提供給各種類型的ac供電裝置、例如ac電動機等，以執(zhí)行各種類型的操作。

在一個實施例中，siigbt12和sicmosfet14的切換可通過提供給siigbt12和sicmosfet4的柵極的柵信號來控制。因此，混合轉換器系統(tǒng)10可包括混合轉換器控制系統(tǒng)24，混合轉換器控制系統(tǒng)24可向混合轉換器系統(tǒng)10中的siigbt12和sicmosfet14的每個提供柵信號，以控制混合轉換器系統(tǒng)10的操作。

混合轉換器控制系統(tǒng)24一般可包括處理器26，處理器26確定要提供給混合轉換器系統(tǒng)10的siigbt12和sicmosfet14的適當柵信號，以便使用dc電壓源20和22來產生預期ac電壓輸出信號。處理器26可以是能夠運行計算機可執(zhí)行指令(例如軟件代碼、程序、應用)的任何類型的計算機處理器或者微處理器。處理器26還可包括多個處理器，該多個處理器可協(xié)作執(zhí)行以下所述操作。

一般來說，如上所述，處理器26可運行軟件應用，所述軟件應用包括程序，以確定要提供給siigbt12和sicmosfet14的柵信號，使得所產生ac電壓輸出對應于預期電壓信號。例如，圖2示出提供給圖1的混合轉換器系統(tǒng)10的實施例的siigbt12和sicmosfet14的相應柵極的柵信號的示例時序圖30。

在某些實施例中，處理器26可將柵信號提供給siigbt12和sicmosfet14，使得一個siigbt12將在任何給定時間與一個sicmosfet14串聯(lián)。另外，處理器26可向siigbt12發(fā)送柵信號，以便使siigbt12以基本線路頻率(例如60hz)進行切換，并且向sicmosfet14發(fā)送柵信號以便以更高頻率(例如>1khz)進行切換，以同步預期ac電壓輸出波形。相應地，如圖2所示，提供給siigbt12的柵信號(例如g1、g2、g3、g4)與提供給sicmosfet14的柵信號(例如g5、g6)相比不太頻繁地變化。因此，ac電壓輸出40(參考波)可對應于預期正弦波，如圖2所示。圖2還示出載波42。載波42和ac電壓輸出40的相交一般形成矩形波形或脈寬調制(pwm)柵波形，該波形能夠用來控制siigbt12和sicmosfet14。

鑒于以上所述，為了產生ac電壓輸出40，處理器26可協(xié)調提供給siigbt12和sicmosfet14的柵信號，使得一個siigbt12在任何給定時間與一個sicmosfet14共同電串聯(lián)激活，并且相互串聯(lián)地傳導電流，如上所述。例如，參照圖1，開關t1(例如siigbt12)和開關t5(例如sicmosfet14)可在某個時間間隔期間相互串聯(lián)。為了確保僅一個siigbt12在給定時間與sicmosfet14串聯(lián)(例如，一個siigbt12與simosfet14串聯(lián)地傳導電流)，處理器26可在關斷一個siigbt12時移除(例如停止或中斷)來自一個siigbt12的柵信號(例如在時間t1)，并且以短延遲(例如提供大約1μs的空載時間，其中igbt均關斷，以避免潛在直通)向另一個siigbt12提供柵信號以接通另一siigbt12。在一個實施例中，處理器26可在ac電壓輸出40過零(在時間t1)時移除和提供相應柵信號。

但是，在從相應siigbt12移除柵信號并且siigbt關斷或進入非傳導狀態(tài)時，與相應siigbt12串聯(lián)耦合的對應sicmosfet14將已經關斷。也就是說，對應sicmosfet14可比其對應siigbt12更快地處于非傳導狀態(tài)。因此，當移除對應siigbt12的柵信號時，siigbt12中的電流因sicmosfet14已經關斷而已經為零。因此，按傳統(tǒng)具有比sicmosfet更高的切換損耗的siigbt12在關斷期間具有極少或者沒有損耗。

按照同樣的方式，當提供另一個siigbt12的柵信號以接通siigbt12時，對應sicmosfet14將不會接通，直到對應siigbt12完全導通并且處于完全傳導(例如導通)狀態(tài)。在這個時間(例如時間t1)，相應siigbt12中的電流仍然為零，直到跨siigbt12的電壓幾乎為零。因此，siigbt12中的接通損耗也為最小，從而引起極小或沒有(例如零)切換損耗。

應當注意，通過使用上述混合轉換器系統(tǒng)10，轉換器系統(tǒng)比只使用sic功率電子裝置的轉換器系統(tǒng)更為有效。例如，圖3示出條形圖50，該條形圖50比較只使用sic功率電子裝置的二級轉換器系統(tǒng)(例如條52)、只使用sic功率電子裝置的三級轉換器系統(tǒng)(例如條54)以及對應于圖1的混合轉換器系統(tǒng)10的三級混合轉換器系統(tǒng)(例如條56)的能量損耗。

圖3的圖表50比較在只使用sic功率電子裝置的二級轉換器系統(tǒng)(例如條52)、只使用sic功率電子裝置的三級轉換器系統(tǒng)(例如條54)以及對應于用于1.5mw/4.16kv高速中壓驅動器的圖1的混合轉換器系統(tǒng)10的三級混合轉換器系統(tǒng)(例如條56)中發(fā)生的損耗。此外，在ac電壓輸出端子的有效切換頻率大約為20khz。與圖表50關聯(lián)的模擬使用1.7kvsicmosfet作為sicmosfet14并且使用6.5kv/250asiigbt作為siigbt12，作為混合轉換器系統(tǒng)10的部分。如圖表50所示，混合系統(tǒng)10與全sic3級轉換器相比具有總損耗的20%降低，同時還表示組件成本的降低。

鑒于以上所述，在一些實施例中，混合轉換器系統(tǒng)10的siigbt12和sicmosfet14可按照不同方式定位。例如，圖4示出相對于圖1的混合轉換器系統(tǒng)的實施例的三級混合轉換器系統(tǒng)60(其切換模塊18(包括sicmosfet14)和模塊16(包括siigbt12)的位置)的示意圖。與上述混合轉換器系統(tǒng)10相似，混合轉換器系統(tǒng)60還可表征為有源中性點鉗位多級轉換器。

在一個實施例中，混合轉換器系統(tǒng)60可進行操作以使得與可按照大約基頻(例如60hz)進行切換的siigbt12相比，sicmosfet14以基本周期的一半(例如30hz)進行切換。相應地，與圖1的混合轉換器系統(tǒng)相比，混合轉換器系統(tǒng)60可具有針對切換損耗的相同有益效果。此外，與圖1的混合轉換器系統(tǒng)10相似，混合轉換器系統(tǒng)60的控制系統(tǒng)可按照上述相似方式來協(xié)調提供給sicmosfet14和siigbt12的柵信號，以便限制當siigbt12調度成關斷或接通時存在于siigbt12的電流量。

除了上述三級混合轉換器系統(tǒng)10和三級混合轉換器系統(tǒng)60之外，圖5還示出五級混合轉換器系統(tǒng)70，該五級混合轉換器系統(tǒng)70也可用來將dc電壓信號轉換為ac電壓信號?；旌限D換器系統(tǒng)70可包括上述混合轉換器系統(tǒng)10的電路連同電容器72和附加sicmosfet模塊18。

與上述混合轉換器10相似，混合轉換器70的siigbt12可被提供柵信號，使得它們以基頻(例如60hz)進行切換。另一方面，sicmosfet4可被提供柵信號，以便使sicmosfet14更頻繁地切換，從而引起更高切換頻率(例如>1khz)。

在某些實施例中，混合轉換器系統(tǒng)70的siigbt12的每個可具有近似為sicmosfet14的額定電壓的兩倍的額定電壓。因此，低電壓sicmosfet14可用來構建具有更高額定電壓的轉換器。這樣，與只采用sicmosfet14或者只采用siigbt的轉換器相比，混合轉換器系統(tǒng)70可保持較低傳導和切換損耗。例如，在五級轉換器中，siigbt額定電壓可以是sicmosfet額定電壓的兩倍。備選地，低電壓sicmosfet能夠串聯(lián)連接，以取得更高電壓。

本發(fā)明的技術效果包括將sic功率電子裝置的低切換損耗有益效果與si功率電子裝置的低傳導損耗有益效果相結合，以提供用于把來自dc信號的電壓轉換成ac信號的有效轉換器系統(tǒng)。此外，考慮與si功率電子裝置相比、與sic功率電子裝置關聯(lián)的較高成本，當前所公開的實施例提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用sic功率電子裝置的有益效果，同時使系統(tǒng)中使用的sic功率電子裝置的數量為最少。因此，與非混合轉換器系統(tǒng)相比，本文所述的混合轉換器系統(tǒng)提供更低成本和更好性能的備選方案。

本書面描述使用包括最佳模式的示例來公開本發(fā)明，并且還使本領域的技術人員能夠實施本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結合方法。本發(fā)明的專利范圍由權利要求書來定義，并且可包括本領域的技術人員想到的其他示例。如果這類其他示例具有與權利要求書的文字語言完全相同的結構元件，或者如果它們包括具有與權利要求書的文字語言的非實質差異的等效結構元件，則它們意在落入權利要求書的范圍之內。